第6章电力电子技术

1、1,第6章AC/AC变换,6.1交流调压电路（单相、三相）,6.2交流电力控制电路,6.3交-交变频电路,6.4矩阵变频电路,2,第6章AC/AC变换,AC/AC变换是一种将交流电能幅值或频率直接加以转换的交流-交流电力变换技术。只改变交流电压大小或对电路实现通断而不改变频率的控制，称为交流调压和交流调功或交流开关控制。应用于交流电动机的调压调速、降压启动、调温、调光、电气设备的交流无触点开关等。从一种频率交流电直接变换成另一种频率交流电的变换控制称之为交-交变频。这种交流-交流的变频是不通过中间直流环节，也称交-交直接变频，或称为周波变换器、周期变换器。主要应用于交流电动机的变频调速。,3,

2、6.1交流调压电路,把交流开关S串联在交流电路中，通过对S的控制实现对交流正、负半周的对称控制，实现输出电压的调整。S一般为两个晶闸管反并联或双向晶闸管。交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路。,4,6.1交流调压电路,交流调压电路的控制方式有三种：整周波通断控制、相位控制和斩波控制。,5,6.1交流调压电路,（1）整周波通断控制在交流电压过零时刻开通或关断交流开关S，使负载电路与交流电源接通几个周波、关断几个周波通过改变导通、关断周波数的比值，实现调节输出电压大小输出电压断续，一般用于电炉调温、交流功率调节等。,6,6.1交流调压电路,（2）相位控制在交流电源正、负半周，在相同

3、的移相角下，开通交流开关S。负载为正、负半周对称的交流电压波形。相位控制方式简单，能连续调节输出电压大小。但输出电压波形非正弦，低次谐波含量大。,7,6.1交流调压电路,（3）斩波控制利用脉宽调制技术，将交流电压波形斩控成脉冲列改变脉冲的占空比可调节输出电压能连续调节输出电压大小，波形中只含有高次谐波含量，基本克服通断控制、相位控制的缺点。斩波频率较高，交流开关S一般要采用高频自关断器件。,8,6.1.1相控单相交流调压电路,6.1.1相控单相交流调压电路电路的工作状况与带负载性质有关。1电阻性负载（1）工作原理,电压过零时刻=0。在t=时，VT1触发导通，uo与ui波形相同，当t=时，ui过

4、零，负载电流io也为零，VT1自然关断。,9,6.1.1相控单相交流调压电路,在t=+时，VT2触发导通，uo与ui波形相同当t=2时，电源电压过零，VT2自然关断。稳态时，正负半周的相等，负载电压波形是电源电压波形的一部分负载电流和负载电压的波形相似。,10,6.1.1相控单相交流调压电路,（2）数量关系负载电压有效值Uo为,负载电流有效值Io为,交流电路输入功率因数为,11,6.1.1相控单相交流调压电路,晶闸管电流有效值IVT为,电阻负载时，的移相范围为。,12,6.1.1相控单相交流调压电路,（3）谐波分析根据图可知，输出电压uo为：,uo正、负半波对称，不含直流分量和偶次谐波，傅里叶

5、级数表示,式中,13,6.1.1相控单相交流调压电路,n=1，由此得到基波电压系数：,基波电压幅值U1m为,14,6.1.1相控单相交流调压电路,n次谐波电压系数：,n次谐波电压幅值Unm为,基波和n次谐波电压有效值、电流有效值,15,6.1.1相控单相交流调压电路,电阻负载，电流与电压波形相同。电源电流谐波特点：谐波次数越低，谐波幅值越大。3次谐波的最大值出现在=90时，幅值约占基波分量的0.3倍。5次谐波的最大值出现在=60和=120的对称位置。,根据式,电压基波和各次谐波的标幺值随变化的曲线，其中基准电压为=0时的基波电压有效值U1。,16,6.1.1相控单相交流调压电路,2电感电阻性负

6、载（1）工作原理晶闸管的触发控制方式与电阻负载时相同。电路中负载阻抗角=arctan(L/R)。,17,6.1.1相控单相交流调压电路,由于电感的作用，负载电流io在电源电压过零后，延迟一段时间才能降到0延迟时间与负载阻抗角有关。电流过零时晶闸管才能关断晶闸管的导通角与控制角，负载阻抗角有关。,18,6.1.1相控单相交流调压电路,阻感负载时的工作过程分析：在t=时刻开通VT1，负载电流满足如下微分方程及初始条件。,解方程得,式中,为晶闸管导通角,t+,19,6.1.1相控单相交流调压电路,负载电流io由两部分叠加，即稳态分量,暂态分量,利用边界条件：t=+时io=0，可求得：,20,6.1.

