华中科技大学电力电子学幻灯片 - 交流-交流变换器 - 图文

电力电子学

——电力电子变换和控制技术（第二版）

第6 章交流-交流变换器

6交流-交流变换器

6.0 引言6.1 晶闸管交流电压控制器的类型6.2 单相交流电压控制器6.3 三相全波交流电压控制器*6.4 变压器抽头电压控制器*6.5 晶闸管相控交流/交流直接变频器*6.6 矩阵式交流/交流变频器6.7 本章小结6.0 引言

本章主要讲述

交流-交流变流电路

把一种形式的交流电变成另一种形式交流电的电路

交流调压电路相位控制

交流电压频率不变，仅控制器改变电压大小交流调功电路通断控制变频器

实现频率变换亦可改变电压大小交交变频交直交变频

直接间接

?采用晶闸管作开关器件时，依靠交流电源瞬时值过零及反向来关断晶闸管。晶闸管开关器件的开通则可采用移相控制，改变控制角调控变换器输出电压的大小。

?单相电压控制器常用于小功率单相电动机、照明和电加热控制，三相交流-交流电压控制器的输出是三相恒频变压交流电源，通常给三相交流异步电动机供电，实现异步电动机的变压调速，或作为异步电动机的启动器使用。

6.1 晶闸管交流电压控制器的类型

6.1.1 单相全控6.1.2 带中线星形联结6.1.3 无中线的三相连接6.1.4 三角形联结的控制器6.1.1 单相全控

负载电压、负载功率的大小由控制角a确定isT1iovo??T4vs?2Vssin?tR（a）单相全控

两个

反并联开关器件

通态时：断态时：

vO(t)?vS(t)vO(t)?0?

6.1.2 带中线星形联结

is三个单相交流电压控制器可组合成带中线的三相交流电压控制器

T1T4T3T6VT5T2（b）带中线星形联接缺点中线电流大a?90时，中线电流约等于相电流

?

?6.1.3 无中线的三相连接

isV'输入电流中没有3次及3的倍数次谐波电流（c）无中线的三相联接?

6.1.4 三角形联结的交流电压控制器

ALvANiATBZ1NivBNBTZL4TT62TZCL5只适用于允许断开6根出线端子的三角形负载ivCNCT3(d) Δ联接的交流电压控制器

?

6.2 单相交流电压控制器

6.2.1 电阻负载6.2.2 电阻、电感性负载*6.2.3 PWM交流电压控制器6.2.1 电阻负载

iT1T1ig1isioT4iT411??a2V0??(2VS?sin?t)d(?t)?VS?sin2a??a2???ig4?vORvs?2Vssin??t?I0?IS?V0/RAvs?2Vs?sin?t?2?DIT?IS/2?V0/2R0voa????av0R?B??avoC?tPV0I0V01??aPF????sin2a?SVS?ISVS2??0io?????a2?ioa????a?利用傅立叶级数可求出基波及各次谐波。

io?t

6.2.1 电阻负载（续）

表6.1 不同触发角

a时基波

V1m和3~15次谐波电压(电流)的相对值

6.2.1 基波及谐波分布图

图6.3 电阻负载、不同触发角α时基波及谐波幅值分布图

?

6.2.2 电阻、电感性负载（续1)

1）a=f时，

vO?vS?2VSsin?tiS?iO?2VSsin(?t?f)ZiT1T1ig1?vOisig4T4iT4LioRvs?2Vssin??t?Z?(?L)2?R2f?arctan??L/R?vs?(a) 电路isa?fa?f2?v,i,iOSO均为正弦波

0iT1（2）a

af?f??a?t2??aiT4???isvsA(c)电流连续电感性负载波形vf2??6.2.2 电阻、电感性负载（续2）

??iTiv（3）a=>f时，

v0?vS?2VS?sin?t?RiT1?LiT12VS?[sin(?t?f)?sin(a?f)eZAdiT1dt]0(c)电流连续电感性负载波形voiT1fα?φ?taf?????aiT42?1?(?t?a)tgfB(d)电流不连续波形输出电压有效值VO、晶闸管电流有效值IT、负载电流有效值IO为：

