电力电子技术：第6章 交流交流变流电路(2)

1、 6.1 交流调压电路交流调压电路 6.2 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路 6.3 交交变频电路交交变频电路 6.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路 本章小结本章小结第第6章章 交流交流变流电路交流交流变流电路2引言交流交流-交流变流电路：把一种形式的交流变流电路：把一种形式的交流交流变成另一种形式变成另一种形式交流交流的电路。的电路。交交交交变变换换器器直接方式直接方式（即无中（即无中间直流环间直流环节）节）间接方式间接方式（有中间（有中间直流环节直流环节交流电力控交流电力控制电路制电路变频电路变频电路改变频率的电路改变频率的电路交流调压交流调压交流电力电交流电力电子开关子开关交流调

2、功交流调功把把两个晶闸管两个晶闸管反并联反并联后串联后串联在交流电路中，在交流电路中，通过对晶闸管通过对晶闸管的控制就可以的控制就可以控制交流输出。控制交流输出。36.1 交流调压电路交流调压电路 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路46.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt电阻负载电阻负载 工作过程工作过程 在交流电源在交流电源u1的正半周和负半的正半周和负半周，分别对周，分别对VT1和和VT2的开通角的开通角 进行进行控制就可以控制就可以调节输出电压的有效值。调节输出电压的有效值。基本的数量

3、关系基本的数量关系 负载电压有效值负载电压有效值Uo ww2sin21dsin21121oUttUU56.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路负载电流有效值负载电流有效值Io RUIoo晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值IT )22sin1 (21sin221121wwRUtdRtUIT功率因数功率因数 2sin211oo1ooUUIUIUSPOu1uoiouVTwtOwtOwtOwt 的移相范围为的移相范围为0 ，随着，随着 的增大，的增大，Uo逐渐降低，逐渐降低， 逐渐降低。逐渐降低。 6VT1阻感负载阻感负载 工作过程工作过程 设负载的阻抗角为设负载的阻抗角为 ，若晶闸管短接，稳态时负

4、载电流为正弦波，若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于相位滞后于u1的角度为的角度为 。 当用晶闸管控制时，只能进行当用晶闸管控制时，只能进行滞后滞后控制控制，使负载电流更为滞后，稳态时，使负载电流更为滞后，稳态时 的的移相范围应为移相范围应为 。 在在w wt= 时刻开通晶闸管时刻开通晶闸管VT1，可求，可求得得导通角导通角 ，即，即)/(tg1RLwtg)sin()sin(e76.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路单相交流调压电路以单相交流调压电路以 为参变量的为参变量的 和和 关系曲线关系曲线 tg)sin()sin(e86.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 时的

5、工作情况时的工作情况 VT1的导通时间的导通时间超过超过 。 触发触发VT2时，时，io尚未过零，尚未过零，VT1仍导通，仍导通，VT2不会导通，不会导通，io过零后，过零后，VT2才可开通，才可开通，VT2导通角导通角小于小于 。 io有有指数衰减分量指数衰减分量，在指数分量衰减过程中，在指数分量衰减过程中，VT1导通时间渐短，导通时间渐短，VT2的导通时间渐长。的导通时间渐长。wtwtwtwt图4-5OOOOu1iG1iG2ioiT1iT296.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路单相交流调压电路的谐波分析单相交流调压电路的谐波分析 带电阻负载时，对负载电压带电阻负载时，对负载电压uo

6、进行谐波分析进行谐波分析 , 5 , 3, 1o)sincos()(nnntnbtnatuwww式中式中) 12(cos2211Ua)(22sin2211Ub1) 1cos(111) 1cos(1121nnnnUan) 1sin(11) 1sin(1121nnnnUbn(n=3,5,7,)(n=3,5,7,)060120180图4-6基波3次5次7次触发延迟角/( )In/I*/%20406080100106.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路 工作原理工作原理 用用V1，V2进行进行斩波

