電力電子技術(shù)課件-第6章-交流交流變流電路-2011

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,,*,/53,,第,6,章 交流,-,交流變流電路,,,6.1,交流調(diào)壓電路,,,6.2,其他交流電力控制電路,,,6.3,交,-,交變頻電路,,,6.4,矩陣式變頻電路,,,本章小結(jié),,2,/53,引言,■,交流,-,交流變流電路：把一種形式的,交流,變成另一種形式,交流,的電路。,,■,交流,-,交流變流電路可以分為,直接方式（即無中間直流環(huán)節(jié)）,和,間接方式（有中間直流環(huán)節(jié)）,兩種。,,,■,交流電力控制電路（,不改變頻率的電路）,,,◆,交流調(diào)壓電路,：在每半個(gè)周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的

2、控制，,調(diào)節(jié)輸出電壓有效值,的電路。,,,◆,交流調(diào)功電路,：以交流電的周期為單位控制晶閘管的通斷，改變通態(tài)周期數(shù)和斷態(tài)周期數(shù)的比，,調(diào)節(jié)輸出功率平均值,的電路。,,◆,交流電力電子開關(guān),：串入電路中根據(jù)需要接通或斷開電路的晶閘管。,,■,變頻電路：改變頻率的電路，分直接變頻和間接變頻。,3,/53,6.1,交流調(diào)壓電路,,,6.1.1,單相交流調(diào)壓電路,,,6.1.2,三相交流調(diào)壓電路,,,4,/53,6.1,交流調(diào)壓電路,·,引言,■,把,兩個(gè)晶閘管反并聯(lián),后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可以控制交流輸出。,,■,應(yīng)用,,,◆,燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制,),。,,,◆,異

3、步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)。,,,◆,異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。,,,◆,供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。,,,◆,在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。,6.1.1,單相交流調(diào)壓電路,,,,,,,,,,,,,,,,O,,,,,,u,1,u,o,i,o,u,VT1,w,t,O,w,t,O,w,t,O,w,t,圖,6-1,電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形,■,電阻負(fù)載,,,◆,工作過程,,,?,在交流電源,u,1,的正半周和負(fù)半周，分別對,VT,1,和,VT,2,的開通角,?,進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。,,,◆,基本的數(shù)量關(guān)系,,?,負(fù)載電壓有效值,U,o,,?,負(fù)載電流有效值,I,o,,?,

4、晶閘管電流有效值,I,T,,?,功率因數(shù),?,,(6-1),(6-2),(6-3),(6-4),,,◆,?,的移相范圍為,0≤,?,≤,?,，隨著,?,的增大，,U,o,逐漸降低，,?,逐漸降低。,,6.1.1,單相交流調(diào)壓電路,VT,1,圖,6-2,阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形,■,阻感負(fù)載,,◆,工作過程,,?,若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流為正弦波，相位滯后于,u,1,的角度為,?,，當(dāng)用晶閘管控制時(shí)，只能進(jìn)行,滯后控制,，使負(fù)載電流更為滯后。,,,?,設(shè)負(fù)載的阻抗角為,,,,穩(wěn)態(tài)時(shí),?,的移相范圍應(yīng)為,?,≤,?,≤,?,。,,,?,在,?,t=,?,時(shí)刻開通晶閘管,VT,1,，可求

5、得,,,,進(jìn)而求的,φ,、,α,、,θ,,的關(guān)系,(6-7),<,φ,θ,,6.1.1,單相交流調(diào)壓電路,圖,6-3,單相交流調(diào)壓電路以,?,為參變量的,?,和,?,,關(guān)系曲線,,以,?,為參變量，利用式,(6-7),可以把,?,和,?,的關(guān)系用圖,6-3,的一簇曲線來表示。,◆,基本的數(shù)量關(guān)系,,,?,負(fù)載電壓有效值,U,o,,?,晶閘管電流有效值,I,VT,,,(6-8),(6-9),8,/53,,6.1.1,單相交流調(diào)壓電路,?,負(fù)載電流有效值,I,o,,,?,晶閘管電流,I,VT,的標(biāo)么值,,式中,,圖,6-4,單相交流調(diào)壓電路,?,為參變量時(shí),I,VTN,和,?,關(guān)系曲線,(6-10

6、),(6-11),VT,1,9,/53,6.1.1,單相交流調(diào)壓電路,◆,?,<,?,時(shí)的工作情況,,,,VT,1,的導(dǎo)通時(shí)間,超過,?,。,,,,觸發(fā),VT,2,時(shí)，,i,o,尚未過零，,VT,1,仍導(dǎo)通，,VT,2,不會(huì)導(dǎo)通，,i,o,過零后，,VT,2,承受正向電壓才可以開通，,VT,2,導(dǎo)通角,小于,?,。（到達(dá)穩(wěn)態(tài)前，電感能量增加）,,,,i,o,有,指數(shù)衰減分量,，在指數(shù)分量,衰減過程中，,VT,1,導(dǎo)通時(shí)間漸短，,VT,2,的導(dǎo)通時(shí)間漸長。,,到達(dá)穩(wěn)態(tài)后電感能量平衡，電流波形正、負(fù)半周面積相等、正弦波。電壓、電流相位差為負(fù)載的阻抗角,φ,。晶閘管相當(dāng)于被短路。,,1,,1,,1,

