第十八讲：交交变频电路（2课时）
课题：
交交变频电路
教学目的和要求:
掌握单相与三相交交变频电路的工作原理。
重点与难点:
掌握单相交交变频电路的工作原理。
教学方法:
借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学
预复习任务:
复习整流与逆变电波的相关知识，预习本节课程。
一、单相交交变频电路
交交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路，因为没有中间直流环节，因此属于直接变频电路。
1、电路构成和基本工作原理：
由P组和N组反并联的晶闸管相控整流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同。
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，就可以改变输出频率w0。
改变变流电路工作时的控制角a，就可以改变交流输出电压的幅值。
为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a角进行调制。
在半个周期内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。
2、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4脉波三相桥式电路时，一般认为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。
（2）输入功率因数
输入电流相位总是滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。
在输出电压的一个周期内， a角以90°为中心而前后变化。输出电压比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的。
（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。
采用三相桥式电路时，输出电压所含主要谐波的频率为
4fi±fo，4fi±3fo，4fi±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。
（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。
二、三相交交变频电路
交交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，这种系统使用的是三相交交变频电路，三相交交变频电路是由三组输出电压相位各差120°的单相交交变频电路组成的。
1、电路接线方式：
（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，共引出6根线。
主要用于中等容量的交流调速系统。
（2）输出星形联结方式
三组输出端是星形联结，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。
因为三组输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因此分别用三个变压器供电。
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。
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、输入输出特性
（1）输出上限频率和输出电压谐波与单相交交变频电路是一致的。
输入电流：总的输入电流由三个单相电路的同一相输入电流合成而得到。
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。
（2）输入功率因数
总输入功率因数为
三相电路总的有功功率为各相有功功率之和。
视在功率不能简单相加，而应该由总输入电流有效值和输入电压有效值来计算，比三相各自的视在功率之和要小，因此三相交交变频电路总输入功率因数要高于单相交交变频电路。
从另一个角度看， 三相的输入位移因数与单相输出时相同，由于三个单相交交变频电路的部分输入电流谐波相互抵消，三相系统的基波因数增大，使其功率因数得以提高。
功率因数低仍是三相交交变频电路的一个主要缺点。
（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、交交变频和交直交变频的比较
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：
1、效率较高（一次变流）；
2、可方便地实现四象限工作；
3、低频输出波形接近正弦波。
交交变频电路的缺点：
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；
2、受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；
3、输入功率因数较低；
4、输入电流谐波含量大，频谱复杂。
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