AC-AC变换电路解读课件.ppt

1、1第六章 AC-AC变换电路第五节第五节 矩阵变换器矩阵变换器第四节第四节 交交-交变频电路交变频电路第三节第三节 三相交流调压电路三相交流调压电路第二节第二节 单相交流调压电路单相交流调压电路第一节第一节 交流开关及应用交流开关及应用引言引言第六节第六节 单相交流调压电路的仿真单相交流调压电路的仿真2引 言v 交-交变流电路：一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，可改变电压、电流、频率和相数等。交流电力控制电路交流电力控制电路：只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率；n1. 交流调压电路相位控制（或斩控式）；n2. 交流调功电路及交流无触点开关通断控制。变频电路变频电路：改变频率，大

2、多不改变相数，也有改变相数的；n交交变频电路直接把一种频率的交流变成另一种频率或可变频率的交流，直接变频电路；1. 晶闸管交交变频电路2. 矩阵式变频电路n交直交变频电路先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流,间接变频电路。3内容提要与目的要求掌握交流调压器的基本类型、用途和电路，掌握交流调压器的基本类型、用途和电路，简要分析单、三相交流调压电路简要分析单、三相交流调压电路.理解和掌握交流斩波调压的原理与基本性理解和掌握交流斩波调压的原理与基本性能，掌握交交变频电路（周波变换器）能，掌握交交变频电路（周波变换器）的原理及电路，分析其优缺点。的原理及电路，分析其优缺点。重点

3、重点：交交变频电路（周波变流器）的：交交变频电路（周波变流器）的原理及电路原理及电路4第一节 交流开关及应用一、交流一、交流电力电子电力电子开关开关交流开关及应用二、交流二、交流调功电路调功电路5一、交流电力电子开关将晶闸管反并联串入交流电路如图6-1所示，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用，称为交流电力交流电力电子开关电子开关，也称为无触点开关无触点开关。与机械开关比，它具有开关响应速度快，无触点（无电弧火花），寿命长，可频繁控制通断的优点。当触发信号送至晶闸管时可使电路在一个周期的任何时刻接通，但采用相位控制触发方式，会使电路中的正弦波出现缺角，而含较大的高次皆波。所以常用的是过

4、零触发，即晶闸管在电压为零或零附近的瞬间接通，利用电流小于维持电流关断，这时开关对外界的电磁干扰最小。6v将电力电子开关（多为双向晶闸管）和其控制电路封装在一起构成无触点通断组件称为固态开关（Solid State Suitch）,简称SSS，它包括固态继电器（Solid State Relay，SSR）和固态接触器（Solid State Cantactor，SSC）。v固态开关一般采用环氧树脂封装，具有体积小，工作频率高的特点，适用于频繁操作或有腐蚀性易燃，多粉尘的场合。7二、交流调功电路 交流调动电路的形式和图6-1相同，控制方式也是通断控制，不过其控制目的是为了控制电路的平均输出功率。

5、 而交流电力电子开关并不去控制电路的平均输出功率，通常也没有明确的控制周期，交流电力电子开关只是根据需要接通或断开电路。8v交流调动电路将负载和交流电源接通几个整周期，再断开几个整周期，通过改变接通周期数和断开周期数的比例来调节负载上的平均功率v通常控制晶闸管的导通时刻都是在电源电压过零的时刻，这样，在交流电源接通期间，负载电压为正弦波，不会对电网电压造成谐波污染。v图6-2为交流调功电路的典型波形，设控制固期为M倍的电源周期，其中晶闸管在前N个周期导通，在后M-N个周期关断。 9第二节第二节 单相交流调压电路单相交流调压电路1一、电阻一、电阻负载负载2二、阻感二、阻感负载负载3三、单相三、单

6、相交流调压交流调压电路的谐电路的谐波分析波分析4四、斩控四、斩控式交流调式交流调压电路压电路10v两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，控制晶闸管就可控制交流电力；v交流调压电路交流调压电路每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值；v交流调功电路交流调功电路以交流电周期为单位控制晶闸管通断，改变通断周期数的比，调节输出功率的平均值；v交流电力电子开关交流电力电子开关并不着意调节输出平均功率，而只是根据需要接通或断开电路。11v灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）；v异步电动机软起动；v异步电动机调速；v供用电系统对无功功率的连续调节；v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

