電力電子 AC-AC變換

第6章

交流-交流變換器1

6.0引言

6.1晶閘管交流電壓控制器的類型

6.2單相交流電壓控制器

6.3三相全波交流電壓控制器

*6.4變壓器抽頭電壓控制器

6.5交流/交流直接變頻器

*6.6矩陣式交流/交流變頻器

6.7本章小結(jié)6交流-交流變換器本章主要講述交流-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6.0引言交流電壓控制器頻率不變，僅改變電壓大小交流調(diào)壓電路相位控制交流調(diào)功電路通斷控制變頻器實現(xiàn)頻率變換亦可改變電壓大小交交變頻直接交直交變頻間接

采用晶閘管作開關器件時，依靠交流電源瞬時值過零及反向關斷晶閘管。晶閘管開關器件的開通則可采用移相控制，改變控制角調(diào)控變換器輸出電壓的大小。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，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，通常給三相交流異步電動機供電，實現(xiàn)異步電動機的變壓調(diào)速，或作為異步電動機的啟動器使用。

6.1晶閘管交流電壓控制器的類型

6.1.1單相全控

6.1.2帶中線星形聯(lián)結(jié)

6.1.3無中線的三相連接

6.1.4三角形聯(lián)結(jié)的控制器6.1.1單相全控

（a）單相全控通態(tài)時：斷態(tài)時：兩個反并聯(lián)開關器件負載電壓、負載功率的大小由控制角確定（b）帶中線星形聯(lián)接時，中線電流約等于相電流6.1.2帶中線星形聯(lián)結(jié)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缺點中線電流大（c）無中線的三相聯(lián)接6.1.3無中線的三相連接輸入電流中沒有3次及3的倍數(shù)次諧波電流(d)Δ聯(lián)接的控制器6.1.4三角形聯(lián)結(jié)的控制器只適用于允許斷開6根出線端子的三角形負載6.2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

*6.2.3PWM交流電壓控制器OusuoiouVTwtOwtOwtOwt

電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形輸出電壓與α的關系:

移相范圍為0≤a

≤π。

a

=0時，輸出電壓為最大。Uo=Us,隨a

的增大，Uo降低，a

=π時，Uo=0。λ與a的關系:

a=0時，功率因數(shù)λ=1，a增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，λ降低。6.2.1電阻負載

利用傅立葉級數(shù)可求出基波及各次諧波。6.2.1電阻負載（續(xù)）表6.1不同觸發(fā)角時基波和3~15次諧波電壓(電流)的相對值基波及諧波分布圖

電阻負載、不同觸發(fā)角α時基波及諧波幅值分布圖若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時負載電流為正弦波，相位滯后于us的角度為j，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。

a

=0時刻仍定為us過零的時刻，a的移相范圍應為j

≤a

≤π。0.6Ous

u1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1

G1uG2OOwtwt圖4-2

電阻負載單相交流調(diào)壓電路及其波形

負載阻抗角：

j

=arctan(wL

/R)T16.2.2電阻、電感性負載

a<j時阻感負載交流調(diào)壓電路工作波形（1）a

<j時電路工作情況。

阻感負載單相交流調(diào)壓電路T1的導通時間超過π。觸發(fā)T2時，

io尚未過零，T1仍導通，T2不會導通。io過零后，T2才可開通，T2導通角小于π。衰減過程中，T1導通時間漸短，T2的導通時間漸長。(a)電路時，同。（2）時，均為正弦波(3)輸出電壓有效值、晶閘管電流有效值、負載電流有效值為：

(e)導通角與控制角的關系曲線（以負載阻抗角為參變量）（f）晶閘管電流的標么值與控制角的關系曲線電流諧波次數(shù)和電阻負載時相同，也只含3、5、7…等次諧波。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量少一些。當a角相同時，隨著阻抗角j的增大，諧波含量有所減少。例題6-1單相交流調(diào)壓器控制230v交流電源的輸出功率，負載電阻為23Ω、感抗為23Ω，求（1）角控制范圍；（2）最大電流有效值；（3）最大功率和功率因數(shù)。解:(1)；

