第6章 交流交流变流电路
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☞在wt=时刻开通晶闸管VT1，可求得导
通角，即
sin( ) sin( )e tg (6-7)
图6-2 阻感负载单相交流 调压电路及其波形
6/53
中国矿业大学（北京）电力电子技术研究中心(PERC)
6.1.1 单相交流调压电路
以为参变量，利用式(6-7)可以把和 的关系用图6-3的一簇曲线来表示。
图6-9 三相交流调压电路 b)支路控制三角形联结
20/53
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6.2 其他交流电力控制电路
6.2.1 交流调功电路 6.2.2 交流电力电子开关
21/53
中国矿业大学（北京）电力电子技术研究中心(PERC)
6.2.1 交流调功电路
uo
导通段
=
2N M
式中
an
uo (wt) (an cos nw t bn sin nw t) n 1, 3,5,
(6-12)
a1
2U1 (cos 2 1) 2
b1
2U1 sin 2 2( )
2
2U1
n
1
1
cos(n
1)
1
n
1
1
cos(n
1)
1
(n=3,5,7,…)
bn
2U1
n
1
1
sin(n
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。
◆谐波分析
☞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)。
☞在相同负载和角时，线电流中谐
波含量少于三相三线星形电路。
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。
■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。
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6.1.1 单相交流调压电路
■电阻负载
◆工作过程
◆基本的数量关系 ☞负载电压有效值Uo
Uo
1
(
2U1 sin wt)2 d (wt)
U1
1 sin 2 sin(2 2 )
2
(6-8)
☞晶闸管电流有效值IVT
图6-3 单相交流调压电路以 为 参变量的和关系曲线
I VT
1
2
2U1 Z
sin(wt
)
sin(
wt
)e tg
2
d(w t )
U1 sin cos(2 )
(6-9)
2 Z
c os
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6.1.1 单相交流调压电路
☞负载电流有效值Io ☞晶闸管电流IVT的标么值
式中Z R2 (wL)2
Io 2IVT
I VTN I VT
Z 2U1
◆工作原理 ☞用V1，V2进行斩波控制，用V3，u1
V2 VD2
V3
VD4
R
uo
VD3 V4 L
V4给负载电流提供续流通道。
☞设斩波器件（V1，V2）导通时
图6-7 斩控图 式4交-7流调压电路
间为ton，开关周期为T，则导通比
=ton/T ，通过改变来调节输出电压。
◆电源电流的基波分量是和电源电
压同相位的，即位移因数为1，电源电
◆电流基波和各次谐波标么值随变化的曲线，如图 6-6所示，其中基准电流为=0时的电流有效值。 ◆阻感负载时
☞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。 ☞当角相同时，随着阻抗角的增大，谐波含量 有所减少。
不流过零线，3的整数倍次谐波是同相位的， 不能在各相之间流动，全部流过零线。
☞当=90°时，零线电流甚至和各相电流
的有效值接近。
◆三相三线带电阻负载时的工作原理
☞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。
图6-9 a)星形联结
☞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°。
1)
n
1 sin(n 1
1)
(n=3,5,7,…)
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6.1.1 单相交流调压电路
基波和各次谐波的有效值可按下式求出
Uon
1 2
an2 bn2
负载电流基波和各次谐波的有效值为
(n=1,3,5,7,…)
(6-13)
Ion Uon / R
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第6章 交流交流变流电路
6.1 交流调压电路 6.2 其他交流电力控制电路 6.3 交交变频电路 6.4 矩阵式变频电路
本章小结
引言
■交流-交流变流电路：把一种形式的交流变成另一种形式 交流的电路。
■交流-交流变换电路可以分为直接方式（即无中间直流环 节）和间接方式（有中间直流环节）两种。
2 10
0.8
13.55(A)
Iin I0 2IVT 19.16(A)
Pin
I
2 inΒιβλιοθήκη Baidu
R
2937
(W )
Pin 2937 0.697
U1Io 220 19.16
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6.1.1 单相交流调压电路
■单相交流调压电路的谐波分析 ◆带电阻负载时，对负载电压uo进行谐波分析
0.6
2 U1 2 M
O M
电源周期
uo,io
3 M
u1
4 M
控制周期 =M倍电源周期 =2
In/I0m
0.5 0.4 0.3
wt 0.2
0.1
0 2 4 6 8 10 12 14
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6.1.2 三相交流调压电路
☞把相电压过零点定为开通角的起
点，三相三线电路中，两相间导通时
是靠线电压导通的，而线电压超前相
电压30°，因此角的移相范围是
0°~150°。 ☞根据任一时刻导通晶闸管个数以及 半个周波内电流是否连续可将 0°~150°的移相范围分为如下三段
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6.1.2 三相交流调压电路
√90°≤<150°范围内，电路处于
两个晶闸管导通与无晶闸管导通的交
替状态，每个晶闸管导通角度为
300°-2，而且这个导通角度被分割
为不连续的两部分，在半周波内形成
两个断续的波头，各占150°-。
☞谐波分析
√电流谐波次数为6k±1(k=1，2，
3，…)。
√谐波次数越低，含量越大。
图6-10 不同角时负载相电压波形 c)=120°
√和单相交流调压电路相比，没有
3倍次谐波，因为三相对称时，它们
不能流过三相三线电路。
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6.1.2 三相交流调压电路
■支路控制三角联结电路 ◆由三个单相交流调压电路组成，分
6.1.1 单相交流调压电路
VT1
◆的移相范围为0≤≤，随着的增大，Uo 逐渐降低，逐渐降低。
■阻感负载
◆工作过程
☞若晶闸管短接，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。
☞设负载的阻抗角为 tg1(wL / R)，稳态
时的移相范围应为≤≤。
解：负载阻抗及负载阻抗角分别为：
Z
R2
X
2 L
10
arctan(X L ) arctan(6) 0.6435 36.87
R
8
因此开通角的变化范围为：
即 0.6435
①当=/6时，由于<,因此晶闸管调压器全开放，输出电压为完整 的正弦波，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为
Iin
In/I*/%
(6-14)
100
80
