交流電力控制電路和交交變頻電路.ppt

電力電子技術(shù),第4章 交流電力控制電路和交交變頻電路,第4章第2頁,第4章 交流電力控制電路和交交變頻電路,概述 4.1 交流調(diào)壓電路 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 4.2 其他交流電力控制電路 4.2.1 交流調(diào)功電路 4.2.2 交流電力電子開關(guān) 4.3 交交變頻電路 4.3.1 單相交交變頻電路 4.3.2 三相交交變頻電路 4.4 矩陣式變頻電路 本章小結(jié),第4章第3頁,概 述,交流-交流變流電路一種形式的交流變成另一種形式交流的 電路，可改變相關(guān)的電壓、電流、頻率和相數(shù)等 交流電力控制電路只改變電壓、電流或控制電路的通斷，不改變頻率 交流調(diào)壓電路相位控制（或斬控式），4.1節(jié) 交流調(diào)功電路及交流無觸點(diǎn)開關(guān)通斷控制，4.2節(jié) 變頻電路改變頻率，大多不改變相數(shù)，也有改變相數(shù)的 交交變頻電路直接把一種頻率的交流變成另一種頻率或可變頻率的交流，直接變頻電路 1.晶閘管交交變頻電路，4.3節(jié) 2.矩陣式變頻電路，4.4節(jié) 交直交變頻電路先把交流整流成直流，再把直流逆變成另一種頻率或可變頻率的交流,間接變頻電路，8.1節(jié),第4章第4頁,4.1 交流調(diào)壓電路,交流電力控制電路的結(jié)構(gòu)及類型 兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，控制晶閘管就可控制交流電力 交流調(diào)壓電路每半個(gè)周波控制晶閘管開通相位，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值 交流調(diào)功電路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 交流電力電子開關(guān)并不著意調(diào)節(jié)輸出平均功率，而只是根據(jù)需要接通或斷開電路，,第4章第5頁,4.1 交流調(diào)壓電路,交流調(diào)壓電路的應(yīng)用： 燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制） 異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng) 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速 供用電系統(tǒng)對(duì)無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié) 在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓,第4章第6頁,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,1電阻負(fù)載 工作原理： 在 u1的正半周和負(fù)半周，分別對(duì)VT1和VT2的開通角a進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓 正負(fù)半周a 起始時(shí)刻（a =0）均為電壓過零時(shí)刻，穩(wěn)態(tài)時(shí)，正負(fù)半周的a 相等 負(fù)載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負(fù)載電流（也即電源電流）和負(fù)載電壓的波形相同,圖4-1電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形,(顯示放大圖）,第4章第7頁,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,數(shù)量關(guān)系 負(fù)載電壓有效值(4-1) 負(fù)載電流有效值 (4-2) 晶閘管電流有效值(4-3) 功率因數(shù)(4-4),圖4-1電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形,(顯示放大圖）,第4章第8頁,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,輸出電壓與a的關(guān)系: 移相范圍為0 a 。 a =0時(shí)，輸出電壓為最大， Uo=U1。隨a的增大，Uo降低， a =時(shí)， Uo =0。 