(2)時，最大電流有效值為：(3)最大功率(時)注：在的非正弦電流工作情況下，功率因數(shù)將小于基波相移因數(shù)。

S3,S4:負載續(xù)流開關S1~S4:自關斷功率器件*6.2.3PWM交流電壓控制器優(yōu)點：輸出電壓諧波含量少6.3三相全波交流電壓控制器

6.3.1三相星形聯(lián)結(jié)交流電壓控制器

6.3.2三相開口三角形交流電壓控制器三線四相基本原理：相當于三個單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯開120°工作。基波和3倍次以外的諧波在三相之間流動，不流過零線。問題：三相中3倍次諧波同相位，全部流過零線。零線有很大3倍次諧波電流。a=90°時，零線電流甚至和各相電流的有效值接近?？煞譃槿€三相和三線四相三相交流調(diào)壓電路a)星形聯(lián)結(jié)6.3.1三相Y聯(lián)結(jié)電壓控制器三相三線，主要分析阻負載時的情況任一相導通須和另一相構(gòu)成回路。電流通路中至少有兩個晶閘管，應采用雙脈沖或?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T1~T6,依次相差60°。相電壓過零點定為a的起點，a角移相范圍是0°~150°。(a)電路六個晶閘管T1－T6的觸發(fā)信號依序相差60°，脈寬大于60°，各相電源由負變正的過零點為控制角計算起點(b)矢量圖控制角a=0，三相同時導電，180°導電。0°≤a<60°：三管導通與兩管導通交替，每管導通180°－a

。但a=0°時一直是三管導通。(a)電路a=60°兩相同時導電，120°導電60°≤a<90°兩管導通，每管導通120°。(a)電路a=150°:完全不能導電。a=120°:兩相間斷導電，導電角小于120°。90°≤a<150°：兩管導通與無晶閘管導通交替，導通角度為300°－2a。諧波情況電流諧波次數(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，沒有3倍次諧波，因三相對稱時，它們不能流過三相三線電路。工作狀態(tài)小結(jié)：（1）a＜30°：處于第一類工作狀態(tài)（三相同時導電）。（2）30°＜a

＜60°：每隔30°交替地出現(xiàn)第一類和第二類工作狀態(tài)。（3）60°<a<90°：處于第二類工作狀態(tài)（兩相同時導電）（4）90°<a<150°：交替處于第一類工作狀態(tài)和斷流狀態(tài)。（5）a>150°電路全斷流，不能工作。所以電阻負載控制角a的調(diào)控范圍為：0°~150°

三相阻感性負載，分析方法與單相電路相同。6.3.2三相開口三角形電壓控制器

圖6.7三相開口三角形電壓控制器繞組相電流小于輸入線電流

可看作三個獨立的單相電路分別分析。*6.4變壓器抽頭電壓控制器

的包絡線為：OABDHKG優(yōu)點：負載電壓、電流諧波可控性好，輸入電流的諧波含量少圖中輸出電壓;;K=0,1,2….6.5.0基本工作原理

6.5.1

單相交交變頻器

6.5.2

三相交交變頻器

6.5.3交流/交流相控直接變頻的優(yōu)缺點6.5交流－交流直接變頻器正反組單相全控橋變流器并聯(lián)(類似直流可逆主電路)構(gòu)成單相輸出的相控交交直接變頻器。控制正反組變流器的

隨時間周期性變化，負載端電壓就成為頻率可控的交流電壓。、圖(d)表明：負載輸出電流與輸出電壓不同相位時，正反組變流器在不同時段工作在整流或有源逆變工況。所以，半控橋變流器不能構(gòu)成交交變頻器。6.5.0基本工作原理改變相控角(或)只能在輸出電壓一個脈波周期中得到一個輸出電壓平均值，因此：2.輸出相同頻率的交交變頻器，拓撲結(jié)構(gòu)輸入的相數(shù)越多，脈波數(shù)越多，輸出電壓的脈波數(shù)就越多，諧波含量越少。輸出電壓波形改善相控交－交變頻器輸出波形的措施1.相同拓撲結(jié)構(gòu)的相控交交變頻器輸出頻率越低，輸出電壓的脈波數(shù)越多，諧波含量越少。6.5.1

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機調(diào)速傳動系統(tǒng)，實際使用的主要是三相輸出交交變頻電路。1)電路構(gòu)成和基本工作原理單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形電路構(gòu)成如圖，由P組和N組反并聯(lián)的晶閘管變流電路構(gòu)成，和直流電動機可逆調(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。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。單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對a角進行調(diào)制。在半個周期內(nèi)讓P組a

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。

2)

整流與逆變工作狀態(tài)理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)阻感負載為例，也適用于交流電動機負載。把交交變頻電路理想化，忽略變流電路換相時uo的脈動分量，就可把電路等效成圖a所示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)。設負載阻抗角為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。

理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)工作狀態(tài)

理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)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。t3~t5期間：io負半周，反組工作，正組被封鎖。t3~t4

