重大電力電子第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1編輯ppt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變頻電路只改變電壓、電流或控制電路的通斷，不改變頻率改變頻率，大多不改變相數(shù)，也有改變相數(shù)的交流調(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(wú)觸點(diǎn)開關(guān)——通斷控制，4.2節(jié)交交變頻電路交直交變頻電路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)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2編輯ppt交流調(diào)壓電路交流電力控制電路的結(jié)構(gòu)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電力控制電路的類型交流調(diào)壓電路:交流調(diào)功電路:交流電力電子開關(guān):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。4.13編輯ppt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(wú)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)變壓器一次電壓交流調(diào)壓電路4.14編輯ppt單相交流調(diào)壓電路1．電阻負(fù)載原理分析在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(guò)零時(shí)刻，穩(wěn)態(tài)時(shí)，正負(fù)半周的a相等4.1.1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5編輯ppt圖4-1電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形數(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)

單相交流調(diào)壓電路4.1.1ROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTwtOwtOwtOwt6編輯ppt輸出電壓與a的關(guān)系:移相范圍為0≤a≤π。a=0時(shí)，輸出電壓為最大，Uo=U1。隨a的增大，Uo降低，a=π時(shí)，Uo=0。λ與a的關(guān)系:-a=0時(shí)，功率因數(shù)λ=1，a增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，λ降低單相交流調(diào)壓電路4.1.17編輯ppt2．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)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)刻仍定為u1過(guò)零的時(shí)刻，a的移相范圍應(yīng)為j≤a≤π圖4-2阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形單相交流調(diào)壓電路4.1.18編輯ppt阻感負(fù)載時(shí)的工作過(guò)程分析在ωt=a時(shí)刻開通VT1，負(fù)載電流滿足

(4-5)

解方程得(4-6)

式中 ,θ為晶閘管導(dǎo)通角 利用邊界條件：ωt=a+θ時(shí)io

=0,

可求得θ：

(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θ和a關(guān)系曲線單相交流調(diào)壓電路4.1.19編輯ppt數(shù)量關(guān)系負(fù)載電壓有效值：

晶閘管電流有效值：

(4-8)(4-9)單相交流調(diào)壓電路4.1.110編輯ppt單相交流調(diào)壓電路負(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4.1.111編輯ppta<j時(shí)單相交流調(diào)壓電路4.1.1圖4-5a<j時(shí)阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形圖4-5的波形分析:

VT1提前通，L被過(guò)充電，放電時(shí)間延長(zhǎng)，

VT1的導(dǎo)通角超過(guò)π觸發(fā)VT2時(shí)，

io尚未過(guò)零，VT1仍導(dǎo)通，VT2不通io過(guò)零后，VT2開通，VT2導(dǎo)通角小于π方程式(4-5)和(4-6)所得io表達(dá)式仍適用，只是a≤ωt<∞過(guò)渡過(guò)程和帶R-L負(fù)載的單相交流電路在ωt=a(a<j)時(shí)合閘的過(guò)渡過(guò)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)穩(wěn)態(tài)的工作情況和a=j時(shí)完全相同12編輯ppt3.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:

(n=3,5,7,…)(n=3,5,7,…)單相交流調(diào)壓電路4.1.113編輯ppt

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單相交流調(diào)壓電路4.1.114編輯ppt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，諧波含量有所減少單相交流調(diào)壓電路4.1.115編輯ppt圖4-7斬控式交流調(diào)壓電路4．?dāng)乜厥浇涣髡{(diào)壓電路一般采用全控型器件作為開關(guān)器件原理分析基本原理和直流斬波電路有類似之處u1正半周u1負(fù)半周設(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)輸出電壓斬波控制斬波控制續(xù)流通道續(xù)流通道單相交流調(diào)壓電路4.1.116編輯ppt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4-8電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形單相交流調(diào)壓電路4.1.117編輯ppt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)4.1.218編輯ppt

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。基波和3倍次以外的諧波在三相之間流動(dòng)，不流過(guò)零線問(wèn)題：三相中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三相三線三相四線1．星形聯(lián)結(jié)電路三相交流調(diào)壓電路4.1.219編輯ppt

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(guò)零點(diǎn)定為a的起點(diǎn)，a角移相范圍是0°~150°三相交流調(diào)壓電路4.1.220編輯ppt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°三相交流調(diào)壓電路4.1.2(1)0°≤a<60°：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180°－a。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(wú)晶閘管導(dǎo)通交替，導(dǎo)通角度為300°－2a21編輯ppt諧波情況電流諧波次數(shù)為6k±1(k=1，2，3，…)，和三相橋式全控整流電路交流側(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)三相三線電路三相交流調(diào)壓電路4.1.222編輯ppt2．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6k±1(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三相交流調(diào)壓電路4.1.223編輯ppt典型用例——晶閘管控制電抗器（ThyristorControlledReactor—TCR）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(StaticVar

Campensator—SVC），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?nèi)嘟涣髡{(diào)壓電路4.1.224編輯ppt圖4-11晶閘管控制電抗器(TCR)電路圖4-12TCR電路負(fù)載相電流和輸入線電流波形

