《電力電子技術(shù)》交流電力控制電路和交交變頻電路-課件

電力電子技術(shù)

PowerElectronics1第4章交流電力控制電路和交交變頻電路什么是交流-交流變流電路？正弦交流電壓的三要素是什么？什么是交流電力控制？什么是交交變頻？具體應(yīng)用有哪些？2

引言

4.1交流調(diào)壓電路

4.2其他交流電力控制電路

4.3交交變頻電路

4.4矩陣式變頻電路本章要點(diǎn)第4章交流電力控制電路和交交變頻電路3

本章主要講述交流-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變頻電路改變頻率的電路

交交變頻直接交流電力控制電路只改變電壓,電流或控制電路的通斷,而不改變頻率的電路。交流調(diào)壓電路相位控制第4章交流電力控制電路和交交變頻電路交流斬波調(diào)壓電路斬波控制交流調(diào)功電路通斷控制周期控制交流電力電子開(kāi)關(guān)非周期控制無(wú)規(guī)律的通斷控制

交直交變頻間接44.1交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓的方法有哪些？利用電力電子開(kāi)關(guān)的交流調(diào)壓電路與自耦變壓器調(diào)壓的差別？54.1交流調(diào)壓電路

原理兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過(guò)對(duì)晶閘管的控制就可控制交流電力。電路圖6

應(yīng)用1燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制）2溫度調(diào)節(jié)（如工頻加熱、感應(yīng)加熱、需溫控的家用電器）3泵與風(fēng)機(jī)等異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)4異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速（如紡織、造紙、冶金等領(lǐng)域的電機(jī)調(diào)速）5供用電系統(tǒng)對(duì)無(wú)功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。6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。7隨電機(jī)負(fù)載大小自動(dòng)調(diào)壓（對(duì)于起重機(jī)等有較長(zhǎng)時(shí)間空載或輕載的負(fù)荷，自動(dòng)調(diào)壓可以節(jié)省電能）4.1交流調(diào)壓電路74.1.1單相交流調(diào)壓電路

4.1.2三相交流調(diào)壓電路4.1交流調(diào)壓電路8

若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為j，當(dāng)用晶閘管控制時(shí)，只能進(jìn)行滯后控制，使負(fù)載電流更為滯后。a

=0時(shí)刻仍定為u1過(guò)零的時(shí)刻，a的移相范圍應(yīng)為j

≤a

≤π。1)

阻感負(fù)載

0.6Ou1

u1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1

G1uG2OOwtwt圖4-2

電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形

負(fù)載阻抗角：

j

=arctan(wL

/R)VT14.1.1單相交流調(diào)壓電路9q020100601401802010060/(°)180140a/(°)j=90°75°60°45°30°15°0°圖4-3單相交流調(diào)壓電路以a為參變量的θ和a關(guān)系曲線

wt=a

時(shí)刻開(kāi)通晶閘管VT1，可求得θ

（4－7）當(dāng)a=j

時(shí)θ=π當(dāng)a>j

時(shí)θ<π以j

為參變量，利用（4－7)可把a(bǔ)和θ的關(guān)系表示成右圖。4.1.1單相交流調(diào)壓電路10圖4-4單相交流調(diào)壓電路a為參變量時(shí)IVTN和a關(guān)系曲線j

=90°0.10.20.30.40.516018004012080

75°

60°45°j

=0a/(°)IVTN負(fù)載電流有效值(4-10)IVT的標(biāo)么值(4-11)4.1.1單相交流調(diào)壓電路11圖4-5a<j時(shí)阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形當(dāng)阻感負(fù)載,a

<j時(shí)電路工作情況。圖4-2

阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路VT1的導(dǎo)通時(shí)間超過(guò)π。觸發(fā)VT2時(shí)，

io尚未過(guò)零，VT1仍導(dǎo)通，VT2不會(huì)導(dǎo)通。io過(guò)零后，VT2才可開(kāi)通，VT2導(dǎo)通角小于π。衰減過(guò)程中，VT1導(dǎo)通時(shí)間漸短，VT2的導(dǎo)通時(shí)間漸長(zhǎng)。4.1.1單相交流調(diào)壓電路123)單相交流調(diào)壓電路的諧波分析

