第4章 交流电力控制电路与交交变频电路

1、12概述概述本章讲述内容属于交流本章讲述内容属于交流- -交流变流电路交流变流电路: :即将即将一种形式的交流变成另一种形式交流的电路一种形式的交流变成另一种形式交流的电路, ,可可改变相关的电压、电流、频率和相数等改变相关的电压、电流、频率和相数等. .包括包括: :1)1)交流电力控制电路交流电力控制电路2)2)变频电路变频电路31)1)交流电力控制电路交流电力控制电路: :只改变电压、电流或对只改变电压、电流或对电路的通断进行控制电路的通断进行控制, ,不改变频率不改变频率. .交流调压电路交流调压电路(4.1)(4.1)交流调功电路交流调功电路(4.2)(4.2)交流电力电子开关交流电

2、力电子开关( (无触点开关无触点开关)(4.2)(4.2)42)2)变频电路变频电路: :改变频率改变频率, ,大多不改变相数大多不改变相数, ,也有也有改变相数的改变相数的. .交交变频电路交交变频电路- -直接变频电路直接变频电路(4.3,4.4)(4.3,4.4)交直交变频电路交直交变频电路( (第第8 8章章) )54.1 4.1 交流调压电路交流调压电路交流电力控制电路交流电力控制电路两个晶闸管反并联后串联在交流电路中两个晶闸管反并联后串联在交流电路中, ,控制晶闸管就可控制晶闸管就可控制交流电力，包括：控制交流电力，包括：Ru1uoioVT1VT26 交流调压电路交流调压电路: :

3、每半个周波控制晶闸管开通相位每半个周波控制晶闸管开通相位, ,调节调节输出电压有效值输出电压有效值. . 交流调功电路交流调功电路: :以交流电周期为单位控制晶闸管通断以交流电周期为单位控制晶闸管通断, ,改变通断周期数的比改变通断周期数的比, ,调节输出功率的平均值调节输出功率的平均值. . 交流电力电子开关交流电力电子开关: :不着意调节输出平均功率不着意调节输出平均功率, ,而只是而只是根据需要接通或断开电路根据需要接通或断开电路. .7交流调压电路的应用交流调压电路的应用 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） 异步电动机软起动异步电动机软起动 异步电

4、动机调速异步电动机调速 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 在高压小电流或低压大电流直流电源中在高压小电流或低压大电流直流电源中, ,用于用于调节变压器一次电压调节变压器一次电压84.1.1 4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路1 1电阻负载电阻负载工作原理工作原理: : 在在u u1 1的正半周和负半周的正半周和负半周, ,分别分别对对VTVT1 1和和VTVT2 2的开通角的开通角进行控进行控制制, ,可以调节输出电压可以调节输出电压RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt9 正负半周正负半周=0=0均为电压过零时刻均为电压过零

5、时刻, ,稳稳态时态时, ,正负半周的正负半周的相等相等 负载电压波形是电源电压波形的一负载电压波形是电源电压波形的一部分部分, ,电阻负载时，负载电流电阻负载时，负载电流( (即电即电源电流源电流) )和负载电压的波形相同和负载电压的波形相同RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt10数量关系数量关系 负载电压有效值负载电压有效值 负载电流有效值负载电流有效值RUIoo2sin21)()sin2(1121UtdtUUoRO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt11 晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值 功率因数功率因数oVTII212sin2

6、111UUIUIUSPooooRO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt12输出电压与输出电压与的关系的关系: :移相范围为移相范围为00,=0=0时时, ,输出电压为输出电压为最大最大,U,Uo o=U=U1 1. .随随的增大的增大U Uo o降低降低, ,=时时,U,Uo o=0.=0.与与的关系的关系: :=0=0时时, ,功率因数功率因数=1,=1,增大增大, ,输入电流滞输入电流滞后于电压且畸变后于电压且畸变,降低降低. .132 2阻感负载阻感负载阻感负载时阻感负载时的移相范围的移相范围负载阻抗角负载阻抗角: :=arctan(=arctan(L/R)

7、L/R) 晶闸管短接晶闸管短接, ,稳态时负载电稳态时负载电流为正弦波流为正弦波, ,相位滞后于相位滞后于u u1 1的角的角度为度为RL0.6图4 -2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOttio14在用晶闸管控制时在用晶闸管控制时, ,只能进只能进行滞后控制行滞后控制, ,使负载电流更为滞使负载电流更为滞后后, ,而无法使其超前而无法使其超前. .=0=0时刻仍定为时刻仍定为u u1 1过零的时过零的时刻刻, ,的移相范围应为的移相范围应为 .RL0.6图4 -2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOttio150s

8、in2ddo1ootitURitiL负载电流方程负载电流方程22)( LRZ解方程得解方程得qtetZUittg1o)sin()sin(2(4-5)(4-5)(4-6)(4-6)160201006014018020100图4-360q/( )180140/( )= 9075604530150=时, =180 =180时, =0 qqtg)sin()sin(e利用边界条件利用边界条件t=t=+时时i io o=0,=0,可求可求得得17数量关系数量关系)22sin(2sin1)()sin2(1121oqqqUtdtUU负载电压有效值负载电压有效值18qqqcos)2cos(sin21ZUq)d(

