第4章 交流電力控制電路和交交.ppt

1、引言 4.1 交流調(diào)壓電路 4.2 其他交流電力控制電路 4.3 交交變頻電路 4.4 矩陣式變頻電路 本章要點(diǎn),第4章 交流電力控制電路和交交變頻電路,本章主要講述 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,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(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)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(kāi)電路。,4.1交流調(diào)壓電路,原理 兩個(gè)晶閘管反并 聯(lián)后

2、串聯(lián)在交流電路 中，通過(guò)對(duì)晶閘管的 控制就可控制交流電 力。,電路圖,應(yīng)用 1 燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制)。 2 異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)。 3 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。 4 供用電系統(tǒng)對(duì)無(wú)功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。 5 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。,4.1.1 單相交流調(diào)壓電路 4.1.2 三相交流調(diào)壓電路,4.1.1單相交流調(diào)壓電路,1)電阻負(fù)載,圖4-1 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形,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； 負(fù)載

3、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,數(shù)量關(guān)系 負(fù)載電壓有效值 負(fù)載電流有效值： 晶閘管電流有效值： 功率因數(shù)：,4.1.1單相交流調(diào)壓電路,4.1.1單相交流調(diào)壓電路,圖4-1 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形,輸出電壓與 的關(guān)系: 移相范圍為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 a 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。,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，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

4、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 。,2)阻感負(fù)載,圖4-2 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形,負(fù)載阻抗角： j = arctan(wL / R),VT1,阻感負(fù)載時(shí)的工作過(guò)程分析 在t= a時(shí)刻開(kāi)通VT1，負(fù)載電流滿足 解方程得 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： VT2導(dǎo)通時(shí)，上述關(guān)系完全相同，只是io極性相反，相位差180,q,0,20,100,60,140,180,20,100,60,/,(,),180,140,a,/,(,),j,= 90,75,60,45,30,15,0,圖4-3 單相交流調(diào)壓電路以a為參變量

5、的和a關(guān)系曲線,wt = a 時(shí)刻開(kāi)通晶閘管VT1，可求得 （47）,當(dāng) a = j 時(shí) = 當(dāng) a j 時(shí) ,以j 為參變量，利用（47)可把a(bǔ) 和 的關(guān)系表示成右圖。,負(fù)載電壓有效值 晶閘管電流有效值,圖4-4 單相交流調(diào)壓電路a為參變量時(shí)I VTN和a關(guān)系曲線,j,= 90,0,.,1,0,.,2,0,.,3,0,.,4,0,.,5,160,180,0,40,120,80,75,60,45,j,= 0,a,/,(,),I,VTN,負(fù)載電流有效值 (4-10) IVT的標(biāo)么值 (4-11),圖4-5 aj時(shí)阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形,當(dāng)阻感負(fù)載, a j 時(shí)電路工作情況。,圖4-2 阻感

6、負(fù)載單相交流調(diào)壓電路,VT1的導(dǎo)通時(shí)間超過(guò) 。 觸發(fā)VT2時(shí)， io尚未過(guò)零， VT1仍導(dǎo)通， VT2不會(huì)導(dǎo)通。io過(guò)零后，VT2才可開(kāi)通，VT2導(dǎo)通角小于。 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)。,3) 單相交流調(diào)壓電路的諧波分析,電阻負(fù)載,由于波形正負(fù)半波對(duì)稱，所以不含直流分量和偶次諧波。 (4-12) 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,電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)載時(shí)相同，也只含3、5、7

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。,阻感負(fù)載,4) 斬控式交流調(diào)壓電路,在交流電源u1的正半周,圖4-7 斬控式交流調(diào)壓電路,用V1進(jìn)行斬波控制,用V3給負(fù)載電流提供續(xù)流通道,用V2進(jìn)行斬波控制,用V4給負(fù)載電流提供續(xù)流通道,圖4-7 斬控式交流調(diào)壓電路,在交流電源u1的負(fù)半周,特性,圖4-8 電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形,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。 功率因數(shù)接近1。,4.1.2 三相交流調(diào)壓電

8、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,三線四相 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?；ê?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。,1) 星形聯(lián)結(jié)電路 可分為三線三相和三線四相,圖4-9 三相交流調(diào)壓電路 a) 星形聯(lián)結(jié),三相三線，主要分析阻負(fù)載時(shí)的情況,圖4-9 三相交流調(diào)壓電路 a) 星形聯(lián)結(jié),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)。 同一相上兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)脈

9、沖相180 ；三相上同向的晶閘管觸發(fā)脈沖彼此相差120 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。,(1)0 a 60：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180a 。但a =0時(shí)一直是三管導(dǎo)通。,圖4-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形 a) a =30,圖4-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形 b) a =60,(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 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形 c) a =120,諧波情況,電流諧波次數(shù)為6k1(k=1，2，3，)，和三相橋式全控整流

10、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。,2） 支路控制三角聯(lián)結(jié)電路,圖49三相交流調(diào)壓電路,c)支路控制三角形聯(lián)結(jié),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,c)支路控制三角形聯(lián)結(jié),圖49三相交流調(diào)壓電路,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))。 在相同負(fù)載和a 角時(shí)，線電流中諧波含量少于

11、三相三線星形電路。,典型用例晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR）,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。,圖4-11 晶閘管控制電抗器(TCR)電路,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。,圖4-11 晶閘管控制電抗器(TCR)電路,仿真波形 仿真工具為PECS 2.0,圖4-12 TCR電路負(fù)載相電流和輸入線電流波形 a) =120 b) =135 c)