三相交流調(diào)壓電路4.1.2a)α=120°b)α=135°c)α=160°25編輯ppt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)4.226編輯ppt交流調(diào)功電路異同與交流調(diào)壓電路的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(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均應(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(guò)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4.2.127編輯ppt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倍電源周期圖4-13交流調(diào)功電路典型波形(M=3、N=2)當(dāng)M=3、N=2時(shí)的電路波形如圖4-13交流調(diào)功電路4.2.128編輯ppt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)交流調(diào)功電路4.2.1M=3時(shí)，29編輯ppt交流電力電子開關(guān)作用：優(yōu)點(diǎn)：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(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控制頻度通常比交流調(diào)功電路低得多代替機(jī)械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用響應(yīng)速度快，無(wú)觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，可頻繁控制通斷4.2.230編輯ppt晶閘管投切電容器（ThyristorSwitchedCapacitor—TSC）

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4-15TSC基本原理圖a)基本單元單相簡(jiǎn)圖b)分組投切單相簡(jiǎn)圖交流電力電子開關(guān)4.2.2晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路31編輯ppt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(lái)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(wú)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(wú)功功率補(bǔ)償器圖4-15TSC基本原理圖基本單元單相簡(jiǎn)圖分組投切單相簡(jiǎn)圖交流電力電子開關(guān)4.2.232編輯pptTSC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交流電力電子開關(guān)4.2.233編輯ppt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(guò)程不但沒(méi)有沖擊電流，電流也沒(méi)有階躍變化圖4-16TSC理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明交流電力電子開關(guān)4.2.234編輯ppt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4.335編輯ppt1．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4.3.1單相交交變頻電路36編輯ppt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4.3.1單相交交變頻電路37編輯ppt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4.3.1單相交交變頻電路38編輯ppt2．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(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4.3.1單相交交變頻電路39編輯ppt圖4-19理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)

工作狀態(tài)

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(fù)4.3.1單相交交變頻電路40編輯ppt

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(wú)關(guān)工作在整流還是逆變，則根據(jù)uo方向與io方向是否相同確定工作狀態(tài)4.3.1單相交交變頻電路圖4-19理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)41編輯ppt圖4-20單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形4.3.1單相交交變頻電路考慮無(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段第1段io

<0，uo

>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(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)例：42編輯ppt3．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，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：4.3.1單相交交變頻電路43編輯ppt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4.3.1單相交交變頻電路44編輯pptu1~u6所對(duì)應(yīng)的同步信號(hào)分別用us1~us6表示us1~us6比相應(yīng)的u1~u6超前30°，us1~us6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us1~us6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us1~us6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4.3.1單相交交變頻電路45編輯ppt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4.3.1單相交交變頻電路46編輯ppt4.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1/3~1/2。電網(wǎng)頻率為50Hz時(shí)，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz4.3.1單相交交變頻電路47編輯ppt2)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(wú)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(wú)功電流總是滯后圖4-23單相交交變頻電路的功率因數(shù)4.3.1單相交交變頻電路48編輯ppt3)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6fi±fo，6fi±3fo，6fi±5fo，…12fi±fo，12fi±3fo，12fi±5fo，…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4.3.1單相交交變頻電路49編輯ppt4)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,…。4.3.1單相交交變頻電路50編輯ppt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．電路接線方式輸出星形聯(lián)結(jié)方式公共交流母線進(jìn)線方式4.3.2三相交交變頻電路51編輯ppt1)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(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(jiǎn)圖）4.3.2三相交交變頻電路52編輯ppt2)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(jiǎn)圖b）詳圖 4.3.2三相交交變頻電路53編輯ppt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4.3.2三相交交變頻電路54編輯ppt2．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,…。4.3.2三相交交變頻電路55編輯ppt采用三相橋式電路時(shí)，輸入諧波電流的主要頻率為fi±6fo、5fi、5fi±6fo、7fi、7fi±6fo、11fi、11fi±6fo、13fi、13fi±6fo、

fi±12fo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4.3.2三相交交變頻電路56編輯ppt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(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57編輯ppt3．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(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。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4.3.2三相交交變頻電路58編輯ppt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(zhǎng)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4.3.2三相交交變頻電路59編輯ppt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4.3.2三相交交變頻電路60編輯ppt應(yīng)用主要用于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)4.3.2三相交交變頻電路61編輯ppt矩陣式變頻電路直接變頻電路所用開關(guān)器件是全控型控制方式不是相控方式而是斬控方式

拓?fù)鋱D4-28a所示

三相輸入電壓為ua、ub和uc

三相輸出電壓為uu、uv和uw

9個(gè)開關(guān)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(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4.4圖4-2862編輯ppt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電路4.463編輯ppt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(wú)法得到所需輸出波形矩陣式變頻電路4.464編輯ppt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(lái)構(gòu)造輸出線電壓uuv

矩陣式變頻電路4.465編輯ppt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)造輸出線電壓矩陣式變頻電路4.466編輯ppt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s1