第4章 交流電力控制電路和交交變頻電路

1第4章交流電力控制電路和交交變頻電路2概述本章講述內(nèi)容屬于交流-交流變流電路:即將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.包括:1)交流電力控制電路2)變頻電路31)交流電力控制電路:只改變電壓、電流或?qū)﹄娐返耐〝噙M(jìn)行控制,不改變頻率.

交流調(diào)壓電路(4.1)

交流調(diào)功電路(4.2)

交流電力電子開(kāi)關(guān)(無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān))(4.2)42)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-直接變頻電路(4.3,4.4)

交直交變頻電路(第8章)54.1交流調(diào)壓電路交流電力控制電路兩個(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，包括：Ru1uoioVT1VT26交流調(diào)壓電路:每半個(gè)周波控制晶閘管開(kāi)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(kāi)關(guān):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(kāi)電路.7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84.1.1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(kāi)通角α進(jìn)行控制,可以調(diào)節(jié)輸出電壓α9正負(fù)半周α=0均為電壓過(guò)零時(shí)刻,穩(wěn)態(tài)時(shí),正負(fù)半周的α相等負(fù)載電壓波形是電源電壓波形的一部分,電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流(即電源電流)和負(fù)載電壓的波形相同α10數(shù)量關(guān)系負(fù)載電壓有效值負(fù)載電流有效值11晶閘管電流有效值功率因數(shù)12輸出電壓與α的關(guān)系:移相范圍為0≤α≤π,α=0時(shí),輸出電壓為最大,Uo=U1.隨α的增大Uo降低,α=π時(shí),Uo=0.λ與α的關(guān)系:α=0時(shí),功率因數(shù)λ=1,α增大,輸入電流滯后于電壓且畸變,λ降低.132．阻感負(fù)載阻感負(fù)載時(shí)α的移相范圍負(fù)載阻抗角:Φ=arctan(ωL/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Φio14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.α=0時(shí)刻仍定為u1過(guò)零的時(shí)刻,α的移相范圍應(yīng)為Φ≤α≤π.io15負(fù)載電流方程解方程得qawajajwjwa+￡￡úú?ùêê?é---=-tetZUittg1o)sin()sin(2(4-5)(4-6)16α=φ時(shí),θ=180α=180時(shí),θ=0利用邊界條件ωt=α+θ時(shí)io=0,可求得θ17數(shù)量關(guān)系負(fù)載電壓有效值18晶閘管電流有效值負(fù)載電流有效值19單相交流調(diào)壓電路α為參變量時(shí)IVTN和α關(guān)系曲線如下設(shè)IVTN

