第6章 交流交流變流電路

1、1第第6 6章章 交流交流變流電路交流交流變流電路 6.1 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 6.2 其他交流電力控制電路其他交流電力控制電路 6.3 交交變頻電路交交變頻電路 6.4 矩陣式變頻電路矩陣式變頻電路 本章小結(jié)本章小結(jié)2引言交流交流-交流變流電路：把一種形式的交流變流電路：把一種形式的交流交流變成另一種形式變成另一種形式交流交流的電路。的電路。交流交流-交流變換電路可以分為交流變換電路可以分為直接方式（即無中間直流環(huán)直接方式（即無中間直流環(huán)節(jié)）節(jié)）和和間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)）間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)）兩種。兩種。直接方式直接方式 交流電力控制電路：只改變電壓、電流或?qū)﹄娐返耐〝嘟涣麟娏?/p>

2、控制電路：只改變電壓、電流或?qū)﹄娐返耐〝噙M行控制，而不改變頻率的電路。進行控制，而不改變頻率的電路。 變頻電路：改變頻率的電路。變頻電路：改變頻率的電路。36.1 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 6.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路 46.1 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路引言引言把把兩個晶閘管反并聯(lián)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?？梢钥刂平涣鬏敵?。 交流電力控制電路交流電力控制電路 交流調(diào)壓電路交流調(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，：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

3、路。調(diào)節(jié)輸出電壓有效值的電路。 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路：以交流電的周期為單位控制晶閘管的通斷，改變：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。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。 交流電力電子開關交流電力電子開關：串入電路中根據(jù)需要接通或斷開電路的晶閘：串入電路中根據(jù)需要接通或斷開電路的晶閘管。管。應用應用 燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制)。 異步電動機軟起動。異步電動機軟起動。 異步電動機調(diào)速。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)。供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。 在高

4、壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調(diào)節(jié)變壓器一次電在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。壓。56.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt圖圖6-1 電阻負載單相交電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形流調(diào)壓電路及其波形電阻負載電阻負載 工作過程工作過程 在交流電源在交流電源u1的正半周和負半周，分別對的正半周和負半周，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)量關系基本的數(shù)量關系 負載電壓有效值負載電壓有效值Uo ww2sin21dsin21121oUttUU負載電流有

5、效值負載電流有效值Io RUIoo晶閘管電流有效值晶閘管電流有效值IT )22sin1 (21sin221121wwRUtdRtUIT功率因數(shù)功率因數(shù) 2sin211oo1ooUUIUIUSP(6-1)(6-2)(6-3)(6-4)66.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路VT1圖圖6-2 阻感負載單相交流阻感負載單相交流調(diào)壓電路及其波形調(diào)壓電路及其波形阻感負載阻感負載 工作過程工作過程 若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時負載電流為正若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時負載電流為正弦波，相位滯后于弦波，相位滯后于u1的角度為的角度為 ，當用晶閘管，當用晶閘管控制時，只能進行控制時，只能進行滯后控制滯后控制，使負載電流更

6、，使負載電流更為滯后。為滯后。 設負載的阻抗角為設負載的阻抗角為 ，穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)時時 的移相范圍應為的移相范圍應為 。 在在w wt= 時刻開通晶閘管時刻開通晶閘管VT1，可求得，可求得導通角導通角 ，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)76.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(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 關系曲線關系曲線 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 的關系用圖的關系用圖6

7、-3的一簇曲線來表示。的一簇曲線來表示?；镜臄?shù)量關系基本的數(shù)量關系 負載電壓有效值負載電壓有效值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)86.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路負載電流有效值負載電流有效值Io VTo2II 晶閘管電流晶閘管電流IVT的標么值的標么值 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 關系曲

8、線關系曲線(6-10)(6-11)96.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路 時的工作情況時的工作情況 VT1的導通時間的導通時間超過超過 。 觸發(fā)觸發(fā)VT2時，時，io尚未過零，尚未過零，VT1仍導通，仍導通，VT2不會導通，不會導通，io過零后，過零后，VT2才可才可開通，開通，VT2導通角導通角小于小于 。 io有有指數(shù)衰減分量指數(shù)衰減分量，在指數(shù)分量衰減過程中，在指數(shù)分量衰減過程中，VT1導通時間漸短，導通時間漸短，VT2的導的導通時間漸長。通時間漸長。wtwtwtwt圖4-5OOOOu1iG1iG2ioiT1iT2圖圖6-5 時阻感負載交流調(diào)壓電路工作波形時阻感負載交流調(diào)壓電路工

