ACAC變換電路課件

1、第六章 AC-AC變換電路第五節(jié) 矩陣變換器第四節(jié) 交-交變頻電路第三節(jié) 三相交流調(diào)壓電路第二節(jié) 單相交流調(diào)壓電路第一節(jié) 交流開關及應用引言第六節(jié) 單相交流調(diào)壓電路的仿真1第1頁，共108頁。引 言交-交變流電路：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；1. 交流調(diào)壓電路相位控制（或斬控式）；2. 交流調(diào)功電路及交流無觸點開關通斷控制。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2. 矩陣式

2、變頻電路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。2第2頁，共108頁。內(nèi)容提要與目的要求掌握交流調(diào)壓器的基本類型、用途和電路，簡要分析單、三相交流調(diào)壓電路.理解和掌握交流斬波調(diào)壓的原理與基本性能，掌握交交變頻電路（周波變換器）的原理及電路，分析其優(yōu)缺點。重點：交交變頻電路（周波變流器）的原理及電路3第3頁，共108頁。第一節(jié) 交流開關及應用一、交流電力電子開關交流開關及應用二、交流調(diào)功電路4第4頁，共108頁。一、交流電力電子開關將晶閘管反并聯(lián)串入交流電路如圖6-1所示，代替電路中的機械開關，起接通和斷開電路的作用，稱為交流電力電子開關，也稱為

3、無觸點開關。與機械開關比，它具有開關響應速度快，無觸點（無電弧火花），壽命長，可頻繁控制通斷的優(yōu)點。當觸發(fā)信號送至晶閘管時可使電路在一個周期的任何時刻接通，但采用相位控制觸發(fā)方式，會使電路中的正弦波出現(xiàn)缺角，而含較大的高次皆波。所以常用的是過零觸發(fā)，即晶閘管在電壓為零或零附近的瞬間接通，利用電流小于維持電流關斷，這時開關對外界的電磁干擾最小。5第5頁，共108頁。將電力電子開關（多為雙向晶閘管）和其控制電路封裝在一起構(gòu)成無觸點通斷組件稱為固態(tài)開關（Solid State Suitch）,簡稱SSS，它包括固態(tài)繼電器（Solid State Relay，SSR）和固態(tài)接觸器（Solid Stat

4、e Cantactor，SSC）。固態(tài)開關一般采用環(huán)氧樹脂封裝，具有體積小，工作頻率高的特點，適用于頻繁操作或有腐蝕性易燃，多粉塵的場合。6第6頁，共108頁。二、交流調(diào)功電路交流調(diào)動電路的形式和圖6-1相同，控制方式也是通斷控制，不過其控制目的是為了控制電路的平均輸出功率。而交流電力電子開關并不去控制電路的平均輸出功率，通常也沒有明確的控制周期，交流電力電子開關只是根據(jù)需要接通或斷開電路。7第7頁，共108頁。交流調(diào)動電路將負載和交流電源接通幾個整周期，再斷開幾個整周期，通過改變接通周期數(shù)和斷開周期數(shù)的比例來調(diào)節(jié)負載上的平均功率通?？刂凭чl管的導通時刻都是在電源電壓過零的時刻，這樣，在交流電

5、源接通期間，負載電壓為正弦波，不會對電網(wǎng)電壓造成諧波污染。圖6-2為交流調(diào)功電路的典型波形，設控制固期為M倍的電源周期，其中晶閘管在前N個周期導通，在后M-N個周期關斷。 8第8頁，共108頁。第二節(jié) 單相交流調(diào)壓電路1一、電阻負載2二、阻感負載3三、單相交流調(diào)壓電路的諧波分析4四、斬控式交流調(diào)壓電路9第9頁，共108頁。交流電力控制電路的結(jié)構(gòu)及類型兩個晶閘管反并聯(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；交流電力電子開關并不著意調(diào)節(jié)輸出平

