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1、5.4 交交变频电路5.4 交交变频电路交交变频电路电力电子技术电力电子技术( (第第5 5版版) )第第5 5章章 交流变换电路交流变换电路5.4 交交变频电路交交变频电路 交交变频电路是不通过中交交变频电路是不通过中间直流环节而把电网频率的交间直流环节而把电网频率的交流电直接变换成不同频率（低流电直接变换成不同频率（低于交流电源频率）交流电的变于交流电源频率）交流电的变流电路。流电路。 主要用于大功率交流电动主要用于大功率交流电动机调速系统。机调速系统。 1 1）定义）定义 2 2）应用）应用图图 单相交流输入时交交变单相交流输入时交交变频电路的波形图频电路的波形图 5.4.1 单相输出交
2、交变频电路单相输出交交变频电路 1 1、电路结构和工作原理、电路结构和工作原理 电路结构：电路结构：由具有相同特征的两组晶闸由具有相同特征的两组晶闸管整流电路（正组整流器和反组整流器管整流电路（正组整流器和反组整流器 ）反并联构成；反并联构成； 工作原理工作原理 正组整流器工作，反组整流器被封锁，正组整流器工作，反组整流器被封锁，负载端输出电压为上正下负；负载端输出电压为上正下负； 负组整流器工作，正组整流器被封锁，负组整流器工作，正组整流器被封锁，负载端得到输出电压上负下正；负载端得到输出电压上负下正； 以低于电源的频率切换正反组整流器以低于电源的频率切换正反组整流器的工作状态的工作状态,
3、,在负载端就可获得交变的输出在负载端就可获得交变的输出电压；（如图电压；（如图 ） 晶闸管的开通与关断必须采用无环流晶闸管的开通与关断必须采用无环流控制方式，防止两组晶闸管桥同时导通；控制方式，防止两组晶闸管桥同时导通； 图图 单相输出交交变频电路单相输出交交变频电路 图图 单相交流输入时交交变频单相交流输入时交交变频电路的波形图电路的波形图 电路控制特点：电路控制特点： （1 1）一个周期内控制角）一个周期内控制角a a固定不变时，输出电压为含有大量的谐波矩固定不变时，输出电压为含有大量的谐波矩形波形波,(,(如图如图5.4.2) 5.4.2) 对电机的工作很不利。对电机的工作很不利。 （2
4、 2）为了让输出电压波形接近正弦波，可按正弦规律对）为了让输出电压波形接近正弦波，可按正弦规律对a a进行调制。进行调制。 正组工作的半个周期内让控制角正组工作的半个周期内让控制角a按正弦规律从按正弦规律从90逐渐减小到逐渐减小到0，然后逐渐增加到然后逐渐增加到90。正组整流电流的输出电压的平均值就按正弦规律。正组整流电流的输出电压的平均值就按正弦规律变化，从零增大到最大变化，从零增大到最大,然后从最大减小到零。然后从最大减小到零。 反组工作的半个周期内采用上述同样的控制方法，反组工作的半个周期内采用上述同样的控制方法， 就可以得到接近就可以得到接近正弦波的输出电压。如图正弦波的输出电压。如图
5、图交交变频电路的波形图（图交交变频电路的波形图（a a变化）变化） 5.4.1 单相输出交交变频电路单相输出交交变频电路 2 2、变频电路的工作过程（电感性负载）、变频电路的工作过程（电感性负载） 对于电感性负载，输出电压超前电流。一个周期可以分为六个阶段对于电感性负载，输出电压超前电流。一个周期可以分为六个阶段 第一阶段：第一阶段：输出电压过零，输出电压过零， u0为正，为正，i000，u u0 000。正组整流器工作在整流状态，反组整流器。正组整流器工作在整流状态，反组整流器被封锁。被封锁。 2 2、变频电路的工作过程（电感性负载）、变频电路的工作过程（电感性负载）5.4.1 单相输出交交
6、变频电路单相输出交交变频电路 图图5.4.4 5.4.4 交交- -交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形 第四阶段：第四阶段：i i0 000，u u0 000。正组整流器工作有源逆变状态，反组整流。正组整流器工作有源逆变状态，反组整流器仍被封锁；器仍被封锁； 第五阶段：第五阶段：电流为零，为无环流死区；电流为零，为无环流死区； 第六阶段：第六阶段： i i0 00,0,u u0 000，反组整流器工作在整流状态，正组整流器，反组整流器工作在整流状态，正组整流器被封锁；被封锁； 2 2、变频电路的工作过程（电感性负载）、变频电路的工作过程（电感性
