电力电子新技术第-6-章-交流-交流变换器只是分享.ppt

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1、电力电子新技术第-6-章-交流-交流变换器 本章主要讲述本章主要讲述 交流交流-交流变流电路交流变流电路 把一种形式的交流电变成另一种形式交流电的电路把一种形式的交流电变成另一种形式交流电的电路交流电压交流电压 控制器控制器频率不变，仅频率不变，仅改变电压大小改变电压大小交流调压电路交流调压电路 相位控制相位控制交流调功电路交流调功电路 通断控制通断控制变频器变频器实现频率变换实现频率变换亦可改变电压大小亦可改变电压大小 交交变频交交变频 直接直接 交直交变频交直交变频 间接间接n 采用晶闸管作开关器件时，依靠交流电源瞬时值过零及反向来关断晶采用晶闸管作开关器件时，依靠交流电源瞬时值过零及反向

2、来关断晶闸管。晶闸管开关器件的开通则可采用移相控制，改变控制角调控变换器闸管。晶闸管开关器件的开通则可采用移相控制，改变控制角调控变换器输出电压的大小。输出电压的大小。n 单相电压控制器常用于小功率单相电动机、照明和电加热控制，三相单相电压控制器常用于小功率单相电动机、照明和电加热控制，三相交流交流-交流电压控制器的输出是三相恒频变压交流电源，通常给三相交流交流电压控制器的输出是三相恒频变压交流电源，通常给三相交流异步电动机供电，实现异步电动机的变压调速，或作为异步电动机的启动异步电动机供电，实现异步电动机的变压调速，或作为异步电动机的启动器使用。器使用。6.0 引言引言6.1.1 6.1.1

3、 单相全控单相全控 6.1.2 6.1.2 带中线星形联结带中线星形联结6.1.3 6.1.3 无中线的三相连接无中线的三相连接6.1.4 6.1.4 三角形联结的控制器三角形联结的控制器6.1 晶闸管交流电压控制器的类型（a）单相全控单相全控通态时：通态时：断态时：断态时：两个两个反并联反并联开关器件开关器件负载电压、负载负载电压、负载功率的大小由功率的大小由控制角控制角a确定确定6.1.1 单相全控单相全控（b）带中线星形联接带中线星形联接时，中线电流约等于相电流时，中线电流约等于相电流三个单相交三个单相交流电压控制流电压控制器可组合成器可组合成带中线的三带中线的三相交流电压相交流电压控制

4、器控制器 缺点缺点中线电流大中线电流大6.1.2 带中线星形联结带中线星形联结（c c）无中线的三相联接无中线的三相联接输入电流中没有输入电流中没有3 3次及次及3 3的倍数次谐的倍数次谐波电流波电流6.1.3 6.1.3 无中线的三相连接无中线的三相连接(d)联接的交流电压控制器联接的交流电压控制器只适用只适用于允许于允许断开断开6根根出线端出线端子的三子的三角形负角形负载载6.1.4 三角形联结的交流电压控制器三角形联结的交流电压控制器6.2.1 6.2.1 电阻负载电阻负载 6.2.2 6.2.2 电阻、电感性负载电阻、电感性负载*6.2.3 PWM*6.2.3 PWM交流电压控制器交流

5、电压控制器6.2 单相交流电压控制器利用傅立叶级数可求出基波及各次利用傅立叶级数可求出基波及各次谐波。谐波。6.2.1 电阻负载电阻负载表表6.1 不同触发角不同触发角时基波时基波和和315次谐波电压次谐波电压(电流电流)的相对的相对值值6.2.1 电阻负载（续）电阻负载（续）图图6.3 电阻负载、不同触发角电阻负载、不同触发角时基波及谐波幅值分布图时基波及谐波幅值分布图6.2.1 基波及谐波分布图基波及谐波分布图(a)电路（1）a=时，时，电流滞后电压的相位角电流滞后电压的相位角均为正弦波均为正弦波6.2.2 电阻、电感性负载（续电阻、电感性负载（续1)（2）a=时，时，(e)导通角导通角

