第6章 交流-交流变流电路(打印稿)
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第六章交流交流变流电路
io
0 uVT 0 图6-1 电阻负载单相交 流调压电路及其波形
P Uo Io Uo S U1 I o U1
1 sin 2 2
(6-4)
的移相范围为0≤≤，随着的增大，Uo逐 渐降低，逐渐降低。
7
6.1.1 单相交流调压电路
2、阻感负载
VT1
触发角
11
6.1.1 单相交流调压电路
<时的工作情况
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。
io有指数衰减分量，在指数
分量衰减过程中，VT1导通 时间渐短，VT2的导通时间 渐长。
图6-5 <时阻感负载交流调压电路工作波形
3
6.1 交流调压电路
6.1.1 单相交流调压电路
6.1.2 三相交流调压电路
4
6.1 交流调压电路·引言
把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以控 制交流输出。 交流电力控制电路 交流调压电路：在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节输 出电压有效值的电路。 交流调功电路：以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态 周期数和断态周期数的比，调节输出功率平均值的电路。 交流电力电子开关：串入电路中根据需要接通或断开电路的晶闸管。 交流调压电路应用
Uo
u1 0 uo 0
t
t t t
io
0 uVT 0 图6-1 电阻负载单相交 流调压电路及其波形
1
2U 1 sin t
d t
2
交流-交流变流电路
☞晶闸管电流有效值IVT
IVT
20 0 20 60 100 a /(° ) 140 180
U1 sin cos(2 a j ) cos j 2 Z
负载电流有效值： I 0 2 IVT
IVT的标么值：
单相交流调压电路以a为参变 量的θ和a关系曲线 2016/2/16
IVTN IVT
■星形联结电路
◆分为三相三线和三相四线两种情况。 ◆三相四线 ☞相当于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。 ☞三相中3倍次谐波同相位，全部流过零
三相交流调压电路
a) 星形联结
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。
可开通，VT2 导通角小于π 。 ☞ io 有指数衰减分量，在指数分量衰减过程中，VT1 导通时间渐短，VT2 的
u1 O
导通时间渐长。
iG1 iG2
wt
O a
wt wt wt
图4-5
O io
a iT1
j
O a
iT2
2016/2/16
a<j时阻感负载交流调压电路工作波形
12
6.1.1 单相交流调压电路
2016/2/16 17
6.1.2 三相交流调压电路
■星形联结电路
◆三相三线 ☞ 任一相导通须和另一相构成回路，因 此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° ☞把相电压过零点定为开通角a的起点，
三相交流调压电路
6交流-交流变换电路
第6章 交流变换电路将一种形式的交流电能转换成另一种形式的交流电能，称为交流变换。
交流变换电路是对交流电路的幅值、频率、相数等参数进行变换的电路，它利用电力电子器件的开关功能，实现交流开关和交流调压的功能。
本章主要讲述晶闸管交流调压电路的拓扑结构、控制方式和工作原理及应用；晶闸管调功电路的接线形式、工作原理及应用；交-交变频电路的拓扑结构、工作原理。
本章要求掌握晶闸管交流调压电路的控制方式和调功器的应用，交-交变频电路的工作原理。
6.1 交流变换器类型根据变换参数的不同，可将交流变换电路分为交流调压电路和交-交变频电路两大类。
只改变输出电压的幅值而不改变频率的交流变换电路，称为交流电压控制电路，或通称为交流调压电路。
把工频交流电直接变换成频率可调的交流电的交流变换电路，称为交-交变频电路。
交流电压控制电路包括交流调压、交流调功和交流开关三种类型。
其中，采用相位控制的交流电压控制电路，称为交流调压电路；采用通/断控制的交流电压控制电路，称为交流调功电路；如果令交流调压器中的晶闸管在交流电流自然过零时关断或导通，则称之为晶闸管交流开关。
按照控制方式的不同，可将交流电压控制电路分为相控式电路和斩控式电路。
晶闸管相控式调压与相控式整流电路的控制原理相同，都是利用门极脉冲相位的变化来改变输出端电压的幅值。
而斩控式电路是通过改变器件占空比来改变输出端电压有效值。
按照电网相数的不同，可以将交流电压控制电路分为单相电路、三相三线制电路和三相四线制电路；按照电路结构可以分为星形联结电路、三角形联结电路和其他方式联结电路。
直接变频电路按照输出波形不同可以分为近似正弦波的变频电路(电压型电路)和近似方波的变频电路(电流型电路)。
电压型直接变频电路是利用反并联整流电路的工作原理拓广而成。
其特点是输出频率的上限仅为电网频率的1/3，故只适用于低频电源，如水泥窑的低速回转拖动系统，采用这种方案可实现直接传动。
电流型的电路结构也可看成是桥式整流电路的拓广。
电力电子技术第6章 交流交流变流电路
~u
VT1
uo
R
（a） 电阻负载单相交流调压电路 u1 O uo O i
o
α
π +α
t
VT1
VT2
t
u
O
V T
t
t O School of Electronics Science and Technology 7/57 （b）电阻负载单相交流调压工作波形
6.1.1 单相交流调压电路
