第六章 AC-AC变换电路(A).

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AC-AC变换电路解读

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。
1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。
11
一、电阻负载
1. 交流调压电路——相位控制（或斩控式）； 2. 交流调功电路及交流无触点开关——通断控制。变频电路：改变频率，大多不改变相数，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，直接变频电路；
1. 晶闸管交交变频电路
2. 矩阵式变频电路交直交变频电路——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,间接变频电路。
8
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
三、单相交流调压电路的谐波分析
四、斩控式交流调压电路
9
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；
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
1
引
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、电流、频率和相数等。

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

第六章交流交流(ACAC)变换

第六章交流—交流（AC—AC）变换AC—AC变换是一种可以改变电压大小、频率、相数的交流—交流电力变换技术。

只改变电压大小或仅对电路实现通断控制而不改变频率的电路，称为交流调压电路和交流调功电路、或交流无触点开关。

从一种频率交流变换成另一种频率交流的电路则称为交—交变频器，它有别于交—直—交二次变换的间接变频，是一种直接变频电路。

为了解决相控式晶闸管型交—交变频器输入、输出波形差、谐波严重的弊病，在基于双向自关断功率开关的基础上目前正在研究一种所谓的矩阵式变换器，它是一种具有十分优良输入、输出特性的特殊形式交—交变频器。

本章将分节介绍交流调压（交流调功或交流无触点开关）、交—交变频及矩阵式变换器的相关内容。

6.1 交流调压电路交流调压电路采用两单向晶闸管反并联（图6-1(a)）或双向晶闸（图6-1（b）），实现对交流电正、负半周的对称控制，达到方便地调节输出交流电压大小的目的，或实现交流电路的通、断控制。

因此交流调压电路可用于异步电动机的调压调速、恒流软起动，交流负载的功率调节，灯光调节，供电系统无功调节，用作交流无触点开关、固态继电器等，应用领域十分广泛。

图6-1 交流调压电路交流调压电路一般有三种控制方式，其原理如图6-2所示。

图6-2 交流调压电路控制方式（1）通断控制通断控制是在交流电压过零时刻导通或关断晶闸管，使负载电路与交流电源接通几个周波，然后再断开几个周波，通过改变导通周波数与关断周波数的比值，实现调节交流电压大小的目的。

通断控制时输出电压波形基本正弦，无低次谐波，但由于输出电压时有时无，电压调节不连续，会分解出分数次谐波。

如用于异步电机调压调速，会因电机经常处于重合闸过程而出现大电流冲击，因此很少采用。

一般用于电炉调温等交流功率调节的场合。

（2）相位控制与可控整流的移相触发控制相似，在交流的正半周时触发导通正向晶闸管、负半周时触发导通反向晶闸管，且保持两晶闸的移相角相同，以保证向负载输出正、负半周对称的交流电压波形。

电力电子AC——AC变换

Uo 1

( 2U sin t ) 2 dt U
1 [sin 2 sin(2 2 )]
负载电流有效值Io为
t 1 2U tan Io sin( t ) sin( )e d t π Z
io t 0
解方程得
2U 2U （α≤ω t≤α+θ） io sin(t ) sin e tan Z Z t 2U 2U sin e tan 为暂态分量。 sin(t ) 为稳态分量； it 其中 is Z Z
t t t t
it
io

it
t
电
力
电
子
技
术
6.2.1 相控式交流调压电路
u1 O
iG1 iG2
O

O io
iT1
O
触发脉冲的宽度< -( )= -
α < 时的工作情况（用窄脉冲触发） t VT1提前导通，L 被过充电，放电时间延长， VT1 t 的导通角超过π；触发VT2时， io尚未过零， VT1仍 t 导通， VT2不导通；
(b) 高压直流电源方案
电
力
电
子
技
术
6.1 概述
在一些大惯性环节中，例如温度控制有时也采用通断控制，这种电路称交流调功电路。通断控制一般在交流电压的过零点接通或关断，加在负载上是整数倍周期的交流电，在接通期间负载上承受的电压与流过的电流均是正弦波，与相位控制相比，对电网不会造成谐波污染，仅仅表现为负载通断。
（a）阻感负载单相交流调压电路

