第6章 交流交流變換器

1、第六章第六章 交流交流/ /交流變換器交流變換器電力電子學電力電子學電力電子變換和控制技術（第三版）電力電子變換和控制技術（第三版）6.1 晶閘管交流電壓控制器的類型晶閘管交流電壓控制器的類型6.2 單相交流電壓控制器單相交流電壓控制器6.3 三相交流電壓控制器三相交流電壓控制器6.4* 變壓器抽頭的電壓控制器變壓器抽頭的電壓控制器6.5* 晶閘管相控交流晶閘管相控交流/交流直接變頻器交流直接變頻器6.6* 矩陣式交流矩陣式交流/交流變頻器交流變頻器本章小結本章小結第六章第六章 交流交流/交流變換器交流變換器l 本章主要講述本章主要講述 交流交流/交流變流電路交流變流電路 - 把一種形式交流電

2、變成另一種形式交流電的電路把一種形式交流電變成另一種形式交流電的電路交流電壓交流電壓 控制器控制器頻率不變，僅改變電壓大小頻率不變，僅改變電壓大小變頻器變頻器實現頻率變換實現頻率變換亦可改變電壓大小亦可改變電壓大小交交變頻交交變頻 直接直接 交直交變頻交直交變頻 間接間接u 采用晶閘管作開關器件時，依靠交流電源瞬時值過零反向關斷晶閘管。晶采用晶閘管作開關器件時，依靠交流電源瞬時值過零反向關斷晶閘管。晶 閘管開關器件的開通則可采用移相控制，調控變換器輸出電壓的大小。閘管開關器件的開通則可采用移相控制，調控變換器輸出電壓的大小。u 單相電壓控制器常用于小功率單相電動機、照明和電加熱控制。單相電壓控

3、制器常用于小功率單相電動機、照明和電加熱控制。u三相交流三相交流/交流電壓控制器的輸出是三相恒頻變壓交流電源，通常給三相交交流電壓控制器的輸出是三相恒頻變壓交流電源，通常給三相交 流異步電動機供電，實現變壓調速，或作為異步電動機的啟動器使用。流異步電動機供電，實現變壓調速，或作為異步電動機的啟動器使用。第六章第六章6.1 晶閘管交流電壓控制器的類型6.1 晶閘管交流電壓控制器的類型2. 帶中線星形聯結3. 無中線的三相連接4. 三角形聯結的控制器單相全控單相全控兩個晶閘兩個晶閘管反并聯管反并聯O( )0vt 負載電壓、負載負載電壓、負載功率的大小由功率的大小由控制角控制角確定確定OS( )(

4、)vtv t通態(tài)時通態(tài)時斷態(tài)時斷態(tài)時6.1 晶閘管交流電壓控制器的類型1. 單相全控3. 無中線的三相連接4. 三角形聯結的控制器l 三個單相交流電壓控制器可組合成帶中線的三相交流電壓控制器90時，中線電流約等于相電流時，中線電流約等于相電流中線電流大中線電流大6.1 晶閘管交流電壓控制器的類型晶閘管交流電壓控制器的類型1. 單相全控 2. 帶中線星形聯結4. 三角形聯結的控制器輸入電流中沒有輸入電流中沒有3次次及及3的倍數次諧波的倍數次諧波6.1 晶閘管交流電壓控制器的類型晶閘管交流電壓控制器的類型1. 單相全控 2. 帶中線星形聯結3. 無中線的三相連接只適用只適用于允許于允許斷開斷開6根

5、根出線端出線端子的三子的三相負載相負載6.2 單相交流電壓控制器單相交流電壓控制器6.2 單相交流電壓控制器單相交流電壓控制器6.2.2 電阻、電感性負載6.2.3* PWM交流電壓控制器2OSS1sin2( 2sin) d()2VVttVOSO/IIVR單相交流電壓控制器：單相交流電壓控制器： TSO/2/2IIVROOOSSSsin22VIVPPFSVIVl利用傅里葉級數可求出基波利用傅里葉級數可求出基波及各次諧波及各次諧波。表表6.1 不同觸發(fā)角不同觸發(fā)角時基波時基波V1m和和3-15次諧波電壓次諧波電壓(電流電流)的的相對值相對值單相交流電壓控制器：單相交流電壓控制器： 單相交流電壓控