與a的關(guān)系： -a =0時(shí)，功率因數(shù)=1， a增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低,第4章第9頁,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,2阻感負(fù)載 阻感負(fù)載時(shí)a的移相范圍 負(fù)載阻抗角：j = arctan(wL / R) 晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為j 在用晶閘管控制時(shí)，只能進(jìn)行滯后控制，使負(fù)載電流更為滯后，而無法使其超前 a =0時(shí)刻仍定為u1過零的時(shí)刻，a的移相范圍應(yīng)為j a ,圖4-2 阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形,顯示放大圖,第4章第10頁,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,阻感負(fù)載時(shí)的工作過程分析 在t = a時(shí)刻開通VT1，負(fù)載電流滿足 (4-5) 解方程得(4-6) 式中 ,為晶閘管導(dǎo)通角 利用邊界條件：t = a +時(shí)io =0,可求得： (4-7) VT2導(dǎo)通時(shí)，上述關(guān)系完同，只是io極性相反，相位差180,圖4-3 單相交流調(diào)壓電路以a為參變量的和a關(guān)系曲線,顯示放大圖,第4章第11頁,數(shù)量關(guān)系 負(fù)載電壓有效值 (4-8) 晶閘管電流有效值 (4-9),4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,第4章第12頁,負(fù)載電流有效值 (4-10) IVT的標(biāo)么值 (4-11),圖4-4 單相交流調(diào)壓電路a為參變量時(shí)IVTN和a關(guān)系曲線(顯示放大圖）,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,第4章第13頁,a j 時(shí)的工作情況 VT1提前通，L被過充電，放電時(shí)間延長， VT1的導(dǎo)通角超過 觸發(fā)VT2時(shí)， io尚未過零， VT1仍導(dǎo)通， VT2不通 io過零后， VT2開通， VT2導(dǎo)通角小于 方程式(4-5)和(4-6)所得io表達(dá)式仍適用，只是at 過渡過程和帶R-L負(fù)載的單相交流電路在t =a (a j)時(shí)合閘的過渡過程相同 io由兩個(gè)分量組成：正弦穩(wěn)態(tài)分量、指數(shù)衰減分量,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,第4章第14頁,衰減過程中， VT1導(dǎo)通時(shí)間漸短， VT2的導(dǎo)通時(shí)間漸長 穩(wěn)態(tài)的工作情況和a =j時(shí)完全相同,圖4-5 aj時(shí)阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形(顯示放大圖）,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,第4章第15頁,3單相交流調(diào)壓電路的諧波分析 電阻負(fù)載的情況 波形正負(fù)半波對(duì)稱，所以不含直流分量和偶次諧波 (4-12) 式中,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,第4章第16頁,(n=3,5,7,) (n=3,5,7,) 基波和各次諧波有效值 (n=1,3,5,7,) (4-13) 負(fù)載電流基波和各次諧波有效值 (4-14) 電流基波和各次諧波標(biāo)么值隨 a 變化的曲線（基準(zhǔn)電流為a =0時(shí) 的有效值）如圖4-6所示,圖4-6 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量(放大）,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,第4章第17頁,阻感負(fù)載的情況 電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)載時(shí)相同，也只含3、5、7等次諧波 隨著次數(shù)的增加，諧波含量減少 和電阻負(fù)載時(shí)相比，阻感負(fù)載時(shí)的諧波電流含量少一些 a 角相同時(shí)，隨著阻抗角j 的增大，諧波含量有所減少,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,第4章第18頁,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路,4斬控式交流調(diào)壓電路 一般采用全控型器件作為開關(guān)器件 工作原理 基本原理和直流斬波電路有類似之處 u1正半周，用V1進(jìn)行斬波控制，V3提供續(xù)流通道 u1負(fù)半周，用V2進(jìn)行斬波控制，V4提供續(xù)流通道 設(shè)斬波器件（V1或V2）導(dǎo)通時(shí)間為ton，開關(guān)周期為T，則導(dǎo)通比a = ton/T，改變a 可調(diào)節(jié)輸出電壓,第4章第19頁,4.1.1 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，即位移因數(shù)為1 電源電流不含低次諧波，只含和開關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波 功率因數(shù)接近1,圖4-7 斬控式交流調(diào)壓電路 (顯示放大圖）,圖4-8 電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形 (顯示放大圖）,第4章第20頁,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,根據(jù)三相聯(lián)結(jié)形式的不同，三相交流調(diào)壓電路具有多種形式,圖4-9 三相交流調(diào)壓電路 a) 星形聯(lián)結(jié) b) 線路控制三角形聯(lián)結(jié) c) 支路控制三角形聯(lián)結(jié) d) 中點(diǎn)控制三角形聯(lián)結(jié) (顯示放大圖）,第4章第21頁,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,1星形聯(lián)結(jié)電路 可分為三相三線和三相四線兩種情況 三相四線 基本原理：相當(dāng)于三個(gè)單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯(cuò)開120工作?；ê?倍次以外的諧波在三相之間流動(dòng)，不流過零線 問題：三相中3倍次諧波同相位，全部流過零線。零線有很大3倍次諧波電流。a=90時(shí)，零線電流甚至和各相電流的有效值接近,第4章第22頁,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,三相三線，電阻負(fù)載時(shí)的情況 任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路 電流通路中至少有兩個(gè)晶閘管，應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā) 觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣， 為VT1 VT6,依次相差60 相電壓過零點(diǎn)定為a的起點(diǎn)， a角移相范圍是0150,第4章第23頁,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,(1)0 a 60：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180a 。但a =0時(shí)一直是三管導(dǎo)通 (2)60 a 90：兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120 (3)90 a 150：兩管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通交替，導(dǎo)通角度為3002 a,圖4-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形 a) a =30 b) a =60 c) a =120 (顯示放大圖）,第4章第24頁,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,諧波情況 電流諧波次數(shù)為6k1(k=1，2，3，)，和三相橋式全控整流電路交流側(cè)電流所含諧波的次數(shù)完全相同 諧波次數(shù)越低，含量越大 和單相交流調(diào)壓電路相比，沒有3倍次諧波，因三相對(duì)稱時(shí)，它們不能流過三相三線電路,第4章第25頁,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,2支路控制三角聯(lián)結(jié)電路 由三個(gè)單相交流調(diào)壓電路組成，分別在不同的線電壓作用下工作 單相交流調(diào)壓電路的分析方法和結(jié)論完全適用 輸入線電流（即電源電流）為與該線相連的兩個(gè)負(fù)載相電流之和 諧波情況 3倍次諧波相位和大小相同，在三角形回路中流動(dòng)，而不出現(xiàn)在線電流中 線電流中所諧波次數(shù)為6k1(k為正整數(shù)) 在相同負(fù)載和a角時(shí)，線電流中諧波含量少于三相三線星形電路,第4章第26頁,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,典型用例晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR） a移相范圍為90180 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(bǔ)償裝置(Static Var CampensatorSVC），用來對(duì)無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以補(bǔ)償電壓波動(dòng)或閃變,第4章第27頁,圖4-11 晶閘管控制電抗器(TCR)電路 (顯示放大圖）,圖4-12 TCR電路負(fù)載相電流和輸入線電流波形 a) a=120 b) a=135 c) a=160 (顯示放大圖）,4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,第4章第28頁,4.2 其他交流電力控制電路,以交流電源周波數(shù)為控制單位交流調(diào)功電路 對(duì)電路通斷進(jìn)行控制交流電力電子開關(guān),第4章第29頁,4.2.1 