1、1第4章 交流电力控制电路和交 交变频电路（AC/AC变换）4.1 4.1 交流调压电路交流调压电路4.2 4.2 其它交流电力控制电路其它交流电力控制电路4.3 4.3 交交变频电路交交变频电路4.4 4.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路 本章小结本章小结2交交变频电路交直交变频电路交流交流-交流变流电路交流变流电路一种形式的交流变成另一种形式交流的电路在进行交流交流变速时，可改变相关的电压、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、电流或对电路的通断进行控制，不改变频率的电路变频电路变频电路改变频率的电路大多不改变相数，也有改变相数的第第4 4章章 交流电力控制电路和交
2、交变频电路交流电力控制电路和交交变频电路3交直交变频电路交直交变频电路交交变频电路交交变频电路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直接变频电路直接变频电路间接变频电路间接变频电路先将交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流4第4章 交流电力控制电路和交 交变频电路（AC/AC变换）4.1 4.1 交流调压电路交流调压电路4.2 4.2 其它交流电力控制电路其它交流电力控制电路4.3 4.3 交交变频电路交交变频电路4.4 4.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路 本章小结本章小结54.1 4.1 交流调压电路交流调压电路4.1.1 单相交流调压电路4.1.2 三相交流
3、调压电路64.1 4.1 交流调压电路交流调压电路交流电力控制电路交流电力控制电路两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过控制晶闸管就可控制交流电力交流调压电路交流调压电路每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节输出电压有效值交流调功电路交流调功电路以交流电周期为单位控制晶闸管通断，改变通断周期数的比，调节输出功率的平均值交流电力电子开关交流电力电子开关不调节输出平均功率，只接通或断开电路，串入电路的晶闸管74.1 4.1 交流调压电路交流调压电路4.1.1 单相交流调压电路4.1.2 三相交流调压电路84.1.1 4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路1电阻负载图4-1电阻负载单相
4、交流调压电路及其波形l在交流电源 u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角a进行控制就可以调节输出电压。l正负半周a 起始时刻（a=0）均为电压过零时刻，在稳态情况下，正负半周的a 相等。l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同。ROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTwtOwtOwtOwt9电阻负载单相交流调压电路在开通角为a时，负载电压有效值Uo、负载电流有效值Io、晶闸管电流有效值IVT和电路的功率因数分别为 aawwa2sin21dsin21121oUttUU(4-1)(4-1)22sin1(21sin221121aawwaRUtdRtUIT(
5、4-2)(4-2)aa2sin211oo1ooUUIUIUSP(4-3)(4-3)RUIoo(4-4)(4-4)10l a的移相范围为0 a。a=0时，相当于晶闸管一直接通，输出电压为最大值，Uo=U1。随着a的增大，Uo逐渐降低，直到a=时，Uo=0。l a=0时，功率因数=1，随着a增大，输入电流滞后于电压且发生畸变，也逐渐降低。ROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTwtOwtOwtOwt图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形112.阻感负载设负载阻抗角为j=arctan(wL/R)如果用导线把晶闸管完全短接，稳态时负载电流为正弦波，其相位滞后于电源电压u1的角度为j，当用晶闸管
6、控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后，无法使其超前。a=0时刻仍定在电源电压u1过零的时刻，阻感负载下稳态时a的移相范围应为j a。图4-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形12在t=a时刻开通VT1，负载电流应满足如下方程式和初始条件解方程得式中，,为晶闸管导通角利用边界条件：t=a+时io=0,可求得 0sin2ddo1ooawwtitURitiL(4-5)awajajwjwatetZUittg1o)sin()sin(2(4-6)22)(LRZwjjajatg)sin()sin(e(4-7)13 l以j为参变量，利用式（4-7）可将a和的关系用图4-3曲线表示lVT2导通时，a和关
7、系完同，只是io极性相反，相位相差1800201006014018020100图4-360/()180140a/()j=9075604530150图4-3 单相交流调压电路以a为参变量的和a关系曲线14阻感负载单相交流调压电路在开通角为a时，负载电压有效值Uo、晶闸管电流有效值IVT负载电流有效值Io分别为)22sin(2sin1)()sin2(1121oaawwaaUtdtUU(4-8)(4-8)jjawjajwaajwacos)2cos(sin2)d()sin()sin(22112tg1VTZUtetZUIt(4-9)(4-9)VTII20(4-10)(4-10)15图4-4 单相交流调压
8、电路a为参变量时IVTN和a关系曲线j =9000.10.20.30.40.516018004012080 750 600450j =0a/()IVTN12UZIIVTVTN设晶闸管电流IVT的标么值为(4-11)(4-11)IVT和a的关系曲线如图4-4160201006014018020100图4-360/()180140a/()j=9075604530150图4-3 单相交流调压电路以a为参变量的和a关系曲线当ja时，VT2的导通角均小于，如图4-3所示，a越小，越大。当aj时，=当a继续减小，0aj的某一时刻触发VT1，VT1的导通时间将超过。到t=+a时刻出发VT2，负载电流io尚未