6、与控制角与控制角 的关系曲线（以负载阻抗角的关系曲线（以负载阻抗角 为参变量）为参变量）6.2.2 电阻、电感性负载（续电阻、电感性负载（续3）（f）晶闸管电流的标么值）晶闸管电流的标么值 与控制角与控制角 的关系曲线的关系曲线6.2.2 电阻、电感性负载电阻、电感性负载（续（续4）例例6-1 单相交流调压器控制单相交流调压器控制230v交流电源的输出功率，负载电阻为交流电源的输出功率，负载电阻为23、感抗为、感抗为23，求，求（1）a角控制范围；（角控制范围；（2）最大电流有效值；）最大电流有效值；（3）最大功率和功率因数。）最大功率和功率因数。解解:(1)；(2)时，最大电流有效值时，最大

7、电流有效值为：为：(3)最大功率最大功率(时时)注：注：在在a amin的非正弦电流工作下，功率因数的非正弦电流工作下，功率因数基波相移因数。基波相移因数。S3,S4:负载续流开关负载续流开关S1S4:自关断功率器件自关断功率器件优点：输出优点：输出电压谐波电压谐波含量少含量少*6.2.3 PWM交流电压控制器交流电压控制器6.3.1 6.3.1 6.3.1 6.3.1 三相星形联结交流电压控制器三相星形联结交流电压控制器三相星形联结交流电压控制器三相星形联结交流电压控制器 6.3.2 6.3.2 6.3.2 6.3.2 三相开口三角形交流电压控制器三相开口三角形交流电压控制器三相开口三角形交

8、流电压控制器三相开口三角形交流电压控制器6.3 三相全波交流电压控制器6.3.1 三相三相Y联结电压控制器联结电压控制器(a)电路电路(b)矢矢 量量图图控制角控制角 a=0，三相同时导电，三相同时导电，180导电导电。六个晶闸管六个晶闸管T1T6的触发信号依序相差的触发信号依序相差60，脉宽大于，脉宽大于60，各相电源由负变正的过零，各相电源由负变正的过零点为控制角点为控制角a的计算起点。的计算起点。(a)(a)电路电路两相同时导电，两相同时导电，导电角导电角 120.120.6.3.1 6.3.1 三相三相Y Y联结电压控制器联结电压控制器(续续1)1)a a=60:=60:(a)电路电路

9、a=150:完全不能导电。完全不能导电。a=120:两相间断导电，两相间断导电，导电角导电角 小于小于120。6.3.1 三相三相Y联结电压控制器联结电压控制器(续续2)工作状态小结：工作状态小结：（1）a30：处于：处于第一类工作状态（三相同时导电）。第一类工作状态（三相同时导电）。（2）30a60：每隔：每隔30交替地出现第一类和第二类工作交替地出现第一类和第二类工作 状态。状态。（3）60 a 90：处于：处于第二类工作状态（两相同时导电）第二类工作状态（两相同时导电）（4）90 a 150：电路全断流，不能工作。电路全断流，不能工作。所以电阻负载控制角所以电阻负载控制角a 的调控范围为

10、：的调控范围为：0 150,三相三相阻感性负载，分析方法与单相电路相同。阻感性负载，分析方法与单相电路相同。6.3.1 三相三相Y联结电压控制器联结电压控制器(续续3)图图 6.7 三相开口三角形电压控制器三相开口三角形电压控制器绕组相电流小于输入线电流绕组相电流小于输入线电流 可看作三个独立的单相电可看作三个独立的单相电 路分别分析。路分别分析。6.3.2 三相开口三角形电压控制器三相开口三角形电压控制器*6.4 变压器抽头电压控制器变压器抽头电压控制器 图中输出电压图中输出电压Vo的包络线为：的包络线为：OABDHKG*6.4 变压器抽头电压控制器变压器抽头电压控制器 优点：负载电压、电流

11、谐波可控性好，输入电流的谐波含量少优点：负载电压、电流谐波可控性好，输入电流的谐波含量少k=0,1,2.6.5.1 6.5.1 基本工作原理基本工作原理 6.5.2 6.5.2 实用电路结构实用电路结构6.5.3 6.5.3 交流交流/交流相控直接变频的优缺点交流相控直接变频的优缺点*6.5 晶闸管相控交流交流直接变频器正反组单相全控桥变流器并联正反组单相全控桥变流器并联(类似直流可逆主电路类似直流可逆主电路)构成单相构成单相输出的相控交交直接变频器。控制正反组变流器的输出的相控交交直接变频器。控制正反组变流器的ap、an 随时随时间周期性变化，负载端电压就成为频率可控的交流电压。间周期性变化

