交流電力控制電路和交交

交流電力控制電路和交交第一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-2

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。交流調壓電路相位控制交流調功電路通斷控制第4章交流電力控制電路和交交變頻電路第二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-34.1

交流調壓電路

原理兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可控制交流電力。

電路圖第三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-4

應用

1燈光控制（如調光臺燈和舞臺燈光控制)。

2異步電動機軟起動。

3異步電動機調速。

4供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調節(jié)。

5在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調節(jié)變壓器一次電壓。4.1

交流調壓電路第四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-5

4.1.1

單相交流調壓電路

4.1.2

三相交流調壓電路4.1

交流調壓電路第五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-6Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt4.1.1單相交流調壓電路1)

電阻負載圖4-1

電阻負載單相交流調壓電路及其波形

輸出電壓與α的關系:

移相范圍為0≤a

≤π。

a

=0時，輸出電壓為最大。Uo=U1,隨a

的增大，Uo降低，a

=π時，Uo=0。λ與a的關系:

a=0時，功率因數(shù)λ=1，a增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，λ降低。第六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-7

若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時負載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為j，當用晶閘管控制時，只能進行滯后控制，使負載電流更為滯后。a

=0時刻仍定為u1過零的時刻，a的移相范圍應為j

≤a

≤π。1)

阻感負載0.6Ou1

u1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1

G1uG2OOwtwt圖4-2

電阻負載單相交流調壓電路及其波形

負載阻抗角：

j

=arctan(wL

/R)VT14.1.1單相交流調壓電路第七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-8q020100601401802010060/(°)180140a/(°)j=90°75°60°45°30°15°0°圖4-3單相交流調壓電路以a為參變量的θ和a關系曲線

wt=a

時刻開通晶閘管VT1，可求得θ

（4－7）當a=j

時θ=π當a>j

時θ<π以j

為參變量，利用（4－7)可把a和θ的關系表示成右圖。4.1.1單相交流調壓電路第八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-9圖4-4單相交流調壓電路a為參變量時IVTN和a關系曲線j

=90°0.10.20.30.40.51601800401208075°60°45°j

=0a/(°)IVTN負載電流有效值(4-10)IVT的標么值(4-11)4.1.1單相交流調壓電路第九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-10圖4-5a<j時阻感負載交流調壓電路工作波形當阻感負載,a

<j時電路工作情況。圖4-2阻感負載單相交流調壓電路VT1的導通時間超過π。觸發(fā)VT2時，

io尚未過零，VT1仍導通，VT2不會導通。io過零后，VT2才可開通，VT2導通角小于π。衰減過程中，VT1導通時間漸短，VT2的導通時間漸長。4.1.1單相交流調壓電路第十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-113)單相交流調壓電路的諧波分析

電阻負載由于波形正負半波對稱，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么值隨a變化的曲線（基準電流為a=0時的有效值）如圖4-6所示。圖4-6電阻負載單相交流調壓電路基波和諧波電流含量4.1.1單相交流調壓電路第十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-12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，阻感負載時的諧波電流含量少一些。當a角相同時，隨著阻抗角j的增大，諧波含量有所減少。阻感負載4.1.1單相交流調壓電路第十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-134)

斬控式交流調壓電路在交流電源u1的正半周圖4-7斬控式交流調壓電路4.1.1單相交流調壓電路用V1進行斬波控制用V3給負載電流提供續(xù)流通道第十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-14用V2進行斬波控制用V4給負載電流提供續(xù)流通道圖4-7斬控式交流調壓電路4)

斬控式交流調壓電路在交流電源u1的負半周4.1.1單相交流調壓電路第十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-15

特性圖4-8電阻負載斬控式交流調壓電路波形4.1.1單相交流調壓電路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。第十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-164.1.2三相交流調壓電路根據三相聯(lián)結形式的不同，三相交流調壓電路具有多種形式圖4-9三相交流調壓電路a)星形聯(lián)結b)線路控制三角形聯(lián)結c)支路控制三角形聯(lián)結d)中點控制三角形聯(lián)結第十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-17三線四相基本原理：相當于三個單相交流調壓電路的組合，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。a=90°時，零線電流甚至和各相電流的有效值接近。1)星形聯(lián)結電路

