交流调压电路和交交变频电路.ppt

May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-1,第四章 交流调压电路和交交变频电路,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-2,要 求 及 重 点,掌握交流调压器的基本类型、用途和电路，简要分析单、三相交流调压电路，理解和掌握交流斩波调压的原理与基本性能。掌握交交变频电路的原理及电路，分析其优缺点，掌握三相交交变频电路的有环流和无环流运行。重点：交流调压电路和交交变频电路的原理及电路。,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-3,4. 1 交流调压器的类型、用途和电路,交流调压器的调压方式：通断控制相位控制斩波控制交流调压的应用：调温的工频加热和感应加热灯光调节泵及风机的感应电动机调速变压器的初级调压,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-4,单相调压器的基本电路,A. 反并联电路 B. 混合反并联电路,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-5,单相调压器的基本电路（续）,C. 二极管桥式电路 D. 混合桥式电路,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-6,三相调压器的基本电路,A. 反并联电路 B. 混合反并联电路,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-7,三相调压器的基本电路（续）,C. 形负载内接 D. 形负载内接 反并联电路 形反并联电路,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-8,三相调压器的基本电路（续）,E. 形负载内接 三个可控元件 电路,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-9,4. 2 单相交流调压电路的分析,以反并联交流调压电路为例电阻负载交流电压有效值 UR负载的电流有效值,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-10,功率因数晶闸管的电流平均值晶闸管的电流有效值 I及通态平均电流 IT,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-11,交流调压器R负载时的参数与关系,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-12,单相交流调压电路的分析（续）,电感性负载 a. 电路 b. 电压与电流波形,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-13,c. 负载电流表达式感性负载电流 iL的两个分量 iL1、 iL2电流表达式,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-14,d. 控制角、功率因数角与导通角的关系单相交流调压器 时的 = f (、 ) 曲线,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-15,e. 几种典型情况： (1) = 0 (2) 不等于 0 < 180,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-16,(3) = (4) 窄脉冲 宽脉冲,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-17,单相交流调压电路的分析（续）,感性负载时晶闸管电流和负载电流的有效值晶闸管电流有效值 式中 I* -晶闸管的标幺电流有效值晶闸管电流有效值,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-18,晶闸管标幺电流有效值 I*与 、的关系,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-19,4. 3 三相交流调压电路的分析,分析举例电路,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-20,三相交流调压器正常工作的基本条件在三相电路中至少有一相正向晶闸管与另一相反向晶闸管同时导通。为了保证电路起始工作时两个晶闸管能同时导通，并且在感性负载和控制角较大时，也能使不同相的正、反两个晶闸管同时导通，要求采用宽脉冲，或者双窄触发脉冲电路。各触发信号应与相应的交流电源电压相序一致，并且与电压同步。,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-21,三相交流调压电路在电阻负载下的波形与参数波形（见图）输出电压有效值 Ua,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-22,电阻负载三相调压电路输出电压(a) 晶闸管反 并联电路(b) 晶闸管与 二极管反 并联电路,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-23,三相交流调压电路在感性负载下的工况三相交流调压电路的 I*与 、 的关系,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-24,感性负载（ = 45）下三相调压电路的电流波形,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-25,4. 4 交流斩波调压电路,交流斩波调压的原理与基本性能原理图,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-26,交流斩波电路输出电压(a) 电阻负载(b) 感性负载(d) 改善cos的斩波调压 导通比:,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-27,交流斩波调压电路GTR交流斩波器 GTO交流斩波器,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-28,用GTR构成的三相交流斩波器,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-29,4. 5 交交变频电路概述,交流变换的目的：调节电压、频率、相位形式：交直交变频器（整流器逆变器）交交变频器（直接变频器）,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-30,基本原理及应用整流电路：Ud > 0 或 Ud 0三相半波整流电路：Ud = 1.17 U2 cos 交交变频器： 在 0 至 之间变化，输出交流电压正、负两组整流器反并联，输出交流电流,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-31,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-32,输出电压、电流波形图：,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-33,三相零式交交变频器：,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-34,应用领域：大功率、低速交流传动 （轧钢机、矿井提升机、造纸、冶炼等）分类：单相、三相桥式、零式有环流、无环流高频 ( f0 > fi )、低频 ( f0 < fi ),May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-35,4. 6 三相交交变频器,三相输入、三相输出应用普遍常用零式及桥式交交变频器比较： 元件 整流 脉波 输出 谐波 功率 个数 形式 数 电压 含量 等级零式18支 半波 少 低 较高 中等桥式36支 全波 多 高 较低 大,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-36,三相输出各差120°，基本原理相同。,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-37,i0 > 0正组工作，UP = Ud = 1.17U2cosP , 0 < P < ，UP 可正可负。i0 < 0负组工作，UN = - Ud = - 1.17U2cosN 平均值 UN = UP ，N = - P 。,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-38,输出瞬时值 uN uP ， u = uP uN 。 u 在正、负组间产生环流，采用电抗器限制。,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-39,有环流运行方式：目的：使正、负组输出电流平滑过渡。特点：正、负组同时工作， 采用环流电抗器抑制组间环流。