9、过零VT1仍在导通，VT2不会立即导通。直到i0过零后，如VT2的触发脉冲有足够的宽度而尚未消失，（见图4-2），VT2就会可开通。图4-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形17wtwtwtwt图4-5aaaOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2图4-5 aj时阻感负载交流调压电路工作波形l 当aj，VT1提前通，负载L被过充电，其放电时间将延长，VT1结束导电时刻大于j，使VT2推迟开通，VT2的导通角小于。l io由两个分量组成，第一项为正弦稳态分量、第二项为指数衰减分量。l在指数分量的衰减过程中，VT1的导通时间渐短，VT2的导通时间逐渐延长。l当指数分量衰减到零后，VT1和VT2的
10、导通时间都趋近于，稳态的工作情况和a j时完全相同 183.单相交流调压电路的谐波分析波形正负半波对称，不含直流分量和偶次谐波，用傅里叶级数表示如下式中，,5,3,1o)sincos()(nnntnbtnatuwww(4-12)12(cos2211aUa)(22sin2211aaUb1)1cos(111)1cos(1121aannnnUanaa)1sin(11)1sin(1121nnnnUbn(n=3,5,7,)(n=3,5,7,)19060120180图4-6基波3次5次7次触发延迟角a/()In/I*/%20406080100图4-6 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量负载电流基波
11、和各次谐波有效值为22on21nnbaU(4-13)基波和各次谐波有效值可按下式求得RUI/onon(4-14)基准电流为a=0时的有效值，电流基波和各次谐波标么值随 a变化的曲线如图4-6所示204斩控式交流调压电路RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3图4-7 斩控式交流调压电路l 斩控式交流调压电路一般采用全控型器件作为开关器件。l 基本原理和直流斩波电路有类似之处，直流斩波电路输入是直流电压，斩控式交流调压电路的输入是正弦交流电压。l 在交流电源u1的正半周，用V1进行斩波控制，用V3个负载电流提供续流通道。l 在u1的负半周，用V2进行斩波控制，用V4给负载
12、电流提供续流通道。l 设斩波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比a=ton/T，和直流斩波电路一样，通过改变a 可调节输出电压。21图4-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形u1uoi1000tttl 电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为1。l 电源电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波l 这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除。l 这些电路的功率因数接近1224.1 4.1 交流调压电路交流调压电路4.1.1 单相交流调压电路4.1.2 三相交流调压电路234.1.2 4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路n负载acn负载abca)b)负载abcc
13、)负载bd)图4-9abcuaubuciaUa0nuaubucianuaubucianuaubuciaVT1VT3VT4VT5VT6VT2 图4-9 三相交流调压电路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241星形联结电路nn负载abca)uaubuciaUa0VT1VT3VT4VT5VT6VT2图4-9 三相交流调压电路a)星形联结 三相三线星形联结电路 三相四线 三相四线时，相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120工作。基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线三相中3的整数倍次谐波同相位，不能在各相之间流动，全部流过零线。零线
14、中有很大的3次谐波电流及其它3的整数倍次谐波电流。当a=90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。三相三线时，任一相导通须和另一相构成回路，电流流通路经中有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发。三相的触发脉冲依次相差1200，同一相的两个反并联晶闸管触发脉冲相差1800。三相桥式全控整流电路一样，触发脉冲顺序为VT1 VT6,依次相差60。相电压过零点定为a的起点，两相间导通时是靠线电压导通，线电压超前相电压300，a角移相范围是0 150。25图4-10c)晶闸管导通区间a)a晶闸管导通区间晶闸管导通区间b)a4 32 35 3302 4 32 35 3302 a4 32 35 3302
15、uaouaouaouauauauab2uac2uab2uac2uab2uac2t1t2t3t1t2t3VT1VT3VT4VT6VT1VT6VT2VT5VT5VT5VT1VT3VT4VT6VT2VT6VT5VT5VT1VT3VT4VT6VT2VT6VT5VT5VT1VT3VT5VT4VT2VT4VT6图4-10 不同a角时负载相电压波形a)a=30 b)a=60 c)a=120 1）0 a 60，三个晶闸管导通与两个晶闸管导通交替，每个晶闸管导通角度为180a。但a=0时，一直是三管导通 2）60 a 90，任一时刻两个晶闸管导通，每个晶闸管导通角度120 3）90 a 150，两个晶闸管导通与
16、无晶闸管导通交替，每个晶闸管导通角度为3002 a，导通角度被分割为不连续的两部分，在半周波内形成两个断续的波头，各占1500a。26l 电流中含有很多谐波，进行傅里叶分析可知，其中电流谐波次数 为6k1(k=1，2，3，)。l 和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同。l 谐波次数越低，含量越大。l 和单相交流调压电路相比，没有3的整数倍次谐波，因三相对称 时，它们不能流过三相三线电路。l aj时，负载电流最大且为正弦波。l 电感大时。谐波电流的含量要小些。272支路控制三角联结电路负载abcc)nuaubucia图4-9 三相交流调压电路 c)支路控制三角形联结支路控制三角形
