1、1第六章 AC-AC變換電路第五節第五節 矩陣變換器矩陣變換器第四節第四節 交交-交變頻電路交變頻電路第三節第三節 三相交流調壓電路三相交流調壓電路第二節第二節 單相交流調壓電路單相交流調壓電路第一節第一節 交流開關及應用交流開關及應用引言引言第六節第六節 單相交流調壓電路的仿真單相交流調壓電路的仿真2引 言v 交-交變流電路：一種形式的交流變成另一種形式交流的電路，可改變電壓、電流、頻率和相數等。交流電力控制電路交流電力控制電路：只改變電壓、電流或控制電路的通斷，不改變頻率；n1. 交流調壓電路相位控制（或斬控式）；n2. 交流調功電路及交流無觸點開關通斷控制。變頻電路變頻電路：改變頻率，大

2、多不改變相數，也有改變相數的；n交交變頻電路直接把一種頻率的交流變成另一種頻率或可變頻率的交流，直接變頻電路；1. 晶閘管交交變頻電路2. 矩陣式變頻電路n交直交變頻電路先把交流整流成直流，再把直流逆變成另一種頻率或可變頻率的交流,間接變頻電路。3內容提要與目的要求掌握交流調壓器的基本類型、用途和電路，掌握交流調壓器的基本類型、用途和電路，簡要分析單、三相交流調壓電路簡要分析單、三相交流調壓電路.理解和掌握交流斬波調壓的原理與基本性理解和掌握交流斬波調壓的原理與基本性能，掌握交交變頻電路（周波變換器）能，掌握交交變頻電路（周波變換器）的原理及電路，分析其優缺點。的原理及電路，分析其優缺點。重點

3、重點：交交變頻電路（周波變流器）的：交交變頻電路（周波變流器）的原理及電路原理及電路4第一節 交流開關及應用一、交流一、交流電力電子電力電子開關開關交流開關及應用二、交流二、交流調功電路調功電路5一、交流電力電子開關將晶閘管反并聯串入交流電路如圖6-1所示，代替電路中的機械開關，起接通和斷開電路的作用，稱為交流電力交流電力電子開關電子開關，也稱為無觸點開關無觸點開關。與機械開關比，它具有開關響應速度快，無觸點（無電弧火花），壽命長，可頻繁控制通斷的優點。當觸發信號送至晶閘管時可使電路在一個周期的任何時刻接通，但采用相位控制觸發方式，會使電路中的正弦波出現缺角，而含較大的高次皆波。所以常用的是過

4、零觸發，即晶閘管在電壓為零或零附近的瞬間接通，利用電流小于維持電流關斷，這時開關對外界的電磁干擾最小。6v將電力電子開關（多為雙向晶閘管）和其控制電路封裝在一起構成無觸點通斷組件稱為固態開關（Solid State Suitch）,簡稱SSS，它包括固態繼電器（Solid State Relay，SSR）和固態接觸器（Solid State Cantactor，SSC）。v固態開關一般采用環氧樹脂封裝，具有體積小，工作頻率高的特點，適用于頻繁操作或有腐蝕性易燃，多粉塵的場合。7二、交流調功電路 交流調動電路的形式和圖6-1相同，控制方式也是通斷控制，不過其控制目的是為了控制電路的平均輸出功率。

5、 而交流電力電子開關并不去控制電路的平均輸出功率，通常也沒有明確的控制周期，交流電力電子開關只是根據需要接通或斷開電路。8v交流調動電路將負載和交流電源接通幾個整周期，再斷開幾個整周期，通過改變接通周期數和斷開周期數的比例來調節負載上的平均功率v通常控制晶閘管的導通時刻都是在電源電壓過零的時刻，這樣，在交流電源接通期間，負載電壓為正弦波，不會對電網電壓造成諧波污染。v圖6-2為交流調功電路的典型波形，設控制固期為M倍的電源周期，其中晶閘管在前N個周期導通，在后M-N個周期關斷。 9第二節第二節 單相交流調壓電路單相交流調壓電路1一、電阻一、電阻負載負載2二、阻感二、阻感負載負載3三、單相三、單

6、相交流調壓交流調壓電路的諧電路的諧波分析波分析4四、斬控四、斬控式交流調式交流調壓電路壓電路10v兩個晶閘管反并聯后串聯在交流電路中，控制晶閘管就可控制交流電力；v交流調壓電路交流調壓電路每半個周波控制晶閘管開通相位，調節輸出電壓有效值；v交流調功電路交流調功電路以交流電周期為單位控制晶閘管通斷，改變通斷周期數的比，調節輸出功率的平均值；v交流電力電子開關交流電力電子開關并不著意調節輸出平均功率，而只是根據需要接通或斷開電路。11v燈光控制（如調光臺燈和舞臺燈光控制）；v異步電動機軟起動；v異步電動機調速；v供用電系統對無功功率的連續調節；v在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調節變壓器一