7、次电压。121.1.工作原理：工作原理：v 在 u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角a进行控制就可以调节输出电压；v 正负半周a 起始时刻（a =0）均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的a 相等；v 负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同。RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt图6-3 电阻负载单相交流调压电路及其波形 13v 2.2.数量关系数量关系 负载电压有效值(6-1) 负载电流有效值： (6-2) 晶闸管电流有效值(6-3)： 功率因数(6-4)：2sin21dsin21121oUttUURUIoo

8、)22sin1 (21sin221121RUtdRtUIT2sin211oo1ooUUIUIUSPRO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt图6-3 电阻负载单相交流调压电路及其波形14v输出电压与输出电压与 的关系的关系: :移相范围为0 。 =0时，输出电压为最大， Uo=U1。随a的增大，Uo降低， =时， Uo =0。v 与与 的关系的关系： - =0时，功率因数=1， 增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低。151 1、工作原理、工作原理阻感负载时的移相范围v 负载阻抗角： = arctan(L / R) v 晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1

9、的角度为 ；v 在用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后，而无法使其超前；v =0时刻仍定为u1过零的时刻， 的移相范围应为 。图6-4 阻感负载单相交流调压电路及其波形RL0.6图4 -2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtt二、阻感负载 16u 阻感负载时的工作过程分析阻感负载时的工作过程分析在t= a时刻开通VT1，负载电流满足 (6-5)解方程得(6-6)式中 ,为晶闸管导通角利用边界条件：t = a +时io =0,可求得： (6-7) VT2导通时，上述关系完全相同，只是io极性相反，相位差1800201006014018020

10、100图4-360/( )180140/( )= 9075604530150图6-8 单相交流调压电路以为参变量的和关系曲线0sin2ddo1ootitURitiLtetZUittg1o)sin()sin(222)( LRZtg)sin()sin(e17v确定其移相范围确定其移相范围： v 此时 ， 则 。由此可知正负半波电流断续，且愈大，愈小，波形断续愈严重，但此时交流电压可调。其波形如图6-4所示 。v= 此时 ， 则 。由此可知正负半波电流临界连续，负载上获得最大功率。波形如图6-5所示。 0)sin(taneo1800)sin(即0)sin(taneo1800)sin(即18v 此时

11、， 则 。这种情况下设在t= 时刻触发VT1，则VT1的导通时刻超过。 到 t=+时刻触发VT2时，由于负载电流i0尚未到零，VT1仍导通，VT2承受反压不能导通。等VT1中电流变为零而关断，若触发脉冲为窄脉冲，虽然此时VT2开始承受正向电压，由于ug2脉中已消失，所以VT2无法导通。 第三个半周ug1又触发VT1管，这样负载电流只有正半波，电流出现很大的直流分量，电路不能正常工作。 波形如图6-6所示，这样在 时，晶闸管不能用窄脉冲触发，而应采用宽脉冲或脉冲列。0)sin(taneo1800)sin(即19这样VT2在VT1关断后仍能导通，不过刚开始时两管的电流波形不对称但是在指数分量的衰减

12、过程中VT1的导通时间逐渐缩短，VT2的导通时间逐渐延长，当指数分量衰减到零后，VT1和VT2的导通时间均趋近到，其稳态工作情况和 时完全相同，宽脉冲时波形如图6-7所示。综合分析可知：单相交流调压电路带阻感性负载单相交流调压电路带阻感性负载时时角够相范围为角够相范围为。 20v 2.参数计算参数计算负载电压有效值 (6-8)晶闸管电流有效值 (6-9)22sin(2sin1)()sin2(1121oUtdtUUcos)2cos(sin21ZU)d()sin()sin(2212tg1VTtetZUIt21负载电流有效值 (6-10) IVT的标么值 (6-11)To2II 1TTN2UZII图

