第6章 交流交流变换器

1、第六章第六章 交流交流/ /交流变换器交流变换器电力电子学电力电子学电力电子变换和控制技术（第三版）电力电子变换和控制技术（第三版）6.1 晶闸管交流电压控制器的类型晶闸管交流电压控制器的类型6.2 单相交流电压控制器单相交流电压控制器6.3 三相交流电压控制器三相交流电压控制器6.4* 变压器抽头的电压控制器变压器抽头的电压控制器6.5* 晶闸管相控交流晶闸管相控交流/交流直接变频器交流直接变频器6.6* 矩阵式交流矩阵式交流/交流变频器交流变频器本章小结本章小结第六章第六章 交流交流/交流变换器交流变换器l 本章主要讲述本章主要讲述 交流交流/交流变流电路交流变流电路 - 把一种形式交流电

2、变成另一种形式交流电的电路把一种形式交流电变成另一种形式交流电的电路交流电压交流电压 控制器控制器频率不变，仅改变电压大小频率不变，仅改变电压大小变频器变频器实现频率变换实现频率变换亦可改变电压大小亦可改变电压大小交交变频交交变频 直接直接 交直交变频交直交变频 间接间接u 采用晶闸管作开关器件时，依靠交流电源瞬时值过零反向关断晶闸管。晶采用晶闸管作开关器件时，依靠交流电源瞬时值过零反向关断晶闸管。晶 闸管开关器件的开通则可采用移相控制，调控变换器输出电压的大小。闸管开关器件的开通则可采用移相控制，调控变换器输出电压的大小。u 单相电压控制器常用于小功率单相电动机、照明和电加热控制。单相电压控

3、制器常用于小功率单相电动机、照明和电加热控制。u三相交流三相交流/交流电压控制器的输出是三相恒频变压交流电源，通常给三相交交流电压控制器的输出是三相恒频变压交流电源，通常给三相交 流异步电动机供电，实现变压调速，或作为异步电动机的启动器使用。流异步电动机供电，实现变压调速，或作为异步电动机的启动器使用。第六章第六章6.1 晶闸管交流电压控制器的类型6.1 晶闸管交流电压控制器的类型2. 带中线星形联结3. 无中线的三相连接4. 三角形联结的控制器单相全控单相全控两个晶闸两个晶闸管反并联管反并联O( )0vt 负载电压、负载负载电压、负载功率的大小由功率的大小由控制角控制角确定确定OS( )(

4、)vtv t通态时通态时断态时断态时6.1 晶闸管交流电压控制器的类型1. 单相全控3. 无中线的三相连接4. 三角形联结的控制器l 三个单相交流电压控制器可组合成带中线的三相交流电压控制器90时，中线电流约等于相电流时，中线电流约等于相电流中线电流大中线电流大6.1 晶闸管交流电压控制器的类型晶闸管交流电压控制器的类型1. 单相全控 2. 带中线星形联结4. 三角形联结的控制器输入电流中没有输入电流中没有3次次及及3的倍数次谐波的倍数次谐波6.1 晶闸管交流电压控制器的类型晶闸管交流电压控制器的类型1. 单相全控 2. 带中线星形联结3. 无中线的三相连接只适用只适用于允许于允许断开断开6根

5、根出线端出线端子的三子的三相负载相负载6.2 单相交流电压控制器单相交流电压控制器6.2 单相交流电压控制器单相交流电压控制器6.2.2 电阻、电感性负载6.2.3* PWM交流电压控制器2OSS1sin2( 2sin) d()2VVttVOSO/IIVR单相交流电压控制器：单相交流电压控制器： TSO/2/2IIVROOOSSSsin22VIVPPFSVIVl利用傅里叶级数可求出基波利用傅里叶级数可求出基波及各次谐波及各次谐波。表表6.1 不同触发角不同触发角时基波时基波V1m和和3-15次谐波电压次谐波电压(电流电流)的的相对值相对值单相交流电压控制器：单相交流电压控制器： 单相交流电压控

6、制器：单相交流电压控制器： 电阻负载、不同触发角电阻负载、不同触发角时基波及谐波幅值分布图时基波及谐波幅值分布图6.2 单相交流电压控制器单相交流电压控制器6.2.1 电阻负载6.2.3* PWM交流电压控制器单相交流电压控制器单相交流电压控制器:阻感负载阻感负载OSS2sinvvVtSSO2sin()ViitZ= =时时：22()ZLRarctanLRvO 、iS、iO均为正弦波均为正弦波 时：时：2OSS1( 2sin) d()1sin2sin2()VVttV SOTSsincos(2)2cossincos(2) cos2VIIZVaZ 22tgST21() sin()sin()e d()

7、2t aaaVItatZO 输出电压有效值输出电压有效值VO、负载电流有效值、负载电流有效值IO 、晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值IT为：为：单相交流电压控制器单相交流电压控制器:阻感负载阻感负载-1tg,180LRaaa时，由 ， 可求出tgsintg()ecosa单相交流电压控制器单相交流电压控制器:阻感负载阻感负载 导通角导通角与控制角与控制角的关系曲线的关系曲线（以负载阻抗角（以负载阻抗角为参变量）为参变量）单相交流电压控制器单相交流电压控制器:阻感负载阻感负载*STTTS21sincos(2)/22cos22VZIIIZV晶闸管电流的标么值晶闸管电流的标么值 与控制角与控制角的关系

