第6章 AC-AC变换电路

重点：交－交变频电路（周波变流器）的电路及原理。
第一节 交流 开关
二、交流 调功电路
一、交流电力电子开关

将晶闸管反并联串入交流电路如
图所示，代替电路中的机械开关
，起接通和断开电路的作用，称 为交流电力电子开关，也称为无 触点开关。 与机械开关相比，它具有开关响 应速度快，无触点（无电弧火
功率，称为静止无功补偿装置(Static Var Campensator—SVC ），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变
特性：

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。

这些高次谐波可以用很小的滤波器即 可滤去，所以电路的功率因数接近1
。。
第三节 三相交流调压电路
一
二
三
三相四线 式星形联 结
三相三线 式联结
三相交流调 压电路的主 要技术指标 和电路特点 比较
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，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
，它们不能流过三相三线电路。
支路控制三角联结电路

由三个单相交流调压电路组成，分别在不同的线电压作用下工作
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
1.工作原理 在 u1的正半周和负半周，分别对 VT1和VT2的开通角a进行控制就可 以调节输出电压；
正负半周a 起始时刻（a =0）均
为电压过零时刻，稳态时，正负 半周的a 相等；
负载电压波形是电源电压波形的
一部分，负载电流（也即电源电 流）和负载电压的波形相同。
2.数量关系
负载电压有效值：
2U 1
2U 1
f图
2U 1
0.675I1
00~2100
典 型 用 例 —— 晶 闸 管 控 制 电 抗 器 （ Thyristor Controlled Reactor—TCR）：α 移相范围为90°～180°
控制α 角可连续调节流过电抗器的电流，从而调节无功功率。 配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续调节无功
。但α =0°时一直是三管导通 (2)60°≤α <90°：两管导通，每管 导通120° (3)90°≤α <150°：两管导通与无 晶闸管导通交替，导通角度为 300°－2α
(a) =30°(b) =60° (c) =120°
谐波情况
电流谐波次数为6k±1(k=1，2，3，…)，和三相桥式全控整
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
一、三相四线式星形联结
星形联结电路可分为三相三线和三相四线两种情况：

三相四线
• 基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，各相互相
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
频率；
1.交流无触点开关、交流调功电路——通断控制； 2.交流调压电路——相位控制方式或斩控方式。
变频电路：改变频率，大多不改变相数，当然也有改变相数的。

交-交变频电路——直接把一种频率的交流变成另一种频率或可 变频率的交流电，称为直接变频电路（AC-AC）。 1. 晶闸管交-交变频电路 2. 矩阵式变频电路

通常控制晶闸管的导通时刻都是在电源电压过零的时刻，
这样，在交流电源接通期间，负载电压为正弦波，不会对 电网电压造成谐波污染。

图6-2为交流调功电路的典型波形，设控制周期为M倍的电 源周期，其中晶闸管在前N个周期导通，在后M-N个周期
关断。
第二节
单相交流调压电路
1
2
3
4
一、电阻 负载
二、阻感 负载

交-直-交变频电路——先把交流整流成直流，再把直流逆变成另 一种频率或可变频率的交流，称为间接变频电路（AC-DC-AC）。
内容提要与目的要求

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（周波变换器）的电路及原理，分析其优缺点。
不对称但是在指数分量的衰减过程中VT1的导通时间逐渐缩短，
VT2的导通时间逐渐延长，当指数分量衰减到零后，VT1和VT2的 导通时间均趋近到π ，其稳态工作情况和α ＝φ 时完全相同。

综合分析可知：单相交流调压电路带阻感性负载时α 角够相范
围为φ ～π 。
三、单相交流调压电路的谐波分析
1.电阻负载的情况


tan
0

所以， sin( ) sin( )e

tan
0 ，即 180
这种情况说明在ω t=α ＜φ 时刻触发VT1，则VT1的导通时刻超过π
。

到ω t=π +α 时刻触发VT2时，由于负载电流i0 尚未到零，VT1仍 导通，VT2承受反压不能导通。等VT1中电流变为零而关断，若触 发脉冲为窄脉冲，虽然此时VT2开始承受正向电压，但由于ug2脉 中已消失，所以VT2无法导通。

