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1、电力电子学电力电子学电力电子变换和控制技术（第三版）陈陈 坚坚 编著编著华中科技大学华中科技大学第6章 交流/交流变换器 6.1 晶闸管交流电压控制器的类型晶闸管交流电压控制器的类型6.2 单相交流电压控制器单相交流电压控制器6.3 三相全波交流电压控制器三相全波交流电压控制器*6.4 变压器抽头电压控制器变压器抽头电压控制器*6.5 晶闸管相控交流晶闸管相控交流/交流直接变频器交流直接变频器*6.6 矩阵式交流矩阵式交流/交流变频器交流变频器第六章第六章 交流交流/交流变换器交流变换器第6章 交流/交流变换器 l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
2、流变成另一种形式交流的电路把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路交流电压交流电压 控制器控制器频率不变，仅改变电压大小频率不变，仅改变电压大小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 直接 交直交变频 间接u 采用晶闸管作开关器件时，依靠交流电源瞬时值过零反向关断晶闸管。晶采用晶闸管作开关器件时，依靠交流电源瞬时值过零反向关断晶闸管。晶 闸管开关器件的开通则可采用移相控制，调控变换器输出电压的大小。闸管开关器件的开通则可采用移相控制，调控变换器输出电压的大小。u 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。单相电压控制器常用于小功率单相电动机、
3、照明和电加热控制。u三相交流三相交流-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，实现变压调速，或作为异步电动机的启动器使用。流异步电动机供电，实现变压调速，或作为异步电动机的启动器使用。第6章 交流/交流变换器 6.1 晶闸管交流电压控制器的类型n6.1.1 单相全控单相全控 n6.1.2 带中线星形联结带中线星形联结n6.1.3 无中线的三相连接无中线的三相连接n6.1.4 三角形联结的控制器三角形联结的控制器第6章 交流/交流变换器 6.1 晶闸管交流电压控制器的类型n6.1.1 单相全控单相全控 n
4、6.1.2 带中线星形联结带中线星形联结n6.1.3 无中线的三相连接无中线的三相连接n6.1.4 三角形联结的控制器三角形联结的控制器第6章 交流/交流变换器 单相全控单相全控两个反并两个反并联晶闸管联晶闸管负载电压、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确定确定通态时通态时断态时断态时第6章 交流/交流变换器 6.1 晶闸管交流电压控制器的类型n6.1.1 单相全控单相全控 n6.1.2 带中线星形联结带中线星形联结n6.1.3 无中线的三相连接无中线的三相连接n6.1.4 三角形联结的控制器三角形联结的控制器第6章 交流/交流变换器 带中线星形联结带中线星形联结带中线星形
5、联结带中线星形联结l三个单相交流电压控制器可组合成带中线的三相交流电压控制器时，中线电流约等于相电流时，中线电流约等于相电流中线电流大中线电流大第6章 交流/交流变换器 6.1 晶闸管交流电压控制器的类型n6.1.1 单相全控单相全控 n6.1.2 带中线星形联结带中线星形联结n6.1.3 无中线的三相连接无中线的三相连接n6.1.4 三角形联结的控制器三角形联结的控制器第6章 交流/交流变换器 无中线的三相连接无中线的三相连接无中线的三相连接无中线的三相连接输入电流中没有输入电流中没有3次次及及3的倍数次谐波的倍数次谐波第6章 交流/交流变换器 6.1 晶闸管交流电压控制器的类型n6.1.1
6、 单相全控单相全控 n6.1.2 带中线星形联结带中线星形联结n6.1.3 无中线的三相连接无中线的三相连接n6.1.4 三角形联结的控制器三角形联结的控制器第6章 交流/交流变换器 三角形联结的控制器三角形联结的控制器三角形联结的控制器三角形联结的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相负载相负载第6章 交流/交流变换器 6.2 单相交流电压控制器n6.2.1 电阻负载电阻负载 n6.2.2 电阻、电感性负载电阻、电感性负载n*6.2.3 PWM交流电压控制器交流电压控制器第6章 交流/交流变换器 6.2 单相交流电压控制器n6.2.1 电阻负载电阻负载 n6.
