AC-AC变换器

电路功率因数
• 电阻负载 输出电压与α的关系:
0 时，输出电压为最大
Uo=U1, 随 a 的增大，Uo降低， a =π时， Uo =0
功率因数λ与 a 的关系:
u
a =0时，功率因数λ =1，a
增大，输入电流滞后于电压 且畸变，λ降低
阻感负载Inductive load 负载阻抗角：
arctan （w L / R）
基波和各次谐波有效值 负载电流基波和各次谐波有效值
I on U on / R
电阻负载单相交流调压电路基 波和谐波电流含量
谐波分析Harmonic analysis
阻感负载inductor-resistor load
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 当 a 角相同时，随着阻抗角的增大，谐波 含量有所减少
偿，以补偿电压波动或闪变
a)
b)
c)
晶闸管控制电抗器 (TCR)电路
图4-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形 a) α=120° b) α=135° c) α=160°
其他交流调压电路
交流调功电路AC power controller 交流电力电子开关Electronic AC switch
不同a 角时负载相电压波形
a) a =30°
60°≤ a
<90°：两管导通，每管导通120°
不同a角时负载相电压波形
b) a =60°
29
90°≤ a <150°：两管导通与无晶闸管导通交替，导
通角度为
300 -2
图4-10 不同角时负载相电压波形
c) =120°
30
谐波情况
电流谐波次数为 6k±1(k=1，2，3，…)，和三
180 140
=0 ： 此时有 + = 的条件，即为纯电阻
(° )
100 60 20 0 20 60 100 140 180 (° )
负载电流有效值 I 0 2 IVT
IVT的标么值
0.5
IVTN IVT
Z 2U 1
0.4
IVTN 0.3 0.2 0.1 0
j =0
40
80
2.控制角 、功率因数角 与导通角之间的关系 设导通角为 故，当 w t= 时，有负载电流方程得到
sin （wt ) sin( ) e tan
由此解得
sin( ) (sin ) e tan tan cos( ) (cos ) e tan
三相交流调压电路 a) 星形联结
三相三线，电阻负载
三相电压控制器中，触发 角改变，电路有两种不同的工 作状态 第一类工作状态：三相同时 工作状态，即同一时刻，每相 有一个晶闸管导电，任一时刻 同时有三个管子导电 第二类工作状态：两相同时 工作状态，既同一时刻，仅两 相各有一个管子导电，第三相 的两个管子都不导电
应用场合：调温的工频加热和感应加热；灯光调节；泵及风机的感应 电动机软启动；变压器的初级调压。
AC Voltage Controllers交流调压电路 原理Principle 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，不改变 交流电频率 电路图
单相交流调压电路 • 电阻负载Resistive load 电路结构：两个晶闸管可 用一双向可控硅代替
wt

wt
1.负载电流方程
wt = 时刻开通晶闸管VT1，负载电流应满足
dio L Rio = 2U 1 sin wt dt io | 0 wt wt 2U 1 [sin(wt ) sin( ) e tan ] Z wt +
io =
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，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 个负载相电流之和
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 电路形式完全相同 不同点 控制方式不同 交流调压电路在每个电源周期都对 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所消耗 的平均功率
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 M － N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
改变频率的电路 变频电路 交直交变频
直接
间接
AC Voltage Controllers交流调压电路
交流调压电路是指由晶闸管等电力电子器件构成的交流调压控制 装置；其调压功能通过控制来实现。交流调压器的调压方式有三种： • 通-断控制：改变通断时间的比例，实现输出电压的调节。特点： 简单，对电网有较大的负载脉动。 • 相位控制：晶闸管控制和相控整流一样，在选定的控制角上使负载 与电源接通，也可以通过相控和也可以通过相控和提前强迫换流实 现扇形控制，控制角不同，其输出电压也不同。特点：交流调压的 基本形式，应用较多。 • 斩波控制：把正弦波电压斩成若干个脉冲电压，改变导通比实现电 压。特点：功率因数高，低次谐波低，应用较多。
现代电力电子学
AC-AC变换器 程逸帆
主要内容
1. 交流调压电路
2. 相控交交变频电路
交-交变换电路是把一种形式的交流直接变成另一种形式交 流的电路,相控晶闸管在周波变换器中有很好的应用.主要包括 交流调压器和交交变频器。 优点：交交变换器没有中间储能环节，可以缩减电力电子装 置的体积和重量；其能量可以双向流动，较容易实现能量的 回馈；功率因数可调，可以实现单位功率因数。 缺点：交交变换的电压、电流和频率都收到一定的限制，其 应用范围没有交直交系统广泛。
交流电力电子开关
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 通断 响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制
与交流调功电路的区别
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 控制频度通常比交流调功电路低得多
晶闸管投切电容（Thyristor Switched——Capacitor——TSC） 作用 对无功功率控制，可提 高功率因数，稳定电网 电压，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 晶闸管反并联后串入交 TSC基本原理图 流电路 a) 基本单元单相简图 实际常用三相，可三角 b) 分组投切单相简图 形联结，也可星形联结 41
斩控式交流调压电路
在交流电源u1的正半周
用V3给负载电流 提供续流通道
斩控式交流调压电路
用V1进行斩波控制
19
斩控式交流调压电路
在交流电源u1的负半周
用V4给负载电流 提供续流通道
图4-7 斩控式交流调压电路
用V2进行斩波控制
20
斩控式交流调压电特性
电源电流的基波分量 和电源电压同相位， 即位移因数为1
Thyristor Controlled Reactor—TCR）
移相范围为90°~ 180°
控制 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
（ 2 -） + sin 2 （ 2 -） + sin 2 I0 2 2
I0
为控制角 =0 的负载电流有效值
• 电阻负载Resistive load
流过晶闸管的电流有效值
RMS
u
在调压过程中不仅电流的基波后移，而且也出现了 不同成分的谐波，按照非正弦电路中功率因数 的定义并考虑负载电阻 U 0 的计算方法。
利用边界条件 wt = 时 io =0 可求得θ
sin( ) e