每个晶闸管均在对应的交流电压 过零点关断，晶闸管的控制触发 角为α，导通角为θ = π-α。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，晶闸管也只 在两个晶闸管均关断时才承受电 压。 定量分析：由此可知，当晶闸管 的控制触发角为α时，负载两端的
ui 0 uo 0
t
t
图6-1 （c）斩控式交流调压方案 6/57
School of Electronics Science and Technology
6.1.1 单相交流调压电路
1 相控式交流调压电路
VT2
相控式交流调压电路的工作情 况和负载性质有很大的关系， 下面就电阻性负载和电感性负 载分别讨论。 （1）电阻性负载 单相相控式 交流调压电路电阻性负载电路 图如图所示，加在该电路输入 端的电源为正弦交流电。在交 流电源的正负半周分别在ωt =α 和ωt =π +α 时刻触发晶闸管VT1 和VT2，从而得到负载两端的电 压、电流以及VT两端电压波形 如图所示。
■直接方式
◆交流电力控制电路：只改变电压、电流或对电路的通 断进行控制，而不改变频率的电路。
◆交流调压电路：在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节输 出电压有效值的电路。 ◆交流调功电路：以交流电周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数 和断态周期数的比，调节输出功率平均值的电路。 ◆交流电力电子开关：串入电路中根据需要接通或断开电路的晶闸管。
第6章 交流—交流变换电路
13
6.5.1 单相相控交-交变频电路
◆基本原理 当正组变流器工作时，晶闸管触发角 p =0，平均电压Ud最大。随着的 p增大，Ud 值减小，当 p π 2 时，Ud=0。半周内平均输出电压如图6-17所示，为一正弦波。由
于整流电压波形上部包围的面积比下部面积大，总的功率为正，从电源供向负载，
组相控整流电路反并联构成，如图6-17
所示，将其中一组整流器称为正组变流 器P，另外一组称为反组变流器N。如果
正组变流器工作，反组变流器被封锁，
负载端得到输出电压为上正、下负；如 果反组变流器工作，正组变流器被封锁 ，则负载端得到输出电压为上负、下正 。
6-17 相控单相交-交变频电路阻感负载时的输出波形
14
6.5.1 单相相控交-交变频电路
◆基本原理 反组变流器的工作原理类似。 由此得出结论，正弦波交-交变频电路是由两组反并联的可控整流器组成，运行
中正、反两组变流器的α角要不断加以调制，使输出电压平均值为正弦波；同时，
正、反两组变流器也需按规定频率不停地进行切换，以输出可变频率交流。 正、反两组整流器切换时，不能简单地将原来工作的整流器封锁，同时将原来封 锁的整流器立即开通。因为己开通的晶闸管并不能在触发脉冲消失的那一瞬间立即 被关断，必须等待晶闸管承受反压时才能关断。如果两组整流器切换时触发脉冲的 封锁和开放同时进行，原先导通的整流器不能立即关断，而原来封锁的整流器己经 开通，于是出现两组整流器同时导通的现象，将会产生很大的短路电流，使晶闸管 损坏。为了防止在负载电流反向时产生环流，将原来工作的整流器封锁后，必须留 有一定死区时间，再开通另一组整流器。这种两组整流器任何时刻只有一组工作， 在两组之间不存在环流，称为无环流控制方式。
第6章 交流-交流变换电路
9
单相交流调压阻感负载 阻感负载电路不同 、 的 图6-2-3 单相交流调压阻感负载电路不同α、 φ的波形
2、阻感负载 、
α < 时，采用宽脉冲或脉冲列触发。 采用宽脉冲或脉冲列触发。
则在刚开始触发晶闸管的几个周波内， 这样即使α＜φ，则在刚开始触发晶闸管的几个周波内， 两管的电流波形还是不对称的。但经几周波后，负载电 两管的电流波形还是不对称的。但经几周波后， 流即成为对称连续的正弦波，电流滞后电压φ角。 流即成为对称连续的正弦波，
14
三、斩控式交流调压电路
原 理 分 析
i1 V2
T
器件
V1 u 2 V u1 1 = ton/T
V1
为ton
开关
为
VD 1
一般采用全控型器 件作为开关器件
控
VD 2 V3 VD 3
控
15
u1
控
VD 4 uo V4
R L
4-7
单相交流调压电路
斩控式交流调压电路阻性负载 特性 电源电流的基波分量和电源 电压同相位 电源电流不含低次谐波， 电源电流不含低次谐波，只 含和开关周期T有关的高次 含和开关周期 有关的高次 谐波 功率因数接近1 功率因数接近
u1 O uo O io O uVT O u1 u1 VT1 VT2 io uo R u1 VT1 VT2 io uo R
ωt
O uo
ωt
ωt
O io O uVT
ωt
ωt
ωt
ωt
O
ωt
5
第一节 交流调压电路
VT1
数量关系
负载电压有效值
u1
VT2
io uo R
Uo =
π α 1 sin 2α + 1 1 α 2π π U 负载电流有效值 Io = o R 晶闸管电流有效值
单相交流调压阻感负载 阻感负载电路不同 、 的 图6-2-3 单相交流调压阻感负载电路不同α、 φ的波形
2、阻感负载 、
α < 时，采用宽脉冲或脉冲列触发。 采用宽脉冲或脉冲列触发。
则在刚开始触发晶闸管的几个周波内， 这样即使α＜φ，则在刚开始触发晶闸管的几个周波内， 两管的电流波形还是不对称的。但经几周波后，负载电 两管的电流波形还是不对称的。但经几周波后， 流即成为对称连续的正弦波，电流滞后电压φ角。 流即成为对称连续的正弦波，
14
三、斩控式交流调压电路
原 理 分 析
i1 V2
T
器件
V1 u 2 V u1 1 = ton/T
V1
为ton
开关
为
VD 1
一般采用全控型器 件作为开关器件
控
VD 2 V3 VD 3
控
15
u1