AC-AC变换

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、单相相控交流调压电路
VT 1
1．电阻负载工作原理：
在 u1的正半周和负半周，分别对
VT 2 u1
io uo R
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
三、交流调压电路的应用
1. 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）
2. 异步电动机软起动 3. 异步电动机调速
4. 供用电系统对无功功率的连续调节——静止性无功补偿装置SVC
晶闸管控制电抗器型补偿器（TCR）
第四节交交变频电路
本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)
u1 O uo O io O uVT O
t
t
t
t
图4-1
电阻负载单相交流调压电路及其波形
数量关系负载电压有效值：
2 1 1 a U o = 2U 1 sin t d t = U 1 sin 2a a 2
VT 1 VT 2 u1 io uo R

交交变频电路——把电网频率的交流电变成可调频率的交流电，属于直接变频电路广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实用的主要是三相输出交交变频电路
一、单相交交变频电路
1．电路构成和基本工作原理电路构成
如右图，由P组和N组反
P uo Z N
并联的晶闸管变流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同变流器P和N都是相控整流电路

电力电子 AC-AC变换.PPT共74页

39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
文家。汉族，东晋浔阳柴桑人（今江西九江）。曾做过几年小官，后辞官回家，从此隐居，田园生活是陶渊明诗的主要题材，相关作品有《饮酒》、《归园田居》、《桃花源记》、《五柳先生传》、《归去来兮辞》等。
电力电子 AC-AC变换.
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新来燕，双双入我庐，先巢故尚在，相将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
。
9、陶渊明（约 365年 —427年），字元亮，（又一说名潜，字渊明）号五柳先生，私谥“靖节”，东晋末期南朝宋初期诗人、文学家、辞赋家、散

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

电力电子 AC-AC变换.共74页

谢谢！
51、天下之事常成于困约，而败于奢靡。——陆游 52、生命不等于是呼吸，生命是活动。——卢梭
53、伟大Байду номын сангаас的事业，需要决心，能力，组织和责任感。 ——易卜生 54、唯书籍不朽。——乔特
55、为中华之崛起而读书。 ——周恩来
电力电子 AC-AC变换.
26、机遇对于有准备的头脑有特别的亲和力。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力量泉源之一，也是成功的利器之一。没有它，天才也会在矛盾无定的迷径中，徒劳无功。- -查士德斐尔爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯潘。

第六章 ACAC变换器

1）单相PWM交流调压电路 2）三相PWM交流调压电路
2、其他交流电力控制电路 2.1 交流调功电路 2.2 交流电力电子开关
• 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
解方程得
式中 θ为晶闸管导通角
6.2.1 相控交流调压电路－单相
1、交流调压电路
1.1 相控交流调压电路
• VT2导通时，上述关系完全相同，只是io极性相反，相位差180°
6.2.1 相控交流调压电路－单相
• 可见有以下几种典型工况： 1. =0º，上式右端=0，α+θ=π，即
为纯电阻工况 2. ≠0º， =α，由上式可得，θ=π
，表明两个VT相当于二极管，开始不起调压作用。 3. ≠0º， α＞,θ＜π，此时电流波形如前所画。
6.2.1 相控交流调压电路－单相
6.2.1 相控交流调
• α<，θ>π,VT1提前通，L被过充电，放电时间延长，触发VT2时，负载电流未过零反向。
6.2.1 相控交流调压电路－单相
• α<，θ>π,VT1提前通，L被过充电，放电时间延长，触发VT2时，负载电流未过零反向。
6.2.1 相控交流调压电路－单相
正弦项
指数衰减项
6.2.1 相控交流调压电路－三相
➢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
6.2.1 相控交流调压电路－三相
➢ 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
1）单相相控交流调压电路 2）三相相控交流调压电路
1.2 PWM交流调压电路

第6章 AC-AC变换电路

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。
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

