電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制電路和交交變頻電路

1、電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路1 電力電子技術(shù)（第四版） 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路2 n 第4章交流電力控制電路和交交 變頻電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路3 n 本章主要講述 交流交流-交流變流電路交流變流電路 n 把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路 變頻電路改變頻率的電路 交交變頻 直接 交直交變頻 間接 交流電力 控制電路 只改變電壓,電 流或控制電路 的通斷,而不改 變頻率的電路。 交流調(diào)壓電路 相位控制 交流調(diào)功電路 通斷控制 第4章 交流電力控制電路和交交變頻 電路 電力電子技術(shù)第四版第4

2、章交流電力控制 電路和交交變頻電路4 交流調(diào)壓電路 原理原理 兩個(gè)晶閘管反并 聯(lián)后串聯(lián)在交流電路 中，通過(guò)對(duì)晶閘管的 控制就可控制交流電 力。 電路圖 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路5 應(yīng)用應(yīng)用 1 燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制)。 2 異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)。 3 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。 4 供用電系統(tǒng)對(duì)無(wú)功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。 5 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。 交流調(diào)壓電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路6 交流調(diào)壓電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路7 O u1 uo i o u V T

3、 wt Owt Owt Owt 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 n1) 電阻負(fù)載 圖4-1 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形 輸出電壓與輸出電壓與 的關(guān)系的關(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。 與與 a 的關(guān)系的關(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。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路8 若晶閘管短接，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 ，當(dāng)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。 a =0時(shí)刻仍

4、定為u1過(guò)零的 時(shí)刻，a 的移相范圍應(yīng)為j a 。 n1) 阻感負(fù)載 0.6 O u1 u 1 u o i o u VT wt O wt Owt wt O u uG1 G1 u G2 O O wt wt 圖4-2 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形 u 負(fù)載阻抗角： j = arctan(wL / R) VT1 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路9 q 02010060140180 20 100 60 /( ) 180 140 a /( ) j = 90 75 60 45 30 15 0 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

5、wt = t = a 時(shí)刻開(kāi)通晶閘管 VT1，可求得 （47） j q jajqa tg )sin()sin( e 當(dāng) a = j 時(shí) = 當(dāng) a j 時(shí) 以j 為參變量，利用（4 7)可把a(bǔ) 和 的關(guān)系表 示成右圖。 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路10 圖4-4 單相交流調(diào)壓電路a為參變量時(shí)I VTN和a關(guān)系曲線 j = 90 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 16018004012080 75 60 45 j = 0 a /( ) IVTN 負(fù)載電流有效值 (4-10) IVT的標(biāo)么值 (4-11) 12U Z IIVTVTN

6、VTII20 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路11 圖4-5 aj時(shí)阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形 wt wt wt wt 圖4-5 a a a qO O O O u1 iG1 iG2 ioj iT1 iT2 當(dāng)阻感負(fù)載, a j 時(shí)電 路工作情況。 圖4-2 阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路 VT1的導(dǎo)通時(shí)間超過(guò) 。 觸發(fā)VT2時(shí)， io尚未過(guò) 零， VT1仍導(dǎo)通， VT2不會(huì)導(dǎo)通。io過(guò)零 后，VT2才可開(kāi)通， VT2導(dǎo)通角小于。 衰減過(guò)程中， VT1導(dǎo) 通時(shí)間漸短， VT2的 導(dǎo)通時(shí)間漸長(zhǎng)。 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 電力電子技術(shù)第四版第4

7、章交流電力控制 電路和交交變頻電路12 3) 單相交流調(diào)壓電路的諧波分析 電阻負(fù)載 由于波形正負(fù)半波對(duì)稱，所以不含直流分 量和偶次諧波。 (4-12) 基波和各次諧波有效值 (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。 ,5,3, 1 o )sincos()( n nn tnbtnatuwww 22 on 2 1 nn baU RUI/ onon 060120180 圖4-6 基波 3次 5次 7次 觸發(fā)延遲角a/( ) In/I*/% 20 40 60 80 100 圖4-6 電阻負(fù)載單