12、，负载端电压就成为频率可控的交流电压。图图(d)表明：负载输出电流与输出电压不同相位时，正反组变流表明：负载输出电流与输出电压不同相位时，正反组变流器在不同时段工作在整流或有源逆变工况。所以，半控桥变流器在不同时段工作在整流或有源逆变工况。所以，半控桥变流器不能构成交交变频器。器不能构成交交变频器。6.5.1 基本工作原理基本工作原理 改变相控角改变相控角ap(或或an)只能在输出电压一个脉波周期中得只能在输出电压一个脉波周期中得到一个输出电压平均值，因此：到一个输出电压平均值，因此：2.输出相同频率的交交变频器，拓扑结构输入的相数越多，输出相同频率的交交变频器，拓扑结构输入的相数越多，脉波数

13、越多，输出电压的脉波数就越多，谐波含量越少。脉波数越多，输出电压的脉波数就越多，谐波含量越少。改善相控交交变频器输出波形的措施改善相控交交变频器输出波形的措施1.相同拓扑结构的相控交交变频器输出频率越低，输出电压相同拓扑结构的相控交交变频器输出频率越低，输出电压的脉波数越多，谐波含量越少。的脉波数越多，谐波含量越少。6.5.1 基本工作原理（续）基本工作原理（续）3.输出电压波形：输出电压波形：三相交交变频器每相采用的晶闸管元件越三相交交变频器每相采用的晶闸管元件越多，输出波形越好多，输出波形越好6.5.2 实用电路结构6.5.2 实用电路结构实用电路结构(续续1)6.5.2 实用电路结构实用

14、电路结构(续续2)缺点：缺点：q 输出频率低输出频率低q 晶闸管用量多，且控制复杂晶闸管用量多，且控制复杂q 输入功率因数低输入功率因数低q 交流电源输入电流谐波严重，且难于抑制交流电源输入电流谐波严重，且难于抑制 适用范围：大功率可逆传动系统适用范围：大功率可逆传动系统 优点：优点：q 只需一级变换环节只需一级变换环节q 晶闸管工作在自然换流工况晶闸管工作在自然换流工况q 能量可双向传递，易实现电机的四象限运行能量可双向传递，易实现电机的四象限运行q 低频输出时可获得较高质量的正弦电压波形低频输出时可获得较高质量的正弦电压波形6.5.3 6.5.3 交流交流相控直接变频的优缺点交流交流相控直

15、接变频的优缺点6.6 交交变频电路交交变频电路 6.6.1 6.6.1 单相交交变频器单相交交变频器单相交交变频器单相交交变频器 6.6.2 6.6.2 三相交交变频器三相交交变频器三相交交变频器三相交交变频器6.6.1 单相交交变频器单相交交变频器晶闸管交交变频电路，也称周波变流器晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，变流电路，属于直接变频电路属于直接变频电路。广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。

16、际使用的主要是三相输出交交变频电路。1)电路构成和基本工作原理电路构成和基本工作原理图图6-18 单相交交变频电路单相交交变频电路原理图和输出电压波形原理图和输出电压波形6.6.1 单相交交变频器单相交交变频器电路构成电路构成如图如图6-18，由，由P组和组和N组反并联的晶闸管变流组反并联的晶闸管变流电路构成，和直流电动电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限机可逆调速用的四象限变流电路完全相同。变流电路完全相同。变流器变流器P和和N都是相控都是相控整流电路。整流电路。工作原理工作原理P组组工工作作时时，负负载载电电流流io为为正正。N组工作时，组工作时，io为为负负。两两组组变变流流器器按按

