第4章交流电力控制电路和交交变频电路.ppt

西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心《电力电子技术》《电力电子技术》第第4章章 交流电力控制电路交流电力控制电路和交交变频电路和交交变频电路西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心第4章   交流电力控制电路和交交变频电路¨概述¨4.1  交流调压电路–4.1.1  单相交流调压电路–4.1.2  三相交流调压电路¨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¨4.3 交交变频电路–4.3.1 单相交交变频电路–4.3.2  三相交交变频电路¨4.4  矩阵式变频电路¨本章小结本章小结2西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心概  述u交交流流- -交交流流变变流流电电路路——一种形式的交流变成另一种形式交流的                     电路，可改变相关的电压、电流、频率和相数等²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§交流调压电路——相位控制（或斩控式），4.1节§交流调功电路及交流无触点开关——通断控制，4.2节²变频电路——改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的§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，4.3节2.矩阵式变频电路，4.4节§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，8.1节 ■ 3西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.1  交流调压电路¨交流电力控制电路的结构及类型–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–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–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–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， ■ 4西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.1  交流调压电路u交流调压电路的应用：–灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）–异步电动机软起动–异步电动机调速–供用电系统对无功功率的连续调节–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 ■ 5西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.1.1  单相交流调压电路1．电阻负载¨ 工作原理：–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–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–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图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形(显示放大图） ■ 6西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.1.1  单相交流调压电路u数量关系数量关系      负载电压有效值(4-1)                                                                  负载电流有效值                         (4-2)      晶闸管电流有效值(4-3)       功率因数(4-4)图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形(显示放大图） ■ 7西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.1.1  单相交流调压电路¨输出电压与输出电压与a的关系的关系:–移相范围为0≤ a ≤π。

 a =0时，输出电压为最大， Uo=U1随a的增大，Uo降低， a =π时， Uo =0¨λ与与a的关系的关系： -a =0时，功率因数λ=1， a增大，输入电流滞后于电压且畸变，λ降低 ■ 8西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.1.1  单相交流调压电路2．阻感负载阻感负载u 阻感负载时a的移相范围– 负载阻抗角：j= arctan(wL / R) – 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– 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– a =0时刻仍定为u1过零的时刻，a的移相范围应为j ≤ a ≤π图4-2  阻感负载单相交流调压电路及其波形显示放大图 ■ 9西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.1.1  单相交流调压电路u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ωt = a时刻开通VT1，负载电流满足                          (4-5)解方程得(4-6)式中        ,θ为晶闸管导通角利用边界条件：ωt = a +θ时io =0,可求得θ： (4-7)Ø  VT2导通时，上述关系完同，只是io极性相反，相位差180°图4-3  单相交流调压电路以a为参变量的θ和a关系曲线显示放大图 ■ 10西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心¨ 数量关系负载电压有效值                     (4-8) 晶闸管电流有效值                                 (4-9)4.1.1  单相交流调压电路 ■ 11西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心负载电流有效值                                           (4-10) IVT的标么值                                             (4-11)图4-4  单相交流调压电路a为参变量时IVTN和a关系曲线(显示放大图）4.1.1  单相交流调压电路 ■ 12西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心¨a < j 时的工作情况– VT1提前通，L被过充电，放电时间延长， VT1的导通角超过π–触发VT2时， io尚未过零， VT1仍导通， VT2不通–io过零后， VT2开通， VT2导通角小于π–方程式(4-5)和(4-6)所得io表达式仍适用，只是a≤ωt <∞–过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在ωt =a (a< j)时合闸的过渡过程相同– io由两个分量组成：正弦稳态分量、指数衰减分量4.1.1  单相交流调压电路 ■ 13西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心–衰减过程中， VT1导通时间渐短， VT2的导通时间渐长–稳态的工作情况和a =j时完全相同图4-5  a