7、1相控单相交流调压电路,以为参变量，可得到晶闸管导通角,通过曲线可得到导通角。例如，当=30，=60时，查曲线，可得晶闸管的导通角146。,21,6.1.1相控单相交流调压电路,根据、大小关系，角和电路运行状态不同。1）当=时，,负载电流只有稳态分量i1可解得导通角=，电流连续。电路一开通就进入稳态，调压电路处于直通状态，不起调压作用，uo=ui。,22,6.1.1相控单相交流调压电路,2）当时，稳态分量i1导通角为，暂态分量i2为负值，故晶闸管导通角小于。,23,6.1.1相控单相交流调压电路,当从逐步减少时，逐步加大，直至接近。负载电压有效值Uo也从0增大到接近电源电压有效值U1。,24,

8、6.1.1相控单相交流调压电路,3）当0且触发为单窄脉冲稳态分量i1导通角为，暂态分量i2为正值，故。,VT1与VT2的触发脉冲相位相差触发VT2时VT1仍为导通，VT2不能开通。当电流过零VT1关断后，VT2的触发脉冲已经消失，因此VT2还是不能开通。,25,6.1.1相控单相交流调压电路,下一个周期，VT1重复导通，负载电流单方向。与单相半波整流的情况完全一样，这将使整个回路中有很大的直流分量电流，它会对交流电机类负载及电源变压器的运行带来严重危害。,26,6.1.1相控单相交流调压电路,4）当0触发脉冲为宽脉冲或脉冲列时当负载电流过零、VT1关断后，VT2的触发脉冲依然存在，VT2能接着

9、导通，电流能一直保持连续。首次开通所产生的电流自由分量，在衰减到零以后，只存在稳态分量i1。由于电流连续，uo=ui，调压器直通。,27,6.1.1相控单相交流调压电路,综上所述，电感电阻性负载时，的移相范围为，电压有效值调节范围为0U1。为避免时出现电流直流分量，触发脉冲应采用宽脉冲或脉冲列。实际应用时，触发脉冲通常采用后沿固定在的宽脉冲（一般为高频调制脉冲），通过改变前沿来调节控制角。,28,6.1.1相控单相交流调压电路,（2）数量关系负载电压有效值Uo为,负载电流有效值Io为,晶闸管电流有效值Ivt为,29,6.1.1相控单相交流调压电路,（3）谐波分析电阻电感负载下，电源电流谐波特点

10、：谐波次数与电阻负载时相同，只含有3、5、7等奇次谐波。谐波次数越低，谐波幅值越大。和电阻负载时相比，谐波电流含量要少些，在角相同时，随阻抗角的增大，谐波含量有所减少,30,6.1.2相控三相交流调压电路,6.1.2相控三相交流调压电路三相交流调压电路：三个单相调压电路接在对称的三相电源上，互差2/3相位工作根据三相连接形式不同，三相交流调压电路具有多种形式。,a)带中性线Y联接b)Y联接c)支路控制的联接,31,6.1.2相控三相交流调压电路,a）带有中性线的Y联接每相的工作过程与单相交流调压电路完全一样。三相中的3倍频谐波电流的相位相同，中性线流过相当大的三次谐波电流，=90时，零线电流和

11、相电流的有效值接近。故很少采用。,32,6.1.2相控三相交流调压电路,b）为无中性线的Y联接，又称线路控制Y联接，它的波形正负对称，负载中及线路中都无三次谐波电流，因此得到广泛的应用。,33,6.1.2相控三相交流调压电路,c）支路控制的联接，又称内三角连接带负载的单相交流调压电路跨接在线电压上，每相工作与单相交流调压电路相同3及3倍频的谐波电流在三角形内自成环流流通，故线电流中将不出现3及3倍频的谐波电流。电路常用。,34,6.1.2相控三相交流调压电路,1.Y连接三相交流调压电路晶闸管的编号VT1、VT3、VT5阳极VT4、VT6、VT2阴极依次接到交流电源ua、ub、uc。,35,6.