7、次電壓。121.1.工作原理：工作原理：v 在 u1的正半周和負半周，分別對VT1和VT2的開通角a進行控制就可以調節輸出電壓；v 正負半周a 起始時刻（a =0）均為電壓過零時刻，穩態時，正負半周的a 相等；v 負載電壓波形是電源電壓波形的一部分，負載電流（也即電源電流）和負載電壓的波形相同。RO圖4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt圖6-3 電阻負載單相交流調壓電路及其波形 13v 2.2.數量關系數量關系 負載電壓有效值(6-1) 負載電流有效值： (6-2) 晶閘管電流有效值(6-3)： 功率因數(6-4)：2sin21dsin21121oUttUURUIoo

8、)22sin1 (21sin221121RUtdRtUIT2sin211oo1ooUUIUIUSPRO圖4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt圖6-3 電阻負載單相交流調壓電路及其波形14v輸出電壓與輸出電壓與 的關系的關系: :移相范圍為0 。 =0時，輸出電壓為最大， Uo=U1。隨a的增大，Uo降低， =時， Uo =0。v 與與 的關系的關系： - =0時，功率因數=1， 增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低。151 1、工作原理、工作原理阻感負載時的移相范圍v 負載阻抗角： = arctan(L / R) v 晶閘管短接，穩態時負載電流為正弦波，相位滯后于u1

9、的角度為 ；v 在用晶閘管控制時，只能進行滯后控制，使負載電流更為滯后，而無法使其超前；v =0時刻仍定為u1過零的時刻， 的移相范圍應為 。圖6-4 阻感負載單相交流調壓電路及其波形RL0.6圖4 -2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtt二、阻感負載 16u 阻感負載時的工作過程分析阻感負載時的工作過程分析在t= a時刻開通VT1，負載電流滿足 (6-5)解方程得(6-6)式中 ,為晶閘管導通角利用邊界條件：t = a +時io =0,可求得： (6-7) VT2導通時，上述關系完全相同，只是io極性相反，相位差1800201006014018020

10、100圖4-360/( )180140/( )= 9075604530150圖6-8 單相交流調壓電路以為參變量的和關系曲線0sin2ddo1ootitURitiLtetZUittg1o)sin()sin(222)( LRZtg)sin()sin(e17v確定其移相范圍確定其移相范圍： v 此時 ， 則 。由此可知正負半波電流斷續，且愈大，愈小，波形斷續愈嚴重，但此時交流電壓可調。其波形如圖6-4所示 。v= 此時 ， 則 。由此可知正負半波電流臨界連續，負載上獲得最大功率。波形如圖6-5所示。 0)sin(taneo1800)sin(即0)sin(taneo1800)sin(即18v 此時

11、， 則 。這種情況下設在t= 時刻觸發VT1，則VT1的導通時刻超過。 到 t=+時刻觸發VT2時，由于負載電流i0尚未到零，VT1仍導通，VT2承受反壓不能導通。等VT1中電流變為零而關斷，若觸發脈沖為窄脈沖，雖然此時VT2開始承受正向電壓，由于ug2脈中已消失，所以VT2無法導通。 第三個半周ug1又觸發VT1管，這樣負載電流只有正半波，電流出現很大的直流分量，電路不能正常工作。 波形如圖6-6所示，這樣在 時，晶閘管不能用窄脈沖觸發，而應采用寬脈沖或脈沖列。0)sin(taneo1800)sin(即19這樣VT2在VT1關斷后仍能導通，不過剛開始時兩管的電流波形不對稱但是在指數分量的衰減

12、過程中VT1的導通時間逐漸縮短，VT2的導通時間逐漸延長，當指數分量衰減到零后，VT1和VT2的導通時間均趨近到，其穩態工作情況和 時完全相同，寬脈沖時波形如圖6-7所示。綜合分析可知：單相交流調壓電路帶阻感性負載單相交流調壓電路帶阻感性負載時時角夠相范圍為角夠相范圍為。 20v 2.參數計算參數計算負載電壓有效值 (6-8)晶閘管電流有效值 (6-9)22sin(2sin1)()sin2(1121oUtdtUUcos)2cos(sin21ZU)d()sin()sin(2212tg1VTtetZUIt21負載電流有效值 (6-10) IVT的標么值 (6-11)To2II 1TTN2UZII圖