17、一一定定的的频频率率交交替替工工作作，负负载载就就得得到该频率的交流电。到该频率的交流电。改改变变两两组组变变流流器器的的切切换换频频率率，就就可可改改变输出频率变输出频率wo。改改变变变变流流电电路路的的控控制制角角a，就就可可以以改改变变交交流流输输出出电电压压的的幅幅值。值。图图6-18 单相交交变频电路单相交交变频电路原理图和输出电压波形原理图和输出电压波形6.6.1 单相交交变频器单相交交变频器为为使使uo波波形形接接近近正正弦弦波波，可可按按正正弦弦规规律律对对a 角角进进行调制。行调制。6.6.1 单相交交变频器单相交交变频器在在半半个个周周期期内内让让P组组 a 角角按按正正弦

18、弦规规律律从从90减减到到0或或某某个个值值，再再增增加加到到90，每每个个控控制制间间隔隔内内的的平平均均输输出出电电压压就就按按正正弦弦规规律律从从零零增增至至最最高高，再再减减到到零零。另外半个周期可对另外半个周期可对N组进行同样的控制。组进行同样的控制。uo由由若若干干段段电电源源电电压压拼拼接接而而成成，在在uo的的一一个个周周期期内内，包包含含的的电电源源电电压压段段数数越越多多，其其波波形形就就越越接接近近正弦波。正弦波。2)整流与逆变工作状态整流与逆变工作状态图图6-19 理想化交交变频电路的理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态整流和逆变工作状态6.6.1 单相交交变频器单相

19、交交变频器阻阻感感负负载载为为例例，也也适适用用于于交交流电动机负载。流电动机负载。把把交交交交变变频频电电路路理理想想化化，忽忽略略变变流流电电路路换换相相时时uo的的脉脉动动分分量量，就就可可把把电电路路等等效效成成图图6-19a所所示示的的正正弦弦波波交交流流电电源源和二极管的串联。和二极管的串联。设设负负载载阻阻抗抗角角为为j，则则输输出电流滞后输出电压出电流滞后输出电压j 角。角。两两组组变变流流电电路路采采取取无无环环流流工工作作方方式式，即即一一组组变变流流电电路路工工作作时时，封封锁锁另另一一组组变变流流电电路路的的触触发发脉脉冲。冲。图图6-19 理想化交交变频电路的理想化交

20、交变频电路的整流和逆变工作状态整流和逆变工作状态6.6.1 单相交交变频器单相交交变频器工作状态工作状态图图4-19 理想化交交变频电路的整流理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态和逆变工作状态图图6-19 理想化交交变频电路的理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态整流和逆变工作状态6.6.1 单相交交变频器单相交交变频器t1t3期间：期间：io正半周，正组工作，正半周，正组工作，反组被封锁。反组被封锁。t1 t2：uo和和io均为正，正组均为正，正组整流，输出功率为正。整流，输出功率为正。t2 t3：uo反向，反向，io仍为正，仍为正，正组逆变，输出功率为负。正组逆变，输出功率为负。t3 t

21、5期间：期间：io负半周，反组工负半周，反组工作，正组被封锁。作，正组被封锁。t3 t4：uo和和io均为负，反均为负，反组整流，输出功率为正。组整流，输出功率为正。t4 t5：uo反向，反向，io仍为负，仍为负，反组逆变，输出功率为负。反组逆变，输出功率为负。图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态6.6.1 单相交交变频器小结小结：哪一组工作由哪一组工作由io方向决方向决定，与定，与uo极性无关。极性无关。工作在整流还是逆变，工作在整流还是逆变，则根据则根据uo方向与方向与io方向方向是否相同确定。是否相同确定。当当uo和和io的相位差小于的相位差小于90时，一周期内电网向负载提

22、供能量的时，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。平均值为正，电动机工作在电动状态。当二者相位差大于当二者相位差大于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。值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态。考虑无环流工作方式下考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，一周期可分为过零的死区时间，一周期可分为6段。段。图图4-20 单相交交变频电路输出电压和电流波形单相交交变频电路输出电压和电流波形第第1段段 io 0，反组逆变，反组逆变第第2段段 电流过零，为无环流死区电流过零，为无环流死区第第3段段 io

