第四章 交流调压电路 和交交变频电路 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院.

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1 第四章 交流调压电路 和交交变频电路 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

2 要 求 及 重 点 掌握交流调压器的基本类型、用途和电路，简要分析单、三相交流调压电路，理解和掌握交流斩波调压的原理与基本性能。掌握交－交变频电路的原理及电路，分析其优缺点，掌握三相交交变频电路的有环流和无环流运行。 重点： 交流调压电路和交交变频电路的原理及电路。 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

3 4. 1 交流调压器的类型、用途和电路 交流调压器的调压方式： 通断控制 相位控制 斩波控制 交流调压的应用： 调温的工频加热和感应加热
4. 1 交流调压器的类型、用途和电路 交流调压器的调压方式： 通断控制 相位控制 斩波控制 交流调压的应用： 调温的工频加热和感应加热 灯光调节 泵及风机的感应电动机调速 变压器的初级调压 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

4 单相调压器的基本电路 A. 反并联电路 B. 混合反并联电路 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

5 单相调压器的基本电路（续） C. 二极管桥式电路 D. 混合桥式电路 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

6 三相调压器的基本电路 A. 反并联电路 B. 混合反并联电路 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

7 三相调压器的基本电路（续） C.  形负载内接 D.  形负载内接 反并联电路  形反并联电路 May 1, 2003
反并联电路  形反并联电路 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

8 三相调压器的基本电路（续） E.  形负载内接 三个可控元件 电路 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

9 4. 2 单相交流调压电路的分析 以反并联交流调压电路为例 电阻负载 交流电压有效值 UR 负载的电流有效值 May 1, 2003
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10 功率因数 晶闸管的电流平均值 晶闸管的电流有效值 I及通态平均电流 IT May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

11 交流调压器R负载时的参数与关系 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

12 单相交流调压电路的分析（续） 电感性负载 a. 电路 b. 电压与电流波形 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

13 c. 负载电流表达式 感性负载电流 iL的两个分量 iL1、 iL2 电流表达式 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

14 d. 控制角、功率因数角与导通角的关系 单相交流调压器    时的  = f (、 ) 曲线 May 1, 2003
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15 e. 几种典型情况： (1)  = 0 (2)  不等于 0     < 180 May 1, 2003
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16 (3)  =  (4)    窄脉冲 宽脉冲 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

17 单相交流调压电路的分析（续） 感性负载时晶闸管电流和负载电流的有效值 晶闸管电流有效值 式中 I* ---晶闸管的标幺电流有效值
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18 晶闸管标幺电流有效值 I*与 、的关系 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

19 4. 3 三相交流调压电路的分析 分析举例电路 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

20 在三相电路中至少有一相正向晶闸管与另一相反向晶闸管同时导通。
三相交流调压器正常工作的基本条件 在三相电路中至少有一相正向晶闸管与另一相反向晶闸管同时导通。 为了保证电路起始工作时两个晶闸管能同时导通，并且在感性负载和控制角较大时，也能使不同相的正、反两个晶闸管同时导通，要求采用宽脉冲，或者双窄触发脉冲电路。 各触发信号应与相应的交流电源电压相序一致，并且与电压同步。 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

21 三相交流调压电路在电阻负载下的波形与参数 波形（见图）
输出电压 有效值 Ua May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

22 电阻负载三相调压电路输出电压 (a) 晶闸管反 并联电路 (b) 晶闸管与 二极管反 并联电路 May 1, 2003
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23 三相交流调压电路在感性负载下的工况 三相交流调压电路的 I*与 、 的关系 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

24 感性负载（  = 45）下三相调压电路 的电流波形
感性负载（  = 45）下三相调压电路 的电流波形 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

25 4. 4 交流斩波调压电路 交流斩波调压的原理与基本性能 原理图 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

26 交流斩波电路输出电压 (a) 电阻负载 (b) 感性负载 (d) 改善cos 的斩波调压 导通比: May 1, 2003
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27 交流斩波调压电路 GTR交流斩波器 GTO交流斩波器 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

28 用GTR构成的三相交流斩波器 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

29 4. 5 交－交变频电路概述 交流变换的目的： 调节电压、频率、相位 形式： 交－直－交变频器（整流器＋逆变器） 交－交变频器（直接变频器）
交－交变频电路概述 交流变换的目的： 调节电压、频率、相位 形式： 交－直－交变频器（整流器＋逆变器） 交－交变频器（直接变频器） May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