9、)sin()sin(2212tg1VTtetZUIt晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值负载电流有效值负载电流有效值VToI2I 19图4 -4 = 900.10.20.30.40.516018004012080 75 6045 = 0/( )IVTN单相交流调压电路单相交流调压电路为参变量时为参变量时I IVTNVTN和和关系曲线如下关系曲线如下设设I IVTNVTN 为为I IVTVT的标么值的标么值11VTN22UZIZUIIVTVT=，负载电流有效值20 时的工作情况时的工作情况tttt图4-5qOOOOu1iG1iG2ioiT1iT2VTVT1 1提前导通提前导通,L,L被过充电被过充电

10、, ,放电时间延长放电时间延长,VT,VT1 1的导通角超过的导通角超过触发触发VTVT2 2时时,i,io o尚未过零尚未过零,VT,VT1 1仍导通仍导通,VT,VT2 2不通不通. .21tttt图4-5qOOOOu1iG1iG2ioiT1iT2ioio过零后过零后,VT2,VT2开通开通,VT2,VT2导通角小于导通角小于.方程式方程式(4-5)(4-5)和和(4-6)(4-6)所得所得ioio表达式仍适用表达式仍适用, ,只是只是t.t.过渡过程和带过渡过程和带R-LR-L负载的单相交流电路在负载的单相交流电路在t=t=( ( ) )时时合闸的过渡过程相同合闸的过渡过程相同. .22

11、tttt图4-5qOOOOu1iG1iG2ioiT1iT2i io o由两个分量组成由两个分量组成: :正弦稳态分量、指数衰减分量正弦稳态分量、指数衰减分量. .稳态时稳态时, ,与与= =的工作状态完全相同的工作状态完全相同. .23, 5, 3, 1o)sincos()(nnntnbtnatu)12(cos2211Ua)(22sin2211Ub3 3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电阻负载的情况电阻负载的情况1) 1cos(111) 1cos(1121nnnnUan) 1sin(11) 1sin(1121nnnnUbn(n=3,5,7,)24060120180图4-6基

12、波3次5次7次触发延迟角/( )In/I*/%2040608010022on21nnbaU基波和各次谐波有效值基波和各次谐波有效值 (n=1,3,5,7,) RUI/onon负载电流基波和各次谐波有效值负载电流基波和各次谐波有效值I*为=0时电流有效值25电流谐波次数和电阻负载时相同电流谐波次数和电阻负载时相同, ,也只含也只含3,5,73,5,7等次谐波等次谐波随着次数的增加随着次数的增加, ,谐波含量减少谐波含量减少和电阻负载时相比和电阻负载时相比, ,阻感负载时的谐波电流阻感负载时的谐波电流含量少一些含量少一些a a 角相同时角相同时, ,随着阻抗角的增大随着阻抗角的增大, ,谐波含量谐

13、波含量有所减少有所减少264 4斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3工作原理工作原理基本原理和直流斩波电路有类似之处基本原理和直流斩波电路有类似之处u u1 1正半周正半周, ,用用V V1 1进行斩波控制进行斩波控制,V,V3 3提供续流通道提供续流通道27RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3u u1 1负半周负半周, ,用用V V2 2进行斩波控制进行斩波控制,V,V4 4提供续流通道提供续流通道设斩波器件（设斩波器件（V V1 1或或V V2 2）导通时间为）导通时间为t tonon, ,开关周期

14、为开关周期为T,T,则导通比则导通比=t=tonon/T,/T,改变改变可调节输出电压可调节输出电压. .28斩控式交流调压电路特性斩控式交流调压电路特性电阻负载电源电流的基波分电阻负载电源电流的基波分量和电源电压同相位量和电源电压同相位, ,即位移即位移因数为因数为1 1电源电流不含低次谐波电源电流不含低次谐波, ,只含只含和开关周期和开关周期T T有关的高次谐波有关的高次谐波电路功率因数接近电路功率因数接近1 129n负载acn负载abca)b)负载abcc)负载bd) 图4-9abcuaubuciaUa0nuaubucianuaubucianuaubuciaVT1VT3VT4VT5VT6

15、VT24.1.2 4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路联结形式联结形式a)a)星形联结星形联结b)b)线路控制三角形联结线路控制三角形联结 c)c)支路控制三角形联结支路控制三角形联结d)d)中点控制三角形联结中点控制三角形联结301 1星形联结电路星形联结电路: :可分为三相三线和三相四线两种情况可分为三相三线和三相四线两种情况三相四线三相四线基本原理基本原理: :相当于三个单相交流调压电路的组合相当于三个单相交流调压电路的组合, ,三三相互相错开相互相错开120120工作工作. .基波和基波和3 3倍次以外的谐波在三倍次以外的谐波在三相之间流动相之间流动, ,不流过零线不流过零线3