17、联结电路由三个单相交流调压电路组成，三个单相电路分别在不同的线电压作用下单独工作。由于三相对称负载相电流中的3的整数倍次谐波相位和大小相同，它们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a角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路。28图4-11 晶闸管控制电抗器(TCR)电路晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR），电路图如4-11所示u a移相范围为90 180，通过对a角的控制可连续调节流过电抗器的电流，从而调节电路从电网中吸收的无功功率。u 如配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续调节
18、无功功率，称为静止无功静止无功补偿装置补偿装置。用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变。负载uaiaubucnbac29a)b)c)图4-12图4-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形a)=120 b)=135 c)=160 30第4章 交流电力控制电路和交 交变频电路（AC/AC变换）4.1 4.1 交流调压电路交流调压电路4.2 4.2 其它交流电力控制电路其它交流电力控制电路4.3 4.3 交交变频电路交交变频电路4.4 4.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路 本章小结本章小结314.2 4.2 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路4.2.1 交流调功电路4.2.2 交
19、流电力电子开关32u 交流调功电路与交流调压电路电路形式完全相同，只是控制方法不同。u 交流调功电路不是在每个交流电源周期都对输出电压波形进行控制，而是将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周波，通过改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。u 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u 通常控制晶闸管导通时刻都是在电源电压过零的时刻，在交流电源接通期间，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。4.2.1 4.2.1 交流调功电路交流调功电路33M电源周期控制周期=M倍电源周期=24M图4-13O导通段=2NM3M2Muou1uo,iowt
20、U12图4-13 交流调功电路典型波形(M=3、N=2)设控制周期为M倍电源周期，其中晶闸管在前N个周期导通，后MN个周期关断，当M=3、N=2时的电路波形如图4-13，负载电压和负载电流的重复周期为M倍电源周期。负载电阻时，负载电流波形和负载电压波形相同。3401214谐波次数相对于电源频率的次数图4-142461080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m图4-14 交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2)以控制周期为基准，In为n次谐波有效值，Io为导通时电路电流幅值。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
21、率谐波的含量较大。354.2 4.2 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路4.2.1 交流调功电路4.2.2 交流电力电子开关364.2.2 4.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关交流电力电子开关交流电力电子开关 把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关。与机械开关相比 响应速度快 没有触点 寿命长 可以频繁控制通断与交流调功电路的区别 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37IU抑制冲击电流的小电感a)图4-15b)图4-15 TSC基本原理图a)基本单元单相简图 b)分组投切单相简图两
22、个反并联的晶闸管起着把C并入电网或从电网断开的作用。串联电感很小，只是用来抑制电容器投入电网时可能出现的冲击电流。为避免容量较大的电容器组同时投入或切断对电网造成较大冲击，一般把电容器分成几组。根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量。TSC实际上成为断续可调的动态无功功率补偿器。38u TSC运行时选择晶闸管投入时刻的原则是，该时刻交流电源电压应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。u 理想情况下，希望电容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，投入时刻ic才为零，之后才按正弦规律上升，电容投入过程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化。39u
23、siCuCCVT1VT2uVT1ttttusiCuCVT1VT2t1t2uVT1图4-16 TSC理想投切时刻原理说明 本次导通开始前，电容器的端电压uc已由上次导通时段最后导通的晶闸管VT1充电至电源电压us的正峰值。本次导通开始时刻取为us和uc相等的时刻t1，各VT2触发脉冲使之开通，ic开始流通。40usiCuVTuCCVTVDttttusiCuVTuCVTVDt1t2t3t4图4-17 晶闸管和二极管反并联方式的TSC 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。因二极管不可控，响应速度稍慢，投切电容器的最大时间滞后为一个
