1、1第第4章章 交流电力控制电路和交交变频电路交流电力控制电路和交交变频电路什么是交流什么是交流-交流变流电路？交流变流电路？正弦交流电压的三要素是什么？正弦交流电压的三要素是什么？什么是交流电力控制？什么是交流电力控制？什么是交交变频？什么是交交变频？具体应用有哪些？具体应用有哪些？2 第第4章章 交流电力控制电路和交交变频电路交流电力控制电路和交交变频电路3 本章主要讲述本章主要讲述 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把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路变频电路改变频率的电路 交交变频 直接 交流电力控制电路只改变电压,电流或控制电路的通断,而不改变频率的电路。
2、交流调压电路 相位控制第第4章章 交流电力控制电路和交交变频电路交流电力控制电路和交交变频电路交流斩波调压电路 斩波控制交流调功电路 通断控制 周期控制交流电力电子开关 非周期控制 无规律的通断控制 交直交变频 间接4 4.1 交流调压电路交流调压电路交流调压的方法有哪些？交流调压的方法有哪些？利用电力电子开关的交流调压电路与自利用电力电子开关的交流调压电路与自耦变压器调压的差别？耦变压器调压的差别？5 4.1 交流调压电路交流调压电路 原理 两个晶闸管反并两个晶闸管反并联后串联在交流电路联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的中，通过对晶闸管的控制就可控制交流电控制就可控制交流电力。力。电路图6
3、 应用应用1 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）2 温度调节（如工频加热、感应加热、需温控的家用电器）温度调节（如工频加热、感应加热、需温控的家用电器）3 泵与风机等异步电动机的软起动泵与风机等异步电动机的软起动4 异步电动机调速（如纺织、造纸、冶金等领域的电机调异步电动机调速（如纺织、造纸、冶金等领域的电机调 速）速）5 供用电系统对无功功率的连续调节。供用电系统对无功功率的连续调节。6 在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压。次电压。7 随电机负载大小自动调压（对于起重机等有较长时
4、间空载或随电机负载大小自动调压（对于起重机等有较长时间空载或轻载的负荷，自动调压可以节省电能）轻载的负荷，自动调压可以节省电能）4.1 交流调压电路交流调压电路7 4.1 交流调压电路交流调压电路8 若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为j，当用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后。a=0时刻仍定为u1过零的时刻，a 的移相范围应为j a 。1)阻感负载阻感负载 0.6Ou1 u1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1 G1uG2OOwtwt图4-2 电阻负载单相交流调压电路及其波形 负载阻抗角：j=arctan(wL/R)VT14.1.1 单相交流调
5、压电路单相交流调压电路9q 020100601401802010060/()180140a/()j=9075604530150图4-3 单相交流调压电路以a为参变量的和a关系曲线 wt=t=a 时刻开通晶闸管VT1，可求得 （47）jqjajqatg)sin()sin(e当 a=j 时 =当 a j 时 以j 为参变量，利用（47)可把a 和 的关系表示成右图。4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路10图4-4 单相交流调压电路a为参变量时I VTN和a关系曲线j=900.10.20.30.40.516018004012080 75 6045j=0a/()IVTN负载电流有效值 (4-1
6、0)IVT的标么值 (4-11)12UZIIVTVTNVTII204.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路11图4-5 aj时阻感负载交流调压电路工作波形wtwtwtwt图4-5aaaqOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2当阻感负载,a j 时电路工作情况。图4-2 阻感负载单相交流调压电路VT1的导通时间超过。触发VT2时，io尚未过零，VT1仍导通，VT2不会导通。io过零后，VT2才可开通，VT2导通角小于。衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长。4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路123)单相交流调压电路的谐波分析电阻负载由于波形正负半波对称，所以不含直
7、流分量和偶次谐波。(4-12)基波和各次谐波有效值 (4-13)负载电流基波和各次谐波有效值 (4-14)电流基波和各次谐波标么值随 a变化的曲线（基准电流为a=0时的有效值）如图4-6所示。,5,3,1o)sincos()(nnntnbtnatuwww22on21nnbaURUI/onon060120180图4-6基波3次5次7次触发延迟角a/()In/I*/%20406080100图4-6 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路13电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3 3、5 5、7 7等次谐等次谐波。波
8、。随着次数的增加，谐波含量减少。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。和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一些。当当a a 角相同时，随着阻抗角角相同时，随着阻抗角j j 的增大，谐波含量有所减少。的增大，谐波含量有所减少。阻感负载4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路144)斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路在交流电源u1的正半周RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3图4-7 斩控式交流调压电路4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路用V1进行斩波控制用V3给负载电流提供续流通道15RL图4-7u1i1u
9、oV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3用V2进行斩波控制用V4给负载电流提供续流通道图4-7 斩控式交流调压电路4)斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路在交流电源u1的负半周4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路16 应用：应用于对功率因数要求较高的场合应用：应用于对功率因数要求较高的场合斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路17 特性特性图4-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形4.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为1。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。184.1.2 三相交流调压电路三相交流调压