13、6-9 單相交流調壓電路為參變量時IVTN和關系曲線圖4 -4 = 900.10.20.30.40.516018004012080 75 6045 = 0/( )IVTN22v 電阻負載的情況 波形正負半波對稱，所以不含直流分量和偶次諧波 (6-12) 式中 , 5 , 3 , 1o)sincos()(nnntnbtnatu) 12(cos2211Ua)(22sin2211Ub三、單相交流調壓電路的諧波分析 23 (n=3,5,7,) (n=3,5,7,)v 基波和各次諧波有效值 (n=1,3,5,7,) (6-13)v 負載電流基波和各次諧波有效值 (6-14)v 電流基波和各次諧波標么值隨

14、 a變化的曲線（基準電流為a =0時的有效值）如圖6-10所示1) 1cos(111) 1cos(1121nnnnUan) 1sin(11) 1sin(1121nnnnUbn22on21nnbaURUI/onon060120180圖4-6基波3次5次7次觸發延遲角/( )In/I*/%20406080100圖6-10 電阻負載單相交流調壓電路基波和諧波電流含量24v阻感負載的情況阻感負載的情況電流諧波次數和電阻負載時相同，也只含3、5、7等次諧波隨著次數的增加，諧波含量減少和電阻負載時相比，阻感負載時的諧波電流含量少一些 角相同時，隨著阻抗角j 的增大，諧波含量有所減少25一般采用全控型器件作

15、為開關器件v工作原理工作原理基本原理和直流斬波電路有類似之處u1正半周，用V1進行斬波控制，V3提供續流通道u1負半周，用V2進行斬波控制，V4提供續流通道設斬波器件（V1或V2）導通時間為ton，開關周期為T，則導通比 = ton/T，改變 可調節輸出電壓 26v特性電源電流的基波分量和電源電壓同相位，即位移因數為1電源電流不含低次諧波，只含和開關周期T有關的高次諧波功率因數接近1RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3圖6-11 斬控式交流調壓電路u1i1O圖4-8uoOOttt圖6-12 電阻負載斬控式交流調壓電路波形27二、三相二、三相三線式聯三線式聯結結一、三

16、相一、三相四線式星四線式星形聯結形聯結三、三相交三、三相交流調壓電路流調壓電路的主要技術的主要技術指標和電路指標和電路特點比較特點比較 第三節 三相交流調壓電路一二三28根據三相聯結形式的不同，三相交流調壓電路具有多種形式圖6-13 三相交流調壓電路 29 星形聯結電路可分為三相三線和三相四線兩種情況v 三相四線（如圖6-13（a）所示 ）v基本原理：基本原理：相當于三個單相交流調壓電路的組合，三相互相錯開120工作。基波和3倍次以外的諧波在三相之間流動，不流過零線v問題：問題：三相中3倍次諧波同相位，全部流過零線。零線有很大3倍次諧波電流。=90時，零線電流甚至和各相電流的有效值接近v應用：

17、應用：在選擇線徑和電源變壓器時應考慮這一問題。一般大容量設備不采用這種電路。一、三相四線式星形聯結30v 三相三線，電阻負載時的情況（電路如圖6-13（b）(c)所示 ） 因為沒有零線，要構成回路必須有兩相同時導通，與三相全控整流電路一樣應采用寬脈沖或雙窄脈沖觸發； 同一相上兩個反并聯晶閘管觸發脈沖相180 ； 三相上同向的晶閘管觸發脈沖彼此相差120 ； 觸發脈沖順序為VT1 VT0，依次相差600 ； 觸發脈中的上范圍0 150。二、三相三線式聯結31根據晶閘管導通情況以及電流是否連續可將0150的移相范圍分為以下幾種情況： (1)0 60：三管導通與兩管導通交替，每管導通180 。但 =

18、0時一直是三管導通 (2)60 90：兩管導通，每管導通120 (3)90 150：兩管導通與無晶閘管導通交替，導通角度為3002 圖4-10c)晶閘管導通區間a)晶閘管導通區間晶閘管導通區間b)432353302432353302432353302uaouaouaouauauauab2uac2uab2uac2uab2uac2t1t2t3t1t2t3VT1VT3VT4VT6VT1VT6VT2VT5VT5VT5VT1VT3VT4VT6VT2VT6VT5VT5VT1VT3VT4VT6VT2VT6VT5VT5VT1VT3VT5VT4VT2VT4VT6圖6-14 不同角時負載相電壓波形a) =30 b

19、) =60 c) =12032v諧波情況諧波情況電流諧波次數為6k1(k=1，2，3，)，和三相橋式全控整流電路交流側電流所含諧波的次數完全相同諧波次數越低，含量越大和單相交流調壓電路相比，沒有3倍次諧波，因三相對稱時，它們不能流過三相三線電路33支路控制三角聯結電路v 由三個單相交流調壓電路組成，分別在不同的線電壓作用下工作v單相交流調壓電路的分析方法和結論完全適用v輸入線電流（即電源電流）為與該線相連的兩個負載相電流之和v 諧波情況v3倍次諧波相位和大小相同，在三角形回路中流動，而不出現在線電流中v線電流中所諧波次數為6k1(k為正整數)v在相同負載和a角時，線電流中諧波含量少于三相三線星