24、周波。以后每半个周波轮流触发VT1和VT2,电路继续导通。需要切除该条电容支路时，如在t2时刻ic已降为零，VT2关掉，这时撤出触发脉冲，VT1就不会导通，uc保持VT2导通结束时的电源电压负峰值，为下一次投入电容器做准备。41第4章 交流电力控制电路和交 交变频电路（AC/AC变换）4.1 4.1 交流调压电路交流调压电路4.2 4.2 其它交流电力控制电路其它交流电力控制电路4.3 4.3 交交变频电路交交变频电路4.4 4.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路 本章小结本章小结424.3 4.3 交交变频电路交交变频电路4.3.1 单相交交变频电路4.3.2 三相交交变频电路43uo0输出电
25、压 ap=0平均输出电压2ap2aptPuoZN图4-18 单相交交变频电路原理图和输出电压波形4.3.1 4.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路1电路构成和基本工作原理 单相交交变频电路由P组和N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限变流电路完全相同。变流器P和N都是相控整流电路。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wo 改变变流电路的控制角a，就可以改变交流输出电压的幅值。为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a角进行调制在半个周期内让正组变流器P
26、组a 角按正弦规律从90减到0或某个值，然后再逐渐增大到90。每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零逐渐增至最高，再逐渐减低到零。另外半个周期可对N组进行同样的控制。uo并不是平滑的正弦波，而是由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。442整流与逆变工作状态a)uPuNuoioiNiP图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态a)电路图l 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4-19a所示的正弦波交流电源和二极管的串联。其中交流电源表示变流电路可输出交流正弦电压，二极管体现了变流电路的电流
27、单向性。l 设负载阻抗角为j，输出电流滞后输出电压j 角，两组变流电路工作时采取直流可逆调速系统中的无环流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。45整流逆变阻断b)PNttttt整流逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiN图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态b)波形 t1t3期间的io正半周，正组变流电路工作，反组电路被封锁。t1 t2阶段，uo和io均为正，正组变流电路工作在整流状态，输出功率为正。t2 t3阶段，uo反向，io仍为正，正组变流电路工作在逆变状态，输出功率为负。t3 t5阶段，io负半周，反组变流电
28、路工作，正组电路被封锁。t3 t4 阶段，uo和io均为负，反组变流电路工作在整流状态。t4 t5阶段，io为负，uo为正，反组变流电路工作在逆变状态。哪组变流电路工作由io方向决定，与uo极性无关。变流电路工作在整流状态还是逆变状态，根据uo方向与io方向是否相同确定。461OO23456图4-20uoiowtwt图4-20 单相交交变频电路输出电压和电流波形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l当
29、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l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473输出正弦波电压的调制方法余弦交点法余弦交点法设Ud0为a=0时整流电路的理想空载电压，则控制角为a时uo为设要得到的正弦波输出电压为比较式（4-15）和式（4-16），应使 式中，g 称为输出电压比因此acosd0oUu(4-15)(4-15)tUuoomosinw(4-16)(4-16)ttUUood0omsinsincoswgwa(4-17)(4-17)10(0ggdomUU)sin(coso1twg
30、a(4-18)(4-18)48图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4wtwt图4-21 余弦交点法原理 us1us6比相应的u1u6超前30，us1us6的最大值和相应线电压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。49g=0g=0.1相位控制角a/()输出相位w 0 t图4-2212015018030609000.10.20.30.80.91.00.80.20.30.91.02223图4-22 不同g时a和wot的关系)sin(si
31、n2)sin(coso1o1ttwgwgag 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。504.输入输出特性1)输出上限频率 l 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。l 电压波形畸变以及由此产生的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。l 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。l 构成交交变频电路的两组变流电路的脉波数越多，输出上限频率越高。l 6脉波三相桥式电路，输出上限频率不高于电网频率的1/31/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。512)输入功率因数