控
VD 4 uo V4
R L
4-7
单相交流调压电路
斩控式交流调压电路阻性负载 特性 电源电流的基波分量和电源 电压同相位 电源电流不含低次谐波， 电源电流不含低次谐波，只 含和开关周期T有关的高次 含和开关周期 有关的高次 谐波 功率因数接近1 功率因数接近
u1 O uo O io O uVT O u1 u1 VT1 VT2 io uo R u1 VT1 VT2 io uo R
ωt
O uo
ωt
ωt
O io O uVT
ωt
ωt
ωt
ωt
O
ωt
5
第一节 交流调压电路
VT1
数量关系
负载电压有效值
u1
VT2
io uo R
Uo =
π α 1 sin 2α + 1 1 α 2π π U 负载电流有效值 Io = o R 晶闸管电流有效值
6_交流交流变流电路
VT 2 u1
io uo R
u1 O uo O io O uVT O
ωt
ωt
ωt
7
ωt
6.1.1 单相交流调压电路（电阻负载）VT 单相交流调压电路（电阻负载）
负载电压有效值
Uo =
1
∫( π
1
π α
2 1 sinωt d(ωt) U
2
)
VT 2 u1
io uo R
π −α 1 α =U1 sin2 + 2 π π
2
u1 O uo O io O uVT O
ωt
ωt
ωt
ωt
9
6.1.1 单相交流调压电路（电阻负载） 单相交流调压电路（电阻负载）
功率因数
U P UI 1 π −α sin2 + λ= = o o = o = α S U1Io U1 2 π π
u1
VT 1 VT 2 io uo R
u1 O uo O io O uVT O
解：负载阻抗及负载阻抗角分别为： 负载阻抗及负载阻抗角分别为：
2 Z = R 2 + X L = 10Ω
XL 6 ϕ = arctan( ) = arctan( ) = 0.6435 = 36.87° R 8 的变化范围为： 因此开通角α的变化范围为：
ϕ ≤α <π
即
0.6435 ≤ α < π
20
30
支路控制三角联结电路
工作原理 由三个单相交流调压电路组 成，它们分别在不同的线电 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） 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
ua b ub uc a ia 负载 n
第6章 交流-交流变流电路
¾（阻感负载时）控制角与导通角之间的关系
−θ
sin(α + θ − ϕ ) = sin(α − ϕ )etgϕ
以φ为参变量,可绘 出α与导通角 θ 之 间的关系曲线。
¾ 可以看出：
① 当α≤φ时:负载电流连续, θ=π。α的改变对θ和输出 电压都没有影响。
② 当α>φ时: 负载电流断续, θ<π。
③ α的移相范围: φ<α≤π.
① 交流调功电路：将负载与电源接通几个周波，再断开几个周 波，通过改变“通/断周波数之比”来调节负载所消耗的平 均功率。
② 交流调压电路：每个电源周期都对输出电压波形“进行相位 或斩波控制”。
¾因直接调节对象是电路的平均输出功率，也称交流调 功电路。
• 通常晶闸管导通的时刻就是电源电压过零的时刻（α=0）， 负载电压电流都是正弦波，不对电网造成谐波污染。
R
⎟⎟⎠⎞2
d(ωt)
=
U1 R
1(1−α + sin2α) 2 π 2π
1
O u
wt
o
¾功率因数
λ = P = U o I o = U o = 1 sin 2α + π − α
S U1Io U1
2π
π
• 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。
O
wt
i o
O
wt
u
VD1 V1 斩波控制
i1
双向可控开
关
斩
u1
波 控 制
V2
VD2
V3
VD3
续流通道
VD R 4 uo V4 L
图6-7 斩控式交流调压电路
续流通道
第6章_AC-AC变换技术
Iin
Io
220 Z
22( A)
Pin
I
2 o
R
3872(W )
6.2 单相交流调压电路
功率因数为 cos Pin 3872 0.8
U1Io 220 22
实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦。
②
3
时，先计算晶闸管的导通角，由式（6-16）得
e sin( 0.6435) sin( 0.6435)
◆ 图9-20是TSC的基本原理图，可以看出TSC的基本原理实际上就是 用晶闸管交流开关来投入或者切除电容器，两个反并联的晶闸管 起着把电容C并入电网或从电网断开的作用，串联的电感很小，只 是用来抑制电容器投入电网时可能出现的冲击电流；在实际工程 中，为避免容量较大的电容器组同时投入或切断会对电网造成较 大的冲击，一般把电容器分成几组，根据电网对无功的需求而改 变投入电容器的容量，TSC实际上就成为断续可调的动态无功功
■直接方式 ◆交流电力控制电路：只改变电压、电流或对电路的通断
进行控制，而不改变频率的电路。——6.2～6.4 ◆变频电路：改变频率的电路。——6.5
■间接方式 ◆在交流变流电路中增加了直流环节。 ◆在9章的变频器和UPS中介绍。
6.1 AC-AC变换技术概述
■把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 以控制交流输出。
1
(
2U1 sinwt)2 d(wt) U1
1 sin 2 sin(2 2)
2
(6-17)
☞晶闸管电流有效值IVT
I VT
1
2
2U1 Z
sin(wt
)
sin(
wt
)e tg
2
第6章 交流-交流变换电路
为获得期望输出电压，应使每次控制角改变的 间隔内整流输出电压平均值和期望电压相等.