可分為三線三相和三線四相圖4-9三相交流調壓電路a)星形聯(lián)結4.1.2三相交流調壓電路第十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-18三相三線，主要分析阻負載時的情況圖4-9三相交流調壓電路a)星形聯(lián)結4.1.2三相交流調壓電路任一相導通須和另一相構成回路。電流通路中至少有兩個晶閘管，應采用雙脈沖或寬脈沖觸發(fā)。觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣，為VT1~VT6,依次相差60°。相電壓過零點定為a的起點，a角移相范圍是0°~150°。第十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-19(1)0°≤a<60°：三管導通與兩管導通交替，每管導通180°－a

。但a=0°時一直是三管導通。圖4-10不同a角時負載相電壓波形a)a=30°4.1.2三相交流調壓電路第十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-2060°≤a<90°：兩管導通，每管導通120°。(2)圖4-10不同a角時負載相電壓波形b)a

=60°4.1.2三相交流調壓電路第二十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-21(3)90°≤a<150°：兩管導通與無晶閘管導通交替，導通角度為300°－2a。圖4-10不同a角時負載相電壓波形

c)a=120°4.1.2三相交流調壓電路第二十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-22諧波情況4.1.2三相交流調壓電路電流諧波次數(shù)為6k±1(k=1，2，3，…)，和三相橋式全控整流電路交流側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。第二十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-232）

支路控制三角聯(lián)結電路

圖4－9三相交流調壓電路c)支路控制三角形聯(lián)結4.1.2三相交流調壓電路由三個單相交流調壓電路組成，分別在不同的線電壓作用下工作。單相交流調壓電路的分析方法和結論完全適用。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。第二十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-24

諧波情況c)支路控制三角形聯(lián)結圖4－9三相交流調壓電路4.1.2三相交流調壓電路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6k±1(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。第二十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-25典型用例——晶閘管控制電抗器（ThyristorControlledReactor—TCR）

配以固定電容器，就可在從容性到感性的范圍內連續(xù)調節(jié)無功功率，稱為靜止無功補償裝置(StaticVarCampensator—SVC），用來對無功功率進行動態(tài)補償，以補償電壓波動或閃變。圖4-11晶閘管控制電抗器(TCR)電路4.1.2三相交流調壓電路a移相范圍為90°~180°。控制a角可連續(xù)調節(jié)流過電抗器的電流，從而調節(jié)無功功率。第二十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-26圖4-11晶閘管控制電抗器(TCR)電路a)b)c)圖4-12TCR電路負載相電流和輸入線電流波形

a)α=120°b)α=135°c)α=160°

4.1.2三相交流調壓電路第二十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-27仿真波形仿真工具為PECS2.0（本課題組教師獨立開發(fā)的仿真軟件）4.1.2三相交流調壓電路圖4-12TCR電路負載相電流和輸入線電流波形

a)α=120°b)α=135°c)α=160°a）b）c）第二十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-284.2

其他交流電力控制電路4.2.1

交流調功電路4.2.2

交流電力電子開關第二十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-294.2.1

交流調功電路

交流調功電路與交流調壓電路的異同比較相同點

電路形式完全相同不同點

控制方式不同交流調壓電路在每個電源周期都對輸出電壓波形進行控制。交流調功電路是將負載與交流電源接通幾個周期,在斷開幾個周期,通過通斷周波數(shù)的比值來調節(jié)負載所消耗的平均功率。第二十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-30

電阻負載時的工作情況2pNpM電源周期控制周期=M倍電源周期=2p4pMO導通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU12圖4-13交流調功電路典型波形(M=3、N=2)圖4－1電阻負載單相交流調壓電路4.2.1