16、1问题问题: :三相中三相中3 3倍次谐波同相位倍次谐波同相位, ,全流过零线全流过零线. .=90=90时时, ,零线电流甚至和相电流的有效值接近零线电流甚至和相电流的有效值接近32三相三线电阻负载时的工作原理三相三线电阻负载时的工作原理任一相导通须和另一相构成回路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电流通路中至少有两个晶闸管, ,应应采用双脉冲或宽脉冲触发采用双脉冲或宽脉冲触发33触发脉冲顺序和三相桥式全控触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样整流电路一样, ,为为VTVT1 1-VT-VT6 6, ,相相位依次相差位依次相差6060相电压过零点定为相电压过零点定为的起点

17、的起点, , 角移相范围是角移相范围是0-1500-15034(1)0(1)06060三管导通与两管导通交替三管导通与两管导通交替, ,每管导通每管导通180-180-. .=0=0时一时一直是三管导通直是三管导通. .=30=30时时a a相负载电压相负载电压u uanan波形如图。波形如图。35( (2)60 90 :两两管导通管导通, ,每管导通每管导通120 。图为图为=60=60 时时a a相负载电压波相负载电压波形形双脉冲或宽脉冲触发双脉冲或宽脉冲触发36(3)90 150 :两管导通两管导通与无晶闸管导通交替与无晶闸管导通交替,导通导通角度为角度为300 -2.图为图为=120

18、时时a a相负载电压波形。相负载电压波形。双脉冲或宽脉冲触发双脉冲或宽脉冲触发37谐波情况谐波情况电流谐波次数为电流谐波次数为6k6k1(k=1,2,3,),1(k=1,2,3,),和三相桥和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同全相同谐波次数越低谐波次数越低, ,含量越大含量越大和单相交流调压电路相比和单相交流调压电路相比, ,没有没有3 3倍次谐波倍次谐波, ,因因为三相对称时为三相对称时, ,它们不能流过三相三线电路它们不能流过三相三线电路382 2支路控制三角联结电路支路控制三角联结电路由三个单相交流调压电路组成由三个单相交流调压电

19、路组成, ,分别在分别在不同的线电压作用下工作：不同的线电压作用下工作：（1 1）单相交流调压电路的分析方法和）单相交流调压电路的分析方法和结论完全适用；结论完全适用；（2 2）输入线电流（即电源电流）为与）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。该线相连的两个负载相电流之和。39谐波情况谐波情况（1 1）3 3倍次谐波相位和大小相同倍次谐波相位和大小相同, ,在三在三角形回路中流动角形回路中流动, ,而不出现在线电流中而不出现在线电流中（2 2）线电流中所谐波次数为）线电流中所谐波次数为6k6k1(k1(k为正整数为正整数) )（3 3）在相同负载和）在相同负载和角时角时,

20、 ,线电流中线电流中谐波含量少于三相三线星形电路谐波含量少于三相三线星形电路40典型用例：晶闸管控制电典型用例：晶闸管控制电抗器抗器(TCR)(TCR)(1)(1)移相范围为移相范围为90-18090-180(2)(2)控制控制角可连续调节流角可连续调节流过电抗器的电流过电抗器的电流, ,从而调节无从而调节无功功率功功率负载图4-11uaiaubucnbaca)b)c)图4-1241（3 3）配以固定电容器）配以固定电容器, ,就可在从容性到感性的范围就可在从容性到感性的范围内连续调节无功功率内连续调节无功功率, ,称为静称为静止无功补偿装置止无功补偿装置, ,用来对无功用来对无功功率进行动态

21、补偿功率进行动态补偿, ,以补偿电以补偿电压波动或闪变压波动或闪变负载图4-11uaiaubucnbaca)b)c)图4-12424.2 4.2 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路以交流电源周波数为控制单位：交流调功电路以交流电源周波数为控制单位：交流调功电路对电路通断进行控制：交流电力电子开关对电路通断进行控制：交流电力电子开关43与交流调压电路的异同与交流调压电路的异同电路形式完全相同电路形式完全相同控制方式不同控制方式不同: :将负载与电源接通几个周波将负载与电源接通几个周波, ,再断开再断开几个周波几个周波, ,改变通断周波数的比值来调节负载所消改变通断周波数的比值来调节负载所消

22、耗的平均功率耗的平均功率4.2.14.2.1交流调功电路交流调功电路44应用应用常用于电炉的温度控制常用于电炉的温度控制因其直接调节对象是电路的平均输出功率因其直接调节对象是电路的平均输出功率, ,所以称所以称为交流调功电路为交流调功电路控制对象时间常数很大控制对象时间常数很大, ,以周波数为单位控制即可以周波数为单位控制即可通常晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻通常晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻, ,负载负载电压电流都是正弦波电压电流都是正弦波, ,不对电网电压电流造成通常不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染意义的谐波污染45M电源周期控制周期=M倍电源周期=24M图4-13O导通段=