6、均功率，而只是根據(jù)需要接通或斷開電路。10第10頁，共108頁。交流調(diào)壓電路的應用：燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制）；異步電動機軟起動；異步電動機調(diào)速；供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(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。11第11頁，共108頁。一、電阻負載1.工作原理：在 u1的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的開通角a進行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓；正負半周a 起始時刻（a =0）均為電壓過零時刻，穩(wěn)態(tài)時，正負半周的a 相等；負載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負載電流（也即電源電流）和負載電壓的波形相同。圖6-3 電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形 12第12頁

7、，共108頁。2.數(shù)量關系 負載電壓有效值(6-1) 負載電流有效值： (6-2) 晶閘管電流有效值(6-3)： 功率因數(shù)(6-4)：圖6-3 電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形13第13頁，共108頁。輸出電壓與 的關系:移相范圍為0 。 =0時，輸出電壓為最大， Uo=U1。隨a的增大，Uo降低， =時， Uo =0。與 的關系： - =0時，功率因數(shù)=1， 增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低。14第14頁，共108頁。1、工作原理阻感負載時的移相范圍 負載阻抗角： = arctan(L / R) 晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時負載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為 ； 在用晶閘管控制時，只能進行滯

8、后控制，使負載電流更為滯后，而無法使其超前； =0時刻仍定為u1過零的時刻， 的移相范圍應為 。圖6-4 阻感負載單相交流調(diào)壓電路及其波形二、阻感負載 15第15頁，共108頁。阻感負載時的工作過程分析在t= a時刻開通VT1，負載電流滿足 (6-5)解方程得(6-6)式中 ,為晶閘管導通角利用邊界條件：t = a +時io =0,可求得： (6-7) VT2導通時，上述關系完全相同，只是io極性相反，相位差180圖6-8 單相交流調(diào)壓電路以a為參變量的和a關系曲線16第16頁，共108頁。確定其移相范圍： 此時 ， 則 。由此可知正負半波電流斷續(xù)，且愈大，愈小，波形斷續(xù)愈嚴重，但此時交流電壓

9、可調(diào)。其波形如圖6-4所示 。= 此時 ， 則 。由此可知正負半波電流臨界連續(xù)，負載上獲得最大功率。波形如圖6-5所示。 17第17頁，共108頁。 此時 ， 則 。這種情況下設在t= 時刻觸發(fā)VT1，則VT1的導通時刻超過。到 t=+時刻觸發(fā)VT2時，由于負載電流i0尚未到零，VT1仍導通，VT2承受反壓不能導通。等VT1中電流變?yōu)榱愣P斷，若觸發(fā)脈沖為窄脈沖，雖然此時VT2開始承受正向電壓，由于ug2脈中已消失，所以VT2無法導通。第三個半周ug1又觸發(fā)VT1管，這樣負載電流只有正半波，電流出現(xiàn)很大的直流分量，電路不能正常工作。波形如圖6-6所示，這樣在 時，晶閘管不能用窄脈沖觸發(fā)，而應采

10、用寬脈沖或脈沖列。18第18頁，共108頁。這樣VT2在VT1關斷后仍能導通，不過剛開始時兩管的電流波形不對稱但是在指數(shù)分量的衰減過程中VT1的導通時間逐漸縮短，VT2的導通時間逐漸延長，當指數(shù)分量衰減到零后，VT1和VT2的導通時間均趨近到，其穩(wěn)態(tài)工作情況和 時完全相同，寬脈沖時波形如圖6-7所示。綜合分析可知：單相交流調(diào)壓電路帶阻感性負載時角夠相范圍為。 19第19頁，共108頁。2.參數(shù)計算負載電壓有效值 (6-8)晶閘管電流有效值 (6-9)20第20頁，共108頁。負載電流有效值 (6-10) IVT的標么值 (6-11)圖6-9 單相交流調(diào)壓電路a為參變量時IVTN和a關系曲線21