交流調功電路控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個周期導通，后M－N個周期關斷。負載電壓和負載電流（也即電源電流）的重復周期為M倍電源周期。第三十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-31

諧波情況01214諧波次數(shù)相對于電源頻率的倍數(shù)圖4-14交流調功電路的電流頻譜圖(M=3、N=2)2461080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m4.2.1

交流調功電路圖4-14的頻譜圖（以控制周期為基準）。In為n次諧波有效值，Io為導通時電路電流幅值。以電源周期為基準，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。第三十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-324.2.2

交流電力電子開關概念把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機械開關，起接通和斷開電路的作用。優(yōu)點響應速度快，無觸點，壽命長，可頻繁控制通斷。與交流調功電路的區(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，只是根據需要控制電路的接通和斷開?？刂祁l度通常比交流調功電路低得多。第三十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-33晶閘管投切電容（ThyristorSwitched——Capacitor——TSC）圖4-15TSC基本原理圖a)基本單元單相簡圖b)分組投切單相簡圖4.2.2

交流電力電子開關作用對無功功率控制，可提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電網電壓，改善供電質量。性能優(yōu)于機械開關投切的電容器。結構和原理晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路。實際常用三相，可三角形聯(lián)結，也可星形聯(lián)結。第三十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-34晶閘管的投切選擇晶閘管投入時刻的原則：該時刻交流電源電壓和電容器預充電電壓相等，這樣電容器電壓不會產生躍變，就不會產生沖擊電流。理想情況下，希望電容器預充電電壓為電源電壓峰值，這時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。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1圖4-16TSC理想投切時刻原理說明4.2.2

交流電力電子開關第三十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-35TSC電路也可采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式4.2.2

交流電力電子開關由于二極管的作用，在電路不導通時uC總會維持在電源電壓峰值。成本稍低，但響應速度稍慢，投切電容器的最大時間滯后為一個周波。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1圖4-16TSC理想投切時刻原理說明第三十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-364.3

交交變頻電路

4.3.1

單相交交變頻器

4.3.2

三相交交變頻器第三十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-374.3.1

單相交交變頻器晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor)

把電網頻率的交流電變成可調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調速傳動系統(tǒng)，實際使用的主要是三相輸出交交變頻電路。第三十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-381)電路構成和基本工作原理圖4-18單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形4.3.1

單相交交變頻器電路構成如圖4-18，由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構成，和直流電動機可逆調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。第三十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-39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。圖4-18單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形4.3.1

單相交交變頻器第三十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-40為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對a角進行調制。4.3.1

單相交交變頻器在半個周期內讓P組a

角按正弦規(guī)律從90°減到0°或某個值，再增加到90°，每個控制間隔內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，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波。第四十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-41

2)

整流與逆變工作狀態(tài)圖4-19理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)4.3.1

單相交交變頻器阻感負載為例，也適用于交流電動機負載。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4-19a所示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)。第四十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-42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。圖4-19理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)4.3.1

單相交交變頻器第四十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-43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)圖4-19理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)4.3.1

單相交交變頻器t1~t3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。第四十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-44t3~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。圖4-19理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)4.3.1

單相交交變頻器小結：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uo方向與io方向是否相同確定。第四十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-45

當uo和io的相位差小于90°時，一周期內電網向負載提供能量的平均值為正，電動機工作在電動狀態(tài)。當二者相位差大于90°時，一周期內電網向負載提供能量的平均值為負，電網吸收能量，電動機為發(fā)電狀態(tài)?？紤]無環(huán)流工作方式下io過零的死區(qū)時間，一周期可分為6段。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，

uo

>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

4.3.1

單相交交變頻器第四十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-463)輸出正弦波電壓的調制方法

介紹最基本的、廣泛使用的余弦交點法。設Ud0為a

=0時整流電路的理想空載電壓，則有

(4-15)每次控制時a角不同，表示每次控制間隔內uo的平均值。圖4-21余弦交點法原理4.3.1

單相交交變頻器第四十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-47設期望的正弦波輸出電壓為

(4-16）比較式(4-15)和(4-16)，應使

(4-17)

g

稱為輸出電壓比：

圖4-21余弦交點法原理4.3.1

單相交交變頻器第四十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-48圖4-21余弦交點法原理4.3.1