13、6-9 单相交流调压电路为参变量时IVTN和关系曲线图4 -4 = 900.10.20.30.40.5160 18004012080 75 6045 = 0/( )IVTN22v 电阻负载的情况 波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波 (6-12) 式中 , 5 , 3 , 1o)sincos()(nnntnbtnatu) 12(cos2211Ua)(22sin2211Ub三、单相交流调压电路的谐波分析 23 (n=3,5,7,) (n=3,5,7,)v 基波和各次谐波有效值 (n=1,3,5,7,) (6-13)v 负载电流基波和各次谐波有效值 (6-14)v 电流基波和各次谐波标么值

14、随 a变化的曲线（基准电流为a =0时的有效值）如图6-10所示1) 1cos(111) 1cos(1121nnnnUan) 1sin(11) 1sin(1121nnnnUbn22on21nnbaURUI/onon060120180图4-6基波3次5次7次触发延迟角/( )In/I*/%20406080100图6-10 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量24v阻感负载的情况阻感负载的情况电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3、5、7等次谐波随着次数的增加，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 角相同时，随着阻抗角j 的增大，谐波含量有所减少25一般采用全控型器件

15、作为开关器件v工作原理工作原理基本原理和直流斩波电路有类似之处u1正半周，用V1进行斩波控制，V3提供续流通道u1负半周，用V2进行斩波控制，V4提供续流通道设斩波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比 = ton/T，改变 可调节输出电压 26v特性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1RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3图6-11 斩控式交流调压电路u1i1O图4-8uoOOttt图6-12 电阻负载斩控式交流调压电路波形27二、三相二、三相三线式联三线式联结结一、

16、三相一、三相四线式星四线式星形联结形联结三、三相交三、三相交流调压电路流调压电路的主要技术的主要技术指标和电路指标和电路特点比较特点比较 第三节 三相交流调压电路一二三28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6-13 三相交流调压电路 29 星形联结电路可分为三相三线和三相四线两种情况v 三相四线（如图6-13（a）所示 ）v基本原理：基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120工作。基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线v问题：问题：三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大3倍次谐波电流。=90时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近v应用

17、：应用：在选择线径和电源变压器时应考虑这一问题。一般大容量设备不采用这种电路。一、三相四线式星形联结30v 三相三线，电阻负载时的情况（电路如图6-13（b）(c)所示 ） 因为没有零线，要构成回路必须有两相同时导通，与三相全控整流电路一样应采用宽脉冲或双窄脉冲触发； 同一相上两个反并联晶闸管触发脉冲相180 ； 三相上同向的晶闸管触发脉冲彼此相差120 ； 触发脉冲顺序为VT1 VT0，依次相差600 ； 触发脉中的上范围0 150。二、三相三线式联结31根据晶闸管导通情况以及电流是否连续可将0150的移相范围分为以下几种情况： (1)0 60：三管导通与两管导通交替，每管导通180 。但

18、=0时一直是三管导通 (2)60 90：两管导通，每管导通120 (3)90 150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为3002 图4-10c)晶闸管导通区间a)晶闸管导通区间晶闸管导通区间b)432353302432353302432353302uaouaouaouauauauab2uac2uab2uac2uab2uac2t1t2t3t1t2t3VT1VT3VT4VT6VT1VT6VT2VT5VT5VT5VT1VT3VT4VT6VT2VT6VT5VT5VT1VT3VT4VT6VT2VT6VT5VT5VT1VT3VT5VT4VT2VT4VT6图6-14 不同角时负载相电压波形a) =30

19、b) =60 c) =12032v谐波情况谐波情况电流谐波次数为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33支路控制三角联结电路v 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工作v单相交流调压电路的分析方法和结论完全适用v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v 谐波情况v3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v线电流中所谐波次数为6k1(k为正整数)v在相同负载和a角时，线电流中谐波含量少于三相三线

20、星形电路34三、三相交流调压电路的主要技术指标和电路特点比较v 六种厂相交流调压电路的主要技术指标和电路特点的比较，在实际应用中应根据负载的性能要求进行选择。 12/3U16 /2U12U12U12U电路晶闸管最大峰值电压晶闸管电流平均值移相范围线路性能特点a图0.45I1001800零线电流大，大容量设备不采用b图c图0.45I1001500负载可星形或厂角形接皆波分量小d图0.26I1001800负载应分得开，适用于大电流场合e图0.26I1001500负载应分得开f图0.675I1002100线路简单，成本低，负载应分得开35v典型用例晶闸管控制电抗器（Thyristor Control