11、第21頁，共108頁。電阻負載的情況波形正負半波對稱，所以不含直流分量和偶次諧波 (6-12)式中 三、單相交流調(diào)壓電路的諧波分析 22第22頁，共108頁。 (n=3,5,7,) (n=3,5,7,)基波和各次諧波有效值 (n=1,3,5,7,) (6-13)負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么值隨 a變化的曲線（基準電流為a =0時的有效值）如圖6-10所示圖6-10 電阻負載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量23第23頁，共108頁。阻感負載的情況電流諧波次數(shù)和電阻負載時相同，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載時相比，阻感負載時的諧

12、波電流含量少一些 角相同時，隨著阻抗角j 的增大，諧波含量有所減少24第24頁，共108頁。一般采用全控型器件作為開關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進行斬波控制，V3提供續(xù)流通道u1負半周，用V2進行斬波控制，V4提供續(xù)流通道設斬波器件（V1或V2）導通時間為ton，開關周期為T，則導通比 = ton/T，改變 可調(diào)節(jié)輸出電壓四、斬控式交流調(diào)壓電路 25第25頁，共108頁。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，只含和開關周期T有關的高次諧波功率因數(shù)接近1圖6-11 斬控式交流調(diào)壓電路圖6-12 電阻負載斬控式交流調(diào)壓電路波

13、形26第26頁，共108頁。二、三相三線式聯(lián)結(jié)一、三相四線式星形聯(lián)結(jié)三、三相交流調(diào)壓電路的主要技術指標和電路特點比較 第三節(jié) 三相交流調(diào)壓電路一二三27第27頁，共108頁。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6-13 三相交流調(diào)壓電路 28第28頁，共108頁。 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（如圖6-13（a）所示 ）基本原理：相當于三個單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯開120工作?；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。=90時，零線電流甚至和各相電流的有效值接近應用：

14、在選擇線徑和電源變壓器時應考慮這一問題。一般大容量設備不采用這種電路。一、三相四線式星形聯(lián)結(jié)29第29頁，共108頁。 三相三線，電阻負載時的情況（電路如圖6-13（b）(c)所示 ）因為沒有零線，要構(gòu)成回路必須有兩相同時導通，與三相全控整流電路一樣應采用寬脈沖或雙窄脈沖觸發(fā)；同一相上兩個反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)脈沖相180 ；三相上同向的晶閘管觸發(fā)脈沖彼此相差120 ；觸發(fā)脈沖順序為VT1 VT0，依次相差600 ；觸發(fā)脈中的上范圍0 150。二、三相三線式聯(lián)結(jié)30第30頁，共108頁。根據(jù)晶閘管導通情況以及電流是否連續(xù)可將0150的移相范圍分為以下幾種情況： (1)0 60：三管導通與兩管導通交替

15、，每管導通180 。但 =0時一直是三管導通(2)60 90：兩管導通，每管導通120(3)90 150：兩管導通與無晶閘管導通交替，導通角度為3002 圖6-14 不同a角時負載相電壓波形a) a =30 b) a =60 c) a =12031第31頁，共108頁。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，因三相對稱時，它們不能流過三相三線電路32第32頁，共108頁。支路控制三角聯(lián)結(jié)電路由三個單相交流調(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

16、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負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，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))在相同負載和a角時，線電流中諧波含量少于三相三線星形電路33第33頁，共108頁。三、三相交流調(diào)壓電路的主要技術指標和電路特點比較六種廠相交流調(diào)壓電路的主要技術指標和電路特點的比較，在實際應用中應根據(jù)負載的性能要求進行選擇。 電路晶閘管最大峰值電壓晶閘管電流平均值移相范圍線路性能特點a圖0.45I1001800零線電流大，大容量設備不采用b圖c圖0.45I1001500負載可星形或廠角形接皆波分量小d圖0.26I