7、2.2 电阻、电感性负载电阻、电感性负载n*6.2.3 PWM交流电压控制器交流电压控制器第6章 交流/交流变换器 单相交流电压控制器：电阻负载电阻负载电阻负载电阻负载 l利用傅立叶级数可求利用傅立叶级数可求出基波及各次谐波出基波及各次谐波。第6章 交流/交流变换器 表表6.1 不同触发角不同触发角时基波时基波V1m和和3-15次谐波电压次谐波电压(电流电流)的的相对值相对值单相交流电压控制器：电阻负载电阻负载电阻负载电阻负载 第6章 交流/交流变换器 单相交流电压控制器：电阻负载电阻负载电阻负载电阻负载 第6章 交流/交流变换器 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
8、时基波及谐波幅值分布图6.2 单相交流电压控制器n6.2.1 电阻负载电阻负载 n6.2.2 电阻、电感性负载电阻、电感性负载n*6.2.3 PWM交流电压控制器交流电压控制器第6章 交流/交流变换器 单相交流电压控制器:阻感负载阻感负载第6章 交流/交流变换器 = =时时：vo 、is、io均为正弦波均为正弦波 时：时：第6章 交流/交流变换器 O 输出电压有效值输出电压有效值Vo 、负载电流有效值、负载电流有效值Io 、晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值IT为：为：单相交流电压控制器:阻感负载阻感负载第6章 交流/交流变换器 单相交流电压控制器:阻感负载阻感负载 导通角导通角与控制角与控制角
9、的关系曲线的关系曲线（以负载阻抗角（以负载阻抗角为参变量）为参变量）第6章 交流/交流变换器 单相交流电压控制器:阻感负载阻感负载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第6章 交流/交流变换器 例题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）角控制范围；（角控制范围；（2）最大电流有效）最大电流有效值；（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，最大电流有效值Io为：为：（3）最大功率最大功率 ( 时时
10、)在在 的非正弦电流工作情况下，功率因数将小于基波相移因数。的非正弦电流工作情况下，功率因数将小于基波相移因数。 注：注：第6章 交流/交流变换器 6.2 单相交流电压控制器n6.2.1 电阻负载电阻负载 n6.2.2 电阻、电感性负载电阻、电感性负载n*6.2.3 PWM交流电压控制器交流电压控制器第6章 交流/交流变换器 PWMPWM交流电压控制器交流电压控制器交流电压控制器交流电压控制器S1、S2导通时，S3、S4断开：S3、S4导通时，S1、S2断开：第6章 交流/交流变换器 6.3 三相全波交流电压控制器n6.3.1 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 n6.3.2
11、 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第6章 交流/交流变换器 6.3 三相全波交流电压控制器n n6.3.1 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 n n6.3.2 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第6章 交流/交流变换器 三相三相Y联结电压控制器联结电压控制器T1-T6依序相差依序相差60触发，触发，脉宽大于脉宽大于60各相电源由负变正的过零点为各相电源由负变正的过零点为计算起点计算起点第一类工作状态第一类工作状态：三相同时工作，在同三相同时工作，在同一时刻，每一相有一一时刻，每一相有一个晶闸管导电。个晶闸管导电。第二类工作状态：
12、第二类工作状态：二相同时工作，同一时二相同时工作，同一时刻仅二相各有一个晶闸刻仅二相各有一个晶闸管导电，第三相中的两管导电，第三相中的两个晶闸管都不导电。个晶闸管都不导电。第6章 交流/交流变换器 控制角控制角=0，三相同时导电三相同时导电，180导电。导电。三相三相Y联结电压控制器联结电压控制器 = 60：两相同时导电，：两相同时导电， 120导电导电区间区间I:I: 区间区间II:II: 第6章 交流/交流变换器 三相三相Y联结电压控制器联结电压控制器 = 120：两相间断续导电，：两相间断续导电， 导电角小于导电角小于120区间区间I:I: 区间区间II:II: 第6章 交流/交流变换器