7、,1,,2,,2,,2,,2,φ,α,2,π,π,3,π,4,π,5,π,6,π,,,,,,,,10,/53,6.1.1,單相交流調(diào)壓電路,◆,例,6-1,一單相交流調(diào)壓器，輸入交流電壓為,220V,，,50Hz,，負(fù)載為電阻電感，其中,R,=8W,，,X,L,=6 W,。試求,?,=,?,/6,、,?,/3,時(shí)的輸出電壓、電流有效值及輸入功率和功率因數(shù)。,,解：負(fù)載阻抗及負(fù)載阻抗角分別為：,,因此開通角,?,的變化范圍為：,,即,①,當(dāng),?,=,?,/6,時(shí)，由于,?,<,?,,,因此晶閘管調(diào)壓器全開放，輸出電壓為完整的正弦波，負(fù)載電流也為最大，此時(shí)輸出功率最大，為,,11,/53,6.1.

8、1,單相交流調(diào)壓電路,功率因數(shù)為,,實(shí)際上，此時(shí)的功率因數(shù)也就是負(fù)載阻抗角的余弦。,②,時(shí)，先計(jì)算晶閘管的導(dǎo)通角，由式（,6-7,）得,,解上式可得晶閘管導(dǎo)通角為：,12,/53,6.1.1,單相交流調(diào)壓電路,,13,/53,6.1.1,單相交流調(diào)壓電路,■,單相交流調(diào)壓電路的諧波分析,,,◆,帶電阻負(fù)載時(shí)，對負(fù)載電壓,u,o,進(jìn)行諧波分析,,,,式中,注意諧波次數(shù),,,,,(,n,=3,5,7,…),(,n,=3,5,7,…),(6-12),,,,14,/53,6.1.1,單相交流調(diào)壓電路,基波和各次諧波的有效值可按下式求出,負(fù)載電流基波和各次諧波的有效值為,,圖,6-6,電阻負(fù)載單相交流調(diào)

9、壓電路基波和諧波電流含量,,(n=1,3,5,7,…),,(6-13),(6-14),◆,電流基波和各次諧波標(biāo)么值隨,?,變化的曲線，如圖,6-6,所示，其中,基準(zhǔn)電流為,?,=0,時(shí)的電流有效值,。,,◆,阻感負(fù)載時(shí),,電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)載時(shí)相同，也只含,3,、,5,、,7,…,等次諧波。,,隨著次數(shù)的增加，諧波含量減少。,,和電阻負(fù)載時(shí)相比，阻感負(fù)載時(shí)的諧波電流含量少一些。,,當(dāng),?,角相同時(shí)，隨著阻抗角,?,的增大，諧波含量有所減少。,15,/53,6.1.1,單相交流調(diào)壓電路,圖,6-7,斬控式交流調(diào)壓電路,■,斬控式交流調(diào)壓電路,,,◆,工作原理,,?,用,V,1,，,V,2,進(jìn)行

10、,斬波控制,，用,V,3,，,V,4,給負(fù)載電流提供,續(xù)流,通道。,,,?,設(shè)斬波器件（,V,1,，,V,2,）導(dǎo)通時(shí)間為,t,on,，開關(guān)周期為,T,，則導(dǎo)通比,?,,=,t,on,/T,,，通過改變,?,來調(diào)節(jié)輸出電壓。,,,◆,電源電流的基波分量是和電源電壓同相位的，即,位移因數(shù)為,1,，電源電流中不含低次諧波，,只含和開關(guān)周期,T,有關(guān)的高次諧波，這些高次諧波用很小的濾波器即可濾除，這時(shí)電路的功率因數(shù)接近,1,。,圖,6-8,電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形,16,/53,6.1.2,三相交流調(diào)壓電路,■,根據(jù)三相聯(lián)結(jié)形式的不同，三相交流調(diào)壓電路具有多種形式。,,圖,6-9,三相交流調(diào)壓

11、電路,,a),星形聯(lián)結(jié),b),支路控制三角形聯(lián)結(jié),c),中點(diǎn)控制三角形聯(lián)結(jié)（雙向開關(guān)角形聯(lián)結(jié)）,,,17,/53,6.1.2,三相交流調(diào)壓電路,■,星形聯(lián)結(jié)電路,,,◆,分為,三相三線,和,三相四線,兩種情況。,,◆,三線四相,,,?,相當(dāng)于三個(gè)單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯(cuò)開,120°,工作。,,,?,基波和,3,倍次以外,的諧波在三相之間流動(dòng)，不流過零線，,3,的整數(shù)倍次,諧波是同相位的，不能在各相之間流動(dòng)，全部流過零線。,,,?,當(dāng),?,=90°,時(shí)，零線電流甚至和各相電流的有效值接近。,,,◆,三相三線帶電阻負(fù)載時(shí)的工作原理,,,?,任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路，因此電流通路中,至

