第4章 交流电力控制电路和交-交变频电路.ppt

4-1,引言4.1交流调压电路4.2其他交流电力控制电路4.3交交变频电路4.4矩阵式变频电路本章要点,第4章交流电力控制电路和交交变频电路,4-2,本章主要讲述交流-交流变流电路把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路,第4章交流电力控制电路和交交变频电路,4-3,4.1交流调压电路,原理两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可控制交流电力。,电路图,4-4,应用1灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制。2异步电动机软起动。3异步电动机调速。4供用电系统对无功功率的连续调节。5在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压。,4.1交流调压电路,4-5,4.1.1单相交流调压电路4.1.2三相交流调压电路,4.1交流调压电路,4-6,4.1.1单相交流调压电路,1电阻负载,图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形,输出电压与α的关系移相范围为0≤a≤π。a0时，输出电压为最大。UoU1,随a的增大，Uo降低，aπ时，Uo0。,λ与a的关系a0时，功率因数λ1，a增大，输入电流滞后于电压且畸变，λ降低。,4-7,若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为j，当用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后。,a0时刻仍定为u1过零的时刻，a的移相范围应为j≤a≤π。,1阻感负载,图4-2电阻负载单相交流调压电路及其波形,负载阻抗角jarctanwL/R,VT1,4.1.1单相交流调压电路,4-8,q,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,0,20,100,60,140,180,20,100,,,,,,,,,60,/,,,180,140,a,/,,,j,90,75,60,45,30,15,0,图4-3单相交流调压电路以a为参变量的θ和a关系曲线,wta时刻开通晶闸管VT1，可求得θ（4－7）,当aj时θπ当aj时θ0，uo0，正组逆变,第5段又是无环流死区,第6段io0，uo0，为反组整流,4.3.1单相交交变频器,4-46,3输出正弦波电压的调制方法,介绍最基本的、广泛使用的余弦交点法。设Ud0为a0时整流电路的理想空载电压，则有4-15每次控制时a角不同，表示每次控制间隔内uo的平均值。,图4-21余弦交点法原理,4.3.1单相交交变频器,4-47,设期望的正弦波输出电压为4-16）比较式4-15和4-16，应使4-17g称为输出电压比,图4-21余弦交点法原理,4.3.1单相交交变频器,4-48,图4-21余弦交点法原理,4.3.1单相交交变频器,余弦交点法基本公式4-18余弦交点法图解线电压uab、uac、ubc、uba、uca和ucb依次用u1u6表示。相邻两个线电压的交点对应于a0。,4-49,u1u6所对应的同步信号分别用us1us6表示us1us6比相应的u1u6超前30，us1us6的最大值和相应线电压a0的时刻对应。以a0为零时刻，则us1us6为余弦信号。希望输出电压为uo，则各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1us6的下降段和uo的交点来决定。,图4-21余弦交点法原理,4.3.1单相交交变频器,4-50,不同g时，在uo一周期内，a随wot变化的情况。图中，g较小，即输出电压较低时，a只在离90很近的范围内变化，电路的输入功率因数非常低。,图4-22不同g时a和wot的关系,4.3.1单相交交变频器,4-51,4输入输出特性,4.3.1单相交交变频器,1输出上限频率输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重。电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难确定一个明确的界限。当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的1/31/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。,4-52,图4-23单相交交变频电路的功率因数,2输入功率因数,,4.3.1单相交交变频器,输入电流相位滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。一周期内，a角以90为中心变化。输出电压比g越小，半周期内a的平均值越靠近90。负载功率因数越低，输入功率因数也越低。不论负载功率因数是滞后的还是超前的，输入的无功电流总是滞后。,4-53,3输出电压谐波输出电压的谐波频谱非常复杂，既和电网频率fi以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率fo有关。采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为6fifo，6fi3fo，6fi5fo，12fifo，12fi3fo，12fi5fo，采用无环流控制方式时，由于电流方向改变时死区的影响，将增加5fo、7fo等次谐波。,4.3.1单相交交变频器,4-54,4输入电流谐波输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，但其幅值和相位均按正弦规律被调制。采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率4-19和4-20式中，k1,2,3,；l0,1,2,。,4.3.1单相交交变频器,4-55,4.3.2三相交交变频电路,由三组输出电压相位各差120的单相交交变频电路组成。