13、 =150：完全不能导电。：完全不能导电。三相三相Y联结电压控制器联结电压控制器F工作状态小结：工作状态小结：处于：处于第一类第一类工作状态工作状态（三相同时导电）。（三相同时导电）。：每隔：每隔30交替出现交替出现第一类第一类和和第二类第二类工作状态。工作状态。O 3060O30O 6090：处于：处于第二类第二类工作状态工作状态（两相同时导电）两相同时导电）O 90150：交替处于：交替处于第二类第二类工作状态和工作状态和断流断流状态。状态。O 150：电路：电路全断流全断流，不能工作。，不能工作。u电阻负载：控制角电阻负载：控制角的调控范围的调控范围为：为：0- 150u 三相阻感性负载
14、，分析方法与单相电路相同。三相阻感性负载，分析方法与单相电路相同。第6章 交流/交流变换器 6.3 三相全波交流电压控制器n6.3.1 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 n6.3.2 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第6章 交流/交流变换器 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流电压控制器三相开口三角形交流电压控制器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。三相开口三角形电压控制器三相开口三角形电压控制器第6章 交流/交流变换器 *6.4 变压器抽头电压控制器k=0,1,2.图中输出电图
15、中输出电压的包络线：压的包络线：OABDHKGOABDHKG优点：优点：负载负载电压、电流电压、电流谐波可控性谐波可控性好，输入电好，输入电流的谐波含流的谐波含量少量少第6章 交流/交流变换器 *6.5 晶闸管相控交流交流直接变频器n 6.5.1 基本工作原理基本工作原理 n 6.5.2 实用电路结构实用电路结构n 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第6章 交流/交流变换器 *6.5 晶闸管相控交流交流直接变频器n 6.5.1 基本工作原理基本工作原理 n 6.5.2 实用电路结构实用电路结构n 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
16、的优缺点第6章 交流/交流变换器 基本工作原理基本工作原理正反组单相全控桥变流器并联构成单相直接变频器。正反组单相全控桥变流器并联构成单相直接变频器。控制正反组变流器的控制正反组变流器的 随时间周期性变化。随时间周期性变化。负载负载输出电流输出电流与与输出电压输出电压不同相位时，正不同相位时，正反组变流器在不同时段工作在反组变流器在不同时段工作在整流整流或或有源有源逆变逆变工况。工况。半控桥变流器不能构成交交变频器。半控桥变流器不能构成交交变频器。第6章 交流/交流变换器 基本工作原理基本工作原理F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：改变相控角改变相控角( (
17、或或 ) )在一个脉波周期中只能得到一个输出电压平均值，在一个脉波周期中只能得到一个输出电压平均值，因此：因此：u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。越多，谐波含量越少。u输出相同频率的交交变频器，拓扑结构输入的相数越多，脉波数越输出相同频率的交交变频器，拓扑结构输入的相数越多，脉波数越多，输出电压的脉波数就越多，谐波含量越少。多，输出电压的脉波数就越多，谐波含量越少。第6章 交流/交流变换器 *6.5 晶闸管相控交流交流直接变频器n 6.5.1 基本工作原理基本工作原理 n 6.5.2 实用电
18、路结构实用电路结构n 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第6章 交流/交流变换器 实用电路结构实用电路结构三相交交变频三相交交变频器每相采用的器每相采用的晶闸管元件越晶闸管元件越多，输出波形多，输出波形越好越好第6章 交流/交流变换器 *6.5 晶闸管相控交流交流直接变频器n 6.5.1 基本工作原理基本工作原理 n 6.5.2 实用电路结构实用电路结构n 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第6章 交流/交流变换器 436.5.3 交流交流相控直接变频的优缺点 l 适用范围：大功率低速可逆传动系统适用范围：大功率低速可逆传