12、少有兩個(gè)晶閘管,，應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)。,,,?,觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣，為,VT,1,~ VT,6,，,依次相差,60°,。,圖,6-9 a),星形聯(lián)結(jié),18,/53,6.1.2,三相交流調(diào)壓電路,圖,6-10,不同,?,角時(shí)負(fù)載相電壓波形,,a),?,,= 30°,,,?,把,相電壓過零點(diǎn)定為開通角,?,的起點(diǎn),，三相三線電路中，兩相間導(dǎo)通時(shí)是靠線電壓導(dǎo)通的，而線電壓超前相電壓,30°,，因此,?,角的移相范圍是,0°~150°,。,,?,根據(jù)任一時(shí)刻導(dǎo)通晶閘管個(gè)數(shù)以及半個(gè)周波內(nèi)電流是否連續(xù)可將,0°~150°,的移相范圍分為如下三段,,,0°≤,?,<60°,范圍內(nèi)，

13、電路處于,三個(gè)晶閘管導(dǎo)通與兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通的,交替狀態(tài),，,每個(gè)晶閘管導(dǎo)通角度為,180°-,?,，但,?,=0°,時(shí)是三個(gè)晶閘管一直導(dǎo)通。,19,/53,6.1.2,三相交流調(diào)壓電路,,60°≤,?,<90°,范圍內(nèi)，任一時(shí)刻都是,兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通,，每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角度,≤,,120°,。,圖,6-10,不同,?,角時(shí)負(fù)載相電壓波形,,b),?,,= 60°,,20,/53,圖,6-10,不同,?,角時(shí)負(fù)載相電壓波形,,,c),?,,= 120°,,,90°≤,?,<150°,范圍內(nèi)，電路處于,兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通的交替狀態(tài)，,每個(gè)晶閘管導(dǎo)通角度為，,,2*,（,150°-,?,）,，

14、而且這個(gè)導(dǎo)通角度被分割為不連續(xù)的兩部分，在半周波內(nèi)形成兩個(gè)斷續(xù)的波頭，各占,150°-,?,。,,,?,諧波分析,,電流諧波次數(shù)為,6k±,1,(,k,=1,，,2,，,3,，,…),。,,諧波次數(shù)越低，含量越大。,,和單相交流調(diào)壓電路相比，,沒有,3,倍次諧波，,因?yàn)槿鄬ΨQ時(shí)，它們不能流過三相三線電路。,21,/53,6.1.2,三相交流調(diào)壓電路,圖,6-9,三相交流調(diào)壓電路,,,b),支路控制三角形聯(lián)結(jié),■,支路控制三角聯(lián)結(jié)電路,,,◆,由三個(gè)單相交流調(diào)壓電路組成，分別在不同的,線電壓,作用下工作。,,,◆,常用于,TCR,（晶閘管控制電抗器），作為自動(dòng)無功補(bǔ)償。,,,◆,單相交流調(diào)壓電

15、路的分析方法和結(jié)論完全適用，輸入線電流（即電源電流）為與該線相連的兩個(gè)負(fù)載相電流之和。,,,,,◆,諧波分析,,,?,3,倍次諧波,相位和大小相同，在三角形回路中流動(dòng)，而不出現(xiàn)在線電流中。,,,?,線電流中所諧波次數(shù)為,6k±1,(,k,為正整數(shù),),。,,,?,在相同負(fù)載和,?,角時(shí)，線電流中諧波含量少于三相三線星形電路。,22,/53,23,/53,6.2,其他交流電力控制電路,,,6.2.1,交流調(diào)功電路,,,,6.2.2,交流電力電子開關(guān),,,24,/53,6.2.1,交流調(diào)功電路,2,p,N,p,,M,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,電源周期,控制周期,

16、=,M,倍電源周期,=,2,p,4,p,,M,O,導(dǎo)通段,=,,M,3,p,,M,2,p,,M,u,o,u,1,u,o,,,i,o,w,t,U,1,,2,圖,6-11,交流調(diào)功電路典型波形,(,M,=3,、,N,=2),,圖,6-12,交流調(diào)功電路的電流頻譜圖,(,M,=3,、,N,=2),,■,交流調(diào)功電路,,,◆,工作原理,,,?,和交流調(diào)壓電路的電路形式完全相同，只是,控制方式不同,。,,,?,通過改變,接通周波數(shù),與,斷開周波數(shù),的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。,25,/53,6.2.1,交流調(diào)功電路,,◆,諧波分析,,,?,在交流電源接通期間，負(fù)載電壓電流都是,正弦波,，不對電網(wǎng)電

17、壓電流造成通常意義的諧波污染。,,,?,如果以電源周期為基準(zhǔn)，電流中不含整數(shù)倍頻率的諧波，但含有,非整數(shù)倍頻率的諧波,，而且在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率諧波的含量較大。,2,p,N,p,,M,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,電源周期,控制周期,=,M,倍電源周期,=,2,p,4,p,,M,O,導(dǎo)通段,=,,M,3,p,,M,2,p,,M,u,o,u,1,u,o,,,i,o,w,t,U,1,,2,0,12,14,諧波次數(shù),相對于電源頻率的倍數(shù),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2,4,6,10,8,0.6,0.5,0