优点：正、负组自动切换， 输出电流连续、平滑、无死区， 系统动态性能高，稳定性好缺点：增加电抗器，成本高，损耗大。,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-40,无环流运行方式：目的：取消电抗器，降低成本及损耗。特点： i0 > 0 时正组工作，封锁负组， i0 < 0 时负组工作，封锁正组。优点：无组间环流，成本低，损耗小。缺点：需要检测电流过零点，控制复杂， 控制失败时，造成组间电源短路， 输出电流存在死区，波形畸变。,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-41,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-42,交交变频器输出电压：输出电压峰值：输出电压有效值：电压降系数：改变 min ，可调节输出电压U0 。 min = 0 时， = 1 ，U0 = U0max = 0.83 U2 。,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-43,交交变频器控制方法：余弦交点法： 给定输出曲线与一余弦曲线相交，在交点处产生各晶闸管的触发脉冲。改变给定曲线的频率和幅值，可控制输出电压的频率和大小。,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-44,交交变频器输出频率： f0 / fi = 1/2 时，半周期内有 6 脉波，谐波大 f0 / fi = 1/3 时，半周期内有 9 脉波，谐波较小 f0 / fi = 1/6 时，半周期内有 18 脉波，谐波小为了减小谐波含量， 降低负载转矩脉动， 应保证 f0 / fi < 1 / 3 ， 即 f0 < 16.7 Hz 。,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-45,交交变频器的功率因数：整流电路：cos = cos交交变频器： 因为 0 < < ， 所以 cos < cosmin ， cos = f ( , cos ) ， cos负载功率因数。输入侧总功率因数：,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-46,交交变频器的优点：无中间直流环节，损耗小，效率高。开关器件采用晶闸管，以利于大功率应用， 采用电源自然换相，不需强迫换流电路。可以实现能量反馈，使电机作四象限运行。输出低频时，谐波含量小，负载转矩脉动低。 因此适用于大功率、低速交流传动领域。,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-47,交交变频器的缺点：晶闸管元件数量多，成本高，控制复杂。最高输出频率受限制， f0 / fi < 1 / 3 。输入侧功率因数低，当输出电压较低时，功率因数更低。,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-48,第五章 无源逆变电路,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-49,5. 1 无源逆变电路的原理及分类,无源逆变直流 交流（向负载直接供电）变频器既能调压又能调频无源逆变器旋转变频器静止变频器交交变频器直交变频器,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-50,逆变器的基本类型,按结构分类桥式零式按电网相数分类单相多相按器件分类半控型全控型,按调制方法分类SPWM阶梯波按导通的角度分类180120按强迫换流的特点谐振型并联电容型等,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-51,逆变器的基本类型（续）,按储能元件的性质分类电压型逆变器电流型逆变器,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-52,5. 2 单相电压型逆变电路,示意图组成：主电路门控电路控制电路,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-53,单相桥式逆变电路的原理（R负载）主电路波形图输出电压（图 b）输出电流（图 c）直流输入电流（图 d）,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-54,单相桥式逆变电路的原理（L负载）主电路波形图输出电压（图 b）输出电流（图 c）直流输入电流（图 d）,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-55,单相半桥GTO逆变电路及波形主电路波形图输出电压（图 b）输出电流（图 c）,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-56,单相零式逆变电路及波形主电路波形图见右图,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-57,感性负载下SCR单相零式逆变电路,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-58,M相零式逆变电路的简化原理图,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-59,5. 3 三相电压型桥式逆变电路,电路结构,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-60,根据各管导通时间分：180 导通型120导通型线电压由相电压相减得出,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-61,180 导通型各阶段的等值电路及电压值,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-62,180 导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形 线电压波形,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-63,180 导通型三相逆变器的参数相电压表达式线电压表达式,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-64,180 导通型三相逆变器的参数（续）相电压有效值线电压有效值,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-65,120 导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形 线电压波形,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-66,180 导通方式和 120 导通方式的比较：120 方式上下两管间有60 的间隙，对换流有利，但是管子的利用率低，且若采用星形接法，则始终有一相断开，在换流时会引起较高的感应电势，而180 方式无论在三角形还是星形接法时，正常工作都不会产生过电压，故180 方式应用较为普遍。,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-67,感性负载情况负载电流滞后角小于60 （a）A相电压波形（b）A相电流波形（c）T1的电流波形（d）D4的电流波形（e）直流输入电流,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-68,感性负载情况（续）负载电流滞后角大于60 ,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-69,感性负载下逆变器中可能有三种电流：功率电流 它通过两个或三个逆变管，将能量从直流电源送到负载。环路电流 它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈二极管，形成环流，但此环流不经过电源。反馈电流 它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈到直流电源中去。,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-70,逆变器的能量反馈及电机的再生制动图电压型的能量反馈 电流型的能量反馈,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-71,逆变器 感应电动机系统的电压矢量,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-72,5. 4 电流型逆变电路,优点：由于有大电感抑流，短路的危险性也比电压型逆变器小得多。电路对晶闸管关断时间（即晶闸管的快速性）的要求比电压型逆变器的要求低，电路相对电压型也比较简单，造价略低。