第6章交流交流变流电路ppt课件

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1、第第6 6章章 交流交流变流电路交流交流变流电路 6.1 6.1 交流调交流调压电路压电路 6.2 6.2 其他交其他交流电力控制电路流电力控制电路 6.3 6.3 交交变交交变频电路频电路 6.4 6.4 矩阵式矩阵式变频电路变频电路 本章本章小结小结引言交流交流- -交流变流电路：把一种方式的交流变成另一种方式交流变流电路：把一种方式的交流变成另一种方式交流的电路。交流的电路。交流交流- -交流变换电路可以分为直接方式即无中间直流环交流变换电路可以分为直接方式即无中间直流环节和间接方式有中间直流环节两种。节和间接方式有中间直流环节两种。直接方式直接方式 交流电力控制电路：只改动电压、电流或

2、对电路的通交流电力控制电路：只改动电压、电流或对电路的通断进展控制，而不改动频率的电路。断进展控制，而不改动频率的电路。 变频电路：改动频率的电路。变频电路：改动频率的电路。6.1 交流调压电路交流调压电路 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路6.1 交流调压电路交流调压电路引言引言把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，经过对晶闸管的控制就可把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，经过对晶闸管的控制就可以控制交流输出。以控制交流输出。 交流电力控制电路交流电力控制电路 交流调压电路：在每半个周波内经过对晶闸管开通相位的控制，调交流调压电路：在

3、每半个周波内经过对晶闸管开通相位的控制，调理输出电压有效值的电路。理输出电压有效值的电路。 交流调功电路：以交流电周期为单位控制晶闸管的通断，改动通交流调功电路：以交流电周期为单位控制晶闸管的通断，改动通态周期数和断态周期数的比，调理输出功率平均值的电路。态周期数和断态周期数的比，调理输出功率平均值的电路。 交流电力电子开关：串入电路中根据需求接通或断开电路的晶闸交流电力电子开关：串入电路中根据需求接通或断开电路的晶闸管。管。运用运用 灯光控制如调光台灯和舞台灯光控制灯光控制如调光台灯和舞台灯光控制) )。 异步电动机软起动。异步电动机软起动。 异步电动机调速。异步电动机调速。 供用电系统对无

4、功功率的延续调理。供用电系统对无功功率的延续调理。 在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调理变压器一次电在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调理变压器一次电压。压。6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt图图6-1 电阻负载单相交流电阻负载单相交流调压电路及其波形调压电路及其波形电阻负载电阻负载 任务过程任务过程 在交流电源在交流电源u1的正半周和负半周，分别对的正半周和负半周，分别对VT1和和VT2的开通角的开通角 进展控制就可以调理输出电压。进展控制就可以调理输出电压。 根本的数量关系根本的数量关系 负载电压有效值负载电压有效值Uo 负

5、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 功率因数功率因数 (6-1)(6-2)(6-3)(6-4)6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路VT1图图6-2 阻感负载单相交流阻感负载单相交流调压电路及其波形调压电路及其波形阻感负载阻感负载 任务过程任务过程 假设晶闸管短接，稳态时负载电流为假设晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于正弦波，相位滞后于u1的角度为的角度为 ，当用晶闸，当用晶闸管控制时，只能进展滞后控制，使负载电流管控制时，只能进展滞后控制，使负载电流更为滞后。更为滞后。 设负载的阻抗角为设负载的阻抗角为 ，稳态，稳态时时 的移相范围应为的移

6、相范围应为 。 在在 t= 时辰开通晶闸管时辰开通晶闸管VT1，可求得，可求得导通角导通角 ，即，即 的移相范围为的移相范围为0 ，随着，随着 的增大，的增大，Uo逐渐降低，逐渐降低， 逐渐降低。逐渐降低。 (6-7)6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路图图6-3 单相交流调压电路以单相交流调压电路以 为参变量的为参变量的 和和 关系曲线关系曲线 以以 为参变量，利用式为参变量，利用式(6-7)可以把可以把 和和 的关系用图的关系用图6-3的一簇曲线来表示。的一簇曲线来表示。6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路根本的数量关系根本的数量关系 负载电压有效值负载电压有效值Uo 晶闸