VO?1??aa???1(2VSsin?t)d(?t)?VS??[sin2a?sin2(a??)]??22VS21a??IT?()[sin(?t?f)?sin(a?f)e?a2?Z??t?atgf2?sin?cos(2a?f??)?]d(?t)???cosf2Z?VSVSIO?2IT?Z?sin?cos(2a?f??)???cosf6.2.2 电阻、电感性负载（续3）

?1801601401201008060402002040608010012014016018090φ==75φ0=6φ5=4φ0=3φ5=1????????1f?tg?Lφ(e)导通角?与控制角a的关系曲线（以负载阻抗角f为参变量）

φ=0R?a?f,??180a?f时，,由f，a可求出?，tg(a?f)?esin???tgf?cos?a

6.2.2 电阻、电感性负载（续4）

f?tg?1?LRa?f,??180?a?f时，,由f，a可求出?，再求iT1(t),Vo,ITav,TT及Io?VSIT?Z*T2IT?sin?cos(2a?f??)??cosf（f）晶闸管电流的标么值I与控制角a的关系曲线

*IT2VS?IT/?ZZ2VS?IT?12?sin?cos(2a?f??)?2?2?cosf例6-1

单相交流调压器控制230v交流电源的输出功率，负载电阻为23Ω、感抗为23Ω ，求（1）a角控制范围；（2）最大电流有效值；（3）最大功率和功率因数。

?L23?解: (1)amin?f?arctanR?arctan23?4；amax??(2)

a?amin时，最大电流有效值IO为：

V230IO?2??7.07A21/2221/2[R?(?L)][23?23]a?amin时)(3) 最大功率(

Pmax?RI?23?7.07?1.15?10W有效功率1150功率因数＝＝?0.707视在功率230?7.072O23注：在a? amin的非正弦电流工作下，功率因数<基波相移因数。

?

*6.2.3 PWM交流电压控制器

优点：输出电压谐波含量少S1~S4:自关断功率器件S3,S4: 负载续流开关

?

6.3 三相全波交流电压控制器

6.3.1 三相星形联结交流电压控制器6.3.2 三相开口三角形交流电压控制器6.3.1 三相Y联结电压控制器

VANVBNNT1T4T3T6T5T2RRRVCN晶T1T1闸T2T2管T3导通T4区T5T5间T6T6VVAVBVC(a)电路C0??tVCAAVBCN(c)a?0控制角a=0，三相同时导电，180°导电。

VABB(b)矢量图

六个晶闸管T1－T6的触发信号依序相差60°，

脉宽大于60°，各相电源由负变正的过零点为控制角a的计算起点。

6.3.1 三相Y联结电压控制器(续1)

a=60°:两相同时导电，

导电角120°.

0uVAVBVC?tIIIIIIVANVBNNVCNT1T4T3T6T5T2RRRT1T2600T3T4T5T6ui(a)电路

VABVACVBCAVABVAC2R2R0?t0(d)a?606.3.1 三相Y联结电压控制器(续2)

uVAVBVCa=120°:两相间断导电，

导电角小于120°。

VANVBNNVCNT1T4T3T6T5T2RRRT10?t1200IIIIIIT2T3T4T5T6VCBVABVACuiAVAB2RVAC2R(a)电路

01500?ta=150°:完全不能导电。

(e)a?12006.3.1 三相Y联结电压控制器(续3)

工作状态小结：

（1）a＜30°：处于第一类工作状态（三相同时导电）。（2）30°＜a＜60°：每隔30°交替地出现第一类和第二类工作

状态。（3）60 °< a<90 °：处于第二类工作状态（两相同时导电）

（4）90°< a<150°：交替处于第一类工作状态和断流状态。（5）a> 150 °：电路全断流，不能工作。

所以电阻负载控制角a的调控范围为：0°~ 150°, 三相阻感性负载，分析方法与单相电路相同。

?

6.3.2 三相开口三角形电压控制器

iAAT1iABLRBiBT6iBCLT2RT4LT5RiCA可看作三个独立的单相电路分别分析。

CiCT3uoiA?iAB?iCA??iB?iBC?iAB??iC?iCA?iBC?绕组相电流小于输入线电流

图6.7 三相开口三角形电压控制器

i,i,iAB中无3次及3的倍数次谐波电流C?