19、动系统第6章 交流/交流变换器 优点：优点：缺点：缺点： u输出频率低；输出频率低；u晶闸管用量多，且控制复杂；晶闸管用量多，且控制复杂；u输入功率因数低；输入功率因数低；u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；u只需一级变换环节；只需一级变换环节；u晶闸管工作在自然换流工况；晶闸管工作在自然换流工况；u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；u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。*6.6 矩阵式交流交流变频器n6.6.0 6.6.0 概述概述n6.6.1 6.6.1 矩阵
20、式交交变频器的控制方法矩阵式交交变频器的控制方法n6.6.2 6.6.2 矩阵式交交变频器的优缺点矩阵式交交变频器的优缺点第6章 交流/交流变换器 *6.6 矩阵式交流交流变频器n6.6.0 6.6.0 概述概述n6.6.1 6.6.1 矩阵式交交变频器的控制方法矩阵式交交变频器的控制方法n6.6.2 6.6.2 矩阵式交交变频器的优缺点矩阵式交交变频器的优缺点第6章 交流/交流变换器 概述概述交流交流直接变频器中的交流交流直接变频器中的半控半控元元件晶闸管改为件晶闸管改为全控全控元件（如元件（如IGBT）可以构成）可以构成矩阵式交交直矩阵式交交直接变频器接变频器（Matrix AC-AC C
21、onverter）图图(a)中任一开关都是双向可控开关中任一开关都是双向可控开关图图(b)是构成双向开关的方案之一是构成双向开关的方案之一对图对图(a)中的中的9个双向开关器件进行高频个双向开关器件进行高频SPWM控制，就可获得频率、电压均可控制，就可获得频率、电压均可调控的三相对称的交流输出电压调控的三相对称的交流输出电压第6章 交流/交流变换器 6.11(a)6.11(a)6.11(b)6.11(b)*6.6 矩阵式交流交流变频器n6.6.0 6.6.0 概述概述n6.6.1 6.6.1 矩阵式交交变频器的控制方法矩阵式交交变频器的控制方法n6.6.2 6.6.2 矩阵式交交变频器的优缺点
22、矩阵式交交变频器的优缺点第6章 交流/交流变换器 矩阵式交交变频器的控制方法矩阵式交交变频器的控制方法O图图6.11a6.11a中的输出电压中的输出电压v va a、v vb b、v vc c满足以下关系：满足以下关系：矩阵中矩阵中9 9个开关函数表明了图个开关函数表明了图6.11a6.11a中中9 9个可控开关（个可控开关（1818个个IGBTIGBT）的工作状态）的工作状态其开通、关断切换原则其开通、关断切换原则：u满足矩阵函数关系满足矩阵函数关系u不造成交流电源两相短路不造成交流电源两相短路u不引起感性负载开路过电压不引起感性负载开路过电压第6章 交流/交流变换器 6.11(a)6.11
23、(a)*6.6 矩阵式交流交流变频器n6.6.0 6.6.0 概述概述n6.6.1 6.6.1 矩阵式交交变频器的控制方法矩阵式交交变频器的控制方法n6.6.2 6.6.2 矩阵式交交变频器的优缺点矩阵式交交变频器的优缺点第6章 交流/交流变换器 矩阵式交交变频器的优缺点矩阵式交交变频器的优缺点优点：优点：u自关断元件工作频率高，采用自关断元件工作频率高，采用SPWMSPWM波工作方式可获得较理想波工作方式可获得较理想 的正弦电压的正弦电压u输出波形交流输入功率因数高输出波形交流输入功率因数高u交流输入电流谐波频率高，便于滤波抑制交流输入电流谐波频率高，便于滤波抑制缺点：缺点： u采用价格偏高
24、的自关断元件采用价格偏高的自关断元件u自关断元件耐冲击能力不如半控元件晶闸管自关断元件耐冲击能力不如半控元件晶闸管u系统检测、控制复杂系统检测、控制复杂第6章 交流/交流变换器 本章小结相控晶闸管构成的交交变换器分为两类：相控晶闸管构成的交交变换器分为两类：u变压不变频的交流电压控制器变压不变频的交流电压控制器( (交流调压器交流调压器) )；u变压变频的直接变频器变压变频的直接变频器单相调压器纯电阻负载晶闸管控制角范围：单相调压器纯电阻负载晶闸管控制角范围：电阻电感性负载晶闸管控制角范围：电阻电感性负载晶闸管控制角范围：三相调压器最常见的结构为：三相调压器最常见的结构为：F无中线的三相连接方式无中线的三相连接方式阻感性负载时具有多类工作状态阻感性负载时具有多类工作状态采用晶闸管的相控交交直接变频器可自然换流采用晶闸管的相控交交直接变频器可自然换流主要用于大功率可逆传动系统主要用于大功率可逆传动系统全可控元件全可控元件( (如如IGBT)IGBT)构成的矩阵式交交变频器性能优越构成的矩阵式交交变频器性能优越第6章 交流/交流变换器