9、作波形106.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路87.366435. 0)86arctan()arctan(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，負載為電阻電感，負載為電阻電感，其中其中R=8，XL=6 。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：負載阻抗及負載阻抗角分別為：解：負載阻抗及負載阻抗角分別為： 1022LXRZ因此開通角因此開通角 的變化范圍為：的變化范圍為： 即即當當 = /6時，由于時，由于 ,因此晶閘管調(diào)壓器

10、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，負載電流也為最大，此時輸出功率最大，為的正弦波，負載電流也為最大，此時輸出功率最大，為 )(22220AZIIoin116.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(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)也就是負載阻抗角的余弦。實際上，此時的功率因數(shù)也就是負載阻抗角的余弦。 時，先計算晶閘管的導通角，由式（時，先計算晶閘管的導通角，由式（6-7）得）得 解上式可得晶閘管導通角為：解上式可得晶

11、閘管導通角為：2 .156727. 2126.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路8 . 0)727. 26435. 032cos(727. 2sin727. 2102220)(55.13A)(16.19414. 1AIIIVToincos)2cos(sin21VTZUI)(29372WRIPinin697. 016.192202937o1IUPin136.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(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 帶電阻負載時，對負載電壓帶電阻負載時，對負載電壓uo進行諧波分析進行諧波分析 , 5 , 3, 1o)sincos()(nnntnbtnatu

12、www式中式中) 12(cos2211Ua)(22sin2211Ub1) 1cos(111) 1cos(1121nnnnUan) 1sin(11) 1sin(1121nnnnUbn(n=3,5,7,)(n=3,5,7,)(6-12)146.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(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負載電流基波和各次諧波的有效值為負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 電阻負載單相交流調(diào)電阻負載單相交流調(diào)壓電路

13、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么值隨電流基波和各次諧波標么值隨 變化的曲線，如圖變化的曲線，如圖6-6所示，其中所示，其中基準電流為基準電流為 =0時的電流有效值時的電流有效值。 阻感負載時阻感負載時 電流諧波次數(shù)和電阻負載時相同，也只含電流諧波次數(shù)和電阻負載時相同，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。 和電阻負載時相比，阻感負載時的諧波電流含和電阻負載時相比，阻感負載時的諧波電流含量少一些。量少一些。 當當 角相同時，隨著阻抗角角相同時，隨著阻抗角

14、 的增大，諧波含量的增大，諧波含量有所減少。有所減少。156.1.1 單相交流調(diào)壓電路單相交流調(diào)壓電路RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3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給負載電流提供給負載電流提供續(xù)流續(xù)流通道。通道。 設斬波器件（設斬波器件（V1，V2）導通時）導通時間為間為ton，開關周期為，開關周期為T，則導通比，則導通比 =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

15、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，只含和開關周期流中不含低次諧波，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 電阻負載斬控式電阻負載斬控式交流調(diào)壓電路波形交流調(diào)壓電路波形166.2 其他交流電力控制電路其他交流電力控制電路 6.2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路 6.2.2 交流電力電子開關交流電力電子開關176.2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路2NM電源周期控制周期 =M倍電源周期 =24MO導

16、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)負載所消耗的的比值來調(diào)節(jié)負載所消耗的平均功率。平均功率。 18

17、6.2.1 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路 諧波分析諧波分析 在交流電源接通期間，負載電壓電流都是在交流電源接通期間，負載電壓電流都是正弦波正弦波，不對電網(wǎng)電壓電流造，不對電網(wǎng)電壓電流造成通常意義的諧波污染。成通常意義的諧波污染。 如果以電源周期為基準，電流中不含整數(shù)倍頻率的諧波，但含有如果以電源周期為基準，電流中不含整數(shù)倍頻率的諧波，但含有非整數(shù)非整數(shù)倍頻率的諧波倍頻率的諧波，而且在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大。，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導通段 =M3M2Muou1uo,iowtU12012 14諧波次數(shù)相對于