18、.4,0.3,0.2,0.1,0,5,,,1,2,3,4,I,n,/,I,0m,圖,6-11,交流調(diào)功電路典型波形,(,M,=3,、,N,=2),,圖,6-12,交流調(diào)功電路的電流頻譜圖,(,M,=3,、,N,=2),,26,/53,6.2.2,交流電力電子開關(guān),■,交流電力電子開關(guān)：把,晶閘管,反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機(jī)械開關(guān)，起接通和斷開電路的作用。,,■,優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快，沒有觸點(diǎn)，壽命長，可以頻繁控制通斷。,,■,與交流調(diào)功電路的區(qū)別,,,◆,并不控制電路的平均輸出功率。,,◆,通常沒有明確的控制周期，只是根據(jù)需要控制電路的接通和斷開。,,◆,控制頻度通常比交流調(diào)功電路低得

19、多。,,,27,/53,6.3,交交變頻電路,,,,6.3.1,單相交交變頻電路,,,6.3.2,三相交交變頻電路,,,28,/53,6.3.1,單相交,-,交變頻電路,圖,6-13,單相交,-,交變頻電路原理圖和輸出電壓波形,,■,交,-,交變頻電路是把電網(wǎng)頻率的交流電直接變換成可調(diào)頻率的交流電的變流電路，因?yàn)闆]有中間直流環(huán)節(jié)，因此屬于,直接變頻電路,。,,■,電路構(gòu)成和基本工作原理,,,◆,由,P,組和,N,組反并聯(lián)的晶閘管相控整流電路構(gòu)成，和直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速用的四象限變流電路完全相同。,,,◆,工作原理,,,P,組工作時(shí)，負(fù)載電流,i,o,為,正,，,N,組工作時(shí)，,i,o,為,負(fù),。

20、,,改變兩組變流器的,切換頻率,，就可以改變交流輸出頻率,?,0,。,,改變變流電路工作時(shí)的,控制角,?,，就可以改變交流輸出電壓的,幅值,。,,i,o,29,/53,6.3.1,單相交,-,交變頻電路,圖,6-13,單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形,,◆,為使,u,o,波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對,?,角進(jìn)行調(diào)制。,,,?,在半個(gè)周期內(nèi)讓,P,組,?,角按正弦規(guī)律從,90°,減到,0°,或某個(gè)值，再增加到,90°,，每個(gè)控制間隔內(nèi)的,平均輸出電壓,就按正弦規(guī)律從零增至最高，再減到零；另外半個(gè)周期可對,N,組進(jìn)行同樣的控制。,,,?,u,o,由若干段電源電壓拼接而成，在,u,o,的一個(gè)周

21、期內(nèi)，包含的電源電壓段數(shù)越多，其波形就越接近正弦波。,α,P,α,P,α,P,30,/53,6.3.1,單相交,-,交變頻電路,圖,6-14,理想化交,-,交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài),■,P,、,N,的整流與逆變工作狀態(tài),,,◆,以阻感負(fù)載為例，把電路等效成圖,6-14a,所示的正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)，二極管體現(xiàn)了變流電路電流的單方向性。,,◆,設(shè)負(fù)載阻抗角為,?,，則輸出電流滯后輸出電壓,?,角，兩組變流電路采取,無環(huán)流工作方式,，即一組變流電路工作時(shí)，封鎖另一組變流電路的觸發(fā)脈沖。,,,◆,工作狀態(tài),,,?,t,1,~t,3,期間：,i,o,處于正半周,，正組工作，反組被封鎖。,

22、,√,t,1,~t,2,階段：,u,o,和,i,o,均為正，正組整流，輸出功率為正。,,√,t,2,~t,3,階段：,u,o,反向，,i,o,仍為正，正組逆變，輸出功率為負(fù)。,31,/53,6.3.1,單相交,-,交變頻電路,圖,6-14,理想化交,-,交變頻電路的整流和逆變工作狀態(tài),,?,t,3,~t,5,期間：,i,o,處于負(fù)半周,，反組工作，正組被封鎖。,,,√,t,3,~t,4,階段：,u,o,和,i,o,均為負(fù)，反組整流，輸出功率為正。,,,√,t,4,~t,5,階段：,u,o,反向，,i,o,仍為負(fù)，反組逆變，輸出功率為負(fù)。,,◆,結(jié)論,,,?,哪組變流電路工作由,i,o,方向,決

23、定，與,u,o,極性無關(guān)。,,,?,變流電路,工作在整流還是逆變狀態(tài)，根據(jù),u,o,方向與,i,o,方向是否相同,來確定。,,,而,SCR-,M,系統(tǒng)，,,工作的一組變流器狀態(tài)：或者整流，或者逆變。,32,/53,6.3.1,單相交,-,交變頻電路,◆,考慮到無環(huán)流工作方式下負(fù)載電流過零的正反組切換死區(qū)時(shí)間，一周期的波形可分為,6,段,：第,1,段,i,o,<0,，,u,o,>0,，為反組逆變；第,2,段電流過零，為切換死區(qū)；第,3,段,i,o,>0,，,u,o,>0,，為正組整流；第,4,段,i,o,>0,，,u,o,<0,，為正組逆變；第,5,段又是切換死區(qū)；第,6,段,i,o,<0,，,

