交流到交流变流电路.ppt

《交流到交流变流电路.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《交流到交流变流电路.ppt（77页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、电力电子技术电力电子技术第第6 6章章 交流交流-交流变流电路交流变流电路 引言引言引言引言 6.1 6.1 交流调压电路交流调压电路交流调压电路交流调压电路 6.2 6.2 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路 6.3 6.3 交交变频电路交交变频电路交交变频电路交交变频电路 6.4 6.4 矩阵式变频电路矩阵式变频电路矩阵式变频电路矩阵式变频电路 本章小结本章小结本章小结本章小结电力电子技术电力电子技术第第6 6章章 交流交流-交流变流电路交流变流电路.引言引言 本章主要讲述 交流交流-交流变流电路交流变流电路 把一种形式的交流变成另一种形式交流

2、的电路 交交变频 直接 交直交变频 间接交流电力控制电路只改变电压,电流或控制电路的通断,而不改变频率的电路。变频电路改变频率的电路交流调压电路 相位控制交流调功电路 通断控制电力电子技术电力电子技术 6.1 交流调压电路交流调压电路 原理原理两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可控制交流电力。电路图电路图电力电子技术电力电子技术 6.1 交流调压电路交流调压电路 应用应用 1 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。2 异步电动机软起动。3 异步电动机调速。4 供用电系统对无功功率的连续调节。5 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。电力电子技术电力电

3、子技术6.1 交流调压电路交流调压电路 6.1.1 6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路单相交流调压电路单相交流调压电路 6.1.2 6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路三相交流调压电路三相交流调压电路电力电子技术电力电子技术1 电阻负载电阻负载wwwwROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt图6-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形 与a 的关系：的关系：a 0时，功率因数 1，a 增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低。输出电压与 a 的关系：移相范围为0 a 。a 0时，输出电压为最大。U0U1，随a的增大，U0降低，a 时，U00。6.1.1 单相交流

4、调压电路单相交流调压电路电力电子技术电力电子技术2 阻感负载阻感负载 若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为j，当用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后。设a=0时刻仍定为u1过零的时刻，阻感负载稳态时a 的移相范围应为j a 。0.6Ou u1 1uoi ou VTwtOwtOwtwtOuG1uG2OOwtwt图6-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形 负载阻抗角：j=arctan(wL/R)VT16.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路电力电子技术电力电子技术6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路q 020100601401802010060/

5、()180140a/()j=9075604530150图6-3 单相交流调压电路以为参变量的和a关系曲线 wt=t=a 时刻开通晶闸管VT1，可求得 （67）当 a=j 时 =当 a j 时 以j 为参变量，利用(67)可把a 和 的关系表示成右图。电力电子技术电力电子技术6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路=90 60180图6-4 单相交流调压电路为参变量时I VTN和a关系曲线j 0.10.20.30.40.516004012080 7545j=0a/()IVTN负载电流有效值 (6-10)IVT的标么值 (6-11)电力电子技术电力电子技术6.1.1 单相交流调压电路单相交流调

6、压电路图6-5 aj时阻感负载交流调压电路工作波形当阻感负载,a j 时电路工作情况动态过程VT1的导通时间超过。触发VT2时，io尚未过零，VT1仍导通，VT2不会导通。io过零后，VT2才可开通，VT2导通角小于。衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长。结论：阻感负载当a j 时，其稳态工作情况和a j 时完全相同。图6-2 阻感负载单相交流调压电路电力电子技术电力电子技术6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路由于波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波。(6-12)基波和各次谐波有效值 (6-13)负载电流基波和各次谐波有效值 (6-14)电流基波和各次谐波标么值

7、随 a变化的曲线（基准电流为a=0时的有效值）如图6-6所示。3 单相交流调压电路的谐波分析电阻负载图6-6 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量电力电子技术电力电子技术6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路 电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3、5、7等次谐波。随着谐波次数的增加，谐波含量减少。和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一些。当a角相同时，随着阻抗角j 的增大，谐波含量有所减少。阻感负载电力电子技术电力电子技术6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路4 斩控式交流调压电路用V1进行斩波控制用V3给负载电流提供续流通道在交流电源u1的正半周图6-7 斩控式交

8、流调压电路一般采用全控型器件作为开关器件；工作原理与直流斩波电路相似。电力电子技术电力电子技术6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路4 斩控式交流调压电路用V2进行斩波控制用V4给负载电流提供续流通道图6-7 斩控式交流调压电路在交流电源u1的负半周电力电子技术电力电子技术6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路图68给出了电阻负载时斩控式交流调压电路的负载电压Uo和电源电流i1波形。电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为1。电源电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波。功率因数接近1。图6-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形电力电子技术电力电子技术6.1.2 三相

