交流电力控制电路和交-交变频电路

电力电子技术 引言 4.1 交流调压电路 4.2 其他交流电力控制电路 4.3 交交变频电路 4.4 矩阵式变频电路 本章要点 第 4章 交流电力控制电路和交交变频电路 电力电子技术 本章学习目标与要求 了解交流变流电路的分类及其基本概念 。 理解单相交流调压电路的电路构成 ， 两种负 载时的工作原理和电路特性； 掌握三相交流调压电路的基本构成和基本工 作原理； 理解交流调功电路和交流电力电子开关的基 本概念； 掌握晶闸管相位控制交交变频电路的电路构 成 、 工作原理和输入输出特性 。 掌握各种交流 交流变流电路的主要应用 。 电力电子技术 本章重点与难点 重点： 交流调压电路、交流调功电路、交交 变频电路的电路结构、工作原理、波形 分析。 难点： 交交变频电路的工作原理与波形分析。 电力电子技术 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 变频电路 改变频率的电路 交交变频 直接 交直交变频 间接 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。 交流调压电路 相位控制 交流调功电路 通断控制 第 4章 交流电力控制电路和交交变频电路 电力电子技术 4.1 交流调压电路 原理 两个晶闸管反并 联后串联在交流电路 中，通过对晶闸管的 控制就可控制交流电 力。 电路图 电力电子技术 应用 1 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制 )。 2 异步电动机软起动。 3 异步电动机调速。 4 供用电系统对无功功率的连续调节。 5 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。 4.1 交流调压电路 电力电子技术 4.1.1 单相交流调压电路 4.1.2 三相交流调压电路 4.1 交流调压电路 电力电子技术 O u 1 u o i o u VT w t O w t O w t O w t 4.1.1 单相交流调压电路 1) 电阻负载 输出电压与 的关系 : 移相范围为 0 a 。 a =0时，输出电压为最大 。 Uo=U1; 随 a 的增大， Uo降低， a =时， Uo =0。 与 a 的关系 : a =0时，功率因数 =1， a 增大，输入电流滞后于电压 且畸变， 降低。 电力电子技术 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 。 2) 阻感负载 0.6 O u1 u 1 u o i o u VT w t O w t O w t w t O u uG1 G1 u G2 O O w t w t 负载阻抗角： j = arctan(wL/R) VT1 4.1.1 单相交流调压电路 电力电子技术 q 0 20 100 60 140 180 20 100 60 / ( ) 180 140 a / ( ) 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 = a 时刻开通晶闸管 VT1，可求得 j q jajqa tg)s i n ()s i n ( e 当 a = j 时 = 当 a j 时 以 j 为参变量，利用（ 4 7)可把 a 和 的关系表 示成右图。 4.1.1 单相交流调压电路 电力电子技术 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 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 160 180 0 40 120 80 j = 0 a / ( ) I VTN 负载电流有效值 (4-10) IVT的标么值 (4-11) 12 U ZII VTV T N VTII 20 4.1.1 单相交流调压电路 电力电子技术 图 4-5 aj时阻感负载交流调压电路工作波形 w t w t w t w t 图4 - 5 a a a qO O O O u 1 i G1 i G2 i o j i T1 i T2 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 电力电子技术 3) 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，所以不含直流 分量和偶次谐波。 基波和各次谐波有效值 负载电流基波和各次谐波有效值 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 。 ,5,3,1 o )s i nc o s()( n nn tnbtnatu www 22 on 2 1 nn baU RUI /onon 0 60 120 180 图4 - 6 基波 3 次 5 次 7 次 触发延迟角 a / ( ) I n / I * / % 20 40 60 80 100 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 电力电子技术 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 。 当 a 角相同时 ， 随着阻抗角 j 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 电力电子技术 4) 斩控式交流调压电路 在交流电源 u1的正半周 R L 图4 - 7 u 1 i 1 u o V 1 V 2 VD 1 VD 2 V 3 V 4 VD 4 VD 3 图 4-7 斩控式交流调压电路 4.1.1 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 电力电子技术 R L 图4 - 7 u 1 i 1 u o V 1 V 2 VD 1 VD 2 V 3 V 4 VD 4 VD 3 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 在交流电源 u1的负半周 4.1.1 单相交流调压电路 电力电子技术 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 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。 R L 图4 - 7 u 1 i 1 u o V 1 V 2 VD 1 VD 2 V 3 V 4 VD 4 VD 3 电力电子技术 4.1.2 三相交流调压电路 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 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 电力电子技术 三相四线 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。 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。 a =90 时，零线电 流甚至和各相电流的有效 值接近。 1) 星形联结电路 可分为 三相 三线和三 相 四 线 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 电力电子技术 三相三线，主要分析电阻负载时的情况 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 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 。 电力电子技术 (1)0 a 60 ： 三管导通与两管导通 交替，每管导通 180 a 。 但 a =0 时一直是三 管导通。 图 4-10 不同 a角时负载相电压波形 a) a =30 4.1.2 三相交流调压电路 电力电子技术 60 a90 ： 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 =60 4.1.2 三相交流调压电路 电力电子技术 (3)90 a 150 ： 两管导通与无晶闸 管导通交替，导通 角度为 300 2 a。 图 4-10 不同 a角时负载相电压波形 c) a =120 4.1.2 三相交流调压电路 电力电子技术 谐波情况 4.1.2 三相交流调压电路 电流谐波次数为 6k 1(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 。 电力电子技术 2） 支路控制三角联结电路 图 4 9三相交流调压电路 c)支路控制三角形联结 4.1.2 三相交流调压电路 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 。 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。 