21、led ReactorTCR）a移相范围为90180v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v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36负载图4-11uaiaubucnbac图6-00 晶闸管控制电抗器(TCR)电路a)b)c)图4-12图6-01 TCR电路负载相电流和输入线电流波形a) =120 b) =135 c) =16037第四节 交-交变频电路1一、单相交一、单相交-交变频电交变频电路路2二、三相交二、三相交-交变频电交变频

22、电路路3三、交三、交-交交变频器与交变频器与交-直直-交变频交变频器比较器比较38v本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)v交交变频电路交交变频电路直接将一种频率的交流电变成另一种频率或可调频率的交流电，不通过中间直流环节，属于直接变频电路v广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实用的主要是三相输出交交变频电路。v交-交变频电路根据控制角的不同规律，其输出可获得正弦波、矩形波或梯形波，这里主要介绍正弦波交-交变频器。39一、单相交-交变频电路1电路构成和基本工作原理v 电路构成 如图6-15，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

23、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图4-18OuouoP=0P=2P=2t图6-15 单相交交变频电路原理图和输出电压波形40v 工作原理工作原理 P组工作时，负载电流io为正； N组工作时，io为负； 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：改变两组变流器的切换频率，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； 为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a角进行调制。v 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。

24、另外半个周期可对N组进行同样的控制；vuo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。41整流与逆变工作状态整流与逆变工作状态阻感负载为例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6-16a所示的正弦波交流电源和二极管的串联设负载阻抗角为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42a)整流逆变阻断图4-19b)PNttttt整流逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP图6-16

25、理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态 工作状态工作状态 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43 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 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方向是否相同确定工作状态工作状态图6-16 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b)PNtttt

26、t整流 逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP44 介绍最基本的、广泛使用的余弦交点法 设Ud0为 = 0时整流电路的理想空载电压，则有 (6-15) 每次控制时a角不同， uo表示每次控制间隔内uo的平均值 期望的正弦波输出电压为 (6-16) 比较式(6-15)和(6-16)，应使 (6-17) 称为输出电压比：cosd0oUutUuoomosinttUUood0omsinsincos) 10(d0omrUU2 2输出正弦波电压的调制方法输出正弦波电压的调制方法45余弦交点法基本公式余弦交点法基本公式 (6-18)v 余弦交

27、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)sin(coso1t图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoP3P4tt图6-17 余弦交点法原理46u1u6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4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4

28、us5us6us1uoP3P4tt图6-17 余弦交点法原理47v不同g 时，在uo一周期内，a随wot 变化的情况。图中，vg 较小，即输出电压较低时，a只在离90很近的范围内变化，电路的输入功率因数非常低 = 0 = 0.1相位控制角/( )输出相位 0 t图4-2212015018030609000.10.20.30.80.91.00.80.20.30.91.02223图6-18 不同时和ot的关系)sin(sin2/)sin(coso1o1tt48 v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v由三组输出电压相位各差120的单相交交变频电路组成1 1电路接线

29、方式电路接线方式v主要有两种：公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式和输出星形输出星形联结方式联结方式。491) 公共交流母线进线方式公共交流母线进线方式（图6-19） 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。图4-24图6-19 公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）502) 输出星形联结方式输出星形联结方式（图6-20） 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

30、一起，电动机只引出三根线即可图4-25a)b)图6-20 输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图 b）详图51u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；u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；u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；u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。52（1 1）输出上限频率）输出上限频率 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。 一般认为，变流电路采用三相桥式电路时，其

31、输出频率不高于电网频率的1312。电网频率为50HZ时，交交变频电路的输出频率约为20HZ。 v 输入电流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谐波频率为 式中，k =1,2,3,；l =0,1,2,。oiin616lffkfoiin6kfff2 2输入输出特性输入输出特性53v （2 2）输入功率因数）输入功率因数三相总输入功率因数应为 (6-19)p三相电路总的有功功率为各相有功功率之和p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p三相总输入功率因数要高于单相