23、2NM3M2Muou1uo,iotU12电阻负载时的工作情况电阻负载时的工作情况控制周期为控制周期为M M倍电源周期倍电源周期, ,晶闸晶闸管在前管在前N N个周期导通个周期导通, ,后后M MN N个个周期关断周期关断M=3M=3、N=2N=2时的电路波形如图时的电路波形如图负载电压和负载电流（也即电负载电压和负载电流（也即电源电流）的重复周期为源电流）的重复周期为M M倍电倍电源周期源周期46012 14谐波次数相对于电源频率的次数图4-1424 61080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m谐波情况谐波情况频谱图频谱图( (以控制周期为基准以控制周期为基准) )中中

24、,I,In n为为n n次谐波有效值次谐波有效值, I, Io o为导通时电路电为导通时电路电流幅值流幅值以电源周期为基准以电源周期为基准, ,电流中不含整数电流中不含整数倍频率的谐波倍频率的谐波, ,但含有非整数倍频率但含有非整数倍频率的谐波的谐波而且在电源频率附近而且在电源频率附近, ,非整数倍频率非整数倍频率谐波的含量较大谐波的含量较大474.2.2 4.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关晶闸管反并联后串入交流电路晶闸管反并联后串入交流电路作用作用: :代替机械开关代替机械开关, ,起接通和断开电路的作用起接通和断开电路的作用优点优点: :响应速度快响应速度快, ,无触点无触点,

25、,寿命长寿命长, ,可频繁控制通断可频繁控制通断48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通常没有明确的控制周期, ,只是根据需要只是根据需要控制电路的接通和断开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控制频度通常比交流调功电路低得多49IU抑制冲击电流的小电感a)图4-15b)晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器(TSC)(TSC)对无功功率控制对无功功率控制, ,可提高功可提高功率因数率因数, ,稳定电网电压稳定电网电压, ,改善改善供电质量供电质量性能优于机械开关投切的电性能优于机械开关投切的电容器容器两

26、个反并联的晶闸管起着把两个反并联的晶闸管起着把C C并入电网或从电网断开的并入电网或从电网断开的作用（图作用（图a a）50IU抑制冲击电流的小电感a)图4-15b)串联电感很小串联电感很小, ,用来抑制电容用来抑制电容器投入电网时的冲击电流器投入电网时的冲击电流实际工程中实际工程中, ,为避免电容器组为避免电容器组投切造成较大冲击投切造成较大冲击, ,一般把电一般把电容器分成几组（图容器分成几组（图b b）, ,可根据可根据电网对无功的需求而改变投入电网对无功的需求而改变投入电容器的容量电容器的容量TSCTSC实际上为断续可调的动态实际上为断续可调的动态无功功率补偿器无功功率补偿器51选择晶

27、闸管投入时刻的原则选择晶闸管投入时刻的原则: :该时刻交流电源电压和电该时刻交流电源电压和电容器预充电电压相等容器预充电电压相等, ,这样电容器电压不会产生跃变这样电容器电压不会产生跃变, ,就就不会产生冲击电流不会产生冲击电流图4-16usiCuCCVT1VT2ttttusiCuCVT1VT2t1t2uVT1uVT152图4-16usiCuCCVT1VT2ttttusiCuCVT1VT2t1t2uVT1uVT1理想情况下理想情况下, ,希望电容器预充电电压为电源电压峰值希望电容器预充电电压为电源电压峰值, ,这这时电源电压的变化率为零时电源电压的变化率为零, ,电容投入过程不但没有冲击电容投

28、入过程不但没有冲击电流电流, ,电流也没有阶跃变化电流也没有阶跃变化53 TSCTSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式由于二极管的作用由于二极管的作用, ,在电路不导通时在电路不导通时u uC C总会维持在电源电总会维持在电源电压峰值压峰值; ;成本稍低成本稍低, ,但响应速度稍慢但响应速度稍慢, ,投切电容器的最大时间投切电容器的最大时间滞后为一个周波滞后为一个周波图4-17ttttusiCuVTuCCVTVDusiCuVTuCVTVDt1t2t3t4544.3 4.3 交交变频电路交交变频电路交交变频电路：把电网频率的交流电变成可调交交变频电路：

29、把电网频率的交流电变成可调频率的交流电频率的交流电, ,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广泛用于大功率交流电动机调速传动系统, ,实实用的主要是三相输出交交变频电路用的主要是三相输出交交变频电路554.3.1 4.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路1.1.电路构成和基本工作原理电路构成和基本工作原理如图如图, ,由由P P组和组和N N组反并联的晶闸管变流电路构成组反并联的晶闸管变流电路构成, ,和直和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同变流器变流器P P和和N N都是相控整流电路都是相控整流电路56工

30、作原理工作原理P P组工作时组工作时, ,负载电流负载电流i io o为正为正,N,N组工作时组工作时,i,io o为负，两组变为负，两组变流器按一定的频率交替工作流器按一定的频率交替工作, ,负载就得到该频率的交流电负载就得到该频率的交流电改变两组变流器的切换频率改变两组变流器的切换频率, ,就可改变输出频率就可改变输出频率o o；改变；改变变流电路的控制角变流电路的控制角, ,就可以改变交流输出电压的幅值就可以改变交流输出电压的幅值57正弦规律调制正弦规律调制在半个周期内让在半个周期内让P P组组角按正角按正弦规律从弦规律从9090减到减到0 0或某个值或某个值, ,再增加到再增加到909