24、u,o,<0,，為反組整流。,,◆,當(dāng)輸出電壓和電流的相位差小于,90°,時(shí)，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負(fù)載提供能量的平均值為正，若負(fù)載為電動(dòng)機(jī)，則電動(dòng)機(jī)工作在,電動(dòng)狀態(tài),；當(dāng)二者相位差大于,90°,時(shí)，一周期內(nèi)電網(wǎng)向負(fù)載提供能量的平均值為負(fù)，即電網(wǎng)吸收能量，電動(dòng)機(jī)工作在,發(fā)電狀態(tài),。,（如果調(diào)速：波形,u,0,向前移動(dòng)，至相位差大于,90°,）,,圖,6-15,單相交,--,交變頻電路輸出電壓和電流波形,正組,P,整流,正組,P,,逆變,反組,N,,逆變,反組,N,整流,33,/53,6.3.1,單相交,-,交變頻電路,■,輸出正弦波電壓的調(diào)制方法,,,◆,介紹最基本的,余弦交點(diǎn)法,。,,,◆,用余弦交

25、點(diǎn)法求交,-,交變頻電路,?,角的基本公式,每次控制間隔內(nèi)輸出電壓的平均值為,式中,U,d0,為,?,=0,時(shí)整流電路的理想空載電壓要得到的正弦波輸出電壓為 。,比較式,(6-15),和,(6-16),，應(yīng)使,式中，,?,,稱為輸出電壓比，,因此,(6-15),(6-16),(6-17),(6-18),（,γ,,=1,，即,α,,是由,90°→0° → 90°,）,34,/53,6.3.1,單相交,-,交變頻電路,圖,6-16,余弦交點(diǎn)法原理,◆,余弦交點(diǎn)法圖解,,,?,線電壓,u,ab,、,u,ac,、,u,bc,、,u,ba,、,u,ca,和,u,cb,依次用,u,1,~u,6,表示，相鄰

26、兩個(gè)線電壓的交點(diǎn)對應(yīng)于,?,=0,。,,,?,u,1,~u,6,所對應(yīng)的同步信號分別用,u,s1,~u,s6,表示，,u,s1,~u,s6,比相應(yīng)的,u,1,~u,6,超前,30°,，,u,s1,~u,s6,的最大值和相應(yīng)線電壓,?,,= 0,的時(shí)刻對應(yīng),，,以,此,為零時(shí)刻，則,u,s1,~u,s6,為余弦信號。,,,?,希望輸出電壓為,u,o,，則各晶閘管觸發(fā)時(shí)刻由相應(yīng)的,同步電壓,u,s1,~u,s6,的下降段和,u,o,的交點(diǎn),來決定。,正、反組變流器,P,、,N,對應(yīng)的是三相全控橋,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,u,2,u,3,u,4,u,5,u,

27、6,u,1,u,s2,u,s3,u,s4,u,s5,u,s6,u,s1,u,o,a,P3,a,P4,w,t,w,t,P,5,a,,α,,是由,90°→30° → 90°,,30°,35,/53,6.3.1,單相交,-,交變頻電路,圖,6-17,不同,?,,時(shí),?,,和,?,o,t,的關(guān)系,◆,不同輸出電壓比,?,,的情況下，在輸出電壓,u,o,的一個(gè)周期內(nèi)，控制角,?,,隨,?,o,t,變化的情況如圖,6-17,，圖中,,,?,,較小，即輸出電壓較低時(shí)，,?,只在離,90°,很近的范圍內(nèi)變化，電路的輸入功率因數(shù)非常低。,36,/53,6.3.1,單相交,-,交變頻電路,■,輸入輸出特性,,,◆

28、,輸出上限頻率,,,?,輸出頻率增高時(shí)，輸出電壓一周期所含電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴(yán)重，,電壓波形畸變,及其導(dǎo)致的,電流波形畸變和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),是限制輸出頻率提高的主要因素。,,,?,就輸出波形畸變和輸出上限頻率的關(guān)系而言，很難確定一個(gè)明確的界限。,,,?,當(dāng)采用,6,脈波三相橋式電路時(shí)，一般認(rèn)為輸出上限頻率不高于電網(wǎng)頻率的,1/3~1/2,，電網(wǎng)頻率為,50Hz,時(shí)，交,-,交變頻電路的輸出上限頻率約為,20Hz,。,,,問題：,,如果此時(shí)上限頻率定位,25Hz,，問：輸出電壓,u,o,半周期由幾個(gè)電網(wǎng)電壓段數(shù)構(gòu)成？如果電壓波形畸變程度一樣，正反組變流器采用,12,脈波整流電路，輸出上限頻率是

