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1、6.1 交流调压电路6.2 其他交流电力控制电路6.3 交交变频电路6.4 矩阵式变频电路,第6章 交流-交流变流电路,1,第6章-交流交流变流电路,交流-交流变流电路:把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路,可以改变相关的电压、频率和相数。,2,第6章-交流交流变流电路,6.1 交流调压电路,交流电力控制电路交流电力电子开关根据需要接通或断开电路。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。交流调压电路每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值。,3,第6章-交流交流变流电路,应用 1 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。2 异步电动机软
2、起动。3 异步电动机调速。4 供用电系统对无功功率的连续调节。5 调节变压器一次电压。,6.1 交流调压电路,4,第6章-交流交流变流电路,电力电子开关,6.1.1 单相交流调压电路,5,第6章-交流交流变流电路,电阻负载 工作原理：在 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正负半周a 起始时刻（a=0）均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的a 相等负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同,6.1.1 单相交流调压电路,6,第6章-交流交流变流电路,数量关系负载电压有效值,负载电流有效值,晶闸管电流有效值,电路的功率
3、因数,7,第6章-交流交流变流电路,输出电压与a的关系:移相范围为0 a。a=0时，输出电压为最大，Uo=U1。随a的增大，Uo降低，a=时，Uo=0。与a的关系：a=0时，功率因数=1，a增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低,8,第6章-交流交流变流电路,6.1.1 单相交流调压电路,阻感负载负载阻抗角：=arctan(wL/R)，阻抗角反映了负载电感作用的大小，根据控制角a和阻抗角 的关系电路的工作情况不同。a=时，正弦电压作用于R、L负载,9,第6章-交流交流变流电路,阻感负载a 时，达到稳态时的工作情况和a=时相同，失去调压作用。,10,第6章-交流交流变流电路,阻感负载a 时，负载电
4、流断续,11,第6章-交流交流变流电路,数量关系,（a 时）,负载电压有效值：,晶闸管电流有效值：,负载电流有效值：,12,第6章-交流交流变流电路,单相交流调压电路的谐波分析,负载电压和负载电流均不是正弦波，波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波。谐波次数为3、5、7等次谐波。随着次数的增加，谐波含量减少。和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一些。a 角相同时，随着阻抗角的增大，谐波含量有所减少。,13,第6章-交流交流变流电路,斩控式交流调压电路,在交流电源u1的正半周,用V1进行斩波控制,用V3给负载电流提供续流通道,14,第6章-交流交流变流电路,用V2进行斩波控制,用V
5、4给负载电流提供续流通道,在交流电源u1的负半周,15,第6章-交流交流变流电路,斩控式交流调压电路电阻负载,电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为1。通过调解开关的导通时间，来控制输出电压的波形及其基波数值。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。功率因数接近1。,16,第6章-交流交流变流电路,阻感负载,17,第6章-交流交流变流电路,6.1.2 三相交流调压电路,根据联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式,18,第6章-交流交流变流电路,三线四相 基本原理：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。问题：三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。
6、零线有很大3倍次谐波电流。,星形联结电路（可分为三线三相和三线四相）,19,第6章-交流交流变流电路,三相三线,任一相导通时必须和另一相构成回路，电流流通路径中有两个晶闸管，晶闸管的触发顺序为VT1VT6，依次相差600，开通角a的起点从相电压的过零点开始。且a的移相范围是00 1500,20,第6章-交流交流变流电路,工作模式一 三相同时工作状态，即每相有一个晶闸管导通，三相同时有三个晶闸管导通，在导通区间，各相负载电压等于电源相电压。,工作模式二 三相中只有两相工作，即同一时刻三相中只有两相有晶闸管导通。这时，导通两相的负载是串联接在这两相电源上，因此导通两相负载上的电压（相电压）为该两相
7、电源线电压的二分之一。,工作模式三 三相晶闸管均不导通，负载电压为零。,21,第6章-交流交流变流电路,a=0：三管导通与两管导通交替，每管导通180a。但a=0时一直是三管导通。,22,第6章-交流交流变流电路,a=60：两管导通,23,第6章-交流交流变流电路,a=120：两管导通与无晶闸管导通交替.,24,第6章-交流交流变流电路,三相感性负载：,控制角a 时，则三相开关器件导电角为1800，交流电源电压直接全部加到负载上，不能调控电压输出，a 时类似于单相电路的分析方法,25,第6章-交流交流变流电路,谐波情况,电流谐波次数为6k1(k=1，2，3，)，和三相桥式全控整流电路交流侧电流
8、所含谐波的次数完全相同。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。,26,第6章-交流交流变流电路,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,27,第6章-交流交流变流电路,电路结构,6.2.1 交流调功电路,控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后MN个周期关断。晶闸管导通的时刻都是在电源电压过零的时刻。,28,第6章-交流交流变流电路,6.2.1 交流调功电路,交流调功电路:是将负载与交流电源接通几个周期,再断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。交流调功电路与交流调压电路的异同比较相同点:电路
9、形式完全相同 不同点:控制方式不同交流调压电路在每个电源周期都对输出电压波形进行控制。,29,第6章-交流交流变流电路,6.2.2 交流电力电子开关,概念:把晶闸管或其它可控性电力电子器件反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用。优点:响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断。缺点:开关损耗较大。,与交流调压、调功电路的区别,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。,30,第6章-交流交流变流电路,应用：晶闸管投切电容,6.2.2 交流电力电子开关,结构和原理晶闸管反并联后串入交流电路。实际常用三相，可三角形联