Ud Uo
a cos 1 ( sin w 0t )
其中
U om U do
4) 无环流控制及有环流控制
无环流控制方式 控制电路保证两个反并联的相控整流电路 不同时工作，从而两个整流电路之间不存在电 流同时通过。
6-3-1 矩阵式交交变频器结构与工作原理
对输出u相波形
uu=S11ua+S12ub+S13uc
Sij闭合Sij=1， 否则 Sij=0
控制系数S11、S12、S13，可使uu具有三相输 入包络线内的任意波形。 注意组合系数S11、S12、S13是随时间变化的
6-3-1 矩阵式交交变频器结构与工作原理
6.2.1单相交-交变频电路
2) 整流与逆变工作状态
负载电流正半周， 正组变流电路工作 负载电流负半周， 反组变流电路工作
3) 输出正弦波电压的控制方法 设期望输出的正弦电压: U o U om sin w0t 整流电路输出平均电压: U d U do cos a
U do :整流器理想空载电压
在有环流方式下，可以避免出现电流断续现象， 并可消除电流死区，从而使变频电路的输出特 性得以改善，然而控制较无环流方式复杂。
6-2-2 三相交交变频电路
交-交变频器主要用于交流调速系统中， 因此实际使用的主要是三相交-交变频器。 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，因 此上一节的许多分析和结论对三相交-交变 频电路也是适用的。
本章小结
4 相控交-交变频器的电路结构基本上都采 用反并联的整流装置作为交-交变频的核心， 其基本思想是利用相控整流装置既可整流， 也可以有源逆变来实现交-交变频。
Ud Uo
a cos 1 ( sin w 0t )
其中
U om U do
4) 无环流控制及有环流控制
无环流控制方式 控制电路保证两个反并联的相控整流电路 不同时工作，从而两个整流电路之间不存在电 流同时通过。
6-3-1 矩阵式交交变频器结构与工作原理
对输出u相波形
uu=S11ua+S12ub+S13uc
Sij闭合Sij=1， 否则 Sij=0
控制系数S11、S12、S13，可使uu具有三相输 入包络线内的任意波形。 注意组合系数S11、S12、S13是随时间变化的
6-3-1 矩阵式交交变频器结构与工作原理
6.2.1单相交-交变频电路
2) 整流与逆变工作状态
负载电流正半周， 正组变流电路工作 负载电流负半周， 反组变流电路工作
3) 输出正弦波电压的控制方法 设期望输出的正弦电压: U o U om sin w0t 整流电路输出平均电压: U d U do cos a
U do :整流器理想空载电压
在有环流方式下，可以避免出现电流断续现象， 并可消除电流死区，从而使变频电路的输出特 性得以改善，然而控制较无环流方式复杂。
6-2-2 三相交交变频电路
交-交变频器主要用于交流调速系统中， 因此实际使用的主要是三相交-交变频器。 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，因 此上一节的许多分析和结论对三相交-交变 频电路也是适用的。
本章小结
4 相控交-交变频器的电路结构基本上都采 用反并联的整流装置作为交-交变频的核心， 其基本思想是利用相控整流装置既可整流， 也可以有源逆变来实现交-交变频。
第6章 交流-交流变流电路
6.1 交流调压电路
■单相交流调压电路 – 阻感性负载
◆当 时的电路分析 当 时，VT1和VT2的导通角 均小 。若 于 ， 越小， 越大；当 时， 继续减小，在 0 时刻触发晶闸管VT1，则晶 闸管的导通时间将超过 。到 t 时刻触发晶 闸管VT2时，负载电流io尚未过零，VT1继续导通， 则VT2不会导通。 由于VT1提前开通，负载L被过充电，其放电时 间也将延长，使得VT1结束导电时刻大于 ，并 使VT2推迟开通，VT2的导通角也小于 。
6.1 交流调压电路
■单相交流调压电路 – 阻感性负载
◆电路分析 设在 t 时刻开通晶闸管VT1，负载电流应 满足如下方程和初始条件
dio L Rio dt io t 0 2U 1si n t
解方程后可得：
io 2U1 si n ( t ) si n ( )e ( t ) / tan Z
Uo 1
2U 1si n t d(t )
2
U1
I VT
1 si n2 si n2( )
1 2
( io ) 2 d(t ) sin cos (2 ) cos
Io
2I VT
U1 2 Z
6.1 交流调压电路
■单相交流调压电路的谐波分析
由前述的单相交流调压电路电阻性负载和电感 性负载电路波形可以看出，负载电压和负载电流均 不是正弦波，所以含有大量谐波。现以电阻性负载 为例，对负载电压uo进行谐波分析。由于波形正负 面积对称相等，所以不含直流分量和偶次谐波，利 用傅里叶级数可表示为
第六章：交流-交流变换技术
d轴电流PI调节器
dd
da
电量检测
ia
ea
Tam / dq
PLL
Ls / VC1
Ls / VC1
0
S21 ~ S24
SPWM (120 o )
iq
Tdq / am
dq
da
K K p2 i2 s
q轴电流PI调节器
S31 ~ S34
SPW M (240 o )
SST电网侧输入端串联3个AC/DC模块的控制技术框图
整流器采用三相PWM整流电路时，输入电流近似正弦波， 且功率因数接近1，具有较高的电磁兼容性能。 具有单相功率因数校正功能的交流-交流变换电路，一般 适合于小功率的应用场合。
单相单管式Boost APFC电路分析
假定输入电感电流iL连续:
ud uL ud U O 0 t dTC dTC t TC
uc
A
ia
B
ib
H i (s)
三相整流器六 开关半桥电路
Udc
H
v
(s)
C
ic
PWM驱动产 生电路 dq反变换
u ref
PI
dq变换
id
iq
PI
PI
0
三相半桥整流器功率主电路拓扑
整流器系统控制原理图
交流输入端电压电流仿真波形图
交流输入端电压电流实验波形图
间接AC/AC变换电路－电力电子电力变压器
diL 1 (U S m sin t U O ) 0 dt L US m U O
iS
uS
(完整版)电力电子技术第6章习题答案
第6章交流—交流变换电路课后复习题及答案第1部分：填空题1.改变频率的电路称为变频电路，变频电路有交交变频电路和交直交变频电路两种形式，前者又称为直接变频电路，后者也称为间接变频电路。
2.单相调压电路带电阻负载，其导通控制角α的移相范围为0~180O，随 α 的增大，U o 减小，功率因数λ减小。
3.单相交流调压电路带阻感负载，当控制角α＜ϕ(ϕ=arctan(ωL/R) )时,VT1的导通时间越来越短 ,VT2的导通时间越来越长。
4.根据三相联接形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式，TCR属于支路控制三角形联结方式，TCR的控制角 α 的移相范围为90°~ 180°，线电流中所含谐波的次数为k。
6=±k,2,1,15.晶闸管投切电容器选择晶闸管投入时刻的原则是：该时刻交流电源电压和电容器预充电电压相等。
第2部分：简答题1.交流调压电路和交流调功电路有什么区别？二者各运用于什么样的负载？为什么？答：在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。
以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断。
改变通态周期数和断态周期数的比，可以方便地调节输出功率的平均值，这种电路称为交流调功电路。
交流调压电路广泛用于灯光控制及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。
交流调功电路常用于电炉的温度控制，像电炉温度这样的控制对象，其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁的控制，只要以周波数为单位进行控制就足够了。
2.简述交流电力电子开关与交流调功电路的区别。
答：交流调功电路和交流电力电子开关都是控制电路的接通和断开，但交流调功电路是以控制电路的平均输出功率为目的，其控制手段是改变控制周期内电路导通周波数和断开周波数的比。
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，而只是根据需要控制电路的开通和断开。
第六章_交-交变流电路
1
• 输出电压的频率
• 输出上限频率：输出电压的频率应低于输入电压的频率 （电网频率），由于输出电压频率越接近电网频率，则每 个周期中所含电网电压段数就越少，波形就畸变越严重
• 输入功率因数
• 特点：1，由于相位控制，则输入电流相位总是滞后于电
压相位，由于该性质，因此要求电网输出无功功率。 2，当越小，则半周期中的平均越接近90，即 位移因数越低。
斩控式交流调压电路
1.由V1和V2通断进行斩控控制 2.V3和V4进行续流
VD1 i1 V2 VD2 V3 VD3
用V2进行斩波控制
V1
用V4给负载电流 提供续流通道
u1
VD4 uo V4
R L
图4-7
6.2 交流调功电路
1. 与调压电路的异同
1）.电路结构与调压电路结构相同 2）.电路控制方式不同
wt
V T
O
wt
注意：
1.功率因数是指电路端口输入与输出功率大 小之比，即U 1 I 0 和 U 0 I 0 2.功率因数受到的影响，即 U 0 U1 时 1 但是随着增大后，则此时Uo将降低，因此λ 随着增加而减小。 3.对于电压波形Uo会随着会发生畸变，调压 方向只会向降低的方向进行。
组工作，电流为负时N组工作。 2.当负载电压为正且电流为正时，P组工作在整流， 当电压为负且电流为正时，P组工作在逆变状态。 3.当负载电压为负且电流为负时，N组工作在整流， 当电压为正且电流为负时，N组工作在逆变状态。
输出电压调制方法——余弦交点法
• 由于每次控制的都在变化之中固用电压平均值表示u1 O Nhomakorabeauo wt
4. 晶闸管导通电流有效值：
IT 1 2 2U1 sinw t d w t U1 R R
• 输出电压的频率
• 输出上限频率：输出电压的频率应低于输入电压的频率 （电网频率），由于输出电压频率越接近电网频率，则每 个周期中所含电网电压段数就越少，波形就畸变越严重
• 输入功率因数
• 特点：1，由于相位控制，则输入电流相位总是滞后于电
压相位，由于该性质，因此要求电网输出无功功率。 2，当越小，则半周期中的平均越接近90，即 位移因数越低。
斩控式交流调压电路
1.由V1和V2通断进行斩控控制 2.V3和V4进行续流
VD1 i1 V2 VD2 V3 VD3
用V2进行斩波控制
V1
用V4给负载电流 提供续流通道
u1
VD4 uo V4
R L
图4-7
6.2 交流调功电路
1. 与调压电路的异同
1）.电路结构与调压电路结构相同 2）.电路控制方式不同
wt
V T
O
wt
注意：
1.功率因数是指电路端口输入与输出功率大 小之比，即U 1 I 0 和 U 0 I 0 2.功率因数受到的影响，即 U 0 U1 时 1 但是随着增大后，则此时Uo将降低，因此λ 随着增加而减小。 3.对于电压波形Uo会随着会发生畸变，调压 方向只会向降低的方向进行。