交流調(diào)功電路,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(fù)載與電源接通幾個(gè)周波，再斷開幾個(gè)周波，改變通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率 應(yīng)用 常用于電爐的溫度控制 因其直接調(diào)節(jié)對(duì)象是電路的平均輸出功率，所以稱為交流調(diào)功電路,第4章第30頁,4.2.1 交流調(diào)功電路,控制對(duì)象時(shí)間常數(shù)很大，以周波數(shù)為單位控制即可 通常晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻為電源電壓過零的時(shí)刻，負(fù)載電壓電流都是正弦波，不對(duì)電網(wǎng)電壓電流造成通常意義的諧波污染 電阻負(fù)載時(shí)的工作情況 控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個(gè)周期導(dǎo)通，后MN個(gè)周期關(guān)斷,第4章第31頁,4.2.1 交流調(diào)功電路,當(dāng)M=3、N=2時(shí)的電路波形如圖4-13 負(fù)載電壓和負(fù)載電流（也即電源電流）的重復(fù)周期為M倍電源周期,圖4-13 交流調(diào)功電路典型波形(M =3、N =2) (顯示放大圖）,第4章第32頁,4.2.1 交流調(diào)功電路,諧波情況 圖4-14的頻譜圖（以控制周期為基準(zhǔn)）。In為n次諧波有效值， Io為導(dǎo)通時(shí)電路電流幅值 以電源周期為基準(zhǔn)，電流中不含整數(shù)倍頻率的諧波，但含有非整數(shù)倍頻率的諧波 而且在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大,圖4-14 交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(M =3、N =2) (顯示放大圖）,第4章第33頁,4.2.2 交流電力電子開關(guān),晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路 作用：代替機(jī)械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用 優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快，無觸點(diǎn)，壽命長，可頻繁控制通斷 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,第4章第34頁,4.2.2 交流電力電子開關(guān),晶閘管投切電容器（Thyristor Switched CapacitorTSC） 對(duì)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(jī)械開關(guān)投切的電容器 結(jié)構(gòu)和原理 圖4-15基本原理圖（單相） 實(shí)際常用三相，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié),圖4-15 TSC基本原理圖 a) 基本單元單相簡圖 b) 分組投切單相簡圖 (顯示放大圖）,第4章第35頁,4.2.2 交流電力電子開關(guān),兩個(gè)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(shí)的沖擊電流 實(shí)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(duì)無功的需求而改變投入電容器的容量 TSC實(shí)際上為斷續(xù)可調(diào)的動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償器,圖4-15 TSC基本原理圖 基本單元單相簡圖 分組投切單相簡圖 (顯示放大圖）,第4章第36頁,4.2.2 交流電力電子開關(guān),晶閘管投切 選擇晶閘管投入時(shí)刻的原則：該時(shí)刻交流電源電壓和電容器預(yù)充電電壓相等，這樣電容器電壓不會(huì)產(chǎn)生躍變，就不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流 理想情況下，希望電容器預(yù)充電電壓為電源電壓峰值，這時(shí)電源電壓的變化率為零，電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化,圖4-16 TSC理想投切時(shí)刻原理說明 (顯示放大圖）,第4章第37頁,4.2.2 交流電力電子開關(guān),TSC電路也可采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式 由于二極管的作用，在電路不導(dǎo)通時(shí)uC總會(huì)維持在電源電壓峰值 成本稍低，但響應(yīng)速度稍慢，投切電容器的最大時(shí)間滯后為一個(gè)周波,圖4-17 晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的TSC (顯示放大圖）,第4章第38頁,4.3 