7、管电流有效值晶闸管电流有效值IVT (6-8)(6-9)6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路负载电流有效值负载电流有效值Io 晶闸管电流晶闸管电流IVT的标么值的标么值 式中式中图图6-4 单相交流调压电路单相交流调压电路 为参变量时为参变量时IVTN和和 关系曲线关系曲线(6-10)(6-11)6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 时的任务情况时的任务情况 VT1的导通时间超越的导通时间超越 。 触发触发VT2时，时，io尚未过零，尚未过零，VT1仍导通，仍导通，VT2不会导通，不会导通，io过零后，过零后，VT2才才可开通，可开通，VT2导通角小于导通角小于 。 io有指数

8、衰减分量，在指数分量衰减过程中，有指数衰减分量，在指数分量衰减过程中，VT1导通时间渐短，导通时间渐短，VT2的的导通时间渐长。导通时间渐长。图图6-5 时阻感负载交流调压电路任务波形时阻感负载交流调压电路任务波形6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路例例6-1 一单相交流调压器，输入交流电压为一单相交流调压器，输入交流电压为220V，50Hz，负载为电阻电感，负载为电阻电感，其中其中R=8W，XL=6 W。试求。试求 = /6、 /3时的输出电压、电流有效值及输入功时的输出电压、电流有效值及输入功率和功率因数。率和功率因数。 解：负载阻抗及负载阻抗角分别为：解：负载阻抗及负载阻抗角分别

9、为： 因此开通角因此开通角 的变化范围为：的变化范围为： 即即当当 = /6时，由于时，由于 ,因此晶闸管调压器全开放，输出电压为完好因此晶闸管调压器全开放，输出电压为完好的正弦波，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为的正弦波，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路功率因数为功率因数为实践上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦。实践上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦。 时，先计算晶闸管的导通角，由式时，先计算晶闸管的导通角，由式6-7得得 解上式可得晶闸管导通角为：解上式可得晶闸管导通角为：6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路6.

10、1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路单相交流调压电路的谐波分析单相交流调压电路的谐波分析 带电阻负载时，对负载电压带电阻负载时，对负载电压uo进展谐波分析进展谐波分析 式中式中(n=3,5,7,)(n=3,5,7,)(6-12)6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路基波和各次谐波的有效值可按下式求出基波和各次谐波的有效值可按下式求出负载电流基波和各次谐波的有效值为负载电流基波和各次谐波的有效值为图图6-6 电阻负载单相交流调电阻负载单相交流调压电路基波调和波电流含量压电路基波调和波电流含量 (n=1,3,5,7,) (6-13)(6-14)电流基波和各次谐波标么值随电流基波和各次谐波

11、标么值随 变化的曲线，如图变化的曲线，如图6-6所示，其中基准电流为所示，其中基准电流为 =0时的电流有效值。时的电流有效值。 阻感负载时阻感负载时 电流谐波次数和电阻负载时一样，也只含电流谐波次数和电阻负载时一样，也只含3、5、7等次谐波。等次谐波。 随着次数的添加，谐波含量减少。随着次数的添加，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和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一些。量少一些。 当当 角一样时，随着阻抗角角一样时，随着阻抗角 的增大，谐波含量的增大，谐波含量有所减少。有所减少。6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路图图6-7 斩控式交流调压电路斩控式交

12、流调压电路斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路 任务原理任务原理 用用V1，V2进展斩波控制，用进展斩波控制，用V3，V4给给负载电流提供续流通道。负载电流提供续流通道。 设斩波器件设斩波器件V1，V2导通时间为导通时间为ton，开关周期为，开关周期为T，那么导通比，那么导通比 =ton/T ，经过，经过改动改动 来调理输出电压。来调理输出电压。 电源电流的基波分量是和电源电压同相电源电流的基波分量是和电源电压同相位的，即位移因数为位的，即位移因数为1，电源电流中不含低次，电源电流中不含低次谐波，只含和开关周期谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波，这有关的高次谐波，这些高次谐波用很小的滤波器即

13、可滤除，这时些高次谐波用很小的滤波器即可滤除，这时电路的功率因数接近电路的功率因数接近1。 图图6-8 电阻负载斩控式交电阻负载斩控式交流调压电路波形流调压电路波形6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路根据三相结合方式的不同，三相交流调压电路具有多种根据三相结合方式的不同，三相交流调压电路具有多种 方式：方式：图图6-9 三相交流调压电路三相交流调压电路a)星形结合星形结合 b)支路控制三角形结合支路控制三角形结合 c)中点控制三角形结合中点控制三角形结合 6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路星形结合电路星形结合电路 分为三相三线和三相四线两种情况。分为三相三线和三相四线两种情况