17、1001800負載應分得開，適用于大電流場合e圖0.26I1001500負載應分得開f圖0.675I1002100線路簡單，成本低，負載應分得開34第34頁，共108頁。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，稱為靜止無功補償裝置(Static Var CampensatorSVC），用來對無功功率進行動態(tài)補償，以補償電壓波動或閃變35第35頁，共108頁。圖6-00 晶閘管控制電抗器(TCR)電路圖6-01 T

18、CR電路負載相電流和輸入線電流波形a) a=120 b) a=135 c) a=16036第36頁，共108頁。第四節(jié) 交-交變頻電路1一、單相交-交變頻電路2二、三相交-交變頻電路3三、交-交變頻器與交-直-交變頻器比較37第37頁，共108頁。本節(jié)講述：晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor)交交變頻電路直接將一種頻率的交流電變成另一種頻率或可調(diào)頻率的交流電，不通過中間直流環(huán)節(jié)，屬于直接變頻電路廣泛用于大功率交流電動機調(diào)速傳動系統(tǒng)，實用的主要是三相輸出交交變頻電路。交-交變頻電路根據(jù)控制角的不同規(guī)律，其輸出可獲得正弦波、矩形波或梯形波，這里主要介紹正弦波交-交變頻

19、器。38第38頁，共108頁。一、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6-15，由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，和直流電動機可逆調(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6-15 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形39第39頁，共108頁。工作原理P組工作時，負載電流io為正；N組工作時，io為負；兩組變流器按一定的頻率交替工作，負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；為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對a角進行調(diào)制。在半個周期內(nèi)讓P組a 角按正弦規(guī)律從90減

20、到0或某個值，再增加到90，每個控制間隔內(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。另外半個周期可對N組進行同樣的控制；uo由若干段電源電壓拼接而成，在uo的一個周期內(nèi)，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波。40第40頁，共108頁。整流與逆變工作狀態(tài)阻感負載為例把交交變頻電路理想化，忽略變流電路換相時uo的脈動分量，就可把電路等效成圖6-16a所示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)設負載阻抗角為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，封鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖41第41頁，共108頁。圖6-16 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀

21、態(tài) 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42第42頁，共108頁。 t3 t5期間： io負半周，反組工作，正組被封鎖 t3 t4 ：uo和io均為負，反組整流，輸出功率為正 t4 t5 ： uo反向， io仍為負，反組逆變，輸出功率為負 哪一組工作由io方向決定，與uo極性無關 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6-16 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)43第43頁，共108頁。 介紹最基本的、廣泛使用的余弦交點法

22、設Ud0為 = 0時整流電路的理想空載電壓，則有 (6-15)每次控制時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 (6-16) 比較式(6-15)和(6-16)，應使 (6-17) 稱為輸出電壓比：2輸出正弦波電壓的調(diào)制方法44第44頁，共108頁。余弦交點法基本公式 (6-18)余弦交點法圖解線電壓uab、 uac 、 ubc 、 uba 、 uca和ucb依次用u1 u6表示相鄰兩個線電壓的交點對應于a=0圖6-17 余弦交點法原理45第45頁，共108頁。u1u6所對應的同步信號分別用us1us6表示us1us6比相應的u1u6超前30，us1us6的最大值

23、和相應線電壓a=0的時刻對應以a=0為零時刻，則us1us6為余弦信號希望輸出電壓為uo，則各晶閘管觸發(fā)時刻由相應的同步電壓us1us6的下降段和uo的交點來決定圖6-17 余弦交點法原理46第46頁，共108頁。不同g 時，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，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6-18 不同g時a和wot的關系47第47頁，共108頁。二、三相交-交變頻電路 交交變頻電路主要應用于大功率交流電機調(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

24、線方式和輸出星形聯(lián)結(jié)方式。48第48頁，共108頁。1) 公共交流母線進線方式（圖6-19）由三組彼此獨立的、輸出電壓相位相互錯開120的單相交交變頻電路構(gòu)成電源進線通過進線電抗器接在公共的交流母線上因為電源進線端公用，所以三組的輸出端必須隔離。為此，交流電動機的三個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 公共交流母線進線三相交交變頻電路（簡圖）49第49頁，共108頁。2) 輸出星形聯(lián)結(jié)方式（圖6-20）三組的輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動機的三個繞組也是星形聯(lián)結(jié)電動機中點不和變頻器中點接在一起，電動機只引出三根線即可圖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50

