第4章 交流電力控制電路和交交變頻電路

1、西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 第第4章章 交流電力控制電路交流電力控制電路 和交交變頻電路和交交變頻電路 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第2頁(yè) 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

2、電路 4.4 矩陣式變頻電路 本章小結(jié)本章小結(jié) 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第3頁(yè) 概 述 u交流交流- -交流變流電路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 交流電力控制電路只改變電壓、電流或控制電路的通斷， 不改變頻率 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) 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，4

3、.3節(jié) 2.矩陣式變頻電路，4.4節(jié) 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，8.1節(jié) 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第4頁(yè) 4.1 交流調(diào)壓電路 交流電力控制電路的結(jié)構(gòu)及類型 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 交流調(diào)壓電路每半個(gè)周波控制晶閘管開 通相位，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值 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(guān)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、 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第5頁(yè) 4.1 交流調(diào)壓電路 u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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第6頁(yè) 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 1電阻負(fù)載 工作原理： 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

5、（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 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 R O 圖4-1 u1uo io VT1 VT2 u1 uo io uVT t Ot Ot Ot 圖4-1電阻負(fù)載單相交 流調(diào)壓電路及其波形 (顯示放大圖） 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第7頁(yè) 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 u數(shù)量關(guān)系數(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) a a a = 2sin 2

6、1 dsin2 1 1 2 1o UttUU R U I o o = ) 2 2sin 1 ( 2 1sin2 2 1 1 2 1 a a a = = R U td R tU IT a a =2sin 2 1 1 o o1 oo U U IU IU S P R O 圖4-1 u1uo io VT1 VT2 u1 uo io uVT t Ot Ot Ot 圖4-1電阻負(fù)載單相交 流調(diào)壓電路及其波形 (顯示放大圖） 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第8頁(yè) 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 輸出電壓與輸出電壓與a的關(guān)系的關(guān)系: 移相

7、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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第9頁(yè) 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 2阻感負(fù)載阻感負(fù)載 u 阻感負(fù)載時(shí)a的移相范圍 負(fù)載阻抗角：j = arctan(L / R) 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 在用晶閘管控制時(shí)，只能進(jìn)行滯 后控制，使負(fù)載電流更為滯后， 而無(wú)法使其超前 a =0時(shí)刻仍定

8、為u1過(guò)零的時(shí)刻，a 的移相范圍應(yīng)為j a 圖4-2 阻感負(fù)載單相交 流調(diào)壓電路及其波形 顯示放大圖 R L 0.6 圖4 -2 O u1uo io VT1 VT2 u1 uo io uVT tO t Ot t O uG1 uG2 O O t t 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第10頁(yè) 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 u阻感負(fù)載時(shí)的工作過(guò)程分析阻感負(fù)載時(shí)的工作過(guò)程分析 在t = a時(shí)刻開通VT1，負(fù)載電流滿 足 (4-5) 解方程得(4-6) 式中 ,為晶閘管導(dǎo)通角 利用邊界條件：t = a +時(shí)io =0,可 求得： (

9、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 02010060140180 20 100 圖4-3 60 /( ) 180 140 a /( ) j = 9 0 7 5 6 0 4 5 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 0 sin2 d d o 1o o = = =a t i tURi t i L aajaj j a = tet Z U i t tg1 o )sin()sin( 2 22 )( LRZ= j jaja tg )sin()sin( =e 顯示放大圖 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研

10、 究 中 心 PE N E C 第4章第11頁(yè) 數(shù)量關(guān)系 負(fù)載電壓有效值 (4-8) 晶閘管電流有效值 (4-9) )22sin(2sin 1 )()sin2( 1 1 2 1o aa a a = = U tdtUU 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 j ja cos )2cos(sin 2 1 = Z U = a a j a jaj )d()sin()sin( 2 2 1 2 tg1 VT tet Z U I t 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第12頁(yè) 負(fù)載電流有效值 (4-10) IVT的標(biāo)么值 (4-11) To 2I

11、I = 1 TTN 2U Z II= 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(顯示放大圖） 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 圖4 -4 j = 90 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 16018004012080 75 60 45 j = 0 a /( ) IVTN 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第13頁(yè) a j 時(shí)的工作情況 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) 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

12、方程式(4-5)和(4-6)所得io表達(dá)式仍適用，只是 at 過(guò)渡過(guò)程和帶R-L負(fù)載的單相交流電路在t =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 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第14頁(yè) 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 t t t t 圖4-5 a a a O O O O u1 iG1 iG2 ioj iT1 iT2 圖4-5 aj時(shí)阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作 波形(顯示放大圖） 4.1