14、。 三线四相三线四相 相当于三个单相交流调压电路的组合，三相相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开互相错开120任务。任务。 基波和基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线，流过零线，3的整数倍次谐波是同相位的，不能在各的整数倍次谐波是同相位的，不能在各相之间流动，全部流过零线。相之间流动，全部流过零线。 =90时，零线电流和相电流有效值接近。时，零线电流和相电流有效值接近。 三相三线带电阻负载时的任务原理三相三线带电阻负载时的任务原理 任一相导通须和另一相构成回路，因此电流任一相导通须和另一相构成回路，因此电流通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉

15、冲或宽脉冲通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发。触发。 触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为为VT1 VT6,依次相差依次相差60。图图6-9 a)星形结合星形结合6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路图图6-10 不同不同 角时负载相电压波形角时负载相电压波形a) =30 b) =60 把相电压过零点定为开通角把相电压过零点定为开通角 的起点，的起点，三相三线电路中，两相间导通时是靠线电三相三线电路中，两相间导通时是靠线电压导通的，而线电压超前相电压压导通的，而线电压超前相电压30，因，因此此 角的移相范围是角的移相范围是015

16、0。根据任一时辰导通晶闸管个数以及半个根据任一时辰导通晶闸管个数以及半个周波内电流能否延续可将周波内电流能否延续可将0150的移相的移相范围分为如下三段范围分为如下三段 0 60范围内，电路处于三个晶闸范围内，电路处于三个晶闸管导通与两个晶闸管导通的交替形状，每管导通与两个晶闸管导通的交替形状，每个晶闸管导通角度为个晶闸管导通角度为180- ,但但 =0时是时是一种特殊情况，不断是三个晶闸管导通。一种特殊情况，不断是三个晶闸管导通。 60 90范围内，任一时辰都是两个范围内，任一时辰都是两个晶闸管导通，每个晶闸管的导通角度为晶闸管导通，每个晶闸管的导通角度为120。 6.1.2 三相交流调压电

17、路三相交流调压电路图图6-10 不同不同 角时负载相电压波形角时负载相电压波形 c) =120 90 150范围内，电路处于两范围内，电路处于两个晶闸管导通与无晶闸管导通的交替个晶闸管导通与无晶闸管导通的交替形状，每个晶闸管导通角度为形状，每个晶闸管导通角度为300-2 ，而且这个导通角度被分割为不延，而且这个导通角度被分割为不延续的两部分，在半周波内构成两个断续的两部分，在半周波内构成两个断续的波头，各占续的波头，各占150- 。 谐波分析谐波分析 电流谐波次数为电流谐波次数为6k1(k=1，2，3，)。 谐波次数越低，含量越大。谐波次数越低，含量越大。 和单相交流调压电路相比，没有和单相交

18、流调压电路相比，没有3的整数倍次谐波，由于三相对称时，的整数倍次谐波，由于三相对称时，它们不能流过三相三线电路。它们不能流过三相三线电路。6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路图图6-9 三相交流调压电路三相交流调压电路 b)支路控制三角形结合支路控制三角形结合支路控制三角结合电路支路控制三角结合电路 由三个单相交流调压电路组成，分由三个单相交流调压电路组成，分别在不同的线电压作用下任务。别在不同的线电压作用下任务。 单相交流调压电路的分析方法和结单相交流调压电路的分析方法和结论完全适用，输入线电流即电源电流论完全适用，输入线电流即电源电流为与该线相连的两个负载相电流之和。为与该线相连的

19、两个负载相电流之和。 谐波分析谐波分析 3倍次谐波相位和大小一样，在三倍次谐波相位和大小一样，在三角形回路中流动，而不出如今线电流中。角形回路中流动，而不出如今线电流中。 线电流中所谐波次数为线电流中所谐波次数为6k1(k为正为正整数整数)。 在一样负载和在一样负载和 角时，线电流中谐角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路。波含量少于三相三线星形电路。6.2 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路 6.2.1 交流调功电路交流调功电路 6.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关6.2.1 交流调功电路交流调功电路图图6-11 交流调功电路典型波形交流调功电路典型波形(M=3、N=2)

