第6章交流到交流變流電路ppt課件

1、電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)第第6 6章章 交流交流- -交流變流電路交流變流電路電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)第第6 6章章 交流交流- -交流變流電路交流變流電路. .引言引言 本章主要講述 交流-交流變流電路 把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路 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。 變頻電路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 通斷控制電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 6.1 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 原理原理兩個(gè)晶閘管反并兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘路中，通過對晶閘管的控制就可控制管的控

2、制就可控制交流電力。交流電力。 電路電路圖圖電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 6.1 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 運(yùn)用運(yùn)用 1 燈光控制如調(diào)光臺燈和舞臺燈燈光控制如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制光控制)。 2 異步電動機(jī)軟起動。異步電動機(jī)軟起動。 3 異步電動機(jī)調(diào)速。異步電動機(jī)調(diào)速。 4 供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調(diào)供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。節(jié)。 5 在高壓小電流或低壓大電流直流在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，電源中， 用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.1 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)1 電阻負(fù)載電阻負(fù)載wwwwROu1uoioVT1VT2

3、u1uoiouVTtOtOtOt圖6-1 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形 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。 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。 U0U1，隨a的增大，U0降低， a 時(shí)，U00。6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)2 阻感負(fù)載阻感負(fù)載 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。 設(shè)a =0時(shí)刻仍定為u1過零的時(shí)刻，阻感負(fù)載穩(wěn)態(tài)時(shí)a 的移相范圍應(yīng)為j a 。0.6Ou1u1uo

4、i ou VTwtOwtOwtwtOuG1uG2OOwtwt圖6-2 阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形 負(fù)載阻抗角： j = arctan(wL / R)VT16.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路q 020100601401802010060/( )180140a /( )j = 9075604530150圖6-3 單相交流調(diào)壓電路以為參變量的和a關(guān)系曲線 wt = a 時(shí)刻開通晶閘管VT1，可求得 （67）jqjajqatg)sin()sin(=e當(dāng) a = j 時(shí) = 當(dāng) a j 時(shí) 以j 為參變量，利用(67)可

5、把a(bǔ) 和 的關(guān)系表示成右圖。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路= 90 60180圖6-4 單相交流調(diào)壓電路為參變量時(shí)I VTN和a關(guān)系曲線j 0.40.516004012080 7545j = 0a /( )IVTN負(fù)載電流有效值 (6-10)IVT的標(biāo)么值 (6-11)12UZIIVTVTN=VTII20=電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路圖6-5 aj時(shí)阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形wtwtwtwt圖4-5aaaqOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2 當(dāng)阻感負(fù)載, a j 時(shí)電路工作情況動態(tài)過程 V

6、T1的導(dǎo)通時(shí)間超過。 觸發(fā)VT2時(shí)， io尚未過零， VT1仍導(dǎo)通， VT2不會導(dǎo)通。io過零后，VT2才可開通，VT2導(dǎo)通角小于。 衰減過程中， VT1導(dǎo)通時(shí)間漸短， VT2的導(dǎo)通時(shí)間漸長。 結(jié)論：阻感負(fù)載當(dāng)a j 時(shí)，其穩(wěn)態(tài)工作情況和a j 時(shí)完全相同。圖6-2 阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路由于波形正負(fù)半波對稱，所以不含直流分量和偶次諧波。 (6-12) 基波和各次諧波有效值 (6-13)負(fù)載電流基波和各次諧波有效值 (6-14) 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6-6所示。3 單相交流

7、調(diào)壓電路的諧波分析單相交流調(diào)壓電路的諧波分析=,5,3, 1o)sincos()(nnntnbtnatuwww電阻負(fù)載22on21nnbaU=RUI/onon=060120180圖4-6基波3次5次7次觸發(fā)延遲角a/( )In/I*/%20406080100圖6-6 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路 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。 隨著諧波次數(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。 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)載電力電子技術(shù)

8、電力電子技術(shù)6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路4 斬控式交流調(diào)壓電路斬控式交流調(diào)壓電路RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3用V1進(jìn)行斬波控制用V3給負(fù)載電流提供續(xù)流通道在交流電源u1的正半周圖6-7 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；工作原理與直流斬波電路相似。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路4 斬控式交流調(diào)壓電路斬控式交流調(diào)壓電路RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3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6-7 斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源u1的負(fù)半周電力電子技術(shù)電力