電阻負(fù)載由于波形正負(fù)半波對(duì)稱，所以不含直流分量和偶次諧波。

(4-12)

基波和各次諧波有效值

(4-13)負(fù)載電流基波和各次諧波有效值

(4-14)

電流基波和各次諧波標(biāo)么值隨a變化的曲線（基準(zhǔn)電流為a=0時(shí)的有效值）如圖4-6所示。圖4-6電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量4.1.1單相交流調(diào)壓電路13電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)載時(shí)相同，也只含3、5、7…等次諧波。隨著次數(shù)的增加，諧波含量減少。和電阻負(fù)載時(shí)相比，阻感負(fù)載時(shí)的諧波電流含量少一些。當(dāng)a角相同時(shí)，隨著阻抗角j的增大，諧波含量有所減少。阻感負(fù)載4.1.1單相交流調(diào)壓電路144)斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源u1的正半周圖4-7斬控式交流調(diào)壓電路4.1.1單相交流調(diào)壓電路用V1進(jìn)行斬波控制用V3給負(fù)載電流提供續(xù)流通道15用V2進(jìn)行斬波控制用V4給負(fù)載電流提供續(xù)流通道圖4-7斬控式交流調(diào)壓電路4)斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源u1的負(fù)半周4.1.1單相交流調(diào)壓電路16

應(yīng)用：應(yīng)用于對(duì)功率因數(shù)要求較高的場(chǎng)合斬控式交流調(diào)壓電路17

特性圖4-8電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形4.1.1單相交流調(diào)壓電路電源電流的基波分量和電源電壓同相位，即位移因數(shù)為1。電源電流不含低次諧波，只含和開(kāi)關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波。功率因數(shù)接近1。184.1.2三相交流調(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圖4-9三相交流調(diào)壓電路a)星形聯(lián)結(jié)b)線路控制三角形聯(lián)結(jié)c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)d)中點(diǎn)控制三角形聯(lián)結(jié)19三相四線基本原理：相當(dāng)于三個(gè)單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯(cuò)開(kāi)120°工作?；ê?倍次以外的諧波在三相之間流動(dòng)，不流過(guò)零線。問(wèn)題：三相中3倍次諧波同相位，全部流過(guò)零線。零線有很大3倍次諧波電流。a=90°時(shí)，零線電流甚至和各相電流的有效值接近。1)星形聯(lián)結(jié)電路

可分為三相三線和三相四線圖4-9三相交流調(diào)壓電路a)星形聯(lián)結(jié)4.1.2三相交流調(diào)壓電路20三相三線，主要分析阻負(fù)載時(shí)的情況4.1.2三相交流調(diào)壓電路任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路。電流通路中至少有兩個(gè)晶閘管，應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)。觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣，為VT1~VT6,依次相差60°。相電壓過(guò)零點(diǎn)定為a的起點(diǎn)，a角移相范圍是0°~150°。21(1)0°≤a<60°：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180°－a

。但a=0°時(shí)一直是三管導(dǎo)通。圖4-10不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形a)a=30°4.1.2三相交流調(diào)壓電路2260°≤a<90°：兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120°。(2)圖4-10不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形b)a

=60°4.1.2三相交流調(diào)壓電路23(3)90°≤a<150°：兩管導(dǎo)通與無(wú)晶閘管導(dǎo)通交替，導(dǎo)通角度為300°－2a。圖4-10不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形

c)a=120°4.1.2三相交流調(diào)壓電路24諧波情況4.1.2三相交流調(diào)壓電路電流諧波次數(shù)為6k±1(k=1，2，3，…)，和三相橋式全控整流電路交流側(cè)電流所含諧波的次數(shù)完全相同。諧波次數(shù)越低，含量越大。和單相交流調(diào)壓電路相比，沒(méi)有3倍次諧波，因三相對(duì)稱時(shí)，它們不能流過(guò)三相三線電路。252）