8、曲线的关系曲线*TI例题例题6-1单相交流调压器控制单相交流调压器控制230V交流电源的输出功率，负载电阻为交流电源的输出功率，负载电阻为23、感抗为、感抗为23 ，求，求（1）角控制范围；（角控制范围；（2）最大电流有效）最大电流有效值；（值；（3）最大功率和功率因数。）最大功率和功率因数。min23arctanarctan234LRmaxO22 1/222 1/22307.07A() 2323 VIRL223maxO23 7.071.15 10 WPRI11500.707230 7.07有效功率功率因数视在功率解解 （1）（2）min时，最大电流有效值时，最大电流有效值I Io o为：为：

9、（3）最大功率最大功率 ( 时时 )minm in在在 的非正弦电流工作情况下，功率因数将小于基波相移因数。的非正弦电流工作情况下，功率因数将小于基波相移因数。 注：注：6.2 单相交流电压控制器单相交流电压控制器6.2.1 电阻负载 6.2.2 电阻、电感性负载S1、S2导通时，导通时，S3、S4断开：断开：S3、S4导通时，导通时，S1、S2断开：断开：OSvvO0v 6.3 三相全波交流电压控制器三相全波交流电压控制器6.3 三相全波交流电压控制器三相全波交流电压控制器6.3.2 6.3.2 三相开口三角形交流电压控制器三相开口三角形交流电压控制器三相三相Y联结电压控制器联结电压控制器T

10、1-T6依序相差依序相差60触发，触发，脉宽大于脉宽大于60各相电源的过零点为各相电源的过零点为计算起点计算起点第一类工作状态第一类工作状态：三相同时工作，在同三相同时工作，在同一时刻，每一相有一一时刻，每一相有一个晶闸管导电。个晶闸管导电。第二类工作状态：第二类工作状态：二相同时工作，同一时二相同时工作，同一时刻仅二相各有一个晶闸刻仅二相各有一个晶闸管导电，第三相中的两管导电，第三相中的两个晶闸管都不导电。个晶闸管都不导电。控制角控制角=0，三相同时导电三相同时导电，180导电。导电。三相三相Y联结电压控制器联结电压控制器 = 60：两相同时导电，：两相同时导电， 120导电导电ABA( )

11、2vtiRACA( )2vtiR区间区间I:I: 区间区间II:II: ABA( )2vtiR三相三相Y联结电压控制器联结电压控制器 = 120：两相间断续导电，：两相间断续导电， 导电角小于导电角小于120区间区间I:I: 区间区间II:II: ACA( )2vtiR=150：完全不能导电。：完全不能导电。三相三相Y联结电压控制器联结电压控制器F工作状态小结：工作状态小结：处于：处于第一类第一类工作状态工作状态（三相同时导电）。（三相同时导电）。：交替出现：交替出现第一类第一类和和第二类第二类工作状态。工作状态。O 0 60O = 0O 60 90：处于：处于第二类第二类工作状态工作状态（两

12、相同时导电）两相同时导电）O 90 150：电路：电路全断流全断流，不能工作。，不能工作。u电阻负载：控制角电阻负载：控制角的调控范围的调控范围为：为：0- 150u 三相阻感性负载，分析方法与单相电路相同。三相阻感性负载，分析方法与单相电路相同。6.3 三相全波交流电压控制器6.3.1 三相星形联结交流电压控制器AABCABBCABCCABCiiiiiiiii可看作三个独立的单相电可看作三个独立的单相电 路分别分析。路分别分析。三相开口三角形电压控制器三相开口三角形电压控制器ABC33iii、 、 中无 次及 的倍数次谐波电流*6.4 有变压器抽头的电压控制器O2VVktk，O12(1)VV

13、Vktk，k=0,1,2.图中输出电图中输出电压的包络线：压的包络线：OABDHKGOABDHKG优点：优点：负载负载电压、电流电压、电流谐波可控性谐波可控性好，输入电好，输入电流的谐波含流的谐波含量少量少*6.5 晶闸管相控交流交流直接变频器6.5.1 基本工作原理基本工作原理 6.5.2 实用电路结构实用电路结构6.5.3 交流交流/交流相控直接变频的优缺点交流相控直接变频的优缺点*6.5 晶闸管相控交流/交流直接变频器6.5.1 基本工作原理基本工作原理 6.5.2 实用电路结构6.5.3 交流/交流相控直接变频的优缺点基本工作原理基本工作原理正反组单相全控桥变流器并联构成单相直接变频器