31、0, ,每个控制间隔每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高律从零增至最高, ,再减到零再减到零. .另另外半个周期可对外半个周期可对N N组进行同样的组进行同样的控制控制三相半波电路波形58u uo o由若干段电源电由若干段电源电压拼接而成压拼接而成, ,在在u uo o的一个周期内的一个周期内, ,包包含的电源电压段含的电源电压段数越多数越多, ,其波形就其波形就越接近正弦波越接近正弦波592 2整流与逆变工作状态整流与逆变工作状态把交交变频电路理想化把交交变频电路理想化, ,忽忽略变流电路换相时略变流电路换相时u uo o的脉动的脉动分量分量, ,就

32、可把电路等效成如就可把电路等效成如图所示的正弦波交流电源图所示的正弦波交流电源和二极管的串联和二极管的串联60设负载阻抗角为设负载阻抗角为, ,则输出则输出电流滞后输出电压电流滞后输出电压. .两组变流电路采取无环流两组变流电路采取无环流工作方式工作方式, ,即一组变流电路即一组变流电路工作时工作时, ,封锁另一组变流电封锁另一组变流电路的触发脉冲路的触发脉冲61工作状态分析工作状态分析t t1 1-t-t3 3期间期间:i:io o正半周正半周, ,正组工作正组工作, ,反组被封锁反组被封锁t t3 3-t-t5 5期间期间: i: io o负半周负半周, ,反组工作反组工作, ,正组被封锁

33、正组被封锁62a)整流 逆变阻断图4-19b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP哪一组工作由哪一组工作由i io o方向决方向决定定, ,与与u uo o极性无关极性无关交流电路工作在整流还交流电路工作在整流还是逆变是逆变, ,则根据则根据u uo o方向与方向与i io o方向是否相同确定方向是否相同确定631OO23456图4-20uoiott波形分析波形分析第第1 1段段i io o0,0,0,反组逆变反组逆变第第2 2段电流过零段电流过零, ,为为无环流死区无环流死区第第3 3段段i io o0,

34、0,u uo o0,0,正组整流正组整流第第4 4段段i io o0,0,u uo o0,0,正组逆变正组逆变第第5 5段是段是无环流死区无环流死区第第6 6段段i io o0,0,u uo o0,0,为反组整流为反组整流64u uo o和和i io o的相位差小于的相位差小于9090时时, ,一周期内电一周期内电网向负载提供能量的平均值为正网向负载提供能量的平均值为正, ,电动机电动机工作在电动状态工作在电动状态当二者相位差大于当二者相位差大于9090时时, ,一周期内电网一周期内电网向负载提供能量的平均值为负向负载提供能量的平均值为负, ,电网吸收电网吸收能量能量, ,电动机为发电状态电动

35、机为发电状态653 3输出正弦波电压的调制方法输出正弦波电压的调制方法余弦交点法余弦交点法设设U Ud0d0为为a=0a=0时整流电路的理想空载电压时整流电路的理想空载电压, ,则有则有( (式式2-15)2-15)tUuoomosin期望的正弦波输出电压为期望的正弦波输出电压为)154(cos0douu66ttUUood0omsinsincos) 10(d0omrUU每次控制每次控制( (换流换流)a)a角不同角不同, , 表示每次表示每次控制间隔控制间隔内内u uo o的的平均值平均值比较以上两式，应使比较以上两式，应使称为输出电压比称为输出电压比余弦交点法基本公式余弦交点法基本公式)si

36、n(coso1tou67余弦交点法图解Us是与交流电源同步的余弦信号68线电压线电压u uabab,u,uacac,u,ubcbc,u,ubaba,u,ucaca,u,ucbcb依次用依次用u u1 1-u-u6 6表表示示, ,相邻两个线电压的交点对应于相邻两个线电压的交点对应于a=0a=0；u u1 1-u-u6 6所对应的且与之同步的余弦信号分别用所对应的且与之同步的余弦信号分别用usus1 1-us-us6 6表示；表示；69以以u us1s1和和u u1 1为例为例,u,us1s1比比u u1 1超前超前3030, ,使使u us1s1的最大的最大值与值与u u1 1的的=0=0对应

37、对应, ,故以故以=0=0为零时刻为零时刻,u,us1s1为为余弦信号余弦信号(0-180(0-180) )希望输出电压为希望输出电压为u uo o, ,则各晶闸管每次触发时刻则各晶闸管每次触发时刻由相应的同步电压由相应的同步电压u us1s1-u-us6s6的下降段和的下降段和u uo o的交点的交点来决定来决定70 = 0 = 0.1相位控制角/( )输出相位 0 t图4-2212015018030609000.10.20.30.80.91.00.80.20.30.91.02223)sin(sin2/)sin(coso1o1tt不同不同时时, ,在在u uo o一周期一周期, ,随随oto