8、相交流調(diào) 壓電路基波和諧波電流含量 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路13 q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。 q隨著次數(shù)的增加，諧波含量減少。 q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。 q當(dāng)a 角相同時(shí)，隨著阻抗角j 的增大，諧波含量有所減少。 阻感負(fù)載 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路14 n4) 斬控式交流調(diào)壓電路 在交流電源u1的正半周 R L 圖4-7 u1 i1 uo V1 V2 VD 1 VD 2 V3 V4 VD 4 VD 3 圖4-7

9、 斬控式交流調(diào)壓電路 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 用V1進(jìn)行斬波控制 用V3給負(fù)載電流 提供續(xù)流通道 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路15 R L 圖4-7 u1 i1 uo V1 V2 VD 1 VD 2 V3 V4 VD 4 VD 3 用V2進(jìn)行斬波控制 用V4給負(fù)載電流 提供續(xù)流通道 圖4-7 斬控式交流調(diào)壓電路 n4) 斬控式交流調(diào)壓電路 在交流電源u1的負(fù)半周 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路16 u 特性特性 圖4-8 電阻負(fù)載斬控 式交流調(diào)壓電路波形 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 電源電流的基波分量和

10、 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(kāi)關(guān)周期T有關(guān) 的高次諧波。 功率因數(shù)接近1。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路17 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 n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) 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路18 n三線四相 q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(kāi) 120工作?；ê? 倍次以外的諧波在三相 之間流動(dòng)，不流過(guò)零線。 q問(wèn)題：三相

11、中3倍次諧 波同相位，全部流過(guò)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。 1) 星形聯(lián)結(jié)電路 可分為三線三相和三線四相可分為三線三相和三線四相 圖4-9 三相交流調(diào)壓電路 a) 星形聯(lián)結(jié) 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路19 u三相三線，主要分析阻負(fù)載時(shí)的情況 圖4-9 三相交流調(diào)壓電路 a) 星形聯(lián)結(jié) 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 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)?脈 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

12、次相差60。 相電壓過(guò)零點(diǎn)定為a 的起 點(diǎn)， a角移相范圍是 0 150。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路20 l(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。 圖4-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形 a) a =30 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路21 60 a 90： 兩管導(dǎo) 通，每 管導(dǎo)通120。 (2) 圖4-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形 b) a =60 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路22 l

13、(3)90 a 150： 兩管導(dǎo)通與無(wú)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 c) a =120 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路23 u諧波情況 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 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(méi)有3倍次諧波，因三 相對(duì)稱時(shí)，它們不能流過(guò)三相三線電路。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路24 n2） 支路控制三角聯(lián)結(jié)電路 圖49三相交流調(diào)

14、壓電路 c)支路控制三角形聯(lián)結(jié) 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 u由三個(gè)單相交流調(diào)壓電路由三個(gè)單相交流調(diào)壓電路 組成，分別在不同的線電組成，分別在不同的線電 壓作用下工作壓作用下工作。 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。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路25 u 諧波情況諧波情況 c)支路控制三角形聯(lián)結(jié) 圖49三相交流調(diào)壓電路 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 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)，

15、線電流中諧波含量少于 三相三線星形電路。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路26 u典型用例晶閘管控制電 抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR） 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(wú)功功率，稱為靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置( (Static Var CampensatorSVC），用來(lái)對(duì)無(wú)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。 圖4-11 晶閘管控制電抗器(TCR)電路 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 a 移相范圍為90 180。 控制a 角可連續(xù)調(diào)節(jié) 流過(guò)電抗器的電流，從 而調(diào)節(jié)無(wú)功功率。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制

16、電路和交交變頻電路27 圖4-11 晶閘管控制 電抗器(TCR)電路 a)b)c) 圖4-12 TCR電路負(fù)載相電流和輸入線電流波形 a) =120 b) =135 c) =160 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路28 n仿真波形 n 仿真工具:可以用MATLAB/PSCAD等軟件實(shí)現(xiàn) 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 圖4-12 TCR電路負(fù)載相電流和輸入線電流波形 a) =120 b) =135 c) =160 a）b）c） 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路29 其他交流電力控制電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力