20、交流调功电路交流调功电路 任务原理任务原理 和交流调压电路的电路方式完全一样，只是控制方式不同。和交流调压电路的电路方式完全一样，只是控制方式不同。 经过改动接通周波数与断开周波数的比值来调理负载所耗费的经过改动接通周波数与断开周波数的比值来调理负载所耗费的平均功率。平均功率。 6.2.1 交流调功电路交流调功电路 谐波分析谐波分析 在交流电源接通期间，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流呵在交流电源接通期间，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流呵斥通常意义的谐波污染。斥通常意义的谐波污染。 假设以电源周期为基准，电流中不含整数倍频率的谐波，但含有非整数假设以电源周期为基准，电流中不含

21、整数倍频率的谐波，但含有非整数倍频率的谐波，而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。倍频率的谐波，而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。 图图6-11 交流调功电路典型波形交流调功电路典型波形(M=3、N=2) 图图6-12 交流调功电路的电流频谱图交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2) 6.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关交流电力电子开关：把晶闸管反并联串入交流电交流电力电子开关：把晶闸管反并联串入交流电路中，替代机械开关，起接通和断开电路的作用。路中，替代机械开关，起接通和断开电路的作用。优点：呼应速度快，没有触点，寿命长，可以频优点：呼应速度快，没有触点，寿

22、命长，可以频繁控制通断。繁控制通断。 与交流调功电路的区别与交流调功电路的区别 并不控制电路的平均输出功率。并不控制电路的平均输出功率。 通常没有明确的控制周期，只是根据需求控制通常没有明确的控制周期，只是根据需求控制电路的接通和断开。电路的接通和断开。 控制频度通常比交流调功电路低得多。控制频度通常比交流调功电路低得多。 6.3 交交变频电路交交变频电路 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路图图6-13 单相交交变频电路原单相交交变频电路原理图和输出电压波形理图和输出电压波形 交交变频电路是把电

23、网频率的交交交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路，由于没有中间直流环的变流电路，由于没有中间直流环节，因此属于直接变频电路。节，因此属于直接变频电路。电路构成和根本任务原理电路构成和根本任务原理 由由P组和组和N组反并联的晶闸管组反并联的晶闸管相控整流电路构成。相控整流电路构成。 任务原理任务原理 P组任务时，负载电流组任务时，负载电流io为为正，正， N组任务时，组任务时，io为负。为负。 改动两组变流器的切换频率，改动两组变流器的切换频率，就可以改动输出频率就可以改动输出频率 0 改动变流电路的控制角改动变流电路的控制角 ，就可以

24、改动交流输出电压的幅值。就可以改动交流输出电压的幅值。 6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路图图6-13 单相交交变频电路原单相交交变频电路原理图和输出电压波形理图和输出电压波形 为使为使uo波形接近正弦波，可按正波形接近正弦波，可按正弦规律对弦规律对 角进展调制。角进展调制。 在半个周期内让在半个周期内让P组组 角按正弦角按正弦规律从规律从90减到减到0或某个值，再添加或某个值，再添加到到90，每个控制间隔内的平均输出，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，电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零；另外半个周期可对再减到零；另外半个周期可对N组组进展同样的控制。进展同样

25、的控制。 uo由假设干段电源电压拼接而由假设干段电源电压拼接而成，在成，在uo的一个周期内，包含的电的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。正弦波。6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路图图6-14 理想化交交变频电理想化交交变频电路的整流和逆变任务形状路的整流和逆变任务形状整流与逆变任务形状整流与逆变任务形状 以阻感负载为例，把电路等效成图以阻感负载为例，把电路等效成图6-14a，二极管表达了交流电流的一方向性。，二极管表达了交流电流的一方向性。 设负载阻抗角为设负载阻抗角为 ，那么输出电流滞，那么输出电流滞后输出电压后输出电压 角，两