第三个半周ug1又触发VT1管，这样负载电流只有正半波，电流出
现很大的直流分量，电路不能正常工作。 波形如图6-6所示，这样在α ＜φ 时，晶闸管不能用窄脉冲触发

，而应采用宽脉冲或脉冲列。
VT 1 VT 2 u1 io R uo L
u1

这样VT2在VT1关断后仍能导通，不过刚开始时两管的电流波形
二、阻感负载
1、工作原理
负载阻抗角：Φ =arctan(ω L/R）
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Φ ；
在用晶闸管控制时，只能进行滞后
控制，使负载电流更为滞后，而无法使 其超前；
α =0时刻仍定为u1过零的时刻，α 的
移相范围应为Φ ≤α ≤π 。
阻感负载时的工作过程分析 在ωt=α时刻开通VT1，负载电流满足：
之和

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6k±1(k为正整数)
在相同负载和a角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形
电路
三、三相交流调压电路的主要技术指标和电路特点比较
六种三相交流调压电路的主要技术指标和电路特点的比较，在实际 应用中应根据负载的性能要求进行选择。
解方程得：
式中：
，θ为晶闸管导通角
利用边界条件：ωt=α+θ时 i0=0，可求得θ：
VT2导通时，上述关系完全相同，只是i0 极性相反，相位差180° 以φ 为参变量时，变量θ与α的关系曲线 如右图：
确定其移相范围： ①α＞φ，此时： 因：
sin( )e


tan
0
o 所以： sin( ) 0 即 180
交流电力电子开关——并不在意调节输出平均功率，而只
是根据需要接通或断开电路。
交流调压电路的应用：
灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）； 异步电动机软起动； 异步电动机调速； 供用电系统对无功功率的连续调节； 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。
一、电阻负载
负载电流有效值： 晶闸管电流有效值：
功率因数：
输出电压与α
的关系:
移 相 范 围 为 0≤α ≤π 。 α =0 时 ， 输 出 电 压 为 最 大 ， Uo=U1。随着α 的增大，Uo降低，α =π 时，Uo=0。
λ
与α 的关系： α =0时，功率因数λ =1，α 增大，输入电流滞后于电压 且畸变，λ 降低。
由此可知正负半波电流断续，且α 愈大，θ 愈小，波形断续愈严重，但此
时交流电压可调。 ②α=φ，此时：
sin( )e


tan
0
所以： sin( ) 0 即 180o 由此可知正负半波电流临界连续，负载上获得最大功率。 ③α＜φ，此时： sin( )e
花），寿命长，可频繁控制通断 当触发信号送至晶闸管时可使 电路在一个周期的任何时刻接 的优点。
通，但采用相位控制触发方式， 会使电路中的正弦波出现缺角， 而含有较大的高次皆波。
所以常用的是过零触发，即晶闸管在电压为零或零附近的
瞬间接通，利用电流小于维持电流关断，这时开关对外界 的电磁干扰最小。 将电力电子开关（多为双向晶闸管）和其控制电路封装在 一 起 构 成 无 触 点 通 断 组 件 称 为 固 态 开 关 （ Solid State Suitch ） , 简 称 SSS ， 它 包 括 固 态 继 电 器 （ Solid State Relay，SSR）和固态接触器（Solid State Cantactor， SSC）。 固态开关一般采用环氧树脂封装，具有体积小，工作频率 高的特点，适用于频繁操作或有腐蚀性易燃，多粉尘的场 合。
• 三相上同方向的晶闸管触发脉冲彼此相差120°。
• 触发脉冲顺序为VT1~VT6，依次相差60°。 • 触发脉冲移相范围为0°~150°。
根据晶闸管导通情况以及电流是否连
续可将0°～150°的移相范围分
为以下几种情况： (1)0°≤α <60°：三管导通与两管
导 通 交 替 ， 每 管 导 通 180° － α
3倍次谐波电流。α =90°时，零线电流甚至和各相电流的有 效值接近。
• 应用：在选择线径和电源变压器时应考虑这一问题。一般大
容量设备不采用这种电路。