為IVT的標(biāo)么值α=φ，負(fù)載電流有效值20α<φ時(shí)的工作情況VT1提前導(dǎo)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.21io過(guò)零后,VT2開(kāi)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α≤ωt<∞.過(guò)渡過(guò)程和帶R-L負(fù)載的單相交流電路在ωt=α(α<φ)時(shí)合閘的過(guò)渡過(guò)程相同.22io由兩個(gè)分量組成:正弦穩(wěn)態(tài)分量、指數(shù)衰減分量.穩(wěn)態(tài)時(shí),與α=φ的工作狀態(tài)完全相同.233．單相交流調(diào)壓電路的諧波分析電阻負(fù)載的情況(n=3,5,7,…)24基波和各次諧波有效值(n=1,3,5,7,…)負(fù)載電流基波和各次諧波有效值I*為α=0時(shí)電流有效值25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),隨著阻抗角的增大,諧波含量有所減少264．?dāng)乜厥浇涣髡{(diào)壓電路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27u1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(kāi)關(guān)周期為T(mén),則導(dǎo)通比α=ton/T,改變?chǔ)量烧{(diào)節(jié)輸出電壓.28斬控式交流調(diào)壓電路特性電阻負(fù)載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(kāi)關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波電路功率因數(shù)接近1294.1.2三相交流調(diào)壓電路聯(lián)結(jié)形式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)301．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(kāi)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31問(wèn)題:三相中3倍次諧波同相位,全流過(guò)零線.α=90°時(shí),零線電流甚至和相電流的有效值接近32三相三線電阻負(fù)載時(shí)的工作原理任一相導(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)33觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣,為VT1-VT6,相位依次相差60°相電壓過(guò)零點(diǎn)定為α的起點(diǎn),α角移相范圍是0-150°34(1)0≤α<60三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替,每管導(dǎo)通180-α.α=0時(shí)一直是三管導(dǎo)通.α=30°時(shí)a相負(fù)載電壓uan’波形如圖。35(2)60°≤α<90°:兩管導(dǎo)通,每管導(dǎo)通120°。圖為α=60°時(shí)a相負(fù)載電壓波形雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)36(3)90°≤α<150°:兩管導(dǎo)通與無(wú)晶閘管導(dǎo)通交替,導(dǎo)通角度為300°-2α.圖為α=120°時(shí)a相負(fù)載電壓波形。雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)37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?yàn)槿鄬?duì)稱時(shí),它們不能流過(guò)三相三線電路382．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：（1）單相交流調(diào)壓電路的分析方法和結(jié)論完全適用；（2）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。39諧波情況（1）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（2）線電流中所諧波次數(shù)為6k±1(k為正整數(shù))（3）在相同負(fù)載和α角時(shí),線電流中諧波含量少于三相三線星形電路40典型用例：晶閘管控制電抗器(TCR)(1)α移相范圍為90-180(2)控制α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41（3）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,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424.2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：交流電力電子開(kāi)關(guān)43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(kāi)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4.2.1交流調(diào)功電路44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45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M=3、N=2時(shí)的電路波形如圖負(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46諧波情況頻譜圖(以控制周期為基準(zhǔn))中,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474.2.2交流電力電子開(kāi)關(guān)晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路作用:代替機(jī)械開(kāi)關(guān),起接通和斷開(kāi)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48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(kāi)控制頻度通常比交流調(diào)功電路低得多49晶閘管投切電容器(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(kāi)關(guān)投切的電容器兩個(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(kāi)的作用（圖a）50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b）,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51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52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53TSC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544.3交交變頻電路交交變頻電路：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554.3.1單相交交變頻電路1.電路構(gòu)成和基本工作原理如圖,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(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56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ωo；改變變流電路的控制角α,就可以改變交流輸出電壓的幅值57正弦規(guī)律調(diào)制在半個(gè)周期內(nèi)讓P組α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)行同樣的控制三相半波電路波形58uo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592．整流與逆變工作狀態(tài)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,就可把電路等效成如圖所示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)60設(shè)負(fù)載阻抗角為Φ,則輸出電流滯后輸出電壓Φ.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Φ61工作狀態(tài)分析t1-t3期間:io正半周,正組工作,反組被封鎖t3-t5期間:io負(fù)半周,反組工作,正組被封鎖Φ62哪一組工作由io方向決定,與uo極性無(wú)關(guān)交流電路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Φ63波形分析第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段是無(wú)環(huán)流死區(qū)第6段io<0,uo<0,為反組整流64uo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)653．輸出正弦波電壓的調(diào)制方法—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(式2-15)期望的正弦波輸出電壓為66每次控制(換流)a角不同,表示每次控制間隔內(nèi)uo的平均值比較以上兩式，應(yīng)使γ稱為輸出電壓比余弦交點(diǎn)法基本公式67余弦交點(diǎn)法圖解Us是與交流電源同步的余弦信號(hào)68線電壓uab,uac,ubc,uba,uca,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；u1-u6所對(duì)應(yīng)的且與之同步的余弦信號(hào)分別用us1-us6表示；69以u(píng)s1和u1為例,us1比u1超前30°,使us1的最大值與u1的α=0對(duì)應(yīng),故以α=0為零時(shí)刻,us1為余弦信號(hào)(0-180°)希望輸出電壓為uo,則各晶閘管每次觸發(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70不同γ時(shí),在uo一周期,α隨ωot變化的情況γ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714．交交變頻電路輸入輸出特性(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72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20Hz73因?yàn)椴捎孟辔豢刂品绞?，輸入電流相位滯后于輸入電?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γ越小,半周期內(nèi)a的平均值越靠近90°（2）輸入功率因數(shù)74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)功電流總是滯后的75(3)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)76采用三相橋時(shí),輸出電壓所含主要諧波的頻率有：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等次諧波采用三相橋式電路的交交變頻電路輸入電流諧波頻率有：77(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K=1,2,3…,l=0,1,2,3…78和可控整流電路輸入電流的諧波相比,交交變頻電路的輸入電流的頻譜要復(fù)雜得多,但各次諧波的幅值要比可控整流電路的諧波幅值小794.3.2三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.電路的接線方式主要有兩種:公共交流母線進(jìn)線方式輸出星形聯(lián)結(jié)方式80

由三組彼此獨(dú)立的、輸出電壓相位相互錯(cuò)開(kāi)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1)公共交流母線進(jìn)線方式81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(kāi)主要用于中等容量的交流調(diào)速系統(tǒng)82三組單相交交變頻電路的輸出端是星形聯(lián)結(jié),電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組也是星形聯(lián)結(jié)。2)輸出星形聯(lián)結(jié)方式83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。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84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四個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通才能構(gòu)成回路,形成電流85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862．輸入輸出特性輸出上限頻率和輸出電壓諧波與單相交交變頻電路一致，輸入電流和功率因數(shù)有差別。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87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88正組反組輸入功率因數(shù)（1）三相總輸入功率因數(shù)應(yīng)為（2）三相電路總的有功功率為各相有功功率之和8990（3）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?。?）三相總輸入功率因數(shù)要高于單相交交變頻電路913．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.92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α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α將減小,但變頻器輸出線電壓并不改變+93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94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)）,α較小,因此輸入功率因數(shù)可提高15%左右如圖所示的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95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(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96交交變頻電路的缺點(diǎn):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97交交變頻電路的主要應(yīng)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(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)984.4矩陣式變頻電路矩陣式變頻電路是一種直接變頻電路所用開(kāi)關(guān)器件為全控型控制方式不是相控方式而是斬控方式三相輸入電壓為ua，ub和uc；三相輸出電壓為uu，uv和uw