32、交交变频电路SPPPSPcba54 改善输入功率因数和提高输出电压v 基本思路基本思路 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。v 直流偏置直流偏置 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55v 交流偏置交流偏置 梯形波输出控制方式 使三组单相变频器的输出均为 梯形波（也称准梯形波） ，主 要谐波

33、成分是三次谐波 在线电压中三次谐波相互抵消，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（即梯形波的平顶区），a角较小，因此输入功率因数可提高15%左右 图示正弦波输出控制方式中，最大输出正弦波相电压的幅值为Ud0 在同样幅值的情况下，梯形波中的基波幅值可提高15%左右uAN的基波分量图4-27uOtuABuANuBN梯形波控制方式的理想输出电压波形56v 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v 和交直交变频电路比较，交交变频电路的优点优点： 只用一次变流，效率较高 可方便地实现四象限工作 低频输出波形接近正弦波v缺点缺点是： 接线

34、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 57表表6-2 交交-交变频器和交交变频器和交-直直-交变频器的交变频器的性能比较性能比较 交-交变频器交-直-交变频器换能形式一次换流，效率较高两次换流，效率较低换流方式电网换流强迫换流或负载换流元件数量元件数量较多，三相桥式变流电路组成的三相交交变频器至少36个晶闸管元件数量较少调频范围一般情况下，输出最高频率为电网频率1/31/2频率调节范围宽功率因素低用可控整流调压时，功率因素低；用斩波器或PWM方式调压时，功率因素高场合主要用于5

35、00kw或1000kw 以上，转速在600r/min以下的低速大功率场合可用于各种电力拖动装置CVCF电源，UPS等58v应用应用v主要用于500kW或1000kW以下的大功率、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v既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动59第五节 矩阵变换器一、矩阵变换器的一、矩阵变换器的电路拓扑结构电路拓扑结构二、矩阵变换器的二、矩阵变换器的工作原理工作原理矩阵变换器60v 直接变频电路v 所用开关器件是全控型的v 控制方式不是相控方式而是斩控方式v 这种电路称为矩阵变换器矩阵变换器（Matrix Converte

36、r）也称为阵列型换流器，它是一种具有优良的输入输出特性的新型交交变换器。v 矩阵变换器是一种“广义变换器广义变换器”，在同一矩阵变换器上，通过采用不同的控制算法，可以实现整流器、逆变器、斩波器的功能。 61一、矩阵变换器的电路拓扑结构u 矩阵变换器的功率开关 必须是双向开关，u 目前功率双向开关都是 采用单向功率器件（例如IGBT、 GTO、电力MOSFET）， 通过串并联组合而成。u 拓扑结构拓扑结构v 图6-21a所示 v 三相输入电压为ua、 ub和uc 图6-21v 三相输出电压为uu、 uv和uw v 9个开关器件组成33矩阵，因此该电路被称为矩阵式变频电路(Matrix Conve

37、rter MC)或矩阵变换器v 图中每个开关都是矩阵中的一个元素，采用双向可控开关，图6-21b给出了应用较多的一种开关单元。输入输出a)b)图4-28abcuvwS11S12S13S21S22S23S31S32S33Sij62v优点优点输出电压为正弦波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功率因数为1，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不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高63v 利用单相输入利用单相输入 对单相交流电压us进行斩波控制，即进行PWM控制时，输出电压uo为(6-20) 式中，Tc开关周期；ton 一个开关周期内开关

38、导通时间；s 占空比 不同的开关周期中采用不同的s，可得到与us频率和波形都不同的uo 由于单相交流us波形为正弦波，可利用的输入电压部分只有如图6-22a所示的单相电压阴影部分，因此uo将受到很大的局限，无法得到所需输出波形。ssconouuTtu 64利用三相相电压利用三相相电压 把输入改为三相，就可利用图6-22b所示的三相相电压包络线中所有的阴影部分 理论上所构造的uu的频率可不受限制 但如uu必须为正弦波，则其最大幅值仅为输入相电压ua幅值的0.5倍利用三相线电压利用三相线电压 用图6-21a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uuv 65可利用图6-22c中6个线电压

