第 交流交流變流電路PPT課件

1、1/536.1 交流調(diào)壓電路 單相交流調(diào)壓電路 三相交流調(diào)壓電路第1頁/共52頁2/536.1 交流調(diào)壓電路引言把兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可以控制交流輸出。 交流電力控制電路 交流調(diào)壓電路：在每半個周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值的電路。 交流調(diào)功電路：以交流電的周期為單位控制晶閘管的通斷，改變通態(tài)周期數(shù)和斷態(tài)周期數(shù)的比，調(diào)節(jié)輸出功率平均值的電路。 交流電力電子開關(guān)：串入電路中根據(jù)需要接通或斷開電路的晶閘管。應(yīng)用 燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制)。 異步電動機軟起動。 異步電動機調(diào)速。 供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。 在高壓小電流或低壓

2、大電流直流電源中，用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。第2頁/共52頁3/53單相交流調(diào)壓電路Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt圖圖6-1 電阻負(fù)載單相交電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形流調(diào)壓電路及其波形電阻負(fù)載電阻負(fù)載 工作過程工作過程 在交流電源在交流電源u1的正半周和負(fù)半周，分別對的正半周和負(fù)半周，分別對VT1和和VT2的開通角的開通角 進行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。進行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。 基本的數(shù)量關(guān)系基本的數(shù)量關(guān)系 負(fù)載電壓有效值負(fù)載電壓有效值Uo ww2sin21dsin21121oUttUU負(fù)載電流有效值負(fù)載電流有效值Io RUIoo晶閘管電流有效值晶閘管電流有效值IT )22s

3、in1 (21sin221121wwRUtdRtUIT功率因數(shù)功率因數(shù) 2sin211oo1ooUUIUIUSP(6-1)(6-2)(6-3)(6-4)第3頁/共52頁4/53單相交流調(diào)壓電路VT1圖圖6-2 阻感負(fù)載單相交流阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形調(diào)壓電路及其波形阻感負(fù)載阻感負(fù)載 工作過程工作過程 若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時負(fù)載電流為正若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時負(fù)載電流為正弦波，相位滯后于弦波，相位滯后于u1的角度為的角度為 ，當(dāng)用晶閘管，當(dāng)用晶閘管控制時，只能進行控制時，只能進行滯后控制滯后控制，使負(fù)載電流更，使負(fù)載電流更為滯后。為滯后。 設(shè)負(fù)載的阻抗角為設(shè)負(fù)載的阻抗角為 ，穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)時時 的

4、移相范圍應(yīng)為的移相范圍應(yīng)為 。 在在w wt= 時刻開通晶閘管時刻開通晶閘管VT1，可求得，可求得導(dǎo)通角導(dǎo)通角 ，即，即 的移相范圍為的移相范圍為0 ，隨著，隨著 的增大，的增大，Uo逐漸降低，逐漸降低， 逐漸降低。逐漸降低。 )/(tg1RLwtg)sin()sin(e(6-7)第4頁/共52頁5/53單相交流調(diào)壓電路圖圖6-3 單相交流調(diào)壓電路以單相交流調(diào)壓電路以 為為參變量的參變量的 和和 關(guān)系曲線關(guān)系曲線 以以 為參變量，利用式為參變量，利用式(6-7)可以把可以把 和和 的關(guān)系用圖的關(guān)系用圖6-3的一簇曲線來表示。的一簇曲線來表示?；镜臄?shù)量關(guān)系基本的數(shù)量關(guān)系 負(fù)載電壓有效值負(fù)載電壓

5、有效值Uo )22sin(2sin21)()sin2(1121owwUtdtUU晶閘管電流有效值晶閘管電流有效值IVT wwwcos)2cos(sin2)d()sin()sin(22112tg1VTZUtetZUIt(6-8)(6-9)第5頁/共52頁6/53單相交流調(diào)壓電路負(fù)載電流有效值負(fù)載電流有效值Io VTo2II 晶閘管電流晶閘管電流IVT的標(biāo)么值的標(biāo)么值 1VTVTN2UZII式中式中22)( LRZw圖圖6-4 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路 為參變量時為參變量時IVTN和和 關(guān)系曲線關(guān)系曲線(6-10)(6-11)第6頁/共52頁7/53單相交流調(diào)壓電路 時的工作情況時的工作情

6、況 VT1的導(dǎo)通時間的導(dǎo)通時間超過超過 。 觸發(fā)觸發(fā)VT2時，時，io尚未過零，尚未過零，VT1仍導(dǎo)通，仍導(dǎo)通，VT2不會導(dǎo)通，不會導(dǎo)通，io過零后，過零后，VT2才可才可開通，開通，VT2導(dǎo)通角導(dǎo)通角小于小于 。 io有有指數(shù)衰減分量指數(shù)衰減分量，在指數(shù)分量，在指數(shù)分量衰減過程中，衰減過程中，VT1導(dǎo)通時間漸短，導(dǎo)通時間漸短，VT2的導(dǎo)的導(dǎo)通時間漸長。通時間漸長。wtwtwtwt圖4-5OOOOu1iG1iG2ioiT1iT2圖圖6-5 時阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形時阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形第7頁/共52頁8/53單相交流調(diào)壓電路87.366435. 0)86arctan()arcta

7、n(RXL6435. 0例例6-1 一單相交流調(diào)壓器，輸入交流電壓為一單相交流調(diào)壓器，輸入交流電壓為220V，50Hz，負(fù)載為電阻電感，負(fù)載為電阻電感，其中其中R=8W，XL=6 W。試求。試求 = /6、 /3時的輸出電壓、電流有效值及輸入功率時的輸出電壓、電流有效值及輸入功率和功率因數(shù)。和功率因數(shù)。 解：負(fù)載阻抗及負(fù)載阻抗角分別為：解：負(fù)載阻抗及負(fù)載阻抗角分別為： 1022LXRZ因此開通角因此開通角 的變化范圍為：的變化范圍為： 即即當(dāng)當(dāng) = /6時，由于時，由于 ,因此晶閘管調(diào)壓器全開放，輸出電壓為完整因此晶閘管調(diào)壓器全開放，輸出電壓為完整的正弦波，負(fù)載電流也為最大，此時輸出功率最大，