29、多少？,37,/53,6.3.1,單相交,-,交變頻電路,圖,6-18,交,-,交變頻電路的輸入位移因數(shù),◆,輸入功率因數(shù),,,?,輸入電流相位總是滯后于輸入電壓，需要,電網(wǎng)提供無功功率,。,,,?,在輸出電壓的一個(gè)周期內(nèi)，,?,角,以,90°,為中心,而前后變化。,,,#,,輸出電壓比,?,,越小，半周期內(nèi),?,,的平均值越靠近,90°,，位移因數(shù)越低；,#,負(fù)載功率因數(shù)越低，輸入功率因數(shù)也越低。,,,?,不論負(fù)載功率因數(shù)是滯后的還是超前的，,P,組及,N,組的輸入無功電流總是滯后的,。,?,,稱為基波因數(shù)，而,,稱為位移因數(shù)或基波功率因數(shù)。,38,/53,6.3.1,單相交,-,交變頻電路

30、,,◆,輸出電壓諧波,,,?,輸出電壓的諧波頻譜非常復(fù)雜，既和,電網(wǎng)頻率,f,i,以及,變流電路的脈波數(shù),有關(guān)，也和,輸出頻率,f,o,有關(guān)。,,?,采用三相橋式電路時(shí)，輸出電壓所含主要諧波的頻率為,,,6,f,i,±,f,o,，,6,f,i,±,3,f,o,，,6,f,i,±,5,f,o,，,…,,,12,f,i,±,f,o,，,12,f,i,±,3,f,o,，,12,f,i,±,5,f,o,，,…,,,?,采用無環(huán)流控制方式時(shí)，由于電流方向改變時(shí)死區(qū)的影響，將增加,5,f,o,、,7,f,o,等次諧波。,,◆,輸入電流諧波,,,?,輸入電流波形和可控整流電路的輸入波形類似，但其幅值和相位均

31、按正弦規(guī)律被調(diào)制。,,,?,采用三相橋式電路的交交變頻電路輸入電流諧波頻率為,式中，,k,=1,2,3,…,；,l,=0,1,2,…,。,和,39,/53,6.3.2,三相交,-,交變頻電路,圖,6-19,公共交流母線進(jìn)線三相交,-,交變頻電路（簡圖）,■,交,-,交變頻電路主要應(yīng)用于大功率交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)使用的是三相交,-,交變頻電路，三相交,-,交變頻電路是由,三組輸出電壓相位各差,120°,的單相交,-,交變頻電路組成的,。,,■,電路接線方式,,,◆,公共交流母線進(jìn)線方式,,,?,由三組彼此獨(dú)立的、輸出電壓相位相互錯(cuò)開,120°,的單相交交變頻電路構(gòu)成。,,,?,電源進(jìn)線通過

32、進(jìn)線電抗器接在,公共的交流母線,上。,,,?,因?yàn)殡娫催M(jìn)線端公用，所以三組的,輸出端必須隔離,；為此，交流電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組必須拆開，共引出,6,根線。,,?,主要用于,中等容量,的交流調(diào)速系統(tǒng)。,,,A,B,C,0,A,0,B,0,C,40,/53,6.3.2,三相交交變頻電路,圖,6-20,輸出星形聯(lián)結(jié)方式三相交交變頻電路,,a,）簡圖,b,）詳圖,,◆,輸出星形聯(lián)結(jié)方式,,,?,三組輸出端是,星形聯(lián)結(jié),，電動(dòng)機(jī)的三個(gè)繞組也是,星形聯(lián)結(jié),，電動(dòng)機(jī)中點(diǎn)不和變頻器中點(diǎn)接在一起，電動(dòng)機(jī)只引出三根線即可。,,,?,因?yàn)槿M輸出聯(lián)接在一起，其,電源進(jìn)線必須隔離,，因此分別用三個(gè)變壓器供電。,,,?,構(gòu)

33、成三相變頻電路的六組橋式電路中，至少要有,不同輸出相的兩組橋中的四個(gè)晶閘管,同時(shí)導(dǎo)通才能構(gòu)成回路，形成電流。,,,?,同一組橋內(nèi)的兩個(gè)晶閘管靠,雙觸發(fā)脈沖,保證同時(shí)導(dǎo)通，兩組橋之間則是靠各自的觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，以保證同時(shí)導(dǎo)通。,41,/53,6.3.2,三相交交變頻電路,■,交交變頻電路是一種,直接變頻電路,。,,,◆,和交直交變頻電路比較，優(yōu)點(diǎn)是,,,?,只用,一次,變流，效率較高。,,?,可方便地實(shí)現(xiàn),四象限,工作。,,?,低頻輸出波形接近,正弦波,。,,,,◆,缺點(diǎn)是,,,,?,接線復(fù)雜，如采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用,36,只晶閘管。,,,?,受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)

34、的限制，,輸出頻率較低,；,輸入功率因數(shù)較低,。,,,?,輸入電流,諧波,含量大，頻譜復(fù)雜。,,,◆,交交變頻電路主要用于,500kW,或,1000kW,以上,的,大功率,、,低轉(zhuǎn)速,的交流調(diào)速電路中，目前已在軋機(jī)主傳動(dòng)裝置、鼓風(fēng)機(jī)、礦石破碎機(jī)、球磨機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等場合獲得了較多的應(yīng)用，既可用于異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，也可用于同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。,,本章內(nèi)容結(jié)束,43,/53,本章小結(jié),■,本章的要點(diǎn)如下,,◆,交流,—,交流變流電路的分類及其基本概念。,,◆,單相交流調(diào)壓電路的電路構(gòu)成，在電阻負(fù)載和阻感負(fù)載時(shí)的工作原理和波形特性。,,◆,三相交流調(diào)壓電路的基本構(gòu)成和基本工作原理。,,◆,交流調(diào)功電路和交流電