9、電子技術(shù)6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路圖68給出了電阻負(fù)載時(shí)斬控式交流調(diào)壓電路的負(fù)載電壓Uo和電源電流i1波形。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6-8 電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.1.2 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(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6-9 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)電力電子技術(shù)6.1.2 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路三相四線基

10、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任務(wù)?；ê?倍次以外的諧波在三相之間流動，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。1 星形聯(lián)結(jié)電路星形聯(lián)結(jié)電路 可分為三相三線和三相四線可分為三相三線和三相四線圖6-9 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.1.2 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路三相三線，主要分析電阻負(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 VT

11、6,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。圖6-9 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.1.2 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路(1)0a60：三管導(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6-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形a) a =30按以下三段范圍分別討論：電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.1.2 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路(2) 60 a 90：兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120。圖6-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形b) a =60電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.1.2 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路(3)90a1

12、50：兩管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通交替，導(dǎo)通角度為(3002 a)。圖6-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形 c) a =120電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.1.2 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(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，諧波含量越大。和單相交流調(diào)壓電路相比，沒有3倍次諧波，因三相對稱時(shí)，它們不能流過三相三線電路。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.1.2 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路2 支路控制三角聯(lián)結(jié)電路支路控制三角聯(lián)結(jié)電路由三個(gè)單相交流調(diào)壓電路由三個(gè)單相交流調(diào)壓電路組成，分別在不同的線組成，分別在不同的線電壓

13、作用下工作。電壓作用下工作。單相交流調(diào)壓電路的分單相交流調(diào)壓電路的分 析析方法和結(jié)論完全適用。方法和結(jié)論完全適用。輸入線電流即電源電流輸入線電流即電源電流為與該線相連的兩為與該線相連的兩 個(gè)負(fù)個(gè)負(fù)載相電流之和。載相電流之和。 圖69三相交流調(diào)壓電路c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.1.2 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路 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，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。圖69三相交流調(diào)壓電路c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.2 其

14、他交流電力控制電路其他交流電力控制電路電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路 交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同比較 相同點(diǎn) 電路形式完全相同 不同點(diǎn) 控制方式不同 交流調(diào)壓電路在每個(gè)電源周期都對輸出電壓波形進(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,再斷開幾個(gè)周期,通過通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路 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。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。M電源周期控制周期=M倍電源周期=24MO導(dǎo)通段

15、=2NM3M2Muou1uo,iowtU12圖6-11 交流調(diào)功電路典型波形(M =3、N =2)圖6-1電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路 諧波情況圖6-12的頻譜圖以控制周期為基準(zhǔn)）。In為n次諧波有效值， Ion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。相對于控制周期的諧波次數(shù)相對于電源頻率的倍數(shù)圖6-12交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(M =3、N =2)051234/012 142 4 610InI0m電

16、力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.2.2 交流電力電子開關(guān)交流電力電子開關(guān) 概念概念 把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機(jī)械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用。路中的機(jī)械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 響應(yīng)速度快，無觸點(diǎn)，壽命長，可頻繁控制響應(yīng)速度快，無觸點(diǎn)，壽命長，可頻繁控制通斷。通斷。 與交流調(diào)功電路的區(qū)別與交流調(diào)功電路的區(qū)別 并不控制電路的平均輸出功率。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。路的接通和斷開。 控制頻度通常比交流調(diào)功電路低得多?？刂祁l度通常

17、比交流調(diào)功電路低得多。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3 交交變頻電路交交變頻電路 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器 晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor) 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。 廣泛用于大功率交流電動機(jī)調(diào)速傳動系統(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)電力電子技術(shù)6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器1 電路構(gòu)成和基本工電路構(gòu)成和基本工作原理作原理電路構(gòu)成電路構(gòu)成如圖如圖6-13，由，由P組和組和N組反并聯(lián)的晶閘管組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，和變流電路構(gòu)成，和直流電動機(jī)可

18、逆調(diào)直流電動機(jī)可逆調(diào)速用的四象限變流速用的四象限變流電路完全相同。電路完全相同。變流器變流器P和和N都是相控都是相控整流電路。整流電路。圖6-13 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形ZPN輸出電壓平均輸出電壓圖4-18OuouoaP=0aP=2aP=2wt電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器工作原理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。圖6-13 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形ZPN輸