17、控制 電路和交交變頻電路30 交流調(diào)功電路 n 交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同比較 相同點(diǎn)相同點(diǎn) 電路形式完全相同完全相同 不同點(diǎn)不同點(diǎn) 控制方式不同不同 交流調(diào)壓電路在每個(gè)電源周期周期都對(duì)輸出電壓波形 進(jìn)行控制。 交流調(diào)功電路是將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)周期, 在斷開(kāi)幾個(gè)周期,通過(guò)通斷周波數(shù)的比值來(lái)調(diào)節(jié)負(fù) 載所消耗的平均功率。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路31 u 電阻負(fù)載時(shí)的工作情況 2N M 電源周期 控制周期=M倍電源周期=2 4 M O 導(dǎo)通段= M 3 M 2 M uo u1uo,io wt U12 圖4-13 交流調(diào)功電路典 型波形(M =3、N =2

18、) 圖41電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路 交流調(diào)功電路 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M N個(gè)周期關(guān)斷。 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。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路32 u 諧波情況 012 14 諧波次數(shù) 相對(duì)于電源頻率的倍數(shù) 圖4-14交流調(diào)功電路的 電流頻譜圖(M =3、N =2) 2 4 6108 051234 In/I0m 交流調(diào)功電路 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

19、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。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路33 交流電力電子開(kāi)關(guān) n概念概念 把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機(jī) 械開(kāi)關(guān)，起接通和斷開(kāi)電路的作用。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 響應(yīng)速度快，無(wú)觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，可頻繁控制通斷。 u與交流調(diào)功電路的區(qū)別區(qū)別 并不控制電路的平均輸出功率。 通常沒(méi)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(kāi)。 控制頻度通常比交流調(diào)功電路低得多。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路34 u晶閘管投切電容（Thyristor SwitchedCapacitorTSC） 圖4-1

20、5 TSC基本原理圖 a) 基本單元單相簡(jiǎn)圖 b) 分組投切單相簡(jiǎn)圖 交流電力電子開(kāi)關(guān) u作用 對(duì)無(wú)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(kāi)關(guān)投切 的電容器。 u結(jié)構(gòu)和原理 晶閘管反并聯(lián)后串入交 流電路。 實(shí)際常用三相，可三角 形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié)。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路35 q晶閘管的投切 n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。 n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(guò) 程不但沒(méi)有沖擊

21、電流，電流也沒(méi) 有階躍變化。 12 t t t t u s iC u C VT 1 VT 2t t u VT 1 u us iC uC C VT 1 VT 2 VT1 圖4-16 TSC理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明 交流電力電子開(kāi)關(guān) 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路36 qTSC電路也可采用晶閘管 和二極管反并聯(lián)的方式 交流電力電子開(kāi)關(guān) 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。 12 t t t t u s iC u C VT 1 VT 2t t u VT 1 u us iC uC C

22、VT 1 VT 2 VT1 圖4-16 TSC理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路37 交交變頻電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路38 單相交交變頻器 u晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器 (Cycloconvertor) u 把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電的變流電 路，屬于直接變頻電路。屬于直接變頻電路。 u 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)際使用 的主要是三相輸出交交變頻電路。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路39 n1) 電路構(gòu)成和基本工作原理 Z P N 輸出電壓平均輸出電壓

23、圖4-18 O uo uo aP=0 aP= 2 aP= 2 wt 圖4-18 單相交交變頻電 路原理圖和輸出電壓波形 單相交交變頻器 u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。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路40 u工作原理 qP組工作時(shí)，負(fù)載電流io為 正正。 qN組工作時(shí)，io為負(fù)負(fù)。 q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

24、出電壓的幅值。 Z P N 輸出電壓平均輸出電壓 圖4-18 O uo uo aP=0 aP= 2 aP= 2 wt 圖4-18 單相交交變頻電 路原理圖和輸出電壓波形 單相交交變頻器 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路41 u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。 單相交交變頻器 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

25、波。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路42 n 2) 整流與逆變工作狀態(tài) a) 整流 逆變 阻斷 圖4-19 b) P N t t t t t 整流 逆變 阻斷 O O O O O uo,iouo io t1t2t3t4t5 uouP uN uo iP iN uPuNuo io iNiP 圖4-19 理想化交交變頻電路的 整流和逆變工作狀態(tài) 單相交交變頻器 阻感負(fù)載為例，也適用于交 流電動(dòng)機(jī)負(fù)載。 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)。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和