组工作，电流为负时N组工作。 2.当负载电压为正且电流为正时，P组工作在整流， 当电压为负且电流为正时，P组工作在逆变状态。 3.当负载电压为负且电流为负时，N组工作在整流， 当电压为正且电流为负时，N组工作在逆变状态。
输出电压调制方法——余弦交点法
• 由于每次控制的都在变化之中固用电压平均值表示u1 O Nhomakorabeauo wt
4. 晶闸管导通电流有效值：
IT 1 2 2U1 sinw t d w t U1 R R
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过零后，VT2才开通，VT2导通角将小于π。（正负不对称，非稳态）。
• 有一过渡过程: 1）VT1开通时间渐后, 导通时间渐短；2）VT2 则相反。 • 达到稳态后：与α=φ时完全相同（VT1在α=φ时开通, VT2在α=π+φ时开通)。13
第6章 交流-交流变流电路
6.1.2 三相交流调压电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
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（M－N） 个周期关断。
负载电压、负载电流 （也即电源电流）的 重复周期为M倍电源 周期。
u o
导通段 =
2πN M
M =3、N =2
2U 1
2π
u ,i oo
u 1
第6章 交流-交流 变流电路
概述 6.1 交流调压电路 6.3 交交变频电路 6.2 其他交流电力控制电路 6.4 矩阵式变频电路
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
6.1 交流调压电路
6.1.1 单相交流调压电路 6.1.2 三相交流调压电路
• 单相调压是基础，重点。 • 控制方式：
交流电力控制电路 的类型
交流调压电路： 目的：调节输出电压有效值。 控制方式：相控方式、斩控方式。
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。
交流电力电子开关: 并不着意调节输出平均功率，而只是根据需要 接通或断开电路。
3
第6章 交流-交流变流电路
α的移相范围：φ≤α≤π
α<φ时工作情况
图6-5 α<ϕ时阻感负载交流调压电路工作波形
① φ≤α≤π 时，导通角 θ 小于π 【α越小，θ越大；α= φ时，θ= π】
② 0≤α<φ 时，电路也能工作。 但有一个逐步逼近α=φ时情况的过程！
假设α突然: 由“α>φ”Æ“α<φ”时的情况:
• VT1提前通，L被过充电，放电时间延长，VT1的导通角超过π； • （π+α）时刻触发VT2时，正电流io尚未过零，VT1仍导通，VT2不通；待 io
α +θ
α(
2U1 sin ω t)2 d (ω t)
= U1
θ π
+
1 π
[sin
2α
− sin( 2α
+ 2θ )]
• 晶闸管电流有效值：
∫ IVT=
1 2π
α+θ α
⎪⎩⎪⎨⎧
2U1 Z
⎢⎡sin(ωt ⎢⎣
−ϕ)
−sinα(
α−ωt
−ϕ)e tgϕ
⎥⎤⎪⎬⎫2 ⎥⎦⎪⎭
d(ωt)
α π π+α
• 负载电压波形是电源电压波 O
wt
O
wt
形的一部分。
i o
i o
O
wt
O
wt
• 负载电流和负载电
u VT
u VT
压的波形相同。
O
wt
O
wt
5
第6章 交流-交流变流电路
交流电力控制电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
交流电力控制电路 的结构
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。
O
wt
i o
O
wt
u
VT
O
wt
图6-1 电阻负载单相交 流调压电路及其波形 7
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
6.1.1 单相交流调压电路
¾（阻感负载时）控制角与导通角之间的关系
−θ
sin(α + θ − ϕ ) = sin(α − ϕ )etgϕ
以φ为参变量,可绘 出α与导通角 θ 之 间的关系曲线。
VD R 4 uo V4 L
图6-7 斩控式交流调压电路
续流通道
图6-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形 14
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
了解内容
6.2 其他交流电力控制电路
4.2.1 交流调功电路 4.2.2 交流电力电子开关
交流调功电路:以交流电源周波数为控制单 位，调节输出功率。
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
6.1.1 单相交流调压电路
1. 电阻负载
数量关系
¾输电压有效值
( ) ∫ Uo =
1π πα
2U1 sinωt 2 d(ωt) =U1
1 sin2α + π −α
2π
π
• α=0时，输出电压为最大， Uo=U1。
• 随α的增大，Uo降低； • α=π时，Uo =0
¾ 可以看出：
① 当α≤φ时:负载电流连续, θ=π。α的改变对θ和输出 电压都没有影响。
② 当α>φ时: 负载电流断续, θ<π。
③ α的移相范围: φ<α≤π.