交交變頻電路,本節(jié)講述：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(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)用的主要是三相輸出交交變頻電路,第4章第39頁,4.3.1 單相交交變頻電路,1電路構(gòu)成和基本工作原理 電路構(gòu)成 如圖4-18，由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，和直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速用的四象限變流電路完全相同 變流器P和N都是相控整流電路,圖4-18 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形 (顯示放大圖）,第4章第40頁,4.3.1 單相交交變頻電路,工作原理 P組工作時(shí)，負(fù)載電流io為正 N組工作時(shí)，io為負(fù) 兩組變流器按一定的頻率交替工作，負(fù)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,第4章第41頁,4.3.1 單相交交變頻電路,為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對(duì)a角進(jìn)行調(diào)制 在半個(gè)周期內(nèi)讓P組a 角按正弦規(guī)律從90減到0或某個(gè)值，再增加到90，每個(gè)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(gè)周期可對(duì)N組進(jìn)行同樣的控制 uo由若干段電源電壓拼接而成，在uo的一個(gè)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,第4章第42頁,4.3.1 單相交交變頻電路,2整流與逆變工作狀態(tài) 阻感負(fù)載為例 把交交變頻電路理想化，忽略變流電路換相時(shí)uo的脈動(dòng)分量，就可把電路等效成圖4-19a所示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián) 設(shè)負(fù)載阻抗角為j，則輸出電流滯后輸出電壓j 角 兩組變流電路采取無環(huán)流工作方式，即一組變流電路工作時(shí)，封鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖,第4章第43頁,圖4-19 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài) (顯示放大圖）,工作狀態(tài) t1t3期間：io正半周，正組工作，反組被封鎖 t1 t2： uo和io均為正，正組整流，輸出功率為正 t2 t3 ： uo反向， io仍為正，正組逆變，輸出功率為負(fù),4.3.1 單相交交變頻電路,第4章第44頁,4.3.1 單相交交變頻電路,t3 t5期間： io負(fù)半周，反組工作，正組被封鎖 t3 t4 ：uo和io均為負(fù)，反組整流，輸出功率為正 t4 t5 ： uo反向， io仍為負(fù)，反組逆變，輸出功率為負(fù) 哪一組工作由io方向決定，與uo極性無關(guān) 工作在整流還是逆變，則根據(jù)uo方向與io方向是否相同確定,工作狀態(tài),圖4-19 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài) (顯示放大圖）,第4章第45頁,圖4-20 單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形(顯示放大圖）,考慮無環(huán)流工作方式下io過零的死區(qū)時(shí)間，一周期可分為6段 第1段io 0，反組逆變 第2段電流過零，為無環(huán)流死區(qū) 第3段io 0， uo 0，正組整流,4.3.1 單相交交變頻電路,第4章第46頁,第4段io 0， uo 0，正組逆變 第5段又是無環(huán)流死區(qū) 第6段io 0， uo 0，為反組整流 uo和io的相位差小于90時(shí)，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負(fù)載提供能量的平均值為正，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài) 當(dāng)二者相位差大于90時(shí)，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負(fù)載提供能量的平均值為負(fù)，電網(wǎng)吸收能量，電動(dòng)機(jī)為發(fā)電狀態(tài),4.3.1 單相交交變頻電路,第4章第47頁,4.3.1 單相交交變頻電路,3輸出正弦波電壓的調(diào)制方法 介紹最基本的、廣泛使用的余弦交點(diǎn)法 設(shè)Ud0為a = 0時(shí)整流電路的理想空載電壓，則有 (4-15) 每次控制時(shí)a角不同， uo表示每次控制間隔內(nèi)uo的平均值 期望的正弦波輸出電壓為 (4-16) 比較式(4-15)和(4-16)，應(yīng)使 (4-17) g 稱為輸出電壓比：,g,第4章第48頁,4.3.1 單相交交變頻電路,余弦交點(diǎn)法基本公式 (4-18) 余弦交點(diǎn)法圖解 線電壓uab、 uac 、 ubc 、 uba 、 uca和ucb依次用u1 u6表示 相鄰兩個(gè)線電壓的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)于a=0,圖4-21 余弦交點(diǎn)法原理 (顯示放大圖）,第4章第49頁,4.3.1 單相交交變頻電路,u1u6所對(duì)應(yīng)的同步信號(hào)分別用us1us6表示 us1us6比相應(yīng)的u1u6超前30，us1us6的最大值和相應(yīng)線電壓a=0的時(shí)刻對(duì)應(yīng) 以a=0為零時(shí)刻，則us1us6為余弦信號(hào) 希望輸出電壓為uo，則各晶閘管觸發(fā)時(shí)刻由相應(yīng)的同步電壓us1us6的下降段和uo的交點(diǎn)來決定,圖4-21 余弦交點(diǎn)法原理 (顯示放大圖）,第4章第50頁,4.3.1 單相交交變頻電路,不同g 時(shí)，在uo一周期內(nèi)，a隨wot 變化的情況。圖中， g 較小，即輸出電壓較低時(shí)，a只在離90很近的范圍內(nèi)變化，電路的輸入功率因數(shù)非常低,圖4-22 不同g時(shí)a和wot的關(guān)系 (顯示放大圖）,第4章第51頁,4.3.1 單相交交變頻電路,4輸入輸出特性 1) 輸出上限頻率 輸出頻率增高時(shí)，輸出電壓一周期所含電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴(yán)重 電壓波形畸變及其導(dǎo)致的電流波形畸變和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是限制輸出頻率提高的主要因素 就輸出波形畸變和輸出上限頻率的關(guān)系而言，很難確定一個(gè)明確的界限 當(dāng)采用6脈波三相橋式電路時(shí)，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(shí)，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz,第4章第52頁,4.3.1 單相交交變頻電路,2) 輸入功率因數(shù) 輸入電流相位滯后于輸入電壓，需要電網(wǎng)提供無功功率 一周期內(nèi)，a角以90為中心變化 輸出電壓比g越小，半周期內(nèi)a的平均值越靠近90 負(fù)載功率因數(shù)越低，輸入功率因數(shù)也越低 不論負(fù)載功率因數(shù)是滯后的還是超前的，輸入的無功電流總是滯后,圖4-23 單相交交變頻電路的功率因數(shù) (顯示放大圖）,第4章第53頁,4.3.1 單相交交變頻電路,3) 輸出電壓諧波 輸出電壓的諧波頻譜非常復(fù)雜，既和電網(wǎng)頻率fi以及變流電路的脈波數(shù)有關(guān)，也和輸出頻率fo有關(guān) 采用三相橋時(shí)，輸出電壓所含主要諧波的頻率為 6fifo，6fi3fo，6fi5fo， 12fifo，12fi3fo，12fi5fo， 采用無環(huán)流控制方式時(shí)，由于電流方向改變時(shí)死區(qū)的影響，將增加5fo、7fo等次諧波,第4章第54頁,4.3.1 單相交交變頻電路,4) 輸入電流諧波 輸入電流波形和可控整流電路的輸入波形類似，但其幅值和相位均按正弦規(guī)律被調(diào)制 采用三相橋式電路的交交變頻電路輸入電流諧波頻率 (4-19) 和 (4-20) 式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。,第4章第55頁,4.3.2 三相交交變頻電路,交交變頻電路主要應(yīng)用于大功率交流電機(jī)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 主要有兩種：公共交流母線進(jìn)線方式和輸出星形聯(lián)結(jié)方式,第4章第56頁,4.3.2 三相交交變頻電路,1) 公共交流母線進(jìn)線方式（圖4-24） 由三組彼此獨(dú)立的、輸出電壓相位相互錯(cuò)開120的單相交交變頻電路構(gòu)成 電源進(jìn)線通過進(jìn)線電抗器接在公共的交流母線上 因?yàn)殡娫催M(jìn)線端公用，所以三組的輸出端必須隔離。為此，交流電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組必須拆開 主要用于中等容量的交流調(diào)速系統(tǒng),圖4-24 公共交流母線進(jìn)線三相交交變頻電路（簡圖） (顯示放大圖）,第4章第57頁,4.3.2 三相交交變頻電路,2) 輸出星形聯(lián)結(jié)方式（圖4-25） 三組的輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組也是星形聯(lián)結(jié) 電動(dòng)機(jī)中點(diǎn)不和變頻器中點(diǎn)接在一起，電動(dòng)機(jī)只引出三根線即可,圖4-25 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路 