支路控制三角聯(lián)結(jié)電路

圖4－9三相交流調(diào)壓電路c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)4.1.2三相交流調(diào)壓電路由三個(gè)單相交流調(diào)壓電路組成，分別在不同的線電壓作用下工作。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）為與該線相連的兩個(gè)負(fù)載相電流之和。26

諧波情況c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)圖4－9三相交流調(diào)壓電路4.1.2三相交流調(diào)壓電路3倍次諧波相位和大小相同，在三角形回路中流動(dòng)，而不出現(xiàn)在線電流中。線電流中所諧波次數(shù)為6k±1(k為正整數(shù))。在相同負(fù)載和a角時(shí)，線電流中諧波含量少于三相三線星形電路。27典型用例——晶閘管控制電抗器（ThyristorControlledReactor—TCR）

配以固定電容器，就可在從容性到感性的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功功率，稱為靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(StaticVarCampensator—SVC），用來(lái)對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以補(bǔ)償電壓波動(dòng)或閃變。晶閘管控制電抗器(TCR)電路4.1.2三相交流調(diào)壓電路a移相范圍為90°~180°控制a角可連續(xù)調(diào)節(jié)流過(guò)電抗器的電流，從而調(diào)節(jié)無(wú)功功率。28圖4-11晶閘管控制電抗器(TCR)電路a)b)c)圖4-12TCR電路負(fù)載相電流和輸入線電流波形

a)α=120°b)α=135°c)α=160°

4.1.2三相交流調(diào)壓電路29仿真波形

4.1.2三相交流調(diào)壓電路圖4-12TCR電路負(fù)載相電流和輸入線電流波形

a)α=120°b)α=135°c)α=160°a）b）c）30SVC系統(tǒng)接線圖31晶閘管閥組件3233SVC中的TCR主電抗器34SVC控制系統(tǒng)人機(jī)界面35英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)Cellarhead400kV變電站svc36墨西哥城400kV輸電線SVC設(shè)備提高系統(tǒng)輸電容量達(dá)200MW37美國(guó)Mead-Adelanto2套SVC，199538SVC

BomJesusda

Lapa,Enelpower,巴西500kV,+/-250MVAr390MW法拉第效應(yīng)800km線路長(zhǎng)度500kVTarget800MWNaturalLoad1000MW系統(tǒng)崩潰500kV500kV800MW發(fā)電800MW負(fù)荷500kV潮流500kV500kV輸電線路(未補(bǔ)償)40提高傳輸能力800km線路長(zhǎng)度500kV采用SVC后提高輸送能力到1000MW500kV500kV1000MW發(fā)電1000MW負(fù)荷500kV1000MW500kVSVCSVC采用SVC補(bǔ)償后的線路41靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器SVC：一個(gè)涼衣架的類比道具424.2其他交流電力控制電路4.2.1交流調(diào)功電路4.2.2交流電力電子開(kāi)關(guān)434.2.1交流調(diào)功電路

交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同比較相同點(diǎn)

電路形式完全相同不同點(diǎn)

控制方式不同交流調(diào)壓電路在每個(gè)電源周期都對(duì)輸出電壓波形進(jìn)行控制。交流調(diào)功電路是將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)周期,在斷開(kāi)幾個(gè)周期,通過(guò)通斷周波數(shù)的比值來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。44

應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于各種控溫場(chǎng)合1金屬熱處理2化工合成加熱3紡織熱定型處理4鋼化玻璃熱處理等需要加熱和進(jìn)行溫度控制的應(yīng)用場(chǎng)合。

4.2.1交流調(diào)功電路45

電阻負(fù)載時(shí)的工作情況2pNpM電源周期控制周期=M倍電源周期=2p4pMO導(dǎo)通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU12圖4-13交流調(diào)功電路典型波形(M=3、N=2)圖4－1電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路4.2.1交流調(diào)功電路控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個(gè)周期導(dǎo)通，后M－N個(gè)周期關(guān)斷。負(fù)載電壓和負(fù)載電流（也即電源電流）的重復(fù)周期為M倍電源周期。46