35、力電子開關(guān)的基本概念。,,◆,晶閘管相位控制交交變頻電路的電路構(gòu)成、工作原理。,,◆,各種交流,—,交流變流電路的主要應(yīng)用。,,,暫 停,45,/53,,6.3.2,三相交,-,交變頻電路,■,輸入輸出特性,,,◆,輸出上限頻率,和,輸出電壓諧波,與單相交交變頻電路是一致的。,,,◆,輸入電流,,,?,總的輸入電流由三個(gè)單相電路的同一相輸入電流合成而得到。,,,?,有些諧波相互抵消，諧波種類有所減少，總的諧波幅值也有所降低。,,,?,諧波頻率為,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

36、,,,,,,,,,,,,,,200,t,/,ms,輸出電壓,單相輸出時(shí),U,相輸入電流,三相輸出時(shí),U,相輸入電流,200,t,/,ms,200,t,/,ms,圖,6-21,交,-,交變頻電路的輸入電流波形,,和,,式中,k,=1,2,3,…,；,l,=0,1,2,…,。,(6-21),(6-22),46,/53,,6.3.2,三相交交變頻電路,?,當(dāng)變流電路采用三相橋式電路時(shí)，三相交交變頻電路輸入諧波電流的,主要頻率,為,f,i,±6f,o,、,5f,i,、,5f,i,±6f,o,、,7f,i,、,7f,i,±6f,o,、,11f,i,、,11f,i,±6f,o,、,13f,i,、,13f,

37、i,±6f,o,等，其中,5f,i,次諧波的幅值最大。,,◆,輸入功率因數(shù),,,?,總輸入功率因數(shù)為,?,三相電路總的,有功功率,為各相有功功率之和。,,,?,視在功率,不能簡單相加，而應(yīng)該由總輸入電流有效值和輸入電壓有效值來計(jì)算，比三相各自的視在功率之和要小，因此三相交交變頻電路總輸入功率因數(shù)要高于單相交交變頻電路。,,,?,從另一個(gè)角度看， 三相的,輸入位移因數(shù),與單相輸出時(shí)相同，由于三個(gè)單相交交變頻電路的部分輸入電流諧波相互抵消，三相系統(tǒng)的,基波因數(shù),增大，使其功率因數(shù)得以提高。,,,?,功率因數(shù)低,仍是三相交交變頻電路的一個(gè)主要缺點(diǎn)。,(6-23),47,/53,6.3.2,三相交交變

38、頻電路,■,改善輸入功率因數(shù)和提高輸出電壓,,,◆,基本思路：三相交,-,交變頻電路中，各相輸出的是相電壓，而加在負(fù)載上的是線電壓，如果在各相電壓中疊加同樣的,直流分量,或,3,倍于輸出頻率的諧波分量,，它們都不會(huì)在線電壓中反映出來，因而也加不到負(fù)載上，利用這一特性可以使輸入功率因數(shù)得到改善并提高輸出電壓。,,,◆,直流偏置,,,?,當(dāng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，變頻器輸出電壓幅值很低，各組變流電路的,?,角都在,90°,附近，因此輸入功率因數(shù)很低。,,,?,如果給各相的輸出電壓都疊加上同樣的直流分量，控制角,?,將減小，但變頻器,輸出線電壓并不改變,。,48,/53,6.3.2,三相交交變頻電路,

39、圖,6-22,梯形波控制方式的理想輸出電壓波形,◆,梯形波輸出控制方式,,,?,相當(dāng)于給相電壓中疊加了三次諧波，也稱為,交流偏置,。,,?,使三組單相變頻器的輸出電壓,u,AN’,均為梯形波（也稱準(zhǔn)梯形波），梯形波的主要諧波成分是,三次諧波,，在線電壓中，三次諧波相互抵消，結(jié)果線電壓,u,AB,仍為正弦波,。,,,?,電路工作在高輸出電壓區(qū)域（即梯形波的平頂區(qū)）時(shí)間增加，,?,角較小，因此輸入功率因數(shù)可得到改善。,,,?,可以使變頻器的輸出電壓提高約,15%,。,,49,/53,6.4,矩陣式變頻電路,,圖,6-23,矩陣式變頻電路,,■,矩陣式變頻電路,,,◆,是一種,直接變頻,電路，控制方