,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-73,三相电流型逆变电路主电路,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-74,波形图(a) 相电压(b) 线电压(c) PWM时 的相电流,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-75,表达式相电流线电流,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-76,理想情况下，相电流中：基波电流的幅值为基波电流有效值为相电流的有效值为,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-77,5. 5 IGBT三相逆变电路和三电平逆变电路,IGBT三相逆变器电路图,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-78,六阶梯波时的电压、电流波形PWM时的电压、电流波形,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-79,IGBT的选择电压定额的选择额定电压 = 输入的AC电源电压× 再生电压增加值浪涌电压 简化公式： US：交流电源的峰值电压K1：电网电压波动系数，K1 1.15K2：直流中间回路有反馈时的泵升电压K2 1.2K3：必要的电压安全系数，K3 1.31.5,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-80,电流定额的选择cos : 电动机的功率因数U : 交流电源相电压有效值K4 : 电流的安全系数，取K4 = 2K5 : 电流脉动率，取K5 = 1.2,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-81,三点式（三电平）逆变电路示意图,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-82,三点式（三电平）逆变电路的 A 相电路 (a) Holtz电路 (b) Nabae电路,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-83,三点式逆变器的输出电压波形逆变器的相电压波形 (a) 方波输出 (b) PWM方式输出,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-84,三点式逆变电路在不同控制角时的负载相电压波形,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-85,GTO的定额选择电压定额US：交流电源的电压有效值K1：电网电压波动系数，K1 1.15K2：直流中间回路的反馈电压，K2 1.2电流定额IL：负载电流的有效值K4 、K5：考虑安全裕量和电流脉动，这里取 2和1.2。,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-86,续流二极管的定额和特性选择续流二极管的电流定额为主管GTO电流定额的1/3左右。二极管的反向恢复特性及 Ldi r/dt,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-87,5. 6 逆变电路的调压、脉冲宽度调制和谐波消除,逆变器调压的基本方法调节输出变压器的变化调节逆变器的直流输入电压逆变器的相位位移或多重化技术（见下页）通过对逆变器本身的控制实现调压调频,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-88,逆变器相位移调压原理,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-89,逆变器相位移调压输出波形,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-90,逆变器的正弦波脉宽调制（SPWM）基本原理,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-91,单极性正弦脉宽调制(a)输出电压波(b)两种控制电压波的相交,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-92,单极性SPWM在载波比为20时的基波与谐波,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-93,双极性正弦脉宽调制(a) 三角形载波 与正弦调制 波的相交(b) 输出相电压波,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-94,UnM：第 n 次谐波的幅值；：基波角频率n: 谐波次数，n = 1、3、5 .,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-95,由上式得出：式中 n：谐波次数，n =1、3、5、 j：脉冲次序，j =1、2、i输出的基波相电压幅值为,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-96,双极性SPWM在 N = 19时的基波与谐波,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-97,SPWM 的载波比与输出频率,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-98,不同开关频率下三种逆变器的电机电流波形,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-99,用脉宽调制消除指定的谐波分量 式中 为了消除3次和5次谐波，可令 U3M=0和 U5M=0 可求得特定的 1和 2,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-100,消除3次和5次两种谐波的电压波形,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-101,SPWM逆变器的自然采样与规则采样(a) 对称规则采样 (b)不对称规则采样,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-102,5. 7 电压型脉宽调制逆变电路的控制,微机实现SPWM控制的方法：表格法（ROM法）随时计算法（RAM法）实时计算法自然采样法规则采样法对称规则采样法不对称规则采样法,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-103,5. 8 电力电子器件的缓冲电路,缓冲电路对不同器件的作用晶闸管GTR GTR在开关过程中的波形 vCE 和 iC 的轨迹,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-104,GTOIGBT 关断时的 vCE和iC 开通时的vCE和iC,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-105,缓冲电路的基本结构 串并联 RLCD 缓冲电路 并联 RCD 缓冲电路,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-106,单电容电路 桥臂模块公用的RCD电路,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-107,有反馈功能的RCD电路 不对称有反馈功能的RCD电路,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-108,三角形吸收电路,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-109,缓冲电路中的杂散电感对关断波形的影响缓冲电路中的Ls Ls 使阳极电压产生尖峰,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-110,缓冲电路中吸收电容 CS 值的确定晶闸管式中 IT：SCR的通态平均电流缓冲电路吸收电阻GTR设CS的电压在 t = tf 时由零上升到 VCSf，则,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-111,故在 tf 时的VCSf 通常可取为Ud的1050，如取VCSf = 0.5Ud也可令VCSf = 0.5UCEO ，则,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-112,IGBT式中 LM：主电路电感 VCSP：CS上的最大充电电压,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-113,GTO (di/dt)max：GTO开通时的允许最大电流上升率(dv/dt)max：GTO关断时的允许最大电压上升率 ITGQM：GTO阳极最大可关断峰值电流,May 1, 2003,北方交通大学电气工程学院,4-114,缓冲电路中 RS 阻值的确定通常可取开关器件的工作周期T约为（12）3RSC3即或者采用,