諧波情況01214諧波次數(shù)相對(duì)于電源頻率的倍數(shù)圖4-14交流調(diào)功電路的電流頻譜圖(M=3、N=2)2461080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m4.2.1交流調(diào)功電路圖4-14的頻譜圖（以控制周期為基準(zhǔn)）。In為n次諧波有效值，Io為導(dǎo)通時(shí)電路電流幅值。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。474.2.2交流電力電子開(kāi)關(guān)概念把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機(jī)械開(kāi)關(guān)，起接通和斷開(kāi)電路的作用。優(yōu)點(diǎn)響應(yīng)速度快，無(wú)觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，可頻繁控制通斷。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(méi)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(kāi)?？刂祁l度通常比交流調(diào)功電路低得多。48晶閘管投切電容（ThyristorSwitched——Capacitor——TSC）圖4-15TSC基本原理圖a)基本單元單相簡(jiǎn)圖b)分組投切單相簡(jiǎn)圖4.2.2交流電力電子開(kāi)關(guān)作用對(duì)無(wú)功功率控制，可提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改善供電質(zhì)量。性能優(yōu)于機(jī)械開(kāi)關(guān)投切的電容器。結(jié)構(gòu)和原理晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路。實(shí)際常用三相，可三角形聯(lián)結(jié)，也可星形聯(lián)結(jié)。49

應(yīng)用：控制交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、電機(jī)的頻繁起動(dòng)、電機(jī)的間歇運(yùn)行等。無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，不存在火花及拉弧等現(xiàn)象，對(duì)化工、冶金、紡織、煤礦、石油等要求無(wú)火化防爆場(chǎng)合極為適用。無(wú)功補(bǔ)償。4.2.2交流電力電子開(kāi)關(guān)50晶閘管的投切選擇晶閘管投入時(shí)刻的原則：該時(shí)刻交流電源電壓和電容器預(yù)充電電壓相等，這樣電容器電壓不會(huì)產(chǎn)生躍變，就不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。理想情況下，希望電容器預(yù)充電電壓為電源電壓峰值，這時(shí)電源電壓的變化率為零，電容投入過(guò)程不但沒(méi)有沖擊電流，電流也沒(méi)有階躍變化。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1圖4-16TSC理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明4.2.2交流電力電子開(kāi)關(guān)51TSC電路也可采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式4.2.2交流電力電子開(kāi)關(guān)由于二極管的作用，在電路不導(dǎo)通時(shí)uC總會(huì)維持在電源電壓峰值。成本稍低，但響應(yīng)速度稍慢，投切電容器的最大時(shí)間滯后為一個(gè)周波。圖4-16TSC理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明524.3交交變頻電路

4.3.1單相交交變頻器

4.3.2三相交交變頻器53變頻器廠商AB變頻器西門子變頻器富士變頻器三菱變頻器ABB變頻器日立變頻器艾默生變頻器施耐德變頻器臺(tái)達(dá)變頻器安川變頻器松下變頻器54554.3.1單相交交變頻器晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor)

把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電的變流電路，屬于直接變頻電路。廣泛用于大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)際使用的主要是三相輸出交交變頻電路。561)電路構(gòu)成和基本工作原理4.3.1單相交交變頻器電路構(gòu)成由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，和直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速用的四象限變流電路完全相同。變流器P和N都是相控整流電路。57工作原理P組工作時(shí)，負(fù)載電流io為正。N組工作時(shí)，io為負(fù)。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。改變兩組變流器的切換頻率，就可改變輸出頻率wo

。改變變流電路的控制角a，就可以改變交流輸出電壓的幅值。圖4-18單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形4.3.1單相交交變頻器58為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對(duì)a角進(jìn)行調(diào)制。4.3.1單相交交變頻器在半個(gè)周期內(nèi)讓P組a

角按正弦規(guī)律從90°減到0°或某個(gè)值，再增加到90°，每個(gè)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(gè)周期可對(duì)N組進(jìn)行同樣的控制。uo由若干段電源電壓拼接而成，在uo的一個(gè)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。59

2)