12、1.2相控三相交流调压电路,（1）触发信号相位条件触发信号应与电源电压同步。控制角是从各自的相电压过零点开始算起。三个正向晶闸管VT1、VT3、VT5的触发信号互差2/3，三个反向晶闸管VT2，VT4，VT6的触发信号互差2/3，同一相的两个触发信号互差。总的触发顺序是VT1，VT2、VT3、VT4，VT5、VT6，依次各差/3。,36,6.1.2相控三相交流调压电路,脉宽条件Y联接时三相中至少要有两相导通才能构成电流通路为保证起始工作电流的流通，或在控制角较大、电流不连续的情况下仍能按要求使电流流通触发信号应采用大于/3的宽脉冲(或脉冲列)或采用间隔/3的双窄脉冲。,37,6.1.2相控三相

13、交流调压电路,(2)负载电压分析对某一相来说，只要反并联晶闸管之中有一个导通，则该支路是导通的。从三相来看，电路可能是下列中的一种：三相全不通，调压电路开路，每相负载的电压都为0。三相全导通，调压电路直通，则每相负载的电压是所接相的相电压。其中二相导通，在电阻负载时，导通相负载上的电压是该两相线电压的1/2，非导通相负载的电压为0。,38,（3）负载电压波形分析分析电阻负载下，不同下负载相电压、相电流波形。波形分析中的波形绘制方法。1）先画出三相电源电压波形晶闸管VT1、VT3、VT5的阳极与ua、ub、uc相连，故相电源正半周有可能导通，标明晶闸管与电源的对应关系。同理，VT4、VT6、VT

14、2分别与三相电源ua、ub、uc负半周对应。,39,6.1.2相控三相交流调压电路,2）按触发信号的相位条件和脉宽条件画出触发脉冲波形。晶闸管的导通区间与电路工作状况有关。,40,6.1.2相控三相交流调压电路,3）某相负载电压只有三种情况，故画出与该相负载对应的相电压、线电压波形。分析a相负载电压波形时，画出ua、uab/2、uac/2波形轮廓线。,41,6.1.2相控三相交流调压电路,4）这样按区间，根据触发信号、晶闸管导通情况，在ua、uab/2、uac/2波形轮廓线上直接描绘出负载电压波形。,42,6.1.2相控三相交流调压电路,=30为例，按区间分析。区间1(t=3060)：VT1、

15、VT6触发并导通，uc在正半周，或者说VT5正偏。在电路开始启动时，VT5无触发信号，故负载电压为uab/2。在稳态时VT5也导通，因三相全通，故负载电压为ua。,43,6.1.2相控三相交流调压电路,区间2(t=6090)：VT1、VT6仍导通，VT5反偏关断，因VT1、VT6对应ua、ub，故负载电压为uab/2。区间3(t=90120)：VT1、VT2触发并导通，VT6正偏，仍导通，因三相全通，故负载电压为ua。,44,6.1.2相控三相交流调压电路,区间4(t=120150)：VT1、VT2仍导通，VT6反偏关断，因VT1、VT2对应ua、uc，故负载电压为uac/2。区间5(t=15

16、0180)：VT2、VT3触发并导通，VT1正偏，仍导通，因三相全通，故负载电压为ua。,45,6.1.2相控三相交流调压电路,区间6(t=180210)：VT2、VT3仍导通，VT1反偏关断，因VT2、VT3对应uc、ub，故负载电压为0。区间7(t=210240)：VT3、VT4触发并导通，VT2正偏，VT2仍导通，因三相全通，故负载电压为ua。,46,6.1.2相控三相交流调压电路,区间8(t=240270)：VT3、VT4仍导通，VT2反偏关断，因VT3、VT4对应ub、ua，故负载电压为uab/2。区间9(t=270300)：VT4、VT5触发并导通，VT3正偏，VT3仍导通，因三相