7、负载）5.4.1 单相输出交交变频电路单相输出交交变频电路 图图5.4.4 5.4.4 交交- -交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形 总结：总结： 哪组整流器电路工作是由输出电流决定，而与输出电压极性无关；哪组整流器电路工作是由输出电流决定，而与输出电压极性无关； 变流电路是工作在整流状态还是逆变状态，则是由输出电压方向变流电路是工作在整流状态还是逆变状态，则是由输出电压方向和输出电流方向的异同决定；和输出电流方向的异同决定； 2 2、变频电路的工作过程（电感性负载）、变频电路的工作过程（电感性负载）单相输出交交变频电路单相输出交交变频电路 3
8、 3、输出正弦波电压的控制方法（、输出正弦波电压的控制方法（“余弦波交点法余弦波交点法”） 设设U Ud0d0为为a a = 0 = 0时整流电路的理想空载电压时整流电路的理想空载电压，则有：，则有： （）（） （）（） 每次控制时每次控制时a a不同，不同，u u0 0为每个控制间隔输出的平均电压，为每个控制间隔输出的平均电压，希望输出的正弦波电压为希望输出的正弦波电压为 比较式（）与（），则使比较式（）与（），则使 （）（） g g 称为输出电压比称为输出电压比： a acos0doUu tUuomo sin0 ttUUodoom0sinsincos g g a a )sin(cos1to
9、 g ga a doomUU g g)10( g g式（）为余弦交点法求式（）为余弦交点法求 角的基本公式。角的基本公式。 a a5.4.1 单相输出交交变频电路单相输出交交变频电路 图图余弦交点法原理余弦交点法原理 2）相邻两个线电压的交点对应于）相邻两个线电压的交点对应于a=0； 3）u1-u6所对应的同步信号分别用所对应的同步信号分别用us1-us6表示表示 ； 4）us1-us6比相应的比相应的u1-u6超前超前30， us1-us6的最大值和相应线电压的最大值和相应线电压a=0的的时刻对应；时刻对应； 4 4、余弦交点法图解、余弦交点法图解 6）各晶闸管触发时刻由相应的同步电压）各晶
10、闸管触发时刻由相应的同步电压us1-us6的下降段和输的下降段和输出电压出电压uo的交点来决定；的交点来决定； 1）线电压）线电压uAB、 uAC 、 uBC 、 uBA 、 uCA和和uCB依次用依次用u1-u6表示；表示； 5） a =0为零时刻，则为零时刻，则us1-us6为余弦信号；为余弦信号；5.4.1 单相输出交交变频电路单相输出交交变频电路 不同不同g g 时，在时，在u u0 0一周期内一周期内，a a 随变化的情况如图随变化的情况如图，图中图中 图图5.4.6 5.4.6 不同不同g g 时时a a 和和w w0 0t t 变化的情况变化的情况 g g 较小，即输出电压较低时
11、，较小，即输出电压较低时，a a只在离只在离9090很近的范围内变化，电路很近的范围内变化，电路的输入功率因数非常低的输入功率因数非常低； )sin(sin2/)sin(coso1o1tt g g g ga a 5.4.1 单相输出交交变频电路单相输出交交变频电路 5.4.2 三相输出交交变频电路三相输出交交变频电路 交交变频器主要用于交流调速系统中，交交变频器主要用于交流调速系统中， 实实际使用的主要是三相交交变频器。际使用的主要是三相交交变频器。 由三组输出电压相位各相差由三组输出电压相位各相差1201200 0的单相交交的单相交交变频电路组成。变频电路组成。 电路接线形式主要：电路接线形