18、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) 196.2.2 交流電力電子開關交流電力電子開關交流電力電子開關：把交流電力電子開關：把晶閘管晶閘管反并聯(lián)后串入交流反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機械開關，起接通和斷開電路中，代替電路中的機械開關，起接通和斷開電路的作用。電路的作用。優(yōu)點：響應速度快，沒有觸點，壽命長，可以頻優(yōu)點：響應速度快，沒有觸點，壽命長，可以頻繁控制通斷。繁控制通斷。 與交

19、流調(diào)功電路的區(qū)別與交流調(diào)功電路的區(qū)別 并不控制電路的平均輸出功率。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。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。控制頻度通常比交流調(diào)功電路低得多。 206.3 交交變頻電路交交變頻電路 6.3.1 單相交交變頻電路單相交交變頻電路 216.3.1 單相交交變頻電路單相交交變頻電路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

20、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，負載電流組工作時，負載電流io為為正正， N組工作時，組工作時，io為為負負。 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，負載就得到該頻率

21、的交流電。工作，負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。 226.3.1 單相交交變頻電路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，

22、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。236.3.1 單相交交變頻電路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)整流與逆變工作狀態(tài)整流與逆變工作狀態(tài) 以阻感負載為例，把電路等

23、效成圖以阻感負載為例，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。 設負載阻抗角為設負載阻抗角為 ，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

24、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。組逆變，輸出功率為負。246.3.1 單相交交變頻電路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處于負半周處于負半周，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，均為負，反組整流，輸出功率為正。反組整流，輸出功率為正。 t4t5階段：階段：uo反向，反向，io仍為仍為負，反組逆變，輸出功率為負。負，反組逆變，輸出功率為

25、負。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。極性無關。 變流電路工作在整流還是逆變流電路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。256.3.1 單相交交變頻電路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

26、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。當輸出電壓和電流的相位差小于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，則電動機工作在平均值為正，若負載為電動機，則電動機工作在電動狀態(tài)電動狀態(tài)；當二者相位差大；當二者相位差大于于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，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

27、和電流波形單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形26 當uo和io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，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，電網(wǎng)吸收能量，電動機為發(fā)電狀態(tài)。 考慮無環(huán)流工作方式下io過零的死區(qū)時間，一周期可分為6段。1OO23456圖4-20uoiowtwt圖4-20 單相交交變頻電路輸出電壓和電流波形第1段 io 0，反組逆變第2段 電流過零，為無環(huán)流死區(qū)第3段 io 0， uo 0，正組整流 第4段 io 0， uo 0，正組逆變 第5段 又是無環(huán)流死區(qū) 第6段 io 0， uo 0，為反組整流 276.

28、3.1 單相交交變頻電路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比較式比較式(6-15)和和(6-16)，應使，應使 ttUUood0omsinsincosww式中，式中， 稱為輸出電壓比，稱為輸出電壓比，

29、 ) 10(d0omUU因此因此)sin(coso1tw(6-15)(6-16)(6-17)(6-18)286.3.1 單相交交變頻電路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于交點對應于 =0。 u1u6所對應的同步信號分別用所對應的同步信號分別用us1us6表示，表示，us1us6比相應的比相應的u1u6超前超前30，us1

30、us6的最大值和相應線電壓的最大值和相應線電壓 =0的時刻對應，的時刻對應，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)時刻由相應的，則各晶閘管觸發(fā)時刻由相應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。296.3.1 單相交交變頻電路單相交交變頻電路 = 0 = 0.1相位控制角/( )輸出相位w 0 t圖4-2212015018030609000.91.02223圖圖6-17 不同不同 時時 和和w wot的關系的關系不同輸出不同

31、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。306.3.1 單相交交變頻電路單相交交變頻電路輸入輸出特性輸入輸出特性 輸出上限頻率輸出上限頻率 輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所含電網(wǎng)電壓段數(shù)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，減少，波形畸變嚴重，電壓波形畸