8、為的正弦波，負(fù)載電流也為最大，此時輸出功率最大，為 )(22220AZIIoin第8頁/共52頁9/53單相交流調(diào)壓電路)(38722WRIPinin3etan)6435. 03sin()6435. 03sin(功率因數(shù)為功率因數(shù)為8 . 0222203872o1IUPin實際上，此時的功率因數(shù)也就是負(fù)載阻抗角的余弦。實際上，此時的功率因數(shù)也就是負(fù)載阻抗角的余弦。 時，先計算晶閘管的導(dǎo)通角，由式（時，先計算晶閘管的導(dǎo)通角，由式（6-7）得）得 解上式可得晶閘管導(dǎo)通角為：解上式可得晶閘管導(dǎo)通角為：2 .156727. 2第9頁/共52頁10/53單相交流調(diào)壓電路8 . 0)727. 26435.

9、 032cos(727. 2sin727. 2102220)(55.13A)(16.19AIIIVToincos)2cos(sin21VTZUI)(29372WRIPinin697. 016.192202937o1IUPin第10頁/共52頁11/53單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路的諧波分析單相交流調(diào)壓電路的諧波分析 帶電阻負(fù)載時，對負(fù)載電壓帶電阻負(fù)載時，對負(fù)載電壓uo進行諧波分析進行諧波分析 , 5 , 3, 1o)sincos()(nnntnbtnatuwww式中式中) 12(cos2211Ua)(22sin2211Ub1) 1cos(111) 1cos(1121nnnnUan) 1si

10、n(11) 1sin(1121nnnnUbn(n=3,5,7,)(n=3,5,7,)(6-12)第11頁/共52頁12/53單相交流調(diào)壓電路基波和各次諧波的有效值可按下式求出基波和各次諧波的有效值可按下式求出22on21nnbaU負(fù)載電流基波和各次諧波的有效值為負(fù)載電流基波和各次諧波的有效值為RUI/onon060120180圖4-6基波3次5次7次觸發(fā)延遲角/( )In/I*/%20406080100圖圖6-6 電阻負(fù)載單相交流調(diào)電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含壓電路基波和諧波電流含量量 (n=1,3,5,7,) (6-13)(6-14)電流基波和各次諧波標(biāo)么值隨電流基波和各次諧波標(biāo)

11、么值隨 變化的曲線，如圖變化的曲線，如圖6-6所示，其中所示，其中基準(zhǔn)電流為基準(zhǔn)電流為 =0時的電流有效值時的電流有效值。 阻感負(fù)載時阻感負(fù)載時 電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)載時相同，也只含電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)載時相同，也只含3、5、7等次諧波。等次諧波。 隨著次數(shù)的增加，諧波含量減少。隨著次數(shù)的增加，諧波含量減少。 和電阻負(fù)載時相比，阻感負(fù)載時的諧波電流含和電阻負(fù)載時相比，阻感負(fù)載時的諧波電流含量少一些。量少一些。 當(dāng)當(dāng) 角相同時，隨著阻抗角角相同時，隨著阻抗角 的增大，諧波含量的增大，諧波含量有所減少。有所減少。第12頁/共52頁13/53單相交流調(diào)壓電路RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD

12、2V3V4VD4VD3圖圖6-7 斬控式交流調(diào)壓電路斬控式交流調(diào)壓電路斬控式交流調(diào)壓電路斬控式交流調(diào)壓電路 工作原理工作原理 用用V1，V2進行進行斬波控制斬波控制，用，用V3，V4給負(fù)載電流提供給負(fù)載電流提供續(xù)流續(xù)流通道。通道。 設(shè)斬波器件（設(shè)斬波器件（V1，V2）導(dǎo)通時）導(dǎo)通時間為間為ton，開關(guān)周期為，開關(guān)周期為T，則導(dǎo)通比，則導(dǎo)通比 =ton/T ，通過改變，通過改變 來調(diào)節(jié)輸出電壓。來調(diào)節(jié)輸出電壓。 電源電流的基波分量是和電源電電源電流的基波分量是和電源電壓同相位的，即壓同相位的，即位移因數(shù)為位移因數(shù)為1，電源電，電源電流中不含低次諧波，只含和開關(guān)周期流中不含低次諧波，只含和開關(guān)周期

13、T有關(guān)的高次諧波，這些高次諧波用有關(guān)的高次諧波，這些高次諧波用很小的濾波器即可濾除，這時電路的很小的濾波器即可濾除，這時電路的功率因數(shù)接近功率因數(shù)接近1。 圖圖6-8 電阻負(fù)載斬控式電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形交流調(diào)壓電路波形第13頁/共52頁14/53三相交流調(diào)壓電路根據(jù)三相聯(lián)結(jié)形式的不同，三相交流調(diào)壓電路具有多種形式。根據(jù)三相聯(lián)結(jié)形式的不同，三相交流調(diào)壓電路具有多種形式。 圖圖6-9 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路a)星形聯(lián)結(jié)星形聯(lián)結(jié) b)支路控制三角形聯(lián)結(jié)支路控制三角形聯(lián)結(jié) c)中點控制三角形聯(lián)結(jié)中點控制三角形聯(lián)結(jié) 第14頁/共52頁15/53三相交流調(diào)壓電路星形聯(lián)結(jié)電路星形聯(lián)結(jié)電路

