电力电子技术第6章交流电力控制电路和交-交变频电路

1、1 2 本章主要讲述 交流交流-交流变流电路交流变流电路 把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路 变频电路改变频率的电路 交交变频 直接 交直交变频 间接 交流电力 控制电路 只改变电压,电 流或控制电路 的通断,而不改 变频率的电路。 交流调压电路 相位控制 交流调功电路 通断控制 3 斩波控制：利用脉宽调制技术将交流电压波形分割成脉冲列，改变脉冲 的占空比即可调节输出电压大小。 其输出可连续调节，谐波含量小，基本上克服了相位及通断控制的缺 点。由于实现斩波控制的调压电路半周内需要实现较高频率的通、断， 不能采用晶闸管，须采用高频自关断器件，如GTR、GTO、MOSFET、 IGBT等。

2、交流电力控制电路的三种控制方式： 调压 电路 调功 电路 4 原理原理 两个晶闸管反并联后串联在交 流电路中，通过对晶闸管的控 制就可控制交流输出。 电路图 应用应用 1 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。 2 异步电动机软起动。异步电动机软起动。 3 异步电动机调速。异步电动机调速。 4 供用电系统对无功功率的连续调节。供用电系统对无功功率的连续调节。 5 在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次 电压。电压。 VTVT 5 6 O u 1 u o i o u VT wt Owt Owt

3、 Owt 输出电压与输出电压与 的关系的关系: 移相范围为0 a 。 a =0时， 输出电压为最大 。 Uo=U1, 随 a 的增大，Uo降低， a =时， Uo =0。 与与 a 的关系的关系: a =0时，功率因数 =1，a 增大， 输入电流滞后于输入电压且畸 变，降低。 7 若晶闸管短接，稳态时负载 电流为正弦波，相位滞后于u1 的角度为j；当用晶闸管控制时， 只能进行滞后控制，使负载电 流更为滞后。 a =0时刻仍定为u1过零的 时刻，a 的移相范围应为j a 。 2) 阻感负载阻感负载 图6-2 电阻负载单相交流调压电路及其波形 负载阻抗角： j = arctan(wL / R) V

4、T1 8 q 02010060140180 20 100 60 /( ) 180 140 a /( ) j = 90 75 60 45 30 15 0 图6-3 单相交流调压电路以a 为参变量的和a关系曲线 wt = t = a 时刻开通晶闸管 VT1，可求得 （67） j q jajqa tg )sin()sin( e 当 a = j 时 = 当 a j 时 以j 为参变量，利用（6 7)可把a 和 的关系表 示成右图。 9 基本的数量关系基本的数量关系 负载电压有效值负载电压有效值Uo )22sin(2sin 2 1 )()sin2( 1 1 2 1o qaa q ww qa a U td

5、tUU 晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值IVT j qjaq q wjajw qa a j wa cos )2cos(sin 2 )d()sin()sin( 2 2 1 1 2 tg1 VT Z U tet Z U I t (6-8) (6-9) 10 图6-4 单相交流调压电路a为参变量时I VTN和a关系曲线 j = 90 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 16018004012080 75 60 45 j = 0 a /( ) IVTN 负载电流有效值 (6-10) IVT的标么值 (6-11) 1 2U Z IIVTVTN VTII20 22 )( LRZw 11 当阻感负载,

6、a = j 时 = 图6-2 阻感负载单相交流调压电路 负载电流io 连续， 该工况下两个晶 闸管相当于两个 二极管，或输入 输出直接相连， 输出电压及电流 连续，无调压作 用。 12 图6-5 aj时阻感负载交流调压电路工作波形 wt wt wt wt 图4-5 a a a qO O O O u1 iG1 iG2 ioj iT1 iT2 当阻感负载, a j 时电 路工作情况: 图6-2 阻感负载单相交流调压电路 VT1的导通时间超过 。 触发VT2时， io尚未 过零， VT1仍导通， VT2不会导通。io过零 后，VT2才可开通， VT2导通角小于。 衰减过程中， VT1导 通时间渐短，