整流與逆變工作狀態(tài)圖4-19理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)4.3.1單相交交變頻器阻感負(fù)載為例，也適用于交流電動(dòng)機(jī)負(fù)載。把交交變頻電路理想化，忽略變流電路換相時(shí)uo的脈動(dòng)分量，就可把電路等效成圖4-19a所示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)。60設(shè)負(fù)載阻抗角為j

，則輸出電流滯后輸出電壓j

角。兩組變流電路采取無(wú)環(huán)流工作方式，即一組變流電路工作時(shí)，封鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖。圖4-19理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)4.3.1單相交交變頻器61工作狀態(tài)圖4-19理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)圖4-19理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)4.3.1單相交交變頻器t1~t3期間：io正半周，正組工作，反組被封鎖。t1~t2：uo和io均為正，正組整流，輸出功率為正。t2~t3

：uo反向，io仍為正，正組逆變，輸出功率為負(fù)。62t3~t5期間：io負(fù)半周，反組工作，正組被封鎖。t3~t4

：uo和io均為負(fù)，反組整流，輸出功率為正。t4~t5

：uo反向，io仍為負(fù)，反組逆變，輸出功率為負(fù)。圖4-19理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)4.3.1單相交交變頻器小結(jié)：哪一組工作由io方向決定，與uo極性無(wú)關(guān)。工作在整流還是逆變，則根據(jù)uo方向與io方向是否相同確定。63

當(dāng)uo和io的相位差小于90°時(shí)，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負(fù)載提供能量的平均值為正，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。

當(dāng)二者相位差大于90°時(shí)，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負(fù)載提供能量的平均值為負(fù)，電網(wǎng)吸收能量，電動(dòng)機(jī)為發(fā)電狀態(tài)?？紤]無(wú)環(huán)流工作方式下io過(guò)零的死區(qū)時(shí)間，一周期可分為6段。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，

uo

>0，反組逆變第2段電流過(guò)零，為無(wú)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(wú)環(huán)流死區(qū)

第6段

io

<0，uo

<0，為反組整流

4.3.1單相交交變頻器643)輸出正弦波電壓的調(diào)制方法

介紹最基本的、廣泛使用的余弦交點(diǎn)法。設(shè)Ud0為a

=0時(shí)整流電路的理想空載電壓，則有

(4-15)每次控制時(shí)a角不同，表示每次控制間隔內(nèi)uo的平均值。圖4-21余弦交點(diǎn)法原理4.3.1單相交交變頻器65設(shè)期望的正弦波輸出電壓為

(4-16）比較式(4-15)和(4-16)，應(yīng)使

(4-17)

g

稱為輸出電壓比：

圖4-21余弦交點(diǎn)法原理4.3.1單相交交變頻器66圖4-21余弦交點(diǎn)法原理4.3.1單相交交變頻器余弦交點(diǎn)法基本公式

(4-18)余弦交點(diǎn)法圖解線電壓uab、uac

、ubc

、uba

、uca和ucb依次用u1~u6表示。相鄰兩個(gè)線電壓的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)于a

=0。67u1~u6所對(duì)應(yīng)的同步信號(hào)分別用us1~us6表示us1~us6比相應(yīng)的u1~u6超前30°，us1~us6的最大值和相應(yīng)線電壓a

=0的時(shí)刻對(duì)應(yīng)。以a

=0為零時(shí)刻，則us1~us6為余弦信號(hào)。希望輸出電壓為uo，則各晶閘管觸發(fā)時(shí)刻由相應(yīng)的同步電壓us1~us6的下降段和uo的交點(diǎn)來(lái)決定。圖4-21余弦交點(diǎn)法原理4.3.1單相交交變頻器68不同g

時(shí)，在uo一周期內(nèi)，a隨wot

變化的情況。圖中，

g較小，即輸出電壓較低時(shí)，a只在離90°很近的范圍內(nèi)變化，電路的輸入功率因數(shù)非常低。不同g時(shí)a和wot的關(guān)系4.3.1單相交交變頻器694)