电力电子技术 谐波情况 c)支路控制三角形联结 图 4 9三相交流调压电路 4.1.2 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 6k 1(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。 电力电子技术 典型用例 晶闸管控制 电抗器 （ Thyristor Controlled Reactor TCR） 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臵 (Static Var Campensator SVC） ，用来对无功功率进行动态补偿， 以补偿电压波动或闪变。 图 4-11 晶闸管控制电抗器 (TCR)电路 4.1.2 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。 电力电子技术 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 电力电子技术 4.2 其他交流电力控制电路 4.2.1 交流调功电路 4.2.2 交流电力电子开关 电力电子技术 4.2.1 交流调功电路 交流调功电路与交流调压电路的异同比较 相同点 电路形式 完全相同 不同点 控制方式 不同 交流调压电路在每个电源 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。 电力电子技术 电阻负载时的工作情况 2 N M 电源周期 控制周期 = M 倍电源周期 = 2 4 M O 导通段 = M 3 M 2 M u o u 1 u o , i o w t U 1 2 图 4-13 交流调功电路典 型波形 (M =3、 N =2) 图 4 1电阻负载单相交流调压电路 4.2.1 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 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 谐波情况 0 12 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 6 10 8 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 5 1 2 3 4 I n / I 0m 4.2.1 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 4.2.2 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 电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用。 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 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。 电力电子技术 晶闸管投切电容 （ Thyristor Switched Capacitor TSC） 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 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。 电力电子技术 晶闸管的投切 选择晶闸管投入时刻的原则： 该时刻交流电源电压和电容 器预充电电压相等，这样电 容器电压不会产生跃变，就 不会产生冲击电流。 理想情况下，希望电容器预 充电电压为电源电压峰值， 这时电源电压的变化率为零， 电容投入过程不但没有冲击 电流，电流也没有阶跃变化。 1 2 t t t t u s i C u C VT 1 VT 2 t t u VT 1 u u s i C u C C VT 1 VT 2 VT 1 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 电力电子技术 TSC电路也可采用晶闸管和 二极管反并联的方式 4.2.2 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。 1 2 t t t t u s i C u C VT 1 VT 2 t t u VT 1 u u s i C u C C VT 1 VT 2 VT 1 图 4-16 TSC理想投切时刻原理说明 电力电子技术 4.3 交交变频电路 4.3.1 单相交交变频器 4.3.2 三相交交变频器 电力电子技术 4.3.1 单相交交变频器 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。 电力电子技术 1) 电路构成和基本工作原理 Z P N 输出电压 平均输出电压 图4-18 O u o u o a P =0 a P = 2 a P = 2 w t 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 电路构成 如图 4-18，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。 电力电子技术 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 。 Z P N 输出电压 平均输出电压 图4-18 O u o u o a P =0 a P = 2 a P = 2 w t 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 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 。 4.3.1 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 2) 整流与逆变工作状态 a) 整流 逆变 阻断 图4- 19 b) P N t t t t t 整流 逆变 阻断 O O O O O u o , i o u o i o t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 u o u P u N u o i P i N u P u N u o i o i N i P 4.3.1 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 。 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 图4- 19 b) P N t t t t t 整流 逆变 阻断 O O O O O u o , i o u o i o t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 u o u P u N u o i P i N u P u N u o i o i N i P 4.3.1 单相交交变频器 电力电子技术 工作状态 a) 整流 逆变 阻断 图4- 19 b) P N t t t t t 整流 逆变 阻断 O O O O O u o , i o u o i o t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 u o u P u N u o i P i N u P u N u o i o i N i P 4.3.1 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。 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 图4- 19 b) P N t t t t t 整流 逆变 阻断 O O O O O u o , i o u o i o t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 u o u P u N u o i P i N u P u N u o i o i N i P 4.3.1 单相交交变频器 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。 电力电子技术 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。 1 O O 2 3 4 5 6 图4 - 2 0 u o i o w t w t 图 4-20 单相交交变频电路输出电压和电流波形 第 1段 i o 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 ，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 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。 