7、控制斩波控制，用，用V3，V4给给负载电流提供负载电流提供续流续流通道。通道。 设斩波器件（设斩波器件（V1，V2）导通时间为）导通时间为ton，开关周期为开关周期为T，则导通比，则导通比 =ton/T ，通过改变，通过改变 来调节输出电压。来调节输出电压。 电源电流的基波分量是和电源电压同相电源电流的基波分量是和电源电压同相位的，即位的，即位移因数为位移因数为1，电源电流中不含低次，电源电流中不含低次谐波，只含和开关周期谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波，这有关的高次谐波，这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除，这时些高次谐波用很小的滤波器即可滤除，这时电路的功率因数接近电路的功率因数接近1。

8、 116.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种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。形式。 a)星形联结星形联结 b)支路控制三角形联结支路控制三角形联结 c)中点控制三角形联结中点控制三角形联结 126.2.1 交流调功电路交流调功电路2NM电源周期控制周期 =M倍电源周期 =24MO导通段 =M3M2Muou1uo,iowtU12交流调功电路交流调功电路 工作原理工作原理 通过改变通过改变接通周波数接通周波数与与断开周波数断开周波数的比值来调节负载所消耗的的比值来调节负载所消耗的平均功率，即平均功率，即调节输出功率的大小。

9、调节输出功率的大小。NM136.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关交流电力电子开关：把交流电力电子开关：把晶闸管晶闸管反并联后串入交流电路中，反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路起接通和断开电路的作用。的作用。优点：响应速度快，没有触点，寿命长，可以频繁控制优点：响应速度快，没有触点，寿命长，可以频繁控制通断。通断。 与交流调功电路的区别与交流调功电路的区别 并不控制电路的平均输出功率。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。接通和断开。 控制频度

10、通常比交流调功电路低得多。控制频度通常比交流调功电路低得多。 146.3 交交变频电路交交变频电路 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路交交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频交交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路，因为没有中间直流环节，因此属率的交流电的变流电路，因为没有中间直流环节，因此属于于直接变频电路直接变频电路。156.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路电路构成和基本工作原理电路构成和基本工作原理 由由P组和组和N组反并联的晶闸管相控整流电路构成。组反并联的晶闸管相控整流电路构成。 工作

11、原理工作原理 P组工作时，负载电流组工作时，负载电流io为为正正， N组工作时，组工作时，io为为负负。 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 改变两组变流器的改变两组变流器的切换频率切换频率，就可以改变输出频率，就可以改变输出频率w w0。 改变变流电路工作时的改变变流电路工作时的控制角控制角 ，就可以改变交流输出电压的，就可以改变交流输出电压的幅值幅值ZPNuo输出电压平均输出电压OuoP=0P=2P=2wt166.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路为使为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对波形接近正弦波，可

12、按正弦规律对 角进行调制角进行调制 在半个周期内让在半个周期内让P组组 角按正弦规律从角按正弦规律从90减到减到0或某个值或某个值，再，再增加到增加到90，每个控制间隔内的，每个控制间隔内的平均输出电压平均输出电压就按正弦规律从零增至就按正弦规律从零增至最高，再减到零；另外半个周期可对最高，再减到零；另外半个周期可对N组进行同样的控制。组进行同样的控制。 uo由若干段电源电压拼接而成，在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。电压段数越多，其波形就越接近正弦波。ZPNuo输出电压平均输出电压OuoP=0P=2P=2wt

13、17整流与逆变工作状态整流与逆变工作状态 以阻感负载为例，电路等效成正弦波以阻感负载为例，电路等效成正弦波交流电源和二极管的串联，二极管体现交流电源和二极管的串联，二极管体现了交流电路的电流的单方向性。了交流电路的电流的单方向性。 设负载阻抗角为设负载阻抗角为 ，则输出电流滞后，则输出电流滞后输出电压输出电压 角，两组变流电路采取角，两组变流电路采取无环流无环流工作方式工作方式，即一组变流电路工作时，封，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。锁另一组变流电路的触发脉冲。18 t3t5期间：期间：io处于负半周处于负半周，反组工作，反组工作，正组被封锁。正组被封锁。 t3t4阶段：