10、电路根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式图4-9 三相交流调压电路a)星形联结b)线路控制三角形联结c)支路控制三角形联结d)中点控制三角形联结19三相四线三相四线基本原理：相当于三个单相交基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互流调压电路的组合，三相互相错开相错开120120工作。基波和工作。基波和3 3倍次以外的谐波在三相之倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线。间流动，不流过零线。问题：三相中问题：三相中3 3倍次谐波同相位，倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大全部流过零线。零线有很大3 3倍次谐波电流。
11、倍次谐波电流。a a=9090时，零线电流甚至和各相电时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。流的有效值接近。1)星形联结电路 可分为三相三线和三相四线可分为三相三线和三相四线图4-9 三相交流调压电路a)星形联结4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路20三相三线，主要分析阻负载时的情况三相三线，主要分析阻负载时的情况4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路任一相导通须和另一相构成回路。电流通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发。触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为VT1 VT6,依次相差60。相电压过零点定为a 的起点，a角移相范围是0 150。21(1)0 a 6
12、0：三管导通与两管三管导通与两管导通交替，每管导通交替，每管导通导通180a。但但a=0时一直时一直是三管导通。是三管导通。图4-10 不同a角时负载相电压波形a)a=304.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路2260 a 90：两管导 通，每管导通120。(2)图4-10 不同a角时负载相电压波形b)a=604.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路23(3)90 a 150：两管导通与无晶闸两管导通与无晶闸管导通交替，导通管导通交替，导通角度为角度为3002 a。图4-10 不同a角时负载相电压波形 c)a=1204.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路24谐波情况谐波情况4.
13、1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路电流谐波次数为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，因三相对称时，它们不能流过三相三线电路。252）支路控制三角联结电路支路控制三角联结电路 图49三相交流调压电路c)支路控制三角形联结4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路由三个单相交流调压电路由三个单相交流调压电路组成，分别在不同的线电组成，分别在不同的线电压作用下工作压作用下工作。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）为与该线相连的两个负载相电流之和。26
14、谐波情况谐波情况c)支路控制三角形联结图49三相交流调压电路4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路 3倍次谐波相位和大小相同，在三角形回路中流动，而不出现在线电流中。线电流中所谐波次数为6k1(k为正整数)。在相同负载和a 角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路。27典型用例典型用例晶闸管控制电晶闸管控制电抗器抗器 （Thyristor Controlled ReactorTCR）配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续调节无功功率，称为静止无功补偿装置(Static Var CampensatorSVC），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变。晶闸管控制电抗器(T
15、CR)电路4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路a 移相范围为90 180控制a 角可连续调节流过电抗器的电流，从而调节无功功率。28图4-11 晶闸管控制电抗器(TCR)电路a)b)c)图4-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形 a)=120 b)=135 c)=160 4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路29仿真波形仿真波形 4.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路图4-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形 a)=120 b)=135 c)=160a）b）c）30SVC系统接线图系统接线图31晶闸管阀组件晶闸管阀组件3233SVC中的中的TCR主电抗器主电抗器
16、34SVC控制系统人机界面控制系统人机界面35英国国家电网英国国家电网Cellarhead 400kV变电站变电站svc36墨西哥城墨西哥城400kV输电线输电线SVC设备提高系统输电容量达设备提高系统输电容量达200MW37美国美国Mead-Adelanto 2套套SVC，199538SVC Bom Jesus da Lapa,Enelpower,巴西巴西500 kV,+/-250 MVAr390MW 法拉第效应法拉第效应800 km线路长度线路长度500kVTarget 800MW Natural Load1000MW 系统崩溃系统崩溃500kV500kV800MW发电发电800MW负荷负
17、荷500kV潮流潮流500kV500kV 输电线路输电线路(未补偿未补偿)40提高传输能力提高传输能力800 km线路长度线路长度500kV采用采用SVC后提高后提高输送能力到输送能力到1000MW500kV500kV1000MW发电发电1000MW负荷负荷500kV1000MW500kVSVCSVC采用采用SVC补偿后的线路补偿后的线路41静止型动态无功补偿器静止型动态无功补偿器SVC：一个凉衣架的类比：一个凉衣架的类比道具道具424.2 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路434.2.1 交流调功电路交流调功电路 交流调功电路与交流调压电路的异同比较交流调功电路与交流调压电路的异同比较
18、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,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。44 应用：广泛应用于各种控温场合应用：广泛应用于各种控温场合1 金属热处理金属热处理2 化工合成加热化工合成加热3 纺织热定型处理纺织热定型处理4 钢化玻璃热处理等钢化玻璃热处理等需要加热和进行温度控制的应用场合。需要加热和进行温度控制的应用场合。4.2.1 交流调功电路交流调功电路45 电阻负载时的工作情况电阻负载时的工作情况2NM电源周期控制周期=M倍电源周期
19、=24MO导通段=M3M2Muou1uo,iowtU12图4-13 交流调功电路典型波形(M=3、N=2)图41电阻负载单相交流调压电路4.2.1 交流调功电路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。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。46 谐波情况谐波情况012 14谐波次数相对于电源频率的倍数图4-14交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2)2 4 61080.60.50.40.30.20.1051234In/I0m4.2.1 交流调功电路交流调功电路图4-14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