12、 =160,a）,b）,c）,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(kāi)關(guān),4.2.1 交流調(diào)功電路,交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同比較,相同點(diǎn) 電路形式完全相同 不同點(diǎn) 控制方式不同 交流調(diào)壓電路在每個(gè)電源周期都對(duì)輸出電壓波形進(jìn)行控制。 交流調(diào)功電路是將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)周期,在斷開(kāi)幾個(gè)周期,通過(guò)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。,電阻負(fù)載時(shí)的工作情況,2,p,N,圖41電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路,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。 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。,諧波情況,0,

13、12,14,諧波次數(shù),相對(duì)于電源頻率的倍數(shù),圖4-14交流調(diào)功電路的 電流頻譜圖(M =3、N =2),2,4,6,10,8,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,0,5,1,2,3,4,I,n,/,I,0m,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。,4.2.2 交流電力電子開(kāi)關(guān),概念 把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機(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

14、。,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。,晶閘管投切電容（Thyristor SwitchedCapacitorTSC）,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,作用 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。 結(jié)構(gòu)和原理 晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路。 實(shí)際常用三相，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié)。,晶閘管的投切 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

15、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4-16 TSC理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明,在本次導(dǎo)通開(kāi)始前，電容器的端電壓uc已由上次導(dǎo)通時(shí)段最后導(dǎo)通的晶閘管VT1充電至電源電壓us的正峰值。本次導(dǎo)通開(kāi)始時(shí)刻取為us和uc相等時(shí)刻t1，給VT2觸發(fā)脈沖使之開(kāi)通，電容電流ic開(kāi)始流通。以后每半個(gè)周波輪流觸發(fā)VT1和VT2，電路繼續(xù)導(dǎo)通。 需要切除這條電容支路時(shí)，如在t2時(shí)刻ic已降為零，VT2關(guān)斷，這時(shí)撤除觸發(fā)脈沖，VT1就不會(huì)導(dǎo)通，uc保持在VT2導(dǎo)通結(jié)束時(shí)的電源電壓負(fù)峰值，為下一次投入電容

16、器做了準(zhǔn)備。,圖4-16 TSC理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明,TSC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4-16 TSC理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明,4.3 交交變頻電路,4.3.1 單相交交變頻器 4.3.2 三相交交變頻器,4.3.1 單相交交變頻器,晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor) 把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電的變流電路，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)際使用的主要是三相輸出交交變頻電路。,1)電路構(gòu)成

17、和基本工作原理,圖4-18 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形,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。,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。,圖4-18 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形,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

18、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。,2) 整流與逆變工作狀態(tài),圖4-19 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài),阻感負(fù)載為例，也適用于交流電動(dòng)機(jī)負(fù)載。 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。

19、,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),圖4-19 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài),圖4-19 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(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)。,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)。,圖4-19 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài),小結(jié)： 哪一組工作由io方向

20、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。,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)。 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。,圖4-20 單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形,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 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,3)輸出

21、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。,圖4-21 余弦交點(diǎn)法原理,設(shè)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：,圖4-21 余弦交點(diǎn)法原理,圖4-21 余弦交點(diǎn)法原理,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。,u1u6所對(duì)應(yīng)的同步信號(hào)分別用us1us

22、6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(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 余弦交點(diǎn)法原理,不同g 時(shí)，在uo一周期內(nèi)， a 隨 w ot 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) 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

23、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。,圖4-23 單相交交 變頻電路的功率因數(shù),(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。,(3) 輸出電壓諧波 輸出電壓的諧波頻譜非

24、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。,(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,。,4.3.2 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。,

25、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。,(1)公共交流母線進(jìn)線方式,圖4-24 公共交流母線進(jìn)線三相交交變頻電路（簡(jiǎn)圖）,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。 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)。,(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(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,三

26、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,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。,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,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。,2)

27、 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。,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,200,t,/,ms,200,t,/,ms,圖4-26 交交變頻電路的輸入電流波形,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fi6fo、5fi 、5fi6fo 、 7fi 、 7fi6fo 、 11fi 、 11fi6fo fi12fo等。其中5fi次諧波的

28、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,200,t,/,ms,200,t,/,ms,圖4-26 交交變頻電路的輸入電流波形,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,3) 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)

29、，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。,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

30、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。值可,圖4-27 梯形波控制方式的理想輸出電壓波形,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)： 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。,效率較高（一次變流） 可方便地實(shí)現(xiàn)四象限工作 低頻輸出波形接近正弦波,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

31、。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)。,4.4 矩陣式變頻器,簡(jiǎn)介： 是近年出現(xiàn)的一種新穎的變頻電路。 是直接變頻電路 ，采用的開(kāi)關(guān)器件是全控型。 控制方式是斬波控制。 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： 三相輸入電壓為ua、 ub和uc 三相輸出電壓為uu、 uv和uw,圖4-28 矩陣式變頻器,9個(gè)開(kāi)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(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4-28b給出了應(yīng)用較多的一種開(kāi)關(guān)單元。,圖4-28 矩陣式變頻器,優(yōu)點(diǎn) 輸

32、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。,矩陣式變頻電路的基本工作原理,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(kāi)關(guān)周期；ton 一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間；s 占空比。,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) 三相輸入構(gòu)造輸出相電壓 c) 三相輸出構(gòu)造輸出線電壓,不同的開(kāi)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u

33、o 。 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。,a),b),c),U,m,U,1m,U,2,3,U,m,1,2,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) 三相輸入構(gòu)造輸出相電壓 c) 三相輸出構(gòu)造輸出線電壓,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。,a),b),c),U,m,U,1m,U,2,3,U,m,1,2

34、,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) 三相輸入構(gòu)造輸出相電壓 c) 三相輸出構(gòu)造輸出線電壓,利用三相線電壓 用圖4-28a中第一行和第二行的6個(gè)開(kāi)關(guān)共同作用來(lái)構(gòu)造輸出線電壓uuv 。,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 a)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,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(kāi)關(guān)S11、 S12和S1