7、 VT2的 导通时间渐长。 稳态时工作情况与a = 相同 13 3) 单相交流调压电路的谐波分析 电阻负载 由于波形正负半波对称，所以不含直流分 量和偶次谐波。 (6-12) 基波和各次谐波有效值 (6-13) 负载电流基波和各次谐波有效值 (6-14) 电流基波和各次谐波标么值随 a变化 的曲线（基准电流为a =0时的有效值） 如图6-6所示。 ,5,3, 1 o )sincos()( n nn tnbtnatuwww 22 on 2 1 nn baU RUI/ onon 060120180 图4-6 基波 3次 5次 7次 触发延迟角a/( ) In/I*/% 20 40 60 80 10

8、0 图6-6 电阻负载单相交流调 压电路基波和谐波电流含量 14 电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3、5、7 等次谐波。 随着次数的增加，谐波含量减少。 和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一 些。 当a 角相同时，随着阻抗角j 的增大，谐波含量有所 减少。 阻感负载 15 4) 斩控式交流调压电路 在交流电源u1的正半周 R L 图4-7 u1 i1 uo V1 V2 VD 1 VD 2 V3 V4 VD 4 VD 3 图6-7 斩控式交流调压电路 用V1进行斩波控制 用V3给负载电流 提供续流通道 工作原理工作原理 用用V1V1，V2V2进行进行斩波控制斩波控制，用，用V3V3

9、， V4V4给负载电流提供给负载电流提供续流续流通道。通道。 16 R L 图4-7 u1 i1 uo V1 V2 VD 1 VD 2 V3 V4 VD 4 VD 3 用V2进行斩波控制 用V4给负载电流 提供续流通道 图6-7 斩控式交流调压电路 4) 斩控式交流调压电路 在交流电源u1的负半周 17 特性特性 图6-8 电阻负载斩控 式交流调压电路波形 电源电流的基波分量和 电源电压同相位，即位 移因数为1。 电源电流不含低次谐波， 只含和开关周期T有关 的高次谐波。 功率因数接近1。 设斩波器件（设斩波器件（V1V1，V2V2） 导通时间为导通时间为t ton on，开关周期为 ，开关周

10、期为 T T，则导通比，则导通比a a = =t ton on/T /T ，通，通 过改变过改变a a来调节输出电压。来调节输出电压。 R L 图4-7 u1 i1 uo V1 V2 VD1 VD2 V3 V4 VD4 VD3 18 根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式 图6-9 三相交流调压电路 a) 星形联结b) 线路控制三角形联结 c) 支路控制三角形联结d) 中点控制三角形联结 19 三线四相 基本原理：相当于三个单 相交流调压电路的组合， 三相互相错开120工作。 基波和3倍次以外的谐波 在三相之间流动，不流过 零线。 问题：三相中问题：三相中3 3倍次谐波倍次谐波

11、同相位，全部流过零线。同相位，全部流过零线。 零线有很大零线有很大3 3倍次谐波电倍次谐波电 流。流。 a a = =9090时，零线电时，零线电 流甚至和各相电流的有效流甚至和各相电流的有效 值接近。值接近。 1) 星形联结电路 可分为三线三相和三线四相可分为三线三相和三线四相 图6-9 三相交流调压电路 a) 星形联结 20 三相三线，主要分析电阻负载时的情况 图6-9 三相交流调压电路 a) 星形联结 任一相导通须和另一相构 成回路。 电流通路中至少有两个晶 闸管，应采用双脉冲或宽 脉 冲触发。 触发脉冲顺序和三相桥式 全控整流电路一样，为 VT1 VT6,依次相差60。 相电压过零点定

12、为a 的起 点， a角移相范围是 0 150。 21 (1)0 a 60： 三管导通与两 管导通交替， 每管导通180 a 。但a =0时一直是 三管导通。 图6-10 不同a角时负载相电压波形 a) a =30 把把相电压过零点相电压过零点定为开通角定为开通角a a的起点，三相三线电路中，的起点，三相三线电路中， 两相间导通时是靠线电压导通的，而线电压超前相电压两相间导通时是靠线电压导通的，而线电压超前相电压 3030，因此，因此a a角的移相范围是角的移相范围是0 0150150。 根据任一时刻导通晶闸管个数以及半个周波内电流是否根据任一时刻导通晶闸管个数以及半个周波内电流是否 连续可将连

13、续可将0 0150150的移相范围分为如下三段的移相范围分为如下三段 22 60 a 90： 两管导 通，每 管导通120。 (2) 图6-10 不同a角时负载相电压波形 b) a =60 23 (3)90 a 150： 两管导通与无 晶闸管导通交 替，导通角度 为3002 a。 图6-10 不同a角时负载相电压波形 c) a =120 24 谐波情况 电流谐波次数为6k1(k=1，2，3，)，和三相 桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全 相同。 谐波次数越低，含量越大。 和单相交流调压电路相比，没有3倍次谐波，因三 相对称时，它们不能流过三相三线电路。 25 2） 支路控制三角联结电

