交流变换电路-交-交变频电路（电力电子技术课件）

电力电子技术单相输出交交变频电路基本结构及工作原理

交交变频电路采用晶闸管作为主功率器件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。单相输出交交变频电路是三相输出交交变频电路的基础。

今天学习的内容就是“单相输出交交变频电路基本结构及工作原理”。由具有相同特征的两组晶闸管整流电路（正组整流器P和反组整流器N）反并联构成；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都是相控整流电路，P组工作时，负载电流i。为正，N组工作时，i。为负。让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。

图1：单相输出交－交变频电路图2：单相交流输入时交－交变频电路的波形图

6.2.2单相输出交交变频电路基本结构及工作原理电路结构正组整流器工作，反组整流器被封锁，负载端输出电压为上正下负；负组整流器工作，正组整流器被封锁，负载端得到输出电压上负下正；以低于电源的频率切换正反组整流器的工作状态,在负载端就可获得交变的输出电压；晶闸管的开通与关断必须采用无环流控制方式，以防止两组晶闸管桥同时导通。

6.2.2单相输出交交变频电路基本结构及工作原理工作原理图1：单相输出交－交变频电路图2：单相交流输入时交－交变频电路的波形图电力电子技术交-交变频电路概述

交交变频电路是一种将电网频率的交流电直接交换成可调频率交流电的变流电路，因为没有中间环节，因此属于直接变频电路。

今天学习的内容就是了解“交交变频电路概述”。采用晶闸管组成的的交交变频电路被称为周波变流器。图1：单相交流输入时交－交变频电路的波形图

交－交变频电路是不通过中间直流环节而把电网频率的交流电直接变换成不同频率（低于交流电源频率）交流电的变流电路。因为没有中间直流环节，因此属于直接变频电路。

6.2.1交-交变频电路概述交交变频电路概念交交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。单相输出交交变频电路是三相输出交交变频电路的基础。交交变频电路广泛用于轧钢、水泥、牵引等大功率应用场合。

6.2.1交-交变频电路概述交交变频电路应用图1：单相交流输入时交－交变频电路的波形图电力电子技术三相输出交交变频电路概述

交交直接变频电路主要应用于三相交流供电的大功率交流电机调速系统，因此实用的交交直接变频器大都是三相输出交交变频电路。

今天学习的内容就是“三相输出交交变频电路概述”。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由三组输出电压相位各差120°的单相交交变频电路按一定的方式组成电路接线方式输出星形联结方式公共交流母线进线方式

6.2.5三相输出交交变频电路概述交－交变频器主要用于500kW或1000kW以上，转速在600r/min以下的大功率低转速的交流调速装置中。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。应用

6.2.5三相输出交交变频电路概述电力电子技术单相输出交交变频电路控制特点

单相输出交—交变频电路是三相输出交交变频电路的基础。今天学习的内容就是“单相输出交交变频电路控制特点”。图1：单相输出交－交变频电路图2：单相交流输入时交－交变频电路的波形图

6.2.3单相输出交交变频电路控制特点电路控制特点

正组工作的半个周期内让控制角a按正弦规律从90°逐渐减小到0°，然后再由0°逐渐增加到90°。正组整流电流的输出电压的平均值就按正弦规律变化，从零增大到最大,然后从最大减小到零。反组工作的半个周期内采用上述同样的控制方法，就可以得到接近正弦波的输出电压。如图3

6.2.3单相输出交交变频电路控制特点电路控制特点

图3：交－交变频电路的波形图（a变化）图1：单相输出交－交变频电路电力电子技术单相输出交交变频电路的工作过程

单相输出交—交变频电路是三相输出交交变频电路的基础。今天学习的内容就是“单相输出交交变频电路的工作过程”。

对于电感性负载，输出电压超前电流。一个周期可以分为六个阶段。第一阶段：输出电压过零，u0为正，i0<0，反组整流器工作在有源逆变状态，正组整流器被封锁；第二阶段：电流过零。为无环流死区；图1：单相输出交－交变频电路图2：交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形

6.2.4单相输出交交变频电路的工作过程工作过程（电感性负载）交—交变频电路的负载可以是电感性、电阻性或电容性。下面以使用较多的电感性负载为例，说明组成变频电路的两组可控整流电路的工作过程。第三阶段：i0>0，u0>0。正组整流器工作在整流状态，反组整流器被封锁。第四阶段：i0>0，u0<0。正组整流器工作有源逆变状态，反组整流器仍被封锁；

6.2.4单相输出交交变频电路的工作过程图1：单相输出交－交变频电路图2：交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形

对于电感性负载，输出电压超前电流。一个周期可以分为六个阶段。工作过程（电感性负载）交—交变频电路的负载可以是电感性、电阻性或电容性。下面以使用较多的电感性负载为例，说明组成变频电路的两组可控整流电路的工作过程。第五阶段：电流为零，为无环流死区；第六阶段：i0<0,u0<0，反组整流器工作在整流状态，正组整流器被封锁；