19、出電壓平均輸出電壓圖4-18OuouoaP=0aP=2aP=2wt電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對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。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器 2 整流與逆變工作狀整流與逆變工作狀態(tài)態(tài)阻感負(fù)載為例，也適用阻感負(fù)載為例，也適用于

20、交流電動機(jī)負(fù)載。于交流電動機(jī)負(fù)載。把交交變頻電路理想化，把交交變頻電路理想化，忽略變流電路換相時(shí)忽略變流電路換相時(shí)uo的脈動分量，就的脈動分量，就可把電路等效成圖可把電路等效成圖6-14a所示的正弦波交所示的正弦波交流電源和二極管的串流電源和二極管的串聯(lián)。聯(lián)。a)整流 逆變阻斷圖4-19b)PNttttt整流 逆變阻斷OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP圖6-14 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器設(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)

21、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4-19b)PNttttt整流 逆變阻斷OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP圖6-14 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器工作狀態(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)。a)整流 逆變阻斷圖4-19b)PNttttt整流 逆變阻斷OOOOOuo,iouoiot

22、1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP圖6-14 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器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)。小結(jié)：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。a)整流 逆變阻斷圖4-19b)PNttttt整流 逆變阻斷OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNu

23、oioiNiP圖6-14 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器 當(dāng)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，電動機(jī)工作在電動狀態(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，電動機(jī)為發(fā)電狀態(tài)。 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。1OO23456圖4-20uoiowtwt圖6-15 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 電流過零，為無環(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

24、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 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器 設(shè)Ud0為a = 0時(shí)整流電路的理想空載電壓，則有 (6-15) 交交變頻電路每次控制a角都是不同的。 表示每次控制間隔內(nèi)uo的平均值。acosd0oUu=0u圖4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4wtwt圖6-16 余弦交點(diǎn)法原理3 輸出正弦波電壓的調(diào)制方法余弦交點(diǎn)法輸出正弦波電壓的調(diào)制方法余弦交點(diǎn)法電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器設(shè)期望的正弦波輸出電壓為 (6-16）比較式(

25、4-15)和(4-16)，應(yīng)使 (6-17) g 稱為輸出電壓比：余弦交點(diǎn)法基本公式 (6-18)ttUUood0omsinsincoswwa=)10(0=domUUtUuoomosinw=圖6-16 余弦交點(diǎn)法原理圖4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4wtwt)sin(coso1twa=電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器余弦交點(diǎn)法圖解 (圖616)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)對應(yīng)于a =0。圖6-16 余弦交點(diǎn)法原理圖4-21u2u3u

26、4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4wtwt電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器u1u6所對應(yīng)的同步信號分別用us1us6表示u s 1 u s 6 比 相 應(yīng) 的u 1 u 6 超 前 3 0 ，us1us6的幅值和相應(yīng)線電壓在a =0的時(shí)刻對應(yīng)。以a =0作為零時(shí)刻，則us1us6為余弦信號。各晶閘管觸發(fā)時(shí)刻由相應(yīng)的同步電壓us1us6的下降段和期望的輸出電壓uo的交點(diǎn)來決定。圖6-16 余弦交點(diǎn)法原理圖4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4wtwt電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.1 單

27、相交交變頻器單相交交變頻器 圖617表示不同g 時(shí)，在uo一個(gè)周期內(nèi)， a 隨 w ot 變化的情況。 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。 = 0 = 0.1相位控制角a/( )輸出相位w 0 t圖4-2212015018030609000.91.02223圖6-17 不同g 時(shí)a和wot的關(guān)系)sin(sin2)sin(coso1o1ttwwa=電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器4 輸入輸出特性輸入輸出特性 1) 輸出上限頻率輸出上限頻率 輸出頻率增高時(shí)，輸出

28、電壓一周期內(nèi)所含輸出頻率增高時(shí)，輸出電壓一周期內(nèi)所含電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴(yán)重。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電壓波形畸變及其導(dǎo)致的電流波形畸變和轉(zhuǎn)矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因轉(zhuǎn)矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。素。就輸出波形畸變和輸出上限頻率的關(guān)系而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。言，很難確定一個(gè)明確的界限。當(dāng)采用當(dāng)采用6脈波三相橋式電路時(shí)，輸出上限脈波三相橋式電路時(shí)，輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/31/2。電網(wǎng)頻。電網(wǎng)頻率為率為50Hz時(shí)，交交變頻電路的輸出上限時(shí)，交交變頻電路的輸出上限頻