26、组变流电路采取无环角，两组变流电路采取无环流任务方式。流任务方式。 任务形状任务形状 t1t3期间：期间：io处于正半周，正组任处于正半周，正组任务，反组被封锁。务，反组被封锁。 t1t2阶段：阶段：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。 t2t3阶段：阶段：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。6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路图图6-14 理想化交交变频电理想化交交变频电路的整流和逆变任务形状路的整流和逆变任务形状 t3t5期间：期间：io处于负半周，反组任处于负半周，反组任务，正组被封锁。务，正

27、组被封锁。 t3t4阶段：阶段：uo和和io均为负，反组均为负，反组整流，输出功率为正。整流，输出功率为正。 t4t5阶段：阶段：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。结论结论 哪组变流电路任务由哪组变流电路任务由io方向决议，方向决议，与与uo极性无关。极性无关。 变流电路任务在整流还是逆变形状，变流电路任务在整流还是逆变形状，根据根据uo方向与方向与io方向能否一样来确定。方向能否一样来确定。6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路思索到无环流任务方式下负载电流过零的正反组切换死区时间，一思索到无环流任务方式下负载电流过零的正反组切换死区时

28、间，一周期的波形可分为周期的波形可分为6段：段： 第第1段段io0，为反组逆变；，为反组逆变； 第第2段电流过零，为切换死区；段电流过零，为切换死区； 第第3段段io0，uo0，为正组整流；，为正组整流； 第第4段段io0，uo0，为正组逆变；，为正组逆变； 第第5段又是切换死区；段又是切换死区； 第第6段段io0，uo0，为反组整流。，为反组整流。图图6-15 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6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路输出正弦波电压的调制方法输出正弦波电压的调制方法 主要引见最根本的余弦交点法。主要引见最根本的余弦交点法。 用余弦交点法求

29、交交变频电路用余弦交点法求交交变频电路 角的根本公式角的根本公式 每次控制间隔内输出电压的平均值为每次控制间隔内输出电压的平均值为 要得到的正弦波输出电压为要得到的正弦波输出电压为 比较式比较式(6-15)和和(6-16)，应使，应使 式中，式中， 称为输出电压比，称为输出电压比， 因此因此(6-15)(6-16)(6-17)(6-18)6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路图图6-16 余弦交点法原理余弦交点法原理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依次用依次用u1u6表示，相邻两个线电表示，相邻两个线电压的交点对应于压的交点对应于

30、 =0。 u1u6所对应的同步信号分别用所对应的同步信号分别用us1us6表示，表示，us1us6比相应的比相应的u1u6超前超前30，us1us6的最大值和相应线电压的最大值和相应线电压 =0的时辰对应，以的时辰对应，以 =0为零时辰，那么为零时辰，那么us1us6为余弦信号。为余弦信号。 希望输出电压为希望输出电压为uo，那么各晶闸管触发时辰由相应的同步电压，那么各晶闸管触发时辰由相应的同步电压us1us6的的下降段和下降段和uo的交点来决议。的交点来决议。6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路图图6-17 不同不同 时时 和和 ot的关系的关系不同输出不同输出 的情况下，的情况下，

31、在输出电压的一个周期在输出电压的一个周期内，控制角内，控制角 随随 ot 变变化的情况如图化的情况如图6-17，图，图中中 较小，即输出电压较较小，即输出电压较低时，低时， 只在离只在离90很近很近的范围内变化，电路的的范围内变化，电路的输入功率因数非常低。输入功率因数非常低。6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路输入输出特性输入输出特性 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数输出频率增高时，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

32、要要素。形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要要素。 就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难确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。定一个明确的界限。 当采用当采用6脉波三相桥式电路时，普通以为输出上限频脉波三相桥式电路时，普通以为输出上限频率不高于电网频率的率不高于电网频率的1/31/2，电网频率为，电网频率为50Hz时，交交时，交交变频电路的输出上限频率约为变频电路的输出上限频率约为20Hz。6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路图图6-18 交交变频电交交变频电路的输入位移因数路的输入位移因数输入功率因数输入功率因数 输入电流相位总是滞后于输输入电