17、全通，故负载电压为ua。,47,6.1.2相控三相交流调压电路,区间10(t=300330)：VT4、VT5仍导通，VT3反偏关断，因VT4、VT5对应ua、uc，故负载电压为uac/2。区间11(t=330360)：VT5、VT6触发并导通，VT4正偏，VT4仍导通，因三相全通，故负载电压为ua。,48,6.1.2相控三相交流调压电路,区间12(t=360390)：VT5、VT6仍导通，VT4反偏关断，因VT5、VT6对应uc、ub，故负载电压为0。由以上分析波形可以看出，在=30时，每个晶闸管导通5个区间，即150。电路工作于三个晶闸管导通和二个晶闸管导通交替状态。,49,6.1.2相控三

18、相交流调压电路,在其他触发控制角下负载相电压、相电流波形的分析方法同上。=60、=90、=120三种工况下的负载相电压波形。,50,6.1.2相控三相交流调压电路,当150以后。以VT1、VT6为例，在电路启动时，同时给VT1、VT6为施加触发脉冲，此刻ubua，VT1、VT6反偏状态，故输出电压为零。故电阻负载下移相范围为0150。,51,6.1.2相控三相交流调压电路,在电阻电感负载情况下，可参照电阻负载和单相电阻电感负载时的分析方法，只是分析要复杂些。（4）谐波情况电阻负载下，电流谐波次数为6k1(k=1，2，3，)。谐波次数越低，含量越大。和单相交流调压电路相比，没有3倍次谐波。在电阻

19、电感负载情况下谐波电流含量相对小一些。,52,6.1.2相控三相交流调压电路,2.支路控制的联接三相交流调压电路是三个由线电压供电的单相交流调压电路组成。每一相都可当作单相交流调压电路来分析，单相交流调压电路的分析方法和结论完全适用将单相相电压改成线电压，输入线电流（即电源电流）为与该线相连的两个负载相电流之和。,53,6.1.2相控三相交流调压电路,谐波情况：3的倍数次谐波在三角形回路中流动，而不出现在线电流中。线电流中所谐波次数为6k1(k为正整数)。在相同负载和控制角时，线电流中谐波含量少于三相三线Y形电路。,54,6.1.3斩波控制交流调压电路,1.基本原理交流斩波调压电路的基本原理和

20、直流斩波电路相同，它是将交流开关同负载串联和并联构成。假定电路中各部分都是理想状态。开关S1为斩波开关，S2为考虑负载电感续流的开关。S1及S2不允许同时导通，通常二者在开关时序上互补。,55,6.1.3斩波控制交流调压电路,输出电压uo为,式中：G为开关函数，其定义为,56,6.1.3斩波控制交流调压电路,设交流开关S1导通时间为ton，关断时间为toff，开关周期为TC，则导通比为D=ton/TC，改变D可调节输出电压,57,6.1.3斩波控制交流调压电路,开关函数G傅里叶级数表示如下,式中：,则：,式中：,58,6.1.3斩波控制交流调压电路,表明，uo含有基波及各次谐波。谐波频率在开关

21、频率c及其整数倍两侧处分布开关频率越高，谐波与基波距离越远，越容易滤掉。改变占空比D就可以改变基波电压的幅值，交流调压。,将,代入,有,59,6.1.3斩波控制交流调压电路,2.交流斩波调压控制交流斩波调压电路使用的交流开关，一般采用全控型器件，如GTO、GTR、IGBT等来构成。这类器件静特性均为非对称，反向阻断能力很低，甚至不具备反向阻断能力。为此，常与二极管配合组成复合器件，即利用二极管来提供开关的反向阻断能力。,60,6.1.3斩波控制交流调压电路,a)使用一个全控开关器件。当负载电流方向改变时，二极管桥中导通的桥臂自然换向，而流过开关器件中的电流方向不会改变。控制电路简单。无同步要求

22、，斩波开关与续流开关可采用互补控制。,61,6.1.3斩波控制交流调压电路,b)、c)所示结构含有两个全控开关分别控制电流的不同方向上流通。控制电路必须有严格的同步要求，开关可独立控制，控制方式比较灵活。c）图中公共极接在一起，门极控制信号可以共地。可使用带有反并联二极管的功率开关模块，主电路接线简单，减少引线电感在高频运行时的影响。,b)、c),62,6.1.3斩波控制交流调压电路,与交流主电路开关结构、主电路电路结构及相数有关。按照对斩波开关和续流开关的控制时序而言，则可分为互补控制和非互补控制两大类。,交流斩波调压控制方式,63,6.1.3斩波控制交流调压电路,1）互补控制在个开关周期中