30 整流电路：Ud > 0 或 Ud < 0 ，Id > 0 三相半波整流电路：Ud = 1.17 U2 cos
基本原理及应用 整流电路：Ud > 0 或 Ud < 0 ，Id > 0 三相半波整流电路：Ud = 1.17 U2 cos 交交变频器：  在 0 至  之间变化，输出交流电压 正、负两组整流器反并联，输出交流电流 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

31 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

32 输出电压、电流波形图： May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

33 三相零式交交变频器： May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

34 高频 ( f0 > fi )、低频 ( f0 < fi )
应用领域： 大功率、低速交流传动 （轧钢机、矿井提升机、造纸、冶炼等） 分类： 单相、三相 桥式、零式 有环流、无环流 高频 ( f0 > fi )、低频 ( f0 < fi ) May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

35 4. 6 三相交－交变频器 三相输入、三相输出－－应用普遍 常用零式及桥式交－交变频器比较： 元件 整流 脉波 输出 谐波 功率
三相交－交变频器 三相输入、三相输出－－应用普遍 常用零式及桥式交－交变频器比较： 元件 整流 脉波 输出 谐波 功率 个数 形式 数 电压 含量 等级 零式－－18支 半波 少 低 较高 中等 桥式－－36支 全波 多 高 较低 大 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

36 三相输出各差120°，基本原理相同。 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

37 i0 > 0－－正组工作，UP = Ud = 1.17U2cosP , 0 < P <  ，UP 可正可负。
i0 < 0－－负组工作，UN = - Ud = U2cosN 平均值 UN = UP ，N =  - P 。 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

38 输出瞬时值 uN  uP ， u = uP – uN 。  u 在正、负组间产生环流，采用电抗器限制。
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39 有环流运行方式： 目的：使正、负组输出电流平滑过渡。 特点：正、负组同时工作， 采用环流电抗器抑制组间环流。 优点：正、负组自动切换，
输出电流连续、平滑、无死区， 系统动态性能高，稳定性好 缺点：增加电抗器，成本高，损耗大。 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

40 无环流运行方式： 目的：取消电抗器，降低成本及损耗。 特点： i0 > 0 时正组工作，封锁负组，
优点：无组间环流，成本低，损耗小。 缺点：需要检测电流过零点，控制复杂， 控制失败时，造成组间电源短路， 输出电流存在死区，波形畸变。 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

41 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

42 交－交变频器输出电压： 输出电压峰值： 输出电压有效值： 电压降系数： 改变 min ，可调节输出电压U0 。
min = 0 时， = 1 ，U0 = U0max = 0.83 U2 。 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

43 给定输出曲线与一余弦曲线相交，在交点处产生各晶闸管的触发脉冲。
交－交变频器控制方法： 余弦交点法： 给定输出曲线与一余弦曲线相交，在交点处产生各晶闸管的触发脉冲。 改变给定曲线的频率和幅值，可控制输出电压的频率和大小。 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

44 f0 / fi = 1/3 时，半周期内有 9 脉波，谐波较小 f0 / fi = 1/6 时，半周期内有 18 脉波，谐波小
交－交变频器输出频率： f0 / fi = 1/2 时，半周期内有 6 脉波，谐波大 f0 / fi = 1/3 时，半周期内有 9 脉波，谐波较小 f0 / fi = 1/6 时，半周期内有 18 脉波，谐波小 为了减小谐波含量， 降低负载转矩脉动， 应保证 f0 / fi < 1 / 3 ， 即 f0 < 16.7 Hz 。 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

45 交－交变频器的功率因数： 整流电路：cos = cos 交－交变频器： 因为 0 <  <  ，
所以 cos < cosmin ， cos = f (  , cos ) ， cos－负载功率因数。 输入侧总功率因数： May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

46 输出低频时，谐波含量小，负载转矩脉动低。 因此适用于大功率、低速交流传动领域。
交－交变频器的优点： 无中间直流环节，损耗小，效率高。 开关器件采用晶闸管，以利于大功率应用， 采用电源自然换相，不需强迫换流电路。 可以实现能量反馈，使电机作四象限运行。 输出低频时，谐波含量小，负载转矩脉动低。 因此适用于大功率、低速交流传动领域。 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

47 最高输出频率受限制， f0 / fi < 1 / 3 。 输入侧功率因数低，当输出电压较低时，功率因数更低。
交－交变频器的缺点： 晶闸管元件数量多，成本高，控制复杂。 最高输出频率受限制， f0 / fi < 1 / 3 。 输入侧功率因数低，当输出电压较低时，功率因数更低。 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