40、式是,斬控方式,。,,,◆,圖,6-23a,是矩陣式變頻電路的主電路拓樸，,b,給出了應(yīng)用較多的一種開關(guān)單元，三相輸入電壓為,u,a,、,u,b,和,u,c,，三相輸出電壓為,u,u,、,u,v,和,u,w,，,9,個(gè)開關(guān)器件組成,3×3,矩陣。,,◆,優(yōu)點(diǎn),,,?,輸出電壓可控制為正弦波，頻率不受電網(wǎng)頻率的限制。,,,?,輸入電流也可控制為正弦波且和電壓同相，功率因數(shù)為,1,，也可控制為需要的功率因數(shù)。,,,?,能量可雙向流動(dòng)，適用于交流電動(dòng)機(jī)的,四象限,運(yùn)行。,,,?,不通過中間直流環(huán)節(jié)而直接實(shí)現(xiàn)變頻，,效率,較高。,,50,/53,,6.4,矩陣式變頻電路,■,矩陣式變頻電路的基本工作原

41、理,,,◆,構(gòu)造輸出電壓,,,?,單相輸入,,,√,輸出電壓,u,o,為,,√,可利用的輸入電壓部分只有如圖,6-24a,所示的單相電壓陰影部分，因此輸出電壓,u,o,將受到很大的局限，無法得到所需要的輸出波形。,圖,6-24,構(gòu)造輸出電壓時(shí)可利用的輸入電壓部分,,a),單相輸入,,(6-24),51,/53,6.4,矩陣式變頻電路,?,三相輸入相電壓,,,√,用圖,6-23a,中第一行的,3,個(gè)開關(guān),S,11,、,S,12,和,S,13,共同作用來構(gòu)造,u,相輸出電壓,u,u,，就可利用圖,6-24b,的三相相電壓包絡(luò)線中所有的陰影部分。,,,√,理論上所構(gòu)造的,u,u,的頻率可不受限制，但

42、其最大幅值僅為輸入相電壓幅值的,0.5,倍。,,?,三相輸入線電壓,,,√,用圖,6-23a,中第一行和第二行的,6,個(gè)開關(guān)共同作用來構(gòu)造輸出,線電壓,u,uv,，就可利用圖,6-24c,中,6,個(gè)線電壓包絡(luò)線中所有的陰影部分。,,√,其最大幅值就可達(dá)到輸入線電壓幅值的,0.866,倍，這也是正弦波輸出條件下矩陣式變頻電路理論上最大的輸出輸入電壓比。,圖,6-24 b),三相輸入相電壓構(gòu)造輸出相電壓,,,c),三相輸入線電壓構(gòu)造輸出線電壓,,52,/53,6.4,矩陣式變頻電路,,◆,基本的輸入輸出關(guān)系,,,?,以相電壓輸出方式為例進(jìn)行分析，,u,相輸出電壓,u,u,和各相輸入電壓的關(guān)系為,,

43、,式中,?,11,、,?,,12,和,?,,13,為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)開關(guān),S,11,、,S,12,、,S,13,的導(dǎo)通占空比，且 。,,?,輸入輸出電壓的關(guān)系,,式中,可縮寫為,?,稱為調(diào)制矩陣,，它是時(shí)間的函數(shù)，每個(gè)元素在每個(gè)開關(guān)周期中都是不同的。,(6-25),(6-27),(6-28),53,/53,6.4,矩陣式變頻電路,?,輸入輸出電流的關(guān)系,,可縮寫為,?,對一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)來說，輸入電壓和所需要的輸出電流是已知的，設(shè)其分別為,,(6-29),(6-30),(6-31),54,/53,6.4,矩陣式變頻電路,,,變頻電路希望

44、的輸出電壓和輸入電流分別為,,,(6-32),(6-33),(6-34),55,/53,6.4,矩陣式變頻電路,當(dāng)期望的輸入功率因數(shù)為,1,時(shí)，,?,i,=0,。把式,(6-31)~,式,(6-34),代入式,(6-27),和式,(6-29),，可得,,,(6-35),(6-36),能求得滿足式,(6-35),和式,(6-36),的,調(diào)制矩陣,?,，就可得到式中所希望的輸出電壓和輸入電流。,56,/53,6.4,矩陣式變頻電路,?,要使矩陣式變頻電路能夠很好地工作，有兩個(gè)基本問題必須解決。首先要解決的問題是如何求取理想的,調(diào)制矩陣,?,，其次就是在開關(guān)切換時(shí)如何實(shí)現(xiàn)既,無交疊又無死區(qū),。,,,

45、■,發(fā)展現(xiàn)狀和突出優(yōu)點(diǎn),,,◆,尚未進(jìn)入實(shí)用化,,,?,所用的開關(guān)器件為,18,個(gè)，電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高，控制方法還不算成熟。,,,?,輸出輸入最大電壓比只有,0.866,，用于交流電機(jī)調(diào)速時(shí)輸出電壓偏低 。,,◆,突出優(yōu)點(diǎn),,,?,矩陣式變頻電路有十分理想的,電氣性能,，它可使輸出電壓和輸入電流均為正弦波，輸入功率因數(shù)為,1,，且能量可雙向流動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。,,,?,和目前廣泛應(yīng)用的交直交變頻電路（將在,10.2,節(jié)介紹）相比，雖多用了,6,個(gè)開關(guān)器件，卻省去了,直流側(cè)大電容,，將使體積減小，且容易實(shí)現(xiàn),集成化,和,功率模塊化,。,,,◆,在電力電子器件制造技術(shù)飛速進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的今天，矩陣式變頻電路將有很好的發(fā)展前景。,