26、交交變頻電路43 q設(shè)負(fù)載阻抗角為j ，則 輸出電流滯后輸出電壓 j 角。 q兩組變流電路采取無(wú)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。 a) 整流 逆變 阻斷 圖4-19 b) P N t t t t t 整流 逆變 阻斷 O O O O O uo,iouo io t1t2t3t4t5 uouP uN uo iP iN uPuNuo io iNiP 圖4-19 理想化交交變頻電路的 整流和逆變工作狀態(tài) 單相交交變頻器 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路44 u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) a) 整流 逆

27、變 阻斷 圖4-19 b) P N t t t t t 整流 逆變 阻斷 O O O O O uo,iouo io t1t2t3t4t5 uouP uN uo iP iN uPuNuo io iNiP 圖4-19 理想化交交變頻電路的 整流和逆變工作狀態(tài) 單相交交變頻器 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)。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路45 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

28、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)。 a) 整流 逆變 阻斷 圖4-19 b) P N t t t t t 整流 逆變 阻斷 O O O O O uo,iouo io t1t2t3t4t5 uouP uN uo iP iN uPuNuo io iNiP 圖4-19 理想化交交變頻電路的 整流和逆變工作狀態(tài) 單相交交變頻器 小結(jié)小結(jié)： 哪一組工作由io方向決 定，與uo極性無(wú)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。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路46 當(dāng)uo和io的相位差小于90時(shí)

29、，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)。 考慮無(wú)環(huán)流工作方式下io過(guò)零的死區(qū)時(shí)間，一周期可分為6段。 1 O O 2 34 5 6 圖4-20 uo io wt wt 圖4-20 單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形 第1段 io 0，反組逆變 第2段 電流過(guò)零，為無(wú)環(huán)流死區(qū)第3段 io 0， uo 0，正組整流 第4段 io 0， uo 0，正組逆變 第5段 又是無(wú)環(huán)流死區(qū) 第6段 io 0， uo 0，為反組整流 單相交交變頻器 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制

30、電路和交交變頻電路47 n3) 輸出正弦波電壓的 調(diào)制方法 u 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， 表示每次控制 間隔內(nèi)uo的平均值。 acos d0o Uu 0u 圖4-21 u2u3u4u5u6u1 us2us3us4us5us6us1 uo aP3aP4 wt wt 圖4-21 余弦交點(diǎn)法原理 單相交交變頻器 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路48 q設(shè)期望的正弦波輸出 電壓為 (4-16） q比較式(4-15)和(4-16)， 應(yīng)使 (4-17) q g g 稱為輸出

31、電壓比： tt U U oo d0 om sinsincoswgwa )10( 0 gg d om U U tUu oomo sinw 圖4-21 余弦交點(diǎn)法原理 圖4-21 u2u3u4u5u6u1 us2us3us4us5us6us1 uo aP3aP4 wt wt 單相交交變頻器 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路49 )sin(cos o 1 twga 圖4-21 余弦交點(diǎn)法原理 圖4-21 u2u3u4u5u6u1 us2us3us4us5us6us1 uo aP3aP4 wt wt 單相交交變頻器 余弦交點(diǎn)法基本公式 (4-18) u余弦交點(diǎn)法圖解 線電壓ua

32、b、 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。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路50 qu1u6所對(duì)應(yīng)的同步信號(hào) 分別用us1us6表示 qus1us6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)。 q以a =0為零時(shí)刻， 則 us1us6為余弦信號(hào)。 q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(lái)決定。 圖4-21 余弦交點(diǎn)法原理 圖4-21 u2u3u4u5u6u1 us2us3us4us5us6us1

33、uo aP3aP4 wt wt 單相交交變頻器 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路51 u不同g g 時(shí)，在uo一周期內(nèi)， a 隨 w ot 變化的情況。 圖中， u g 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。 g = 0 g = 0.1 相位控制角a/( ) 輸出相位w 0 t 圖4-22 120 150 180 30 60 90 0 0.1 0.2 0.3 0.8 0.9 1.0 0.8 0.2 0.3 0.9 1.0 2 2 2 3 圖4-22 不同g g 時(shí)a和wot的關(guān)系 )sin(sin 2 )sin(cos

34、 o 1 o 1 t t wg wga 單相交交變頻器 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路52 n4) 輸入輸出特性 單相交交變頻器 (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。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路53 圖4-

