电力电子技术山大第6章交交变换电路

1、山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所电力电子技术电力电子技术第第6章章 交流电力控制电路交流电力控制电路和交交变频电路和交交变频电路山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第2页第6章 交流电力控制电路和交交变频电路概述6.1 交流调压电路 6.1.1 单相交流调压电路 6.1.2 三相交流调压电路6.2 其他交流电力控制电路 6.2.1 交流调功电路 6.2.2 交流电力电子开关6.3 交交变频电路 6.3.1 单相交交变频电路 6.3.2 三相交交变频电路6.4 矩阵式变频电路本章小结本章小结山山山东东东大大大学学学电电电力力力

2、电电电子子子研研研究究究所所所第4章第3页概 述u交流交流- -交流变流电路交流变流电路一种形式的交流变一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，可改变相关的成另一种形式交流的电路，可改变相关的电压、电流、频率和相数等电压、电流、频率和相数等交流电力控制电路交流电力控制电路只改变电压、电只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率流或控制电路的通断，不改变频率交流调压电路交流调压电路相位控制（或斩控相位控制（或斩控式）式）交流调功电路及交流无触点开关交流调功电路及交流无触点开关通断控制通断控制 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第4页变频电路变频电路改变频率

3、，大多不改变相数，改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的也有改变相数的交交变频电路交交变频电路直接把一种频率的交直接把一种频率的交流变成另一种频率或可变频率的交流流变成另一种频率或可变频率的交流,直直接变频电路。接变频电路。1.晶闸管交交变频电路。晶闸管交交变频电路。2.矩阵式变频电路。矩阵式变频电路。交直交变频电路交直交变频电路先把交流整流成直先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流频率的交流,间接变频电路。间接变频电路。山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第5页6.1 交流调压电路u交流调压电路的应

4、用：交流调压电路的应用： 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）制） 异步电动机软起动异步电动机软起动 异步电动机调速异步电动机调速 供用电系统对无功功率的连续调节供用电系统对无功功率的连续调节 在高压小电流或低压大电流直流电源在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压中，用于调节变压器一次电压 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第6页一、单相交流调压电路1交流调压器晶闸管控制方式：交流调压器晶闸管控制方式：通断控制：改变晶闸管通断时间比值通断控制：改变晶闸管通断时间比值达到调压的目的。达到调压的目的。相位控制

5、：使晶闸管在电源电压每一相位控制：使晶闸管在电源电压每一周期中，选定的时刻内将负载与电源接周期中，选定的时刻内将负载与电源接通，改变选定的时刻可达到调压的目的。通，改变选定的时刻可达到调压的目的。山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第7页2电阻负载电阻负载 工作原理：工作原理： 在在 u1的正半周和负半周，分的正半周和负半周，分别对别对VT1和和VT2的开通角的开通角a a进进行控制就可以调节输出电压行控制就可以调节输出电压 正负半周正负半周a a 起始时刻起始时刻（a a =0=0）均为电压过零时刻，稳态时，均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的正负半周的a

6、 a 相等相等 负载电压波形是电源电压波负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压的即电源电流）和负载电压的波形相同波形相同RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt图6-1电阻负载单相交流调压电路及其波形 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第8页u数量关系数量关系 负载电压有效值(6-1) 负载电流有效值 （6-2)RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt图6-1电阻负载单相交流调压电路及其波形 201211( 2sin)21 cos(2)21sin

7、22UUtd tUtd tUaaaa=00UIR=山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第9页功率因数(6-4)aa=2sin211oo1ooUUIUIUSP晶闸管电流有效值(6-3)22sin1 (21sin221121aaa=RUtdRtUIT011sin22UUaa=山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第10页输出电压与输出电压与a a的关系的关系: 移相范围为移相范围为0 a a 。 a a =0时，时，输出电压为最大，输出电压为最大， Uo=U1。随。随a a的增大，的增大，Uo降低，降低， a a =时，时， U

8、o =0。与与a a的关系：的关系： a a =0时，功率因数时，功率因数=1， a a增大，增大，输入电流滞后于电压且畸变，输入电流滞后于电压且畸变，降低降低 011sin22UUaa=1sin22aa=RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第11页2阻感负载阻感负载u 阻感负载时阻感负载时a a的移相范围的移相范围 负载阻抗角：负载阻抗角：j j = arctan( L / R) 晶闸管短接，稳态时负晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位载电流为正弦波，相位滞后于滞后于u1的角度为的角度