23、，斩波开关和续流开关只能有一个导通。这种控制方法与电流可逆直流斩波电路的控制类似，按电源正、负半周分别考虑。,64,6.1.3斩波控制交流调压电路,图中uip、uin分别为交流正、负半周对应的同步信号，作为交流开关的导通的参考方向当uip有效时，V1、V3交替施加驱动信号，uin有效时，V2、V4交替施加驱动信号。斩波信号发生器可以同时提供给V1、V2，是否施加触发信号由uip是否有效决定。V3、V4的情况也一样。,65,6.1.3斩波控制交流调压电路,实际开关为非理想开关，很可能斩波开关和续流开关直通而短路，增设死区时间（在ui换向时）。会造成二者均不导通，负载电流断路造成电路产生过电压。使

24、用缓冲电路来限制过电流和过电压，这是互补控制方式不足之处。,66,6.1.3斩波控制交流调压电路,2）非互补控制纯电阻负载。ui正半周，V1斩波控制，V3、V2一直施加控制信号，V3提供续流通道。V4总处于断态。ui负半周，V2斩波控制，V4、V1一直施加控制信号，V4提供续流通道。V3总处于断态。,67,6.1.3斩波控制交流调压电路,负载为电感性时，电压、电流相位不同电压正半周时V2、V3一直施加控制信号在电流为负半周时，V2会导通，造成V1反偏，输出电压不受斩波开关控制，产生输出电压失真。在感性负载下，电路时序控制中应加入电流信号，由电压、电流的方向共同决定控制时序。,68,6.2交流电

25、力控制电路,交流调功器、交流开关1晶闸管交流调功器移相触发控制，使得电路中的正弦波形出现缺角，包含较大的高次谐波。采用过零触发的通断控制方式。这种方式的开关对外界的电磁干扰较小。,69,6.2交流电力控制电路,控制方法：在设定的周期内，使晶闸管开关接通几个周波、断开几个周波，改变通断时间比，可达到调节负载功率的目的。因此这种装置也称为交流调功器。,70,6.2交流电力控制电路,如在设定周期Tc内导通的周波数为m，每个周波的周期为T，输出电压有效值是,调功器输出功率,式中P1设定周期Tc内全部周波导通时，电路输出的功率U1交流输入电压有效值m在设定周期Tc内导通的周波数改变导通周波数m即可改变输

26、出电压和功率。,71,6.2交流电力控制电路,电阻负载下电流谐波图（通2个周波、断1个周波）。以电源周期为基准，电流中不含整数倍频率的谐波，但含有非整数倍频率的谐波。在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。,In为n次谐波有效值,Iom为电路负载电流幅值。,72,6.2交流电力控制电路,过零触发没有移相触发时的高次谐波（移相触发主要3、5、7次）干扰，其通断频率比电源频率低。当通断比太小时，会出现低频干扰，使照明出现人眼能察觉到的闪烁、电表指针出现摇摆等。调功器通常用于热惯性较大的电热负载。,73,6.2交流电力控制电路,2晶闸管交流开关将2个晶闸管反并联或单个双向晶闸管串入交流电路，起接

27、通和断开电路的作用，也称固态继电器。是一种快速、理想的交流开关。总是在电流过零时关断，特别适用于操作频繁、可逆运行及有易燃气体、多粉尘的场合。根据需要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。,74,6.2交流电力控制电路,采用晶闸管开关控制交流电路通断原理图。虚线框内部分是一固态继电器，内部具有光电隔离。此晶闸管交流开关可用TTL电平直接驱动。,75,6.3交-交变频电路,将交流电直接变为另一频率和电压的交流电，称为交-交直接变频。交交变频器采用晶闸管作为主功率器件，在轧机和矿井卷扬机传动方面有很大的需求。晶闸管的最大优点就是开关功率大（可达5000V/5000A），适合于大容