13、.1 單相交流調(diào)壓電路 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第15頁(yè) 3單相交流調(diào)壓電路的諧波分析單相交流調(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 = = , 5 , 3 , 1 o )sincos()( n nn tnbtnatu ) 12(cos 2 2 1 1 =a U a )(22sin 2 2 1 1 aa = U b 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第16

14、頁(yè) (n=3,5,7,) (n=3,5,7,) 基波和各次諧波有效值 (n=1,3,5,7,) (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 =1) 1cos( 1 1 1) 1cos( 1 12 1 aa n n n n U an =aa ) 1sin( 1 1 ) 1sin( 1 12 1 n n n n U bn 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

15、 100 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(放大） 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第17頁(yè) 阻感負(fù)載的情況阻感負(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 a 角相同時(shí)，隨著阻抗角j 的增大，諧波 含量有所減少 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第18頁(yè) 4.1.1

16、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 一般采用全控型器件作為開關(guān)器件 工作原理工作原理 基本原理和直流斬波電路有類似之處 u1正半周，用V1進(jìn)行斬波控制，V3提供續(xù)流通道 u1負(fù)半周，用V2進(jìn)行斬波控制，V4提供續(xù)流通道 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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第19頁(yè) 4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 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)

17、的高次諧波 功率因數(shù)接近1 R L 圖4-7 u1 i1 uo V1 V2 VD1 VD2 V3 V4 VD4 VD3 圖4-7 斬控式交流調(diào)壓電路 (顯示放大圖） u1 i1 O 圖4-8 uo O Ot t t 圖4-8 電阻負(fù)載 斬控式交流調(diào)壓 電路波形 (顯示放大圖） 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第20頁(yè) 4.1.2 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 n 負(fù)載 a c n 負(fù)載 a b c a)b) 負(fù)載 a b c c) 負(fù)載 b d) 圖4-9 a b c ua ub

18、 uc ia Ua0 n ua ub uc ia n ua ub uc ia n ua ub uc ia VT1 VT3VT4 VT5VT6 VT2 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) (顯示放大圖） 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第21頁(yè) 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 1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 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?；ê?倍 次以外的諧波在三相之間流動(dòng)

19、，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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第22頁(yè) 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 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0150 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心

20、 PE N E C 第4章第23頁(yè) 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 (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3002 a 圖4-10 c) 晶閘管 導(dǎo)通區(qū)間 a) a 晶閘管 導(dǎo)通區(qū)間 晶閘管 導(dǎo)通區(qū)間 b) a 4 3 2 3 5 3 3 0 2 4 3 2 3 5 3 3 0 2 a 4 3 2 3 5 3 3 0 2 uao uao uao ua ua ua uab 2 uac 2 uab 2 uac 2 uab

21、 2 uac 2 t1t2t3 t1t2t3 VT1 VT3 VT4 VT6 VT1 VT6 VT2VT5VT5 VT5VT1VT3 VT4VT6VT2VT6 VT5 VT5VT1VT3 VT4VT6VT2VT6 VT5VT5VT1VT3VT5 VT4VT2VT4VT6 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 (顯示放大圖） 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第24頁(yè) 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 諧波情況諧波情況 電流諧波次數(shù)為6k1(k=1，2，3，)， 和三相橋式全

22、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(duì)稱時(shí)，它們不能流過(guò)三相 三線電路 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第25頁(yè) 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 2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6k1(k為正整數(shù)

23、) 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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第26頁(yè) 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 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(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(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 西 安 交 通 大 學(xué)

24、電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第27頁(yè) 負(fù)載 圖4-11 ua ia ub uc n b a c 圖4-11 晶閘管控制電抗 器(TCR)電路 (顯示放大圖） a)b)c) 圖4-12 圖4-12 TCR電路負(fù)載相電流和輸 入線電流波形 a) a=120 b) a=135 c) a=160 (顯示放大圖） 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第28頁(yè) 4.2 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

25、電 子開關(guān) 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第29頁(yè) 4.2.1 交流調(diào)功電路 與交流調(diào)壓電路的異同 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)載所消耗的平均功率 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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第30頁(yè) 4.2.1 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