9、为j ja a =0时刻仍定为时刻仍定为u1过零的过零的时刻，时刻，a a的移相范围应为的移相范围应为j j a a 图6-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第12页u3.阻感负载时的工作过程分析阻感负载时的工作过程分析在在t = a a时刻开通时刻开通VT1，负载电流满足，负载电流满足 (6-5)解方程得解方程得0sin2ddo1oo=atitURitiL 0sin()tmiItAej山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第13页导通前：ta00i导通后：ta0sin()tgmiIA

10、eajajsin ()tgmAIeajaj则有：0sin()sin()ttgmiIteajjaj山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第14页即102sin()sin()ttgUiteZa a利用边界条件：t = a +时，io =0, 可求得： (6-7)jjajatg)sin()sin(=e显示放大图taa 式中：为晶闸管导通角山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第15页导通角与控制角及角的关系1. 时的导通角180,正负半波电流间断,且越大, 越小,波形间断越严重2. =时,由上式可知:)sin(210=tZUi波形为

11、正弦波且导通角=180,正负半周电流处于临界连续状态,负载上获得最大功率,电流滞后电压角0=si山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第16页3. 180触发脉冲为窄脉冲时:当U 出现时,VT 的电流还未到零VT 不能导通,而第三个半周U 又触发VT 管,重复以上过程,这样负载上只有正半波电流, 出现很大的直流分量g212g11用宽脉冲触发:虽然在开始触发的几个周期内两管的电流是不对称的,但当负载电流中的自由分量衰减后,负载电流即能得到完全对称连续的波形,电流滞后电源电压角。山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第17页可见电

12、路达到稳态时相当于可见电路达到稳态时相当于=的的状态状态,亦即带电感负载时亦即带电感负载时,最小控制最小控制角角 =,所以所以的移相范围为的移相范围为180min负载电流的最大值出现在负载电流的最大值出现在=时时而带电阻性负载时的移相范围为而带电阻性负载时的移相范围为 0180山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第18页 数量关系数量关系负载电压有效值负载电压有效值 (6-8)晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值 (6-9) )22sin(2sin1)()sin2(1121oaaaa=UtdtUU =aajajaj)d()sin()sin(2212tg1VTte

13、tZUIt2山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第19页负载电流有效值 (6-10) IVT的标么值 (6-11)To2II =图6-4 单相交流调压电路a为参变量时IVTN和a关系曲线(显示放大图） 1VTVTNU2ZII=例题山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所20/536.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路3.单相交流调压电路的谐波分析 带电阻负载时，对负载电压uo进行谐波分析 =, 5 , 3, 1o)sincos()(nnntnbtnatu式中) 12(cos2211=aUa)(22sin2211aa=Ub=1)

14、 1cos(111) 1cos(1121aannnnUan=aa) 1sin(11) 1sin(1121nnnnUbn(n=3,5,7,)(6-12)RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOtRO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所21/536.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路基波和各次谐波的有效值可按下式求出22on21nnbaU=负载电流基波和各次谐波的有效值为RUI/onon=060120180图4-6基波3次5次7次触发延迟角a/( )In/I*/%20406

15、080100图6-6 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量 (n=1,3,5,7,) (6-13)(6-14)电流基波和各次谐波标么值随电流基波和各次谐波标么值随a a变化变化的曲线，其中的曲线，其中基准电流为基准电流为a a=0时的电流时的电流有效值有效值。 阻感负载时阻感负载时 电流谐波次数和电阻负载时相同，电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含也只含3、5、7等次谐波。等次谐波。4.斩控式交流调压山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第22页6.2其他交流电力控制电路以交流电源周波数为控制单位交流调功电路对电路通断进行控制交流电力电子开关 山山山东东

16、东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第23页一、 交流调功电路与交流调压电路的异同与交流调压电路的异同 电路形式完全相同电路形式完全相同 控制方式不同：将负载与电源接通几个周波，控制方式不同：将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率调节负载所消耗的平均功率应用应用 常用于电炉的温度控制常用于电炉的温度控制 因其直接调节对象是电路的平均输出功率，因其直接调节对象是电路的平均输出功率，所以称为交流调功电路所以称为交流调功电路 图6-13 交流调功电路典型波形 (M=3、N=2) 山山山东