14、 分為分為三相三線三相三線和和三相四線三相四線兩種情況。兩種情況。 三線四相三線四相 相當(dāng)于三個單相交流調(diào)壓電路的組合，相當(dāng)于三個單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯開三相互相錯開120工作。工作。 基波和基波和3倍次以外倍次以外的諧波在三相之間流的諧波在三相之間流動，不流過零線，動，不流過零線，3的整數(shù)倍次的整數(shù)倍次諧波是同相位諧波是同相位的，不能在各相之間流動，全部流過零線。的，不能在各相之間流動，全部流過零線。 當(dāng)當(dāng) =90時，零線電流甚至和各相電流時，零線電流甚至和各相電流的有效值接近。的有效值接近。 三相三線帶電阻負(fù)載時的工作原理三相三線帶電阻負(fù)載時的工作原理 任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成

15、回路，因此任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路，因此電流通路中電流通路中至少有兩個晶閘管至少有兩個晶閘管，應(yīng)采用雙脈沖，應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)?；?qū)捗}沖觸發(fā)。 觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣，為一樣，為VT1 VT6,依次相差依次相差60。圖圖6-9 a)星形聯(lián)結(jié)星形聯(lián)結(jié)第15頁/共52頁16/53三相交流調(diào)壓電路圖圖6-10 不同不同 角時負(fù)載相電壓波形角時負(fù)載相電壓波形a) =30 b) =60 把把相電壓過零點相電壓過零點定為開通角定為開通角 的起的起點，三相三線電路中，兩相間導(dǎo)通時點，三相三線電路中，兩相間導(dǎo)通時是靠線電壓導(dǎo)通的，而線電壓超前相是靠線

16、電壓導(dǎo)通的，而線電壓超前相電壓電壓30，因此，因此 角的移相范圍是角的移相范圍是0150。根據(jù)任一時刻導(dǎo)通晶閘管個數(shù)以及根據(jù)任一時刻導(dǎo)通晶閘管個數(shù)以及半個周波內(nèi)電流是否連續(xù)可將半個周波內(nèi)電流是否連續(xù)可將0150的移相范圍分為如下三段的移相范圍分為如下三段 0 60范圍內(nèi)，電路處于范圍內(nèi)，電路處于三三個晶閘管導(dǎo)通與兩個晶閘管導(dǎo)通的交個晶閘管導(dǎo)通與兩個晶閘管導(dǎo)通的交替狀態(tài)替狀態(tài)，每個晶閘管導(dǎo)通角度為，每個晶閘管導(dǎo)通角度為180- ,但但 =0時是一種特殊情況，時是一種特殊情況，一直是三個晶閘管導(dǎo)通。一直是三個晶閘管導(dǎo)通。 60 90范圍內(nèi)，任一時刻都范圍內(nèi)，任一時刻都是是兩個晶閘管導(dǎo)通兩個晶閘管導(dǎo)

17、通，每個晶閘管的導(dǎo)，每個晶閘管的導(dǎo)通角度為通角度為120。 第16頁/共52頁17/53三相交流調(diào)壓電路圖圖6-10 不同不同 角時負(fù)載相電壓波形角時負(fù)載相電壓波形 c) =120 90 150范圍內(nèi)，電路處于范圍內(nèi)，電路處于兩個晶閘管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通的交兩個晶閘管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通的交替狀態(tài)替狀態(tài)，每個晶閘管導(dǎo)通角度為，每個晶閘管導(dǎo)通角度為300-2 ，而且這個導(dǎo)通角度被分割，而且這個導(dǎo)通角度被分割為不連續(xù)的兩部分，在半周波內(nèi)形成為不連續(xù)的兩部分，在半周波內(nèi)形成兩個斷續(xù)的波頭，各占兩個斷續(xù)的波頭，各占150- 。 諧波分析諧波分析 電流諧波次數(shù)為電流諧波次數(shù)為6k1(k=1，2，3，)。

18、諧波次數(shù)越低，含量越大。諧波次數(shù)越低，含量越大。 和單相交流調(diào)壓電路相比，和單相交流調(diào)壓電路相比，沒有沒有3倍次諧波倍次諧波，因為三相對稱時，它們，因為三相對稱時，它們不能流過三相三線電路。不能流過三相三線電路。第17頁/共52頁18/53三相交流調(diào)壓電路圖圖6-9 三相交流調(diào)壓電路三相交流調(diào)壓電路 b)支路控制三角形聯(lián)結(jié)支路控制三角形聯(lián)結(jié)支路控制三角聯(lián)結(jié)電路支路控制三角聯(lián)結(jié)電路 由三個單相交流調(diào)壓電路組成，分由三個單相交流調(diào)壓電路組成，分別在不同的別在不同的線電壓線電壓作用下工作。作用下工作。 單相交流調(diào)壓電路的分析方法和結(jié)單相交流調(diào)壓電路的分析方法和結(jié)論完全適用，輸入線電流（即電源電流）論

19、完全適用，輸入線電流（即電源電流）為與該線相連的兩個負(fù)載相電流之和。為與該線相連的兩個負(fù)載相電流之和。 諧波分析諧波分析 3倍次諧波倍次諧波相位和大小相同，在三相位和大小相同，在三角形回路中流動，而不出現(xiàn)在線電流中。角形回路中流動，而不出現(xiàn)在線電流中。 線電流中所諧波次數(shù)為線電流中所諧波次數(shù)為6k1(k為為正整數(shù)正整數(shù))。 在相同負(fù)載和在相同負(fù)載和 角時，線電流中諧角時，線電流中諧波含量少于三相三線星形電路。波含量少于三相三線星形電路。第18頁/共52頁19/536.2 其他交流電力控制電路 交流調(diào)功電路 交流電力電子開關(guān)第19頁/共52頁20/53交流調(diào)功電路2NM電源周期控制周期=M倍電源