32、输入电流的相位滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。在输入电压的一周期内，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，位移因数因数越低。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。g=0g=0.1相位控制角a/()输出相位w 0 t图4-2212015018030609000.10.20.30.80.91.00.80.20.30.91.02223图4-22 不同g时a和wot的关系520.8 0.6 0.4 0.2 0g=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4-2301.00.80.60.4
33、0.200.80.60.40.20.80.60.40.2图4-23 单相交交变频电路的功率因数输入位移因数就是输入的基波功率因数，其值通常略大于输入功率因数。即使负载功率因数为1且输出电压比也为1，输入功率因数仍小于1，随着负载功率因数的降低和的减小，输入功率因数也随之降低。533)输出电压谐波l 交交变频电路输出电压既和电网频率fi以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率fo有关。l 采用三相桥式电路的交交变频电路输出电压所含主要谐波的频率为6fifo，6fi3fo，6fi5fo，12fifo，12fi3fo，12fi5fo，l 采用无环流控制方式时，由于电流方向改变时死区的影响，将使输出电压
34、中增加5fo、7fo等次谐波。544)输入电流谐波 单相交交变频电路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为 和 式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,oiin216lffkfoiin2kfff(4-19)(4-19)(4-20)(4-20)554.3 4.3 交交变频电路交交变频电路4.3.1 单相交交变频电路4.3.2 三相交交变频电路564.3.2 4.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路1电路接线方式图4-24图4-24 公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）1)公共交流母线进线方式由三组彼此独
35、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。交流电动机的三个绕组必须拆开，共引出六根线。57a)b)图4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路 a）简图 b）详图2)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形联结 电动机中性点不和变频器中性点接在一起，电动机只引出三根线即可。三组单相交交变频器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
36、，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。58200t/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4-26 交交变频电路的输入电流波形2.输入输出特性三相交交变频电路和单相交交变频电路的输出上限频率和输出电压谐波是一致的，但输入电流和输入功率因数有些差别。59oiin616lffkfoiin6kfff三相输出时，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，谐波频率为和式中，k=1,2,3,；l=0,1,2
37、,当变流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。(4-21)(4-22)60三相交交变频电路由三组单相交交变频电路组成，每组单相变频电路由自己的有功功率、无功功率和视在功率，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，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(4-23)613改善输入功率因数和提高输出
38、电压uAN的基波分量图4-27uOtuABuANuBN图4-27 梯形波控制方式的理想输出电压波形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（准梯形波）。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%左右。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。62交直交变频电路交直交变频电路 先把交流变换成直流，再把直流逆变成可变频率
39、的交流 交交变频电路和交直交变频电路比较，交交变频电路的 只用一次变流，效率较高优点 可方便地实现四象限工作 低频输出波形接近正弦波 接线复杂 受电网频率和变流电路脉波数的限制，缺点 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63第4章 交流电力控制电路和交 交变频电路（AC/AC变换）4.1 4.1 交流调压电路交流调压电路4.2 4.2 其它交流电力控制电路其它交流电力控制电路4.3 4.3 交交变频电路交交变频电路4.4 4.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路 本章小结本章小结644.4 4.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路图4-28 矩阵式变频电路u直接变频电路所用开关
40、器件是全控型的，控制方式是斩控方式u矩阵式变频电路（矩阵变换器）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 65矩阵式变频电路优点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66对单相交流电压us进行斩波控制，即进行PWM控制时，如果开关频率足够高，则输出电压uo为式中，Tc为开关周期；ton为一个开关周期内开关导通时间；s 为占空比不同的开关周期中采用不同的s，可得到与us