12、式主要： 1 1）公共交流母线进线方式）公共交流母线进线方式 2 2）输出星形联结方式）输出星形联结方式 1、公共交流母线进线方式、公共交流母线进线方式图图公共交流母线进线方式的三相交公共交流母线进线方式的三相交交变频电路原理图交变频电路原理图 由三组彼此独立的，输出由三组彼此独立的，输出电压相位相互错开电压相位相互错开120120 0 0的单相的单相交交- -交变频电路组成。交变频电路组成。 电源进线通过进线电抗器电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。接在公共的交流母线上。 电源进线端公用电源进线端公用, ,故三相单故三相单相变频电路的输出端必须隔离，相变频电路的输出端必须隔离，为此，
13、交流电动机的三个绕组为此，交流电动机的三个绕组必须拆开，同时引出六根线。必须拆开，同时引出六根线。 主要用于中等容量的交流主要用于中等容量的交流调速系统。调速系统。 5.4.2 三相输出交交变频电路三相输出交交变频电路 2、输出星形联结方式、输出星形联结方式图输出星形联结方式的三相交图输出星形联结方式的三相交交变频电路原理图交变频电路原理图 三组的输出端和电动机的三个绕三组的输出端和电动机的三个绕组都是星形联结；组都是星形联结； 电动机中点和变频器中点接在一电动机中点和变频器中点接在一起，电动机只引三根线即可；起，电动机只引三根线即可； 三组单相变频器连接在一起，其三组单相变频器连接在一起，其
14、电源进线必须隔离，所以分别用三个电源进线必须隔离，所以分别用三个变压器供电；变压器供电； 由于变频器输出中点不和负载中点相联结，所以在构成三相变频器由于变频器输出中点不和负载中点相联结，所以在构成三相变频器的六组桥式电路中，至少要有不同相的两组桥中的四个晶闸管同时导通的六组桥式电路中，至少要有不同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；才能构成回路，形成电流； 同一组桥内的两个晶闸管靠双脉冲保证同时导通。两组桥之间依靠同一组桥内的两个晶闸管靠双脉冲保证同时导通。两组桥之间依靠足够的脉冲宽度来保证同时有触发脉冲。足够的脉冲宽度来保证同时有触发脉冲。 5.4.2 三相输出交交变频电
15、路三相输出交交变频电路 5.4.3 交交变频电路输出频率上限的限制交交变频电路输出频率上限的限制 输出频率升高时，输出电压一个周期内电网电压的段输出频率升高时，输出电压一个周期内电网电压的段数就减少，所含的谐波分量就要增加从而使输出电压波形数就减少，所含的谐波分量就要增加从而使输出电压波形畸变。畸变。 一般的，交流电路采用一般的，交流电路采用6 6脉波的三相桥式电路时，最高脉波的三相桥式电路时，最高输出频率不高于电网频率的输出频率不高于电网频率的1/31/31/21/2。电网频率为。电网频率为50H50HZ Z，交交变频电路的输出上限频率约为交交变频电路的输出上限频率约为20Hz20Hz。 5
16、.4.4 交交变频器的优缺点交交变频器的优缺点 优点优点 只有一次变流，且使用电网换相，只有一次变流，且使用电网换相，提高了变流效率；提高了变流效率； 可以很方便的实现四象限工作；可以很方便的实现四象限工作； 低频时输出波形接近正弦波；低频时输出波形接近正弦波； 缺点缺点 接线复杂，使用的晶闸管数目较多；接线复杂，使用的晶闸管数目较多； 受电网频率和交流电路各脉冲数的受电网频率和交流电路各脉冲数的限制，输出频率低；限制，输出频率低； 采用相控方式，功率因数较低；采用相控方式，功率因数较低； 交交变频器主要用交交变频器主要用于于500kW500kW或或1000kW1000kW以上，以上，转速在转速在600r/min600r/min以下的以下的大功率低转速的交流调大功率低转速的交流调速装置中。速装置中。 目前已在矿石碎机、目前已在矿石碎机、水泥球磨机、卷扬机、水泥球磨机、卷扬机、鼓风机及扎机主传动装鼓风机及扎机主传动装置中获得了较多的应用。置中获得了较多的应用。 它既可用于异步电动它既可用于异步电动机传动，也可以用于同机传动，也可以用于同步电动机传动步电动机传动