輸入輸出特性4.3.1單相交交變頻器(1)輸出上限頻率

輸出頻率增高時(shí)，輸出電壓一周期所含電網(wǎng)電壓段數(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(dòng)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(gè)明確的界限。當(dāng)采用6脈波三相橋式電路時(shí)，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(shí)，交交變頻電路的輸出上限頻率約為20Hz。70圖4-23單相交交變頻電路的功率因數(shù)(2)輸入功率因數(shù)4.3.1單相交交變頻器輸入電流相位滯后于輸入電壓，需要電網(wǎng)提供無(wú)功功率。一周期內(nèi)，a角以90°為中心變化。輸出電壓比g越小，半周期內(nèi)a的平均值越靠近90°。負(fù)載功率因數(shù)越低，輸入功率因數(shù)也越低。不論負(fù)載功率因數(shù)是滯后的還是超前的，輸入的無(wú)功電流總是滯后。負(fù)載功率因數(shù)（超前）負(fù)載功率因數(shù)（滯后）輸入位移因數(shù)71(3)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fi以及變流電路的脈波數(shù)有關(guān)，也和輸出頻率fo有關(guān)。采用三相橋時(shí)，輸出電壓所含主要諧波的頻率為6fi±fo，6fi±3fo，6fi±5fo，…12fi±fo，12fi±3fo，12fi±5fo，…采用無(wú)環(huán)流控制方式時(shí)，由于電流方向改變時(shí)死區(qū)的影響，將增加5fo、7fo等次諧波。4.3.1單相交交變頻器72(4)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

(4-19)

和 (4-20)

式中，k=1,2,3,…；l=0,1,2,…。4.3.1單相交交變頻器734.3.2三相交交變頻電路

由三組輸出電壓相位各差120°的單相交交變頻電路組成。1)

電路接線方式公共交流母線進(jìn)線方式輸出星形聯(lián)結(jié)方式交交變頻電路主要應(yīng)用于大功率交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使用的是三相交交變頻電路。74(1)公共交流母線進(jìn)線方式4.3.2三相交交變頻電路由三組彼此獨(dú)立的、輸出電壓相位相互錯(cuò)開(kāi)120°的單相交交變頻電路構(gòu)成。電源進(jìn)線通過(guò)進(jìn)線電抗器接在公共的交流母線上。因?yàn)殡娫催M(jìn)線端公用，所以三組的輸出端必須隔離。為此，交流電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組必須拆開(kāi)。主要用于中等。容量的交流調(diào)速系統(tǒng)。75(2)輸出星形聯(lián)結(jié)方式三組的輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組也是星形聯(lián)結(jié)電動(dòng)機(jī)中點(diǎn)不和變頻器中點(diǎn)接在一起，電動(dòng)機(jī)只引出三根線即可

三組的輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組也是星形聯(lián)結(jié)。電動(dòng)機(jī)中點(diǎn)不和變頻器中點(diǎn)接在一起，電動(dòng)機(jī)只引出三根線即可。4.3.2三相交交變頻電路76因?yàn)槿M的輸出聯(lián)接在一起，其電源進(jìn)線必須隔離，因此分別用三個(gè)變壓器供電。由于輸出端中點(diǎn)不和負(fù)載中點(diǎn)相聯(lián)接，所以在構(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四個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通才能構(gòu)成回路，形成電流。4.3.2三相交交變頻電路77圖4-25輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路a）簡(jiǎn)圖b）詳圖和整流電路一樣，同一組橋內(nèi)的兩個(gè)晶閘管靠雙觸發(fā)脈沖保證同時(shí)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(shí)導(dǎo)通。4.3.2三相交交變頻電路782)

輸入輸出特性輸出上限頻率和輸出電壓諧波和單相交交變頻電路是一致的。輸入電流總輸入電流由三個(gè)單相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。200t/ms輸出電壓?jiǎn)蜗噍敵鰰r(shí)

U相輸入電流三相輸出時(shí)

U相輸入電流200t/ms200t/ms圖4-26交交變頻電路的輸入電流波形4.3.2三相交交變頻電路79

諧波頻率為

(4-21)和 (4-22)式中k=1,2,3,…l=0,1,2,…。采用三相橋式電路時(shí)，輸入諧波電流的主要頻率為fi±6fo、5fi

、5fi±6fo

、7fi

、7fi±6fo

、11fi

、11fi±6fo

fi±12fo等。其中5fi次諧波的幅值最大。200t/ms輸出電壓?jiǎn)蜗噍敵鰰r(shí)