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 ■ 21西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.1.2  三相交流调压电路¨ 三相三线，电阻负载时的情况– 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° ■ 22西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.1.2  三相交流调压电路¨(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¨(2)60°≤ a <90°：两管导通，每管导通120°¨(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a) a =30°     b) a =60°     c) a =120°(显示放大图） ■ 23西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.1.2  三相交流调压电路Ø谐波情况谐波情况²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²谐波次数越低，含量越大²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 ■ 24西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.1.2  三相交流调压电路2．支路控制三角联结电路¨ 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¨谐波情况– 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 ■ 25西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.1.2  三相交流调压电路¨典型用例——晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor—TCR）–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–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 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 ■ 26西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心图4-11  晶闸管控制电抗器(TCR)电路(显示放大图）图4-12  TCR电路负载相电流和输入线电流波形a)  a=120°     b) a=135°     c) a=160°(显示放大图）4.1.2  三相交流调压电路 ■ 27西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.2  其他交流电力控制电路¨以交流电源周波数为控制单位——交流调功电路¨对电路通断进行控制——交流电力电子开关 ■ 28西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.2.1  交流调功电路¨与交流调压电路的异同–电路形式完全相同–控制方式不同：将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率¨应用– 常用于电炉的温度控制– 因其直接调节对象是电路的平均输出功率，所以称为交流调功电路 ■ 29西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.2.1  交流调功电路-控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制即可-通常晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染Ø电阻负载时的工作情况电阻负载时的工作情况–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 ■ 30西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.2.1  交流调功电路–当M=3、N=2时的电路波形如图4-13–负载电压和负载电流（也即电源电流）的重复周期为M倍电源周期图4-13  交流调功电路典型波形(M =3、N =2)(显示放大图） ■ 31西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.2.1  交流调功电路¨谐波情况–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图4-14  交流调功电路的电流频谱图(M =3、N =2)(显示放大图） ■ 32西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.2.2  交流电力电子开关¨晶闸管反并联后串入交流电路¨作用：代替机械开关，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 ■ 33西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.2.2  交流电力电子开关¨ 晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor—TSC）– 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– 图4-15基本原理图（单相）– 实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结图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(显示放大图） ■ 34西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.2.2  交流电力电子开关–两个反并联的晶闸管起着把C并入电网或从电网断开的作用（图4-15a）–串联电感很小，用来抑制电容器投入电网时的冲击电流–实际工程中，为避免电容器组投切造成较大冲击，一般把电容器分成几组（图4-15b），可根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量–TSC实际上为断续可调的动态无功功率补偿器图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c)(显示放大图） ■ 35西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.2.2  交流电力电子开关¨ 晶闸管投切– 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图4-16  TSC理想投切时刻原理说明(显示放大图） ■ 36西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.2.2  交流电力电子开关¨TSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式–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4-17  晶闸管和二极管反并联方式的TSC(显示放大图） ■ 37西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3 交交变频电路¨本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)¨交交变频电路——把电网频率的交流电变成可调频率的交流电，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，实用的主要是三相输出交交变频电路 ■ 38西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.1 单相交交变频电路1．电路构成和基本工作原理¨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都是相控整流电路图4-18  单相交交变频电路原理图和输出电压波形(显示放大图） ■ 39西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.1 单相交交变频电路Ø工作原理工作原理²P组工作时，负载电流io为正²N组工作时，io为负²两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ø改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率woø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 ■ 40西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.1 单相交交变频电路²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 ■ 41西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.1 单相交交变频电路2．整流与逆变工作状态．整流与逆变工作状态²阻感负载为例²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²设负载阻抗角为j，则输出电流滞后输出电压j角²两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 ■ 42西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心图4-19  理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态(显示放大图） 工作状态工作状态Ø t1~t3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4.3.1 单相交交变频电路 ■ 43西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.1 单相交交变频电路Ø 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Ø 哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关Ø 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4-19  理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态(显示放大图） ■ 44西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心图4-20  单相交交变频电路输出电压和电流波形(显示放大图）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段第1段io <0， uo >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4.3.1 单相交交变频电路 ■ 45西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心第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²uo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²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4.3.1 单相交交变频电路 ■ 46西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.1 单相交交变频电路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， 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            (4-16)– 比较式(4-15)和(4-16)，应使     (4-17)g 称为输出电压比： ■ g47西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.1 单相交交变频电路–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图4-21  余弦交点法原理(显示放大图） ■ 48西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.1 单相交交变频电路²u1~u6所对应的同步信号分别用us1~us6表示²us1~us6比相应的u1~u6超前30°，us1~us6的最大值和相应线电压a=0的时刻对应²以a=0为 零 时 刻 ， 则us1~us6为余弦信号²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us1~us6的下降段和uo的交点来决定图4-21  余弦交点法原理(显示放大图） ■ 49西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.1 单相交交变频电路¨不同g 时，在uo一周期内，a随wot 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图4-22  不同g时a和wot的关系(显示放大图） ■ 50西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.1 单相交交变频电路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1/3~1/2电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz ■ 51西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.1 单相交交变频电路2) 输入功率因数¨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图4-23  单相交交变频电路的功率因数(显示放大图） ■ 52西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.1 单相交交变频电路3) 输出电压谐波输出电压谐波Ø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²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，…Ø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 ■ 53西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.1 单相交交变频电路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,…。