控制角
控制角
图6-3 单相交流调压电路以 ϕ 为参
变量的 θ 和 α 关系曲线
10
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
= U1 θ − sin θ cos(2α + ϕ + θ )
2π Z
cosϕ
•
负载电流有效值：
I 0
=
2I VT
图6-2 阻感负载单相交流调压
电路及其波形
11
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
6.1.1 单相交流调压电路
VT1
阻感负载时的工作过程分析
ωt
=
• TSC是控制无功功率的重要 I 手段。
抑制冲击电流 的小电感
TSC实际成为“断 续可调”的动态无
功功率补偿器
• 通过对无功功率的控制，可 提高功率因数，稳定电网电U
压，改善供电质量。
• 性能优于机械开关投切的电 容器。
结构和原理
• 单相基本原理图。
a)
b)
结构：晶闸管反并后，与电容串联
• 实际常用三相，可三角形联
会使负载电流更为滞后。
• α的移相范围：φ≤α≤π
α π π+α
图6-2 阻感负载单相交流调压电路
及其波形
8
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
6.1.1 单相交流调压电路
¾（阻感负载时）数量关系 了解
设触发延迟Байду номын сангаас为α，导通角θ
• 负载电压有效值
∫ U o =
1 π
M
Oπ
3π 4π
ωt
M
MM
电源周期
控制周期 =M倍电源周期 =2π
图6-11 M =3、N =2时交流调功电路波形
19
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
6.2.2 交流电力电子开关
晶闸管投切电容器
Thyristor Switched apacitor ——TSC
控制角
−θ
与导通角之间的关系 sin(α +θ −ϕ) = sin(α −ϕ)etgϕ
(6-7)
• VT2导通时，上述关系完同，只是io极性相反，相位差180° 9
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
6.1.1 单相交流调压电路
¾（阻感负载时）数量关系 了解
取基准值： 2U1 （即: α=0时的输出电流有效值）
• 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 15
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
6.2.1 交流调功电路
与交流调压电路的比较
¾ 电路形式完全相同。 ¾ 控制方式不同：
① 交流调功电路：将负载与电源接通几个周波，再断开几个周 波，通过改变“通/断周波数之比”来调节负载所消耗的平 均功率。
章
断进行控制（不改变频率）。
内
交-交变频电路
晶闸管交交变频电路 矩阵式变频电路
容
改变频率。大多不改变相数， 也有改变相数。
VVVF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，间接变频电路。
CVCF变频电路 UPS
2
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
② 交流调压电路：每个电源周期都对输出电压波形“进行相位 或斩波控制”。
¾因直接调节对象是电路的平均输出功率，也称交流调 功电路。
• 通常晶闸管导通的时刻就是电源电压过零的时刻（α=0）， 负载电压电流都是正弦波，不对电网造成谐波污染。
应用
常用于电炉的温度控制。
18
3
第6章 交流-交流变流电路
6.2.1 交流调功电路
课下阅读
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
ia VT1
Ua0' a
ua VT3 VT4
n
b
n'
ia ua
ub VT5
VT6
n
c
ub
a
b
负载
uc
VT2 负载
c uc
a) 星形联结
b) 线路控制三角形联结
ua
ia
负载
n
b
ub
• 有一过渡过程: 1）VT1开通时间渐后, 导通时间渐短；2）VT2 则相反。 • 达到稳态后：与α=φ时完全相同（VT1在α=φ时开通, VT2在α=π+φ时开通)。13
第6章 交流-交流变流电路
6.1.2 三相交流调压电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
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（M－N） 个周期关断。
负载电压、负载电流 （也即电源电流）的 重复周期为M倍电源 周期。
u o
导通段 =
2πN M
M =3、N =2
2U 1
2π
u ,i oo
u 1
第6章 交流-交流 变流电路
概述 6.1 交流调压电路 6.3 交交变频电路 6.2 其他交流电力控制电路 6.4 矩阵式变频电路
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
6.1 交流调压电路
6.1.1 单相交流调压电路 6.1.2 三相交流调压电路
• 单相调压是基础，重点。 • 控制方式：
交流电力控制电路 的类型
交流调压电路： 目的：调节输出电压有效值。 控制方式：相控方式、斩控方式。
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。
交流电力电子开关: 并不着意调节输出平均功率，而只是根据需要 接通或断开电路。
3
第6章 交流-交流变流电路
α的移相范围：φ≤α≤π
α<φ时工作情况
图6-5 α<ϕ时阻感负载交流调压电路工作波形
① φ≤α≤π 时，导通角 θ 小于π 【α越小，θ越大；α= φ时，θ= π】
② 0≤α<φ 时，电路也能工作。 但有一个逐步逼近α=φ时情况的过程！
假设α突然: 由“α>φ”Æ“α<φ”时的情况:
• VT1提前通，L被过充电，放电时间延长，VT1的导通角超过π； • （π+α）时刻触发VT2时，正电流io尚未过零，VT1仍导通，VT2不通；待 io
α +θ
α(
2U1 sin ω t)2 d (ω t)
= U1
θ π
+
1 π
[sin
2α
− sin( 2α
+ 2θ )]
• 晶闸管电流有效值：
∫ IVT=
1 2π
α+θ α
⎪⎩⎪⎨⎧
2U1 Z