33、流相位总是滞后于输入电压，需求电网提供无功功率。入电压，需求电网提供无功功率。 在输出电压的一个周期内，在输出电压的一个周期内， 角以角以90为中心而前后变化。为中心而前后变化。 输出电压比输出电压比 越小，半周期内越小，半周期内 的平均值越接近的平均值越接近90，位移因数，位移因数越低；负载功率因数越低，输入越低；负载功率因数越低，输入功率因数也越低。功率因数也越低。 不论负载功率因数是滞后的不论负载功率因数是滞后的还是超前的，输入的无功电流总还是超前的，输入的无功电流总是滞后的。是滞后的。6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 输出电压谐波输出电压谐波 输出电压的谐波频谱非常复杂，既

34、和电网频率输出电压的谐波频谱非常复杂，既和电网频率fi以及以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。 采用三相桥式电路时，输出电压主要谐波的频率为采用三相桥式电路时，输出电压主要谐波的频率为 6fifo，6fi3fo，6fi5fo， 12fifo，12fi3fo，12fi5fo， 采用无环流控制方式时，由于电流方向改动时死区的采用无环流控制方式时，由于电流方向改动时死区的影响，将添加影响，将添加5fo、7fo等次谐波。等次谐波。6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路 输入电流谐波输入电流谐波 输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，但输入电

35、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。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采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率为率为和和式中，式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。 (6-19)(6-20)6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路图图6-19 公共交流母线进线公共交流母线进线三相交交变频电路简图三相交交变频电路简图交交变频电路主要运用于大功率交流电交交变频电路主要运用于大功率交流电机调速系统，系统运用三相交交变频电路，机调速系统，系统运用三相交交变频电路，三相交交变频电路是由三组输出电压相位三相交交变频

36、电路是由三组输出电压相位各差各差120的单相交交变频电路组成的。的单相交交变频电路组成的。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 由三组彼此独立的、输出电压相位由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开相互错开120的单相交交变频电路构成。的单相交交变频电路构成。 电源进线经过进线电抗器接在公共电源进线经过进线电抗器接在公共的交流母线上。的交流母线上。 由于电源进线端公用，所以三组的由于电源进线端公用，所以三组的输出端必需隔离；输出端必需隔离； 主要用于中等容量的交流调速系统。主要用于中等容量的交流调速系统。 6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路图图6-20 输

37、出星形结合方式三相交交变频电路输出星形结合方式三相交交变频电路a简图简图 b详图详图 输出星形结合方式输出星形结合方式 三组输出端是星形结合，电动机的三个绕组也是星形结合。三组输出端是星形结合，电动机的三个绕组也是星形结合。 由于三组输出联接在一同，其电源进线必需隔离，因此用三个变压器供电。由于三组输出联接在一同，其电源进线必需隔离，因此用三个变压器供电。 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干构成回路，构成电流。四个晶闸管同时导通才干构成回路，构成电流。6.3.2 三相交交变频电路

38、三相交交变频电路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与单相交交变频电路是一致的。输出上限频率和输出电压谐波与单相交交变频电路是一致的。 输入电流输入电流 总的输入电流由三个单相电路的同一相输入电流合成而得到。总的输入电流由三个单相电路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。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。 谐波频率为谐波频率为200 t/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200t/ms200 t/ms图图6-21 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和和式中式

39、中k=1,2,3,；l=0,1,2,。 (6-21)(6-22)6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路输入功率因数输入功率因数 总输入功率因数为总输入功率因数为 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。 视在功率不能简单相加，而应该由总输入电流有效值和输入电压视在功率不能简单相加，而应该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，因此三相交交变频有效值来计算，比三相各自的视在功率之和要小，因此三相交交变频电路总输入功率因数要高于单相交交变频电路。电路总输入功率因数要高于单相交交变频电路。 从另一个角度看，从另一个角度看，

40、 三相的输入位移因数与单相输出时一样，由于三相的输入位移因数与单相输出时一样，由于三个单相交交变频电路的部分输入电流谐波相互抵消，三相系统的基三个单相交交变频电路的部分输入电流谐波相互抵消，三相系统的基波因数增大，使其功率因数得以提高。波因数增大，使其功率因数得以提高。 功率因数低仍是三相交交变频电路的一个主要缺陷。功率因数低仍是三相交交变频电路的一个主要缺陷。 (6-23)6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路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 根本思绪：三相交交变频电路中，各相输出的是相电压，而加在根本思绪：三相交交变频电路中，各相输出的是相电压，而加在负载