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
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

ac–ac变换电路的原理和应用

ac–ac变换电路的原理和应用嗨，朋友们！今天咱们来聊一聊ac - ac变换电路，这可真是个超级有趣又超级有用的东西呢！你看啊，咱们日常生活中，电是无处不在的。

交流电（ac）就像一个调皮的小精灵，在电线里跑来跑去，给我们的各种电器提供能量。

可是有时候啊，这个小精灵的“脾气”不太对，比如说电压太高或者频率不合适。

这时候呢，ac - ac变换电路就闪亮登场啦！那这个ac - ac变换电路到底是怎么个原理呢？想象一下，交流电就像一条奔腾不息的河流，有高有低，有快有慢。

ac - ac变换电路就像是一个超级智能的水坝。

这个水坝可不是随随便便建的哦。

它里面有各种各样的元件，就像水坝里的一道道闸门和各种控制水流的装置。

比如说，电路里的晶闸管，这东西就像是一个非常听话的小门卫。

当我们想要改变交流电的电压或者频率的时候，就可以给这个小门卫下指令。

如果想要降低电压，就像把水坝的闸门稍微关小一点，晶闸管就会按照我们的要求，在合适的时间把电流“拦住”一部分，这样输出的电压就降低啦。

这就是ac - ac变换电路控制电压的一个简单类比啦。

再说说频率的改变吧。

这就更神奇了，就好像把奔腾的河流的节奏给改变了一样。

电路里的一些特殊元件和控制电路就像是乐队的指挥，它们可以让交流电的频率按照我们想要的方式变化。

这可不容易呢，就像让一群调皮的孩子按照新的节奏跳舞一样，需要精确的控制。

那ac - ac变换电路都用在哪些地方呢？哇，这可就多了去了！我有个朋友，他在一家工厂工作。

他们工厂有很多大型的电机设备。

这些电机啊，就像一群大胃王，对电的要求可高了。

有时候电网送来的交流电电压不太稳定，就像送来的食物有时候多有时候少，这可不行啊。

这时候ac - ac变换电路就像一个贴心的厨师，把送来的电调整得妥妥当当的，让电机能够稳定地工作。

我朋友说啊，如果没有这个ac - ac变换电路，电机就会像一个生病的巨兽，时不时就出故障，那工厂的生产可就全乱套了。

第6章_AC-AC变换

(2) 60°：全部按II类状态工作(两管交替导通)，每管导通120° (3) 120°：两管导通与无晶闸管导通交替，晶闸管每次导通都是断续的.
a) =30° b) =60° c) =120°
本章小结
单相/三相交流调压电路
1.相位控制调压方法
每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值
TSC单相主电路
三相交流调压
三相四线联接三相三线联接三角形联接
触发脉冲规律:
同相两管触发脉冲互差180º,三相间同方向晶闸管互差120º.
三相交流调压-三相四线联接
三相四线联接（ YN 联接）
负载上的电压为相电压
[注]当控制角大于0时,即使负载对称,各相控制角相同,通常零线中也有存在电流.

2
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.
单相交流调压-通断控制原理
输出电压有效值:
交流调功电路
与交流调压电路的同异
电路形式完全相同
控制方式不同：将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均
--交流电力电子开关
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.
单相交流调压-相位控制原理
单相交流相位控制调压：
在u0的正半周和负半周，
控制角a
分别改变VT1和VT2的控制
角a就可以调节输出电压。输出电压有效值:
2 Uo 2
1 sin 2 ( 2U sin t ) d t U ( 2 )
第6章
AC/AC变换电路

第六章 AC-AC变换电路(A)

t
t t
3°不失调时α的移相范围： φ~π sin（α+θ-φ）=sin（α-φ）e-θ/tanφ ① α=φ sinθ=0 ∴θ=180°→Io=Iomax、 Po=Pomax ②α＞φ sin（ α+θ-φ）＞0 ∴0＜ α+θ-φ＜180° θ＜180° ③α＜φ sin（ α+θ-φ）＜0 ∴ α+θ-φ ＞180° θ＞180°
6.2 单相交流调压电路 VT
1、电阻性负载
+u
1
1
i VT
2
o
1 sin 2 U U O 1 2 + U I O I 1I R O VT 2 O P U O IO U O 1 sin 2 2 S U I U 1 O 1
d( t )
2
负载电流有效值 : I O
IVT的标么值:
2 IVT
Z 2U1
Uo Z
IVTN IVT
例1：一台220V，10KW的电炉，现采用晶闸管交流调压使其工作在5KW，试求其控制角，工作电流值和功率因素。例2：已知U1=2300V，ωL=2.3Ω， R=2.3Ω，采用单相交流调压。求：（1）α 角的范围（2）Iomax（3）Pomax及此时的功率因素(4) α=π/2时的负载电流有效值, 晶闸管导通角和电源功率因数.
6.3三相交流调压电路
本章小结：
本章的要点如下： (1) 交流—交流变流电路的分类及其基本概念；
(2) 单相交流调压电路的电路构成，在电阻负载和阻感负载时的工作原理和电路特性； (3) 三相交流调压电路的基本构成；
(4) 交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念； (5) 各种交流—交流变流电路的主要应用。