35、23 單相交交 變頻電路的功率因數(shù) (2) 輸入功率因數(shù) 單相交交變頻器 輸入電流相位滯后于輸入電壓， 需要電網(wǎng)提供無(wú)功功率。 一周期內(nèi)， a角以90為中心 變化。 輸出電壓比g 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(wú)功電流總 是滯后。 0.8 0.6 0.4 0.2 0 g =1.0 輸入位移因數(shù) 負(fù)載功率因數(shù) （ 滯后 ）負(fù)載功率因數(shù) （ 超前 ） 圖4-23 0 1.00.20 0.8 0.6 0.4 0.2 0.8 0.6 0.4 0 .2 負(fù)載功率因數(shù)（超前）負(fù)載功率因數(shù)（

36、滯后） 輸入位移因數(shù) 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路54 (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f fi i以及變流 電路的脈波數(shù)有關(guān)，也和輸出頻率f fo o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(wú)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。 單相交交變頻器 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路55 n(4) 輸入電流諧波 q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

37、均按正弦規(guī)律被調(diào)制。 q采用三相橋式電路的交交變頻電路輸入電流諧波 頻率 n (4-19) n 和 (4-20) 式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。 oiin 216lffkf oiin 2kfff 單相交交變頻器 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路56 三相交交變頻電路 l 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 公共交流母線進(jìn)線方式公共交流母線進(jìn)線方式 輸出星形聯(lián)結(jié)方式輸出星形聯(lián)結(jié)方式 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。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路57 n

38、(1)公共交流母線進(jìn)線方式 圖4-24 公共交流母線進(jìn)線 三相交交變頻電路（簡(jiǎn)圖） 三相交交變頻電路 由三組彼此獨(dú)立的、輸出電 壓相位相互錯(cuò)開(kāi)120的單 相交交變頻電路構(gòu)成。 電源進(jìn)線通過(guò)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(kāi)。 主要用于中等。容量的交流 調(diào)速系統(tǒng)。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路58 (2) 輸出星形聯(lián)結(jié)方式 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 n 圖4-25 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻

39、電路 a）簡(jiǎn)圖 b）詳圖 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。 三相交交變頻電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路59 圖4-25 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路 a）簡(jiǎn)圖 b）詳圖 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。 三相交交變頻電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路60

40、圖4-25 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路 a）簡(jiǎn)圖 b）詳圖 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。 三相交交變頻電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路61 n2) 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。 u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。 200t/ms 輸出電壓 單相輸出時(shí) U相輸入電流 三相輸出時(shí) U相輸入電流 200 t/ms 200t/

41、ms 圖4-26 交交變頻電路的輸入電流波形 三相交交變頻電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路62 n 諧波頻率為 n (4-21) n和 (4-22) n式中k=1,2,3,l=0,1,2,。 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 fi12fo等。其中 5fi次諧波的幅值最大。 oiin 616lffkf oiin 6kfff 200t/ms 輸出電壓 單相輸出時(shí) U相輸入電流 三相輸出時(shí) U相輸入電流 200 t/ms 200t/ms 圖4-26 交交變頻

42、電路的輸入電流波形 三相交交變頻電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路63 u輸入功率因數(shù) n 三相總輸入功率因數(shù)應(yīng)為 n n (4-23) q三相電路總的有功功率為各相有功功率之和 q但視在功率卻不能簡(jiǎn)單相加，而應(yīng)由總輸入電流有效值和輸 入電壓有效值來(lái)計(jì)算，比三相各自的視在功率之和要小 q三相總輸入功率因數(shù)要高于單相交交變頻電路 S PPP S P cba 三相交交變頻電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路64 n3) 改善輸入功率因數(shù)和提高輸出電壓 三相交交變頻電路 u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

43、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(lái)， 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。 u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。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路65 u交流偏置 q梯形波輸出控制方式。 q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。 q在線電壓中三次諧波相互抵消， 線電壓仍為正弦波。 q因?yàn)闃蚴诫娐份^長(zhǎng)

44、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。 q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。 q在同樣幅值的情況下，梯形波中的基波幅值可提高15%左右。 值可 uAN的基波分量 圖4-27 u O t uAB uAN uBN 圖4-27 梯形波控制方式的理想輸出電壓波形 三相交交變頻電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路66 u交交變頻和交直交變頻的比較 q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。 q交交變頻電路的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： q交交變頻電路的缺點(diǎn)