20、周期 =24MO導(dǎo)通段 =M3M2Muou1uo,iowtU12012 14諧波次數(shù)相對于電源頻率的倍數(shù)2 4 610051234In/I0m圖圖6-11 交流調(diào)功電路典型波形交流調(diào)功電路典型波形(M=3、N=2) 圖圖6-12 交流調(diào)功電路的電流頻譜圖交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(M=3、N=2) 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路 工作原理工作原理 和交流調(diào)壓電路的電路形式完全相同，只是和交流調(diào)壓電路的電路形式完全相同，只是控制方式不同控制方式不同。 通過改變通過改變接通周波數(shù)接通周波數(shù)與與斷開周波數(shù)斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率

21、。平均功率。 第20頁/共52頁21/53交流調(diào)功電路 諧波分析 在交流電源接通期間，負(fù)載電壓電流都是正弦波，不對電網(wǎng)電壓電流造成通常意義的諧波污染。 如果以電源周期為基準(zhǔn)，電流中不含整數(shù)倍頻率的諧波，但含有非整數(shù)倍頻率的諧波，而且在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大。 2NM電源周期控制周期=M倍電源周期 =24MO導(dǎo)通段 =M3M2Muou1uo,iowtU12012 14諧波次數(shù)相對于電源頻率的倍數(shù)2 4 610051234In/I0m圖圖6-11 交流調(diào)功電路典型波形交流調(diào)功電路典型波形(M=3、N=2) 圖圖6-12 交流調(diào)功電路的電流頻譜

22、圖交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(M=3、N=2) 第21頁/共52頁22/53交流電力電子開關(guān)交流電力電子開關(guān)：把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用。優(yōu)點：響應(yīng)速度快，沒有觸點，壽命長，可以頻繁控制通斷。 與交流調(diào)功電路的區(qū)別 并不控制電路的平均輸出功率。 通常沒有明確的控制周期，只是根據(jù)需要控制電路的接通和斷開。 控制頻度通常比交流調(diào)功電路低得多。 第22頁/共52頁23/536.3 交交變頻電路 單相交交變頻電路 三相交交變頻電路第23頁/共52頁24/53單相交交變頻電路ZPN輸出電壓平均輸出電壓OuouoP=0P=2P=2wt圖圖6-13 單相交交變

23、頻電路原單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形理圖和輸出電壓波形 交交變頻電路是把電網(wǎng)頻率的交流交交變頻電路是把電網(wǎng)頻率的交流電直接變換成可調(diào)頻率的交流電的變電直接變換成可調(diào)頻率的交流電的變流電路，因為沒有中間直流環(huán)節(jié)，因流電路，因為沒有中間直流環(huán)節(jié)，因此屬于此屬于直接變頻電路直接變頻電路。電路構(gòu)成和基本工作原理電路構(gòu)成和基本工作原理 由由P組和組和N組反并聯(lián)的晶閘管相控組反并聯(lián)的晶閘管相控整流電路構(gòu)成，和直流電動機可逆調(diào)整流電路構(gòu)成，和直流電動機可逆調(diào)速用的四象限變流電路完全相同。速用的四象限變流電路完全相同。 工作原理工作原理 P組工作時，負(fù)載電流組工作時，負(fù)載電流io為為正正， N組工作時

24、，組工作時，io為為負(fù)負(fù)。 兩組變流器按一定的頻率交替兩組變流器按一定的頻率交替工作，負(fù)載就得到該頻率的交流電。工作，負(fù)載就得到該頻率的交流電。 改變兩組變流器的改變兩組變流器的切換頻率切換頻率，就可以改變輸出頻率就可以改變輸出頻率w w0。 改變變流電路工作時的改變變流電路工作時的控制角控制角 ，就可以改變交流輸出電壓的就可以改變交流輸出電壓的幅值幅值。 第24頁/共52頁25/53單相交交變頻電路圖圖6-13 單相交交變頻電路原單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形理圖和輸出電壓波形 為使為使uo波形接近正弦波，可波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對按正弦規(guī)律對 角進行調(diào)制。角進行調(diào)制。 在半個周

25、期內(nèi)讓在半個周期內(nèi)讓P組組 角角按正弦規(guī)律從按正弦規(guī)律從90減到減到0或或某個值某個值，再增加到，再增加到90，每，每個控制間隔內(nèi)的個控制間隔內(nèi)的平均輸出電平均輸出電壓壓就按正弦規(guī)律從零增至最就按正弦規(guī)律從零增至最高，再減到零；另外半個周高，再減到零；另外半個周期可對期可對N組進行同樣的控制。組進行同樣的控制。 uo由若干段電源電壓拼由若干段電源電壓拼接而成，在接而成，在uo的一個周期內(nèi)，的一個周期內(nèi)，包含的電源電壓段數(shù)越多，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波。其波形就越接近正弦波。第25頁/共52頁26/53單相交交變頻電路圖圖6-14 理想化交交變頻電理想化交交變頻電路的整流和逆

26、變工作狀態(tài)路的整流和逆變工作狀態(tài)整流與逆變工作狀態(tài)整流與逆變工作狀態(tài) 以阻感負(fù)載為例，把電路等效成圖以阻感負(fù)載為例，把電路等效成圖6-14a所示的正弦波交流電源和二極管的串所示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)，二極管體現(xiàn)了交流電路的電流的單聯(lián)，二極管體現(xiàn)了交流電路的電流的單方向性。方向性。 設(shè)負(fù)載阻抗角為設(shè)負(fù)載阻抗角為 ，則輸出電流滯后，則輸出電流滯后輸出電壓輸出電壓 角，兩組變流電路采取角，兩組變流電路采取無環(huán)流無環(huán)流工作方式工作方式，即一組變流電路工作時，封，即一組變流電路工作時，封鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖。鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖。 工作狀態(tài)工作狀態(tài) t1t3期間：期間：io處于正半周