U相輸入電流三相輸出時(shí)

U相輸入電流200t/ms200t/ms圖4-26交交變頻電路的輸入電流波形4.3.2三相交交變頻電路80輸入功率因數(shù)

三相總輸入功率因數(shù)應(yīng)為

(4-23)三相電路總的有功功率為各相有功功率之和但視在功率卻不能簡(jiǎn)單相加，而應(yīng)由總輸入電流有效值和輸入電壓有效值來(lái)計(jì)算，比三相各自的視在功率之和要小三相總輸入功率因數(shù)要高于單相交交變頻電路4.3.2三相交交變頻電路813)

改善輸入功率因數(shù)和提高輸出電壓4.3.2三相交交變頻電路基本思路各相輸出的是相電壓，而加在負(fù)載上的是線電壓。在各相電壓中疊加同樣的直流分量或3倍于輸出頻率的諧波分量，它們都不會(huì)在線電壓中反映出來(lái)，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。直流偏置負(fù)載電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，變頻器輸出電壓很低，各組橋式電路的a角都在90°附近，因此輸入功率因數(shù)很低。給各相輸出電壓疊加上同樣的直流分量，控制角a將減小，但變頻器輸出線電壓并不改變。82交流偏置梯形波輸出控制方式。使三組單相變頻器的輸出均為梯形波（也稱準(zhǔn)梯形波），主要諧波成分是三次諧波。在線電壓中三次諧波相互抵消，線電壓仍為正弦波。因?yàn)闃蚴诫娐份^長(zhǎng)時(shí)間工作在高輸出電壓區(qū)域（即梯形波的平頂區(qū)），a角較小，因此輸入功率因數(shù)可提高15%左右。圖4-20正弦波輸出控制方式中，最大輸出正弦波相電壓的幅值為Ud0。在同樣幅值的情況下，梯形波中的基波幅值可提高15%左右。值可圖4-27梯形波控制方式的理想輸出電壓波形4.3.2三相交交變頻電路83交交變頻和交直交變頻的比較8.1節(jié)中介紹間接變頻電路，先把交流變換成直流，再把直流逆變成可變頻率的交流，稱交直交變頻電路。交交變頻電路的優(yōu)點(diǎn)：交交變頻電路的缺點(diǎn)：接線復(fù)雜，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。效率較高（一次變流）可方便地實(shí)現(xiàn)四象限工作低頻輸出波形接近正弦波4.3.2三相交交變頻電路84

應(yīng)用主要用于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(jī)主傳動(dòng)裝置、鼓風(fēng)機(jī)、礦石破碎機(jī)、球磨機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等場(chǎng)合應(yīng)用。既可用于異步電動(dòng)機(jī)，也可用于同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。4.3.2三相交交變頻電路85典型的數(shù)字控制通用變頻器-異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖

圖1

86通用變頻器原理圖874.4矩陣式變頻器簡(jiǎn)介：是近年出現(xiàn)的一種新穎的變頻電路。是直接變頻電路，采用的開(kāi)關(guān)器件是全控型?？刂品绞绞菙夭刂?。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：三相輸入電壓為ua、ub和uc

三相輸出電壓為uu、uv和uw圖4-28矩陣式變頻器889個(gè)開(kāi)關(guān)器件組成3×3矩陣，因此該電路被稱為矩陣式變頻電路(MatrixConverter—MC)或矩陣變換器。圖中每個(gè)開(kāi)關(guān)都是矩陣中的一個(gè)元素，采用雙向可控開(kāi)關(guān)，圖4-28b給出了應(yīng)用較多的一種開(kāi)關(guān)單元。圖4-28矩陣式變頻器4.4矩陣式變頻器89優(yōu)點(diǎn)輸出電壓為正弦波。輸出頻率不受電網(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(dòng)，適用于交流電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行。不通過(guò)中間直流環(huán)節(jié)而直接實(shí)現(xiàn)變頻，效率較高。4.4矩陣式變頻器90矩陣式變頻電路的基本工作原理單相輸入對(duì)單相交流電壓us進(jìn)行斬波控制，即進(jìn)行PWM控制時(shí)，輸出電壓uo為