9、交流调压电路三相交流调压电路根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式图6-9 三相交流调压电路a)星形联结b)线路控制三角形联结c)支路控制三角形联结d)中点控制三角形联结电力电子技术电力电子技术6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路三相四线基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120工作。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。1 星形联结电路 可分为可分为三相三线和三相四线三相三线和三相四线图6-9 三相交流调压电路a)星形联结

10、电力电子技术电力电子技术6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路三相三线，主要分析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0150。图6-9 三相交流调压电路a)星形联结电力电子技术电力电子技术6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路(1)0a60：三管导通与两管导通交替，每管导通(180a)。但a=0时一直是三管导通。图6-10 不同a角时负载相电压波形a)a=30按以下三段范围分别讨论：电力电子技术电力电子

11、技术6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路(2)60 a 90：两管导通，每管导通120。图6-10 不同a角时负载相电压波形b)a=60电力电子技术电力电子技术6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路(3)90a150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为(3002 a)。图6-10 不同a角时负载相电压波形 c)a=120电力电子技术电力电子技术6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路谐波情况电流谐波次数为6k1(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。谐波次数越低，谐波含量越大。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

12、不能流过三相三线电路。电力电子技术电力电子技术6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路2 支路控制三角联结电路支路控制三角联结电路由三个单相交流调压电路组由三个单相交流调压电路组成，分别在不同的线电压作成，分别在不同的线电压作用下工作用下工作。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。图69三相交流调压电路c)支路控制三角形联结电力电子技术电力电子技术6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路 谐波情况谐波情况 3倍次谐波相位和大小相同，在三角形回路中流动，而不出现在线电流中。线电流中所谐波次数为6k1(k为正整数)。在相同负

13、载和a 角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路。图69三相交流调压电路c)支路控制三角形联结电力电子技术电力电子技术6.2 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路 交流调功电路交流调功电路交流调功电路交流调功电路 交流电力电子开关交流电力电子开关交流电力电子开关交流电力电子开关电力电子技术电力电子技术6.2.1 交流调功电路交流调功电路 交流调功电路与交流调压电路的异同比较 相同点相同点 电路形式完全相同完全相同 不同点不同点 控制方式不同不同交流调压电路在每个电源周期周期都对输出电压波形进行控制。交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期,再断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载

14、所消耗的平均功率。电力电子技术电力电子技术6.2.1 交流调功电路交流调功电路 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MN个周期关断。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。pM电源周期控制周期=M倍电源周期=2p4pMO导通段=2pNM3pM2pMuou1uo,iowtU12图6-11 交流调功电路典型波形(M=3、N=2)图6-1电阻负载单相交流调压电路电力电子技术电力电子技术6.2.1 交流调功电路交流调功电路 谐波情况图6-12的频谱图（以控制周期为基准）。In为n次谐波有效值，Ion为导通时电路电流幅值。以电源周期为基准，电流中不含

15、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。相对于控制周期的谐波次数相对于电源频率的倍数图6-12交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2)051234/012 142 4 61080.60.50.40.30.20.1InI0m电力电子技术电力电子技术6.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关概念概念 把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用。优点优点 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

16、频度通常比交流调功电路低得多。电力电子技术电力电子技术6.3 交交变频电路交交变频电路 单相交交变频器单相交交变频器单相交交变频器单相交交变频器 三相交交变频器三相交交变频器三相交交变频器三相交交变频器电力电子技术电力电子技术6.3.1 单相交交变频器单相交交变频器 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。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。电力电子技术电力电子技术6.3.1 单相交交变频器单相交交变频器1 电路构成和基本工作原理电路构成如图6

17、-13，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6-13 单相交交变频电路原理图和输出电压波形电力电子技术电力电子技术6.3.1 单相交交变频器单相交交变频器工作原理P组工作时，负载电流io为正正。N组工作时，io为负负。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。图6-13 单相交交变频电路原理图和输出电压波形电力电子技术电力电子技术6.3.1 单相交交变频器单相交交变频器为使uo波形接近正弦波，可

18、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。电力电子技术电力电子技术6.3.1 单相交交变频器单相交交变频器 2 整流与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6-14a所示的正弦波交流电源和二极管的串联。图6-14 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态电力电子

19、技术电力电子技术6.3.1 单相交交变频器单相交交变频器设负载阻抗角为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。图6-14 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态电力电子技术电力电子技术6.3.1 单相交交变频器单相交交变频器工作状态t1t3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。图6-14 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态电力电子技术电力电子技术6.3.1 单相交交变频器单相交交变频器t3 t5期间：

20、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。小结小结：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。图6-14 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态电力电子技术电力电子技术6.3.1 单相交交变频器单相交交变频器当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，