ac o sd0o Uu 0u 图4 - 2 1 u 2 u 3 u 4 u 5 u 6 u 1 u s2 u s3 u s4 u s5 u s6 u s1 u o a P3 a P4 w t w t 图 4-21 余弦交点法原理 4.3.1 单相交交变频器 电力电子技术 设期望的正弦波输出电 压为 (4-16） 比较式 (4-15)和 (4-16)， 应使 (4-17) g 称为输出电压比： ttUU oo d0 om s i ns i nc o s wgwa )10( 0 gg d om U U tUu oomo s in w 图 4-21 余弦交点法原理 图4 - 2 1 u 2 u 3 u 4 u 5 u 6 u 1 u s2 u s3 u s4 u s5 u s6 u s1 u o a P3 a P4 w t w t 4.3.1 单相交交变频器 电力电子技术 )si n(c o s o1 twga 图 4-21 余弦交点法原理 图4 - 2 1 u 2 u 3 u 4 u 5 u 6 u 1 u s2 u s3 u s4 u s5 u s6 u s1 u o a P3 a P4 w t w t 4.3.1 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。 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 4-21 余弦交点法原理 图4 - 2 1 u 2 u 3 u 4 u 5 u 6 u 1 u s2 u s3 u s4 u s5 u s6 u s1 u o a P3 a P4 w t w t 4.3.1 单相交交变频器 电力电子技术 不同 g 时，在 uo一周 期内， a 随 w ot 变化 的情况。图中， g 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。 g = 0 g = 0 . 1 相位控制角 a / ( ) 输出相位 w 0 t 图4 - 2 2 1 2 0 1 5 0 1 8 0 30 60 90 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 8 0 . 9 1 . 0 0 . 8 0 . 2 0 . 3 0 . 9 1 . 0 2 2 2 3 图 4-22 不同 g 时 a和 wot的关系 )s in(s in 2 )s in(c o s o 1 o 1 t t wg wga 4.3.1 单相交交变频器 电力电子技术 4) 输入输出特性 4.3.1 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。 电力电子技术 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 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 0 g = 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 - 2 3 0 1 . 00 . 80 . 60 . 40 . 20 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 2 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 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 (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 6fi fo， 6fi 3fo， 6fi 5fo， 12fi fo， 12fi 3fo， 12fi 5fo， 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 。 4.3.1 单相交交变频器 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 (4-19) 和 (4-20) 式中， k=1,2,3, ； l=0,1,2, 。 oiin 216 lffkf oiin 2 kfff 4.3.1 单相交交变频器 电力电子技术 4.3.2 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 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 (1)公共交流母线进线方式 图 4-24 公共交流母线进线 三相交交变频电路（简图 ） 4.3.2 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。 电力电子技术 (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 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 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 电力电子技术 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 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。 4.3.2 三相交交变频电路 电力电子技术 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 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。 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 200 t / ms 200 t / 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 电力电子技术 谐波频率为 (4-21) (4-22) 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 fi 6fo、 5fi 、 5fi 6fo 、 7fi 、 7fi 6fo 、 11fi 、 11fi 6fo fi 12fo等。 其中 5fi次谐波的幅值最 大。 oiin 616 lffkf oiin 6 kfff 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 200 t / ms 200 t / ms 4.3.2 三相交交变频电路 电力电子技术 输入功率因数 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。 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。 S PPP S P cba 4.3.2 三相交交变频电路 电力电子技术 3) 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 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。 直流偏臵 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。 电力电子技术 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 4-20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 。 值 可 u A N 的基波分量 图4 - 2 7 u O t u AB u A N u B N 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 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 ： 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 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 4.3.2 三相交交变频电路 电力电子技术 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。 4.3.2 三相交交变频电路 电力电子技术 本章小结 (1) 交流 交流变流电路的分类及其基本概念； (2) 单相交流调压电路的电路构成 ， 在电阻负载 和阻感负载时的工作原理和电路特性； (3) 三相交流调压电路的基本构成和基本工作原 理； (4) 交流调功电路和交流电力电子开关的基本概 念； (5) 晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成 、 工作原理和 输入输出特性； (6) 各种交流 交流变流电路的主要应用； (7) 矩阵式交交变频电路的基本概念 。 电力电子技术 本章作业 思考题： 1、根据实际，列举出几种常见的使用交交变频 电路的例子？ 2、交交变频电路的最高输出频率有无限制？是 多少？制约输出频率提高的因素是什么？ 要求： 课外思考题，不用写到作业本上，下次上课前提问并讨论。