27、處于正半周，正組工，正組工作，反組被封鎖。作，反組被封鎖。 t1t2階段：階段：uo和和io均為正，正組整均為正，正組整流，輸出功率為正。流，輸出功率為正。 t2t3階段：階段：uo反向，反向，io仍為正，正仍為正，正組逆變，輸出功率為負(fù)。組逆變，輸出功率為負(fù)。第26頁/共52頁27/53單相交交變頻電路圖圖6-14 理想化交交變頻電理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)路的整流和逆變工作狀態(tài) t3t5期間：期間：io處于負(fù)半周處于負(fù)半周，反，反組工作，正組被封鎖。組工作，正組被封鎖。 t3t4階段：階段：uo和和io均為負(fù)，均為負(fù)，反組整流，輸出功率為正。反組整流，輸出功率為正。 t4t5階

28、段：階段：uo反向，反向，io仍為仍為負(fù)，反組逆變，輸出功率為負(fù)。負(fù)，反組逆變，輸出功率為負(fù)。結(jié)論結(jié)論 哪組變流電路工作由哪組變流電路工作由io方向方向決定，與決定，與uo極性無關(guān)。極性無關(guān)。 變流電路變流電路工作在整流還是逆工作在整流還是逆變狀態(tài)，根據(jù)變狀態(tài)，根據(jù)uo方向與方向與io方向是否方向是否相同相同來確定。來確定。第27頁/共52頁28/53單相交交變頻電路考慮到無環(huán)流工作方式下負(fù)載電流過零的正反組切換死區(qū)時間，一周期的考慮到無環(huán)流工作方式下負(fù)載電流過零的正反組切換死區(qū)時間，一周期的波形可分為波形可分為6段段：第：第1段段io0，為反組逆變；第，為反組逆變；第2段電流過零，為切換死段

29、電流過零，為切換死區(qū)；第區(qū)；第3段段io0，uo0，為正組整流；第，為正組整流；第4段段io0，uo0，為正組逆變；第，為正組逆變；第5段段又是切換死區(qū)；第又是切換死區(qū)；第6段段io0，uo0，為反組整流。，為反組整流。當(dāng)輸出電壓和電流的相位差小于當(dāng)輸出電壓和電流的相位差小于90時，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負(fù)載提供能量的時，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負(fù)載提供能量的平均值為正，若負(fù)載為電動機，則電動機工作在平均值為正，若負(fù)載為電動機，則電動機工作在電動狀態(tài)電動狀態(tài)；當(dāng)二者相位差大；當(dāng)二者相位差大于于90時，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負(fù)載提供能量的平均值為負(fù)，即電網(wǎng)吸收能量，時，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負(fù)載提供能量的平均值為負(fù)，即電網(wǎng)吸收能

30、量，電動機工作在電動機工作在發(fā)電狀態(tài)發(fā)電狀態(tài)。 圖圖6-15 單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形第28頁/共52頁29/53單相交交變頻電路輸出正弦波電壓的調(diào)制方法輸出正弦波電壓的調(diào)制方法 主要介紹最基本的主要介紹最基本的余弦交點法余弦交點法。 用余弦交點法求交交變頻電路用余弦交點法求交交變頻電路 角的基本公式角的基本公式 每次控制間隔內(nèi)輸出電壓的平均值為每次控制間隔內(nèi)輸出電壓的平均值為 cosd0oUu式中式中Ud0為為 =0時整流電路的理想空載電壓。時整流電路的理想空載電壓。 要得到的正弦波輸出電壓為要得到的正弦波輸出電壓為 tUuoomosinw比較式比

31、較式(6-15)和和(6-16)，應(yīng)使，應(yīng)使 ttUUood0omsinsincosww式中，式中， 稱為輸出電壓比，稱為輸出電壓比， ) 10(d0omUU因此因此)sin(coso1tw(6-15)(6-16)(6-17)(6-18)第29頁/共52頁30/53單相交交變頻電路圖4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoP3P4wtwt圖圖6-16 余弦交點法原理余弦交點法原理余弦交點法圖解余弦交點法圖解 線電壓線電壓uab、uac、ubc、uba、uca和和ucb依次用依次用u1u6表示，表示，相鄰兩個線電壓的相鄰兩個線電壓的交點對應(yīng)于交點對應(yīng)于 =0。 u

32、1u6所對應(yīng)的同步信號分別用所對應(yīng)的同步信號分別用us1us6表示，表示，us1us6比相應(yīng)的比相應(yīng)的u1u6超前超前30，us1us6的最大值和相應(yīng)線電壓的最大值和相應(yīng)線電壓 =0的時刻對應(yīng)，的時刻對應(yīng)，以以 =0為零時刻為零時刻，則則us1us6為余弦信號為余弦信號。 希望輸出電壓為希望輸出電壓為uo，則各晶閘管觸發(fā)時刻由相應(yīng)的，則各晶閘管觸發(fā)時刻由相應(yīng)的同步電壓同步電壓us1us6的下降的下降段和段和uo的交點的交點來決定。來決定。第30頁/共52頁31/53單相交交變頻電路 = 0 = 0.1相位控制角/( )輸出相位w 0 t圖4-2212015018030609000.10.20.