20、形電路34三、三相交流調壓電路的主要技術指標和電路特點比較v 六種廠相交流調壓電路的主要技術指標和電路特點的比較，在實際應用中應根據負載的性能要求進行選擇。 12/3U16 /2U12U12U12U電路晶閘管最大峰值電壓晶閘管電流平均值移相范圍線路性能特點a圖0.45I1001800零線電流大，大容量設備不采用b圖c圖0.45I1001500負載可星形或廠角形接皆波分量小d圖0.26I1001800負載應分得開，適用于大電流場合e圖0.26I1001500負載應分得開f圖0.675I1002100線路簡單，成本低，負載應分得開35v典型用例晶閘管控制電抗器（Thyristor Controll

21、ed ReactorTCR）a移相范圍為90180v控制a角可連續調節流過電抗器的電流，從而調節無功功率v配以固定電容器，就可在從容性到感性的范圍內連續調節無功功率，稱為靜止無功補償裝置(Static Var CampensatorSVC），用來對無功功率進行動態補償，以補償電壓波動或閃變36負載圖4-11uaiaubucnbac圖6-00 晶閘管控制電抗器(TCR)電路a)b)c)圖4-12圖6-01 TCR電路負載相電流和輸入線電流波形a) =120 b) =135 c) =16037第四節 交-交變頻電路1一、單相交一、單相交-交變頻電交變頻電路路2二、三相交二、三相交-交變頻電交變頻電

22、路路3三、交三、交-交交變頻器與交變頻器與交-直直-交變頻交變頻器比較器比較38v本節講述：晶閘管交交變頻電路，也稱周波變流器(Cycloconvertor)v交交變頻電路交交變頻電路直接將一種頻率的交流電變成另一種頻率或可調頻率的交流電，不通過中間直流環節，屬于直接變頻電路v廣泛用于大功率交流電動機調速傳動系統，實用的主要是三相輸出交交變頻電路。v交-交變頻電路根據控制角的不同規律，其輸出可獲得正弦波、矩形波或梯形波，這里主要介紹正弦波交-交變頻器。39一、單相交-交變頻電路1電路構成和基本工作原理v 電路構成 如圖6-15，由P組和N組反并聯的晶閘管變流電路構成，和直流電動機可逆調速用的四

23、象限變流電路完全相同 變流器P和N都是相控整流電路ZPN輸出電壓平均輸出電壓圖4-18OuouoP=0P=2P=2t圖6-15 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形40v 工作原理工作原理 P組工作時，負載電流io為正； N組工作時，io為負； 兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該頻率的交流電：改變兩組變流器的切換頻率，就可改變輸出頻率wo；改變變流電路的控制角a，就可以改變交流輸出電壓的幅值； 為使uo波形接近正弦波，可按正弦規律對a角進行調制。v 在半個周期內讓P組a 角按正弦規律從90減到0或某個值，再增加到90，每個控制間隔內的平均輸出電壓就按正弦規律從零增至最高，再減到零。另

24、外半個周期可對N組進行同樣的控制；vuo由若干段電源電壓拼接而成，在uo的一個周期內，包含的電源電壓段數越多，其波形就越接近正弦波。41整流與逆變工作狀態整流與逆變工作狀態阻感負載為例把交交變頻電路理想化，忽略變流電路換相時uo的脈動分量，就可把電路等效成圖6-16a所示的正弦波交流電源和二極管的串聯設負載阻抗角為j，則輸出電流滯后輸出電壓j 角兩組變流電路采取無環流工作方式，即一組變流電路工作時，封鎖另一組變流電路的觸發脈沖42a)整流逆變阻斷圖4-19b)PNttttt整流逆變阻斷OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP圖6-16 理

25、想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態 工作狀態工作狀態 t1t3期間：io正半周，正組工作，反組被封鎖 t1 t2： uo和io均為正，正組整流，輸出功率為正 t2 t3 ： uo反向， io仍為正，正組逆變，輸出功率為負43 t3 t5期間： io負半周，反組工作，正組被封鎖 t3 t4 ：uo和io均為負，反組整流，輸出功率為正 t4 t5 ： uo反向， io仍為負，反組逆變，輸出功率為負 哪一組工作由io方向決定，與uo極性無關 工作在整流還是逆變，則根據uo方向與io方向是否相同確定工作狀態工作狀態圖6-16 理想化交交變頻電路的整流和逆變工作狀態a)整流 逆變阻斷b)PNttttt