39、包络线中所有的阴影部分当uuv必须为正弦波时，最大幅值就可达到输入线电压幅值的0.866倍正弦波输出条件下矩阵式变频电路理论上最大的输出输入电压比图6-22 构造输出电压时可利用的输入电压部分a) 单相输入 b) 三相输入构造输出相电压 c) 三相输出构造输出线电压a)b)c)UmU1mU1m23Um1266v 以相电压输出方式为例分析矩阵式交交变频电路的控制以相电压输出方式为例分析矩阵式交交变频电路的控制利用对开关S11、 S12和S13的控制构造输出电压uu 为防止输入电源短路，任何时刻只能有一个开关接通 负载一般是阻感负载，负载电流具有电流源性质，为使负载不开路，任一时刻必须有一个开关接

40、通u相输出电压uu和各相输入电压的关系为 (4-25) 式中s11、s12和s13一个开关周期内开关S11、 S12、S13的导通占空比 (4-26)cbauuuuu131211113121167对于三相有 (6-27)可缩写为 u uo o=s s u ui i 式中u uo o ,u uii , , s s s s称为调制矩阵调制矩阵，s矩阵中各元素确定后，输入电流ia、ib、ic和输出电流iu、iv、iw的关系也就确定了(6-28)式中，iii i io是矩阵式变频电路的基本输入输出关系式矩阵式变频电路的基本输入输出关系式cbawvuuuuuuu333231232221131211Twv

41、uuuuTcbauuu333231232221311211oT332313322212312111iiiwvucbaiiiiiiTcbaiiiTwvuiii68对实际系统来说，输入电压和所需要的输出电流是已知的。设为 式中 Uim、Iom 输入电压和输出电流的幅值；wi、wo 输入电压和输出电流的角频率； jo 相应于输出频率的负载阻抗角。 34cos32coscosiimiimiimtUtUtUuuucbaooomooomooom34cos32coscostItItIiiiwvu69变频电路希望的输出电压和输入电流分别为 式中Uom、Iim输出电压和输入电流的幅值；ji 输入电流滞后于电压的

42、相位角34cos32coscosoomoomoomwvutUtUtUuuuiiimiiimiiim34cos32coscostItItIiiicba70当期望的输入功率因数为1时，ji =0。可得 如能求得满足上式的s s，就可得到希望的输出电压和输入电流34cos32coscosoomoomoomtUtUtU34cos32coscosiimiimiimtUtUtU34cos32coscosiimiimiimtItItIooomooomooom34cos32coscostItItI T71u要使矩阵式变频电路能够很好地工作，需解要使矩阵式变频电路能够很好地工作，需解决的两个基本问题决的两个基本

43、问题n如何求取理想的调制矩阵s sn开关切换时如何实现既无交叠又无死区u 现状现状尚未进入实用化，主要原因： 所用的开关器件为18个，电路结构较复杂，成本较高，控制方法还不算成熟 输出输入最大电压比只有0.866，用于交流电机调速时输出电压偏低 72十分突出的优点优点： 有十分理想的电气性能 和目前广泛应用的交直交变频电路相比，虽多用了6个开关器件，却省去了直流侧大电容，将使体积减小，且容易实现集成化和功率模块化。在器件制造技术飞速进步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发展前景73第六节 单相交流调压电路的仿真v交流调压线路有采用晶闸管器件的相位控制和采用全控元件的PWM控制

44、两种方式，这里主要介绍晶闸管控制的交流调压电路。vPWM控制的交流调压仿真在前节介绍的直流-直流变流仿真基础上很容易实现。74v由晶闸管控制的单相交流调压电路如图6-23所示。反并联连接的晶闸管VT1和VT2组成了交流双向开关，在交流输入电压的正半周，VT1导通，在交流输入电压的负半周，VT2导通，控制晶闸管的导通时刻，可以调节负载两端的电压。v单相交流电压电路的仿真模型如图6-24所示。模型由交流电源、反并联晶闸管模块（VT1、2）、触发模块（pulse1、2）、阻感负载（RL）和观测示波器组成。其中双向晶闸管开关模块由分支电路组成，如图中虚线框内所示。 75v交流调压晶闸管控制角的移相范围