28、量交流电机调速系统。交交变频器固有缺点：调速范围小，当电源为50Hz时，最大输出频率不超过20Hz；功率因数低、谐波污染大，因此需要同时进行无功补偿和谐波治理。,76,6.3.1单相交交变频电路,1.基本工作原理电路由相同的两组晶闸管整流电路反并联构成一组整流器称为正组整流器P，另外一组称为反组整流器N。,77,6.3.1单相交交变频电路,如果P组工作，N组被封锁，输出电压为上正下负；如果N组工作，P组被封锁，输出电压上负下正。交替地以低于电源的频率切换P、N组的工作状态，则可以获得交变的输出电压。控制角是固定不变的，则输出电压波形为矩形波。此种方式控制简单，但矩形波中含有大量的谐波，对电机负

29、载的工作很不利。,78,6.3.1单相交交变频电路,控制角不固定在正组工作的半个周期内，使控制角按正弦规律从90逐渐减小到0，然后再由0逐渐增加到90，那么正组输出电压的平均值就按正弦规律变化。在反组工作的半个周期内采用同样的控制方法，就可以得到接近正弦波的输出电压。,79,6.3.1单相交交变频电路,正反两组整流器切换时，若出现两组整流器同时导通的现象，将产生很大的短路电流，使晶闸管损坏。为了防止在负载电流反向时环流产生，将原来工作的整流器封锁后，必须留有一定死区时间，再开通另一组整流器。这种两组整流器任何时刻只有组工作在两组之间不存在环流，称为无环流控制方式。,80,6.3.1单相交交变频

30、电路,无环流控制方式缺点需要一套控制开通和封锁两组触发脉冲的逻辑切换电路，控制系统比较复杂。若死区时间太小不能保证换流安全，死区太大又会影响输出电压波形，正弦畸变增大，谐波更大。,81,6.3.1单相交交变频电路,如果在任何时刻，P、N两组都施加触发脉冲，且P、N组触发脉冲角之和为180，即某组处于整流状态时，另组处于逆变状态，两组整流器输出电压平均值大小相等，方向相反。P、N组不会发生短路。但两组输出电压的瞬时值不等，这将在两组之间形成环流，这种控制方式被称为有环流控制方式。,有环流控制方式,82,6.3.1单相交交变频电路,有环流控制方式特点当正、反组需要换流时，不需要逻辑切换电路，控制相

31、对简单。环流只在两组变流器之间流动，使晶闸管负担加重、损耗加大。,为了减小环流应在两组变流器输出端之间设置环流电抗器，限制环流。环流电流的大小由正、反组瞬时电压差和环流电抗的电感确定。,83,6.3.1单相交交变频电路,两组变流器之间流过环流，可避免出现电流断续，消除电流死区，使变频电路的输出电压、电流特性得以改善。设置环流电抗器，使设备成本增加。效率有所降低。因此，交流-交流直接变频器大都采用无环流运行方式。,84,6.3.1单相交交变频电路,2.交-交变频电路的工作过程以电感性负载为例。无环流工作方式对于电感性负载，输出电压超前电流。,考虑负载电流过零的死区时间，一个周期可以分为六个阶段：

32、,85,6.3.1单相交交变频电路,1)第1阶段，输出电压为正，由于电流滞后，io0。整流器的输出电流单向性，电流必须由N组输出，则此阶段为N组工作，P组封锁。由于uo为正，则N组有源逆变状态，输出负功率。,86,6.3.1单相交交变频电路,2)第2阶段，电流过零。为无环流死区。3)第3阶段，io0，uo0。P组整流状态，输出正功率。N组被封锁。,87,6.3.1单相交交变频电路,4)第4阶段，io0，uo0。P组有源逆变状态，输出负功率。N组封锁。5)第5阶段，电流为零，为无环流死区。,88,6.3.1单相交交变频电路,6)第6阶段，io0，uo0。N组整流状态，输出正功率。P组被封锁。,8