26、整流 逆變阻斷OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP44 介紹最基本的、廣泛使用的余弦交點法 設Ud0為 = 0時整流電路的理想空載電壓，則有 (6-15) 每次控制時a角不同， uo表示每次控制間隔內uo的平均值 期望的正弦波輸出電壓為 (6-16) 比較式(6-15)和(6-16)，應使 (6-17) 稱為輸出電壓比：cosd0oUutUuoomosinttUUood0omsinsincos) 10(d0omrUU2 2輸出正弦波電壓的調制方法輸出正弦波電壓的調制方法45余弦交點法基本公式余弦交點法基本公式 (6-18)v 余弦交點

27、法圖解 線電壓uab、 uac 、 ubc 、 uba 、 uca和ucb依次用u1 u6表示 相鄰兩個線電壓的交點對應于a=0)sin(coso1t圖4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoP3P4tt圖6-17 余弦交點法原理46u1u6所對應的同步信號分別用us1us6表示us1us6比相應的u1u6超前30，us1us6的最大值和相應線電壓a=0的時刻對應以a= 0 為 零 時 刻 ， 則us1us6為余弦信號希望輸出電壓為uo，則各晶閘管觸發時刻由相應的同步電壓us1us6的下降段和uo的交點來決定圖4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4u

28、s5us6us1uoP3P4tt圖6-17 余弦交點法原理47v不同g 時，在uo一周期內，a隨wot 變化的情況。圖中，vg 較小，即輸出電壓較低時，a只在離90很近的范圍內變化，電路的輸入功率因數非常低 = 0 = 0.1相位控制角/( )輸出相位 0 t圖4-2212015018030609000.10.20.30.80.91.00.80.20.30.91.02223圖6-18 不同時和ot的關系)sin(sin2/)sin(coso1o1tt48 v交交變頻電路主要應用于大功率交流電機調速系統，使用的是三相交交變頻電路v由三組輸出電壓相位各差120的單相交交變頻電路組成1 1電路接線方

29、式電路接線方式v主要有兩種：公共交流母線進線方式公共交流母線進線方式和輸出星形輸出星形聯結方式聯結方式。491) 公共交流母線進線方式公共交流母線進線方式（圖6-19） 由三組彼此獨立的、輸出電壓相位相互錯開120的單相交交變頻電路構成 電源進線通過進線電抗器接在公共的交流母線上 因為電源進線端公用，所以三組的輸出端必須隔離。為此，交流電動機的三個繞組必須拆開 主要用于中等容量的交流調速系統。圖4-24圖6-19 公共交流母線進線三相交交變頻電路（簡圖）502) 輸出星形聯結方式輸出星形聯結方式（圖6-20） 三組的輸出端是星形聯結，電動機的三個繞組也是星形聯結 電動機中點不和變頻器中點接在一

30、起，電動機只引出三根線即可圖4-25a)b)圖6-20 輸出星形聯結方式三相交交變頻電路a）簡圖 b）詳圖51u因為三組的輸出聯接在一起，其電源進線必須隔離，因此分別用三個變壓器供電；u由于輸出端中點不和負載中點相聯接，所以在構成三相變頻電路的六組橋式電路中，至少要有不同輸出相的兩組橋中的四個晶閘管同時導通才能構成回路，形成電流；u和整流電路一樣，同一組橋內的兩個晶閘管靠雙觸發脈沖保證同時導通；u兩組橋之間則是靠各自的觸發脈沖有足夠的寬度，以保證同時導通。52（1 1）輸出上限頻率）輸出上限頻率 輸出上限頻率和輸出電壓諧波和單相交交變頻電路是一致的。 一般認為，變流電路采用三相橋式電路時，其輸

31、出頻率不高于電網頻率的1312。電網頻率為50HZ時，交交變頻電路的輸出頻率約為20HZ。 v 輸入電流輸入電流總輸入電流由三個單相的同一相輸入電流合成而得到有些諧波相互抵消，諧波種類有所減少，總的諧波幅值也有所降低諧波頻率為 式中，k =1,2,3,；l =0,1,2,。oiin616lffkfoiin6kfff2 2輸入輸出特性輸入輸出特性53v （2 2）輸入功率因數）輸入功率因數三相總輸入功率因數應為 (6-19)p三相電路總的有功功率為各相有功功率之和p但視在功率卻不能簡單相加，而應由總輸入電流有效值和輸入電壓有效值來計算，比三相各自的視在功率之和要小p三相總輸入功率因數要高于單相交