,交交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，使用的是三相交交变频电路。,4-56,1公共交流母线进线方式,图4-24公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）,4.3.2三相交交变频电路,由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开120的单相交交变频电路构成。电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须隔离。为此，交流电动机的三个绕组必须拆开。主要用于中等。容量的交流调速系统。,4-57,2输出星形联结方式三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可,,图4-25输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图b）详图,三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结。电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可。,4.3.2三相交交变频电路,4-58,图4-25输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图b）详图,因为三组的输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因此分别用三个变压器供电。由于输出端中点不和负载中点相联接，所以在构成三相变频电路的六组桥式电路中，至少要有不同输出相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。,4.3.2三相交交变频电路,4-59,图4-25输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图b）详图,和整流电路一样，同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时导通。两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通。,4.3.2三相交交变频电路,4-60,2输入输出特性输出上限频率和输出电压谐波和单相交交变频电路是一致的。,输入电流总输入电流由三个单相的同一相输入电流合成而得到。有些谐波相互抵消，谐波种类有所减少，总的谐波幅值也有所降低。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,200,t,/,ms,输出电压,单相输出时,U,相输入电流,三相输出时,U,相输入电流,200,t,/,ms,200,t,/,ms,图4-26交交变频电路的输入电流波形,4.3.2三相交交变频电路,4-61,谐波频率为4-21和4-22式中k1,2,3,l0,1,2,。采用三相桥式电路时，输入谐波电流的主要频率为fi6fo、5fi、5fi6fo、7fi、7fi6fo、11fi、11fi6fofi12fo等。其中5fi次谐波的幅值最大。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,200,t,/,ms,输出电压,单相输出时,U,相输入电流,三相输出时,U,相输入电流,200,t,/,ms,200,t,/,ms,图4-26交交变频电路的输入电流波形,4.3.2三相交交变频电路,4-62,输入功率因数三相总输入功率因数应为4-23三相电路总的有功功率为各相有功功率之和但视在功率却不能简单相加，而应由总输入电流有效值和输入电压有效值来计算，比三相各自的视在功率之和要小三相总输入功率因数要高于单相交交变频电路,4.3.2三相交交变频电路,4-63,3改善输入功率因数和提高输出电压,4.3.2三相交交变频电路,基本思路各相输出的是相电压，而加在负载上的是线电压。在各相电压中叠加同样的直流分量或3倍于输出频率的谐波分量，它们都不会在线电压中反映出来，因而也加不到负载上。利用这一特性可以使输入功率因数得到改善并提高输出电压。直流偏置负载电动机低速运行时，变频器输出电压很低，各组桥式电路的a角都在90附近，因此输入功率因数很低。给各相输出电压叠加上同样的直流分量，控制角a将减小，但变频器输出线电压并不改变。,4-64,交流偏置梯形波输出控制方式。使三组单相变频器的输出均为梯形波（也称准梯形波），主要谐波成分是三次谐波。在线电压中三次谐波相互抵消，线电压仍为正弦波。因为桥式电路较长时间工作在高输出电压区域（即梯形波的平顶区），a角较小，因此输入功率因数可提高15左右。图4-20正弦波输出控制方式中，最大输出正弦波相电压的幅值为Ud0。在同样幅值的情况下，梯形波中的基波幅值可提高15左右。值可,图4-27梯形波控制方式的理想输出电压波形,4.3.2三相交交变频电路,4-65,交交变频和交直交变频的比较8.1节中介绍间接变频电路，先把交流变换成直流，再把直流逆变成可变频率的交流，称交直交变频电路。交交变频电路的优点交交变频电路的缺点接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管。受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低。输入功率因数较低。输入电流谐波含量大，频谱复杂。,效率较高（一次变流）可方便地实现四象限工作低频输出波形接近正弦波,,4.3.2三相交交变频电路,4-66,应用主要用于500kW或1000kW以上的大功率、低转速的交流调速电路中。目前已在轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合应用。既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动。