14、阶段：uo和和io均为负，反组整均为负，反组整流，输出功率为正。流，输出功率为正。 t4t5阶段：阶段：uo反向，反向，io仍为负，反仍为负，反组逆变，输出功率为负。组逆变，输出功率为负。工作状态工作状态 t1t3期间：期间：io处于正半周处于正半周，正组工，正组工作，反组被封锁。作，反组被封锁。 t1t2阶段：阶段：uo和和io均为正，正组整均为正，正组整流，输出功率为正。流，输出功率为正。 t2t3阶段：阶段：uo反向，反向，io仍为正，正仍为正，正组逆变，输出功率为负。组逆变，输出功率为负。19结论结论 哪组变流电路工作由哪组变流电路工作由io方向方向决定，与决定，与uo极性无关。极性无

15、关。 变流电路工作在整流还是逆变流电路工作在整流还是逆变状态，根据变状态，根据uo方向与方向与io方向是否方向是否相同相同来确定。来确定。206.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路考虑到无环流工作方式下负载电流过零的正反组切换死区时间，一考虑到无环流工作方式下负载电流过零的正反组切换死区时间，一周期的波形可分为周期的波形可分为6段段：第：第1段段io0，为反组逆变；第，为反组逆变；第2段电流过段电流过零，为切换死区；第零，为切换死区；第3段段io0，uo0，为正组整流；第，为正组整流；第4段段io0，uo0，为正组逆变；第为正组逆变；第5段又是切换死区；第段又是切换死区；第6段段io0，

16、uo0，为反组整流。，为反组整流。216.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路当输出电压和电流的相位差小于当输出电压和电流的相位差小于90时，一周期内电网向负载提供时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，若负载为电动机，则电动机工作在能量的平均值为正，若负载为电动机，则电动机工作在电动状态电动状态；当；当二者相位差大于二者相位差大于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，即电网吸收能量，电动机工作在即电网吸收能量，电动机工作在发电状态发电状态。 226.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路输入输出特性输入输出特性 输出上限频率输出

17、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，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流波形电流波形畸变和转矩脉动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，很难确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。定一个明确的界限。 当采用当采用6脉波三相桥式电路时，一般认为输出上限频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率不高于电网频率的1/31/2，电网频率为，电网频率为50Hz时，交交

18、变时，交交变频电路的输出上限频率约为频电路的输出上限频率约为20Hz。236.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路交交变频电路主要应用于大功率交流电交交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，这种系统使用的是三相交交机调速系统，这种系统使用的是三相交交变频电路，三相交交变频电路是由变频电路，三相交交变频电路是由三组输三组输出电压相位各差出电压相位各差120的单相交交变频电的单相交交变频电路组成的路组成的。电路接线方式电路接线方式 公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式 由三组彼此独立的、输出电压相位由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开相互错开120的单相交交变频电路构成。的单相交交变

19、频电路构成。 电源进线通过进线电抗器接在电源进线通过进线电抗器接在公共公共的交流母线的交流母线上。上。 因为电源进线端公用，所以三组的因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须隔离输出端必须隔离；为此，交流电动机的三；为此，交流电动机的三个绕组必须拆开，共引出个绕组必须拆开，共引出6根线。根线。 主要用于主要用于中等容量中等容量的交流调速系统的交流调速系统246.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路输出星形联结方式输出星形联结方式 三组输出端是三组输出端是星形联结星形联结，电动机的三个绕组也是，电动机的三个绕组也是星形联结星形联结，电动，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