32、交變頻電路SPPPSPcba54 改善輸入功率因數和提高輸出電壓v 基本思路基本思路 各相輸出的是相電壓，而加在負載上的是線電壓 在各相電壓中疊加同樣的直流分量或3倍于輸出頻率的諧波分量，它們都不會在線電壓中反映出來，因而也加不到負載上。利用這一特性可以使輸入功率因數得到改善并提高輸出電壓。v 直流偏置直流偏置 負載電動機低速運行時，變頻器輸出電壓很低，各組橋式電路的a角都在90附近，因此輸入功率因數很低 給各相輸出電壓疊加上同樣的直流分量，控制角a將減小，但變頻器輸出線電壓并不改變55v 交流偏置交流偏置 梯形波輸出控制方式 使三組單相變頻器的輸出均為 梯形波（也稱準梯形波） ，主 要諧波成

33、分是三次諧波 在線電壓中三次諧波相互抵消，線電壓仍為正弦波 因為橋式電路較長時間工作在高輸出電壓區域（即梯形波的平頂區），a角較小，因此輸入功率因數可提高15%左右 圖示正弦波輸出控制方式中，最大輸出正弦波相電壓的幅值為Ud0 在同樣幅值的情況下，梯形波中的基波幅值可提高15%左右uAN的基波分量圖4-27uOtuABuANuBN梯形波控制方式的理想輸出電壓波形56v 介紹間接變頻電路，先把交流變換成直流，再把直流逆變成可變頻率的交流，稱交直交變頻電路v 和交直交變頻電路比較，交交變頻電路的優點優點： 只用一次變流，效率較高 可方便地實現四象限工作 低頻輸出波形接近正弦波v缺點缺點是： 接線復

34、雜，采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用36只晶閘管 受電網頻率和變流電路脈波數的限制，輸出頻率較低 輸入功率因數較低 輸入電流諧波含量大，頻譜復雜 57表表6-2 交交-交變頻器和交交變頻器和交-直直-交變頻器的交變頻器的性能比較性能比較 交-交變頻器交-直-交變頻器換能形式一次換流，效率較高兩次換流，效率較低換流方式電網換流強迫換流或負載換流元件數量元件數量較多，三相橋式變流電路組成的三相交交變頻器至少36個晶閘管元件數量較少調頻范圍一般情況下，輸出最高頻率為電網頻率1/31/2頻率調節范圍寬功率因素低用可控整流調壓時，功率因素低；用斬波器或PWM方式調壓時，功率因素高場合主要用于50

35、0kw或1000kw 以上，轉速在600r/min以下的低速大功率場合可用于各種電力拖動裝置CVCF電源，UPS等58v應用應用v主要用于500kW或1000kW以下的大功率、低轉速的交流調速電路中。目前已在軋機主傳動裝置、鼓風機、礦石破碎機、球磨機、卷揚機等場合應用v既可用于異步電動機，也可用于同步電動機傳動59第五節 矩陣變換器一、矩陣變換器的一、矩陣變換器的電路拓撲結構電路拓撲結構二、矩陣變換器的二、矩陣變換器的工作原理工作原理矩陣變換器60v 直接變頻電路v 所用開關器件是全控型的v 控制方式不是相控方式而是斬控方式v 這種電路稱為矩陣變換器矩陣變換器（Matrix Converter

36、）也稱為陣列型換流器，它是一種具有優良的輸入輸出特性的新型交交變換器。v 矩陣變換器是一種“廣義變換器廣義變換器”，在同一矩陣變換器上，通過采用不同的控制算法，可以實現整流器、逆變器、斬波器的功能。 61一、矩陣變換器的電路拓撲結構u 矩陣變換器的功率開關 必須是雙向開關，u 目前功率雙向開關都是 采用單向功率器件（例如IGBT、 GTO、電力MOSFET）， 通過串并聯組合而成。u 拓撲結構拓撲結構v 圖6-21a所示 v 三相輸入電壓為ua、 ub和uc 圖6-21v 三相輸出電壓為uu、 uv和uw v 9個開關器件組成33矩陣，因此該電路被稱為矩陣式變頻電路(Matrix Conver

37、ter MC)或矩陣變換器v 圖中每個開關都是矩陣中的一個元素，采用雙向可控開關，圖6-21b給出了應用較多的一種開關單元。輸入輸出a)b)圖4-28abcuvwS11S12S13S21S22S23S31S32S33Sij62v優點優點輸出電壓為正弦波輸出頻率不受電網頻率的限制輸入電流也可控制為正弦波且和電壓同相功率因數為1，也可控制為需要的功率因數能量可雙向流動，適用于交流電動機的四象限運行不通過中間直流環節而直接實現變頻，效率較高63v 利用單相輸入利用單相輸入 對單相交流電壓us進行斬波控制，即進行PWM控制時，輸出電壓uo為(6-20) 式中，Tc開關周期；ton 一個開關周期內開關導