6、制器：單相交流電壓控制器： 電阻負載、不同觸發(fā)角電阻負載、不同觸發(fā)角時基波及諧波幅值分布圖時基波及諧波幅值分布圖6.2 單相交流電壓控制器單相交流電壓控制器6.2.1 電阻負載6.2.3* PWM交流電壓控制器單相交流電壓控制器單相交流電壓控制器:阻感負載阻感負載OSS2sinvvVtSSO2sin()ViitZ= =時時：22()ZLRarctanLRvO 、iS、iO均為正弦波均為正弦波 時：時：2OSS1( 2sin) d()1sin2sin2()VVttV SOTSsincos(2)2cossincos(2) cos2VIIZVaZ 22tgST21() sin()sin()e d()

7、2t aaaVItatZO 輸出電壓有效值輸出電壓有效值VO、負載電流有效值、負載電流有效值IO 、晶閘管電流有效值晶閘管電流有效值IT為：為：單相交流電壓控制器單相交流電壓控制器:阻感負載阻感負載-1tg,180LRaaa時，由 ， 可求出tgsintg()ecosa單相交流電壓控制器單相交流電壓控制器:阻感負載阻感負載 導通角導通角與控制角與控制角的關系曲線的關系曲線（以負載阻抗角（以負載阻抗角為參變量）為參變量）單相交流電壓控制器單相交流電壓控制器:阻感負載阻感負載*STTTS21sincos(2)/22cos22VZIIIZV晶閘管電流的標么值晶閘管電流的標么值 與控制角與控制角的關系

8、曲線的關系曲線*TI例題例題6-1單相交流調壓器控制單相交流調壓器控制230V交流電源的輸出功率，負載電阻為交流電源的輸出功率，負載電阻為23、感抗為、感抗為23 ，求，求（1）角控制范圍；（角控制范圍；（2）最大電流有效）最大電流有效值；（值；（3）最大功率和功率因數。）最大功率和功率因數。min23arctanarctan234LRmaxO22 1/222 1/22307.07A() 2323 VIRL223maxO23 7.071.15 10 WPRI11500.707230 7.07有效功率功率因數視在功率解解 （1）（2）min時，最大電流有效值時，最大電流有效值I Io o為：為：

9、（3）最大功率最大功率 ( 時時 )minm in在在 的非正弦電流工作情況下，功率因數將小于基波相移因數。的非正弦電流工作情況下，功率因數將小于基波相移因數。 注：注：6.2 單相交流電壓控制器單相交流電壓控制器6.2.1 電阻負載 6.2.2 電阻、電感性負載S1、S2導通時，導通時，S3、S4斷開：斷開：S3、S4導通時，導通時，S1、S2斷開：斷開：OSvvO0v 6.3 三相全波交流電壓控制器三相全波交流電壓控制器6.3 三相全波交流電壓控制器三相全波交流電壓控制器6.3.2 6.3.2 三相開口三角形交流電壓控制器三相開口三角形交流電壓控制器三相三相Y聯結電壓控制器聯結電壓控制器T

10、1-T6依序相差依序相差60觸發(fā)，觸發(fā)，脈寬大于脈寬大于60各相電源的過零點為各相電源的過零點為計算起點計算起點第一類工作狀態(tài)第一類工作狀態(tài)：三相同時工作，在同三相同時工作，在同一時刻，每一相有一一時刻，每一相有一個晶閘管導電。個晶閘管導電。第二類工作狀態(tài)：第二類工作狀態(tài)：二相同時工作，同一時二相同時工作，同一時刻僅二相各有一個晶閘刻僅二相各有一個晶閘管導電，第三相中的兩管導電，第三相中的兩個晶閘管都不導電。個晶閘管都不導電?？刂平强刂平?0，三相同時導電三相同時導電，180導電。導電。三相三相Y聯結電壓控制器聯結電壓控制器 = 60：兩相同時導電，：兩相同時導電， 120導電導電ABA( )