14、。正反组单相全控桥变流器并联构成单相直接变频器。控制正反组变流器的控制正反组变流器的 随时间周期性变化。随时间周期性变化。负载负载输出电流输出电流与与输出电压输出电压不同相位时，正反组变流器在不同时段不同相位时，正反组变流器在不同时段工作在工作在整流整流或或有源逆变有源逆变工况。工况。半控桥变流器不能构成交流半控桥变流器不能构成交流/交流变频器。交流变频器。pn基本工作原理基本工作原理F改善相控交流改善相控交流/ /交流变频器输出波形的措施：交流变频器输出波形的措施：改变相控角改变相控角( ( 或或 ) )在一个脉波周期中只能得到一个输出电压平均值，在一个脉波周期中只能得到一个输出电压平均值，

15、因此：因此：NPu相同拓扑结构的相控交流相同拓扑结构的相控交流/ /交流变频器输出频率越低，输出电压的交流变频器输出频率越低，输出电压的脉波数越多，谐波含量越少；脉波数越多，谐波含量越少；u输出相同频率的交流输出相同频率的交流/ /交流变频器，拓扑结构输入的相数越多，脉交流变频器，拓扑结构输入的相数越多，脉波数越多，输出电压的脉波数就越多，谐波含量越少。波数越多，输出电压的脉波数就越多，谐波含量越少。*6.5 晶闸管相控交流/交流直接变频器6.5.1 基本工作原理 6.5.2 实用电路结构实用电路结构6.5.3 交流/交流相控直接变频的优缺点实用电路结构实用电路结构三相交流三相交流/ /交流交

16、流变频器每相采变频器每相采用的晶闸管元用的晶闸管元件越多，输出件越多，输出波形越好波形越好*6.5 晶闸管相控交流/交流直接变频器6.5.1 基本工作原理 6.5.2 实用电路结构6.5.3 交流交流/交流相控直接变频的优缺点交流相控直接变频的优缺点436.5.3 交流/交流相控直接变频的优缺点 l 适用范围：大功率低速可逆传动系统适用范围：大功率低速可逆传动系统优点：优点：缺点：缺点： u输出频率低；输出频率低；u晶闸管用量多，且控制复杂；晶闸管用量多，且控制复杂；u输入功率因数低；输入功率因数低；u交流电源输入电流谐波严重，且难于抑制。交流电源输入电流谐波严重，且难于抑制。u只需一级变换环

17、节；只需一级变换环节；u晶闸管工作在自然换流工况；晶闸管工作在自然换流工况；u能量可双向传递，易实现电机的四象限运行；能量可双向传递，易实现电机的四象限运行；u低频输出时可获得较高质量的正弦电压波形。低频输出时可获得较高质量的正弦电压波形。*6.6 矩阵式交流/交流变频器6.6.0 6.6.0 概述概述6.6.1 6.6.1 矩阵式交流矩阵式交流/ /交流变频器的控制方法交流变频器的控制方法6.6.2 6.6.2 矩阵式交流矩阵式交流/ /交流变频器的优缺点交流变频器的优缺点*6.6 矩阵式交流/交流变频器6.6.0 6.6.0 概述概述6.6.1 6.6.1 矩阵式交流矩阵式交流/ /交流变

18、频器的控制方法交流变频器的控制方法6.6.2 6.6.2 矩阵式交流矩阵式交流/ /交流变频器的优缺点交流变频器的优缺点概述概述交流交流/交流直接变频器中的交流直接变频器中的半控半控元元件晶闸管改为件晶闸管改为全控全控元件（如元件（如IGBT）可以构成可以构成矩阵式交流矩阵式交流/交流直接变交流直接变频器频器（Matrix AC/AC Converter）图图(a)中任一开关都是双向可控开关中任一开关都是双向可控开关图图(b)是构成双向开关的方案之一是构成双向开关的方案之一对图对图(a)中的中的9个双向开关器件进行高频个双向开关器件进行高频SPWM控制，就可获得频率、电压均可控制，就可获得频率

19、、电压均可调控的三相对称的交流输出电压调控的三相对称的交流输出电压6.11(a)6.11(a)6.11(b)6.11(b)*6.6 矩阵式交流/交流变频器6.6.0 6.6.0 概述概述6.6.1 6.6.1 矩阵式交流矩阵式交流/ /交流变频器的控制方法交流变频器的控制方法6.6.2 6.6.2 矩阵式交流矩阵式交流/ /交流变频器的优缺点交流变频器的优缺点矩阵式交流矩阵式交流/交流变频器的控制方法交流变频器的控制方法aAaBaCaAbAbBbCbBcAcBcCcCvSSSvvSSSvvSSSv O图图6.11a中的输出电压中的输出电压va、vb、vc满足以下关系：满足以下关系：9个开关函数表明了图个开关函数表明了图6.11a中中9个可控开关（个可控开关（18个个IGBT）的工作状态）的工作状态其开通、关断切换原则其开通、关断切换原则：u满足矩阵函数关系满足矩阵函数关系u不造成交流电源两相短路不造成交流电源两相短路u不引起感性负载开路过电压不引起感性负载开路过电压6.11(a)6.11(a)*6.6 矩阵式交流/交流变频器6.6.0 6.6.0 概述概述6.6.1 6.6.1 矩阵式交流交流变频器的控制方法矩阵式交流交流变频器的控制方法6.6.2 6.6.2 矩阵式交流矩阵式交流/ /交流变频器的优缺点交流变