45、缺點(diǎn)： n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。 n受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低。 n輸入功率因數(shù)較低。 n輸入電流諧波含量大，頻譜復(fù)雜。 效率較高（一次變流） 可方便地實(shí)現(xiàn)四象限工作 低頻輸出波形接近正弦波 三相交交變頻電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路67 u 應(yīng)用應(yīng)用 q主要用于500kW或1000kW以上的大功率、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?yè)P(yáng)機(jī)等場(chǎng)合應(yīng)用。 q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)。 三相交交變頻電路 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制

46、 電路和交交變頻電路68 矩陣式變頻器 n簡(jiǎn)介： n是近年出現(xiàn)的一種新穎 的變頻電路。 n是直接變頻電路 ，采用 的開(kāi)關(guān)器件是全控型。 n控制方式是斬波控制。 n拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： n三相輸入電壓為ua、 ub 和uc n三相輸出電壓為uu、 uv 和uw 圖4-28 矩陣式變頻器 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路69 q9個(gè)開(kāi)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。 q圖中每個(gè)開(kāi)關(guān)都是矩 陣中的一個(gè)元素，采 用雙向可控開(kāi)關(guān)，圖 4-28b給出了應(yīng)用較多 的一種開(kāi)關(guān)單元。 圖4-28 矩陣式變頻器 矩陣式變

47、頻器 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路70 u優(yōu)點(diǎn)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(guò)中間直流環(huán)節(jié)而直接實(shí)現(xiàn)變頻，效率較高。 矩陣式變頻器 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路71 n矩陣式變頻電路的基本工作原理 單相輸入單相輸入 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，T c開(kāi)關(guān)周期； ton 一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)開(kāi)關(guān) 導(dǎo)通時(shí)間；s 占空比。 ss

48、c on o uu T t u a) b) c) U m U 1m U 2 3 U m 1 2 圖4-29 構(gòu)造輸出電壓時(shí)可利用的輸入電壓部分 a)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 矩陣式變頻器 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路72 q不同的開(kāi)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 。 q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(wú)法得到 所需輸出波形。 a) b) c) U m U 1m U 2 3 U m 1 2 圖4-29

49、構(gòu)造輸出電壓時(shí)可利用的輸入電壓部分 a)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 矩陣式變頻器 u利用三相相電壓利用三相相電壓 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。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路73 q理論上所構(gòu)造的uu的頻率可不受 限制。 q但如uu必須為正弦波，則其最大 幅值僅為輸入相電壓ua幅值的倍。 a) b) c) U m U 1m U 2 3 U m 1 2 圖4-29 構(gòu)造輸出電壓時(shí)可利用的輸入電壓部分 a)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

50、矩陣式變頻器 u利用三相線電壓利用三相線電壓 用圖4-28a中第一行和第 二行的6個(gè)開(kāi)關(guān)共同作用 來(lái)構(gòu)造輸出線電壓uuv 。 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路74 q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。 q當(dāng)uuv必須為正弦波時(shí)， 最大幅值就可達(dá)到輸入 線電壓幅值的倍。 q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。 a) b) c) U m U 1m U 2 3 U m 1 2 圖4-29 構(gòu)造輸出電壓時(shí)可利用的輸入電壓部分 a)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 矩陣式變頻器 電力電子技術(shù)第

51、四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路75 u以相電壓輸出方式為例分析矩陣式 交交變頻電路的控制 q利用對(duì)開(kāi)關(guān)S11、 S12和S13的 控制構(gòu)造輸出電壓uu。 q為防止輸入電源短路，任何時(shí) 刻只能有一個(gè)開(kāi)關(guān)接通。 q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(kāi)路，任一時(shí)刻必須有一個(gè) 開(kāi)關(guān)接通。 圖4-28 矩陣式變頻器 矩陣式變頻器 電力電子技術(shù)第四版第4章交流電力控制 電路和交交變頻電路76 qu相輸出電壓uu和各相輸入 電壓的關(guān)系為 n n(4-25) q式中s11、s12和s13一個(gè) 開(kāi)關(guān)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)S11、 S12、 S13的導(dǎo)通占空比 n (4-26) cbau uuuu 13