*6.4 变压器抽头电压控制器

图6.7 单相变压器抽头电压控制器图中输出电压Vo的包络线为：OABDHKG

*6.4 变压器抽头电压控制器

图6.7 单相变压器抽头电压控制器优点：负载电压、电流谐波可控性好，输入电流的谐波含量少

VO?V2k???t?k??aVO?V1?V2k??a??t?(k?1)?k=0,1,2….

*6.5 晶闸管相控交流－交流直接变频器

6.5.1 基本工作原理6.5.2 实用电路结构6.5.3 交流/交流相控直接变频的优缺点6.5.1 基本工作原理

正反组单相全控桥变流器并联(类似直流可逆主电路)构成单相输出的相控交交直接变频器。控制正反组变流器的ap、an随时间周期性变化，负载端电压就成为频率可控的交流电压。

an图(d)表明：负载输出电流与输出电压不同相位时，正反组变流器在不同时段工作在整流或有源逆变工况。所以，半控桥变流器不能构成交交变频器。

6.5.1 基本工作原理（续）

改善相控交－交变频器输出波形的措施

改变相控角ap(或an)只能在输出电压一个脉波周期中得到一个输出电压平均值，因此：

1. 相同拓扑结构的相控交交变频器输出频率越低，输出电

压的脉波数越多，谐波含量越少。2. 输出相同频率的交交变频器，拓扑结构输入的相数越多，

脉波数越多，输出电压的脉波数就越多，谐波含量越少。三相交交变频器每相采用的晶闸管元件越多，输出波形越好

输出电压波形

6.5.2 实用电路结构

6.5.2 实用电路结构(续1)

6.5.2 实用电路结构(续2)

6.5.3 交流－交流相控直接变频的优缺点优点：

?只需一级变换环节

?晶闸管工作在自然换流工况

?能量可双向传递，易实现电机的四象限运行?低频输出时可获得较高质量的正弦电压波形

缺点：

?输出频率低

?晶闸管用量多，且控制复杂?输入功率因数低

?交流电源输入电流谐波严重，且难于抑制

适用范围：大功率可逆传动系统

*6.6 矩阵式交流－交流变频器

6.6.0 概述6.6.1 矩阵式交－交变频器的控制方法6.6.3 矩阵式交－交变频器的优缺点6.6.0 概述

交流－交流直接变频器中的半控元件晶闸管改为全控元件(如IGBT)可构成矩阵式交交直接变频器（Matrix AC-AC Converter）

图（a）中任一开关都是双向可控开关

图（b）是构成双向开关的方案之一

对图（a）中的9个双向开关器件进行高频SPWM控制，就可获得频率、电压均可调控的三相对称的交流输出电压

6.6.1 矩阵式交－交变频器的控制方法

图6.11a中的输出电压满足以下关系

?va??SAa?v???S?b??Ab???v?c??SAcSBaSBbSBcSCa??SCb?SCc???vA??v??B???v?C?矩阵中9个开关函数表明了图6.11a中9个可控开关（18个IGBT）

的工作状态,其开通、关断切换原则：

满足矩阵函数关系不造成交流电源两相短路不引起感性负载开路过电压

四步换流法是满足上述要求的控制方案之一

6.6.2 矩阵式交－交变频器的优缺点

优点：

1.自关断元件工作频率高，采用SPWM波工作方式

可获得较理想的正弦电压2.输出波形交流输入功率因数高

3.交流输入电流谐波频率高，便于滤波抑制

缺点：

1.采用价格偏高的自关断元件

2.自关断元件耐冲击能力不如半控元件晶闸管3.系统检测、控制复杂

6.7 小结

1.相控晶闸管构成的交交变换器分为两类：变压不变频的交流电压控制器(交流调压器)；变压变频的直接变频器2.单相调压器纯电阻负载晶闸管控制角范围0~?电阻电感性负载晶闸管控制角范围j~?

3.三相调压器最常见的结构为无中线的三相连接方式，

阻感性负载时具有多类工作状态

4.采用晶闸管的相控交交直接变频器可自然换流，主要

用于大功率可逆传动系统

5.全可控元件(如IGBT)构成的矩阵式交交变频器性能优越

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