23、 0，uo 0，正组整流，正组整流 第第4段段 io 0，uo 0，正组逆变，正组逆变 第第5段段 又是无环流死区又是无环流死区 第第6段段 io 0，uo 0，为反组整流，为反组整流 6.6.1 单相交交变频器单相交交变频器3)输出正弦波电压输出正弦波电压的调制方法的调制方法 介绍最基本的、广泛使用介绍最基本的、广泛使用的余弦交点法。的余弦交点法。设设Ud0为为a=0时整流时整流电路的理想空载电压，电路的理想空载电压，则有则有 (6-15)每次控制时每次控制时a角不同，角不同，表示每次控制间表示每次控制间隔内隔内uo的平均值。的平均值。图图6-21 余弦交点法原理余弦交点法原理6.6.1 单

24、相交交变频器单相交交变频器设期望的正弦波输出设期望的正弦波输出电压为电压为 (6-16）比较式比较式(6-15)和和(6-16)，应使，应使 (6-17)称为输出电压比：称为输出电压比：图图6-21 余弦交点法原理余弦交点法原理6.6.1 单相交交变频器单相交交变频器图图6-21 余弦交点法原理余弦交点法原理6.6.1 单相交交变频器单相交交变频器余弦交点法基本公式余弦交点法基本公式 (6-18)余弦交点法图解余弦交点法图解线电压线电压uab、uac、ubc、uba、uca和和ucb依次依次用用u1 u6表示。表示。相邻两个线电压的交相邻两个线电压的交点对应于点对应于a=0。u1u6所所对对应

25、应的的同同步步信信号分别用号分别用us1us6表示表示us1us6比比 相相 应应 的的 u1u6超超前前30，us1us6的的最最大大值值和和相相应应线线电电压压a=0的时刻对应。的时刻对应。以以a=0为为零零时时刻刻，则则us1us6为余弦信号。为余弦信号。希希望望输输出出电电压压为为uo，则则各各晶晶闸闸管管触触发发时时刻刻由由相相应应的的同同步步电电压压us1us6的的下下降降段段和和uo的的交交点点来来决定。决定。图图6-21 余弦交点法原理余弦交点法原理6.6.1 单相交交变频器单相交交变频器不同不同 时，在时，在uo一周期一周期内，内，a 随随 w ot 变化的变化的情况。图中，

26、情况。图中，u较小，即输出电压较较小，即输出电压较低时，低时，a只在离只在离90很很近的范围内变化，电近的范围内变化，电路的输入功率因数非路的输入功率因数非常低。常低。图图6-22 不同不同 时时a和和wot的关系的关系6.6.1 单相交交变频器单相交交变频器4)输入输出特性输入输出特性6.6.1 单相交交变频器单相交交变频器(1)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电网电压段输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重。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和转矩脉动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

27、主要因素。是限制输出频率提高的主要因素。就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难确定一个明确的界限。确定一个明确的界限。当采用当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的电网频率的1/31/2。电网频率为。电网频率为50Hz时，交交变频时，交交变频电路的输出上限频率约为电路的输出上限频率约为20Hz。图图6-23 单相交交单相交交变频电路的功率因数变频电路的功率因数(2)输入功率因数输入功率因数6.6.1 单相交交变频器单相交交变频器输入电流相位滞后于输入电压，输入电流相位滞后于输入电压，需要电网

28、提供无功功率。需要电网提供无功功率。一周期内，一周期内，a角以角以90为中心变为中心变化。化。输出电压比输出电压比g 越小，半周期内越小，半周期内a的平均值越靠近的平均值越靠近90。负载功率因数越低，输入功率负载功率因数越低，输入功率因数也越低。因数也越低。不论负载功率因数是滞后的还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超前的，输入的无功电流总是滞后。是滞后。负载功率因数（超前）负载功率因数（滞后）负载功率因数（超前）负载功率因数（滞后）输入位移因数输入位移因数0.80.6 0.4 0.2 0g=1.001.00.80.60.40.200.80.60.40.20.80.60.4

