电力电子技术：第6章 4交流—交流

1、 第六章第六章 交流交流- -交流变换电路交流变换电路1Chapter 6 AC-AC Converter自动化与信工程学院电气系自动化与信工程学院电气系-电力电子技术-2 把固定频率的交流电变换成可调频率交流电的变换电路。把固定频率的交流电变换成可调频率交流电的变换电路。1 1）定义）定义6.5 交交-交变频电路交变频电路(AC-AC Frequency Converter)一、一、Introduction2 2）分类）分类直接变频电路直接变频电路 AC-AC间接变频电路间接变频电路 AC-DC-AC周波变换器（Cycloconverter）矩阵变换器（Matrix converter)-绿

2、色变频器3 3）用途）用途交流电机调速、风力发电等交流电机调速、风力发电等自动化与信工程学院电气系自动化与信工程学院电气系-电力电子技术-3相控法相控法 代表：余弦交点法余弦交点法 主要思路：用整流电路的直流电压平均值去逼近交流输出电压的瞬时值。 适于：周波变换器脉冲宽度调制脉冲宽度调制 适于：矩阵变换器和间接变频器4 4）主要控制方法）主要控制方法自动化与信工程学院电气系自动化与信工程学院电气系-电力电子技术-4 1 1）基本工作原理）基本工作原理二、二、Single-phase AC-AC Frequency Converter变换器组选择变换器组选择：由输出负载电流决定，与负载电压无关；

3、：由输出负载电流决定，与负载电压无关；变换器工作状态：变换器工作状态：由输出负载电压和电流方向的异同决定；由输出负载电压和电流方向的异同决定； 同向：同向：整流；整流； 异向：异向：逆变逆变自动化与信工程学院电气系自动化与信工程学院电气系-电力电子技术-52 2）拓扑实现方式）拓扑实现方式 单相单相- -单相交交变频单相交交变频 三相三相- -单相交交变频单相交交变频 3 3）与直流电动机可逆调速的差别）与直流电动机可逆调速的差别 主电路：主电路：完全相同；完全相同；控制方法：控制方法：不同，在每个负载周期内，正组变换器和反组变不同，在每个负载周期内，正组变换器和反组变换器交替工作。换器交替工

4、作。 4 4）控制角固定）控制角固定正组工作，反组封锁，负载端电压为正；正组工作，反组封锁，负载端电压为正； 负组工作，正组封锁，负载端电压为负；负组工作，正组封锁，负载端电压为负；以低于电源的频率切换正反组；以低于电源的频率切换正反组；晶闸管的开通与关断必须采用无环流控制方式，防止两组晶闸管晶闸管的开通与关断必须采用无环流控制方式，防止两组晶闸管桥同时导通；桥同时导通；自动化与信工程学院电气系自动化与信工程学院电气系-电力电子技术-65 5）余弦交点法）余弦交点法 控制角不固定，随着输出电压幅值变化而变化。控制角不固定，随着输出电压幅值变化而变化。调制思路：调制思路：用整流电路的直流电压平均

5、值去逼近交流输出电压的瞬时值。反组逆变io 0无环流死区正组整流io 0，uo 0正组逆变 io 0，uo 0无环流死区反组整流io 0， uo 0自动化与信工程学院电气系自动化与信工程学院电气系-电力电子技术-7实现方法：实现方法：理想输出的正弦波电压为：理想输出的正弦波电压为： 不同控制不同控制a a ，变换器输出的平均电压：变换器输出的平均电压：某一时刻某一时刻t t1 1变换器的控制角为：变换器的控制角为：0cosddUUasinddmuUt111cossinsindmdoUttUaA、计算法、计算法 采样时间间隔大于等于采样时间间隔大于等于 （m m为波头数），采样点为波头数），采样

6、点越多，负载波形越逼近于理想输出波形，谐波越少。越多，负载波形越逼近于理想输出波形，谐波越少。2 m: :输出电压比。输出电压比。 其中：其中： 自动化与信工程学院电气系自动化与信工程学院电气系-电力电子技术-8 调制波ur：理想的输出波形； B、调制法、调制法11( )sin()ddmutUt2121()cosssmsutUt1cos0UUdda22cosss msuUtsin()ddmuUt121()()sututd20s mdUU11sta某一时刻t1：则此刻变换器的控制角为：并且：此时变换器输出电压：若令：巧妙！巧妙！ 载波uc：用来与调制波交接产生可变控制角的一组余弦波。余弦峰点为对

7、应功率器件的自然换相点。自动化与信工程学院电气系自动化与信工程学院电气系-电力电子技术-9图图6.4.6 6.4.6 不同不同 时时a a 和和w w0 0t t 变化的情况变化的情况 较小，即输出电压较低时，较小，即输出电压较低时，a a只在离只在离9090很近的范围内很近的范围内变化，电路的输入功率因数非常低变化，电路的输入功率因数非常低。 11cos( sin)/2 sin( sin)tta6 6）输出电压和控制角的关系）输出电压和控制角的关系其中：其中： ：输出电压比，：输出电压比，dmd0(01)UU自动化与信工程学院电气系自动化与信工程学院电气系-电力电子技术-107 7）输入输出