⎢⎡sin(ωt ⎢⎣
−ϕ)
−sinα(
α−ωt
−ϕ)e tgϕ
⎥⎤⎪⎬⎫2 ⎥⎦⎪⎭
d(ωt)
α π π+α
• 负载电压波形是电源电压波 O
wt
O
wt
形的一部分。
i o
i o
O
wt
O
wt
• 负载电流和负载电
u VT
u VT
压的波形相同。
O
wt
O
wt
5
第6章 交流-交流变流电路
交流电力控制电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
交流电力控制电路 的结构
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。
O
wt
i o
O
wt
u
VT
O
wt
图6-1 电阻负载单相交 流调压电路及其波形 7
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
6.1.1 单相交流调压电路
¾（阻感负载时）控制角与导通角之间的关系
−θ
sin(α + θ − ϕ ) = sin(α − ϕ )etgϕ
以φ为参变量,可绘 出α与导通角 θ 之 间的关系曲线。
VD R 4 uo V4 L
图6-7 斩控式交流调压电路
续流通道
图6-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形 14
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
了解内容
6.2 其他交流电力控制电路
4.2.1 交流调功电路 4.2.2 交流电力电子开关
交流调功电路:以交流电源周波数为控制单 位，调节输出功率。
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
6.1.1 单相交流调压电路
1. 电阻负载
数量关系
¾输电压有效值
( ) ∫ Uo =
1π πα
2U1 sinωt 2 d(ωt) =U1
1 sin2α + π −α
2π
π
• α=0时，输出电压为最大， Uo=U1。
• 随α的增大，Uo降低； • α=π时，Uo =0
¾ 可以看出：
① 当α≤φ时:负载电流连续, θ=π。α的改变对θ和输出 电压都没有影响。
② 当α>φ时: 负载电流断续, θ<π。
③ α的移相范围: φ<α≤π.
控制角
控制角
图6-3 单相交流调压电路以 ϕ 为参
变量的 θ 和 α 关系曲线
10
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
= U1 θ − sin θ cos(2α + ϕ + θ )
2π Z
cosϕ
•
负载电流有效值：
I 0
=
2I VT
图6-2 阻感负载单相交流调压
电路及其波形
11
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
6.1.1 单相交流调压电路
VT1
阻感负载时的工作过程分析
ωt
=
• TSC是控制无功功率的重要 I 手段。
抑制冲击电流 的小电感
TSC实际成为“断 续可调”的动态无
功功率补偿器
• 通过对无功功率的控制，可 提高功率因数，稳定电网电U
压，改善供电质量。
• 性能优于机械开关投切的电 容器。
结构和原理
• 单相基本原理图。
a)
b)
结构：晶闸管反并后，与电容串联
• 实际常用三相，可三角形联
会使负载电流更为滞后。
• α的移相范围：φ≤α≤π
α π π+α
图6-2 阻感负载单相交流调压电路
及其波形
8
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
6.1.1 单相交流调压电路
¾（阻感负载时）数量关系 了解
设触发延迟Байду номын сангаас为α，导通角θ
• 负载电压有效值
∫ U o =
1 π
M
Oπ
3π 4π
ωt
M
MM
电源周期
控制周期 =M倍电源周期 =2π
图6-11 M =3、N =2时交流调功电路波形
19
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
6.2.2 交流电力电子开关
晶闸管投切电容器
Thyristor Switched apacitor ——TSC
控制角
−θ
与导通角之间的关系 sin(α +θ −ϕ) = sin(α −ϕ)etgϕ
(6-7)
• VT2导通时，上述关系完同，只是io极性相反，相位差180° 9
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
6.1.1 单相交流调压电路
¾（阻感负载时）数量关系 了解
取基准值： 2U1 （即: α=0时的输出电流有效值）
• 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 15
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
6.2.1 交流调功电路
与交流调压电路的比较
¾ 电路形式完全相同。 ¾ 控制方式不同：
① 交流调功电路：将负载与电源接通几个周波，再断开几个周 波，通过改变“通/断周波数之比”来调节负载所消耗的平 均功率。
章
断进行控制（不改变频率）。
内
交-交变频电路
晶闸管交交变频电路 矩阵式变频电路
容
改变频率。大多不改变相数， 也有改变相数。
VVVF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，间接变频电路。
CVCF变频电路 UPS
2
第6章 交流-交流变流电路
河南科大自动化系多媒体教案（WSBU2.0版）
② 交流调压电路：每个电源周期都对输出电压波形“进行相位 或斩波控制”。
¾因直接调节对象是电路的平均输出功率，也称交流调 功电路。
• 通常晶闸管导通的时刻就是电源电压过零的时刻（α=0）， 负载电压电流都是正弦波，不对电网造成谐波污染。
应用
常用于电炉的温度控制。
18
3
第6章 交流-交流变流电路
6.2.1 交流调功电路
课下阅读
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
ia VT1
Ua0' a
ua VT3 VT4
n
b
n'
ia ua
ub VT5
VT6
n
c
ub
a
b
负载
uc
VT2 负载
c uc
a) 星形联结
b) 线路控制三角形联结
ua
ia
负载
n
b
ub