29、0.2(3)输出电压谐波输出电压谐波输输出出电电压压的的谐谐波波频频谱谱非非常常复复杂杂，既既和和电电网网频频率率fi以以及及变流电路的脉波数有关，也和输出频率变流电路的脉波数有关，也和输出频率fo有关。有关。采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为6fifo，6fi3fo，6fi5fo，12fifo，12fi3fo，12fi5fo，采采用用无无环环流流控控制制方方式式时时，由由于于电电流流方方向向改改变变时时死死区区的影响，将增加的影响，将增加5fo、7fo等次谐波。等次谐波。6.6.1 单相交交变频器单相交交变频器(4)输入电流谐波输入电流谐波输

30、入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，但其幅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。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)和和 (6-20)式中，式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。6.6.1 单相交交变频器单相交交变频器6.6.2 三相交交变频电路三相交交变频电路l 由三组输出电压相位各差由三组输出电压相位各差120的单相交交变频电的单相交交变频电路组成。路组成。1)电路接线方式电路接线方式公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式输出星形联结方式输出星形

31、联结方式交交变频电路主要应用于大功率交流电机交交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，使用的是三相交交变频电路。调速系统，使用的是三相交交变频电路。(1)公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式图图6-24 公共交流母线进线三公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）相交交变频电路（简图）6.6.2 三相交交变频电路三相交交变频电路由三组彼此独立的、输出电由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开压相位相互错开120的单相的单相交交变频电路构成。交交变频电路构成。电源进线通过进线电抗器接电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。在公共的交流母线上。因为电源进线端公用，所以因为电源进线端公用，所

32、以三组的输出端必须隔离。为三组的输出端必须隔离。为此，交流电动机的三个绕组此，交流电动机的三个绕组必须拆开。必须拆开。主要用于中等。容量的交流主要用于中等。容量的交流调速系统。调速系统。(2)输出星形联结方式输出星形联结方式三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星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三根线即可 图图4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图）简图 b）详图）详图三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是三组的

33、输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结。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。出三根线即可。6.6.2 三相交交变频电路三相交交变频电路图图4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图）简图 b）详图）详图因为三组的输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因此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。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路中，至少要

34、有不同输出相的两组桥中频电路的六组桥式电路中，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。的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。6.6.2 三相交交变频电路三相交交变频电路图图4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图）简图 b）详图）详图和整流电路一样，同一组桥内的两个晶闸管靠双触和整流电路一样，同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同时导通。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，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。以保证同时导通。6.6.2 三相交交变频电路三相交交变

35、频电路2)输入输出特性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。的。输入电流输入电流总输入电流由总输入电流由三个单相的同一三个单相的同一相输入电流合成相输入电流合成而得到。而得到。有些谐波相互有些谐波相互抵消，谐波种类抵消，谐波种类有所减少，总的有所减少，总的谐波幅值也有所谐波幅值也有所降低。降低。200t/ms输出电压输出电压单相输出时单相输出时 U相输入电流相输入电流三相输出时三相输出时 U相输入电流相输入电流200t/ms200t/ms图图6-26 交交变频电路的输入电流波形交交变频电路的输入电流波形6.6.2 三

36、相交交变频电路三相交交变频电路谐波频率为谐波频率为 (6-21)和和 (6-22)式中式中k=1,2,3,l=0,1,2,。采用三相桥式电路时，输采用三相桥式电路时，输入谐波电流的主要频率为入谐波电流的主要频率为fi6fo、5fi、5fi6fo、7fi、7fi6fo、11fi、11fi6fo fi12fo等。其中等。其中5fi次谐波次谐波的幅值最大。的幅值最大。200t/ms输出电压输出电压单相输出时单相输出时 U相输入电流相输入电流三相输出时三相输出时 U相输入电流相输入电流200t/ms200t/ms图图6-26 交交变频电路的输入电流波形交交变频电路的输入电流波形6.6.2 三相交交变频

37、电路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之和要小三相总输入功率因数要高于单相交交变频电路三相总输入功率因数要高于单相交交变频电路6.6.2 三相交交变频电路三相交交变频电路3)改善输入功率因数和提高输出电压改善输入功率因数和提高输出电压6.6.2 三相交交变频电路三相

38、交交变频电路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。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在各相电压中叠加同样的直流分量或3倍于输出频率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。利用这一特性可以使输入功率而也加不到负载上。利用这一特性可以使输入功率因数得到改善并提高输出电压。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，各组桥式电路的组桥式电路的a角都在角都在90附近，因此输入功