25、第50頁，共108頁。因為三組的輸出聯(lián)接在一起，其電源進線必須隔離，因此分別用三個變壓器供電；由于輸出端中點不和負載中點相聯(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晶閘管同時導通才能構(gòu)成回路，形成電流；和整流電路一樣，同一組橋內(nèi)的兩個晶閘管靠雙觸發(fā)脈沖保證同時導通；兩組橋之間則是靠各自的觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，以保證同時導通。51第51頁，共108頁。（1）輸出上限頻率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。一般認為，變流電路采用三相橋式電路時，其輸出頻率不高于電網(wǎng)頻率的1312。電網(wǎng)頻率為50HZ時，交交變頻電路的輸出頻率約為20HZ。 輸入

26、電流總輸入電流由三個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 式中，k =1,2,3,；l =0,1,2,。2輸入輸出特性52第52頁，共108頁。（2）輸入功率因數(shù)三相總輸入功率因數(shù)應為 (6-19)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，而應由總輸入電流有效值和輸入電壓有效值來計算，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53第53頁，共108頁。 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

27、分量，它們都不會在線電壓中反映出來，因而也加不到負載上。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。直流偏置負載電動機低速運行時，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54第54頁，共108頁。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為橋式電路較長時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%左右圖示正弦波輸出控制方式中，最大輸

28、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%左右梯形波控制方式的理想輸出電壓波形55第55頁，共108頁。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：只用一次變流，效率較高可方便地實現(xiàn)四象限工作低頻輸出波形接近正弦波缺點是：接線復雜，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，頻譜復雜三、交-交變頻器與交-直-交變頻器比較 56第56頁，共108頁。表6-2 交-交變頻器和交-直-交變

29、頻器的性能比較 交-交變頻器交-直-交變頻器換能形式一次換流，效率較高兩次換流，效率較低換流方式電網(wǎng)換流強迫換流或負載換流元件數(shù)量元件數(shù)量較多，三相橋式變流電路組成的三相交交變頻器至少36個晶閘管元件數(shù)量較少調(diào)頻范圍一般情況下，輸出最高頻率為電網(wǎng)頻率1/31/2頻率調(diào)節(jié)范圍寬功率因素低用可控整流調(diào)壓時，功率因素低；用斬波器或PWM方式調(diào)壓時，功率因素高場合主要用于500kw或1000kw 以上，轉(zhuǎn)速在600r/min以下的低速大功率場合可用于各種電力拖動裝置CVCF電源，UPS等57第57頁，共108頁。應用主要用于500kW或1000kW以下的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路中。目前已在軋機主傳

30、動裝置、鼓風機、礦石破碎機、球磨機、卷揚機等場合應用既可用于異步電動機，也可用于同步電動機傳動58第58頁，共108頁。第五節(jié) 矩陣變換器一、矩陣變換器的電路拓撲結(jié)構(gòu)二、矩陣變換器的工作原理矩陣變換器59第59頁，共108頁。直接變頻電路所用開關器件是全控型的控制方式不是相控方式而是斬控方式這種電路稱為矩陣變換器（Matrix Converter）也稱為陣列型換流器，它是一種具有優(yōu)良的輸入輸出特性的新型交交變換器。矩陣變換器是一種“廣義變換器”，在同一矩陣變換器上，通過采用不同的控制算法，可以實現(xiàn)整流器、逆變器、斬波器的功能。 60第60頁，共108頁。一、矩陣變換器的電路拓撲結(jié)構(gòu)矩陣變換器的