38、t变化的情况变化的情况较小较小, ,即输出电压较即输出电压较低时低时,a,a只在离只在离9090很近的很近的范围内变化范围内变化, ,电路的输入功电路的输入功率因数非常低率因数非常低714 4交交变频电路输入输出特性交交变频电路输入输出特性(1)(1)输出上限频率输出上限频率输出频率增高时输出频率增高时, ,输出电压一周期所含电网电输出电压一周期所含电网电压段数减少压段数减少, ,波形畸变严重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矩脉动是限制输出频率提高的主要因素72就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言就输出

39、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很难确定一个明确的界限当采用当采用6 6脉波三相桥式电路时脉波三相桥式电路时, ,输出上限频率输出上限频率不高于电网频率的不高于电网频率的1/3-1/2.1/3-1/2.电网频率为电网频率为50Hz50Hz时时, ,交交变频电路的输出上限频率约为交交变频电路的输出上限频率约为20Hz20Hz73因为采用相位控制方式，输入因为采用相位控制方式，输入电流相位滞后于输入电压电流相位滞后于输入电压, ,需需要电网提供无功功率要电网提供无功功率一周期内一周期内,a,a角以角以9090为中心变为中心变化，输出电压比化，输出电压比越小越小, ,半周

40、半周期内期内a a的平均值越靠近的平均值越靠近90900.8 0.6 0.4 0.20=1.0输入位移因数负载功率因数（ 滞后）负载功率因数（ 超前 ）图4-2301.00.80.60.40.200.80.60.40.20.80.60.40.2（2 2） 输入功率因数输入功率因数74负载功率因数越低负载功率因数越低, ,输入功率输入功率因数也越低因数也越低不论负载功率因数是滞后的不论负载功率因数是滞后的还是超前的还是超前的, ,输入的无功电流输入的无功电流总是滞后的总是滞后的0.8 0.6 0.4 0.20=1.0输入位移因数负载功率因数（ 滞后）负载功率因数（ 超前 ）图4-2301.00.

41、80.60.40.200.80.60.40.20.80.60.40.275(3)(3)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输出电压的谐波频谱非常复杂, ,既和既和电网频率电网频率f fi i以及变流电路的脉波数以及变流电路的脉波数有关有关, ,也和输出频率也和输出频率f fo o有关有关76采用三相桥时采用三相桥时, ,输出电压所含主要谐波的频率有：输出电压所含主要谐波的频率有：6f6fi if fo o,6f,6fi i3f3fo o,6f,6fi i5f5fo o,12f12fi if fo o,12f,12fi i3f3fo o,12f,12fi i5f5fo o,采用无环

42、流控制方式时采用无环流控制方式时, ,由于电流方向改变时死区由于电流方向改变时死区的影响的影响, ,将增加将增加5f5fo o、7f7fo o等次谐波等次谐波采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率有：谐波频率有：77oiin216lffkfoiin2kfff(4)(4)输入电流谐波输入电流谐波输入电流波形和可控整流电路的输入波形类输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似似, ,但其幅值和相位均按正弦规律被调制但其幅值和相位均按正弦规律被调制K=1,2,3, l=0,1,2,378和可控整流电路输入电流的谐波相和可控整流电路输入电流的谐波相比比, ,

43、交交变频电路的输入电流的频谱交交变频电路的输入电流的频谱要复杂得多要复杂得多, ,但各次谐波的幅值要比但各次谐波的幅值要比可控整流电路的谐波幅值小可控整流电路的谐波幅值小794.3.2 4.3.2 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机调速交交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统系统, ,使用的是三相交交变频电路使用的是三相交交变频电路三相交交变频电路由三组输出电压相位各差三相交交变频电路由三组输出电压相位各差120120的单相交交变频电路组成的单相交交变频电路组成1.1.电路的接线方式电路的接线方式主要有两种主要有两种: :公共交流母线进线方式公共交流母线进

44、线方式输出星形联结方式输出星形联结方式80 由三组彼此独立的、输出电由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开压相位相互错开120120的单相的单相交交变频电路构成交交变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的交流母线上公共的交流母线上图4-241) 1) 公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式81因为电源进线端公用因为电源进线端公用, ,所以三所以三组的输出端必须隔离组的输出端必须隔离. .为此为此, ,交交流电动机的三个绕组必须拆开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主要用于中等容量的交流调速系统系统图4-2482三组单相交交变频电三组单相交交变频

45、电路的输出端是星形联路的输出端是星形联结结, ,电动机的三个绕电动机的三个绕组也是星形联结。组也是星形联结。2) 2) 输出星形联结方式输出星形联结方式图4-25a)b)83电动机中点不和变频电动机中点不和变频器中点接在一起器中点接在一起,电动电动机只引出三根线即可。机只引出三根线即可。因为三组的输出联接因为三组的输出联接在一起在一起,其电源进线必其电源进线必须隔离须隔离,因此分别用三因此分别用三个变压器供电个变压器供电图4-25a)b)84由于输出端中点不和由于输出端中点不和负载中点相联接负载中点相联接,所以所以在构成三相变频电路在构成三相变频电路的六组桥式电路中的六组桥式电路中,至至少要有