 ■ 54西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.2  三相交交变频电路¨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¨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¨主要有两种：公共交流母线进线方式和输出星形联结方式 ■ 55西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.2  三相交交变频电路1) 公共交流母线进线方式（图4-24）¨ 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  公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）(显示放大图） ■ 56西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.2  三相交交变频电路2) 输出星形联结方式（图4-25）¨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(显示放大图） ■ 57西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.2  三相交交变频电路¨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¨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 ■ 58西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.2  三相交交变频电路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Ø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         (4-21)和          (4-22)式中，k =1,2,3,…；l =0,1,2,…。

 ■ 59西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.2  三相交交变频电路¨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 、13fi 、 13fi±6fo 、 fi±12fo等其中5fi次谐波的幅值最大图4-26  交交变频电路的输入电流波形(显示放大图） ■ 60西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.2  三相交交变频电路Ø输入功率因数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 ■ 61西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.2  三相交交变频电路3．改善输入功率因数和提高输出电压Ø 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。

Ø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 ■ 62西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.2  三相交交变频电路Ø交流偏置交流偏置²梯形波输出控制方式²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²电压中三次谐波相互抵消，线电压仍为正弦波²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²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Ud0²在同样幅值的情况下，梯形波中的基波幅值可提高15%左右图4-27  梯形波控制方式的理想输出电压波形(显示放大图） ■ 63西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.2  三相交交变频电路Ø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¨和交直交变频电路比较，交交变频电路的优点：–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¨缺点是：–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 ■ 64西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.3.2  三相交交变频电路– 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Ø应用应用¨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¨既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动 ■ 65西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.4  矩阵式变频电路¨ 直接变频电路¨ 所用开关器件是全控型的¨ 控制方式不是相控方式而     是斩控方式Ø 拓扑拓扑¨ 图4-28a所示 ¨ 三相输入电压为ua、 ub和uc                              图4-28¨ 三相输出电压为uu、 uv和uw      ¨ 9个开关器件组成3×3矩阵，因此该电路被称为矩阵式变频电路(Matrix Converter — MC)或矩阵变换器¨ 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4-28b给出了应用较多的一种开关单元 ■ 66西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.4  矩阵式变频电路Ø优点优点²输出电压为正弦波²输出频率不受电网频率的限制²输入电流也可控制为正弦波且和电压同相²功率因数为1，也可控制为需要的功率因数²能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行²不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高 ■ 67西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.4  矩阵式变频电路Ø矩阵式变频电路的基本工作原理矩阵式变频电路的基本工作原理²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(4-24)–式中，Tc——开关周期；ton—— 一个开关周期内开关导通时间；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4-29a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 ■ 68西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.4  矩阵式变频电路²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4-29b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   ²利用三相线电压利用三相线电压–用图4-28a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  ■ 69西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.4  矩阵式变频电路–可利用图4-29c中6个线电压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4-29  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b)(显示放大图） ■ 70西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.4  矩阵式变频电路Ø以以相相电电压压输输出出方方式式为为例例分分析析矩矩阵阵式式交交交交变变频频电电路路的的控控制制利用对开关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) ■ 71西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.4  矩阵式变频电路对于三相有                                                                                          (4-27)可缩写为 uo=s s ui   (4-28)式中uo            ,ui , s s s s称为调调制制矩矩阵阵，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(4-29)(4-30)式中，ii                                io式(4-27)、(4-29)是矩矩阵阵式式变变频频电电路路的的基基本本输输入入输输出出关关系系式式72西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.4  矩阵式变频电路对实际系统来说，输入电压和所需要的输出电流是已知的。

设为                                                                                        (4-31) (4-32)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  ■ 73西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.4  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(4-33)  (4-34)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相位角 ■ 74西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.4  矩阵式变频电路当期望的输入功率因数为1时，ji =0把式(4-31)~式(4-34)代入式(4-27)和式(4-29)，可得(4-35)       (4-36)如能求得满足式(4-35)和式(4-36)的s s，就可得到希望的输出电压和输入电流s ss sT ■ 75西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.4  矩阵式变频电路Ø 要要使使矩矩阵阵式式变变频频电电路路能能够够很很好好地地工工作作，，需需解解决决的两个基本问题的两个基本问题– 如何求取理想的调制矩阵s s–开关切换时如何实现既无交叠又无死区Ø 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  ■ 76西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4.4  矩阵式变频电路十分突出的优点：–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 ■ 77西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心本章小结本章小结本章的要点如下：(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) 矩阵式交交变频电路的基本概念；(7) 各种交流—交流变流电路的主要应用。

 ■ 78西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形返回79西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心图4-2  阻感负载单相交流调压电路及其波形返回80西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心图4-3  单相交流调压电路以a为参变量的θ和a关系曲线返回81西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心图4-4  单相交流调压电路a为参变量时IVTN和a关系曲线返回82西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心图4-5 a