圖4-28999個(gè)開(kāi)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MC或矩陣變換器每個(gè)開(kāi)關(guān)都是矩陣中的一個(gè)元素，采用雙向可控開(kāi)關(guān)圖4-28100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101矩陣式變頻電路的基本工作原理1，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T(mén)c：開(kāi)關(guān)周期；ton：一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間；σ：占空比102不同的開(kāi)關(guān)周期中采用不同的σ，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，可利用的輸入電壓只有如圖a所示的陰影部分，因此uo將受到很大的局限，無(wú)法得到所需輸出波形圖4-29構(gòu)造輸出電壓時(shí)可利用的輸入電壓部分a)單相輸入b)三相輸入相電壓構(gòu)造輸出相電壓c)三相輸出線電壓構(gòu)造輸出線電壓1032，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如由uaubuc構(gòu)造uu，理論上所構(gòu)造的uu的頻率可不受限制如果uu必須為正弦波,則其最大幅值僅為輸入相電壓幅值的0.5倍

圖4-29構(gòu)造輸出電壓時(shí)可利用的輸入電壓部分a)單相輸入b)三相輸入相電壓構(gòu)造輸出相電壓c)三相輸出線電壓構(gòu)造輸出線電壓1043，利用三相線電壓用第一行和第二行6個(gè)開(kāi)關(guān)共同作用來(lái)構(gòu)造輸出線電壓uuv可利用圖c中6個(gè)線電壓包絡(luò)線中所有的陰影部分

圖4-29構(gòu)造輸出電壓時(shí)可利用的輸入電壓部分a)單相輸入b)三相輸入相電壓構(gòu)造輸出相電壓c)三相輸出線電壓構(gòu)造輸出線電壓105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，這也是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a)單相輸入b)三相輸入相電壓構(gòu)造輸出相電壓c)三相輸出線電壓構(gòu)造輸出線電壓1064,利用對(duì)開(kāi)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S11，S12和S13只能有一個(gè)開(kāi)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(kāi)路，任一時(shí)刻必須有一個(gè)開(kāi)關(guān)接通107u相輸出電壓uu和各相輸入電壓的關(guān)系為

式中σ11,σ12,σ13是一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)S11,S12,S13的導(dǎo)通占空比108對(duì)于三相輸出，有可縮寫(xiě)為uo=σui(4-28)σ稱為調(diào)制矩陣。109σ的各元素確定后,輸入電流ia,ib,ic和輸出電流iu,iv,iw的關(guān)系也就確定了110設(shè)輸入電壓和所需要的輸出電流為式中Uim,Iom:輸入電壓和輸出電流幅值；ωi，ωo：輸入電壓和輸出電流的頻率；φo：輸出頻率的負(fù)載阻抗角111變頻電路希望的輸出電壓和輸入電流分別為式中Uom,Iim為輸出電壓和輸入電流的幅值；φi:輸入電流滯后于電壓的相位角112當(dāng)期望的輸入功率因數(shù)為1時(shí),φi=0.把式(4-31)-式(4-34)代入式(4-27)和式(4-29),可得如能求得滿足式(4-35)和式(4-36)的調(diào)制矩陣σ,就可得到希望的輸出電壓和輸入電流113要使矩陣式變頻電路能夠很好地工作,需解決的兩個(gè)基本問(wèn)題如何求取理想的調(diào)制矩陣σ開(kāi)關(guān)切換時(shí)如何實(shí)現(xiàn)既無(wú)交疊又無(wú)死區(qū)114現(xiàn)狀，尚未進(jìn)入實(shí)用化,主要原因:所用的開(kāi)關(guān)器件為18個(gè),電路結(jié)構(gòu)較復(fù)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(jī)調(diào)速時(shí)輸出電壓偏低115十分突出的優(yōu)點(diǎn):有十分理想的電氣性能和目前廣泛應(yīng)用的交直交變頻電路相比,雖多用了6個(gè)開(kāi)關(guān)器件,卻省去了直流側(cè)大電容,將使體積減小,且容易實(shí)現(xiàn)集成化和功率模塊化器件制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異,矩陣式變頻電路將有很好的發(fā)展前景116本章小結(jié)(1)交交變流電路的基本概念及分類;(2)單相交流調(diào)壓電路的電路構(gòu)成,在電阻負(fù)載和阻感負(fù)載時(shí)的工作原理和電路特性;(3)三相交流調(diào)壓電路的基本構(gòu)成和基本工作原理;(4)交流調(diào)功電路和交流電力電子開(kāi)關(guān)的基本概念;117(5)晶閘管相位