(4-24)式中，Tc——開(kāi)關(guān)周期；ton——

一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間；s——占空比。a)b)c)UmU1mU23Um12√

－

－

圖4-29構(gòu)造輸出電壓時(shí)可利用的輸入電壓部分a)單相輸入b)三相輸入構(gòu)造輸出相電壓c)三相輸出構(gòu)造輸出線電壓4.4矩陣式變頻器91不同的開(kāi)關(guān)周期中采用不同的s，可得到與us頻率和波形都不同的uo

。由于單相交流us波形為正弦波，可利用的輸入電壓部分只有如圖4-29a所示的單相電壓陰影部分，因此uo將受到很大的局限，無(wú)法得到所需輸出波形。a)b)c)UmU1mU23Um12√

－

－

圖4-29構(gòu)造輸出電壓時(shí)可利用的輸入電壓部分a)單相輸入b)三相輸入構(gòu)造輸出相電壓c)三相輸出構(gòu)造輸出線電壓4.4矩陣式變頻器利用三相相電壓把輸入改為三相，就可利用圖4-29b所示的三相相電壓包絡(luò)線中所有的陰影部分。92理論上所構(gòu)造的uu的頻率可不受限制。但如uu必須為正弦波，則其最大幅值僅為輸入相電壓ua幅值的0.5倍。a)b)c)UmU1mU23Um12√

－

－

圖4-29構(gòu)造輸出電壓時(shí)可利用的輸入電壓部分a)單相輸入b)三相輸入構(gòu)造輸出相電壓c)三相輸出構(gòu)造輸出線電壓4.4矩陣式變頻器利用三相線電壓用圖4-28a中第一行和第二行的6個(gè)開(kāi)關(guān)共同作用來(lái)構(gòu)造輸出線電壓uuv

。93可利用圖4-29c中6個(gè)線電壓包絡(luò)線中所有的陰影部分。當(dāng)uuv必須為正弦波時(shí)，最大幅值就可達(dá)到輸入線電壓幅值的0.866倍。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。a)b)c)UmU1mU23Um12√

－

－

圖4-29構(gòu)造輸出電壓時(shí)可利用的輸入電壓部分a)單相輸入b)三相輸入構(gòu)造輸出相電壓c)三相輸出構(gòu)造輸出線電壓4.4矩陣式變頻器94以相電壓輸出方式為例分析矩陣式交交變頻電路的控制利用對(duì)開(kāi)關(guān)S11、S12和S13的控制構(gòu)造輸出電壓uu。為防止輸入電源短路，任何時(shí)刻只能有一個(gè)開(kāi)關(guān)接通。負(fù)載一般是阻感負(fù)載，負(fù)載電流具有電流源性質(zhì)，為使負(fù)載不開(kāi)路，任一時(shí)刻必須有一個(gè)開(kāi)關(guān)接通。圖4-28矩陣式變頻器4.4矩陣式變頻器95u相輸出電壓uu和各相輸入電壓的關(guān)系為

(4-25)式中s11、s12和s13——一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)S11、S12、S13的導(dǎo)通占空比

(4-26)圖4-28矩陣式變頻器4.4矩陣式變頻器96用同樣的方法控圖中第2，3行的各開(kāi)關(guān)，得到類似于

(4-25)

的表達(dá)式。合寫(xiě)成矩陣的形式

（4－27）可縮寫(xiě)為

uo=sui

（4－28）圖4-28矩陣式變頻器4.4矩陣式變頻器97矩陣式變頻電路確定后，輸入電流和輸出電流的關(guān)系也確定了。

(4-29)縮寫(xiě)形式ii＝sio

(4-30)

式中

iiio

T圖4-28矩陣式變頻器4.4矩陣式變頻器98對(duì)實(shí)際系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，輸入電壓和所需要的輸出電流是已知的。設(shè)為