6.2.4单相输出交交变频电路的工作过程图1：单相输出交－交变频电路图2：交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形

对于电感性负载，输出电压超前电流。一个周期可以分为六个阶段。工作过程（电感性负载）交—交变频电路的负载可以是电感性、电阻性或电容性。下面以使用较多的电感性负载为例，说明组成变频电路的两组可控整流电路的工作过程。总结：

◆哪组整流器电路工作是由输出电流决定，而与输出电压极性无关；

◆变流电路是工作在整流状态还是逆变状态，则是由输出电压方向和输出电流方向的异同决定；

6.2.4单相输出交交变频电路的工作过程图1：单相输出交－交变频电路图2：交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形

工作过程（电感性负载）交—交变频电路的负载可以是电感性、电阻性或电容性。下面以使用较多的电感性负载为例，说明组成变频电路的两组可控整流电路的工作过程。电力电子技术三相输出交交变频电路接线

三相交—交变频电路主要有两种连接方式，即公共交流母线进线方式和输出星形连接方式。

今天学习的内容就是“三相输出交交变频电路接线——公共交流母线进线方式”。电路接线方式输出星形联结方式公共交流母线进线方式图1：公共交流母线进线方式的三相交－交变频电路原理图

6.2.6三相输出交交变频电路接线由三组彼此独立的，输出电压相位相互错开120

0的单相交-交变频电路组成。电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。电源进线端公用,故三相单相变频电路的输出端必须隔离，为此，交流电动机的三个绕组必须拆开，同时引出六根线。主要用于中等容量的交流调速系统。公共交流母线进线方式

6.2.6三相输出交交变频电路接线图1：公共交流母线进线方式的三相交－交变频电路原理图电力电子技术矩阵式变频器简介

6.2.9矩阵式变频器简介简介：是一种新颖的变频电路。是直接变频电路，采用的开关器件是全控型。控制方式是斩波控制。拓扑结构：三相输入电压为ua、ub和uc三相输出电压为uu、uv和uw图

矩阵式变频器6.2.9矩阵式变频器简介图

矩阵式变频器9个开关器件组成3×3矩阵，因此该电路被称为矩阵式变频电路(MatrixConverter—MC)或矩阵变换器。图中每个开关都是矩阵中的一个元素，采用双向可控开关，图中给出了应用较多的一种开关单元。6.2.9矩阵式变频器简介图

矩阵式变频器输出电压为正弦波。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。功率因数为1，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。不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。优点6.2.9矩阵式变频器简介图

矩阵式变频器功率器件数量大，装置结构复杂；双向开关的安全换流问题；当输出电压必须接近正弦时，理论上最大输出输入电压比只有0.866，用于交流电机调速时输出电压偏低

；IGBT数量的增加，导致矩阵变频器造价昂贵；由于矩阵式交一交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。

它能实现功率因数为1，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。现状虽然矩阵式变频器优点突出，但仍有瓶颈，因此尚未进入实用化。电力电子技术三相输出交交变频电路接线

三相交—交变频电路主要有两种连接方式，即公共交流母线进线方式和输出星形连接方式。

今天学习的内容就是“三相输出交交变频电路接线——输出星形连接方式”。电路接线方式输出星形联结方式公共交流母线进线方式

6.2.6三相输出交交变频电路接线图1：输出星形联结方式的三相交－交变频电路原理图

三组的输出端和电动机的三个绕组都是星形联结；电动机中点和变频器中点接在一起，电动机只引三根线即可；三组单相变频器连接在一起，其电源进线必须隔离，所以分别用三个变压器供电；图1：输出星形联结方式的三相交－交变频电路原理图

输出星形联结方式

6.2.6三相输出交交变频电路接线由于变频器输出中点不和负载中点相联结，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，形成电流；同一组桥内的两个晶闸管靠双脉冲保证同时导通。两组桥之间依靠足够的脉冲宽度来保证同时有触发脉冲。

6.2.6三相输出交交变频电路接线图1：输出星形联结方式的三相交－交变频电路原理图

输出星形联结方式电力电子技术交交变频电路输出频率上限

电压波形畸变以及由此产生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。构成交-交变频电路的两组变流电路的脉波数越多，输出上限频率就越高。

今天学习的内容就是“交交变频电路输出频率上限”。交-交变频电路的输出电压是由许多段电网电压拼接而成的。输出电压在一个周期内拼接的电网电压段数越多，就可使输出电压越接近正弦波，每段电网电压的平均持续时间是由变流电路的脉波数决定的，因此在输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压的段数就减少，波形畸变就严重。电压波形畸变以及由此产生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。构成交-交变频电路的两组变流电路的脉波数越多，输出上限频率就越高。

