電力電子技術第6章交流交流變流電路

6.1交流調(diào)壓電路

6.2其他交流電力控制電路

6.3交交變頻電路

6.4矩陣式變頻電路

本章小結第6章交流交流變流電路1引言■交流-交流變流電路：把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路。交交變換器直接方式（即無中間直流環(huán)節(jié)）間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)交流電力控制電路變頻電路改變頻率的電路交流調(diào)壓交流電力電子開關交流調(diào)功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。26.1交流調(diào)壓電路

6.1.1單相交流調(diào)壓電路

6.1.2三相交流調(diào)壓電路36.1.1單相交流調(diào)壓電路Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt■電阻負載

◆工作過程

?在交流電源u1的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的開通角進行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓?！艋镜臄?shù)量關系?負載電壓有效值Uo

46.1.1單相交流調(diào)壓電路?負載電流有效值Io

?晶閘管電流有效值IT

?功率因數(shù)Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt◆的移相范圍為0≤≤，隨著的增大，Uo逐漸降低，逐漸降低。

5VT1■阻感負載◆工作過程?設負載的阻抗角為，若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時負載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為。

?當用晶閘管控制時，只能進行滯后控制，使負載電流更為滯后，穩(wěn)態(tài)時的移相范圍應為≤≤。

?在t=時刻開通晶閘管VT1，可求得導通角，即66.1.1單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路以為參變量的和關系曲線

76.1.1單相交流調(diào)壓電路◆<時的工作情況

?VT1的導通時間超過。

?觸發(fā)VT2時，io尚未過零，VT1仍導通，VT2不會導通，io過零后，VT2才可開通，VT2導通角小于。

?io有指數(shù)衰減分量，在指數(shù)分量衰減過程中，VT1導通時間漸短，VT2的導通時間漸長。86.1.1單相交流調(diào)壓電路■單相交流調(diào)壓電路的諧波分析

◆帶電阻負載時，對負載電壓uo進行諧波分析

式中(n=3,5,7,…)(n=3,5,7,…)96.1.1單相交流調(diào)壓電路■斬控式交流調(diào)壓電路

◆工作原理?用V1，V2進行斬波控制，用V3，V4給負載電流提供續(xù)流通道。

?設斬波器件（V1，V2）導通時間為ton，開關周期為T，則導通比=ton/T，通過改變來調(diào)節(jié)輸出電壓。

◆電源電流的基波分量是和電源電壓同相位的，即位移因數(shù)為1，電源電流中不含低次諧波，只含和開關周期T有關的高次諧波，這些高次諧波用很小的濾波器即可濾除，這時電路的功率因數(shù)接近1。106.1.2三相交流調(diào)壓電路■根據(jù)三相聯(lián)結形式的不同，三相交流調(diào)壓電路具有多種形式。a)星形聯(lián)結b)支路控制三角形聯(lián)結c)中點控制三角形聯(lián)結

116.2.1交流調(diào)功電路2pNpM電源周期控制周期=M倍電源周期=2p4pMO導通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU12■交流調(diào)功電路

◆工作原理

?通過改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負載所消耗的平均功率。N≤M126.2.2交流電力電子開關■交流電力電子開關：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，起接通和斷開電路的作用?！鰞?yōu)點：響應速度快，沒有觸點，壽命長，可以頻繁控制通斷?！雠c交流調(diào)功電路的區(qū)別

◆并不控制電路的平均輸出功率?！敉ǔ]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?！艨刂祁l度通常比交流調(diào)功電路低得多。

136.3交交變頻電路

6.3.1單相交交變頻電路

6.3.2三相交交變頻電路■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)頻率的交流電的變流電路，因為沒有中間直流環(huán)節(jié)，因此屬于直接變頻電路。146.3.1單相交交變頻電路■電路構成和基本工作原理

◆由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管相控整流電路構成。

◆工作原理

?P組工作時，負載電流io為正，N組工作時，io為負。

?兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該頻率的交流電

√改變兩組變流器的切換頻率，就可以改變輸出頻率0。

√改變變流電路工作時的控制角，就可以改變交流輸出電壓的幅值ZPNuo輸出電壓平均輸出電壓OuoaP=0aP=p2aP=p2wt156.3.1單相交交變頻電路◆為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對角進行調(diào)制

?在半個周期內(nèi)讓P組角按正弦規(guī)律從90°減到0°或某個值，再增加到90°，每個控制間隔內(nèi)的平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零增至最高，再減到零；另外半個周期可對N組進行同樣的控制。

?uo由若干段電源電壓拼接而成，在uo的一個周期內(nèi)，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波。ZPNuo輸出電壓平均輸出電壓OuoaP=0aP=p2aP=p2wt16■整流與逆變工作狀態(tài)