單相交交變頻器余弦交點法基本公式

(4-18)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。第四十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-49u1~u6所對應的同步信號分別用us1~us6表示us1~us6比相應的u1~u6超前30°，us1~us6的最大值和相應線電壓a

=0的時刻對應。以a

=0為零時刻，則us1~us6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us1~us6的下降段和uo的交點來決定。圖4-21余弦交點法原理4.3.1

單相交交變頻器第四十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-50不同g

時，在uo一周期內，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°很近的范圍內變化，電路的輸入功率因數(shù)非常低。圖4-22不同g時a和wot的關系4.3.1

單相交交變頻器第五十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-514)

輸入輸出特性4.3.1

單相交交變頻器(1)

輸出上限頻率

輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所含電網電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴重。電壓波形畸變及其導致的電流波形畸變和轉矩脈動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系而言，很難確定一個明確的界限。當采用6脈波三相橋式電路時，輸出上限頻率不高于電網頻率的1/3~1/2。電網頻率為50Hz時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz。第五十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-52圖4-23單相交交變頻電路的功率因數(shù)(2)

輸入功率因數(shù)4.3.1

單相交交變頻器輸入電流相位滯后于輸入電壓，需要電網提供無功功率。一周期內，a角以90°為中心變化。輸出電壓比g越小，半周期內a的平均值越靠近90°。負載功率因數(shù)越低，輸入功率因數(shù)也越低。不論負載功率因數(shù)是滯后的還是超前的，輸入的無功電流總是滯后。負載功率因數(shù)（超前）負載功率因數(shù)（滯后）輸入位移因數(shù)第五十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-53(3)

輸出電壓諧波輸出電壓的諧波頻譜非常復雜，既和電網頻率fi以及變流電路的脈波數(shù)有關，也和輸出頻率fo有關。采用三相橋時，輸出電壓所含主要諧波的頻率為6fi±fo，6fi±3fo，6fi±5fo，…12fi±fo，12fi±3fo，12fi±5fo，…采用無環(huán)流控制方式時，由于電流方向改變時死區(qū)的影響，將增加5fo、7fo等次諧波。4.3.1

單相交交變頻器第五十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-54(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,…。4.3.1

單相交交變頻器第五十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-554.3.2

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)

電路接線方式公共交流母線進線方式輸出星形聯(lián)結方式交交變頻電路主要應用于大功率交流電機調速系統(tǒng)，使用的是三相交交變頻電路。第五十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-56(1)公共交流母線進線方式圖4-24公共交流母線進線三相交交變頻電路（簡圖）4.3.2

三相交交變頻電路由三組彼此獨立的、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。容量的交流調速系統(tǒng)。第五十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-57(2)

輸出星形聯(lián)結方式三組的輸出端是星形聯(lián)結，電動機的三個繞組也是星形聯(lián)結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4-25輸出星形聯(lián)結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，電動機的三個繞組也是星形聯(lián)結。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。4.3.2

三相交交變頻電路第五十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-58圖4-25輸出星形聯(lián)結方式三相交交變頻電路a）簡圖b）詳圖因為三組的輸出聯(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成回路，形成電流。4.3.2

三相交交變頻電路第五十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-59圖4-25輸出星形聯(lián)結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。4.3.2

三相交交變頻電路第五十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-602)

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U相輸入電流三相輸出時U相輸入電流200t/ms200t/ms圖4-26交交變頻電路的輸入電流波形4.3.2