33、9,6.3.1单相交交变频电路,可以看出，哪组整流器电路工作是由输出电流决定，而与输出电压极性无关。变流电路是在整流状态还是逆变状态，则是由输出电压方向和输出电流方向的异同决定。,90,6.3.1单相交交变频电路,3.输出正弦波电压的控制方法要使输出电压波形接近正弦波，必须在一个控制周期内，角按一定规律变化，使整流电路在每个控制间隔内的输出平均电压按正弦规律变化。最常用的方法是采用“余弦波交点法”。,整流电路在每个控制间隔输出的平均电压为：,式中，Ud0为=0时整流电路的输出理想空载电压。,正、反组用三相桥式整流电路，则控制间隔为60（3.33ms），在不同的控制间隔内控制角不同，则平均电压值

34、是变化的。,91,图3.17电阻性负载三相桥式全控整流电路=30时的波形图,=30,6.3.1单相交交变频电路,92,6.3.1单相交交变频电路,若期望的正弦波输出电压uo为,式中，Uom、o分别为输出正弦波电压的幅值、角频率。,得,式中，M称为输出电压比，0M1。因此,得,由,93,6.3.1单相交交变频电路,如果在一个控制周期内，控制角根据，变化，则每个控制间隔输出电压平均值按正弦规律变化。若要改变变频器输出电压幅值，只要改变输出电压比M。即为余弦交点法求角的基本公式。利用此公式，通过微处理器系统很方便地实现准确计算和控制。若使用模拟电路实现交-交变频器的控制，可以利用余弦交点图解法。,9

35、4,6.3.1单相交交变频电路,线电压uab、uac、ubc、uba、uca、ucb依次用u1u6表示，相邻两个线电压的交点对应于相电压交点（自然换向点），亦即=0。u1u6所对应的同步余弦信号分别用us1us6表示。us1us6比对应的u1u6超前30。“O”点坐标系0点，则u1（uab）对应的同步电压us1为,95,6.3.1单相交交变频电路,设期望的正弦波输出电压uo与us1下降段的交点为t1，则,而在此t1时刻，触发整流器中的晶闸管，设触发控制角为p1，若整流器为三相桥式整流电路，则输出电压平均值。,96,6.3.1单相交交变频电路,此值实际就是交-交变频器在此刻的输出电压。,上两式比

36、较。结论：整流器中的各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1us6的下降段与期望的正弦波输出电压uo的交点来决定。,若使Us1m=2.34U2。,97,6.3.1单相交交变频电路,2.输入、输出特性（1）输出上限频率交-交变频电路输出电压不是平滑的正弦波，而是由若干段电源电压拼接而成的。转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的1/31/2。电网频率为50Hz时，输出上限频率约为20Hz。,98,6.3.1单相交交变频电路,（2）输入功率因数由于控制方式为移相触发控制，输入电流相位滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。在交-交变频电路输出的一周

37、期内，角以90为中心变化，输出电压比M越小，半周期内的平均值越靠近90，其位移因数或输入功率因数越低。在不同的M下，输出电压在一个周期内，的变化规律，它反映了输入功率因数的变化。,99,6.3.1单相交交变频电路,输入功率因数与负载功率因数间的关系。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，输入的无功电流总是滞后。,100,6.3.1单相交交变频电路,（3）输出电压谐波交-交变频电路输出电压的谐波频谱非常复杂，与输入频率fi、变流电路的脉波数、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，12f

38、i3fo，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。,101,6.3.1单相交交变频电路,（4）输入电流谐波输入电流波形与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，其输入电流的谐波频谱要复杂的多。三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率为,式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。,102,6.3.2三相交-交变频电路,交-交直接变频电路主要应用于三相交流供电的大功率交流电机调速系统。因此实用的大都是三相输出交-交变频电路。三相是由三组、相位各差120的单相交-交变频电路按一定的方式连接组成。,1电路接线方式三相交-

39、交变频电路主要有两种连接方式，即公共交流母线进线方式和输出Y形连接方式。,103,6.3.2三相交-交变频电路,1)公共交流母线进线方式由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开120的单相交交变频电路构成因为电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上，所以三组的输出端必须隔离。主要用于中等容量的交流调速系统。,104,6.3.2三相交-交变频电路,2)输出Y形连接方式三组的输出端是Y形连接，其电源进线必须隔离，因此分别用三个变压器供电。,105,6.3.2三相交-交变频电路,3）实用电路结构三相半波整流电路构成的三相交-交变频电路每相都是由两组反并联的三相半波整流电路组成，有环流电抗器每组变频电