41、上的是线电压，假设在各相电压中叠加同样的直流分量或负载上的是线电压，假设在各相电压中叠加同样的直流分量或3倍于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，因此也加不输出频率的谐波分量，它们都不会在线电压中反映出来，因此也加不到负载上，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。压。 直流偏置直流偏置 当负载电动机低速运转时，变频器输出电压幅值很低，各组变当负载电动机低速运转时，变频器输出电压幅值很低，各组变流电路的流电路的 角都在角都在90附近，因此输入功率因数很低。附近，因此输入功率因数很低。 假设给各相的输出电

42、压都叠加上同样的直流分量，控制角假设给各相的输出电压都叠加上同样的直流分量，控制角 将将减小，但变频器输出线电压并不改动。减小，但变频器输出线电压并不改动。 6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路图图6-22 梯形波控制方式梯形波控制方式的理想输出电压波形的理想输出电压波形梯形波输出控制方式梯形波输出控制方式 相当于给相电压中叠加了三次谐波，也相当于给相电压中叠加了三次谐波，也称为交流偏置。称为交流偏置。 使三组单相变频器的输出电压使三组单相变频器的输出电压uAN均为均为梯形波也称准梯形波，梯形波的主要谐梯形波也称准梯形波，梯形波的主要谐波成分是三次谐波，在线电压中，三次谐波波成分是三次

43、谐波，在线电压中，三次谐波相互抵消，结果线电压相互抵消，结果线电压uAB仍为正弦波。仍为正弦波。 电路任务在高输出电压区域即梯形波电路任务在高输出电压区域即梯形波的平顶区时间添加，的平顶区时间添加， 角较小，因此输入功角较小，因此输入功率因数可得到改善。率因数可得到改善。 可以使变频器的输出电压提高约可以使变频器的输出电压提高约15%。 6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路交交变频电路是一种直接变频电路。交交变频电路是一种直接变频电路。 和交直交变频电路比较，优点是和交直交变频电路比较，优点是 只用一次变流，效率较高。只用一次变流，效率较高。 可方便地实现四象限任务。可方便地实现四象限

44、任务。 低频输出波形接近正弦波。低频输出波形接近正弦波。 缺陷是缺陷是 接线复杂，如采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用接线复杂，如采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只只晶闸管。晶闸管。 受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；输入功率受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；输入功率因数较低。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。 交交变频电路主要用于交交变频电路主要用于500kW或或1000kW以上的大功率、低转速的以上的大功率、低转速的交流调速电路中，目前已在轧机主传动安装、鼓风机、矿石破碎机、交流调速电路中，目前已在轧机主传

45、动安装、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场所获得了较多的运用，既可用于异步电动机传球磨机、卷扬机等场所获得了较多的运用，既可用于异步电动机传动，也可用于同步电动机传动。动，也可用于同步电动机传动。6.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路图图6-23 矩阵式变频电路矩阵式变频电路 矩阵式变频电路矩阵式变频电路 是一种直接变频电路，控制方式是斩控方式。是一种直接变频电路，控制方式是斩控方式。 优点优点 输出电压可控制为正弦波，频率不受电网频率的限制。输出电压可控制为正弦波，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，功率因数为输入电流也可控制为正弦波且和电压同相，功率因数为1，

46、也可控制为，也可控制为需求的功率因数。需求的功率因数。 能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运转。能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运转。 不经过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。不经过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。 6.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路矩阵式变频电路的根本任务原理矩阵式变频电路的根本任务原理 构造输出电压构造输出电压 单相输入单相输入 输出电压输出电压uo为为 可利用的输入电压部分只需如图可利用的输入电压部分只需如图6-24a所示的单相电压阴影部分，因此所示的单相电压阴影部分，因此输出电压输出电压uo将遭到很大的局限，无法得到所需求的输出波形。将遭到很大

47、的局限，无法得到所需求的输出波形。 图图6-24 构造输出电压时构造输出电压时可利用的输入电压部分可利用的输入电压部分 a) 单相输入单相输入 (6-24)6.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路三相输入相电压三相输入相电压 用图用图6-23a中第一行的中第一行的3个开关个开关S11、S12和和S13共同作用来构造共同作用来构造u相输出电压相输出电压uu，就可利用图，就可利用图6-24b的三相相电压包络线中一切的阴影部分。的三相相电压包络线中一切的阴影部分。 实际上所构造实际上所构造uu的频率可不受限制，但最大幅值为输入相电压幅值的频率可不受限制，但最大幅值为输入相电压幅值50%。 三相输入线电压