48 第五章 无源逆变电路 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

49 5. 1 无源逆变电路的原理及分类 无源逆变 直流  交流（向负载直接供电） 变频器 既能调压又能调频 无源逆变器 旋转变频器 静止变频器
5. 1 无源逆变电路的原理及分类 无源逆变 直流  交流（向负载直接供电） 变频器 既能调压又能调频 无源逆变器 旋转变频器 静止变频器 交－交变频器 直－交变频器 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

50 逆变器的基本类型 按结构分类 桥式 零式 按电网相数分类 单相 多相 按器件分类 半控型 全控型 按调制方法分类 SPWM 阶梯波
按导通的角度分类 180 120 按强迫换流的特点 谐振型 并联电容型等 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

51 逆变器的基本类型（续） 按储能元件的性质分类 电压型逆变器 电流型逆变器 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

52 单相电压型逆变电路 示意图 组成： 主电路 门控电路 控制电路 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

53 单相桥式逆变电路的原理（R负载） 主电路 波形图 输出电压（图 b） 输出电流（图 c） 直流输入电流（图 d） May 1, 2003
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54 单相桥式逆变电路的原理（L负载） 主电路 波形图 输出电压（图 b） 输出电流（图 c） 直流输入电流（图 d） May 1, 2003
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55 单相半桥GTO逆变电路及波形 主电路 波形图 输出电压（图 b） 输出电流（图 c） May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

56 单相零式逆变电路及波形 主电路 波形图 见右图 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

57 感性负载下SCR单相零式逆变电路 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

58 M相零式逆变电路的简化原理图 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

59 5. 3 三相电压型桥式逆变电路 电路结构 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

60 根据各管导通时间分： 180 导通型 120导通型 线电压由相电压相减得出 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

61 180 导通型各阶段的等值电路及电压值 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

62 180 导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形 线电压波形 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

63 180 导通型三相逆变器的参数 相电压表达式 线电压表达式 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

64 180 导通型三相逆变器的参数（续） 相电压有效值 线电压有效值 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

65 120 导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形 线电压波形 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

66 180  导通方式和 120 导通方式的比较： 120 方式上下两管间有60 的间隙，对换流有利，但是管子的利用率低，且若采用星形接法，则始终有一相断开，在换流时会引起较高的感应电势，而180 方式无论在三角形还是星形接法时，正常工作都不会产生过电压，故180 方式应用较为普遍。 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

67 感性负载情况 负载电流滞后角 小于60  （a）A相电压波形 （b）A相电流波形 （c）T1的电流波形 （d）D4的电流波形
（e）直流输入电流 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

68 感性负载情况（续） 负载电流滞后角 大于60  May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

69 它通过两个或三个逆变管，将能量从直流电源送到负载。
感性负载下逆变器中可能有三种电流： 功率电流 它通过两个或三个逆变管，将能量从直流电源送到负载。 环路电流 它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈二极管，形成环流，但此环流不经过电源。 反馈电流 它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈到直流电源中去。 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

70 逆变器的能量反馈及电机的再生制动图 电压型的能量反馈 电流型的能量反馈 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

71 逆变器 － 感应电动机系统的电压矢量 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

72 5. 4 电流型逆变电路 优点： 由于有大电感抑流，短路的危险性也比电压型逆变器小得多。电路对晶闸管关断时间（即晶闸管的快速性）的要求比电压型逆变器的要求低，电路相对电压型也比较简单，造价略低。 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

73 三相电流型逆变电路 主电路 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

74 波形图 (a) 相电压 (b) 线电压 (c) PWM时 的相电流 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

75 表达式 相电流 线电流 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

76 理想情况下，相电流中： 基波电流的幅值为 基波电流有效值为 相电流的有效值为 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

77 5. 5 IGBT三相逆变电路和三电平逆变电路 IGBT三相逆变器电路图 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

78 六阶梯波时的 电压、电流波形 PWM时的 电压、电流波形 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

79 额定电压 = 输入的AC电源电压× ＋再生电压增加值＋浪涌电压
IGBT的选择 电压定额的选择 额定电压 = 输入的AC电源电压× ＋再生电压增加值＋浪涌电压 简化公式： US：交流电源的峰值电压 K1：电网电压波动系数，K K2：直流中间回路有反馈时的泵升电压K K3：必要的电压安全系数，K ～1.5 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

80 电流定额的选择 cos : 电动机的功率因数 U : 交流电源相电压有效值 K4 : 电流的安全系数，取K4 = 2
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81 三点式（三电平）逆变电路示意图 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

82 (a) Holtz电路 (b) Nabae电路
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83 三点式逆变器的输出电压波形 逆变器的相电压波形 (a) 方波输出 (b) PWM方式输出 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