17、东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第24页二、交流电力电子开关晶闸管反并联后串入交流电路晶闸管反并联后串入交流电路作用：代替机械开关，起接通和断开电路的作用：代替机械开关，起接通和断开电路的作用作用优点：响应速度快，无触点，寿命长，可频优点：响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断繁控制通断与交流调功电路的区别与交流调功电路的区别 并不控制电路的平均输出功率并不控制电路的平均输出功率 通常没有明确的控制周期，只是根据需要通常没有明确的控制周期，只是根据需要控制电路的接通和断开控制电路的接通和断开 控制频度通常比交流调功电路低得多控制频度通常比交流调功电路低得多

18、山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第25页 晶闸管投切电容器（Thyristor Switched CapacitorTSC） 对无功功率控制，可提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量 性能优于机械开关投切的电容器 结构和原理 图6-15基本原理图（单相） 实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结IU抑制冲击电流的小电感a)图4-15b)图6-15 TSC基本原理图a) 基本单元单相简图 b) 分组投切单相简图(显示放大图） 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第26页 两个反并联的晶闸管起着把C并入电网或从电网断开的

19、作用（图6-15a） 串联电感很小，用来抑制电容器投入电网时的冲击电流 实际工程中，为避免电容器组投切造成较大冲击，一般把电容器分成几组（图6-15b），可根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量 TSC实际上为断续可调的动态无功功率补偿器IU抑制冲击电流的小电感a)图4-15b)图6-15 TSC基本原理图a)基本单元单相简图 b)分组投切单相简图(显示放大图） 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第27页 晶闸管投切 选择晶闸管投入时刻的原则：该时刻交流电源电压和电容器预充电电压相等，这样电容器电压不会产生跃变，就不会产生冲击电流 理想情况下，希望电容

20、器预充电电压为电源电压峰值，这时电源电压的变化率为零，电容投入过程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化图4-16usiCuCCVT1VT2ttttusiCuCVT1VT2t1t2uVT1uVT1图6-16 TSC理想投切时刻原理说明(显示放大图） 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第28页6.2.2 交流电力电子开关TSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式 由于二极管的作用，在电路不导通时uC总会维持在电源电压峰值 成本稍低，但响应速度稍慢，投切电容器的最大时间滞后为一个周波图4-17ttttusiCuVTuCCVTVDusiCuVTuCVTVDt1t

21、2t3t4图6-17 晶闸管和二极管反并联方式的TSC(显示放大图） 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第29页6.3 交交变频电路本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)交交变频电路把电网频率的交流电变成可调频率的交流电，属于直接变频电路广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实用的主要是三相输出交交变频电路 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第30页6.3.1 单相交交变频电路1电路构成和基本工作原理电路构成和基本工作原理电路构成电路构成 如图如图6-13，由，由P组和组和N组反并

22、联的晶闸管变流组反并联的晶闸管变流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同限变流电路完全相同 变流器变流器P和和N都是相控整流电路都是相控整流电路ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoaP=0aP=2aP=2t图6-13单相交交变频电路原理图和输出电压波形 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第31页6.3.1 单相交交变频电路工作原理工作原理P组工作时，负载电流io为正N组工作时，io为负两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率o改变变流

23、电路的控制角a，就可以改变交流输出电压的幅值 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第32页6.3.1 单相交交变频电路为使为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律波形接近正弦波，可按正弦规律对对a a角进行调制角进行调制在半个周期内让在半个周期内让P组组a a 角按正弦规律从角按正弦规律从90减减到到0或某个值，再增加到或某个值，再增加到90，每个控制间，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。另外半个周期可对高，再减到零。另外半个周期可对N组进行同组进行同样的控制样的控制uo由若干段电源电压拼接而

24、成，在由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波接近正弦波 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第33页6.3.1 单相交交变频电路2整流与逆变工作状态整流与逆变工作状态阻感负载为例把交交变频电路理想化，忽略变流电路换相时uo的脉动分量，就可把电路等效成图6-14a所示的正弦波交流电源和二极管的串联设负载阻抗角为j，则输出电流滞后输出电压j 角两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电