14、路 图69三相交流调压电路 c)支路控制三角形联结 由三个单相交流调压电路由三个单相交流调压电路 组成，分别在不同的线电组成，分别在不同的线电 压作用下工作压作用下工作。 单相交流调压电路的分 析方法和结论完全适用。 输入线电流（即电源电 流）为与该线相连的两个 负载相电流之和。 26 谐波情况谐波情况 c)支路控制三角形联结 图69三相交流调压电路 3 3倍次谐波相位和大小倍次谐波相位和大小 相同，在三角形回路中相同，在三角形回路中 流动，而不出现在线电流动，而不出现在线电 流中。流中。 线电流中所谐波次数线电流中所谐波次数 为为6 6k k1(1(k k为正整数为正整数) )。 在相同负载

15、和在相同负载和a a 角时，角时， 线电流中谐波含量少于线电流中谐波含量少于 三相三线星形电路。三相三线星形电路。 27 典型用例晶闸管控制 电抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR） 配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续 调节无功功率，称为静止无功补偿装置( (Static Var CampensatorSVC），用来对无功功率进行动态补偿， 以补偿电压波动或闪变。 图6-11 晶闸管控制电抗器(TCR)电路 a 移相范围为90 180。 控制a 角可连续调节流 过电抗器的电流，从而 调节无功功率。 28 图6-11 晶闸管控制 电抗器(TCR)电路

16、a)b)c) 图6-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形 a) =120 b) =135 c) =160 29 仿真波形 图6-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形 a) =120 b) =135 c) =160 a）b）c） 30 31 交流调功电路与交流调压电路的异同比较 相同点相同点 电路形式完全相同完全相同 不同点不同点 控制方式不同不同 交流调压电路在每个电源周期周期都对输出电压波形 进行控制。 交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期, 再断开几个周期,通过通断周波数通过通断周波数的比值来调节负 载所消耗的平均功率。 32 电阻负载时的工作情况 2N M 电源周期 控

17、制周期=M倍电源周期=2 4 M O 导通段= M 3 M 2 M uo u1uo,io wt U12 图6-13 交流调功电路典 型波形(M =3、N =2) 图61电阻负载单相交流调压电路 控制周期为M倍电源 周期，晶闸管在前N 个周期导通，后M N个周期关断。 负载电压和负载电流 （也即电源电流）的 重复周期为M倍电源 周期。 33 4- 33 控制方法如下： 图5-7 过零触发通断时电压输出波形(M =8、N =1,2,4,8) 在设定的周期内，使晶闸管开关接通几个周波然后断开在设定的周期内，使晶闸管开关接通几个周波然后断开 几个周波，改变通、断时间比，改变了负载上的交流平几个周波，改

18、变通、断时间比，改变了负载上的交流平 均电压，可达到调节负载功率的目的均电压，可达到调节负载功率的目的。 因此这种装置也称为交流调功器。具有因此这种装置也称为交流调功器。具有2 2种通断工作方式：种通断工作方式： 34 谐波情况 012 14 谐波次数 相对于电源频率的倍数 图6-14交流调功电路的 电流频谱图(M =3、N =2) 2 4 6108 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 051234 In/I0m 图6-14的频谱图（以控制周 期为基准）。In为n次谐波有 效值， Io为导通时电路电流 幅值。 以电源周期为基准，电流中 不含整数倍频率的谐波，但 含有非整数倍频率的谐

19、波。 而且在电源频率附近，非整 数倍频率谐波的含量较大。 35 概念概念 把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中 的机械开关，起接通和断开电路的作用。 优点优点 响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断。 与交流调功电路的区别区别 并不控制电路的平均输出功率。 通常没有明确的控制周期，只是根据需要控制 电路的接通和断开。 控制频度通常比交流调功电路低得多。 36 晶闸管投切电容（Thyristor SwitchedCapacitorTSC） 图6-15 TSC基本原理图 a) 基本单元单相简图 b) 分组投切单相简图 作用 对无功功率控制，可提 高功率因数，稳定电网 电压，改善供电质量。

