1、電力電子技術 第6章 交流-交流變流電路交流-交流變流電路概述6.1 交流調(diào)壓電路6.1.1 單相交流調(diào)壓電路6.1.2 三相交流調(diào)壓電路6.2 其他交流電力控制電路6.2.1 交流調(diào)功電路6.2.2 交流電力電子開關6.3 交交變頻電路6.3.1 單相交交變頻電路6.3.2 三相交交變頻電路6.4 矩陣式變頻電路本章小結第6章概 述交流-交流變流電路 一種形式的交流電變成另一種形式交流電的電路第6章可改變相關的電壓、電流、頻率和相數(shù)等AC to AC Converters概 述交流電力控制電路變頻電路改變頻率，大多不改變相數(shù)，也有改變相數(shù)的交流調(diào)壓電路 相位控制（或斬控式）交流調(diào)功電路及交流

2、無觸點開關 通斷控制交交變頻電路交直交變頻電路第6章只改變電壓、電流或控制電路的通斷，不改變頻率交流-交流變流電路6.1 交流調(diào)壓電路AC voltage controllers 交流電力控制電路的結構兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中(或雙向晶閘管)，控制晶閘管，就可控制交流電力。 VT 1 VT 2 G T 1 T 2 6.1 交流調(diào)壓電路 AC voltage controllers 交流電力控制電路的類型交流調(diào)壓電路:交流調(diào)功電路:交流電力電子開關:每半個周波控制晶閘管開通相位，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值以交流電周期為單位控制晶閘管通斷，改變通斷周期數(shù)的比，調(diào)節(jié)輸出功率的平均值并不著意調(diào)節(jié)輸出

3、平均功率，而只是根據(jù)需要接通或斷開電路。交流調(diào)壓電路的應用：燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制） （ Lighting control ）異步電動機軟起動 （Soft- start of asynchronous motors ）異步電動機調(diào)速 (Adjustable speed drive of asynchronous motors ）6.1 交流調(diào)壓電路6.1.1 單相交流調(diào)壓電路Single-phase AC voltage controller 1電阻負載原理分析uG1uG2圖6-1電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形數(shù)量關系負載電壓有效值(6-1) 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路 Sin

4、gle-phase AC voltage controller 負載電流有效值圖6-1電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形數(shù)量關系 晶閘管電流有效值(6-3) 功率因數(shù)(6-4)6.1.1 單相交流調(diào)壓電路輸出電壓與a的關系: 移相范圍為0 a 。 a =0時，輸出電壓為最大， Uo=U1隨a的增大，Uo降低， a =時， Uo =0與a的關系: a =0時，功率因數(shù)=1， a 增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低6.1.1 單相交流調(diào)壓電路2阻感負載Inductive (Inductor- resistor) load 阻感負載時a的移相范圍 負載阻抗角：j = arctan(wL / R) 若

5、晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時負載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為j，當用晶閘管控制時，只能進行滯后控制，使負載電流更為滯后 a =0時刻仍定為u1過零的時刻，a的移相范圍應為j a 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路a j 時6.1.1圖6-5 aj時阻感負載交流調(diào)壓電路工作波形圖6-5的波形分析: VT1提前通，L被過充電，放電時間延長， VT1的導通角超過 觸發(fā)VT2時， io尚未過零， VT1仍導通， VT2不通io過零后， VT2開通， VT2導通角小于方程式(4-5)和(4-6)所得io表達式仍適用，只是at 過渡過程和帶R-L負載的單相交流電路在t =a (a j)時合閘的過渡

6、過程相同 io由兩個分量組成：正弦穩(wěn)態(tài)分量、指數(shù)衰減分量 衰減過程中， VT1導通時間漸短， VT2的導通 時間漸長 穩(wěn)態(tài)的工作情況和a =j時完全相同4斬控式交流調(diào)壓電路設斬波器件（V1或V2）導通時間為ton，開關周期為T，則導通比a = ton/T，改變a 可調(diào)節(jié)輸出電壓6.1.1 單相交流調(diào)壓電路基本原理和直流斬波電路有類似之處6.1.1單相交流調(diào)壓電路特性電源電流的基波分量和電源電壓同相位。電源電流不含低次諧波，只含和開關周期T有關的高次諧波功率因數(shù)接近1圖6-8 電阻負載斬控式交流調(diào)壓電路波形6.1.2 三相交流調(diào)壓電路根據(jù)三相聯(lián)結形式的不同，三相交流調(diào)壓電路具有多種形式a) 星形

7、聯(lián)結b) 線路控制三角形聯(lián)結c) 支路控制三角形聯(lián)結d) 中點控制三角形聯(lián)結典型用例晶閘管控制電抗器(Thyristor Controlled ReactorTCR）控制a角可連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器 的電流，從而調(diào)節(jié)無功功率配以固定電容器，就可在從容性到感性的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率，稱為靜止無功補償裝置(Static Var CampensatorSVC），用來對無功功率進行動態(tài)補償，以補償電壓波動或閃變.6.1.2 三相交流調(diào)壓電路6.2 其他交流電力控制電路Other AC controllers 交流調(diào)功電路以交流電源周波數(shù)為控制單位(AC power controller )交流電力電子開