25、电电子子子研研研究究究所所所第4章第34页a)整流 逆变阻断图4-19b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP图6-14 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态(显示放大图） 工作状态工作状态 t1t3期间：io正半周，正组工作，反组被封锁 t1 t2： uo和io均为正，正组整流，输出功率为正 t2 t3 ： uo反向， io仍为正，正组逆变，输出功率为负6.3.1 单相交交变频电路 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第35页6.3.1 单相交交变频电路 t3 t5期

26、间： io负半周，反组工作，正组被封锁 t3 t4 ：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正 t4 t5 ： uo反向， io仍为负，反组逆变，输出功率为负 哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关 工作在整流还是逆变，则根据uo方向与io方向是否相同确定工作状态工作状态图6-14 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态(显示放大图） a)整流 逆变阻断b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第36页1OO23456图4-20uoio

27、tt图6-15 单相交交变频电路输出电压和电流波形(显示放大图）考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，一周期可分为6段第1段io 0，反组逆变第2段电流过零，为无环流死区第3段io 0， uo 0，正组整流6.3.1 单相交交变频电路 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第37页第4段io 0， uo 0，正组逆变第5段又是无环流死区第6段io 0， uo 0，为反组整流uo和io的相位差小于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，电动机工作在电动状态当二者相位差大于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态6.

28、3.1 单相交交变频电路 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第38页6.3.1 单相交交变频电路3输出正弦波电压的调制方法 介绍最基本的、广泛使用的余弦交点法 设Ud0为a = 0时整流电路的理想空载电压，则有 (4-15) 每次控制时a角不同， uo表示每次控制间隔内uo的平均值 期望的正弦波输出电压为 (4-16) 比较式(4-15)和(4-16)，应使 (4-17)g 称为输出电压比：acosd0oUu =tUuoomosin=ttUUood0omsinsincosga=) 10(d0om=rUUg g山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子

29、研研研究究究所所所第4章第39页6.3.1 单相交交变频电路 余弦交点法基本公式 (4-18)余弦交点法图解 线电压uab、 uac 、 ubc 、 uba 、 uca和ucb依次用u1 u6表示 相邻两个线电压的交点对应于a=0)sin(coso1tga=图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4tt图6-16 余弦交点法原理(显示放大图） 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第40页6.3.1 单相交交变频电路u1u6所对应的同步信号分别用us1us6表示us1us6比相应的u1u6超前30，us1us6的最大

30、值和相应线电压a=0的时刻对应以a=0为零时刻，则us1us6为余弦信号希望输出电压为uo，则各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1us6的下降段和uo的交点来决定图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4tt图6-16 余弦交点法原理(显示放大图） 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第41页6.3.1 单相交交变频电路不同g 时，在uo一周期内，a随ot 变化的情况。图中，g 较小，即输出电压较低时，a只在离90很近的范围内变化，电路的输入功率因数非常低g = 0g = 0.1相位控制角a/( )输出相位 0

31、t图4-2212015018030609000.10.20.30.80.91.00.80.20.30.91.02223图6-17 不同g时a和ot的关系(显示放大图）)sin(sin2/)sin(coso1o1ttgga= 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第42页6.3.1 单相交交变频电路输出上限频率输出上限频率 输出频率增高时，输出电压一周期所含输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重电网电压段数减少，波形畸变严重 电压波形畸变及其导致的电流波形畸变电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要和转矩脉动

32、是限制输出频率提高的主要因素因素当采用当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的频率不高于电网频率的1/31/2。电网频。电网频率为率为50Hz时，交交变频电路的输出上限时，交交变频电路的输出上限频率约为频率约为20Hz 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第43页6.3.1 单相交交变频电路2) 输入功率因数输入电流相位滞后于输入电压，需要电网提供无功功率一周期内，a角以90为中心变化输出电压比g越小，半周期内a的平均值越靠近90负载功率因数越低，输入功率因数也越低不论负载功率因数是滞后的还是超前的，输入的无功电流

33、总是滞后0.8 0.6 0.4 0.20g =1.0输入位移因数负载功率因数（ 滞后）负载功率因数（ 超 前 ）图4-2301.00.80.60.40.200.80.60.40.20.80.60.40.2图6-18 单相交交变频电路的功率因数(显示放大图） 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第44页6.3.1 单相交交变频电路3) 输出电压谐波输出电压谐波输出电压的谐波频谱非常复杂，既和电网频率fi以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率fo有关采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为 6fifo，6fi3fo，6fi5fo， 12fifo，12fi3fo