a）簡圖 b）詳圖 (顯示放大圖）,第4章第58頁,4.3.2 三相交交變頻電路,因?yàn)槿M的輸出聯(lián)接在一起，其電源進(jìn)線必須隔離，因此分別用三個(gè)變壓器供電 由于輸出端中點(diǎn)不和負(fù)載中點(diǎn)相聯(lián)接，所以在構(gòu)成三相變頻電路的六組橋式電路中，至少要有不同輸出相的兩組橋中的四個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通才能構(gòu)成回路，形成電流 和整流電路一樣，同一組橋內(nèi)的兩個(gè)晶閘管靠雙觸發(fā)脈沖保證同時(shí)導(dǎo)通 兩組橋之間則是靠各自的觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，以保證同時(shí)導(dǎo)通,第4章第59頁,4.3.2 三相交交變頻電路,2輸入輸出特性 輸出上限頻率和輸出電壓諧波和單相交交變頻電路是一致的 輸入電流 總輸入電流由三個(gè)單相的同一相輸入電流合成而得到 有些諧波相互抵消，諧波種類有所減少，總的諧波幅值也有所降低 諧波頻率為 (4-21) 和 (4-22) 式中，k =1,2,3,；l =0,1,2,。,第4章第60頁,4.3.2 三相交交變頻電路,采用三相橋式電路時(shí)，輸入諧波電流的主要頻率為fi6fo、5fi 、5fi6fo 、 7fi 、 7fi6fo 、 11fi 、 11fi6fo 、13fi 、 13fi6fo 、 fi12fo等。其中5fi次諧波的幅值最大,圖4-26 交交變頻電路的輸入電流波形 (顯示放大圖）,第4章第61頁,4.3.2 三相交交變頻電路,輸入功率因數(shù) 三相總輸入功率因數(shù)應(yīng)為 (4-23) 三相電路總的有功功率為各相有功功率之和 但視在功率卻不能簡單相加，而應(yīng)由總輸入電流有效值和輸入電壓有效值來計(jì)算，比三相各自的視在功率之和要小 三相總輸入功率因數(shù)要高于單相交交變頻電路,第4章第62頁,4.3.2 三相交交變頻電路,3改善輸入功率因數(shù)和提高輸出電壓 基本思路 各相輸出的是相電壓，而加在負(fù)載上的是線電壓 在各相電壓中疊加同樣的直流分量或3倍于輸出頻率的諧波分量，它們都不會(huì)在線電壓中反映出來，因而也加不到負(fù)載上。利用這一特性可以使輸入功率因數(shù)得到改善并提高輸出電壓。 直流偏置 負(fù)載電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，變頻器輸出電壓很低，各組橋式電路的a角都在90附近，因此輸入功率因數(shù)很低 給各相輸出電壓疊加上同樣的直流分量，控制角a將減小，但變頻器輸出線電壓并不改變,第4章第63頁,4.3.2 三相交交變頻電路,交流偏置 梯形波輸出控制方式 使三組單相變頻器的輸出均為 梯形波（也稱準(zhǔn)梯形波） ，主 要諧波成分是三次諧波 在線電壓中三次諧波相互抵消， 線電壓仍為正弦波 因?yàn)闃蚴诫娐份^長時(shí)間工作在高輸出電壓區(qū)域（即梯形波的平頂區(qū)），a角較小，因此輸入功率因數(shù)可提高15%左右 圖4-20正弦波輸出控制方式中，最大輸出正弦波相電壓的幅值為Ud0 在同樣幅值的情況下，梯形波中的基波幅值可提高15%左右,圖4-27 梯形波控制方式的理想輸出電壓波形 (顯示放大圖）,第4章第64頁,4.3.2 三相交交變頻電路,交交變頻和交直交變頻的比較 8.1節(jié)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(diǎn)： 只用一次變流，效率較高 可方便地實(shí)現(xiàn)四象限工作 低頻輸出波形接近正弦波 缺點(diǎn)是： 接線復(fù)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,第4章第65頁,4.3.2 三相交交變頻電路,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(fù)雜 應(yīng)用 主要用于500kW或1000kW以下的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路中。目前已在軋機(jī)主傳動(dòng)裝置、鼓風(fēng)機(jī)、礦石破碎機(jī)、球磨機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等場(chǎng)合應(yīng)用 既可用于異步電動(dòng)機(jī)，也可用于同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng),第4章第66頁,4.4 矩陣式變頻電路,直接變頻電路 所用開關(guān)器件是全控型的 控制方式不是相控方式而 是斬控方式 拓?fù)?