：uo和io均為負，反組整流，輸出功率為正。t4~t5

：

uo反向，io仍為負，反組逆變，輸出功率為負。

理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài)小結(jié)：哪一組工作由io方向決定，與uo極性無關。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。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)?？紤]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。

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

介紹最基本的、廣泛使用的余弦交點法。設Ud0為a

=0時整流電路的理想空載電壓，則有

每次控制時a角不同，表示每次控制間隔內(nèi)uo的平均值。

余弦交點法原理3)輸出正弦波電壓的調(diào)制方法設期望的正弦波輸出電壓為

使

g

稱為輸出電壓比：

余弦交點法原理余弦交點法原理余弦交點法基本公式

余弦交點法圖解線電壓uab、

uac

、

ubc

、

uba

、

uca和ucb依次用u1~u6表示。相鄰兩個線電壓的交點對應于a

=0。u1~u6所對應的同步信號分別用us1~us6表示us1~us6比相應的u1~u6超前30°，us1~us6的最大值和相應線電壓a

=0的時刻對應。以a

=0為零時刻，則us1~us6為余弦信號。希望輸出電壓為uo，則各晶閘管觸發(fā)時刻由相應的同步電壓us1~us6的下降段和uo的交點來決定。余弦交點法原理不同g

時，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，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a和wot的關系4)

輸入輸出特性(1)

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，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。單相交交變頻電路的功率因數(shù)(2)

輸入功率因數(shù)輸入電流相位滯后于輸入電壓，需要電網(wǎng)提供無功功率。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°。負載功率因數(shù)越低，輸入功率因數(shù)也越低。不論負載功率因數(shù)是滯后的還是超前的，輸入的無功電流總是滯后。負載功率因數(shù)（超前）負載功率因數(shù)（滯后）輸入位移因數(shù)(3)

輸出電壓諧波輸出電壓的諧波頻譜非常復雜，既和電網(wǎng)頻率fi以及變流電路的脈波數(shù)有關，也和輸出頻率fo有關。采用三相橋時，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5fo、7fo等次諧波。(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

和

式中，k=1,2,3,…；l=0,1,2,…。6.5.2

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線方式輸出星形聯(lián)結(jié)方式交交變頻電路主要應用于大功率交流電機調(diào)速系統(tǒng)，使用的是三相交交變頻電路。(1)公共交流母線進線方式公共交流母線進線三相交交變頻電路（簡圖）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(gòu)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。主要用于中等。容量的交流調(diào)速系統(tǒng)。(2)

輸出星形聯(lián)結(jié)方式三組的輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動機的三個繞組也是星形聯(lián)結(jié)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

圖4-25輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路a）簡圖b）詳圖三組的輸出端是星形聯(lián)結(jié)，電動機的三個繞組也是星形聯(lián)結(jié)。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。圖4-25輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路a）簡圖b）詳圖因為三組的輸出聯(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。由于輸出端中點不和負載中點相聯(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晶閘管同時導通才能構(gòu)成回路，形成電流。圖4-25輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路a）簡圖b）詳圖和整流電路一樣，同一組橋內(nèi)的兩個晶閘管靠雙觸發(fā)脈沖保證同時導通。兩組橋之間則是靠各自的觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，以保證同時導通。2)

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輸出電壓單相輸出時

U相輸入電流三相輸出時

U相輸入電流200t/ms200t/ms交交變頻電路的輸入電流波形諧波頻率為

式中k=1,2,3,…l=0,1,2,…。

采用三相橋式電路時，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輸出電壓單相輸出時

U相輸入電流三相輸出時

U相輸入電流200t/ms200t/ms交交變頻電路的輸入電流波形輸入功率因數(shù)

三相總輸入功率因數(shù)應為

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單相加，而應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3)

改善輸入功率因數(shù)和提高輸出電壓基本思路各相輸出的是相電壓，而加在負載上的是線電壓。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，它們都不會在線電壓中反映出來，因而也加不到負載上。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。直流偏置負載電動機低速運行時，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。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。因為橋式電路較長時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。值可梯形波控制方式的理想輸出電壓波形應用主要用于500kW或1000kW以上的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路中。目前已在軋機主傳動裝置、鼓風機、礦石破碎機、球磨機、卷揚機等場合應用。既可用于異步電動機，也可用于同步電動機傳動。實用電路結(jié)構(gòu)

三相交交變頻器每相采用的晶閘管元件越多，輸出波形越好6.5.3交流－交流相控直接變頻的優(yōu)缺點

優(yōu)點：只需一級變換環(huán)節(jié) 晶閘管