20、 性能优于机械开关投切 的电容器。 结构和原理 晶闸管反并联后串入交 流电路。 实际常用三相，可三角 形联结，也可星形联结。 37 晶闸管的投切 选择晶闸管投入时刻的原则： 该时刻交流电源电压和电容 器预充电电压相等，这样电 容器电压不会产生跃变，就 不会产生冲击电流。 理想情况下，希望电容器预 充电电压为电源电压峰值， 这时电源电压的变化率为零， 电容投入过程不但没有冲击 电流，电流也没有阶跃变化。12 t t t t u s iC u C VT 1 VT 2t t u VT 1 u us iC uC C VT 1 VT 2 VT1 图6-16 TSC理想投切时刻原理说明 38 TSC电路也

21、可采用晶闸管和 二极管反并联的方式 由于二极管的作用，在 电路不导通时uC总会维 持在电源电压峰值。 成本稍低，但响应速度 稍慢，投切电容器的最 大时间滞后为一个周波。 12 t t t t u s iC u C VT 1 VT 2t t u VT 1 u us iC uC C VT 1 VT 2 VT1 图6-16 TSC理想投切时刻原理说明 39 40 晶闸管交交变频电路，也称周波变流器 (Cycloconvertor) 把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变 流电路，属于直接变频电路属于直接变频电路。 广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实际 使用的主要是三相输出交交变频电路。 4

22、1 1) 电路构成和基本工作原理 Z P N 输出电压平均输出电压 图4-18 O uo uo aP=0 aP= 2 aP= 2 wt 图6-18 单相交交变频电 路原理图和输出电压波形 电路构成 如图6-18，由P组和N 组反并联的晶闸管变流 电路构成，和直流电动 机可逆调速用的四象限 变流电路完全相同。 变流器P和N都是相控相控 整流电路。整流电路。 42 工作原理 P组工作时，负载电流io 为正正。 N组工作时，io为负负。 两组变流器按一定的频 率交替工作，负载就得 到该频率的交流电。 改变两组变流器的 切换频率，就可改 变输出频率wo 。 改变变流电路的控 制角a，就可以改变 交流输

23、出电压的幅 值。 图6-18 单相交交变频电 路原理图和输出电压波形 43 为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对角进行调制。 在半个周期内让P组 a 角按正弦规律从90减到0或某个 值，再增加到90，每个控制间隔内的平均输出电压就按正 弦规律从零增至最高，再减到零。另外半个周期可对N组进 行同样的控制。 uo由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含 的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。 44 2) 整流与逆变工作状态 a) 整 流逆 变 阻 断 图 4-19 b) P N t t t t t 整 流逆 变 阻 断 O O O O O uo,iouo io t1t2t3t4t5

24、 uouP uN uo iP iN uPuNuo io iNiP 图6-19 理想化交交变频电路的 整流和逆变工作状态 阻感负载为例，也适用于交 流电动机负载。 把交交变频电路理想化，忽 略变流电路换相时uo的脉动 分量，就可把电路等效成图 6-19a所示的正弦波交流电 源和二极管的串联。 45 设负载阻抗角为j ，则 输出电流滞后输出电压j 角。 两组变流电路采取无环 流工作方式，即一组变 流电路工作时，封锁另 一组变流电路的触发脉 冲。 a) 整 流逆 变 阻 断 图 4-19 b) P N t t t t t 整 流逆 变 阻 断 O O O O O uo,iouo io t1t2t3t

25、4t5 uouP uN uo iP iN uPuNuo io iNiP 图6-19 理想化交交变频电路的 整流和逆变工作状态 46 工作状态 图4-19 理想化交交变频电路的整流 和逆变工作状态 a) 整流 逆变 阻断 图4-19 b) P N t t t t t 整流 逆变 阻断 O O O O O uo,iouo io t1t2t3t4t5 uouP uN uo iP iN uPuNuo io iNiP 图6-19 理想化交交变频电路的 整流和逆变工作状态 t1t3期间：io正半周，正组工作， 反组被封锁。 t1 t2： uo和io均为正，正组 整流，输出功率为正。 t2 t3 ： uo反