,4.3.2三相交交变频电路,4-67,4.4矩阵式变频器,简介是近年出现的一种新颖的变频电路。是直接变频电路，采用的开关器件是全控型。控制方式是斩波控制。拓扑结构三相输入电压为ua、ub和uc三相输出电压为uu、uv和uw,图4-28矩阵式变频器,4-68,9个开关器件组成33矩阵，因此该电路被称为矩阵式变频电路MatrixConverterMC或矩阵变换器。图中每个开关都是矩阵中的一个元素，采用双向可控开关，图4-28b给出了应用较多的一种开关单元。,图4-28矩阵式变频器,4.4矩阵式变频器,4-69,优点输出电压为正弦波。输出频率不受电网频率的限制。输入电流也可控制为正弦波且和电压同相。功率因数为1，也可控制为需要的功率因数。能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行。不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。,4.4矩阵式变频器,4-70,矩阵式变频电路的基本工作原理,单相输入对单相交流电压us进行斩波控制，即进行PWM控制时，输出电压uo为4-24式中，Tc开关周期；ton一个开关周期内开关导通时间；s占空比。,图4-29构造输出电压时可利用的输入电压部分a单相输入b三相输入构造输出相电压c三相输出构造输出线电压,4.4矩阵式变频器,4-71,不同的开关周期中采用不同的s，可得到与us频率和波形都不同的uo。由于单相交流us波形为正弦波，可利用的输入电压部分只有如图4-29a所示的单相电压阴影部分，因此uo将受到很大的局限，无法得到所需输出波形。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,a,b,c,,,,,,,,,,,,,,,,,,,U,m,,,,U,1m,U,2,3,U,m,1,2,√,－,－,图4-29构造输出电压时可利用的输入电压部分a单相输入b三相输入构造输出相电压c三相输出构造输出线电压,4.4矩阵式变频器,利用三相相电压把输入改为三相，就可利用图4-29b所示的三相相电压包络线中所有的阴影部分。,4-72,理论上所构造的uu的频率可不受限制。但如uu必须为正弦波，则其最大幅值仅为输入相电压ua幅值的0.5倍。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,a,b,c,,,,,,,,,,,,,,,,,,,U,m,,,,U,1m,U,2,3,U,m,1,2,√,－,－,图4-29构造输出电压时可利用的输入电压部分a单相输入b三相输入构造输出相电压c三相输出构造输出线电压,4.4矩阵式变频器,利用三相线电压用图4-28a中第一行和第二行的6个开关共同作用来构造输出线电压uuv。,4-73,可利用图4-29c中6个线电压包络线中所有的阴影部分。当uuv必须为正弦波时，最大幅值就可达到输入线电压幅值的0.866倍。正弦波输出条件下矩阵式变频电路理论上最大的输出输入电压比。,图4-29构造输出电压时可利用的输入电压部分a单相输入b三相输入构造输出相电压c三相输出构造输出线电压,4.4矩阵式变频器,4-74,以相电压输出方式为例分析矩阵式交交变频电路的控制利用对开关S11、S12和S13的控制构造输出电压uu。为防止输入电源短路，任何时刻只能有一个开关接通。负载一般是阻感负载，负载电流具有电流源性质，为使负载不开路，任一时刻必须有一个开关接通。,图4-28矩阵式变频器,4.4矩阵式变频器,4-75,u相输出电压uu和各相输入电压的关系为4-25式中s11、s12和s13一个开关周期内开关S11、S12、S13的导通占空比4-26,图4-28矩阵式变频器,4.4矩阵式变频器,4-76,用同样的方法控图中第2，3行的各开关，得到类似于4-25的表达式。合写成矩阵的形式（4－27）可缩写为uosui（4－28）,图4-28矩阵式变频器,4.4矩阵式变频器,4-77,矩阵式变频电路确定后，输入电流和输出电流的关系也确定了。4-29缩写形式ii＝sio4-30式中iiio,T,图4-28矩阵式变频器,4.4矩阵式变频器,4-78,对实际系统来说，输入电压和所需要的输出电流是已知的。设为4-31（4－32）,式中Uim、Iom为输入电压和输出电流的幅值；wi、wo为输入电压和输出电流的角频率；jo为相应于输出频率的负载阻抗角。,4.4矩阵式变频器,4-79,变频电路希望的输出电压和输入电流分别为4-334-34,式中Uom、Iim为输出电压和输入电流的幅值；ji为输入电流滞后于电压的相位角。,4.4矩阵式变频器,4-80,当期望的输入功率因数为1时，ji0。把式4-31式4-34代入式4-27和式4-29，可得4-354-36,如能求得满足式4-35和式4-36的s，就可得到希望的输出电压和输入电流。,4.4矩阵式变频器,4-81,要使矩阵式变频电路能够很好地工作，需解决的两个基本问题,4.4矩阵式变频器,所用的开关器件为18个，电路结构较复杂，成本较高，控制方法还不算成熟。输出输入最大电压比只有0.866，用于交流电机调速时输出电压偏低。,现状尚未进入实用化，主要原因,如何求取理想的调制矩阵s。开关切换时如何实现既无交叠又无死区。,4-82,十分突出的优点,4.4矩阵式变频器,在器件制造技术飞速进步和计算机技术日新月异的今天，矩阵式变频电路将有很好的发展前景。,有十分理想的电气性能。和目前广泛应用的交直交变频电路相比，虽多用了6个开关器件，却省去了直流侧大电容，将使体积减小，且容易实现集成化和功率模块化。,4-83,本章小结,本章的要点如下1交流交流变流电路的分类及其基本概念；2单相交流调压电路的电路构成，在电阻负载和阻感负载时的工作原理和电路特性；3三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理；4交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念；5晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成、工作原理和输入输出特性；6各种交流交流变流电路的主要应用；7矩阵式交交变频电路的基本概念。,