40、路输出电压的脉波数为3。,106,6.3.2三相交-交变频电路,三相桥式整流电路构成的三相交-交变频电路每相都是由两组反并联的三相桥式整流电路组成，无环流电抗器每组变频电路输出电压的脉波数为6。因此交流输出电压的谐波含量要小一些。,107,6.3.2三相交-交变频电路,12脉波整流电路构成的三相交-交变频电路每相由四组三相桥式整流电路构成，其中整流器和串联成一个整流器P，和串联成一个整流器N。,和输出电压相位相差30，故串联后的输出电压平均值大一倍而脉动更小，输出电压的脉波数为12。和的情况类似。整流器P再与N反并联，构成一相变频电路。变频电路和控制电路都十分复杂，但输出波形好，适用于高压大容

41、量的交流电动机四象限变速电力传动。,108,6.3.2三相交-交变频电路,2输入输出特性三相交-交变频电路输出上限频率、输出电压谐波和单相交-交变频电路是一致的。输入电流和输入功率因数有一些差别。总输入电流由三个单相的同一相输入电流合成而得到，有些谐波因相位关系相互抵消，谐波种类有所减少，总的谐波幅值也有所降低，谐波频率为,和,式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。,109,6.3.2三相交-交变频电路,当采用三相桥式整流电路时，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

42、波的幅值最大三相总输入功率因数应为三相电路总的有功功率为各相有功功率之和。三相总输入功率因数要高于单相电路。,110,6.3.2三相交-交变频电路,3改善输入功率因数和提高输出电压相控整流控制方式的交-交直接变频，影响输入功率因数和输出电压的因素主要是过大，尤其对于电动机负载，在低速运行时，变频器输出电压很低，各组桥式电路的角都在90附近，因此输入功率因数很低。改善输入功率因数和提高输出电压基本思路是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。,111,6.3.2三相交-交变频电路,（1）直流偏置法给各相输出电压叠加上同样的直流分

43、量，控制角将减小，但变频器输出线电压并不改变。可提高功率因数。常用于长期低速运行电动机负载。,112,6.3.2三相交-交变频电路,（2）交流偏置法常规：余弦交点法原理，是利用期望的正弦波输出电压与同步电压的交点来确定控制角采用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），角较小，因此输入功率因数可提高15%左右。,113,6.3.2三相交-交变频电路,采用梯形波控制时控制角p1比采用正弦波控制时控制角时要小。由于梯形波控制相当于在相电压中加入

44、三次交流谐波，故称交流偏置法。,114,6.3.2三相交-交变频电路,4.交-变频和交-直-交变频的比较交-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：接线复杂，受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低，输入功率因数较低和输入电流谐波含量大。交-交变频器主要用于500kW或1000kW以下的大功率、低转速的交流调速电路中。矿石碎机、水泥球磨机、卷扬机、鼓风机及轧机主传动装置中较多的应用。可用于异步电动机、同步电动机传功。,115,6.3.2三相交-交变频电路,表6-1交-交变频电路与交-直-交变频电路比较,116,6.4矩阵变频电路,矩

45、阵式变换器(MatrixConverter-MC)作为一种新型的交-交变频电源，其电路拓扑形式早在1976年就被提出，矩阵式变频电路的主电路拓扑。,三相输入电压为ua、ub和uc，三相输出电压为uu、uv和uw。9个开关器件组成33矩阵，因此该电路被称为矩阵式变频电路或矩阵变换器。,图中每个开关都是矩阵中的一个元素，采用双向可控开关。,117,6.4矩阵变频电路,矩阵式变频电路优点：输出电压为正弦波，输出频率不受电网频率的限制输入电流也可控制为正弦波且和电压同相，功率因数为1，也可控制为需要的功率因数，能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行，不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。,118,6.4矩阵变频电路,1基本工作原理对交流电压某相us（如a相电压ua）进行斩波控制，即进行PWM控制时，输出电压uo（如u相电压uu）为,式中，Tc为开关周期；ton为一个开关周期内开关导通时间；D占空比。在不同的开关周期中采用不同的D，即D是时间的函数，可得到与us频率和波形都不同的uo。,119,6.4矩阵变频电路,对S11、S12和S13