6.2.7交变频电路输出频率上限图1：输出星形联结方式的三相交－交变频电路原理图

输出频率输出频率升高时，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。一般的，交流电路采用6脉波的三相桥式电路时，最高输出频率不高于电网频率的1/3～1/2。电网频率为50HZ，交－交变频电路的输出上限频率约为20Hz。

6.2.7交变频电路输出频率上限图1：输出星形联结方式的三相交－交变频电路原理图

输出频率上限电力电子技术交交变频电路的特点

交交变频电路采用晶闸管作为主功率器件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。

今天学习的内容就是“交交变频电路的特点”。图1：输出星形联结方式的三相交－交变频电路原理图

◆只有一次变流，且使用电网换相，提高了变流效率；

◆可以很方便的实现四象限工作；

◆低频时输出波形接近正弦波；

6.2.8交交变频器的特点优点◆接线复杂，使用的晶闸管数目较多；◆受电网频率和交流电路各脉冲数的限制，输出频率低；

◆采用相控方式，功率因数较低

6.2.8交交变频器的特点图1：输出星形联结方式的三相交－交变频电路原理图

缺点交－交变频器主要用于500kW或1000kW以上，转速在600r/min以下的大功率低转速的交流调速装置中。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。

6.2.8交交变频器的特点图1：输出星形联结方式的三相交－交变频电路原理图

应用电力电子技术交-交变频电路

一交-交变频电路概述采用晶闸管组成的的交交变频电路被称为周波变流器。图

单相交流输入时交－交变频电路的波形图交交变频电路概念

交－交变频电路是不通过中间直流环节而把电网频率的交流电直接变换成不同频率（低于交流电源频率）交流电的变流电路。因为没有中间直流环节，因此属于直接变频电路。一交-交变频电路概述图

单相交流输入时交－交变频电路的波形图交交变频电路的应用交交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。单相输出交交变频电路是三相输出交交变频电路的基础。交交变频电路广泛用于轧钢、水泥、牵引等大功率应用场合。二单相输出交交变频电路基本结构及工作原理电路结构由具有相同特征的两组晶闸管整流电路（正组整流器P和反组整流器N）反并联构成；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都是相控整流电路，P组工作时，负载电流i。为正，N组工作时，i。为负。让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。

图单相输出交－交变频电路图单相交流输入时交－交变频电路的波形图二单相输出交交变频电路基本结构及工作原理◆正组整流器工作，反组整流器被封锁，负载端输出电压为上正下负；◆负组整流器工作，正组整流器被封锁，负载端得到输出电压上负下正；◆以低于电源的频率切换正反组整流器的工作状态,在负载端就可获得交变的输出电压；

◆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；图

单相输出交－交变频电路图单相交流输入时交－交变频电路的波形图工作原理三单相输出交交变频电路控制特点图3

单相输出交－交变频电路图1单相交流输入时交－交变频电路的波形图电路控制特点

图2交－交变频电路的波形图（a变化）

三单相输出交交变频电路控制特点图3

单相输出交－交变频电路图1单相交流输入时交－交变频电路的波形图电路控制特点图2交－交变频电路的波形图（a变化）

按正弦规律对a进行调制正组工作的半个周期内让控制角a按正弦规律从90°逐渐减小到0°，然后逐渐增加到90°。正组整流电流的输出电压的平均值就按正弦规律变化，从零增大到最大,然后从最大减小到零。反组工作的半个周期内采用上述同样的控制方法，就可以得到接近正弦波的输出电压。如图2四单相输出交交变频电路的工作过程电感性负载时

对于电感性负载，输出电压超前电流。一个周期可以分为六个阶段。

第一阶段：输出电压过零，u0为正，i0<0，反组整流器工作在有源逆变状态，正组整流器被封锁；图单相输出交－交变频电路图交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形

电感性负载时

对于电感性负载，输出电压超前电流。一个周期可以分为六个阶段。

第二阶段：电流过零。为无环流死区；第三阶段：i0>0，u0>0。正组整流器工作在整流状态，反组整流器被封锁。图单相输出交－交变频电路图交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形

四单相输出交交变频电路的工作过程电感性负载时

对于电感性负载，输出电压超前电流。一个周期可以分为六个阶段。

第四阶段：i0>0，u0<0。正组整流器工作有源逆变状态，反组整流器仍被封锁；第五阶段：电流为零，为无环流死区；第六阶段：i0<0,u0<0，反组整流器工作在整流状态，正组整流器被封锁；图单相输出交－交变频电路图交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形