三相交交變頻電路第六十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-61

諧波頻率為

(4-21)和 (4-22)式中k=1,2,3,…l=0,1,2,…。采用三相橋式電路時，輸入諧波電流的主要頻率為fi±6fo、5fi

、5fi±6fo

、7fi

、7fi±6fo

、11fi

、11fi±6fo

fi±12fo等。其中5fi次諧波的幅值最大。200t/ms輸出電壓單相輸出時U相輸入電流三相輸出時U相輸入電流200t/ms200t/ms圖4-26交交變頻電路的輸入電流波形4.3.2

三相交交變頻電路第六十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-62輸入功率因數(shù)

三相總輸入功率因數(shù)應為

(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4.3.2

三相交交變頻電路第六十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-633)

改善輸入功率因數(shù)和提高輸出電壓4.3.2

三相交交變頻電路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。第六十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-64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。值可圖4-27梯形波控制方式的理想輸出電壓波形4.3.2

三相交交變頻電路第六十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-65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。交交變頻電路的優(yōu)點：交交變頻電路的缺點：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。效率較高（一次變流）可方便地實現(xiàn)四象限工作低頻輸出波形接近正弦波4.3.2

三相交交變頻電路第六十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-66

應用主要用于500kW或1000kW以上的大功率、低轉速的交流調速電路中。目前已在軋機主傳動裝置、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。4.3.2

三相交交變頻電路第六十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-674.4

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，采用的開關器件是全控型?？刂品绞绞菙夭刂?。拓撲結構：三相輸入電壓為ua、ub和uc三相輸出電壓為uu、uv和uw圖4-28矩陣式變頻器第六十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-689個開關器件組成3×3矩陣，因此該電路被稱為矩陣式變頻電路(MatrixConverter—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4-28b給出了應用較多的一種開關單元。圖4-28矩陣式變頻器4.4

矩陣式變頻器第六十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-69優(yōu)點輸出電壓為正弦波。輸出頻率不受電網頻率的限制。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，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。4.4

矩陣式變頻器第六十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-70矩陣式變頻電路的基本工作原理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

(4-24)式中，Tc——開關周期；ton——

一個開關周期內開關導通時間；s——占空比。a)b)c)UmU1mU23Um12√

－

－

圖4-29構造輸出電壓時可利用的輸入電壓部分a)單相輸入b)三相輸入構造輸出相電壓c)三相輸出構造輸出線電壓4.4

矩陣式變頻器第七十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-71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。a)b)c)UmU1mU23Um12√

－

－

圖4-29構造輸出電壓時可利用的輸入電壓部分a)單相輸入b)三相輸入構造輸出相電壓c)三相輸出構造輸出線電壓4.4

矩陣式變頻器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線中所有的陰影部分。第七十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-72理論上所構造的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。a)b)c)UmU1mU23Um12√

－

－

圖4-29構造輸出電壓時可利用的輸入電壓部分a)單相輸入b)三相輸入構造輸出相電壓c)三相輸出構造輸出線電壓4.4

矩陣式變頻器利用三相線電壓用圖4-28a中第一行和第二行的6個開關共同作用來構造輸出線電壓uuv

。第七十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-73可利用圖4-29c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。a)b)c)UmU1mU23Um12√

－

－

圖4-29構造輸出電壓時可利用的輸入電壓部分a)單相輸入b)三相輸入構造輸出相電壓c)三相輸出構造輸出線電壓4.4

矩陣式變頻器第七十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-74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、S12和S13的控制構造輸出電壓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，為使負載不開路，任一時刻必須有一個開關接通。圖4-28矩陣式變頻器4.4

矩陣式變頻器第七十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-75u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——一個開關周期內開關S11、S12、S13的導通占空比

(4-26)圖4-28矩陣式變頻器4.4

矩陣式變頻器第七十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-76用同樣的方法控圖中第2，3行的各開關，得到類似于

(4-25)

的表達式。合寫成矩陣的形式（4－27）可縮寫為

uo=s

ui

（4－28）圖4-28矩陣式變頻器4.4

矩陣式變頻器第七十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期六4-77矩陣式變頻電路確定后，輸入電流和輸出電流的關系也確定了。

(4-29)縮寫形式ii＝sio(4-30)

式中

ii