26、向， io仍为正， 正组逆变，输出功率为负。 47 t3 t5期间： io负半周，反组工 作，正组被封锁。 t3 t4 ：uo和io均为负，反组 整流，输出功率为正。 t4 t5 ： uo反向， io仍为负， 反组逆变，输出功率为负。 a) 整流 逆变 阻断 图4-19 b) P N t t t t t 整流 逆变 阻断 O O O O O uo,iouo io t1t2t3t4t5 uouP uN uo iP iN uPuNuo io iNiP 图6-19 理想化交交变频电路的 整流和逆变工作状态 小结小结： 哪一组工作由io方向决 定，与uo极性无关。 工作在整流还是逆变， 则根据uo方向

27、与io方向 是否相同确定。 48 当uo和io的相位差小于90时，一周期内电网向负载提供能量的 平均值为正，电动机工作在电动状态。 当二者相位差大于90时，一周期内电网向负载提供能量的平 均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态。 考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，一周期可分为6段。 1 O O 2 34 5 6 图4-20 uo io wt wt 图4-20 单相交交变频电路输出电压和电流波形 第1段 io 0，反组逆变 第2段 电流过零，为无环流死区第3段 io 0， uo 0，正组整流 第4段 io 0， uo 0，正组逆变 第5段 又是无环流死区 第6段 io 0， uo 0，为

28、反组整流 49 3) 输出正弦波电压的 调制方法 介绍最基本的、广泛使用 的余弦交点法。 设Ud0为a = 0时整流 电路的理想空载电压， 则有 (6-15) 每次控制时a角不同， 表示每次控制间 隔内uo的平均值。 acos d0o Uu 0u 图4-21 u2u3u4u5u6u1 us2us3us4us5us6us1 uo aP3aP4 wt wt 图6-21 余弦交点法原理 50 设期望的正弦波输出电 压为 (6-16） 比较式(6-15)和(6-16)， 应使 (6-17) g g 称为输出电压比： tt U U oo d0 om sinsincoswgwa )10( 0 gg d o

29、m U U tUu oomo sinw 图6-21 余弦交点法原理 图4-21 u2u3u4u5u6u1 us2us3us4us5us6us1 uo aP3aP4 wt wt 51 )sin(cos o 1 twga 图6-21 余弦交点法原理 图4-21 u2u3u4u5u6u1 us2us3us4us5us6us1 uo aP3aP4 wt wt 余弦交点法基本公式 (6-18) 余弦交点法图解 线电压uab、 uac 、 ubc 、 uba 、 uca和 ucb依次用u1 u6表 示。 相邻两个线电压的交 点对应于a =0。 52 u1u6所对应的同步信 号分别用us1us6表示 u s

30、 1 u s 6 比 相 应 的 u 1 u 6 超前30， us1us6的最大值和相 应线电压a =0的时刻 对应。 以a =0为零时刻，则 us1us6为余弦信号。 希望输出电压为uo， 则各晶闸管触发时刻 由 相 应 的 同 步 电 压 us1us6的下降段和uo 的交点来决定。 图6-21 余弦交点法原理 图4-21 u2u3u4u5u6u1 us2us3us4us5us6us1 uo aP3aP4 wt wt 53 不同g g 时，在uo一周 期内， a 随 w ot 变化 的情况。图中， g g 较小，即输出电压较 低时，a只在离90 很近的范围内变化， 电路的输入功率因数 非常低

31、。 g = 0 g = 0.1 相位控制角a/( ) 输出相位w 0 t 图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 图6-22 不同g g 时a和wot的关系 )sin(sin 2 )sin(cos o 1 o 1 t t wg wga 54 4) 输入输出特性 (1) 输出上限频率 输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段 数减少，波形畸变严重。 电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动 是限制输出频率提高的主要因素。 就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难

32、确定一个明确的界限。 当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于 电网频率的1/31/2。电网频率为50Hz时，交交变 频电路的输出上限频率约为20Hz。 55 图6-23 单相交交 变频电路的功率因数 (2) 输入功率因数 输入电流相位滞后于输入电压， 需要电网提供无功功率。 一周期内， a角以90为中心 变化。 输出电压比g g 越小，半周期内a 的平均值越靠近90。 负载功率因数越低，输入功率 因数也越低。 不论负载功率因数是滞后的还 是超前的，输入的无功电流总 是滞后。 0.8 0.6 0.4 0.2 0 g =1.0 输入位移因数 负载功率因数 （ 滞后 ）负载功率因数 （ 超前