39、率因数附近，因此输入功率因数很低。很低。给各相输出电压叠加上同样的直流分量，控制角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。将减小，但变频器输出线电压并不改变。交流偏置交流偏置梯形波输出控制方式。梯形波输出控制方式。使三组单相变频器的输出均使三组单相变频器的输出均 为梯形波（也称准梯形波），为梯形波（也称准梯形波），主要谐波成分是三次谐波。主要谐波成分是三次谐波。在线电压中三次谐波相互抵消，在线电压中三次谐波相互抵消，线电压仍为正弦波。线电压仍为正弦波。因因为为桥桥式式电电路路较较长长时时间间工工作作在在高高输输出出电电压压区区域域（即即梯梯形形波波的的

40、平平顶顶区区），a角角较较小小，因因此此输输入入功功率率因因数数可可提提高高15%左右。左右。图图6-20正正弦弦波波输输出出控控制制方方式式中中，最最大大输输出出正正弦弦波波相相电电压压的幅值为的幅值为Ud0。在在同同样样幅幅值值的的情情况况下下，梯梯形形波波中中的的基基波波幅幅值值可可提提高高15%左右。左右。图图6-27 梯形波控制方式的理想输出电压波形梯形波控制方式的理想输出电压波形6.6.2 三相交交变频电路三相交交变频电路交交变频和交直交变频的比较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

41、，称交直交变频电路。可变频率的交流，称交直交变频电路。交交变频电路的交交变频电路的优点优点：交交变频电路的交交变频电路的缺点缺点：接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用少要用36只晶闸管。只晶闸管。受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低。低。输入功率因数较低。输入功率因数较低。输入电流谐波含量大，频谱复杂。输入电流谐波含量大，频谱复杂。效率较高（一次变流）效率较高（一次变流）可方便地实现四象限工作可方便地实现四象限工作低频输出波形接近正弦波低频输出波形接近正弦波6.6.2 三相交交变频电

42、路三相交交变频电路 应用应用主要用于主要用于500kW或或1000kW以上的大功率、低转速的交以上的大功率、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、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。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。既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动。6.6.2 三相交交变频电路三相交交变频电路6.7 矩阵式变频器矩阵式变频器简介：简介：是近年出现的一种新颖的是近年出现的一种新颖的变频电路。变频电路。是直接变频电路是直接变频电路，采用，采用的开关器件是全控型。的开关器件是全

43、控型。控制方式是斩波控制。控制方式是斩波控制。拓扑结构：拓扑结构：三相输入电压为三相输入电压为ua、ub和和uc 三相输出电压为三相输出电压为uu、uv和和uw图图6-28 矩阵式变频器矩阵式变频器9个开关器件组成个开关器件组成33矩矩阵，因此该电路被称为阵，因此该电路被称为矩阵式变频电路矩阵式变频电路(Matrix Converter MC)或矩阵变换器。或矩阵变换器。图中每个开关都是矩阵图中每个开关都是矩阵中的一个元素，采用双中的一个元素，采用双向可控开关，图向可控开关，图6-28b给给出了应用较多的一种开出了应用较多的一种开关单元。关单元。图图6-28 矩阵式变频器矩阵式变频器6.7 矩

44、阵式变频器矩阵式变频器优点优点输出电压为正弦波。输出电压为正弦波。输出频率不受电网频率的限制。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。输入电流也可控制为正弦波且和电压同相。功率因数为功率因数为1，也可控制为需要的功率因数。，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。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。不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。6.7 矩阵式变频器矩阵式变频器矩阵式变频电路的基本工作原理矩阵式变频电路的基本工作原理单相输入单相输入对对单单相相交交流流电电压压us进进行行

45、斩斩波波控控制制，即即进进行行PWM控控制制时时，输出电压输出电压uo为为(6-24)式式 中中，Tc开开 关关 周周 期期；ton 一一个个开开关关周周期期内内开开关关导通时间；导通时间；占空比。占空比。a)b)c)UmU1mU23Um12 图图6-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分构造输出电压时可利用的输入电压部分a)单相输入单相输入 b)三相输入构造输出相电压三相输入构造输出相电压 c)三相三相输出构造输出线电压输出构造输出线电压6.7 矩阵式变频器矩阵式变频器不不同同的的开开关关周周期期中中采采用用不不同同的的，可可得得到到与与us频频率率和和波波形形都都不不同同的的uo。由于单