◆以阻感負載為例，電路等效成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方向性?！粼O負載阻抗角為，則輸出電流滯后輸出電壓角，兩組變流電路采取無環(huán)流工作方式，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。17

?t3~t5期間：io處于負半周，反組工作，正組被封鎖。

√t3~t4階段：uo和io均為負，反組整流，輸出功率為正。

√t4~t5階段：uo反向，io仍為負，反組逆變，輸出功率為負?！艄ぷ鳡顟B(tài)

?t1~t3期間：io處于正半周，正組工作，反組被封鎖?！蘴1~t2階段：uo和io均為正，正組整流，輸出功率為正?！蘴2~t3階段：uo反向，io仍為正，正組逆變，輸出功率為負。18◆結論

?哪組變流電路工作由io方向決定，與uo極性無關。

?變流電路工作在整流還是逆變狀態(tài)，根據(jù)uo方向與io方向是否相同來確定。196.3.1單相交交變頻電路◆考慮到無環(huán)流工作方式下負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6段：第1段io<0，uo>0，為反組逆變；第2段電流過零，為切換死區(qū)；第3段io>0，uo>0，為正組整流；第4段io>0，uo<0，為正組逆變；第5段又是切換死區(qū)；第6段io<0，uo<0，為反組整流。206.3.1單相交交變頻電路◆當輸出電壓和電流的相位差小于90°時，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負載提供能量的平均值為正，若負載為電動機，則電動機工作在電動狀態(tài)；當二者相位差大于90°時，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負載提供能量的平均值為負，即電網(wǎng)吸收能量，電動機工作在發(fā)電狀態(tài)。

216.3.1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)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴重，電壓波形畸變及其導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系而言，很難確定一個明確的界限。?當采用6脈波三相橋式電路時，一般認為輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/3~1/2，電網(wǎng)頻率為50Hz時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz。226.3.2三相交交變頻電路■交交變頻電路主要應用于大功率交流電機調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)使用的是三相交交變頻電路，三相交交變頻電路是由三組輸出電壓相位各差120°的單相交交變頻電路組成的?！鲭娐方泳€方式

◆公共交流母線進線方式

?由三組彼此獨立的、輸出電壓相位相互錯開120°的單相交交變頻電路構成。

?電源進線通過進線電抗器接在公共的交流母線上。

?因為電源進線端公用，所以三組的輸出端必須隔離；為此，交流電動機的三個繞組必須拆開，共引出6根線。?主要用于中等容量的交流調(diào)速系統(tǒng)236.3.2三相交交變頻電路◆輸出星形聯(lián)結方式

?三組輸出端是星形聯(lián)結，電動機的三個繞組也是星形聯(lián)結，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。

?因為三組輸出聯(lián)接在一起，其電源進線必須隔離，因此分別用三個變壓器供電。246.3.2三相交交變頻電路■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、鼓風機、礦石破碎機、球磨機、卷揚機等場合獲得了較多的應用，既可用于異步電動機傳動，也可用于同步電動機傳動。

256.4矩陣式變頻電路■矩陣式變頻電路

◆直接變頻電路，控制方式是斬控方式。

◆三相輸入電壓為ua、ub和uc，三相輸出電壓為uu、uv和uw，9個開關器件組成3×3矩陣?！魞?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，也可控制為需要的功率因數(shù)。

?能量可雙向流動，適用于交流電動機的四象限運行。

?不通過中間直流環(huán)節(jié)而直接實現(xiàn)變頻，效率較高。開關單元主電路拓樸266.4矩陣式變頻電路■矩陣式變頻電路的基本工作原理

◆構造輸出電壓

?單相輸入

√輸出電壓uo為

√可利用的輸入電壓部分只有單相電壓陰影部分，因此輸出電壓uo將受到很大的局限，無法得到所需要的輸出波形。276.4矩陣式變頻電路?三相輸入相電壓

√用第一行的3個開關S11、S12和S13共同作用來構造u相輸出電壓uu，就可利用三相相電壓包絡線中所有的陰影部分。

√理論上所構造的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0.5倍。286.4矩陣式變頻電路?三相輸入線電壓

√用第一行和第二行的6個開關共同作用來構造輸出線電壓uuv，就可利用6個線電壓包絡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0.866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。

296.4矩陣式變頻電路◆基本的輸入輸出關系

?以相電壓輸出方式為例進行分析，u相輸出電壓uu和各相輸入電壓的關系為式中11、

12和

13為一個開關周期內(nèi)開關S11、S12、S13的導通占空比，且。306.4矩陣式變頻電路?輸入輸出電流的關系可縮寫為?輸入輸出電壓的關系可縮寫為稱為調(diào)制矩陣，它是時間的函數(shù)，每個元素在每個開關周期