21、一周期可分为6段。图6-15 单相交交变频电路输出电压和电流波形第1段 io 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 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 电力电子技术电力电子技术6.3.1 单相交交变频器单相交交变频器 设Ud0为a=0时整流电路的理想空载电压，则有 (6-15)交交变频电路每次控制a角都是不同的。表示每次控制间隔内uo的平均值。图6-16 余弦交点法原理3 输出正弦波电压的调制方法余弦交点法电力电子技术电力电子技术6.3.1 单相交交变频器单相交交变频器设期望的正弦波输出

22、电压为 (6-16）比较式(4-15)和(4-16)，应使 (6-17)g g 称为输出电压比：余弦交点法基本公式 (6-18)图6-16 余弦交点法原理电力电子技术电力电子技术6.3.1 单相交交变频器单相交交变频器余弦交点法图解 (图616)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6-16 余弦交点法原理电力电子技术电力电子技术6.3.1 单相交交变频器单相交交变频器u1u6所对应的同步信号分别用us1us6表示us1us6比相应的u1u6超前30，us1us6的幅值和相应线电压在a=0的时刻对应。以a=0作为零时刻，则

23、us1us6为余弦信号。各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1us6的下降段和期望的输出电压uo的交点来决定。图6-16 余弦交点法原理电力电子技术电力电子技术6.3.1 单相交交变频器单相交交变频器图617表示不同g g 时，在uo一个周期内，a 随 w ot 变化的情况。g 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6-17 不同g g 时a和wot的关系电力电子技术电力电子技术6.3.1 单相交交变频器单相交交变频器4 输入输出特性 1)输出上限频率 输出频率增高时，输出电压一周期内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

24、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1/31/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。电力电子技术电力电子技术6.3.1 单相交交变频器单相交交变频器图6-18 单相交交变频电路的功率因数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。输出电压比g g 越小，半周期内a的平均值越靠近90，位移因数越低。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。电力电子技术电力电子技

25、术6.3.1 单相交交变频器单相交交变频器3)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f fi i以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率f fo o有关。采用三相桥时，输出电压所含主要谐波的频率为6fifo，6fi3fo，6fi5fo，12fifo，12fi3fo，12fi5fo，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。电力电子技术电力电子技术6.3.1 单相交交变频器单相交交变频器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，各次谐波的幅值较可控整流电路的谐波幅值小。采用三相桥式电路的交交变频

26、电路输入电流谐波频率 (6-19)和 (6-20)式中，k=1,2,3,；l=0,1,2,。电力电子技术电力电子技术6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路 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公共交流母线进线方式输出星形联结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。电力电子技术电力电子技术6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路1）公共交流母线进线方式由三组彼此独立的、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

27、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6-19 公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）电力电子技术电力电子技术6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路 2)输出星形联结方式图6-20 输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图 b）详图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。电力电子技术电力电子技术6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路图6-20 输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图 b）详图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

28、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。2)输出星形联结方式电力电子技术电力电子技术6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路图6-20 输出星形联结方式三相交交变频电路a）简图 b）详图和整流电路一样，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。2)输出星形联结方式电力电子技术电力电子技术6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路2 输入输出特性输入输出特性 输入电流总输入电流由三个单相的同一相(图中为U相)输

29、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。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。电力电子技术电力电子技术6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路谐波频率为 (6-21)和 (6-22)式中k=1,2,3,l=0,1,2,。采用三相桥式电路时，输入谐波电流的主要频率为fi6fo、5fi、5fi6fo、7fi、7fi6fo、11fi、11fi6fo fi12fo等。其中5fi次谐波的幅值 最大。U U200t/ms输出电压单相输出时相输入电流三相输出时相输入电流200t/ms200t/ms图6-21 交交变频电路的输入电流波形电力电子技术电力

30、电子技术6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路输入功率因数 三相总输入功率因数应为 (6-23)三相电路总的有功功率为三组单相有功功率之和。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，比三组单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。电力电子技术电力电子技术6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路3 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

31、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直流分量，控制角a 将减小，但变频器输出线电压并不改变。既可改变变频器的输入功率因数，又不影响电动机运行。电力电子技术电力电子技术6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路交流偏置梯形波输出控制方式图427所示，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。在线电压中三次谐波相互抵消，线电压仍为正弦波。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。图6

32、-15正弦波输出控制方式中，最大输出正弦波相电压的幅值为Ud0。在同样幅值的下，梯形波中的基波幅值可提高15%左右。梯形波控制方式相当于给给相相电电压压中中叠叠加加了了三三次次谐谐波波，所以也称为交流偏置。图6-22 梯形波控制方式的理想输出电压波形电力电子技术电力电子技术6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路交交变频和交直交变频的比较10章中将介绍间接变频电路，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。交交变频电路的优点优点：交交变频电路的缺点缺点：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。受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低。