29、率約為頻率約為20Hz。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器0.8 0.6 0.4 0.2 0 =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4-2301.0圖6-18 單相交交變頻電路的功率因數(shù)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。輸出電壓比g 越小，半周期內(nèi)a的平均值越靠近90，位移因數(shù)越低。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。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.1 單相交交變頻

30、器單相交交變頻器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。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.1 單相交交變頻器單相交交變頻器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，各次諧波的幅值較可控整流電路的諧波幅值小。采用三相橋式電路的交交變頻電路輸入電流諧波頻率 (6-19) 和

31、 (6-20) 式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.2 三相交交變頻電路三相交交變頻電路 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)電力電子技術(shù)6.3.2 三相交交變頻電路三相交交變頻電路1公共交流母線進(jìn)線方式由三組彼此獨(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。

32、為此，交流電動機(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6-19 公共交流母線進(jìn)線三相交交變頻電路簡圖）電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.2 三相交交變頻電路三相交交變頻電路2) 輸出星形聯(lián)結(jié)方式圖6-20 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路a簡圖 b詳圖 三組的輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動機(jī)的三個(gè)繞組也是星形聯(lián)結(jié)。 電動機(jī)中點(diǎn)不和變頻器中點(diǎn)接在一起，電動機(jī)只引出三根線即可。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.2 三相交交變頻電路三相交交變頻電路圖6-20 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路a簡圖 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)

33、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。2) 輸出星形聯(lián)結(jié)方式電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.2 三相交交變頻電路三相交交變頻電路圖6-20 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路a簡圖 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。2) 輸出星形聯(lián)結(jié)方式電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.2 三相交交變頻電路三相交交變頻電路2 輸入輸出特性輸入輸出特性 輸入電流總輸入電流由三個(gè)單相的同一相(圖中為U相)輸入電流合成而得到。有些諧波相互

34、抵消，諧波種類有所減少，總的諧波幅值也有所降低。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。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.2 三相交交變頻電路三相交交變頻電路諧波頻率為 (6-21)和 (6-22)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。 U U200t/ms輸出電壓單相輸出時(shí)相輸入電流三相輸出時(shí)相輸入電流200t/ms200t/ms圖6-21 交交變頻電路的輸入電流波形電力電子技術(shù)電力電子技

35、術(shù)6.3.2 三相交交變頻電路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 (6-23)三相電路總的有功功率為三組單相有功功率之和。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，比三組單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。SPPPSPcba=電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.2 三相交交變頻電路三相交交變頻電路3 改善輸入功率因數(shù)和提高輸出電壓改善輸入功率因數(shù)和提高輸出電壓基本思路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。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在各相電壓中疊加同樣的直

36、流分量或3倍于輸出倍于輸出頻率的諧波分量，它們都不會在線電壓中反映頻率的諧波分量，它們都不會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。以使輸入功率因數(shù)得到改善并提高輸出電壓。直流偏置直流偏置負(fù)載電動機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，變頻器輸出電壓很低，負(fù)載電動機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，變頻器輸出電壓很低，各組橋式電路的各組橋式電路的a角都在角都在90附近，因此輸入功附近，因此輸入功率因數(shù)很低。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。將減小，

37、但變頻器輸出線電壓并不改變。既可改變變頻器的輸入功率因數(shù)，又不影響電動既可改變變頻器的輸入功率因數(shù)，又不影響電動機(jī)運(yùn)行。機(jī)運(yùn)行。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.2 三相交交變頻電路三相交交變頻電路交流偏置梯形波輸出控制方式圖427所示，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6-15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 。在同樣幅值的下，梯形波中的基波幅值可提高15%左右。梯形波控

38、制方式相當(dāng)于給相電壓中疊加了三次諧波，所以也稱為交流偏置。uAN的基波分量圖4-27uOtuABuANuBN圖6-22 梯形波控制方式的理想輸出電壓波形電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.2 三相交交變頻電路三相交交變頻電路交交變頻和交直交變頻的比較10章中將介紹間接變頻電路，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。交交變頻電路的優(yōu)點(diǎn)：交交變頻電路的缺點(diǎn)：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。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。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

