交交变频电路

2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity1/35交交变频电路•单相交交变频器•三相交交变频器2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity2/35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。2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity3/35电路构成和基本工作原理ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoP=0P=2P=2t单相交交变频电路原理图和输出电压波形电路构成由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。单相交交变频器2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity4/35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。ZPN输出电压平均输出电压图4-18OuouoP=0P=2P=2t单相交交变频电路原理图和输出电压波形单相交交变频器2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity5/35为使uo波形接近正弦波，可按一定规律对角进行调制。在半个周期内让P组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。单相交交变频器2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity6/35整流与逆变工作状态a)整流逆变阻断图4-19b)PNttttt整流逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态阻感负载为例，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所示的正弦波交流电源和二极管的串联。单相交交变频器2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity7/35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4-19b)PNttttt整流逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态单相交交变频器2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity8/35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a)整流逆变阻断图4-19b)PNttttt整流逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态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。单相交交变频器2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity9/35t3~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4-19b)PNttttt整流逆变阻断OOOOOuo,iouoiot1t2t3t4t5uouPuNuoiPiNuPuNuoioiNiP理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态小结：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。单相交交变频器2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity10/35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。1OO23456图4-20uoiott单相交交变频电路输出电压和电流波形第1段io0，uo0，反组逆变第2段电流过零，为无环流死区第3段io0，uo0，正组整流第4段io0，uo0，正组逆变第5段又是无环流死区第6段io0，uo0，为反组整流单相交交变频器2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity11/35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，则有每次控制时a角不同，表示每次控制间隔内uo的平均值。cosd0oUu0u图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoP3P4tt余弦交点法原理单相交交变频器2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity12/35设期望的正弦波输出电压为g称为输出电压比：ttUUood0omsinsincosg)10(0ggdomUUtUuoomosin余弦交点法原理图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoP3P4tt单相交交变频器2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity13/35)sin(coso1tg余弦交点法原理图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoP3P4tt余弦交点法基本公式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=0。单相交交变频器2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity14/35u1~u6所对应的同步信号分别用us1~us6表示us1~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。以a=0为零时刻，则us1~us6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us1~us6的下降段和uo的交点来决定。余弦交点法原理图4-21u2u3u4u5u6u1us2us3us4us5us6us1uoP3P4tt单相交交变频器2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity15/35不同g时，在uo一周期内，随ot变化的情况。图中，g较小，即输出电压较低时，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=0g=0.1相位控制角/(°)输出相位0t图4-2212015018030609000.10.20.30.80.91.00.80.20.30.91.02223不同g时和ot的关系)sin(sin2)sin(coso1o1ttgg单相交交变频器2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity16/35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。单相交交变频器2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity17/35单相交交变频电路的功率因数输入功率因数相控方式，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，角以90°为中心变化。输出电压比g越小，半周期内的平均值越靠近90°。负载功率因数越低，输入位移因数也越低。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。0.80.60.40.20g=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4-2301.00.80.60.40.200.80.60.40.20.80.60.40.2负载功率因数（超前）负载功率因数（滞后）输入位移因数单相交交变频器2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity18/35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。单相交交变频器2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity19/35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••和••式中，k=1,2,3,…；l=0,1,2,…。oiin216lffkfoiin2kfff单相交交变频器2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity20/35三相交交变频电路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。2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity21/35公共交流母线进线方式公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）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。三相交交变频电路2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity22/35输出星形联结方式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•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。三相交交变频电路2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity23/35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。三相交交变频电路2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity24/35改善输入功率因数和提高输出电压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。三相交交变频电路2020/4/29Xi'anJiaotongUniversity25/35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