26、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 電阻負(fù)載時(shí)的工作情況電阻負(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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第31頁(yè) 4.2.1 交流調(diào)功電路 當(dāng)M=3、N=2時(shí)的電路波形如圖4-13 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=2 4 M 圖4-13 O 導(dǎo)通段= 2N M 3 M 2 M uo u1uo,io t U12 圖4-13 交流調(diào)功電路

27、典型波形(M =3、N =2) (顯示放大圖） 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第32頁(yè) 4.2.1 交流調(diào)功電路 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 012 14 諧波次數(shù) 相對(duì)于電源頻率的次數(shù) 圖4-14 246108 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 051234 In/I0m 圖4-14 交流調(diào)功電路的

28、電流頻 譜圖(M =3、N =2) (顯示放大圖） 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第33頁(yè) 4.2.2 交流電力電子開關(guān) 晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路 作用：代替機(jī)械開關(guān)，起接通和斷開電路的 作用 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 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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第34頁(yè) 4.2.2 交流電力

29、電子開關(guān) 晶閘管投切電容器 （Thyristor Switched CapacitorTSC） 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) I U 抑制沖擊電流 的小電感 a) 圖4-15 b) 圖4-15 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 (顯示放大圖） 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第35頁(yè) 4.2.2 交流電力電子開關(guān) 兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管起 著把C

30、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 I U 抑制沖擊電流 的小電感 a) 圖4-15 b) 圖4-15 TSC基本原理圖 基本單元單相簡(jiǎn)圖 分組投切單相簡(jiǎn)圖 (顯示放大圖） 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第36頁(yè) 4.2.2 交流電力電子開關(guān) 晶閘管投切 選擇晶閘管投入時(shí)刻的原

31、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)程不但沒有沖擊電流， 電流也沒有階躍變化 圖4-16 us iC uC C VT 1 VT 2 t t t t us iC uC VT 1 VT 2t 1 t2 uVT 1 uVT 1 圖4-16 TSC理 想投切時(shí)刻原 理說(shuō)明 (顯示放大圖） 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第37頁(yè) 4.2.2 交流電力電子開關(guān) TSC電路也可采用晶閘管和

32、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 t t t t us iC uVT uC C VT VD us iC uVT uC VT VD t1t2t3t4 圖4-17 晶閘管 和二極管反并聯(lián) 方式的TSC (顯示放大圖） 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第38頁(yè) 4.3 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

33、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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第39頁(yè) 4.3.1 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 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 t 圖4-18 單相交交變頻電路原 理圖和輸出電壓波形 (顯示放大圖） 西 安 交

34、通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第40頁(yè) 4.3.1 單相交交變頻電路 工作原理工作原理 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o 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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第41頁(yè) 4.3.1 單相交交變頻電路 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

35、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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第42頁(yè) 4.3.1 單相交交變頻電路 2整流與逆變工作狀態(tài)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

36、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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第43頁(yè) 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) (顯示放大圖） 工作狀態(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

37、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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第44頁(yè) 4.3.1 單相交交變頻電路 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) 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)工作狀態(tài) 圖4-19 理想化交交變頻電路的 整

38、流和逆變工作狀態(tài) (顯示放大圖） a) 整流 逆變 阻斷 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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第45頁(yè) 1 O O 2 34 5 6 圖4-20 uo io t t 圖4-20 單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形(顯示放大圖） 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，反組逆變 第2段電流過(guò)零，為無(wú)環(huán)流死區(qū) 第3段i

39、o 0， uo 0，正組整流 4.3.1 單相交交變頻電路 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第46頁(yè) 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 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) 4.3.1 單相交交變頻電路 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章

40、第47頁(yè) 4.3.1 單相交交變頻電路 3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， 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 (4-16) 比較式(4-15)和(4-16)，應(yīng)使 (4-17) g 稱為輸出電壓比： acos d0o Uu= tUu oomo sin= tt U U oo d0 om sinsincosga= ) 10( d0 om =r U U g g 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第

41、4章第48頁(yè) 4.3.1 單相交交變頻電路 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 )sin(cos o 1 tga = 圖4-21 u2u3u4u5u6u1 us2us3us4us5us6us1 uo aP3aP4 t t 圖4-21 余弦交點(diǎn)法原理 (顯示放大圖） 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第49頁(yè) 4.3.1 單相交交變頻電路 u1u6所對(duì)應(yīng)的同步信號(hào) 分別用us1us6表示 u