34、，12fi5fo，采用无环流控制方式时，由于电流方向改变时死区的影响，将增加5fo、7fo等次谐波 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第45页6.3.1 单相交交变频电路4) 输入电流谐波输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，但其幅值和相位均按正弦规律被调制采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率 (6-19)和 (6-20)式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。oiin216lffkf=oiin2kfff= 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第46页6.3.2 三相交交变频电路交交变频电路主要应用于大功

35、率交流电机调速系统，使用的是三相交交变频电路由三组输出电压相位各差120的单相交交变频电路组成1电路接线方式主要有两种：公共交流母线进线方式和输出星形联结方式 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第47页6.3.2 三相交交变频电路1) 公共交流母线进线方式（图6-19） 由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开120的单相交交变频电路构成电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须隔离。为此，交流电动机的三个绕组必须拆开主要用于中等容量的交流调速系统图4-24图6-19 公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）(显示放大

36、图） 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第48页6.3.2 三相交交变频电路2) 输出星形联结方式（图4-25）三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可图4-25a)b)图6-20 输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图 b）详图(显示放大图） 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第49页6.3.2 三相交交变频电路因为三组的输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因此分别用三个变压器供电由于输出端中点不和负载中点相联接，所以在构成三相变频电路的六组桥式电

37、路中，至少要有不同输出相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流和整流电路一样，同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时导通两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第50页6.3.2 三相交交变频电路2输入输出特性输出上限频率和输出电压谐波和单相交交变频电路是一致的输入电流输入电流总输入电流由三个单相的同一相输入电流合成而得到有些谐波相互抵消，谐波种类有所减少，总的谐波幅值也有所降低谐波频率为 (6-21)和 (6-22)式中，k =1,2,3,；l =0,1,2,。oiin616lffk

38、f=oiin6kfff= 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第51页6.3.2 三相交交变频电路采用三相桥式电路时，输入谐波电流的主要频率为fi6fo、5fi 、5fi6fo 、 7fi 、 7fi6fo 、 11fi 、 11fi6fo 、13fi 、 13fi6fo 、 fi12fo等。其中5fi次谐波的幅值最大200t/ms输出电压单相输出时 U相输入电流三相输出时 U相输入电流图4-26200t/ms200t/ms图6-21 交交变频电路的输入电流波形(显示放大图） 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第52页6

39、.3.2 三相交交变频电路输入功率因数输入功率因数三相总输入功率因数应为 (6-23)三相电路总的有功功率为各相有功功率之和但视在功率却不能简单相加，而应由总输入电流有效值和输入电压有效值来计算，比三相各自的视在功率之和要小三相总输入功率因数要高于单相交交变频电路SPPPSPcba= 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第53页6.3.2 三相交交变频电路3改善输入功率因数和提高输出电压 基本思路基本思路各相输出的是相电压，而加在负载上的是线电压在各相电压中叠加同样的直流分量或3倍于输出频率的谐波分量，它们都不会在线电压中反映出来，因而也加不到负载上。利用这

40、一特性可以使输入功率因数得到改善并提高输出电压。直流偏置直流偏置负载电动机低速运行时，变频器输出电压很低，各组桥式电路的a角都在90附近，因此输入功率因数很低给各相输出电压叠加上同样的直流分量，控制角a将减小，但变频器输出线电压并不改变 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第54页6.3.2 三相交交变频电路交流偏置交流偏置梯形波输出控制方式使三组单相变频器的输出均为 梯形波（也称准梯形波） ，主 要谐波成分是三次谐波在线电压中三次谐波相互抵消，线电压仍为正弦波因为桥式电路较长时间工作在高输出电压区域（即梯形波的平顶区），a角较小，因此输入功率因数可提高15

41、%左右图6-15正弦波输出控制方式中，最大输出正弦波相电压的幅值为Ud0在同样幅值的情况下，梯形波中的基波幅值可提高15%左右uAN的基波分量图4-27uOtuABuANuBN图6-22 梯形波控制方式的理想输出电压波形(显示放大图） 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第55页6.3.2 三相交交变频电路交交变频和交直交变频的比较间接变频电路，先把交流变换成直流，再把直流逆变成可变频率的交流，称交直交变频电路和交直交变频电路比较，交交变频电路的优点： 只用一次变流，效率较高 可方便地实现四象限工作 低频输出波形接近正弦波缺点是： 接线复杂，采用三相桥式电路