84 三点式逆变 电路在不同 控制角时的 负载相电压 波形
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85 GTO的定额选择 电压定额 US：交流电源的电压有效值 K1：电网电压波动系数，K1 1.15 K2：直流中间回路的反馈电压，K2 1.2
电流定额 IL：负载电流的有效值 K4 、K5：考虑安全裕量和电流脉动，这里取 2和1.2。 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

86 续流二极管的电流定额为主管GTO电流定额的1/3左右。
续流二极管的定额和特性选择 续流二极管的电流定额为主管GTO电流定额的1/3左右。 二极管的反向恢复特性及 Ldi r/dt May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

87 5. 6 逆变电路的调压、 脉冲宽度调制和谐波消除 逆变器调压的基本方法 调节输出变压器的变化 调节逆变器的直流输入电压
5. 6 逆变电路的调压、 脉冲宽度调制和谐波消除 逆变器调压的基本方法 调节输出变压器的变化 调节逆变器的直流输入电压 逆变器的相位位移或多重化技术（见下页） 通过对逆变器本身的控制实现调压调频 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

88 逆变器相位移调压原理 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

89 逆变器相位移调压输出波形 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

90 逆变器的正弦波脉宽调制（SPWM） 基本原理 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

91 单极性正弦脉宽调制 (a)输出电压波 (b)两种控制电压波的相交 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

92 单极性SPWM在载波比为20时的基波与谐波 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

93 双极性正弦脉宽调制 (a) 三角形载波 与正弦调制 波的相交 (b) 输出相电压波 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

94 UnM：第 n 次谐波的幅值； ：基波角频率 n: 谐波次数，n = 1、3、5 ……. May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

95 由上式得出： 式中 n：谐波次数，n =1、3、5、… j：脉冲次序，j =1、2、…、i 输出的基波相电压幅值为 May 1, 2003
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96 双极性SPWM在 N = 19时的基波与谐波 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

97 SPWM 的载波比与输出频率 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

98 不同开关频率下三种逆变器的电机电流波形 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

99 用脉宽调制消除指定的谐波分量 式中 为了消除3次和5次谐波，可令 U3M=0和 U5M=0 可求得特定的  1和  2
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100 消除3次和5次两种谐波的电压波形 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

101 SPWM逆变器的自然采样与规则采样 (a) 对称规则采样 (b)不对称规则采样 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

102 5. 7 电压型脉宽调制逆变电路的控制 微机实现SPWM控制的方法： 表格法（ROM法） 随时计算法（RAM法） 实时计算法 自然采样法
规则采样法 对称规则采样法 不对称规则采样法 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

103 5. 8 电力电子器件的缓冲电路 缓冲电路对不同器件的作用 晶闸管 GTR GTR在开关过程中的波形 vCE 和 iC 的轨迹
5. 8 电力电子器件的缓冲电路 缓冲电路对不同器件的作用 晶闸管 GTR GTR在开关过程中的波形 vCE 和 iC 的轨迹 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

104 关断时的 vCE和iC 开通时的vCE和iC
GTO IGBT 关断时的 vCE和iC 开通时的vCE和iC May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

105 缓冲电路的基本结构 串并联 RLCD 缓冲电路 并联 RCD 缓冲电路 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

106 单电容电路 桥臂模块公用的RCD电路 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

107 有反馈功能的RCD电路 不对称有反馈功能的RCD电路
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108 三角形吸收电路 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

109 缓冲电路中的杂散电感对关断波形的影响 缓冲电路中的L’s L’s 使阳极电压产生尖峰 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

110 设CS的电压在 t = tf 时由零上升到 VCSf，则
晶闸管 式中 IT：SCR的通态平均电流 缓冲电路吸收电阻 GTR 设CS的电压在 t = tf 时由零上升到 VCSf，则 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

111 在 tf 时的VCSf 通常可取为Ud的10～50％， 如取VCSf = 0.5Ud
故 在 tf 时的VCSf 通常可取为Ud的10～50％， 如取VCSf = 0.5Ud 也可令VCSf = 0.5UCEO ，则 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

112 IGBT 式中 LM：主电路电感 VCSP：CS上的最大充电电压 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

113 (di/dt)max：GTO开通时的允许最大电流上升率 (dv/dt)max：GTO关断时的允许最大电压上升率
ITGQM：GTO阳极最大可关断峰值电流 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院

114 通常可取开关器件的工作周期T约为（1～2）3RSC3
即 或者采用 May 1, 2003 北方交通大学电气工程学院