42、s1us6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) 以a=0為零時(shí)刻，則 us1us6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us1us6的 下降段和uo的交點(diǎn)來(lái)決 定 圖4-21 u2u3u4u5u6u1 us2us3us4us5us6us1 uo aP3aP4 t t 圖4-21 余弦交點(diǎn)法原理 (顯示放大圖） 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第50頁(yè) 4.3.1 單相交交變頻電路 不同g 時(shí)，在uo一周 期內(nèi)，a隨ot 變化 的情況。圖中， g 較

43、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 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時(shí)a和ot的關(guān)系 (顯示放大圖） )sin(sin2/)sin(cos o 1 o 1 ttgga = 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第51頁(yè) 4.3.1 單相交交變頻電路 4輸入輸出特性 1

44、) 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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第52頁(yè) 4.3.1 單相交交變頻電路 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(wú)功功率 一周期內(nèi)，a角以90

45、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 0.8 0.60.4 0.20 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 1.00.80.60.40.20 0.8 0.6 0.4 0.2 0.8 0.6 0 .4 0 .2 圖4-23 單相交交變頻電 路的功率因數(shù) (顯示放大圖） 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第53頁(yè) 4.3.1 單相交交變頻電路 3)

46、 輸出電壓諧波輸出電壓諧波 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(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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第54頁(yè) 4.3.1 單相交交變頻電路 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 采用三相橋式電

47、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,。 oiin 216lffkf= oiin 2kfff= 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第55頁(yè) 4.3.2 三相交交變頻電路 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 主要有兩種：公共交流母線進(jìn)線方式和輸出星 形聯(lián)結(jié)方式 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E

48、 C 第4章第56頁(yè) 4.3.2 三相交交變頻電路 1) 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 圖4-24 公共交流母線進(jìn)線三 相交交變頻電路（簡(jiǎn)圖） (顯示放大圖） 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第57頁(yè) 4.3.2 三相交交變頻電路 2) 輸出星形聯(lián)結(jié)方式（圖4-25）

49、 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 a) b) 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(顯示放大圖） 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第58頁(yè) 4.3.2 三相交交變頻電路 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

50、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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第59頁(yè) 4.3.2 三相交交變頻電路 2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,。 oiin 616lffkf= oiin 6k

51、fff= 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第60頁(yè) 4.3.2 三相交交變頻電路 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 、 13fi 、 13fi6fo 、 fi12fo等。其中5fi次諧波的幅值最大 200 t/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 圖4-26 200 t/ms 200 t/ms 圖4-26 交交變頻電路的輸入電流波形 (顯示放大圖） 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電

52、 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第61頁(yè) 4.3.2 三相交交變頻電路 輸入功率因數(shù)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 S PPP S P cba = 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第62頁(yè) 4.3.2 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 基本思路基本思路 各相輸出的

53、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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第63頁(yè) 4.3.2 三相交交變頻電路 交流偏置交流偏置 梯形波輸出控制方式 使三組單相變頻

54、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 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 (顯示放大圖） 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第64頁(yè) 4.3.

55、2 三相交交變頻電路 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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第65頁(yè) 4.3.2 三相交交變頻電路 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 應(yīng)用應(yīng)用 主要用

56、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(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) 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第66頁(yè) 4.4 矩陣式變頻電路 直接變頻電路 所用開關(guān)器件是全控型的 控制方式不是相控方式而 是斬控方式 拓?fù)渫負(fù)?圖4-28a所示 三相輸入電壓為ua、 ub和uc 圖4-28 三相輸出電壓為uu、 uv和uw 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

57、)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 輸入 輸 出 a)b) 圖4-28 abc u v w S11S12S13 S21S22S23 S31S32S33 Sij 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第67頁(yè) 4.4 矩陣式變頻電路 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

58、 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第68頁(yè) 4.4 矩陣式變頻電路 矩陣式變頻電路的基本工作原理矩陣式變頻電路的基本工作原理 利用單相輸入利用單相輸入 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 ss c

59、on o uu T t us= 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第69頁(yè) 4.4 矩陣式變頻電路 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 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 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第70頁(yè)

60、 4.4 矩陣式變頻電路 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 (顯示放大圖） a)b)c) Um U1m U1m 2 3 Um 1 2 西 安 交 通 大 學(xué) 電 力 電 子 與 新 能 源 技 術(shù) 研 究 中 心 PE N E C 第4章第71頁(yè) 4.4 矩陣式變頻電路 以相電壓輸出方式為例分析矩陣式交交變頻電路的控以相電