10、结，也可星形联结。作用对无功功率控制，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。,31,第6章-交流交流变流电路,晶闸管投切电容器电容投入时：电容器投入前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。切除电容时，应选择电容电流等于零的时刻撤除触发信号，使其关断，此时电容电压为电源电压峰值，为投入做准备。,6.2.2 交流电力电子开关,32,第6章-交流交流变流电路,6.3 交交变频电路,交交变频电路是把电网频率的交流电变成电压、频率可调的交流电，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，按控制
11、方式可分为相控式交交变频和斩控式交交变频，主要讲述相控式交交变频。,33,第6章-交流交流变流电路,6.3 交交变频电路,6.3.1 单相交交变频器6.3.2 三相交交变频器,34,第6章-交流交流变流电路,电路结构：由具有相同特征的两组晶闸管整流电路反并联构成。,6.3.1 单相交交变频器,35,第6章-交流交流变流电路,工作过程,正组整流器工作，反组整流器被封锁，负载端电压为上正下负.,负组整流器工作，正组整流器被封锁，负载端电压上负下正.,以低于电源的频率切换正反组整流器的工作状态,在负载端就可获得交变的输出电压；改变晶闸管的导通角就可以控制输出电压的幅值。,6.3.1 单相交交变频器,
12、36,第6章-交流交流变流电路,电路控制特点：,（1）控制角a固定时，输出电压为矩形波,对电机的运行不利.,（2）为使输出电压波形接近正弦波，可使a按正弦规律变化。,控制P组 a 角按规律从90减到某值，再增加到90，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高，再减到零。,37,第6章-交流交流变流电路,6.3.1 单相交交变频器,把电路理想化，控制两组变流器的输出电压都能够按正弦规律变化，则变频器的等效电路可以用下图表示：,38,第6章-交流交流变流电路,6.3.1 单相交交变频器,阻感负载时设负载阻抗角为，则输出电流滞后输出电压角。两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流电路工
13、作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。,39,第6章-交流交流变流电路,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,6.3.1 单相交交变频器,40,第6章-交流交流变流电路,输出正弦波电压的调制方法,余弦交点法设Ud0为a=0时整流电路的理想空载电压，则有,6.3.1 单相交交变频器,每次控制时a角不同，表示每次控制间隔内uo的平均值。,41,第6章-交流交流变流电路,设期望的正弦
14、波输出电压为:比较前两式，应得：g 称为输出电压比：余弦交点法基本公式：,6.3.1 单相交交变频器,42,第6章-交流交流变流电路,6.3.1 单相交交变频器,43,第6章-交流交流变流电路,输入输出特性,6.3.1 单相交交变频器,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，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。,44,第6章-交流交流变流电路,输入功率因数,6.3.1 单相交交变频器,输
15、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，输入的无功电流总是滞后。,45,第6章-交流交流变流电路,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，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。,6.3.1 单相交交变
16、频器,46,第6章-交流交流变流电路,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为 和 式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。,6.3.1 单相交交变频器,47,第6章-交流交流变流电路,6.3.2 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。多用于大功率、低转速的交流调速电路中。,48,第6章-交流交流变流电路,公共交流母线进线方式:,6.3.2 三相交交变频电路,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
17、上。因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须隔离。,49,第6章-交流交流变流电路,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。电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三根线即可。,6.3.2 三相交交变频电路,50,第6章-交流交流变流电路,三组单相交交变频电路的输出联接在一起，其电源进线必须隔离，分别用三个变压器供电。输出端中点不和负载中点相联接，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。,6.3.2 三相交交变频电路,51,第6章-交流交流变流电路,输入输出特性：,6.3.2 三相交交变频
18、电路,三相交交变频电路的输入输出谐波与单相时相近，谐波的种类有所减少。输入功率因数高于单相交交变频电路，但仍然较低。是交交变频电路的主要缺点。,52,第6章-交流交流变流电路,改善输入功率因数和提高输出电压,6.3.2 三相交交变频电路,基本思路对输出星形联接的电路中，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
19、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。,53,第6章-交流交流变流电路,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。在同样幅值的情况下，梯形波中的基波幅值可提高15%左右。,6.3.2 三相交交变频电路,54,第6章-交流交流变流电路,单相矩阵式交交变频电路,6.4 矩阵式交交变频电路,基本思路交流调压电路有相控和斩控两种方式交交变频能否采用斩控方式 斩控式交交变频电路为了能较好地对输出电压的频率进行调节，一般采用三相交流电压输入,55,第6章-交流交流变流电路,单
20、相矩阵式交交变频电路,6.4 矩阵式交交变频电路,（a）电路拓扑,（b）工作波形,56,第6章-交流交流变流电路,单相矩阵式交交变频电路（3输入1输出的矩阵式交交变频电路）,为导通占空比，且：,57,第6章-交流交流变流电路,三相矩阵式交交变频器,58,第6章-交流交流变流电路,特点,1）无中间直流或交流环节，能量直接传递，体积小，效率高；2）可获得正弦波形的输入电流和输出电压，波形失真度小；3）输入功率因数可任意调节，与负载功率因数无关；4）能量可双向传递，非常适合四象限运行的交流传动系统；5）控制自由度大，且输出频率不受输入电源频率的限制。矩阵式交交变频电路的输入一般是三相交流电，其输出可以是单相的，称单相输出矩阵式交交变频电路，简称单相矩阵式交交变频电路；也可以三相输出，称三相输出矩阵式交交变频电路，简称三相矩阵式交交变频电路。,59,第6章-交流交流变流电路,