20、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。474.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关概念 把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的把晶闸管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。机械开关，起接通和断开电路的作用。优点优点 响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断。与交流调功电路的区别区别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。48晶闸管投切电容晶闸管投切电容（Thyristor Swi
21、tchedCapacitorTSC）图4-15 TSC基本原理图a)基本单元单相简图 b)分组投切单相简图4.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关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。结构和原理晶闸管反并联后串入交流电路。实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结。49 应用：控制交流电机的正反转、电机的频繁起动、电应用：控制交流电机的正反转、电机的频繁起动、电 机的间歇运行等。机的间歇运行等。无触点开关，不存在火无触点开关，不存在火 花及拉弧等现象，对化工、冶花及拉弧等现象，对化工、冶金、纺织、煤矿、石油等要求无火化防爆场合极金、纺织
22、、煤矿、石油等要求无火化防爆场合极为适用。为适用。无功补偿。无功补偿。4.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关50晶闸管的投切晶闸管的投切选择晶闸管投入时刻的原则：该选择晶闸管投入时刻的原则：该时刻交流电源电压和电容器时刻交流电源电压和电容器预充电电压相等，这样电容预充电电压相等，这样电容器电压不会产生跃变，就不器电压不会产生跃变，就不会产生冲击电流。会产生冲击电流。理想情况下，希望电容器预充电理想情况下，希望电容器预充电电压为电源电压峰值，这时电压为电源电压峰值，这时电源电压的变化率为零，电电源电压的变化率为零，电容投入过程不但没有冲击电容投入过程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化。流
23、，电流也没有阶跃变化。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1图4-16 TSC理想投切时刻原理说明4.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关51TSC电路也可采用晶闸管和二极电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式管反并联的方式4.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关由于二极管的作用，在电路不导通时uC总会维持在电源电压峰值。成本稍低，但响应速度稍慢，投切电容器的最大时间滞后为一个周波。图4-16 TSC理想投切时刻原理说明524.3 交交变频电路交交变频电路 53变频器厂商变频器厂商AB变频器变频器西门子变频器西门子变频器富士变频器富士变频器
24、三菱变频器三菱变频器 ABB变频器变频器 日立变频器日立变频器 艾默生变频器艾默生变频器 施耐德变频器施耐德变频器 台达变频器台达变频器 安川变频器安川变频器 松下变频器松下变频器54554.3.1 单相交交变频器单相交交变频器晶闸管交交变频电路，也称周波变流器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把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，路，属于直接变频电路。广泛用于广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实际使用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。的主要是三相输出交交变频电路。5
25、61)电路构成和基本工作原理电路构成和基本工作原理4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器电路构成由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。57工作原理工作原理P P组工作时，负载电流组工作时，负载电流i io o为为正。N N组工作时，组工作时，i io o为为负。两组变流器按一定的频率交替两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的工作，负载就得到该频率的交流电。交流电。改变两组变流器的切换改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率，就可改变输出频率频率w wo o 。改变变流电路的控制角改变变流电路的控制角
26、a a，就可以改变交流，就可以改变交流输出电压的幅值。输出电压的幅值。ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoaP=0aP=2aP=2wt图4-18 单相交交变频电路原理图和输出电压波形4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器58为使为使u uo o波形接近正弦波，可按正弦规律对波形接近正弦波，可按正弦规律对a a 角进角进行调制。行调制。4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器在半个周期内让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
27、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。59 2)整流与逆变工作状态整流与逆变工作状态a)整流 逆变阻断图4-19b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器阻感负载为例，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4-19a所示的正弦波交流电源和二极管的串联。60设负载阻抗角为设负载阻抗角为j j ，则输出，则输出电流滞后输出电压电流滞后输出电压j j
28、 角。角。两组变流电路采取无环流工两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流电路作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。电路的触发脉冲。a)整流 逆变阻断图4-19b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器61工作状态工作状态图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态a)整流 逆变阻断图4-19b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t
29、5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器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。62t3 t5期间：期间：io负半周，反组工负半周，反组工作，正组被封锁。作，正组被封锁。t3 t4：uo和和io均为负，反组整均为负，反组整流，输出功率为正。流，输出功率为正。t4 t5：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。a)整流 逆变阻断图4-1
