電力電子技術(shù)基礎(chǔ)19－交流變頻

1、Fundamentals of Power Electronics Technology 電力電子技術(shù)基礎(chǔ)South China University of Technology第三部分 電力電子變換電路6South China University of Technology第7章 變頻電路電力電子技術(shù)基礎(chǔ)第三部分 電力電子變換電路交交變頻電路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7.4 單相交交變頻電路電力電子技術(shù)基礎(chǔ)第三部分

2、 電力電子變換電路單相交交變頻電路的構(gòu)成電路構(gòu)成如圖，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（三相半波）電力電子技術(shù)基礎(chǔ)第三部分 電力電子變換電路P組工作時，負(fù)載電流io為正N組工作時，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)制單相交交變頻電路的工作原理電力電子技術(shù)基礎(chǔ)第三部分 電力電子變換電路在半個周期內(nèi)讓P組a 角按正弦規(guī)律從90減到0或某個值，再

3、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單相交交變頻電路的工作原理電力電子技術(shù)基礎(chǔ)第三部分 電力電子變換電路整流和逆變狀態(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uo的脈動分量，就可把電路等效成右圖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)脈沖電力電子技術(shù)基礎(chǔ)第三部分 電力電子變換電路整流和逆變狀態(tài) t1t

4、3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)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)第三部分 電力電子變換電路 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方向是否相同確定整流和逆變狀態(tài)電力電子技術(shù)基礎(chǔ)第三部分 電力電子變換電路無環(huán)流工作方式考慮無環(huán)流工作方式下io過零的死區(qū)時間，一周期可分為6段第1

5、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)第三部分 電力電子變換電路交交變頻電路觸發(fā)脈沖的控制方法輸出正弦波電壓的調(diào)制方法：余弦交點法設(shè)Ud0為a = 0時整流電路的理想空載電壓，則有 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 比較以上兩式，應(yīng)使 g 稱為輸出電壓比：電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路余弦交點法余弦交點法基本公式 余弦交點法圖解線電壓uab、 uac 、 ubc 、 uba 、 uc

6、a和ucb依次用u1 u6表示相鄰兩個線電壓的交點對應(yīng)于a=0電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路u1u6所對應(yīng)的同步信號分別用us1us6表示us1us6比相應(yīng)的u1u6超前30，us1us6的最大值和相應(yīng)線電壓a=0的時刻對應(yīng)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(yīng)的同步電壓us1us6的下降段和uo的交點來決定余弦交點法tosincoswga=電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路輸出頻率限制 輸出頻率增高時，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)矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素 就輸出波

7、形畸變和輸出上限頻率的關(guān)系而言，很難確定一個明確的界限 當(dāng)采用6脈波三相橋式電路時，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，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路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，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，由于電流方向改變時死區(qū)的影響，將增加5fo、7fo等次諧波7.5 三相交交變頻電路電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路三相

8、交交變頻交交變頻電路主要應(yīng)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。目前已在軋機主傳動裝置、鼓風(fēng)機、礦石破碎機、球磨機、卷揚機等場合應(yīng)用既可用于異步電動機，也可用于同步電動機傳動電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路三相交交變頻電路的接線方式電路接線方式（正弦電壓波）主要有兩種：公共交流母線進線方式和輸出星形聯(lián)結(jié)方式公共交流母線進線方式 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

9、，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)電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路三相交交變頻電路的接線方式2) 輸出星形聯(lián)結(jié)方式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電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路因為三組的輸出聯(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(fù)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(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)的兩個晶閘管靠雙觸發(fā)脈沖保證同時導(dǎo)通

10、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(dǎo)通三相交交變頻電路的接線方式電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路電壓波、電流波交交變頻電路決定電機轉(zhuǎn)矩的主要因素是電流波形和幅值正弦電壓波交交變頻電路，對電動機控制比較困難；正弦電流波交交變頻電路，對電流進行閉環(huán)控制， 控制電動機比較容易。電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路矩形電流波三相交交變頻電路主電路加入大濾波電感，相當(dāng)于電流源每組導(dǎo)通T/3，各組依次相差T/6電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路直接輸出二重化電流型逆變器各相電流是120度的方波方波諧波含量比較高，較少用于異步電動機調(diào)速系統(tǒng)；常用于無換向器電動機、繞線式異步電

11、動機的超同步串級調(diào)速系統(tǒng)中。電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路交交變頻電路的特點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交交變頻電路缺點：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7.6 矩陣式變頻電路簡介電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路矩陣式變頻電路的結(jié)構(gòu) 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)?三相輸入電壓為ua、 ub和uc 三相輸出電壓為uu、 uv和uw

12、9個開關(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 圖中每個開關(guān)都是矩陣中的一個元素，采用雙向可控開關(guān)，圖b給出了應(yīng)用較多的一種開關(guān)單元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，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，效率較高電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路矩陣式變頻電路的優(yōu)點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為電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路矩陣式變頻電路的基本工作原理

13、式中，Tc開關(guān)周期；ton一個開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)導(dǎo)通時間；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利用三相相電壓把輸入改為三相，就可利用圖b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倍電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路矩陣式變頻電路的基本工作原理a)b)c)UmU1mU23Um12 可利用圖c中6個線電壓包絡(luò)線中所有的陰影部分當(dāng)uuv必須為正弦波時，最

14、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利用三相線電壓用電路圖中第一行和第二行的6個開關(guān)共同作用來構(gòu)造輸出線電壓uuv電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路矩陣式變頻電路的基本工作原理a)b)c)UmU1mU23Um12 電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路矩陣式變頻電路的基本工作原理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，任何時刻只能有一個開關(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，任一時刻必須有一個開關(guān)接通。電力電子技術(shù)

15、第三部分 電力電子變換電路矩陣式變頻電路的基本工作原理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。 縮寫形式 ii s io 式中 ii io T電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路矩陣式變頻電路的基本工作原理對實際系統(tǒng)來說，輸入電壓和所需要的輸出電流是已知的。設(shè)為 式中 Uim、Iom 為輸入電壓和輸出電流的幅值； wi、wo 為輸入電壓和輸出電流的角頻率； jo 為相應(yīng)于輸出頻率的負(fù)載阻抗角。 電力電子技術(shù)第三部分 電力電子變換電路矩陣式變頻電路的基本工作原理 當(dāng)期望的輸入功率因數(shù)為1時，ji =0。 如能求得滿足以上兩式的s ，就可得到希望的輸出電壓和輸入電流。ssT 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(guān)切換時如何實現(xiàn)既無交疊又無死區(qū) 現(xiàn)狀尚未進入實用化，主要原因：所用的開關(guān)器