42、的三相交交变频器至少要用36只晶闸管 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第56页6.3.2 三相交交变频电路 受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低 输入功率因数较低 输入电流谐波含量大，频谱复杂应用应用主要用于500kW或1000kW以下的大功率、低转速的交流调速电路中。目前已在轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合应用既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第57页本章小结本章小结本章的要点如下：(1) 交流交流变流电路的分类及其基本概念；(2) 单相

43、交流调压电路的电路构成，在电阻负载和阻感负载时的工作原理和电路特性；(3) 交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念；(4) 晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成、工作原理和输入输出特性； 山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第58页RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt图6-1电阻负载单相交流调压电路及其波形RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt返回山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第59页图6-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形RL0.6图4-2Ou1uo

44、ioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtt返回RL0.6图4 -2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtt山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第60页图6-3 单相交流调压电路以a为参变量的和a关系曲线0201006014018020100图4-360 /( )180140a /( )j = 9075604530150返回山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第61页图6-4 单相交流调压电路a为参变量时IVTN和a关系曲线返回山山山东东东大大大学学学电电电力力

45、力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第62页tttt图4-5aaaOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2图6-5 aj时阻感负载交流调压电路工作波形返回山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第63页060120180图4-6基波3次5次7次触发延迟角a/( )In/I*/%20406080100返回图6-6 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第64页RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3返回图6-7 斩控式交流调压电路山山山东东东大大大学学学电电电力

46、力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第65页返回图6-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第66页n负载acn负载abca)b)负载abcc)负载bd) 图4-9abcuaubuciaUa0nuaubucianuaubucianuaubuciaVT1VT3VT4VT5VT6VT2 a) 星形联结 b) 线路控制三角形联结c) 支路控制三角形联结 d) 中点控制三角形联结返回图6-9 三相交流调压电路山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第67页图4-10c)晶闸管导通区间a)a晶闸管导通

47、区间晶闸管导通区间b)a432353302432353302a432353302uaouaouaouauauauab2uac2uab2uac2uab2uac2t1t2t3t1t2t3VT1VT3VT4VT6VT1VT6VT2VT5VT5VT5VT1VT3VT4VT6VT2VT6VT5VT5VT1VT3VT4VT6VT2VT6VT5VT5VT1VT3VT5VT4VT2VT4VT6aa=30 b) a =60c) a =120图6-10 不同a角时负载相电压波形返回山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第68页负载图4-11uaiaubucnbac图6-11 晶闸

48、管控制电抗器(TCR)电路返回山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第69页图6-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形a)b)c)图4-12a) a=120 b) a=135 c) a=160返回山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第70页图6-13 交流调功电路典型波形(M=3、N=2)M电源周期控制周期=M倍电源周期=24M图4-13O导通段=2NM3M2Muou1uo,iotU12返回山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第71页图4-14 交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=

49、2)012 14谐波次数相对于电源频率的次数图4-142 4 61080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m返回山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第72页图4-15 TSC基本原理图IU抑制冲击电流的小电感a)图4-15b)a) 基本单元单相简图 b) 分组投切单相简图返回山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第73页图6-16 TSC理想投切时刻原理说明图4-16usiCuCCVT1VT2ttttusiCuCVT1VT2t1t2uVT1uVT1返回山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研

50、研究究究所所所第4章第74页图6-17 晶闸管和二极管反并联方式的TSC图4-17ttttusiCuVTuCCVTVDusiCuVTuCVTVDt1t2t3t4返回山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第75页图6-18 单相交交变频电路原理图和输出电压波形ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoaP=0aP=2aP=2t返回山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第76页图6-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态a)整流 逆变阻断图4-19b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t

51、4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP返回a)b)a)uPuNuoioiNiP山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第77页图6-20 单相交交变频电路输出电压和电流波形1OO23456图4-20uoiott返回山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第78页图6-21 余弦交点法原理图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4tt返回山山山东东东大大大学学学电电电力力力电电电子子子研研研究究究所所所第4章第79页图6-22 不同a时a和ot的关系g = 0g = 0.1相位控制角a/( )输出相位 0 t图4-2212015018030609000.10.20.30.80.91.00.80.20.30.91.0