41、频率和波形都不同的uo由于单相交流us波形为正弦波，可利用的输入电压部分只有如图4-29a所示的单相电压阴影部分，因此uo将受到很大的局限，无法得到所需输出波形ssconouuTtus(4-24)67u不同的开关周期中采用不同的s，可得到与us频率和波形都不同的uou由于单相交流us波形为正弦波，可利用的输入电压部分只有如图4-29a所示的单相电压阴影部分，因此uo将受到很大的局限，无法得到所需输出波形图4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分 a)单相输入a)68输入输出abcuvwS11S12S13S21S22S23S31S32S33图4-28 矩阵式变频电路图4-29 构造输出电压时
42、可利用的输入电压部分b)三相输入构造输出相电压l 如把输入交流电源改为三相，如用图4-28a中的第一行的3个开关共同作用构造u相输出电压uu，就可利用图4-29b所示的三相相电压包络线中所有的阴影部分。l 理论上所构造的uu的频率可不受限制但如uu必须为正弦波，则其最大幅值仅为输入相电压ua幅值的0.5倍 。UmUm12b)69l如用图4-28a中第一行和第二行的6个开关共同作用来构造输出线电压uuv，就可利用图4-29c中6个线电压包络线中所有的阴影部分l当uuv必须为正弦波时，最大幅值就可达到输入线电压幅值的0.866倍。是正弦波输出条件下矩阵式变频电路理论上最大的输出输入电压比输入输出a
43、bcuvwS11S12S13S21S22S23S31S32S33图4-28 矩阵式变频电路U1mU1m23c)图4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分c)三相输出构造输出线电压70cbauuuuu131211sss1131211sss利用对开关S11、S12和S13的控制构造输出电压uu时，为防止输入电源短路，任何时刻只能有一个开关接通。考虑负载一般是阻感负载，负载电流具有电流源性质，为使负载不开路，任一时刻必须有一个开关接通，因此，u相输出电压uu和各相输入电压的关系为式中s11、s12和s13为一个开关周期内开关S11、S12、S13的导通占空比(4-25)(4-26)71用同样的方
44、法控制图4-28a矩阵第2、3行的各开关，可得到类似式（4-25）表达式，将其和写成矩阵形式，即可缩写为 式中cbawvuuuuuuu333231232221131211sssssssss(4-27)(4-28)333231232221131211ssssssssssTcbaiTwvuouuuuuuuuiouus72s s称为调制矩阵调制矩阵，它是时间函数，s s矩阵中各元素确定后，输入电流ia、ib、ic和输出电流iu、iv、iw的关系也就确定了，各相输入电流分别是各相输出电流按照相应的占空比相加而成，即可缩写为式中式(4-27)、(4-29)是矩阵式变频电路的基本输入输出关系式wvucba
45、iiiiii332313322212312111sssssssss(4-29)(4-29)TwvuocbaiiiiiiiiiToTiiis(4-30)(4-30)cbawvuuuuuuu333231232221131211sssssssss(4-27)(4-27)73对实际系统来说，输入电压和所需要的输出电流是已知的。设为 式中，Uim、Iom为输入电压和输出电流的幅值；wi、wo为 输入电压和输出电流的角频率；jo 为相应于输出频率的负载阻抗角。34cos32coscosiimiimiimwwwtUtUtUuuucbaooomooomooom34cos32coscosjwjwjwtItItI
46、iiiwvu(4-32)(4-32)(4-31)(4-31)74变频电路希望的输出电压和输入电流分别为 式中，Uom、Iim为输出电压和输入电流的幅值；ji 为输入电流滞后于电压的相位角34cos32coscosoomoomoomwvuwwwtUtUtUuuuiiimiiimiiim34cos32coscosjwjwjwtItItIiiicba(4-34)(4-34)(4-33)(4-33)75当期望的输入功率因数为1时，ji=0。把式(4-31)式(4-34)代入式(4-27)和式(4-29)，可得 如能求得满足式(4-35)和式(4-36)的s s，就可得到希望的输出电压和输入电流34co
47、s32coscosoomoomoomwwwtUtUtU34cos32coscosiimiimiimwwwtUtUtU34cos32coscosiimiimiimwwwtItItIooomooomooom34cos32coscosjwjwjwtItItI(4-35)(4-35)(4-36)(4-36)76矩阵式变频电路能够很好地工作，需解决的问题矩阵式变频电路能够很好地工作，需解决的问题s 如何求取理想的调制矩阵s ss 开关切换时如何实现既无交叠又无死区矩阵式变频电路的优点矩阵式变频电路的优点s 有十分理想的电气性能，可使输出电压和输入电流均为正弦波，输入功率因数为1，能量可双向流动，可实现四
48、象限运行。s 和目前广泛应用的交直交变频电路相比，虽多用了6个开关器件，却省去了直流侧大电容，将使体积减小，且容易实现集成化和功率模块化。77第4章 交流电力控制电路和交 交变频电路（AC/AC变换）4.1 4.1 交流调压电路交流调压电路4.2 4.2 其它交流电力控制电路其它交流电力控制电路4.3 4.3 交交变频电路交交变频电路4.4 4.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路 本章小结本章小结781）交流交流变流电路的分类及其基本概念2)单相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)三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理4)交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念5)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 6)矩阵式交交变频电路的基本概念7)各种交流交流变流电路的主要应用本本 章章 小小 结结79目 录 绪论绪论1 1 电力电子器件电力电子器件2 2 整流电路整流电路3 3 直流斩波电路直流斩波电路4 4 交流电力控制电路和交交变频电路交流电力控制电路和交交变频电路5 5 逆变电路逆变电路6 PWM6 PWM控制技术控制技术7 7 软开关技术软开关技术8 8 组合变流技术组合变流技术
