6-交流交流變流電路

第6章交流交流變流電路20101目錄引言6.1交流調(diào)壓電路6.2其他交流電力控制電路6.3交交變頻電路6.4矩陣式變頻電路本章小結(jié)2引言交流-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，可改變相關(guān)的電壓、電流、頻率和相數(shù)等交流-交流變換電路可以分為直接方式（即無中間直流環(huán)節(jié)）和間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)）兩種。直接方式交流電力控制電路

—只改變電壓、電流或控制電路的通斷，不改變頻率變頻電路

—改變頻率，大多不改變相數(shù)，也有改變相數(shù)的3引言交流電力控制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，控制晶閘管的通斷就可控制交流電力不改變交流電的頻率交流調(diào)壓電路－－

每半個(gè)周波控制晶閘管的開通相位，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)－－根據(jù)需要接通或斷開電路46.1交流調(diào)壓電路應(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56.1.1單相交流調(diào)壓電路（電阻負(fù)載）66.1.1單相交流調(diào)壓電路（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（a=0）均為電壓過零時(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76.1.1單相交流調(diào)壓電路（電阻負(fù)載）負(fù)載電壓有效值輸出電壓與a的關(guān)系移相范圍為0≤a≤p。a=0時(shí)，輸出電壓為最大，Uo

=U1。隨a的增大，Uo降低，a=p

時(shí)，Uo=0。86.1.1單相交流調(diào)壓電路（電阻負(fù)載）負(fù)載電流有效值

晶閘管電流有效值96.1.1單相交流調(diào)壓電路（電阻負(fù)載）功率因數(shù)功率因數(shù)l與a的關(guān)系：a=0時(shí)，l=1；a

增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，l降低106.1.1單相交流調(diào)壓電路（阻感負(fù)載）111213141516171819例6-1

一單相交流調(diào)壓器，輸入交流電壓為220V，50Hz，負(fù)載為電阻電感，其中R=8W，XL=6W。試求

=

/6、

/3時(shí)的輸出電流有效值及輸出功率和功率因數(shù)。解：負(fù)載阻抗及負(fù)載阻抗角分別為：

因此開通角

的變化范圍為：

即20功率因數(shù)為實(shí)際上，此時(shí)的功率因數(shù)也就是負(fù)載阻抗角的余弦。②當(dāng)

=

/3時(shí)，先計(jì)算晶閘管的導(dǎo)通角，由式（6-7）得

解上式可得晶閘管導(dǎo)通角為：①當(dāng)

=

/6時(shí)，由于

<

，因此晶閘管調(diào)壓器全開放，輸出電壓為完整的正弦波，負(fù)載電流也為最大，此時(shí)輸出功率最大，為

21晶閘管電流的有效值為輸出電流的有效值為輸出功率為功率因數(shù)為22斬控式交流調(diào)壓電路工作原理V1、V2、VD1、VD2構(gòu)成一雙向可控開關(guān)基本原理和直流斬波電路有類似之處，只是輸入為正弦交流電壓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)流通道改變導(dǎo)通比a

可調(diào)節(jié)輸出電壓23斬控式交流調(diào)壓電路電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形特點(diǎn)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1246.1.2三相交流調(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)25星形聯(lián)結(jié)電路三相四線基本原理：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(shí)，零線電流甚至和各相電流的有效值接近26星形聯(lián)結(jié)電路三相三線（電阻負(fù)載時(shí)的情況）任一相在導(dǎo)通時(shí)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°相電壓過零點(diǎn)定為a的起點(diǎn)，a角移相范圍是0～150°27星形聯(lián)結(jié)電路三相三線（電阻負(fù)載時(shí)的情況）三相中各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載相電壓等于電源相電壓兩相中各有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通，而另一相不導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通相的負(fù)載相電壓等于電源線電壓的一半28星形聯(lián)結(jié)電路（三相三線）(1)0o≤a

<60o：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通的交替狀態(tài)，每管導(dǎo)通180o－a

。但a=0o時(shí)一直是三管導(dǎo)通(2)60o≤a<90o：任何時(shí)刻都是兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120o(3)90o≤a

<150o：兩管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通的交替狀態(tài)，每管導(dǎo)通300o－2a，但被分割為不連續(xù)的兩部分a)a=30°b)a=60°c)a=120°不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形29星形聯(lián)結(jié)電路（三相三線）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，沒有3倍次諧波，因三相對(duì)稱時(shí)，它們不能流過三相三線電路30支路控制三角聯(lián)結(jié)電路工作原理由三個(gè)單相交流調(diào)壓電路組成，它們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31支路控制三角聯(lián)結(jié)電路諧波情況

