电力电子技术：第15讲 交流-交流变换电路

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1、 电力电子技术电力电子技术 第第6章章 交流交流-交流变流电路交流变流电路6.1 交流调压电路交流调压电路6.2 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路6.3 交交变频电路交交变频电路 电力电子技术电力电子技术 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 电力电子技术电力电子技术 交流调功电路与交流调压电路的异同比较相同点相同点 电路形式完全相同；完全相同；不同点不同点 控制方式不同；不同；交流调压电路在每个电源周期周期都对输出电压波形进行控制。交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期,在断开几个周期,通过通断

2、周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。电力电子技术电力电子技术 电阻负载时的工作情况2pNpM电源周期控制周期=M倍电源周期=2p4pMO导通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU12图6-15 交流调功电路典型波形(M=3、N=2)图6-14电阻负载单相交流调压电路 控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后M-N个周期关断。负载电压和负载电流（也即电源电流）的重复周期为M倍电源周期。电力电子技术电力电子技术 谐波情况图6-16交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2)012 14谐波次数相对于电源频率的倍数2 4 61080.60.50.40.30.20.1051234In/

3、I0m 图6-16的频谱图（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；而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。电力电子技术电力电子技术 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 电力电子技术电力电子技术 晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，属于直接变频电路属于直接变频电路。广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。6.3.1 单相交交变频器

4、电力电子技术电力电子技术 1、电路构成和基本工作原理图6-17 单相交交变频电路原理图和输出电压波形电路构成 如图6-17，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。ZPN输出电压平均输出电压OuouoaP=0aP=p2aP=p2wt 电力电子技术电力电子技术 工作原理工作原理 P组工作时，负载电流io为正正；N组工作时，io为负负；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。图6-17 单相交交变频电路原理图和输出电压波形ZPN输出电压平均输出电压OuouoaP=0aP=p2aP=p2wt 改变两组变流

5、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。电力电子技术电力电子技术 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P组a角按正弦规律从90减到0或某个值，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。另外半个周期可对N组进行同样的控制。uo由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。电力电子技术电力电子技术 2、整流与逆变工作状态a)整流 逆变阻断b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPi

6、NuPuNuoioiNiP图6-18 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态 阻感负载为例，也适用于交流电动机负载。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6-18a所示的正弦波交流电源和二极管的串联。电力电子技术电力电子技术 设负载阻抗角为j，则输出电流滞后输出电压j 角。两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。a)整流 逆变阻断b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP图6-18 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态 电力电子

7、技术电力电子技术 工作状态a)整流 逆变阻断b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP t1t3期间：io正半周，正组工作，反组被封锁。t1 t2：uo和io均为正，正组整流，输出功率为正。t2 t3：uo反向，io仍为正，正组逆变，输出功率为负。图6-18 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态 电力电子技术电力电子技术 t3 t5期间：io负半周，反组工作，正组被封锁；t3 t4：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正；t4 t5：uo反向，io仍为负，反组逆变，输出功率为负。a)整流 逆变阻断b)PN

8、ttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP小结小结：哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关。工作在整流还是逆变，则根据uo方向与io方向是否相同确定。图6-18 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态 电力电子技术电力电子技术 当uo和io的相位差小于小于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正平均值为正，电动机工作在电动状态电动状态。当二者相位差大于大于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负平均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态发电状态。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。

9、1OO23456图4-20uoiowtwt图5-19 单相交交变频电路输出电压和电流波形第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 电力电子技术电力电子技术 3、输出正弦波电压的调制方法 介绍最基本的、广泛使用的余弦交点法。设Ud0为a=0时整流电路的理想电压，则有 每次控制时a角不同，表示每次控制间隔内uo的平均值。acosd0oUu图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4wtwt图6-20 余弦

10、交点法原理 电力电子技术电力电子技术 设期望的正弦波输出电压为：比较上两式，应使 g g 称为输出电压比：ttUUood0omsinsincoswgwaomdo(01)UUggtUuoomosinw图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4wtwt图6-20 余弦交点法原理 电力电子技术电力电子技术)sin(coso1twga图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4wtwt余弦交点法基本公式 余弦交点法图解线电压uab、uac、ubc、uba、uca和ucb依次用u1 u6表示。相邻两个线电压的交点对应于

11、a=0。图6-20 余弦交点法原理 电力电子技术电力电子技术 u1u6所对应的同步信号分别用us1us6表示，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。图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4wtwt图6-20 余弦交点法原理 电力电子技术电力电子技术 不同g g 时，在uo一周期内，a 随 w ot 变化的情况。图中，g g 较小，即输出电压较低时，a只在离90很近

12、的范围内变化，电路的输入功率因数非常低。g=0g=0.1相位控制角a/()输出相位w 0 t图4-2212015018030609000.10.20.30.80.91.00.80.20.30.91.0p2p2p23p图6-21 不同g g 时a和wot的关系)sin(sin2)sin(coso1o1ttwgpwga 电力电子技术电力电子技术 4、输入输出特性(1)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动是限制输出频率提高的主要因素；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；当采用6脉波三相桥

13、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。电力电子技术电力电子技术 图6-22 单相交交变频电路的功率因数(2)输入功率因数 输入电流相位滞后于输入电压，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 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。0.8 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4-2301.00.80.60.40.200.80.60.40.20.8

14、0.60.40.2负载功率因数（超前）负载功率因数（滞后）输入位移因数 电力电子技术电力电子技术(3)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。电力电子技术电力电子技术 (4)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 和 式中，k

15、=1,2,3,；l=0,1,2,。oiin216lffkfoiin2kfff 电力电子技术电力电子技术 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。1、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输出星形联结方式输出星形联结方式交交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，使用的是三相交交变频电路。电力电子技术电力电子技术(1)公共交流母线进线方式图6-23 公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）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上。因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须

16、隔离。为此，交流电动机的三个绕组必须拆开。主要用于中等容量的交流调速系统。电力电子技术电力电子技术 图6-24 输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图 b）详图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。(2)输出星形联结方式 电力电子技术电力电子技术 因为三组的输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因此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。电力电子技术电力电子技术 和整流电路一样，同一组桥内的两个

17、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。电力电子技术电力电子技术 2、输入输出特性输出上限频率和输出电压谐波和单相交交变频电路是一致的。输入电流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。200t/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/ms200t/ms图6-25 交交变频电路的输入电流波形 电力电子技术电力电子技术 谐波频率为和式中k=1,2,3,l=0,1,2,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

18、、7fi6fo、11fi、11fi6fo fi12fo等。其中5fi次谐波的幅值最大。oiin616lffkfoiin6kfff200t/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/ms200t/ms图6-25 交交变频电路的输入电流波形 电力电子技术电力电子技术 输入功率因数 三相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 电力电子技术电力电子技术 交交变频和交直交变频的比较8.1节中介绍间接变频电路，先把交流变换成直流，再把直流逆变成可变频率的交流，称交直交变频电路。交交变频电路的优点优点：交交变频电路的缺点缺点：接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管。受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低。输入功率因数较低。输入电流谐波含量大，频谱复杂。效率较高（一次变流）可方便地实现四象限工作低频输出波形接近正弦波 电力电子技术电力电子技术 应用应用主要用于500kW或1000kW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装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合应用。既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动。