46、不同输出相的少要有不同输出相的两组桥中四个晶闸管两组桥中四个晶闸管同时导通才能构成回同时导通才能构成回路路,形成电流形成电流图4-25a)b)85和整流电路一样和整流电路一样,同同一组桥内的两个晶一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲闸管靠双触发脉冲保证同时导通保证同时导通;两组两组桥之间则是靠各自桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的触发脉冲有足够的宽度的宽度,以保证同时以保证同时导通导通图4-25a)b)862输入输出特性输入输出特性输出上限频率和输出电压谐波与单相交交变频电路一输出上限频率和输出电压谐波与单相交交变频电路一致，输入电流和功率因数有差别。致，输入电流和功率因数有差别。输入电流输入电流

47、总输入电流由三个单相的同一相输入电流合成而得到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有些谐波相互抵消,谐波种类有所减少谐波种类有所减少,总的谐波幅值也总的谐波幅值也有所降低，谐波频率为有所降低，谐波频率为oikff6finoilffk6) 16 (fin87采用三相桥式电路时采用三相桥式电路时,输入谐波电流的主要频率为输入谐波电流的主要频率为fi6fo、5fi 、5fi6fo 、 7fi 、 7fi6fo 、 11fi 、 11fi6fo 、13fi 、 13fi6fo 、 fi12fo等等.其中其中5fi次谐波的幅值最大次谐波的幅值最大200t/ms输出电压单相输出时

48、 U相输入电流三相输出时 U相输入电流图4-26200t/ms200t/ms88正组正组反组反组输入功率因数输入功率因数（1）三相总输入功率因数应为）三相总输入功率因数应为（2）三相电路总的有功功率为各相有功功率之和）三相电路总的有功功率为各相有功功率之和89SPPPSPcba90（3）但视在功率却不能简单相加）但视在功率却不能简单相加,而应由总而应由总输入电流有效值和输入电压有效值来计算输入电流有效值和输入电压有效值来计算,比三比三相各自的视在功率之和要小相各自的视在功率之和要小（4）三相总输入功率因数要高于单相交交）三相总输入功率因数要高于单相交交变频电路变频电路913改善输入功率因数和提

49、高输出电压改善输入功率因数和提高输出电压基本思路基本思路各相输出的是相电压各相输出的是相电压,而加在负载上的是线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在各相电压中叠加同样的直流分量或3倍于输出倍于输出频率的谐波分量频率的谐波分量,它们都不会在线电压中反映出它们都不会在线电压中反映出来来,因而也加不到负载上因而也加不到负载上.利用这一特性可以使输利用这一特性可以使输入功率因数得到改善并提高输出电压入功率因数得到改善并提高输出电压.92直流偏置直流偏置负载电动机低速运行时负载电动机低速运行时,变频器输出电压很变频器输出电压很低低,各组桥式电路的各组桥式电路的角都在角都在90附近

50、附近,因此因此输入功率因数很低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给各相输出电压叠加上同样的直流分量,控控制角制角将减小将减小,但变频器输出线电压并不改变但变频器输出线电压并不改变+93交流偏置交流偏置梯形波输出控制方式使三组梯形波输出控制方式使三组单相变频器的输出均为梯形单相变频器的输出均为梯形波（也称准梯形波）波（也称准梯形波） ,主要谐主要谐波成分是三次谐波波成分是三次谐波在线电压中三次谐波相互抵在线电压中三次谐波相互抵消消, 线电压仍为正弦波线电压仍为正弦波uAN的基波分量图4-27uOtuABuANuBN94因为桥式电路较长时间工作在高因为桥式电路较长时间工作在高输出电

51、压区域（即梯形波的平顶输出电压区域（即梯形波的平顶区）区）,较小较小,因此因此输入功率因数可输入功率因数可提高提高15%左右左右如图所示的正弦波输出控制方式如图所示的正弦波输出控制方式中中,最大输出正弦波相电压的幅最大输出正弦波相电压的幅值为值为Ud0，在同样幅值的情况下，在同样幅值的情况下,梯形波中的梯形波中的基波幅值可提高基波幅值可提高15%左右左右uAN的基波分量图4-27uOtuABuANuBN1OO23456图4-20uoiott95交交变频和交直交变频的比较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节中介绍间接变频电路,先把交流变换成先把交流变换成直流直流,再把直流逆变成

52、可变频率的交流再把直流逆变成可变频率的交流,称称交直交直交变频电路交变频电路 交交变频电路的优点交交变频电路的优点只用一次变流只用一次变流,效率较高效率较高可方便地实现四象限工作可方便地实现四象限工作低频输出波形接近正弦波低频输出波形接近正弦波96交交变频电路的缺点交交变频电路的缺点:接线复杂接线复杂,采用三相桥式电路的三相交交采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用变频器至少要用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,输输出频率较低出频率较低输入功率因数较低输入功率因数较低,输入电流谐波含量大输入电流谐波含量大,频谱复杂频谱复杂97交交变频电路的