20、可。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。 因为三组输出联接在一起，其因为三组输出联接在一起，其电源进线必须隔离电源进线必须隔离，因此分别用三，因此分别用三个变压器供电。个变压器供电。256.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路交交变频电路是一种交交变频电路是一种直接变频电路直接变频电路。 和交直交变频电路比较，优点是和交直交变频电路比较，优点是 只用只用一次一次变流，效率较高。变流，效率较高。 可方便地实现可方便地实现四象限四象限工作。工作。 低频输出波形接近低频输出波形接近正弦波正弦波。 缺点是缺点是 接线复杂，如采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用接线复杂，如采用

21、三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管。只晶闸管。 受电网频率和变流电路脉波数的限制，受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低输出频率较低；输入功输入功率因数较低率因数较低。 输入电流输入电流谐波谐波含量大，频谱复杂。含量大，频谱复杂。 交交变频电路主要用于交交变频电路主要用于500kW或或1000kW以上以上的的大功率大功率、低转速低转速的的交流调速电路中，目前已在轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、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、卷扬机等场合获得了较多的应用，既可用于异步电动机传球磨机、卷扬机等场合获得了较多的应用，既可用于异步电动机传动

22、，也可用于同步电动机传动。动，也可用于同步电动机传动。 266.4 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 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。 三相输入电压为三相输入电压为ua、ub和和uc，三相输出电，三相输出电压为压为uu、uv和和uw，9个开关器件组成个开关器件组成33矩阵。矩阵。 优点优点 输出电压可控制为正弦波，频率不受输出电压可控制为正弦波，频率不受电网频率的限制。电网频率的限制。 输入电流也可控制为正弦波且和电压输入电流也可控制为正弦波且和电压同相，功率因数为同相，功率因数为1，也可控制为需要的功率，也可控制为需要的功率因数。因数

23、。 能量可双向流动，适用于交流电动机能量可双向流动，适用于交流电动机的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。 开关单元开关单元主电路拓朴主电路拓朴276.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路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 ssconouuTtu 可利用的输入电压部分只有单相电压阴影部分，因此输出电压可利用的输入电压部分只有单相电压阴影部分，因此输出电压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

24、需要的输出波形。 286.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路三相输入相电压三相输入相电压 用第一行的用第一行的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，就可利用三相相电压包络线中所有的阴影部分。就可利用三相相电压包络线中所有的阴影部分。 理论上所构造的理论上所构造的uu的频率可不受限制，但其最大幅值仅为输入相电的频率可不受限制，但其最大幅值仅为输入相电压幅值的压幅值的0.5倍。倍。uaubuc296.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路三相输入线电压三相输入线电压 用第一行和第二行的用第一行和第二行的6个开关共同作用来构造输出个开关共同作用来构造输

25、出线电压线电压uuv，就可，就可利用利用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。条件下矩阵式变频电路理论上最大的输出输入电压比。 uaubuc306.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路基本的输入输出关系基本的输入输出关系 以相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，u相输出电压相输出电压uu和各相输入电压和各相输入电压的关系为的关系为cbauuuuu131211 式中式中 11、 12和和

26、 13为一个开关周期内开关为一个开关周期内开关S11、S12、S13的导通占的导通占空比，且空比，且 。 1131211uuTCton11316.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路输入输出电流的关系输入输出电流的关系wvucbaiiiiii332313322212312111可缩写为可缩写为iioTi 输入输出电压的关系输入输出电压的关系cbawvuuuuuuu333231232221131211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，每，它是时间的函数，每个元素在每个开关周期中都是不同的。个元素在每个开关周期中都是不同的。326.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路34cos32coscosoomoomoomwwwtUtUtU34cos32coscosiimiimiimwwwtUtUtU34cos32coscosiimiimiimwwwtItItIooomooomooom34cos32coscoswwwtItItI能求得满足上两式的能求得满足上两式的调制矩阵调制矩阵 ，就可得到式中所希望的输出电压和输，就可得