38、通時間；s 占空比 不同的開關周期中采用不同的s，可得到與us頻率和波形都不同的uo 由于單相交流us波形為正弦波，可利用的輸入電壓部分只有如圖6-22a所示的單相電壓陰影部分，因此uo將受到很大的局限，無法得到所需輸出波形。ssconouuTtu 64利用三相相電壓利用三相相電壓 把輸入改為三相，就可利用圖6-22b所示的三相相電壓包絡線中所有的陰影部分 理論上所構造的uu的頻率可不受限制 但如uu必須為正弦波，則其最大幅值僅為輸入相電壓ua幅值的0.5倍利用三相線電壓利用三相線電壓 用圖6-21a中第一行和第二行的6個開關共同作用來構造輸出線電壓uuv 65可利用圖6-22c中6個線電壓包

39、絡線中所有的陰影部分當uuv必須為正弦波時，最大幅值就可達到輸入線電壓幅值的0.866倍正弦波輸出條件下矩陣式變頻電路理論上最大的輸出輸入電壓比圖6-22 構造輸出電壓時可利用的輸入電壓部分單相輸入 b) 三相輸入構造輸出相電壓 c) 三相輸出構造輸出線電壓a)b)c)UmU1mU1m23Um1266v 以相電壓輸出方式為例分析矩陣式交交變頻電路的控制以相電壓輸出方式為例分析矩陣式交交變頻電路的控制利用對開關S11、 S12和S13的控制構造輸出電壓uu 為防止輸入電源短路，任何時刻只能有一個開關接通 負載一般是阻感負載，負載電流具有電流源性質，為使負載不開路，任一時刻必須有一個開關接通u相輸

40、出電壓uu和各相輸入電壓的關系為 (4-25) 式中s11、s12和s13一個開關周期內開關S11、 S12、S13的導通占空比 (4-26)cbauuuuu131211113121167對于三相有 (6-27)可縮寫為 u uo o=s us ui i 式中u uo o ,u uii , s , s s s稱為調制矩陣調制矩陣，s矩陣中各元素確定后，輸入電流ia、ib、ic和輸出電流iu、iv、iw的關系也就確定了(6-28)式中，iii i io是矩陣式變頻電路的基本輸入輸出關系式矩陣式變頻電路的基本輸入輸出關系式cbawvuuuuuuu333231232221131211TwvuuuuT

41、cbauuu333231232221311211oT332313322212312111iiiwvucbaiiiiiiTcbaiiiTwvuiii68對實際系統來說，輸入電壓和所需要的輸出電流是已知的。設為 式中 Uim、Iom 輸入電壓和輸出電流的幅值；wi、wo 輸入電壓和輸出電流的角頻率； jo 相應于輸出頻率的負載阻抗角。 34cos32coscosiimiimiimtUtUtUuuucbaooomooomooom34cos32coscostItItIiiiwvu69變頻電路希望的輸出電壓和輸入電流分別為 式中Uom、Iim輸出電壓和輸入電流的幅值；ji 輸入電流滯后于電壓的相位角34

42、cos32coscosoomoomoomwvutUtUtUuuuiiimiiimiiim34cos32coscostItItIiiicba70當期望的輸入功率因數為1時，ji =0。可得 如能求得滿足上式的s s，就可得到希望的輸出電壓和輸入電流34cos32coscosoomoomoomtUtUtU34cos32coscosiimiimiimtUtUtU34cos32coscosiimiimiimtItItIooomooomooom34cos32coscostItItI T71u要使矩陣式變頻電路能夠很好地工作，需解要使矩陣式變頻電路能夠很好地工作，需解決的兩個基本問題決的兩個基本問題n如何

43、求取理想的調制矩陣s sn開關切換時如何實現既無交疊又無死區u 現狀現狀尚未進入實用化，主要原因： 所用的開關器件為18個，電路結構較復雜，成本較高，控制方法還不算成熟 輸出輸入最大電壓比只有0.866，用于交流電機調速時輸出電壓偏低 72十分突出的優點優點： 有十分理想的電氣性能 和目前廣泛應用的交直交變頻電路相比，雖多用了6個開關器件，卻省去了直流側大電容，將使體積減小，且容易實現集成化和功率模塊化。在器件制造技術飛速進步和計算機技術日新月異的今天，矩陣式變頻電路將有很好的發展前景73第六節 單相交流調壓電路的仿真v交流調壓線路有采用晶閘管器件的相位控制和采用全控元件的PWM控制兩種方式，