46、相交流由于单相交流us波形为正弦波，波形为正弦波，可利用的输入电压部分只有如图可利用的输入电压部分只有如图6-29a所示的单相电压阴影部分，所示的单相电压阴影部分，因此因此uo将受到很大的局限，无法将受到很大的局限，无法得到所需输出波形。得到所需输出波形。a)b)c)UmU1mU23Um12 图图6-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分构造输出电压时可利用的输入电压部分a)单相输入单相输入 b)三相输入构造输出相电压三相输入构造输出相电压 c)三相三相输出构造输出线电压输出构造输出线电压6.7 矩阵式变频器矩阵式变频器利用三相相电压利用三相相电压把把输输入入改改为为三三相相，就就可可利利用

47、用图图6-29b所所示示的的三三相相相相电电压压包包络线中所有的阴影部分。络线中所有的阴影部分。理理论论上上所所构构造造的的uu的的频频率率可可不受限制。不受限制。但但如如uu必必须须为为正正弦弦波波，则则其其最最大大幅幅值值仅仅为为输输入入相相电电压压ua幅值的幅值的0.5倍。倍。a)b)c)UmU1mU23Um12 图图6-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分构造输出电压时可利用的输入电压部分a)单相输入单相输入 b)三相输入构造输出相电压三相输入构造输出相电压 c)三相三相输出构造输出线电压输出构造输出线电压6.7 矩阵式变频器矩阵式变频器利用三相线电压利用三相线电压用用图图6-28

48、a中中第第一一行行和和第第二二行行的的6个个开开关关共共同同作作用用来来构构造输出线电压造输出线电压uuv。可可利利用用图图6-29c中中6个个线线电电压压包包络络线线中中所所有有的的阴阴影影部部分。分。当当uuv必必须须为为正正弦弦波波时时，最最大大幅幅值值就就可可达达到到输输入入线线电压幅值的电压幅值的0.866倍。倍。正正弦弦波波输输出出条条件件下下矩矩阵阵式式变变频频电电路路理理论论上上最最大大的的输输出输入电压比。出输入电压比。a)b)c)UmU1mU23Um12 图图6-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分构造输出电压时可利用的输入电压部分a)单相输入单相输入 b)三相输入构造

49、输出相电压三相输入构造输出相电压 c)三相三相输出构造输出线电压输出构造输出线电压6.7 矩阵式变频器矩阵式变频器以以相相电电压压输输出出方方式式为为例例分分析析矩矩阵式交交变频电路的控制阵式交交变频电路的控制利利用用对对开开关关S11、S12和和S13的的控制构造输出电压控制构造输出电压uu。为为防防止止输输入入电电源源短短路路，任任何何时时刻刻只只能能有有一一个个开开关关接接通。通。负负载载一一般般是是阻阻感感负负载载，负负载载电电流流具具有有电电流流源源性性质质，为为使使负负载载不不开开路路，任任一一时时刻必须有一个开关接通。刻必须有一个开关接通。图图6-28 矩阵式变频器矩阵式变频器6

50、.7 矩阵式变频器矩阵式变频器u相相输输出出电电压压uu和和各各相相输输入电压的关系为入电压的关系为 (6-25)式式中中11、12和和13为为一一个个开开关关周周期期内内开开关关S11、S12、S13的导通占空比的导通占空比 (6-26)图图6-28 矩阵式变频器矩阵式变频器6.7 矩阵式变频器矩阵式变频器用同样的方法控图中第用同样的方法控图中第2，3行行的各开关，得到类似于的各开关，得到类似于 (6-25)的表达式。合写成矩阵的形的表达式。合写成矩阵的形式式 （627）可缩写为可缩写为 uo=ui （628）图图6-28 矩阵式变频器矩阵式变频器6.7 矩阵式变频器矩阵式变频器矩阵式变频电