33、 ） 图4-23 0 1.00.20 0.8 0.6 0.4 0.2 0.8 0.6 0.4 0 .2 负载功率因数（超前）负载功率因数（滞后） 输入位移因数 56 (3) 输出电压谐波 输出电压的谐波频谱非常复杂，既和电网频率f fi i以及 变流电路的脉波数有关，也和输出频率f fo o有关。 采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为 6fifo，6fi3fo，6fi5fo， 12fifo，12fi3fo，12fi5fo， 采用无环流控制方式时，由于电流方向改变时死区 的影响，将增加5fo、7fo等次谐波。 57 (4) 输入电流谐波 输入电流波形和可控整流电路的输入波

34、形类似，但其幅 值和相位均按正弦规律被调制。 采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率 (6-19) 和 (6-20) 式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。 oiin 216lffkf oiin 2kfff 58 由三组输出电压相位各差120的单相交交变频电 路组成。 1) 电路接线方式 公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式 输出星形联结方式输出星形联结方式 交交变频电路主要应用于大功率交流电机 调速系统，使用的是三相交交变频电路。 59 (1)公共交流母线进线方式 图6-24 公共交流母线进线 三相交交变频电路（简图） 由三组彼此独立的、输出电 压相位相互错开120的单 相交

35、交变频电路构成。 电源进线通过进线电抗器接 在公共的交流母线上。 因为电源进线端公用，所以 三组的输出端必须隔离。为 此，交流电动机的三个绕组 必须拆开。 主要用于中等。容量的交流 调速系统。 60 (2) 输出星形联结方式 三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星 形联结 电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出 三根线即可 图4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路 a）简图 b）详图 三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是 星形联结。 电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引 出三根线即可。 61 图4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路 a）简图 b）详图

36、因为三组的输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因此 分别用三个变压器供电。 由于输出端中点不和负载中点相联接，所以在构成三相变 频电路的六组桥式电路中，至少要有不同输出相的两组桥中 的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。 62 图4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路 a）简图 b）详图 和整流电路一样，同一组桥内的两个晶闸管靠双触 发脉冲保证同时导通。 两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度， 以保证同时导通。 63 2) 输入输出特性 输出上限频率和输出电压谐波和单相交交变频电路是一致的。 输入电流 总输入电流由 三个单相的同一 相输入电流合成 而得到。 有些谐波相互 抵消，

37、谐波种类 有所减少，总的 谐波幅值也有所 降低。 200t/ms 输出电压 单相输出时 U相输入电流 三相输出时 U相输入电流 200 t/ms 200t/ms 图6-26 交交变频电路的输入电流波形 64 谐波频率为 (6-21) 和 (6-22) 式中k=1,2,3,l=0,1,2,。 采用三相桥式电路时， 输入谐波电流的主要频 率为fi6fo、5fi 、 5fi6fo 、 7fi 、 7fi6fo 、 11fi 、 11fi6fo fi12fo等。 其中5fi次谐波的幅值最 大。 oiin 616lffkf oiin 6kfff200t/ms 输出电压 单相输出时 U相输入电流 三相输出

38、时 U相输入电流 200 t/ms 200t/ms 图6-26 交交变频电路的输入电流波形 65 输入功率因数 三相总输入功率因数应为 (6-23) 三相电路总的有功功率为各相有功功率之和 但视在功率却不能简单相加，而应由总输入电流有效值 和输入电压有效值来计算，比三相各自的视在功率之和 要小 三相总输入功率因数要高于单相交交变频电路 S PPP S P cba 66 3) 改善输入功率因数和提高输出电压 基本思路 各相输出的是相电压，而加在负载上的是线电压。 在各相电压中叠加同样的直流分量或3倍于输出频 率的谐波分量，它们都不会在线电压中反映出来， 因而也加不到负载上。利用这一特性可以使输入

39、功 率因数得到改善并提高输出电压。 直流偏置 负载电动机低速运行时，变频器输出电压很低，各 组桥式电路的a角都在90附近，因此输入功率因 数很低。 给各相输出电压叠加上同样的直流分量，控制角a 将减小，但变频器输出线电压并不改变。 67 交流偏置 梯形波输出控制方式。 使三组单相变频器的输出均 为梯形波（也称准梯形波）， 主要谐波成分是三次谐波。 在线电压中三次谐波相互抵消， 线电压仍为正弦波。 因为桥式电路较长时间工作在高输出电压区域（即梯形 波的平顶区），a角较小，因此输入功率因数可提高 15%左右。 图6-20正弦波输出控制方式中，最大输出正弦波相电 压的幅值为Ud0。 在同样幅值的情况