32、變電壓波形畸變及其導致的及其導致的電流波電流波形畸變和轉(zhuǎn)矩脈動形畸變和轉(zhuǎn)矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。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。定一個明確的界限。 當采用當采用6脈波三相橋式電路時，一般認為輸出上限頻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)頻率的率不高于電網(wǎng)頻率的1/31/2，電網(wǎng)頻率為，電網(wǎng)頻率為50Hz時，交交時，交交變頻電路的輸出上限頻率約為變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz。316.3.1 單相交交變頻電路單相交交變頻電路圖圖6-18 交交變頻電交交變頻電

33、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；負載功率因數(shù)越低，輸數(shù)越低；負載功率因數(shù)越低，輸入功率因數(shù)也越低。入功率因數(shù)也越低。 不論負載功率因數(shù)是滯后的不論負載功率因數(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。326.3.1 單

34、相交交變頻電路單相交交變頻電路 輸出電壓諧波輸出電壓諧波 輸出電壓的諧波頻譜非常復雜，既和輸出電壓的諧波頻譜非常復雜，既和電網(wǎng)頻率電網(wǎng)頻率f fi i以及以及變流電路的脈波數(shù)變流電路的脈波數(shù)有關，也和有關，也和輸出頻率輸出頻率f fo o有關。有關。 采用三相橋式電路時，輸出電壓所含主要諧波的頻采用三相橋式電路時，輸出電壓所含主要諧波的頻率為率為 6f fi if 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)采用無環(huán)流控制方式時

35、，由于電流方向改變時死區(qū)的影響，將增加的影響，將增加5f fo o、7f fo o等次諧波。等次諧波。 輸入電流諧波輸入電流諧波 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。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336.3.1 單相交交變頻電路單相交交變頻電路 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式中，式中，k=1,2,3,

36、；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)流方式需要設置環(huán)流電抗器，使設出上限頻率，但是有環(huán)流方式需要設置環(huán)流電抗器，使設備成本增加，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)346.4 矩陣式變頻電路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

37、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給出了應用較多的一種開關單給出了應用較多的一種開關單元，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個開關器件組個開關器件組成成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

38、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。 356.4 矩陣式變頻電路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

39、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)366.4 矩陣式變頻電路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個開關個開關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的三相相電壓包絡線中所有的陰影部分。的三相相電壓包絡線中所有的陰影部分。 理論上所構(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

40、行和第二行的中第一行和第二行的6個開關共同作用來構(gòu)造輸出個開關共同作用來構(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個線電壓包絡線中所有的陰影部分。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電壓構(gòu)造輸出線電壓 376.4 矩陣式變頻電路矩陣式變頻電路基

41、本的輸入輸出關系基本的輸入輸出關系 以相電壓輸出方式為例進行分析，以相電壓輸出方式為例進行分析，u相輸出電壓相輸出電壓uu和各相輸入電壓的關系和各相輸入電壓的關系為為cbauuuuu131211 式中式中 11、 12和和 13為一個開關周期內(nèi)開關為一個開關周期內(nèi)開關S11、S12、S13的導通占空比，的導通占空比，且且 。 1131211 輸入輸出電壓的關系輸入輸出電壓的關系cbawvuuuuuuu333231232221131211式中式中333231232221311211可縮寫為可縮寫為uiuo 稱為調(diào)制矩陣稱為調(diào)制矩陣，它是時間的函數(shù)，每個元素在每個開關周期中都是不同的。，它是時間的

42、函數(shù)，每個元素在每個開關周期中都是不同的。(6-25)(6-27)(6-28)386.4 矩陣式變頻電路矩陣式變頻電路輸入輸出電流的關系輸入輸出電流的關系wvucbaiiiiii332313322212312111可縮寫為可縮寫為iioTi對一個實際系統(tǒng)來說，輸入電壓和所需要的輸出電流是已知的，設其分別為對一個實際系統(tǒng)來說，輸入電壓和所需要的輸出電流是已知的，設其分別為 34cos32coscosiimiimiimwwwtUtUtUuuucba(6-29)(6-30)(6-31)396.4 矩陣式變頻電路矩陣式變頻電路ooomooomooom34cos32coscoswwwtItItIiiiwvu 變頻電路希望的輸出電壓和輸入電流分別為變頻電路希望的輸出電壓和輸入電流分別為 34cos32coscoso