33、输入功率因数较低。输入电流谐波含量大，频谱复杂。效率较高（一次变流）可方便地实现四象限工作低频输出波形接近正弦波电力电子技术电力电子技术6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路 应用应用主要用于500kW或1000kW以上的大功率、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。电力电子技术电力电子技术6.4 矩阵式变频器矩阵式变频器简介：是近年出现的一种新颖的变频电路。是直接变频电路，采用的开关器件是全控型。控制方式是斩波控制。拓扑结构：三相输入电压为ua、ub和uc 三相输出电压为uu、uv和uw

34、图6-23 矩阵式变频器电力电子技术电力电子技术6.4 矩阵式变频器矩阵式变频器9个开关器件组成33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。图6-23 矩阵式变频器电力电子技术电力电子技术优点优点输出电压为正弦波。输出频率不受电网频率的限制。输入电流也可控制为正弦波且和电压同相。功率因数为1，也可控制为需要的功率因数。能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行。不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。6.4 矩阵式变频器矩阵式变频器电力电子技术

35、电力电子技术矩阵式变频电路的基本工作原理1）单相输入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(6-24)式中，Tc开关周期；ton 一个开关周期内开关导通时间；占空比。a)b)c)UmU1mU23Um12 图6-24 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1m6.4 矩阵式变频器矩阵式变频器电力电子技术电力电子技术不同的开关周期中采用不同的 ，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6-24a所示的单相电压阴影部分，因此uo将受到很大的局限，无

36、法得到所需输出波形。2）三相输入三相输入（1）用图623a中第一行的3个开关共同作用来构造输出相电压uu。a)b)c)UmU1mU23Um12 图6-24 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1m6.4 矩阵式变频器矩阵式变频器电力电子技术电力电子技术可利用图6-24b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）用图6-23a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。a)b)c)UmU1mU23Um12

37、图6-24 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1m6.4 矩阵式变频器矩阵式变频器电力电子技术电力电子技术可利用图6-24c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。这也是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。a)b)c)UmU1mU23Um12 图6-24 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1m6.4 矩阵式变频器矩阵式变频器电力电子技术电力电子技术以相电压输出方式为例分析矩

38、阵式交交变频电路的控制利用对开关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。图6-23 矩阵式变频器6.4 矩阵式变频器矩阵式变频器电力电子技术电力电子技术u相输出电压uu和各相输入电压的关系为 (6-25)式中 11、12和 13一个开关周期内开关S11、S12、S13的导通占空比 (6-26)图6-23 矩阵式变频器6.4 矩阵式变频器矩阵式变频器电力电子技术电力电子技术用同样的方法控制图中第2，3行的各开关，得到类似于式(6-25)的表达式。合写成矩阵

39、的形式 （627）可缩写为可缩写为 uo=s s ui （628）s s 称为调制矩阵图6-23 矩阵式变频器6.4 矩阵式变频器矩阵式变频器电力电子技术电力电子技术矩阵式变频电路确定后，输入电流和输出电流的关系也确定了。(6-29)缩写形式 ii s s io (6-30)式中 ii io T图6-23 矩阵式变频器6.4 矩阵式变频器矩阵式变频器电力电子技术电力电子技术对实际系统来说，输入电压和所需要的输出电流是已知的。设为 (6-31)（632）式中 Uim、Iom 为输入电压和输出电流的幅值；wi、wo 为输入电压和输出电流的角频率；jo 为相应于输出频率的负载阻抗角。6.4 矩阵式变

40、频器矩阵式变频器电力电子技术电力电子技术变频电路希望的输出电压和输入电流分别为 (6-33)(6-34)式中 Uom、Iim为输出电压和输入电流的幅值；ji为输入电流滞后于电压的相位角。6.4 矩阵式变频器矩阵式变频器电力电子技术电力电子技术 当期望的输入功率因数为1时，ji=0。把式(6-31)式(6-34)代入式(6-27)和式(6-29)，可得 (6-35)(6-36)如能求得满 足 式(6-35)和式(6-36)的s s，就可得到希望的输出电压和输入电流。6.4 矩阵式变频器矩阵式变频器电力电子技术电力电子技术要使矩阵式变频电路能够很好地工作，需解决的两个基本问题：如何求取理想的调制矩

41、阵s s。开关切换时如何实现既无交叠又无死区。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。6.4 矩阵式变频器矩阵式变频器电力电子技术电力电子技术十分突出的优点：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。6.4 矩阵式变频器矩阵式变频器电力电子技术电力电子技术本章小结本章小结本章的要点如下本章的要点如下：(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)各种交流交流变流电路的主要应用；(7)矩阵式交交变频电路的基本概念。