40、下，梯形波中的基波幅值可提高15% 左右。值可 uAN的基波分量 图4-27 u O t uAB uAN uBN 图6-27 梯形波控制方式的理想输出电压波形 68 交交变频和交直交变频的比较 8.1节中介绍间接变频电路，先把交流变换成直流，再 把直流逆变成可变频率的交流，称交直交变频电路。 交交变频电路的优点优点： 交交变频电路的缺点缺点： 接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至 少要用36只晶闸管。 受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较 低。 输入功率因数较低。 输入电流谐波含量大，频谱复杂。 效率较高（一次变流） 可方便地实现四象限工作 低频输出波形接近正弦波 69 应用应

41、用 主要用于500kW或1000kW以上的大功率、低转速的 交流调速电路中。目前已在轧机主传动装置、鼓风机、 矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合应用。 既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动。 70 图图6-23 矩阵式变频电路矩阵式变频电路 矩阵式变频电路矩阵式变频电路 是一种是一种直接变频直接变频电路，控制方式是电路，控制方式是斩控方式斩控方式。 优点优点 输出电压可控制为正弦波，频率不受电网频率的限制。输出电压可控制为正弦波，频率不受电网频率的限制。 输入电流也可控制为正弦波且和电压同相，功率因数为输入电流也可控制为正弦波且和电压同相，功率因数为1，也可控制为，也可控制为 需要的功率因

42、数。需要的功率因数。 能量可双向流动，适用于交流电动机的能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限四象限运行。运行。 不通过中间直流环节而直接实现变频，不通过中间直流环节而直接实现变频，效率效率较高。较高。 71 矩阵式变频电路的基本工作原理矩阵式变频电路的基本工作原理 构造输出电压构造输出电压 单相输入单相输入 输出电压输出电压uo为为 ss c on o uu T t u 可利用的输入电压部分只有如图可利用的输入电压部分只有如图6-24a所示的单相电压阴影部分，因此所示的单相电压阴影部分，因此 输出电压输出电压uo将受到很大的局限，无法得到所需要的输出波形。将受到很大的局限，无法得到所需要的

43、输出波形。 图图6-24 构造输出电压时构造输出电压时 可利用的输入电压部分可利用的输入电压部分 a) 单相输入单相输入 (6-24) 72 三相输入相电压三相输入相电压 用图用图6-23a中第一行的中第一行的3个开关个开关S11、S12和和S13共同作用来构造共同作用来构造u相输出电压相输出电压uu， 就可利用图就可利用图6-24b的三相相电压包络线中所有的阴影部分。的三相相电压包络线中所有的阴影部分。 理论上所构造理论上所构造uu的频率可不受限制，但最大幅值为输入相电压幅值的频率可不受限制，但最大幅值为输入相电压幅值50%。 三相输入线电压三相输入线电压 用图用图6-23a中第一行和第二行

44、的中第一行和第二行的6个开关共同作用来构造输出个开关共同作用来构造输出线电压线电压uuv，就，就 可利用图可利用图6-24c中中6个线电压包络线中所有的阴影部分。个线电压包络线中所有的阴影部分。 其最大幅值就可达到输入线电压幅值的其最大幅值就可达到输入线电压幅值的0.866倍，这也是正弦波输出条件下倍，这也是正弦波输出条件下 矩阵式变频电路理论上最大的输出输入电压比。矩阵式变频电路理论上最大的输出输入电压比。 图图6-24 b)三相输入相电压构造输出相电压三相输入相电压构造输出相电压 c)三相输入线电压构造输出线电压三相输入线电压构造输出线电压 73 基本的输入输出关系基本的输入输出关系 以相

45、电压输出方式为例进行分析：以相电压输出方式为例进行分析： cbau uuuu 131211 式中式中 11、 12和和 13为一个开关周期内开关为一个开关周期内开关S11、S12、S13的导通占空比，的导通占空比， 且且 。 1 131211 输入输出电压的关系输入输出电压的关系 c b a w v u u u u u u u 333231 232221 131211 式中式中 333231 232221 311211 可缩写为可缩写为 uiuo 称为调制矩阵称为调制矩阵，它是时间的函数。，它是时间的函数。 (6-25) (6-27) (6-28) 74 输入输出电流的关系输入输出电流的关系 w v u c