第六章 AC-AC变换器2

本章小结
• 本章的要点如下： – (1) 交流—交流变流电路的分类及其基本概念； – (2) 单相交流调压电路的电路构成，在电阻负载和阻感负载时的工作原理和电路特性； – (3) 三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理； – (4) 交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念； – (5) 晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成、工作原理和输入输出特性； – (6) 矩阵式交交变频电路的基本概念。
6.4.1 相控交交变频电路（三相）
交交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，使用的是三相交交变频电路。由三组输出电压相位互差120°的单相交交变频电路组成。
公共交流母线进线方式
电路接线方式
输出星形联接方式
6.4.1 相控交交变频电路（三相）
公共交流母线进线方式
• 由三组彼此独立、输出电压相位相互错开120°的单相交交变频电路构成
6.4.1 相控交交变频电路（单相）
• 由此可以得出无环流工况下两组整流器的工作规律： • 哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关； • 工作在整流还是逆变，则根据uo方向与io方向是否相同确定。 • 在正组电流过零后，应延时一点时间后再触发反组晶闸管导通。反组电流过零时同理。这个延时叫死区时间。
U om cosa sin o t sin o t Ud0
U om (0 r 1) U d0
式中称为输出电压比：

输出电压最大值幅值为Ud0
6.4.1 相控交交变频电路（单相）
输入输出特性
• 输出上限频率
– 电压波形畸变以及由此产生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。 – 构成交交变频电路的两组变流电路的脉波数越多，输出上限频率就越高。 – 对三相桥式电路而言，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。

AC-AC变换

C(功率、频率。功率、目的: 将AC→可调可调功率频率)。主要类型: 交流调压、变频间接直接); 相控、斩控等。间接、主要类型交流调压、变频(间接、直接相控、斩控等。
4.1 基本内容 1. 变频—间接、直接。变频间接、直接。间接
整流滤波逆变负载
∞
∞
进一步取载波比N为偶数，可消除、中的偶次谐波。进一步取载波比为偶数，可消除u0、i0中的偶次谐波。并且输出侧附加为偶数使其截止频率ω 小于u 、中的最低次谐波－低通滤波L 、：低通滤波 0、C0 ，使其截止频率 0小于 0、i0中的最低次谐波(N－1)ω：ω0< (N－1)ω，则有：－，则有：
间接：AC→DC→AC。间接：。电路结构简单、技术较成熟；功率变换级数多、整机效率较低。电路结构简单、技术较成熟；功率变换级数多、整机效率较低。
直接：相控方式传统多组桥式SCR整流电路反并而成，技术较成熟，传统), 整流电路反并而成，直接：相控方式(传统多组桥式整流电路反并而成技术较成熟，输出频率只能低于网频；输出频率只能低于网频；矩阵式变频，输出频率可低于、高于网频，但技术成熟性相对尚欠。矩阵式变频，输出频率可低于、高于网频，但技术成熟性相对尚欠。
分析u 、除基波外，还含有丰富的各次谐波及“次谐波” 分析 0、i0：除基波外，还含有丰富的各次谐波及“次谐波”。
ωL 基波阻抗角； ϕ1 = tg−1( ) → 基波阻抗角；
4.3 斩波交流调压
令载波比N(=ωc / ω)为常数，即选择为常数，调制方式为同步调制，令载波比为常数即选择PWM调制方式为同步调制，调制方式为同步调制以避免出现“次谐波” 以避免出现“次谐波” ，则：