圖4-28a所示 三相輸入電壓為ua、 ub和uc 圖4-28 三相輸出電壓為uu、 uv和uw 9個(gè)開關(guān)器件組成33矩陣，因此該電路被稱為矩陣式變頻電路(Matrix Converter MC)或矩陣變換器 圖中每個(gè)開關(guān)都是矩陣中的一個(gè)元素，采用雙向可控開關(guān)，圖4-28b給出了應(yīng)用較多的一種開關(guān)單元,第4章第67頁,4.4 矩陣式變頻電路,優(yōu)點(diǎn) 輸出電壓為正弦波 輸出頻率不受電網(wǎng)頻率的限制 輸入電流也可控制為正弦波且和電壓同相 功率因數(shù)為1，也可控制為需要的功率因數(shù) 能量可雙向流動(dòng)，適用于交流電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行 不通過中間直流環(huán)節(jié)而直接實(shí)現(xiàn)變頻，效率較高,第4章第68頁,4.4 矩陣式變頻電路,矩陣式變頻電路的基本工作原理 利用單相輸入 對(duì)單相交流電壓us進(jìn)行斬波控制，即進(jìn)行PWM控制時(shí)，輸出電壓uo為 (4-24) 式中，Tc開關(guān)周期；ton 一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間；s 占空比 不同的開關(guān)周期中采用不同的s，可得到與us頻率和波形都不同的uo 由于單相交流us波形為正弦波，可利用的輸入電壓部分只有如圖4-29a所示的單相電壓陰影部分，因此uo將受到很大的局限，無法得到所需輸出波形,第4章第69頁,4.4 矩陣式變頻電路,利用三相相電壓 把輸入改為三相，就可利用圖4-29b所示的三相相電壓包絡(luò)線中所有的陰影部分 理論上所構(gòu)造的uu的頻率可不受限制 但如uu必須為正弦波，則其最大幅值僅為輸入相電壓ua幅值的0.5倍 利用三相線電壓 用圖4-28a中第一行和第二行的6個(gè)開關(guān)共同作用來構(gòu)造輸出線電壓uuv,第4章第70頁,4.4 矩陣式變頻電路,可利用圖4-29c中6個(gè)線電壓包絡(luò)線中所有的陰影部分 當(dāng)uuv必須為正弦波時(shí)，最大幅值就可達(dá)到輸入線電壓幅值的0.866倍 正弦波輸出條件下矩陣式變頻電路理論上最大的輸出輸入電壓比,圖4-29 構(gòu)造輸出電壓時(shí)可利用的輸入電壓部分 單相輸入 b) 三相輸入構(gòu)造輸出相電壓 c) 三相輸出構(gòu)造輸出線電壓 (顯示放大圖）,第4章第71頁,4.4 矩陣式變頻電路,以相電壓輸出方式為例分析矩陣式交交變頻電路的控制 利用對(duì)開關(guān)S11、 S12和S13的控制構(gòu)造輸出電壓uu 為防止輸入電源短路，任何時(shí)刻只能有一個(gè)開關(guān)接通 負(fù)載一般是阻感負(fù)載，負(fù)載電流具有電流源性質(zhì)，為使負(fù)載不開路，任一時(shí)刻必須有一個(gè)開關(guān)接通 u相輸出電壓uu和各相輸入電壓的關(guān)系為 (4-25) 式中s11、s12和s13一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)S11、 S12、S13的導(dǎo)通占空比 (4-26),第4章第72頁,4.4 矩陣式變頻電路,對(duì)于三相有 (4-27) 可縮寫為 uo=s ui (4-28) 式中uo ,ui , s s稱為調(diào)制矩陣，s矩陣中各元素確定后，輸入電流ia、ib、ic和輸出電流iu、iv、iw的關(guān)系也就確定了 (4-29)(4-30) 式中，ii io 式(4-27)、(4-29)是矩陣式變頻電路的基本輸入輸出關(guān)系式,第4章第73頁,4.4 矩陣式變頻電路,對(duì)實(shí)際系統(tǒng)來說，輸入電壓和所需要的輸出電流是已知的。設(shè)為 (4-31) (4-32) 式中 Uim、Iom 輸入電壓和輸出電流的幅值； wi、wo 輸入電壓和輸出電流的角頻率； jo 相應(yīng)于輸出頻率的負(fù)載阻抗角。,第4章第74頁,4.4 矩陣式變頻電路,變頻電路希望的輸出電壓和輸入電流分別為 (4-33) (4-34) 式中 Uom、Iim輸出電壓和輸入電流的幅值； ji 輸入電流滯后于電壓的相位角,第4章第75頁,4.4 矩陣式變頻電路,當(dāng)期望的輸入功率因數(shù)為1時(shí)，ji =0。把式(4-31)式(4-34)代入式(4-27)和式(4-29)，可得 (4-35) (4-36) 如能求得滿足式(4-35)和式(4-36)的s，就可得到希望的輸出電壓和輸入電流,s,sT,第4章第76頁,4.4 矩陣式變頻電路,要使矩陣式變頻電路能夠很好地工作，需解決的兩個(gè)基本問題 如何求取理想的調(diào)制矩陣s 開關(guān)切換時(shí)如何實(shí)現(xiàn)既無交疊又無死區(qū) 現(xiàn)狀 尚未進(jìn)入實(shí)用化，主要原因： 所用的開關(guān)器件為18個(gè)，電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高，控制方法還不算成熟 輸出輸入最大電壓比只有0.866，用于交流電機(jī)調(diào)速時(shí)輸出電壓偏低,第4章第77頁,4.4 矩陣式變頻電路,十分突出的優(yōu)點(diǎn)： 有十分理想的電氣性能 和目前廣泛應(yīng)用的交直交變頻電路相比，雖多用了6個(gè)開關(guān)器件，卻省去了直流側(cè)大電容，將使體積減小，且容易實(shí)現(xiàn)集成化和功率模塊化 在器件制造技術(shù)飛速進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的今天，矩陣式變頻電路將有很好的發(fā)展前景,