45、是180， 0的位置定在电源电压过零的时刻。在阻感负载时按控制角与负载阻抗角 的关系，电路有两种工作状态。v1180时v调压器输出电压和电流的正负半周是不连续的，在这范围内调节控制角，负载的电压和电流将随之变化。 arctan( /)L R76v 2 0 时 调压器输出处于失控状态，即虽然控制角变化，但负载电压不变，且是与电源电压相同的完整正弦波。 这是因为阻感负载电流滞后于电压，因此如果控制角较小，在一个晶闸管电流尚未下降到零前，另一个晶闸管可能已经触发（但不导通），一旦电流下降到零，如果另一个晶闸管的触发脉冲还存在，则该晶闸管立即导通，使负载上的电压成为连续的正弦波，出现失控现象。 正因为

46、如此交流调压器晶闸管必须采用后沿固定在的宽脉冲触发方式，以保证晶闸管能正常触发。根据以上要求设计的交流调压触发器触发电路如图6-25a所示。77 交流调压器的触发电路由同步、锯齿波形成和移相控制等环节组成。 电路的输入端In1是同步电压输入端，同步电压经延迟Relay环节产生与同步电压正半周等宽的方波，该方波经斜率设定产生锯齿波，锯齿波与移相控制电压（输入端In2）叠加调节锯齿波的过零点，在经延迟产生前沿可调，后沿固定的晶闸管触发脉冲，触发电路各部分的输出波形如图6-25b所示。 波形从上至下分别是同步信号、半周等宽方波、锯齿波、叠加移相控制和出发信号。 触发电路的下半部分用于产生负半周晶闸管

47、的触发脉冲。 78v 现利用图6-24的模型分别在和的情况下对交流调压器进行仿真，负载为R1，L10mH。模块设置参数见表2，移相控制电压可在之间任意调节。 模块电源uinRelay Relay2Rate Limiter Rate Limiter1Relay1 Relay3参数设置220VSwitch On pointepsRising slew rate1000Switch On pointeps50HzSwitch Off pointepsFallingslew rate-1e8Switch Off pointepsOutput when on10Output when on1Output

48、 when off0Output when off079v仿真结果如图6-26所示，图6-26a所示的为移相控制电压Uct5V时的调压器输出电压、电流波形。v由于晶闸管的斩波作用并且控制角较大。输出电压、电流波形的正负半周是不连续的，使输出电压有效值减小，实现了对交流电压的调节。v图6-26b所示为Uct2V时的调压器输出电压、电流波形，由于控制角较小（ 0 ），输出电压和电流为完整的正弦波，交流调压器失去调压作用。80v 比较电流和晶闸管的触发脉冲，可以看到在正向电流尚未为零前反向晶闸管的触发脉冲已经到来，如果触发脉冲很窄，在正向电流到零时反向晶闸管的触发脉冲已经消失，则反向晶闸管就不导通，

49、因此需要采用宽脉冲触发方式，且脉冲的后沿应设在180的位置，和交流调压器的移相范围相适应。v 在电流的第一个周期，因为电感电流较大，电感储能较多，正向晶闸管的导通时间较长，使反向晶闸管的实际导通时间滞后于触发时间，因此电流的正半周大于负半周，经两个周期的调节达到正负半周相等的平衡状态。图中方波为正反向晶闸管的触发脉冲。 8182图图6-1 交流电力电子开关原理图交流电力电子开关原理图83图图6-2 交流调功电路的典型波形交流调功电路的典型波形 84RO图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt图图6-3 电阻负载单相交流调压电路及其波形电阻负载单相交流调压电路及其波形 R

50、O图4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt85图图6-4 6-4 阻感负载单相交流调压电路及其波形阻感负载单相交流调压电路及其波形RL0.6图4-2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOttRL0.6图4 -2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtt86图图6-5 阻感负载单相交流调压电路阻感负载单相交流调压电路=时波形时波形 87图图6-6 阻感负载单相交流调压电路阻感负载单相交流调压电路时波形时波形88图图6-7 宽脉冲触发时宽脉冲触发时阻感负载交流调压电路阻感负载交流调压电路工作波形工作波形