33、0.91.02223圖圖6-17 不同不同 時時 和和w wot的關(guān)系的關(guān)系不同輸出不同輸出 的情況下，的情況下，在輸出電壓的一個周期在輸出電壓的一個周期內(nèi)，控制角內(nèi)，控制角 隨隨w wot變化變化的情況如圖的情況如圖6-17，圖中，圖中 )sin(sin2)sin(coso1o1ttww 較小，即輸出電壓較較小，即輸出電壓較低時，低時， 只在離只在離90很很近的范圍內(nèi)變化近的范圍內(nèi)變化，電路，電路的輸入功率因數(shù)非常低。的輸入功率因數(shù)非常低。第31頁/共52頁32/53單相交交變頻電路輸入輸出特性 輸出上限頻率 輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所含電網(wǎng)電壓段

34、數(shù)減少，波形畸變嚴(yán)重，電壓波形畸變及其導(dǎo)致的電流波形畸變和轉(zhuǎn)矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。 就輸出波形畸變和輸出上限頻率的關(guān)系而言，很難確定一個明確的界限。 當(dāng)采用6脈波三相橋式電路時，一般認(rèn)為輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/31/2，電網(wǎng)頻率為50Hz時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz。第32頁/共52頁33/53單相交交變頻電路圖圖6-18 交交變頻電交交變頻電路的輸入位移因數(shù)路的輸入位移因數(shù)輸入功率因數(shù)輸入功率因數(shù) 輸入電流相位總是滯后于輸輸入電流相位總是滯后于輸入電壓，需要入電壓，需要電網(wǎng)提供無功功率電網(wǎng)提供無功功率。 在輸出電壓的一個周期內(nèi)，在輸出電壓的一個周期內(nèi)， 角

35、角以以90為中心為中心而前后變化。而前后變化。 輸出電壓比輸出電壓比 越小，半周期內(nèi)越小，半周期內(nèi) 的平均值越靠近的平均值越靠近90，位移因，位移因數(shù)越低；負(fù)載功率因數(shù)越低，輸數(shù)越低；負(fù)載功率因數(shù)越低，輸入功率因數(shù)也越低。入功率因數(shù)也越低。 不論負(fù)載功率因數(shù)是滯后的不論負(fù)載功率因數(shù)是滯后的還是超前的，還是超前的，輸入的無功電流總輸入的無功電流總是滯后的是滯后的。第33頁/共52頁34/53單相交交變頻電路 輸出電壓諧波 輸出電壓的諧波頻譜非常復(fù)雜，既和電網(wǎng)頻率f fi i以及變流電路的脈波數(shù)有關(guān)，也和輸出頻率f fo o有關(guān)。 采用三相橋式電路時，輸出電壓所含主要諧波的頻率為 6f fi if

36、 fo o，6f fi i3f fo o，6f fi i5f fo o， 12f fi if fo o，12f fi i3f fo o，12f fi i5f fo o， 采用無環(huán)流控制方式時，由于電流方向改變時死區(qū)的影響，將增加5f fo o、7f fo o等次諧波。 輸入電流諧波 輸入電流波形和可控整流電路的輸入波形類似，但其幅值和相位均按正弦規(guī)律被調(diào)制。 采用三相橋式電路的交交變頻電路輸入電流諧波頻率為第34頁/共52頁35/53單相交交變頻電路 采用三相橋式電路的交交變頻電路輸入電流諧波頻采用三相橋式電路的交交變頻電路輸入電流諧波頻率為率為oiin216lffkf和和oiin2kfff式

37、中，式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。 交交變頻電路也可采用有環(huán)流方式，避免電流斷續(xù)并消交交變頻電路也可采用有環(huán)流方式，避免電流斷續(xù)并消除電流死區(qū)，改善輸出波形，還可提高交交變頻電路的輸除電流死區(qū)，改善輸出波形，還可提高交交變頻電路的輸出上限頻率，但是有環(huán)流方式需要設(shè)置環(huán)流電抗器，使設(shè)出上限頻率，但是有環(huán)流方式需要設(shè)置環(huán)流電抗器，使設(shè)備成本增加，運行效率也因環(huán)流而有所降低。備成本增加，運行效率也因環(huán)流而有所降低。 (6-19)(6-20)第35頁/共52頁36/53三相交交變頻電路圖圖6-19 公共交流母線進線公共交流母線進線三相交交變頻電路（簡圖）三相交交變頻電路（簡圖）交交變頻電路

38、主要應(yīng)用于大功率交流電交交變頻電路主要應(yīng)用于大功率交流電機調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)使用的是三相交交機調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)使用的是三相交交變頻電路，三相交交變頻電路是由變頻電路，三相交交變頻電路是由三組輸三組輸出電壓相位各差出電壓相位各差120的單相交交變頻電的單相交交變頻電路組成的路組成的。電路接線方式電路接線方式 公共交流母線進線方式公共交流母線進線方式 由三組彼此獨立的、輸出電壓相位由三組彼此獨立的、輸出電壓相位相互錯開相互錯開120的單相交交變頻電路構(gòu)成。的單相交交變頻電路構(gòu)成。 電源進線通過進線電抗器接在電源進線通過進線電抗器接在公共公共的交流母線的交流母線上。上。 因為電源進線端公用，所以三

39、組的因為電源進線端公用，所以三組的輸出端必須隔離輸出端必須隔離；為此，交流電動機的三；為此，交流電動機的三個繞組必須拆開，共引出個繞組必須拆開，共引出6根線。根線。 主要用于主要用于中等容量中等容量的交流調(diào)速系統(tǒng)。的交流調(diào)速系統(tǒng)。 第36頁/共52頁37/53三相交交變頻電路圖圖6-20 輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路a）簡圖）簡圖 b）詳圖）詳圖 輸出星形聯(lián)結(jié)方式輸出星形聯(lián)結(jié)方式 三組輸出端是三組輸出端是星形聯(lián)結(jié)星形聯(lián)結(jié)，電動機的三個繞組也是，電動機的三個繞組也是星形聯(lián)結(jié)星形聯(lián)結(jié)，電動機中點不，電動機中點不和變頻器中點接在一起，電動機只引出三根線即可。和變頻