8、特性）输入输出特性l输出上限频率输出上限频率 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，段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变电压波形畸变及其导致的及其导致的电电流波形畸变和转矩脉动流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。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，很就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难确定一个明确的界限。难确定一个明确的界限。 当采用当采用6脉波三相桥式电路时，一般认为输出上限脉波三相桥式电路时，一般认为输出上限频率不高于电网频率的频率不高于电网频率的1/31/2，电

9、网频率为，电网频率为50Hz时，时，交交-交变频电路的输出上限频率约为交变频电路的输出上限频率约为20Hz。自动化与信工程学院电气系自动化与信工程学院电气系-电力电子技术-11l输入功率因数输入功率因数 输入电流相位总是滞后于输入电流相位总是滞后于输入电压，需要输入电压，需要电网提供无功功电网提供无功功率率-相位控制相位控制。 在输出电压的一个周期内，在输出电压的一个周期内， a a角角以以90为中心为中心而前后变化。而前后变化。 输出电压比输出电压比 越小，半周越小，半周期内期内a a的平均值越靠近的平均值越靠近90，位，位移因数越低；负载功率因数越低，移因数越低；负载功率因数越低，输入功率

10、因数也越低。输入功率因数也越低。 自动化与信工程学院电气系自动化与信工程学院电气系-电力电子技术-12l输出电压谐波输出电压谐波 输出电压的谐波频谱非常复杂，既和输出电压的谐波频谱非常复杂，既和电网频率电网频率fi以及以及变流电路的脉波数变流电路的脉波数有关，也和有关，也和输出频率输出频率fo有关。有关。 采用三相桥式电路时，输出电压主要谐波的频率采用三相桥式电路时，输出电压主要谐波的频率为：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，将增加区的影响

11、，将增加5fo、7fo等次谐波。等次谐波。自动化与信工程学院电气系自动化与信工程学院电气系-电力电子技术-13l输入电流谐波特性输入电流谐波特性 输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，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为(以三相桥式单相交交变频为例) ：(6 1)2ioinfkflf2ffkfiniok=1,2,3,; l=0,1,2,3,.单相-单相交交变频仿真：全图放大自动化与信工程学院电气系自动化与信工程学院电气系-电力电子技术-14 由三组输出电压相位各相差由三组输出电压相位各相差1201200 0的单相交交变频电的单相交交变频电路组

12、成。路组成。 电路接线形式主要：电路接线形式主要：三、三、Three-phase AC-AC Frequency Converter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1 1、公共交流母线进线方式、公共交流母线进线方式 电源进线端公用电源进线端公用, ,故三相单相变频故三相单相变频电路的输出端必须隔离。电路的输出端必须隔离。 自动化与信工程学院电气系自动化与信工程学院电气系-电力电子技术-15 2 2、输出星形联结方式、输出星形联结方式 三组单相变频器连接在一起，三组单相变频器连接在一起，其电源进线必须隔离；其电源进线必须隔离； 由于变频器输出中点不和负由于

13、变频器输出中点不和负载中点相联结，所以在构成三相载中点相联结，所以在构成三相变频器的六组桥式电路中，至少变频器的六组桥式电路中，至少要有不同相的两组桥中的四个晶要有不同相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形闸管同时导通才能构成回路，形成电流。成电流。 自动化与信工程学院电气系自动化与信工程学院电气系-电力电子技术-16 输出频率升高时，输出电压一个周期内电网电压的段数就减输出频率升高时，输出电压一个周期内电网电压的段数就减少，所含的谐波分量就要增加从而使输出电压波形畸变。少，所含的谐波分量就要增加从而使输出电压波形畸变。 一般的，交流电路采用一般的，交流电路采用6 6脉波的三相桥式电

14、路时，最高输出脉波的三相桥式电路时，最高输出频率不高于电网频率的频率不高于电网频率的1/31/31/21/2。电网频率为。电网频率为50Hz50Hz，交交变频，交交变频电路的输出上限频率约为电路的输出上限频率约为20Hz20Hz。四、四、Output Frequency Limit五、五、Advantages and disadvantages 优点优点v 只有一次变流，且使用电网换相，提高了变流效率；只有一次变流，且使用电网换相，提高了变流效率；v 可以很方便的实现四象限工作；可以很方便的实现四象限工作；v 低频时输出波形接近正弦波。低频时输出波形接近正弦波。自动化与信工程学院电气系自动化与

15、信工程学院电气系-电力电子技术-17 缺点缺点v 接线复杂，使用的晶闸管数目较多；接线复杂，使用的晶闸管数目较多； v 受电网频率和交流电路各脉冲数的限制，受电网频率和交流电路各脉冲数的限制，输出频率低；输出频率低；v 采用相控方式，功率因数较低；采用相控方式，功率因数较低； 鉴于鉴于居于以上的优缺点：交交变频器主要用于居于以上的优缺点：交交变频器主要用于500kW500kW或或1000kW1000kW以上，转速在以上，转速在600r/min600r/min以下的大功率低转速的交流调速以下的大功率低转速的交流调速装置中。装置中。 目前已在矿石碎机、水泥球磨机、卷扬机、鼓风机及扎机目前已在矿石碎机、水泥球磨机、卷扬机、鼓风机及扎机主传动装置中获得了较多的应用。主传动装置中获得了较多的应用。 它既可用于异步电动机传动，也可以用于同步电动机传动。它既可用于异步电动机传动，也可以用于同步电动机传动。 三相全桥？自动化与信工程学院电气系自动化与信工程学院电气系-电力电子技术-18六、