31、功率開關 必須是雙向開關，目前功率雙向開關都是 采用單向功率器件（例如IGBT、 GTO、電力MOSFET）， 通過串并聯(lián)組合而成。拓撲結(jié)構(gòu) 圖6-21a所示 三相輸入電壓為ua、 ub和uc 圖6-21 三相輸出電壓為uu、 uv和uw 9個開關器件組成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 圖中每個開關都是矩陣中的一個元素，采用雙向可控開關，圖6-21b給出了應用較多的一種開關單元。61第61頁，共108頁。優(yōu)點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

32、向流動，適用于交流電動機的四象限運行不通過中間直流環(huán)節(jié)而直接實現(xiàn)變頻，效率較高62第62頁，共108頁。利用單相輸入對單相交流電壓us進行斬波控制，即進行PWM控制時，輸出電壓uo為(6-20)式中，Tc開關周期；ton 一個開關周期內(nèi)開關導通時間；s 占空比不同的開關周期中采用不同的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6-22a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。二、矩陣變換器的工作原理 63第63頁，共108頁。利用三相相電壓把輸入改為三相，就可利用圖6-22b所示的三相相電壓包絡線中所有的陰影

33、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6-21a中第一行和第二行的6個開關共同作用來構(gòu)造輸出線電壓uuv 64第64頁，共108頁?？衫脠D6-22c中6個線電壓包絡線中所有的陰影部分當uuv必須為正弦波時，最大幅值就可達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6-22 構(gòu)造輸出電壓時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65第65頁，共108頁。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S11、

34、S12和S13的控制構(gòu)造輸出電壓uu為防止輸入電源短路，任何時刻只能有一個開關接通負載一般是阻感負載，負載電流具有電流源性質(zhì)，為使負載不開路，任一時刻必須有一個開關接通u相輸出電壓uu和各相輸入電壓的關系為 (4-25) 式中s11、s12和s13一個開關周期內(nèi)開關S11、 S12、S13的導通占空比 (4-26)66第66頁，共108頁。對于三相有 (6-27)可縮寫為 uo=s ui 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的關系也就確定了(6-28)式中，ii io是矩陣式變頻電路的基本輸入輸出關系式67第67頁，

35、共108頁。對實際系統(tǒng)來說，輸入電壓和所需要的輸出電流是已知的。設為 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 相應于輸出頻率的負載阻抗角。 68第68頁，共108頁。變頻電路希望的輸出電壓和輸入電流分別為 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69第69頁，共108頁。當期望的輸入功率因數(shù)為1時，ji =0?？傻?如能求得滿足上式的s，就可得到希望的輸出電壓和輸入電流ssT70第70頁，共108頁。要使矩陣式變頻電路能夠很好地工作，需解決的兩個基本問題如何求取理想的調(diào)制矩陣s開關切換時如何實現(xiàn)既無交疊

36、又無死區(qū) 現(xiàn)狀尚未進入實用化，主要原因：所用的開關器件為18個，電路結(jié)構(gòu)較復雜，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，用于交流電機調(diào)速時輸出電壓偏低 71第71頁，共108頁。十分突出的優(yōu)點：有十分理想的電氣性能和目前廣泛應用的交直交變頻電路相比，雖多用了6個開關器件，卻省去了直流側(cè)大電容，將使體積減小，且容易實現(xiàn)集成化和功率模塊化。在器件制造技術飛速進步和計算機技術日新月異的今天，矩陣式變頻電路將有很好的發(fā)展前景72第72頁，共108頁。第六節(jié) 單相交流調(diào)壓電路的仿真交流調(diào)壓線路有采用晶閘管器件的相位控制和采用全控元件的PWM控制兩種方式，這里主要介紹晶閘管控制的交流