53、主要应用交交变频电路的主要应用主要用于主要用于500kW或或1000kW以下的大功以下的大功率、低转速的交流调速电路中率、低转速的交流调速电路中.目前已在目前已在轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合应用机、球磨机、卷扬机等场合应用既可用于异步电动机既可用于异步电动机,也可用于同步电动也可用于同步电动机传动机传动984.4 4.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路矩阵式变频电路是一种直矩阵式变频电路是一种直接变频电路接变频电路 所用开关器件为全控型所用开关器件为全控型 控制方式不是相控方式而控制方式不是相控方式而是斩控方式是斩控方式 三相输入电压为

54、三相输入电压为ua，ub和和uc；三相输出电压为；三相输出电压为uu，uv和和uw 输入输出a)b)图4-28abcuvwS11S12S13S21S22S23S31S32S33Sij图4-28999个开关器件组成个开关器件组成33矩阵，矩阵，因此该电路被称为矩阵式变因此该电路被称为矩阵式变频电路频电路MC或矩阵变换器或矩阵变换器每个开关都是矩阵中的一个每个开关都是矩阵中的一个元素，采用双向可控开关元素，采用双向可控开关输入输出a)b)图4-28abcuvwS11S12S13S21S22S23S31S32S33Sij图4-28100优点优点 输出电压为正弦波输出电压为正弦波 输出频率不受电网频率

55、的限制输出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输入电流也可控制为正弦波且和电压同相 功率因数为功率因数为1，也可控制为需要的功率因数，也可控制为需要的功率因数 能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行 不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高101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1，利用单相输入，利用单相输入 对单相交流电压对单相交流电压us进行斩波控制，即进行进行斩波控制，即进行PWM控制时控制时,输出电压输出电压uo为为Tc：开关周期；：开关周期；to

56、n ：一个周期内导通时间：一个周期内导通时间； ：占空比：占空比)244(ssconouuTtu102不同的开关周期中采用不同不同的开关周期中采用不同的的，可得到与，可得到与us频率和波形频率和波形都不同的都不同的uo由于单相交流由于单相交流us波形为正弦波形为正弦波，可利用的输入电压只有波，可利用的输入电压只有如图如图a所示的阴影部分，因所示的阴影部分，因此此uo将受到很大的局限，无将受到很大的局限，无法得到所需输出波形法得到所需输出波形a)b)c)UmU1mU1m23Um12图4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分 a)单相输入 b) 三相输入相电压构造输出相电压 c) 三相输出线电

57、压构造输出线电压1032，利用三相相电压，利用三相相电压把输入改为三相，就可利把输入改为三相，就可利用图用图b所示的三相相电压包所示的三相相电压包络线中所有的阴影部分络线中所有的阴影部分如由如由uaubuc构造构造uu，理论，理论上所构造的上所构造的uu的频率可不的频率可不受限制受限制如果如果uu必须为正弦波必须为正弦波,则则其其 最大幅值仅为输入相电最大幅值仅为输入相电压幅值的压幅值的0.5倍倍 a)b)c)UmU1mU1m23Um12图4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分 a)单相输入 b) 三相输入相电压构造输出相电压 c) 三相输出线电压构造输出线电压1043，利用三相线电压，

58、利用三相线电压用第一行和第用第一行和第 二行二行6个个开关共同作用来开关共同作用来 构造输构造输出线电压出线电压uuv可利用图可利用图c中中6个线电压包络线中所个线电压包络线中所有的阴影部分有的阴影部分 a)b)c)UmU1mU1m23Um12图4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分 a)单相输入 b) 三相输入相电压构造输出相电压 c) 三相输出线电压构造输出线电压105当当uuv必须为正弦波时必须为正弦波时,最最大幅值就可达到输入线电大幅值就可达到输入线电压幅值的压幅值的0.866倍，这也倍，这也是正弦波输出条件下矩阵是正弦波输出条件下矩阵式变频电路理论上最大的式变频电路理论上最大的

59、输出输入电压比。输出输入电压比。a)b)c)UmU1mU1m23Um12图4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分 a)单相输入 b) 三相输入相电压构造输出相电压 c) 三相输出线电压构造输出线电压1064,利用对开关利用对开关S11，S12和和S13的控制构的控制构造输出电压造输出电压uu为防止输入电源短路，任何时刻为防止输入电源短路，任何时刻S11，S12和和S13只能有一个开关接通只能有一个开关接通负载一般是阻感负载，负载电流具负载一般是阻感负载，负载电流具有电流源性质，为使负载不开路，任一有电流源性质，为使负载不开路，任一时刻必须有一个开关接通时刻必须有一个开关接通输入输出a)b

60、)图4-28abcuvwS11S12S13S21S22S23S31S32S33Sij107u相输出电压相输出电压uu和各相输入电压的关系为和各相输入电压的关系为 式中式中11,12,13是一个开关周期内开关是一个开关周期内开关S11,S12, S13的导通占空比的导通占空比)254(131211cbauuuuu)264(1131211108对于三相输出，有对于三相输出，有 可缩写为可缩写为 uo=ui (4-28)称为调制矩阵。称为调制矩阵。27)-(4333231232221131211cbawvuuuuuuu109的的各元素确定后各元素确定后, ,输入电流输入电流i ia a,i,ib b