四单相输出交交变频电路的工作过程电感性负载时

对于电感性负载，输出电压超前电流。一个周期可以分为六个阶段。

图单相输出交－交变频电路图交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形

总结：

◆哪组整流器电路工作是由输出电流决定，而与输出电压极性无关；

◆变流电路是工作在整流状态还是逆变状态，则是由输出电压方向和输出电流方向的异同决定；四单相输出交交变频电路的工作过程电力电子技术认识变频器

什么是变频器？变频器是利用电力半导体器件的通断作用将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度。变频器的基本构成如图1所示。交-直-交变频器的主电路如图2所示。图1变频器的基本构成图2交-直-交变频器的主电路变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器的应用场合众多，其外形结构也是多种多样，如图3所示。根据其功率大小及外形有盒式结构（0.75～37kW）和柜式结构（45～1500kW）两种。

图3变频器的外形什么是变频器？一．变频器的基本构成通用变频器由主回路（包括整流电路、中间直流环节、逆变电路）和控制回路构成。整流电路逆变电路中间直流环节控制电路通用变频器一．变频器的基本构成1.整流电路电网侧的变流器为整流电路，它的作用是把三相（单相）交流电整流成直流电。2.逆变电路负载侧的变流器为逆变电路，逆变电路一般由半导体主开关器件组成。3.中间直流环节由于逆变电路的负载一般感性负载。其功率因数总不会为1。因此，总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件来缓冲。所以又称中间直流环节为中间直流储能环节。4.控制电路由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路构成。主要完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制及完成各种保护功能等。整流电路逆变电路中间直流环节控制电路通用变频器二、变频器的分类1．按变换环节分类可分为交-交变频器和交-直-交变频器1）交-交变频器：交-交变频器的主要优点是没有中间环节，变换效率高，主要应用于低速大功率的拖动系统。交-直-交变频器交-交变频器按变换环节分类二、变频器的分类1．按变换环节分类2）交-直-交变频器：主要由整流电路、中间直流环节和逆变电路三部分组成。该变频器按中间环节的滤波方式又可分为电压型变频器和电流型变频器。电压型变频器。主电路典型结构如图4所示。在电路中，中间直流环节采用大电容滤波，基本保持恒定，类似于电压源，因而称之为电压型变频器。电流型变频器。与电压型变频器在主电路结构上相似，不同的是电流型变频器的中间直流环节采用大电感滤波，如图5所示。图4电压型变频器主电路结构图5电流型变频器主电路结构2．按逆变器开关方式分类（1）PAM(脉冲振幅调制)：通过调节输出脉冲的幅值来进行输出控制的一种方式。在调节过程中，整流器部分负责调节电压或电流，逆变器部分负责调频。（2）PWM(脉冲宽度调制)：通过改变输出脉冲的占空比来实现变频器输出电压的调节，因此，逆变器部分需要同时进行调压和调频。脉冲振幅调制脉冲宽度调制控制变频器：同时控制变频器输出电压和频率，通过保持比值恒定，使得电动机的主磁通不变，在基频以下实现恒转矩调速，基频以上实现恒功率调速。它是一种转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，多应用于精度要求不高的场合。

3．按逆变器控制方式分类

（1）（2）矢量控制变频器：为了提高变频调速的动态性能。模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对异步电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。（3）直接转矩控制变频器：是一种新型的变频器。省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理。该系统的转矩响应迅速，无超调，是一种具有高静态和动态性能的交流调速方法。可分为U/f控制变频器、矢量控制变频器、直接转矩控制变频器4．按变频器的用途分类可分为通用变频器、专业变频器（1）通用变频器通用变频器其特点是通用性，是变频器家族中应用最为广泛的一种。通用变频器主要包含两大类：节能型变频器和高性能通用变频器。（2）专业变频器是一种针对某一种特定的应用场合而设计的变频器，为满足某种需要，这种变频器在某一方面具有较为优良的性能。如电梯及起重机用变频器等，还包括一些高频、大容量、高压等变频器。电力电子技术三相输出交交变频电路

一三相输出交交变频电路概述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由三组输出电压相位各差120°的单相交交变频电路组成电路接线方式输出星形联结方式公共交流母线进线方式一三相输出交交变频电路概述主要用于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。应用二三相输出交交变频电路接线电路接线方式输出星形联结方式公共交流母线进线方式图公共交流母线进线方式的三相交－交变频电路原理图二三相输出交交变频电路接线图公共交流母线进线方式的三相交－交变频电路原理图由三组彼此独立的，输出电压相位相互错开120

0的单相交-交变频电路组成。电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。电源进线端公用,故三相单相变频电路的输出端必须隔离，为此，交流电动机的三个绕组必须拆开，同时引出六根线。主要用于中等容量的交流调速系统。公共交流母线进线方式三三相输出交交变频电路接线三组的输出端和电动机的三个绕组都是星形联结；电动机中点和变频器中点接在一起，电动机只引三根线即可；三组单相变频器连接在一起，其电源进线必须隔离，所以分别用三个变压器供电；图输出星形联结方式