11、2vtiRACA( )2vtiR區(qū)間區(qū)間I:I: 區(qū)間區(qū)間II:II: ABA( )2vtiR三相三相Y聯結電壓控制器聯結電壓控制器 = 120：兩相間斷續(xù)導電，：兩相間斷續(xù)導電， 導電角小于導電角小于120區(qū)間區(qū)間I:I: 區(qū)間區(qū)間II:II: ACA( )2vtiR=150：完全不能導電。：完全不能導電。三相三相Y聯結電壓控制器聯結電壓控制器F工作狀態(tài)小結：工作狀態(tài)小結：處于：處于第一類第一類工作狀態(tài)工作狀態(tài)（三相同時導電）。（三相同時導電）。：交替出現：交替出現第一類第一類和和第二類第二類工作狀態(tài)。工作狀態(tài)。O 0 60O = 0O 60 90：處于：處于第二類第二類工作狀態(tài)工作狀態(tài)（兩

12、相同時導電）兩相同時導電）O 90 150：電路：電路全斷流全斷流，不能工作。，不能工作。u電阻負載：控制角電阻負載：控制角的調控范圍的調控范圍為：為：0- 150u 三相阻感性負載，分析方法與單相電路相同。三相阻感性負載，分析方法與單相電路相同。6.3 三相全波交流電壓控制器6.3.1 三相星形聯結交流電壓控制器AABCABBCABCCABCiiiiiiiii可看作三個獨立的單相電可看作三個獨立的單相電 路分別分析。路分別分析。三相開口三角形電壓控制器三相開口三角形電壓控制器ABC33iii、 、 中無 次及 的倍數次諧波電流*6.4 有變壓器抽頭的電壓控制器O2VVktk，O12(1)VV

13、Vktk，k=0,1,2.圖中輸出電圖中輸出電壓的包絡線：壓的包絡線：OABDHKGOABDHKG優(yōu)點：優(yōu)點：負載負載電壓、電流電壓、電流諧波可控性諧波可控性好，輸入電好，輸入電流的諧波含流的諧波含量少量少*6.5 晶閘管相控交流交流直接變頻器6.5.1 基本工作原理基本工作原理 6.5.2 實用電路結構實用電路結構6.5.3 交流交流/交流相控直接變頻的優(yōu)缺點交流相控直接變頻的優(yōu)缺點*6.5 晶閘管相控交流/交流直接變頻器6.5.1 基本工作原理基本工作原理 6.5.2 實用電路結構6.5.3 交流/交流相控直接變頻的優(yōu)缺點基本工作原理基本工作原理正反組單相全控橋變流器并聯構成單相直接變頻器

14、。正反組單相全控橋變流器并聯構成單相直接變頻器。控制正反組變流器的控制正反組變流器的 隨時間周期性變化。隨時間周期性變化。負載負載輸出電流輸出電流與與輸出電壓輸出電壓不同相位時，正反組變流器在不同時段不同相位時，正反組變流器在不同時段工作在工作在整流整流或或有源逆變有源逆變工況。工況。半控橋變流器不能構成交流半控橋變流器不能構成交流/交流變頻器。交流變頻器。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/ /交流變頻器輸出波形的措施：交流變頻器輸出波形的措施：改變相控角改變相控角( ( 或或 ) )在一個脈波周期中只能得到一個輸出電壓平均值，在一個脈波周期中只能得到一個輸出電壓平均值，

15、因此：因此：NPu相同拓撲結構的相控交流相同拓撲結構的相控交流/ /交流變頻器輸出頻率越低，輸出電壓的交流變頻器輸出頻率越低，輸出電壓的脈波數越多，諧波含量越少；脈波數越多，諧波含量越少；u輸出相同頻率的交流輸出相同頻率的交流/ /交流變頻器，拓撲結構輸入的相數越多，脈交流變頻器，拓撲結構輸入的相數越多，脈波數越多，輸出電壓的脈波數就越多，諧波含量越少。波數越多，輸出電壓的脈波數就越多，諧波含量越少。*6.5 晶閘管相控交流/交流直接變頻器6.5.1 基本工作原理 6.5.2 實用電路結構實用電路結構6.5.3 交流/交流相控直接變頻的優(yōu)缺點實用電路結構實用電路結構三相交流三相交流/ /交流交