39、弦波電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.3.2 三相交交變頻電路三相交交變頻電路 運(yùn)用運(yùn)用主要用于主要用于500kW500kW或或1000kW1000kW以上的大功率、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)主低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路中。目前已在軋機(jī)主傳動裝置、鼓風(fēng)機(jī)、礦石破碎機(jī)、球磨機(jī)、傳動裝置、鼓風(fēng)機(jī)、礦石破碎機(jī)、球磨機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等場合應(yīng)用。卷揚(yáng)機(jī)等場合應(yīng)用。既可用于異步電動機(jī)，也可用于同步電動既可用于異步電動機(jī)，也可用于同步電動機(jī)傳動。機(jī)傳動。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.4 矩陣式變頻器矩陣式變頻器 簡介： 是近年出現(xiàn)的一種新穎的變頻電路。 是直接變頻電路 ，采用的開關(guān)器件是全控型。 控制方

40、式是斬波控制。 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： 三相輸入電壓為ua、 ub和uc 三相輸出電壓為uu、 uv和uw圖6-23 矩陣式變頻器電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6.4 矩陣式變頻器矩陣式變頻器 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。圖6-23 矩陣式變頻器電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)輸出電壓為正弦波。輸出電壓為正弦波。輸出頻率不受電網(wǎng)頻率的限制。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。輸入電流也可控制為正弦波且和電

41、壓同相。功率因數(shù)為功率因數(shù)為1，也可控制為需要的功率因數(shù)。，也可控制為需要的功率因數(shù)。能量可雙向流動，適用于交流電動機(jī)的四象限能量可雙向流動，適用于交流電動機(jī)的四象限運(yùn)行。運(yùn)行。不通過中間直流環(huán)節(jié)而直接實(shí)現(xiàn)變頻，效率較不通過中間直流環(huán)節(jié)而直接實(shí)現(xiàn)變頻，效率較高。高。6.4 矩陣式變頻器矩陣式變頻器電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)矩陣式變頻電路的基本工作原理1單相輸入對單相交流電壓us進(jìn)行斬波控制，即進(jìn)行PWM控制時(shí)，輸出電壓uo為(6-24)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； 占空比。ssconouuTtu=ssconouuTtu=a)b)c)UmU1mU23Um12 圖6-24

42、 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1m6.4 矩陣式變頻器矩陣式變頻器電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)不同的開關(guān)周期中采用不同的 ，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6-24a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。2三相輸入（1用圖623a中第一行的3個(gè)開關(guān)共同作用來構(gòu)造輸出相電壓uu 。 ssconouuTtu=a)b)c)UmU1mU23Um12 圖6-24 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

43、電壓 c) 三相輸出構(gòu)造輸出線電壓1m6.4 矩陣式變頻器矩陣式變頻器電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)可利用圖6-24b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。（2用圖6-23a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 。ssconouuTtu=a)b)c)UmU1mU23Um12 圖6-24 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1m6.4 矩陣式變頻器矩陣式變頻器電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 可利用圖6-24c中

44、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。 這也是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。ssconouuTtu=a)b)c)UmU1mU23Um12 圖6-24 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1m6.4 矩陣式變頻器矩陣式變頻器電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 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

45、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。圖6-23 矩陣式變頻器6.4 矩陣式變頻器矩陣式變頻器電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)u相輸出電壓uu和各相輸入電壓的關(guān)系為 (6-25)式 中 1 1 、 1 2 和 13一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)S11、 S12、S13的導(dǎo)通占空比 (6-26)cbauuuuu131211=1131211=圖6-23 矩陣式變頻器6.4 矩陣式變頻器矩陣式變頻器電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 用同樣的方法控制圖中第2，3行的各開關(guān)，得到類似于式 (6-25)的表達(dá)式。合寫成矩陣的形式 （627） 可縮寫為 uo=s ui （628s 稱為調(diào)制矩陣=cbawvuuuuuuu333231232221131211圖6-23 矩陣式變頻器6.4 矩陣式變頻器矩陣式變頻器電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 矩陣式變頻電路確定后，輸入電流和輸出電流的關(guān)系也確定了。 (6-29) 縮寫形式 ii