44、這里主要介紹晶閘管控制的交流調壓電路。vPWM控制的交流調壓仿真在前節介紹的直流-直流變流仿真基礎上很容易實現。74v由晶閘管控制的單相交流調壓電路如圖6-23所示。反并聯連接的晶閘管VT1和VT2組成了交流雙向開關，在交流輸入電壓的正半周，VT1導通，在交流輸入電壓的負半周，VT2導通，控制晶閘管的導通時刻，可以調節負載兩端的電壓。v單相交流電壓電路的仿真模型如圖6-24所示。模型由交流電源、反并聯晶閘管模塊（VT1、2）、觸發模塊（pulse1、2）、阻感負載（RL）和觀測示波器組成。其中雙向晶閘管開關模塊由分支電路組成，如圖中虛線框內所示。 75v交流調壓晶閘管控制角的移相范圍是180，

45、 0的位置定在電源電壓過零的時刻。在阻感負載時按控制角與負載阻抗角 的關系，電路有兩種工作狀態。v1180時v調壓器輸出電壓和電流的正負半周是不連續的，在這范圍內調節控制角，負載的電壓和電流將隨之變化。 arctan( /)L R76v 2 0 時 調壓器輸出處于失控狀態，即雖然控制角變化，但負載電壓不變，且是與電源電壓相同的完整正弦波。 這是因為阻感負載電流滯后于電壓，因此如果控制角較小，在一個晶閘管電流尚未下降到零前，另一個晶閘管可能已經觸發（但不導通），一旦電流下降到零，如果另一個晶閘管的觸發脈沖還存在，則該晶閘管立即導通，使負載上的電壓成為連續的正弦波，出現失控現象。 正因為如此交流調

46、壓器晶閘管必須采用后沿固定在的寬脈沖觸發方式，以保證晶閘管能正常觸發。根據以上要求設計的交流調壓觸發器觸發電路如圖6-25a所示。77 交流調壓器的觸發電路由同步、鋸齒波形成和移相控制等環節組成。 電路的輸入端In1是同步電壓輸入端，同步電壓經延遲Relay環節產生與同步電壓正半周等寬的方波，該方波經斜率設定產生鋸齒波，鋸齒波與移相控制電壓（輸入端In2）疊加調節鋸齒波的過零點，在經延遲產生前沿可調，后沿固定的晶閘管觸發脈沖，觸發電路各部分的輸出波形如圖6-25b所示。 波形從上至下分別是同步信號、半周等寬方波、鋸齒波、疊加移相控制和出發信號。 觸發電路的下半部分用于產生負半周晶閘管的觸發脈沖

47、。 78v 現利用圖6-24的模型分別在和的情況下對交流調壓器進行仿真，負載為R1，L10mH。模塊設置參數見表2，移相控制電壓可在之間任意調節。 模塊電源uinRelay Relay2Rate Limiter Rate Limiter1Relay1 Relay3參數設置220VSwitch On pointepsRising slew rate1000Switch On pointeps50HzSwitch Off pointepsFallingslew rate-1e8Switch Off pointepsOutput when on10Output when on1Output when

48、 off0Output when off079v仿真結果如圖6-26所示，圖6-26a所示的為移相控制電壓Uct5V時的調壓器輸出電壓、電流波形。v由于晶閘管的斬波作用并且控制角較大。輸出電壓、電流波形的正負半周是不連續的，使輸出電壓有效值減小，實現了對交流電壓的調節。v圖6-26b所示為Uct2V時的調壓器輸出電壓、電流波形，由于控制角較小（ 0 ），輸出電壓和電流為完整的正弦波，交流調壓器失去調壓作用。80v 比較電流和晶閘管的觸發脈沖，可以看到在正向電流尚未為零前反向晶閘管的觸發脈沖已經到來，如果觸發脈沖很窄，在正向電流到零時反向晶閘管的觸發脈沖已經消失，則反向晶閘管就不導通，因此需要采

49、用寬脈沖觸發方式，且脈沖的后沿應設在180的位置，和交流調壓器的移相范圍相適應。v 在電流的第一個周期，因為電感電流較大，電感儲能較多，正向晶閘管的導通時間較長，使反向晶閘管的實際導通時間滯后于觸發時間，因此電流的正半周大于負半周，經兩個周期的調節達到正負半周相等的平衡狀態。圖中方波為正反向晶閘管的觸發脈沖。 8182圖圖6-1 交流電力電子開關原理圖交流電力電子開關原理圖83圖圖6-2 交流調功電路的典型波形交流調功電路的典型波形 84RO圖4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt圖圖6-3 電阻負載單相交流調壓電路及其波形電阻負載單相交流調壓電路及其波形 RO圖4-1u1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt85圖圖6-4 6-4 阻感負載單相交流調壓電路及其波形阻感負載單相交流調壓電路及其波形RL0.6圖4-2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOttRL0.6圖4 -2Ou1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOttOuG1uG2OOtt86圖圖6-5 阻感負載單相交流調壓電路阻感負載單相交流調壓電路=時波形