16、流變頻器每相采變頻器每相采用的晶閘管元用的晶閘管元件越多，輸出件越多，輸出波形越好波形越好*6.5 晶閘管相控交流/交流直接變頻器6.5.1 基本工作原理 6.5.2 實用電路結構6.5.3 交流交流/交流相控直接變頻的優(yōu)缺點交流相控直接變頻的優(yōu)缺點436.5.3 交流/交流相控直接變頻的優(yōu)缺點 l 適用范圍：大功率低速可逆?zhèn)鲃酉到y適用范圍：大功率低速可逆?zhèn)鲃酉到y優(yōu)點：優(yōu)點：缺點：缺點： u輸出頻率低；輸出頻率低；u晶閘管用量多，且控制復雜；晶閘管用量多，且控制復雜；u輸入功率因數低；輸入功率因數低；u交流電源輸入電流諧波嚴重，且難于抑制。交流電源輸入電流諧波嚴重，且難于抑制。u只需一級變換環(huán)

17、節(jié)；只需一級變換環(huán)節(jié)；u晶閘管工作在自然換流工況；晶閘管工作在自然換流工況；u能量可雙向傳遞，易實現電機的四象限運行；能量可雙向傳遞，易實現電機的四象限運行；u低頻輸出時可獲得較高質量的正弦電壓波形。低頻輸出時可獲得較高質量的正弦電壓波形。*6.6 矩陣式交流/交流變頻器6.6.0 6.6.0 概述概述6.6.1 6.6.1 矩陣式交流矩陣式交流/ /交流變頻器的控制方法交流變頻器的控制方法6.6.2 6.6.2 矩陣式交流矩陣式交流/ /交流變頻器的優(yōu)缺點交流變頻器的優(yōu)缺點*6.6 矩陣式交流/交流變頻器6.6.0 6.6.0 概述概述6.6.1 6.6.1 矩陣式交流矩陣式交流/ /交流變

18、頻器的控制方法交流變頻器的控制方法6.6.2 6.6.2 矩陣式交流矩陣式交流/ /交流變頻器的優(yōu)缺點交流變頻器的優(yōu)缺點概述概述交流交流/交流直接變頻器中的交流直接變頻器中的半控半控元元件晶閘管改為件晶閘管改為全控全控元件（如元件（如IGBT）可以構成可以構成矩陣式交流矩陣式交流/交流直接變交流直接變頻器頻器（Matrix AC/AC Converter）圖圖(a)中任一開關都是雙向可控開關中任一開關都是雙向可控開關圖圖(b)是構成雙向開關的方案之一是構成雙向開關的方案之一對圖對圖(a)中的中的9個雙向開關器件進行高頻個雙向開關器件進行高頻SPWM控制，就可獲得頻率、電壓均可控制，就可獲得頻率

19、、電壓均可調控的三相對稱的交流輸出電壓調控的三相對稱的交流輸出電壓6.11(a)6.11(a)6.11(b)6.11(b)*6.6 矩陣式交流/交流變頻器6.6.0 6.6.0 概述概述6.6.1 6.6.1 矩陣式交流矩陣式交流/ /交流變頻器的控制方法交流變頻器的控制方法6.6.2 6.6.2 矩陣式交流矩陣式交流/ /交流變頻器的優(yōu)缺點交流變頻器的優(yōu)缺點矩陣式交流矩陣式交流/交流變頻器的控制方法交流變頻器的控制方法aAaBaCaAbAbBbCbBcAcBcCcCvSSSvvSSSvvSSSv O圖圖6.11a中的輸出電壓中的輸出電壓va、vb、vc滿足以下關系：滿足以下關系：9個開關函數表明了圖個開關函數表明了圖6.11a中中9個可控開關（個可控開關（18個個IGBT）的工作狀態(tài)）的工作狀態(tài)其開通、關斷切換原則其開通、關斷切換原則：u滿足矩陣函數關系滿足矩陣函數關系u不造成交流電源兩相短路不造成交流電源兩相短路u不引起感性負載開路過電壓不引起感性負載開路過電壓6.11(a)6.11(a)*6.6 矩陣式交流/交流變頻器6.6.0 6.6.0 概述概述6.6.1 6.6.1 矩陣式交流交流變頻器的控制方法矩陣式交流交流變頻器的控制方法6.6.2 6.6.2 矩陣式交流矩陣式交流/ /交流變頻器的優(yōu)缺點交流變