30、9b)PNttttt整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器小结小结：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。63 当uo和io的相位差小于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，电动机工作在电动状态。当二者相位差大于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态。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。1OO23456
31、图4-20uoiowtwt图4-20 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 4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器643)输出正弦波电压的输出正弦波电压的调制方法调制方法 介绍最基本的、广泛使用的余弦交点法。设Ud0为a=0时整流电路的理想空载电压，则有 (4-15)每次控制时a角不同，表示每次控制间隔内uo的平均值。acosd0oUu0u图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6
32、us1uoaP3aP4wtwt图4-21 余弦交点法原理4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器65设期望的正弦波输出电压为设期望的正弦波输出电压为 (4-16(4-16）比较式比较式(4-15)(4-15)和和(4-16)(4-16)，应，应使使 (4-17)(4-17)g 称为输出电压比：称为输出电压比：ttUUood0omsinsincoswgwa)10(0ggdomUUtUuoomosinw图4-21 余弦交点法原理图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4wtwt4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器66)sin(coso1twga图4-
33、21 余弦交点法原理图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4wtwt4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器余弦交点法基本公式 (4-18)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a=0。67u u1 1 u u6 6所对应的同步信号分所对应的同步信号分别用别用u us1s1 u us6s6表示表示u us1s1 u us6s6比相应的比相应的u u1 1 u u6 6超超前前3030，u us1s1 u us6s6的最的最大值和相应线电压大值和相应线电压a a =0=0的时
34、刻对应。的时刻对应。以以a a =0=0 为 零 时 刻，则为 零 时 刻，则u us1s1 u us6s6为余弦信号。为余弦信号。希望输出电压为希望输出电压为u uo o，则各，则各晶闸管触发时刻由相应晶闸管触发时刻由相应的同步电压的同步电压u us1s1 u us6s6的的下降段和下降段和u uo o的交点来决的交点来决定。定。图4-21 余弦交点法原理图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoaP3aP4wtwt4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器68不同不同g 时，在时，在u uo o一周期一周期内，内，a a 随随 w w o ot t 变化的情变
35、化的情况。图中，况。图中，g 较小，即输出电压较低较小，即输出电压较低时时，a a只在离只在离9090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。g=0g=0.1相位控制角a/()输出相位w 0 t图4-2212015018030609000.10.20.30.80.91.00.80.20.30.91.02223不同g g 时a和wot的关系)sin(sin2)sin(coso1o1ttwgwga4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器694)输入输出特性输入输出特性4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器(1)输出上限频率 输出频率增高时，输出电压
36、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。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。70图4-23 单相交交变频电路的功率因数(2)输入功率因数4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器输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
37、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4-2301.00.80.60.40.200.80.60.40.20.80.60.40.2负载功率因数（超前）负载功率因数（滞后）输入位移因数71(3)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以及变流以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率电路的脉波数有关，也和输出频率fo有关。有关。采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为6fifo，6fi3fo
38、，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，将增加响，将增加5fo、7fo等次谐波。等次谐波。4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器72(4)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，但其幅值和相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。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采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率 (4-19)和和 (4-20)式中，式中，k=1,2,3,；l=0,
39、1,2,。oiin216lffkfoiin2kfff4.3.1 单相交交变频器单相交交变频器734.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路 由三组输出电压相位各差由三组输出电压相位各差120的单相交交变频电路组成。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。74(1)公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式4.3.2 三相交交变频电路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
40、线上。因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须隔离。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。75(2)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。4.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路76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
