第6章 AC-AC变换电路
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第六章
引言
AC-AC变换电路
第一节 交流开关及应用 第二节 单相交流调压电路
第三节 三相交流调压电路
第四节 交-交变频电路 第五节 矩阵变换器 第六节 单相交流调压电路的仿真
引
、电流、频率和相数等。
言
交-交变流电路：一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，可改变电压
交流电力控制电路 ：只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变
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
三、单相 交流调压 电路的谐 波分析
四、斩控 式交流调 压电路
交流电力控制电路的结构及类型
两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，控制晶闸管就可
控制交流电力；
交流调压电路——每半个周波控制晶闸管开通相位，调节
输出电压有效值；
交流调功电路——以交流电周期为单位控制晶闸管通断，
改变通断周期数的比，调节输出功率的平均值；
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。
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
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。
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
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。
二、三相三线式联结
三相三线，电阻负载时的情况
• 因为没有零线，要构成回路必须有两相同时导通，与三相全
控整流电路一样应采用宽脉冲或双窄脉冲触发。
• 同一相上两个反并联晶闸管触发脉冲相180°。
电路 a图 b图 c图 d图 e图 晶闸管 最大峰值电压
2/ 3U1
6 / 2U1
晶闸管 电流平均值 0.45I1 0.45I1 0.26I1 0.26I1
移相范围 00~1800 00~1500 00~1800 00~1500
线路性能特点
零线电流大，大容 量设备不采用
负载可星形或厂角 形接皆波分量小 负载应分得开，适 用于大电流场合 负载应分得开 线路简单，成本低， 负载应分得开
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
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
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。
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。
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
。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
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 。
Biblioteka Baidu
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：
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
• 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
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
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、交流调功电路
交流调动电路的形式和图6-1相同，控制方式也是通断控制
，不过其控制目的是为了控制电路的平均输出功率。
而交流电力电子开关并不去控制电路的平均输出功率，通
常也没有明确的控制周期，交流电力电子开关只是根据需 要接通或断开电路。
交流调动电路将负载和交流电源接通几个整周期，再断开 几个整周期，通过改变接通周期数和断开周期数的比例来 调节负载上的平均功率
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
四、斩控式交流调压电路
一般采用全控型器件作为开关器件 工作原理
基本原理和直流斩波电路有类似之处。 u1正半周，用V1进行斩波控制，V3提供续流通道。
u1负半周，用V2进行斩波控制，V4提供续流通道。
设斩波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通
比α = ton/T，改变α 可调节输出电压。
波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波
式中：
(n=3,5,7,…) (n=3,5,7,…) 基波和各次谐波有效值：
(n=1,3,5,7,…)
负载电流基波和各次谐波有效值：
(n=1,3,5,7,…)
电流基波和各次谐波标么值随α变化的曲线（基准电流
为α =0时的有效值）
2.阻感负载的情况
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。 α 角相同时，随着阻抗角φ的增大，谐波含量有所减少。
重点：交－交变频电路（周波变流器）的电路及原理。
第一节 交流开关及应用
交流开关及应用
一、交流 电力电子 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
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
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：
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
引言
AC-AC变换电路
第一节 交流开关及应用 第二节 单相交流调压电路
第三节 三相交流调压电路
第四节 交-交变频电路 第五节 矩阵变换器 第六节 单相交流调压电路的仿真
引
、电流、频率和相数等。
言
交-交变流电路：一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，可改变电压
交流电力控制电路 ：只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变
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
三、单相 交流调压 电路的谐 波分析
四、斩控 式交流调 压电路
交流电力控制电路的结构及类型
两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，控制晶闸管就可
控制交流电力；
交流调压电路——每半个周波控制晶闸管开通相位，调节
输出电压有效值；
交流调功电路——以交流电周期为单位控制晶闸管通断，
改变通断周期数的比，调节输出功率的平均值；
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。
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
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。
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
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。
二、三相三线式联结
三相三线，电阻负载时的情况
• 因为没有零线，要构成回路必须有两相同时导通，与三相全
控整流电路一样应采用宽脉冲或双窄脉冲触发。
• 同一相上两个反并联晶闸管触发脉冲相180°。
电路 a图 b图 c图 d图 e图 晶闸管 最大峰值电压
2/ 3U1
6 / 2U1
晶闸管 电流平均值 0.45I1 0.45I1 0.26I1 0.26I1
移相范围 00~1800 00~1500 00~1800 00~1500
线路性能特点
零线电流大，大容 量设备不采用
负载可星形或厂角 形接皆波分量小 负载应分得开，适 用于大电流场合 负载应分得开 线路简单，成本低， 负载应分得开
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
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
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。
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。
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
。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
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 。
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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：
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
• 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
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
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、交流调功电路
交流调动电路的形式和图6-1相同，控制方式也是通断控制
，不过其控制目的是为了控制电路的平均输出功率。
而交流电力电子开关并不去控制电路的平均输出功率，通
常也没有明确的控制周期，交流电力电子开关只是根据需 要接通或断开电路。
交流调动电路将负载和交流电源接通几个整周期，再断开 几个整周期，通过改变接通周期数和断开周期数的比例来 调节负载上的平均功率
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
四、斩控式交流调压电路
一般采用全控型器件作为开关器件 工作原理
基本原理和直流斩波电路有类似之处。 u1正半周，用V1进行斩波控制，V3提供续流通道。
u1负半周，用V2进行斩波控制，V4提供续流通道。
设斩波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通
比α = ton/T，改变α 可调节输出电压。
波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波
式中：
(n=3,5,7,…) (n=3,5,7,…) 基波和各次谐波有效值：
(n=1,3,5,7,…)
负载电流基波和各次谐波有效值：
(n=1,3,5,7,…)
电流基波和各次谐波标么值随α变化的曲线（基准电流
为α =0时的有效值）
2.阻感负载的情况
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。 α 角相同时，随着阻抗角φ的增大，谐波含量有所减少。
重点：交－交变频电路（周波变流器）的电路及原理。
第一节 交流开关及应用
交流开关及应用
一、交流 电力电子 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
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
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：
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