37、調(diào)壓電路。PWM控制的交流調(diào)壓仿真在前節(jié)介紹的直流-直流變流仿真基礎上很容易實現(xiàn)。73第73頁，共108頁。由晶閘管控制的單相交流調(diào)壓電路如圖6-23所示。反并聯(lián)連接的晶閘管VT1和VT2組成了交流雙向開關，在交流輸入電壓的正半周，VT1導通，在交流輸入電壓的負半周，VT2導通，控制晶閘管的導通時刻，可以調(diào)節(jié)負載兩端的電壓。單相交流電壓電路的仿真模型如圖6-24所示。模型由交流電源、反并聯(lián)晶閘管模塊（VT1、2）、觸發(fā)模塊（pulse1、2）、阻感負載（RL）和觀測示波器組成。其中雙向晶閘管開關模塊由分支電路組成，如圖中虛線框內(nèi)所示。 74第74頁，共108頁。交流調(diào)壓晶閘管控制角的移相范圍是

38、180， 0的位置定在電源電壓過零的時刻。在阻感負載時按控制角與負載阻抗角 的關系，電路有兩種工作狀態(tài)。1180時調(diào)壓器輸出電壓和電流的正負半周是不連續(xù)的，在這范圍內(nèi)調(diào)節(jié)控制角，負載的電壓和電流將隨之變化。 75第75頁，共108頁。2 0 時調(diào)壓器輸出處于失控狀態(tài)，即雖然控制角變化，但負載電壓不變，且是與電源電壓相同的完整正弦波。這是因為阻感負載電流滯后于電壓，因此如果控制角較小，在一個晶閘管電流尚未下降到零前，另一個晶閘管可能已經(jīng)觸發(fā)（但不導通），一旦電流下降到零，如果另一個晶閘管的觸發(fā)脈沖還存在，則該晶閘管立即導通，使負載上的電壓成為連續(xù)的正弦波，出現(xiàn)失控現(xiàn)象。正因為如此交流調(diào)壓器晶閘管

39、必須采用后沿固定在的寬脈沖觸發(fā)方式，以保證晶閘管能正常觸發(fā)。根據(jù)以上要求設計的交流調(diào)壓觸發(fā)器觸發(fā)電路如圖6-25a所示。76第76頁，共108頁。交流調(diào)壓器的觸發(fā)電路由同步、鋸齒波形成和移相控制等環(huán)節(jié)組成。電路的輸入端In1是同步電壓輸入端，同步電壓經(jīng)延遲Relay環(huán)節(jié)產(chǎn)生與同步電壓正半周等寬的方波，該方波經(jīng)斜率設定產(chǎn)生鋸齒波，鋸齒波與移相控制電壓（輸入端In2）疊加調(diào)節(jié)鋸齒波的過零點，在經(jīng)延遲產(chǎn)生前沿可調(diào)，后沿固定的晶閘管觸發(fā)脈沖，觸發(fā)電路各部分的輸出波形如圖6-25b所示。波形從上至下分別是同步信號、半周等寬方波、鋸齒波、疊加移相控制和出發(fā)信號。觸發(fā)電路的下半部分用于產(chǎn)生負半周晶閘管的觸發(fā)

40、脈沖。 77第77頁，共108頁?，F(xiàn)利用圖6-24的模型分別在和的情況下對交流調(diào)壓器進行仿真，負載為R1，L10mH。模塊設置參數(shù)見表2，移相控制電壓可在之間任意調(diào)節(jié)。 模塊電源uinRelay Relay2Rate Limiter Rate Limiter1Relay1 Relay3參數(shù)設置220VSwitch On pointepsRising slew rate1000Switch On pointeps50HzSwitch Off pointepsFallingslew rate-1e8Switch Off pointepsOutput when on10Output when on1Output when off0Output when off078第78頁，共108頁。仿真結(jié)果如圖6-26所示，圖6-26a所示的為移相控制電壓Uct5V時的調(diào)壓器輸出電壓、電流波形。由于晶閘管的斬波作用并且控制角較大。輸出電壓、電流波形的正負半周是不連續(xù)的，使輸出電壓有效值減小，實現(xiàn)了對交流電壓的調(diào)節(jié)。圖6-26b所示為