8、關對電路通斷進行控制(Electronic AC switch )6.2.1 交流調(diào)功電路(AC power controller )異：同：與交流調(diào)壓電路的異同電路形式完全相同控制方式不同：將負載與電源接通幾個周波，再斷開幾個周波，改變通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負載所消耗的平均功率。應用常用于電爐的溫度控制電阻負載時的工作情況 控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個周期導通，后MN個周期關斷負載電壓和負載電流（也即電源電流）的重復周期為M倍電源周期交流調(diào)功電路典型波形(M =3、N =2) 當M=3、N=2時的電路波形如圖4-136.2.1 交流調(diào)功電路6.2.1 交流調(diào)功電路因其直接調(diào)節(jié)對象是

9、電路的平均輸出功率,所以稱為交流調(diào)功電路。控制對象時間常數(shù)很大，以周波數(shù)為單位控制即可.通常晶閘管導通時刻為電源電壓過零的時刻，負載電壓電流都是正弦波，不對電網(wǎng)電壓電流造成通常意義的諧波污染。6.2.2交流電力電子開關Electronic AC switch 作用：優(yōu)點：與交流調(diào)功電路的區(qū)別：并不控制電路的平均輸出功率通常沒有明確的控制周期，只是根據(jù)需要控制電路的接通和斷開控制頻度通常比交流調(diào)功電路低得多代替機械開關，起接通和斷開電路的作用響應速度快，無觸點，壽命長，可頻繁控制通斷 晶閘管投切電容器（TSC） 對無功功率控制，可提高功 率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改 善供電質(zhì)量 性能優(yōu)于機械開關投切

10、的電 容器TSC基本原理圖a) 基本單元單相簡圖 b) 分組投切單相簡圖6.2.2 交流電力電子開關晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路結構和原理 圖基本原理圖（單相） 實際常用三相，可三角形聯(lián) 結，也可星形聯(lián)結Thyristor-switched capacitor (TSC) 兩個反并聯(lián)的晶閘管起著把C并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開的作用（圖4-15a）串聯(lián)電感很小，用來抑制電容器投入電網(wǎng)時的沖擊電流實際工程中，為避免電容器組投切造成較大沖擊，一般把電容器分成幾組（圖4-15b），可根據(jù)電網(wǎng)對無功的需求而改變投入電容器的容量TSC實際上為斷續(xù)可調(diào)的動態(tài)無功功率補償器 TSC基本原理圖基本單元單相簡圖 分組投切

11、單相簡圖6.2.2 交流電力電子開關6.3 交交變頻電路晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor)交交變頻電路把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電，屬于直接變頻電路廣泛用于大功率交流電動機調(diào)速傳動系統(tǒng)，實用的主要是三相輸出交交變頻電路1電路構成和基本工作原理圖6-13 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形6.3.1單相交交變頻電路工作原理P組工作時，負載電流io為正，N組工作時，io為負兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該頻率的交流電改變兩組變流器的切換頻率，就可改變輸出頻率wo改變變流電路的控制角a，就可以改變交流輸出電壓的幅值6.3.1單相交交變頻電路 為

12、使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對a角進行調(diào)制6.3.1單相交交變頻電路在半個周期內(nèi)讓P組a 角按一定規(guī)律從90減到0或某個值，再增加到90，每個控制間隔內(nèi)的平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零增至最高，再減到零。另外半個周期可對N組進行同樣的控制。uo由若干段電源電壓拼接而成，在uo的一個周期內(nèi)，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波。圖6-15 單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形6.3.1單相交交變頻電路例：2.輸入輸出特性 1) 輸出上限頻率 6.3.1 單相交交變頻電路輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所含電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴重電壓波形畸變及其導致的電流波形畸變和轉矩脈動是限制輸出

13、頻率提高的主要因素6.3.1 單相交交變頻電路就輸出波形畸變和輸出上限頻率的關系而言，很難確定一個明確的界限。當采用6脈波三相橋式電路時，輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/31/2。電網(wǎng)頻率為50Hz時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz。交交變頻電路主要應用于大功率交流電機調(diào)速系統(tǒng)，使用的是三相交交變頻電路由三組輸出電壓相位各差120的單相交交變頻電路組成1電路接線方式輸出星形聯(lián)結方式公共交流母線進線方式6.3.2三相交交變頻電路1) 公共交流母線進線方式由三組彼此獨立的、輸出電壓相位相互錯開120的單相交交變頻電路構成電源進線通過進線電抗器接在公共的交流母線上因為電源進線端公用，所以三組

14、的輸出端必須隔離。為此，交流電動機的三個繞組必須拆開主要用于中等容量的交流調(diào)速系統(tǒng)圖6-19 公共交流母線進線三相交交變頻電路（簡圖）6.3.2三相交交變頻電路2) 輸出星形聯(lián)結方式三組的輸出端是星形聯(lián)結，電動機的三個繞組也是星形聯(lián)結電動機中點不和變頻器中點接在一起，電動機只引出三根線即可圖6-20 輸出星形聯(lián)結方式三相交交變頻電路a）簡圖 b）詳圖6.3.2三相交交變頻電路交交變頻和交直交變頻的比較第10章中介紹間接變頻電路，先把交流變換成直流，再把直流逆變成可變頻率的交流，稱交直交變頻電路和交直交變頻電路比較，交交變頻電路的優(yōu)點：只用一次變流，效率較高可方便地實現(xiàn)四象限工作低頻輸出波形接近正弦波缺點是：接線復雜，采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用36只晶閘管受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低輸入功率因數(shù)較低輸入電流諧波含量大，頻譜復雜6.3.2三相交交變頻電路應用主要用于500kW或1000kW以上的大功率、低轉速的交流調(diào)速電路中。目前已在軋機主傳動裝置、鼓風機、