40、器中點接在一起，電動機只引出三根線即可。 因為三組輸出聯(lián)接在一起，其因為三組輸出聯(lián)接在一起，其電源進線必須隔離電源進線必須隔離，因此分別用三個變壓器，因此分別用三個變壓器供電。供電。 構(gòu)成三相變頻電路的六組橋式電路中，至少要有構(gòu)成三相變頻電路的六組橋式電路中，至少要有不同輸出相的兩組橋中的不同輸出相的兩組橋中的四個晶閘管四個晶閘管同時導(dǎo)通才能構(gòu)成回路，形成電流。同時導(dǎo)通才能構(gòu)成回路，形成電流。 同一組橋內(nèi)的兩個晶閘管靠同一組橋內(nèi)的兩個晶閘管靠雙觸發(fā)脈沖雙觸發(fā)脈沖保證同時導(dǎo)通，兩組橋之間則是靠保證同時導(dǎo)通，兩組橋之間則是靠各自的觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，以保證同時導(dǎo)通。各自的觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，以

41、保證同時導(dǎo)通。第37頁/共52頁38/53三相交交變頻電路輸入輸出特性 輸出上限頻率和輸出電壓諧波與單相交交變頻電路是一致的。 輸入電流 總的輸入電流由三個單相電路的同一相輸入電流合成而得到。 有些諧波相互抵消，諧波種類有所減少，總的諧波幅值也有所降低。 諧波頻率為200 t/ms輸出電壓單相輸出時 U相輸入電流三相輸出時 U相輸入電流200t/ms200 t/ms圖圖6-21 交交變頻電路的輸入電流波形交交變頻電路的輸入電流波形oiin616lffkf和和oiin6kfff式中式中k=1,2,3,；l=0,1,2,。 (6-21)(6-22)第38頁/共52頁39/53三相交交變頻電路 當(dāng)變

42、流電路采用三相橋式電路時，三相交交變頻電路輸入諧波電當(dāng)變流電路采用三相橋式電路時，三相交交變頻電路輸入諧波電流的流的主要頻率主要頻率為為fi6fo、5fi、5fi6fo、7fi、7fi6fo、11fi、11fi6fo、13fi、13fi6fo等，其中等，其中5fi次諧波的幅值最大。次諧波的幅值最大。 輸入功率因數(shù)輸入功率因數(shù) 總輸入功率因數(shù)為總輸入功率因數(shù)為SPPPSPcba 三相電路總的三相電路總的有功功率有功功率為各相有功功率之和。為各相有功功率之和。 視在功率視在功率不能簡單相加，而應(yīng)該由總輸入電流有效值和輸入電壓不能簡單相加，而應(yīng)該由總輸入電流有效值和輸入電壓有效值來計算，比三相各自的

43、視在功率之和要小，因此三相交交變頻有效值來計算，比三相各自的視在功率之和要小，因此三相交交變頻電路總輸入功率因數(shù)要高于單相交交變頻電路。電路總輸入功率因數(shù)要高于單相交交變頻電路。 從另一個角度看，從另一個角度看， 三相的三相的輸入位移因數(shù)輸入位移因數(shù)與單相輸出時相同，由于與單相輸出時相同，由于三個單相交交變頻電路的部分輸入電流諧波相互抵消，三相系統(tǒng)的三個單相交交變頻電路的部分輸入電流諧波相互抵消，三相系統(tǒng)的基基波因數(shù)波因數(shù)增大，使其功率因數(shù)得以提高。增大，使其功率因數(shù)得以提高。 功率因數(shù)低功率因數(shù)低仍是三相交交變頻電路的一個主要缺點。仍是三相交交變頻電路的一個主要缺點。 (6-23)第39頁/

44、共52頁40/53三相交交變頻電路改善輸入功率因數(shù)和提高輸出電壓改善輸入功率因數(shù)和提高輸出電壓 基本思路：三相交交變頻電路中，各相輸出的是相電基本思路：三相交交變頻電路中，各相輸出的是相電壓，而加在負(fù)載上的是線電壓，如果在各相電壓中疊加同壓，而加在負(fù)載上的是線電壓，如果在各相電壓中疊加同樣的樣的直流分量直流分量或或3倍于輸出頻率的諧波分量倍于輸出頻率的諧波分量，它們都不會，它們都不會在線電壓中反映出來，因而也加不到負(fù)載上，利用這一特在線電壓中反映出來，因而也加不到負(fù)載上，利用這一特性可以使輸入功率因數(shù)得到改善并提高輸出電壓。性可以使輸入功率因數(shù)得到改善并提高輸出電壓。 直流偏置直流偏置 當(dāng)負(fù)載

45、電動機低速運行時，變頻器輸出電壓幅值很當(dāng)負(fù)載電動機低速運行時，變頻器輸出電壓幅值很低，各組變流電路的低，各組變流電路的 角都在角都在90附近，因此輸入功率因附近，因此輸入功率因數(shù)很低。數(shù)很低。 如果給各相的輸出電壓都疊加上同樣的直流分量，如果給各相的輸出電壓都疊加上同樣的直流分量，控制角控制角 將減小，但變頻器將減小，但變頻器輸出線電壓并不改變輸出線電壓并不改變。 第40頁/共52頁41/53三相交交變頻電路uAN的基波分量圖4-27uOtuABuANuBN圖圖6-22 梯形波控制方式梯形波控制方式的理想輸出電壓波形的理想輸出電壓波形梯形波輸出控制方式梯形波輸出控制方式 相當(dāng)于給相電壓中疊加了