tan
= sin( )
当 = 时 = 当 时
以阻抗角为参变量a 和θ 的 关系如右图
工况，在图中为直线1，电流 断续 0 , 180 电流断续 电流暂态
图4-9
三相交流调压电路 a) 星形联结 25
a =0°，各晶闸管
均可看作二极管， 承受正向电压管子 导通
任何时刻每相有一个管 子导通，三相电压直接 接到三相电阻，电压电 流及管子导电都是三相 对称，电源电压中性点 与负载电压中性点等电 位
0°≤ a <60°：三管导通与两管导通交替，每管导 通 180 -
阻感负载单相交流调压电路
j
16 时阻感负载交流调压电路工作波形
谐波分析Harmonic analysis
电阻负载Resistive load 由于波形正负半波对称，所以不 含直流分量和偶次谐波
u o (wt )
n 1, 3, 5,
(a

n
cos nw t bn sin nw t )
交流调功电路典型波形 (M =3、N =2)
电阻负载单相交流调压电路
谐波情况
右图为频谱图（以控制周 期为基准）。In为n次谐波 有效值， Io为导通时电路电 流幅值 以电源周期为基准，电流 中不含整数倍频率的谐波， 但含有非整数倍频率的谐波 在电源频率附近，非整数 倍频率谐波的含量较大
交流调功电路的 电流频谱图(M =3、N =2)
单相交流调压电路a为参变量时晶闸管表要电流有效值和a关系曲线
/ (° )
120
160 180
当阻感负载, 时电路工作情况

j
VT1的导通时间超过π 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π 衰减过程中， VT1导通 时间渐短， VT2的导通 时间渐长
0 时刻为电源电压过
零时刻 在交流电源的正负半周， 分别控制两个晶闸管开通， 正负半周控制角相等，均为
当 =0 时 U R U 1 ；时 =180
u
UR 0
• 电阻负载Resistive load 移相范围为
0 180
u
负载电压有效值
负载电流有效值
IR = U R U1 = R R
c)支路控制三角形联结
三相交流调压电路
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 线电流中所含谐波次数 为6k±1(k为正整数) 在相同负载和 角时， 线电流中谐波含量少于三 相三线星形电路
c)支路控制三角形联结
图4－9三相交流调压电路
典型用例——晶闸管控制电抗器（
交交变换器的分类
只改变电压, 电流或控制 电路的通断, 而不改变频 率的电路
交流调压电路 交流电力 控制电路
相位控制
AC voltage controller Phase control
交流调功电路
通断控制
AC power controller Integral cycle control
交交变频
若将晶闸管短接，稳态时 负载电流为正弦波，相位滞 后于u1的角度为 ，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
=0 时刻仍定为u1过 零的时刻，a 的移相范围 应为
u1 u
1 O u
wt
uG1
u O G2 O u o O i o
wt wt
wt
O u VT O
图4-9 三相交流调压电路 a) 星形联结 23
三相三线，电阻负载
任一相导通需和另一相构成回路
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 0°-150°，与三相全控桥 式整流电路不同
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
电阻负载斩控式交流调压电 路波形
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
三相交流调压电路
三相交流调压电路
星形联结电路
可分为三相三线和三相四线
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。 =90° 时，零线电流甚至和各相电流 的有效值接近，在选择线径和 变压器时一定要注意