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326.2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—交流電力電子開關(guān)336.2.1交流調(diào)功電路交流調(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)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率34交流調(diào)功電路的應(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356.2.1交流調(diào)功電路電阻負(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)斷當(dāng)M=3、N=2時(shí)的電路波形如右圖負(fù)載電壓和負(fù)載電流（也即電源電流）的重復(fù)周期為M倍電源周期交流調(diào)功電路典型波形（M=3、N=2）366.2.1交流調(diào)功電路諧波情況右圖為頻譜圖（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交流調(diào)功電路的電流頻譜圖（M=3、N=2）376.2.2交流電力電子開關(guān)電路：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386.3交交變頻電路采用晶閘管的交交變頻電路，也稱周波變流器（Cycloconverter）交交變頻電路—把電網(wǎng)頻率的交流電直接變成可調(diào)頻率的交流電由于沒有中間直流環(huán)節(jié)，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單相輸出交交變頻電路稱為單相交交變頻電路三相輸出交交變頻電路稱為三相交交變頻電路396.3.1單相交交變頻電路--電路構(gòu)成由正組P和反組N反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成變流器P和N都是相控整流電路正組P工作時(shí)，負(fù)載電流io為正；反組N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40單相交交變頻電路工作原理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41單相交交變頻電路工作原理為使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)讓正組P的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)反組N進(jìn)行同樣的控制42單相交交變頻電路工作原理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改變控制角a的變化周期，就可以改變輸出正弦電壓uo的頻率改變最小控制角amin的數(shù)值，就可以改變輸出正弦電壓uo的幅值43單相交交變頻電路整流與逆變工作狀態(tài)以阻感負(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(shí)，封鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖44單相交交變頻電路整流與逆變工作狀態(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)45單相交交變頻電路整流與逆變工作狀態(tài)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)46單相交交變頻電路整流與逆變工作狀態(tài)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47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，為反組整流單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形48uo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)單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形49單相交交變頻電路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 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比較上述兩式，應(yīng)使

g

稱為輸出電壓比：50余弦交點(diǎn)法不同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51單相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20Hz2)輸入功率因數(shù)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°，位移因數(shù)越低52單相交交變頻電路輸入輸出特性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)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)制與可控整流電路相比，交交變頻電路輸入電流的頻譜復(fù)雜，但各次諧波的幅值較小536.3.2三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電路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54公共交流母線進(jìn)線方式由三組彼此獨(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)公共交流母線進(jìn)線三相交交變頻電路55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(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組也是星形聯(lián)結(jié)

a）簡(jiǎn)圖b）詳圖輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路56三相交交變頻電路的接線方式電動(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57三相交交變頻電路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總輸入電流由三個(gè)單相的同一相輸入電流合成而得到58三相交交變頻電路輸入輸出特性輸入電流有些諧波相互抵消，諧波種類有所減少，總的諧波幅值也有所降低諧波頻率為 和

式中，k=1,2,3,…；l=0,1,2,…。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59三相交交變頻電路輸入輸出特性輸入功率因數(shù)三相總輸入功率因數(shù)應(yīng)為

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60改善輸入功率因數(shù)和提高輸出電壓基本思路輸出星形聯(lián)結(jié)的三相交交變頻電路中，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，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。61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62梯形波輸出控制方式（交流偏置）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63梯形波輸出控制方式（交流偏置）正弦波輸出控制方式中，最大輸出正弦波相電壓的幅值為三相橋式電路當(dāng)a＝0時(shí)直流輸出電壓值Ud0和正弦波相比，在同樣幅值的情況下，梯形波中的基波幅值可提高15%左右采用梯形波輸出控制方式就可以使變頻器的輸出電壓提高約15％64三相交交變頻電路的優(yōu)缺點(diǎn)直接變頻電路：即交交變頻電路，把一種頻率的交流直接變成可變頻率的交流間接變頻電路：又稱為交直交變頻電路，即先把交流變換成直流，再把直流逆變成可變頻率的交流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65三相交交變頻電路的優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：接線復(fù)雜，如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66三相交交變頻電路的應(yīng)用交交變頻電路主要用于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)、卷揚(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)676.4矩陣式變頻電路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b給出了應(yīng)用較多的一種開關(guān)單元686.4矩陣式變頻電路特點(diǎn)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)淙噍斎腚妷簽閡a、ub和uc三相輸出電壓為uu、uv和uw