46、三次諧相當(dāng)于給相電壓中疊加了三次諧波，也稱為波，也稱為交流偏置交流偏置。 使三組單相變頻器的輸出電壓使三組單相變頻器的輸出電壓uAN均為梯形波（也稱準(zhǔn)梯形波），梯形均為梯形波（也稱準(zhǔn)梯形波），梯形波的主要諧波成分是波的主要諧波成分是三次諧波三次諧波，在線，在線電壓中，三次諧波相互抵消，結(jié)果線電壓中，三次諧波相互抵消，結(jié)果線電壓電壓uAB仍為正弦波仍為正弦波。 電路工作在高輸出電壓區(qū)域（即電路工作在高輸出電壓區(qū)域（即梯形波的平頂區(qū)）時間增加，梯形波的平頂區(qū)）時間增加， 角較角較小，因此輸入功率因數(shù)可得到改善。小，因此輸入功率因數(shù)可得到改善。 可以使變頻器的輸出電壓提高約可以使變頻器的輸出電壓提高

47、約15%。 第41頁/共52頁42/53三相交交變頻電路交交變頻電路是一種直接變頻電路。 和交直交變頻電路比較，優(yōu)點是 只用一次變流，效率較高。 可方便地實現(xiàn)四象限工作。 低頻輸出波形接近正弦波。 缺點是 接線復(fù)雜，如采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用36只晶閘管。 受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低；輸入功率因數(shù)較低。 輸入電流諧波含量大，頻譜復(fù)雜。 交交變頻電路主要用于500kW或1000kW以上的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路中，目前已在軋機主傳動裝置、鼓風(fēng)機、礦石破碎機、球磨機、卷揚機等場合獲得了較多的應(yīng)用，既可用于異步電動機傳動，也可用于同步電動機傳動。 第42頁/共

48、52頁43/536.4 矩陣式變頻電路圖圖6-23 矩陣式變頻電路矩陣式變頻電路 矩陣式變頻電路矩陣式變頻電路 是一種是一種直接變頻直接變頻電路，控制方式是電路，控制方式是斬控方式斬控方式。 圖圖6-23a是矩陣式變頻電路的主電路拓樸，是矩陣式變頻電路的主電路拓樸，b給出了應(yīng)用較多的一種開關(guān)單給出了應(yīng)用較多的一種開關(guān)單元，三相輸入電壓為元，三相輸入電壓為ua、ub和和uc，三相輸出電壓為，三相輸出電壓為uu、uv和和uw，9個開關(guān)器件組個開關(guān)器件組成成33矩陣。矩陣。 優(yōu)點優(yōu)點 輸出電壓可控制為正弦波，頻率不受電網(wǎng)頻率的限制。輸出電壓可控制為正弦波，頻率不受電網(wǎng)頻率的限制。 輸入電流也可控制為

49、正弦波且和電壓同相，功率因數(shù)為輸入電流也可控制為正弦波且和電壓同相，功率因數(shù)為1，也可控制為，也可控制為需要的功率因數(shù)。需要的功率因數(shù)。 能量可雙向流動，適用于交流電動機的能量可雙向流動，適用于交流電動機的四象限四象限運行。運行。 不通過中間直流環(huán)節(jié)而直接實現(xiàn)變頻，不通過中間直流環(huán)節(jié)而直接實現(xiàn)變頻，效率效率較高。較高。 第43頁/共52頁44/536.4 矩陣式變頻電路矩陣式變頻電路的基本工作原理矩陣式變頻電路的基本工作原理 構(gòu)造輸出電壓構(gòu)造輸出電壓 單相輸入單相輸入 輸出電壓輸出電壓uo為為 ssconouuTtu 可利用的輸入電壓部分只有如圖可利用的輸入電壓部分只有如圖6-24a所示的單相

50、電壓陰影部分，因此所示的單相電壓陰影部分，因此輸出電壓輸出電壓uo將受到很大的局限，無法得到所需要的輸出波形。將受到很大的局限，無法得到所需要的輸出波形。 圖圖6-24 構(gòu)造輸出電壓時構(gòu)造輸出電壓時可利用的輸入電壓部分可利用的輸入電壓部分 a) 單相輸入單相輸入 (6-24)第44頁/共52頁45/536.4 矩陣式變頻電路三相輸入相電壓三相輸入相電壓 用圖用圖6-23a中第一行的中第一行的3個開關(guān)個開關(guān)S11、S12和和S13共同作用來構(gòu)造共同作用來構(gòu)造u相輸出電壓相輸出電壓uu，就可利用圖就可利用圖6-24b的三相相電壓包絡(luò)線中所有的陰影部分。的三相相電壓包絡(luò)線中所有的陰影部分。 理論上所

51、構(gòu)造的理論上所構(gòu)造的uu的頻率可不受限制，但其最大幅值僅為輸入相電壓幅值的頻率可不受限制，但其最大幅值僅為輸入相電壓幅值的的0.5倍。倍。 三相輸入線電壓三相輸入線電壓 用圖用圖6-23a中第一行和第二行的中第一行和第二行的6個開關(guān)共同作用來構(gòu)造輸出個開關(guān)共同作用來構(gòu)造輸出線電壓線電壓uuv，就，就可利用圖可利用圖6-24c中中6個線電壓包絡(luò)線中所有的陰影部分。個線電壓包絡(luò)線中所有的陰影部分。 其最大幅值就可達到輸入線電壓幅值的其最大幅值就可達到輸入線電壓幅值的0.866倍，這也是正弦波輸出條件下倍，這也是正弦波輸出條件下矩陣式變頻電路理論上最大的輸出輸入電壓比。矩陣式變頻電路理論上最大的輸出輸入電壓比。 圖圖6-24 b)三相輸入相電壓構(gòu)造輸出相電壓三相輸入相電壓構(gòu)造輸出相電壓 c)三相輸入線電壓構(gòu)造輸出線電壓三相輸入線