48、三相输入线电压 用图用图6-23a中第一行和第二行的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个开关共同作用来构造输出线电压uuv，就，就可利用图可利用图6-24c中中6个线电压包络线中一切的阴影部分。个线电压包络线中一切的阴影部分。 其最大幅值就可到达输入线电压幅值的其最大幅值就可到达输入线电压幅值的0.866倍，这也是正弦波输出条件下倍，这也是正弦波输出条件下矩阵式变频电路实际上最大的输出输入电压比。矩阵式变频电路实际上最大的输出输入电压比。图图6-24 b)三相输入相电压构造输出相电压三相输入相电压构造输出相电压 c)三相输入线电压构造输出线电压三相输入线电压构造输出线电压 6.

49、4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路根本的输入输出关系根本的输入输出关系 以相电压输出方式为例进展分析：以相电压输出方式为例进展分析： 式中式中 11、 12和和 13为一个开关周期内开关为一个开关周期内开关S11、S12、S13的导通占空比，的导通占空比，且且 。 输入输出电压的关系输入输出电压的关系式中式中可缩写为可缩写为 称为调制矩阵，它是时间的函数。称为调制矩阵，它是时间的函数。(6-25)(6-27)(6-28)6.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路输入输出电流的关系输入输出电流的关系可缩写为可缩写为对一个实践系统来说，输入电压和所需求的输出电流是知的，设其分别为对一个实践系统来说，输入电

50、压和所需求的输出电流是知的，设其分别为 (6-29)(6-30)6.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路 变频电路希望的输出电压和输入电流分别为：变频电路希望的输出电压和输入电流分别为： (6-33)(6-34)6.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路当期望的输入功率因数为当期望的输入功率因数为1时，时， i=0。把式。把式(6-31)式式(6-34)代入式代入式(6-27)和式和式(6-29)，可得，可得(6-35)(6-36)能求得满足式能求得满足式(6-35)和式和式(6-36)的调制矩阵的调制矩阵 ，就可得到式中所希望的输出电，就可得到式中所希望的输出电压和输入电流。压和输入电流。 6.4 矩

51、阵式变频电路矩阵式变频电路开展现状和突出优点开展现状和突出优点 尚未进入适用化尚未进入适用化 开关器件为开关器件为18个，电路构造复杂，本钱高，控制方法还不成熟。个，电路构造复杂，本钱高，控制方法还不成熟。 输出输入最大电压比仅输出输入最大电压比仅0.866，输出电压偏低，输出电压偏低 。 突出优点突出优点 具有理想的电气性能：可使输出电压和输入电流均为正弦波，输具有理想的电气性能：可使输出电压和输入电流均为正弦波，输入功率因数为入功率因数为1；能量可双向流动，可实现四象限运转。；能量可双向流动，可实现四象限运转。 和广泛运用的交直交变频电路相比，虽多用了和广泛运用的交直交变频电路相比，虽多用

52、了6个开关器件，却个开关器件，却省去了直流侧大电容，使体积减小，容易实现集成化和功率模块化。省去了直流侧大电容，使体积减小，容易实现集成化和功率模块化。 在电力电子器件制造技术飞速提高和计算机技术日新月异的今天，在电力电子器件制造技术飞速提高和计算机技术日新月异的今天，矩阵式变频电路将有很好的开展前景。矩阵式变频电路将有很好的开展前景。本章小结本章小结本章的要点如下本章的要点如下 交流交流交流变流电路的分类及其根本概念。交流变流电路的分类及其根本概念。 单相交流调压电路的电路构成，在电阻负载和阻感负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任务原理和电路特性。载时的任务原理和电路特性。 三相交流调压电路的根本构成和根本任务原理。三相交流调压电路的根本构成和根本任务原理。 交流调功电路和交流电力电子开关的根本概念。交流调功电路和交流电力电子开关的根本概念。 晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成、任务原理晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成、任务原理和输入输出特性。和输入输出特性。 各种交流各种交流交流变流电路的主要运用。交流变流电路的主要运用。 矩阵式交交变频电路的根本概念。矩阵式交交变频电路的根本概念。