41、晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流。4.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路77图4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图 b）详图和整流电路一样，同一组桥内的两个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。4.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路782)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和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
42、出时 U相输入电流三相输出时 U相输入电流200t/ms200t/ms图4-26 交交变频电路的输入电流波形4.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路79 谐波频率为谐波频率为 (4-21)和和 (4-22)式中式中k=1,2,3,l=0,1,2,。采用三相桥式电路时，采用三相桥式电路时，输入谐波电流的主要频输入谐波电流的主要频率为率为f fi i6 6f fo o、5 5f fi i 、5 5f fi i6 6f fo o 、7 7f fi i 、7 7f fi i6 6f fo o 、1111f fi i 、1111f fi i6 6f fo o f fi i1212f fo o等。等。
43、其中其中5 5f fi i次谐波的幅值最次谐波的幅值最大。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4-26 交交变频电路的输入电流波形4.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路80输入功率因数输入功率因数 三相总输入功率因数应为三相总输入功率因数应为 (4-23)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但视在功率却不能简单相加，而应由总输入电流有效值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和输入电压有
44、效值来计算，比三相各自的视在功率之和要小之和要小三相总输入功率因数要高于单相交交变频电路三相总输入功率因数要高于单相交交变频电路SPPPSPcba4.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路813)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4.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路基本思路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
45、此输入功率因数很低。给各相输出电压叠加上同样的直流分量，控制角a 将减小，但变频器输出线电压并不改变。82交流偏置交流偏置梯形波输出控制方式。梯形波输出控制方式。使三组单相变频器的输出均使三组单相变频器的输出均 为梯形波（也称准梯形波），为梯形波（也称准梯形波），主要谐波成分是三次谐波。主要谐波成分是三次谐波。在线电压中三次谐波相互抵消，在线电压中三次谐波相互抵消，线电压仍为正弦波。线电压仍为正弦波。因为桥式电路较长时间工作在高输出电压区域（即梯形波的平因为桥式电路较长时间工作在高输出电压区域（即梯形波的平顶区），顶区），a a角较小，因此输入功率因数可提高角较小，因此输入功率因数可提高15%
46、15%左右。左右。图图4-204-20正弦波输出控制方式中，最大输出正弦波相电压的幅值正弦波输出控制方式中，最大输出正弦波相电压的幅值为为U Ud0d0。在同样幅值的情况下，梯形波中的基波幅值可提高在同样幅值的情况下，梯形波中的基波幅值可提高15%15%左右。左右。值值可可uAN的基波分量图4-27uOtuABuANuBN图4-27 梯形波控制方式的理想输出电压波形4.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路83交交变频和交直交变频的比较交交变频和交直交变频的比较8.18.1节中介绍间接变频电路，先把交流变换成直流，再把直流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
47、，称交直交变频电路。逆变成可变频率的交流，称交直交变频电路。交交变频电路的交交变频电路的优点：交交变频电路的交交变频电路的缺点：接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用少要用3636只晶闸管。只晶闸管。受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低。低。输入功率因数较低。输入功率因数较低。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。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4.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路84 应用应用主要用于主要用于500kW或或
48、1000kW以上的大功率、低转速的交流调以上的大功率、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。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。既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动。4.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路85典型的数字控制通用变频器典型的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图异步电动机调速系统原理图 图1 86通用通用变频变频器原器原理图理图874.4 矩阵式变频器矩阵式变频器简介：简介：是近年出现的一种新颖的变是近年出现的一种新颖的
49、变频电路。频电路。是直接变频电路是直接变频电路，采用的，采用的开关器件是全控型。开关器件是全控型。控制方式是斩波控制。控制方式是斩波控制。拓扑结构：拓扑结构：三相输入电压为三相输入电压为ua、ub和和uc 三相输出电压为三相输出电压为uu、uv和和uw图4-28 矩阵式变频器889个开关器件组成个开关器件组成33矩阵，因此该电路被矩阵，因此该电路被称为矩阵式变频电路称为矩阵式变频电路(Matrix Converter MC)或矩阵变换器。或矩阵变换器。图中每个开关都是矩阵图中每个开关都是矩阵中的一个元素，采用中的一个元素，采用双向可控开关，图双向可控开关，图4-28b给出了应用较多给出了应用较
50、多的一种开关单元。的一种开关单元。图4-28 矩阵式变频器4.4 矩阵式变频器矩阵式变频器89优点优点输出电压为正弦波。输出电压为正弦波。输出频率不受电网频率的限制。输出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。输入电流也可控制为正弦波且和电压同相。功率因数为功率因数为1，也可控制为需要的功率因数。，也可控制为需要的功率因数。能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行。能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行。不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。4.4 矩阵式变频器矩阵式变频器90矩阵式变频电路的基本工作原理矩阵式变