基波
60
40
3次
20
5次
7次
0 60 120 180
触发延迟角/( °) 图6-6 电阻负图载4单-6相交流调 压电路基波和谐波电流含量
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6.1.1 单相交流调压电路
■斩控式交流调压电路
VD1 V1 i1
√0°≤<60°范围内，电路处于三
个晶闸管导通与两个晶闸管导通的交
替状态，每个晶闸管导通角度为
180°-,但=0°时是一种特殊情况，
一直是三个晶闸管导通。
√60°≤<90°范围内，任一时刻都
是两个晶闸管导通，每个晶闸管的导 通角度为120°。
图6-10 不同角时负载相电压波形 a)=30° b)=60°
(6-10) (6-11)
图6-4 单相交流调压电路为参变量时IVTN和关系曲线 8/53
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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
O u
V
T
2
wt
IVT
1 2
2U1 s R
in
wt
dwt U1
R
1 (1 sin 2 ) 2 2
(6-3)
O
wt
☞功率因数
图6-1 电阻负载单相交 流调压电路及其波形
P U o I o U o 1 sin 2
S U1I o U1 2
(6-4)
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e sin( 0.6435) sin( 0.6435)
tan
3
3
解上式可得晶闸管导通角为：
2.727 156.2
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6.1.1 单相交流调压电路
IVT
U1
2 Z
sin cos(2 ) cos
220 2.727 sin 2.727 cos(2 3 0.6435 2.727 )
通时间渐长。
u1
O
wt
iG1
O
iG2
O io
iT1
wt wt
O
wt
iT2
图6-5 <时阻感图负4载-5交流调压电路工作波形
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6.1.1 单相交流调压电路
◆例6-1 一单相交流调压器，输入交流电压为220V，50Hz，负载为电阻电感， 其中R=8Ω，XL=6Ω 。试求=/6、/3时的输出电压、电流有效值及输入功率 和功率因数。
流中不含低次谐波，只含和开关周期
T有关的高次谐波，这些高次谐波用
很小的滤波器即可滤除，这时电路的
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
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6.1.2 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。
☞在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1和 VT2的开通角进行控制就可以调节输出电压。
◆基本的数量关系
u1
☞负载电压有效值Uo
O
wt
Uo
1
2U1 sinwt 2 dwt U1
1 sin 2
2
(6-1)
uo O
☞负载电流有效值Io
wt
Io
Uo R
(6-2)
io
☞晶闸管电流有效值IVT
I0
220 Z
22( A)
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6.1.1 单相交流调压电路
Pin
I
2 in
R
3872 (W )
功率因数为
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 时，先计算晶闸管的导通角，由式（6-7）得 3
■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。 ◆变频电路：改变频率的电路。
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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
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图6-9 三相交流调压电路 a)星形联结 b)支路控制三角形联结 c)中点控制三角形联结
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6.1.2 三相交流调压电路
■星形联结电路
◆分为三相三线和三相四线两种情况。
◆三线四相
☞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，
通角，即
sin( ) sin( )e tg (6-7)
图6-2 阻感负载单相交流 调压电路及其波形
6/53
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6.1.1 单相交流调压电路
以为参变量，利用式(6-7)可以把和 的关系用图6-3的一簇曲线来表示。
图6-9 三相交流调压电路 b)支路控制三角形联结
20/53
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6.2 其他交流电力控制电路
6.2.1 交流调功电路 6.2.2 交流电力电子开关
21/53
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6.2.1 交流调功电路
uo
导通段
=
2N M
式中
an
uo (wt) (an cos nw t bn sin nw t) n 1, 3,5,
(6-12)
a1
2U1 (cos 2 1) 2
b1
2U1 sin 2 2( )
2
2U1
n
1
1
cos(n
1)
1
n
1
1
cos(n
1)
1
(n=3,5,7,…)
bn
2U1
n
1
1
sin(n
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。
◆谐波分析
☞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)。
☞在相同负载和角时，线电流中谐
波含量少于三相三线星形电路。
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。
■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。
4/53
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6.1.1 单相交流调压电路
■电阻负载
◆工作过程
◆基本的数量关系 ☞负载电压有效值Uo
Uo
1
(
2U1 sin wt)2 d (wt)
U1
1 sin 2 sin(2 2 )
2
(6-8)
☞晶闸管电流有效值IVT
图6-3 单相交流调压电路以 为 参变量的和关系曲线
I VT
1
2
2U1 Z
sin(wt
)
sin(
wt
)e tg
2
d(w t )
U1 sin cos(2 )
(6-9)
2 Z
c os
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6.1.1 单相交流调压电路
☞负载电流有效值Io ☞晶闸管电流IVT的标么值
式中Z R2 (wL)2
Io 2IVT
I VTN I VT
Z 2U1
◆工作原理 ☞用V1，V2进行斩波控制，用V3，u1
V2 VD2
V3
VD4
R
uo
VD3 V4 L
V4给负载电流提供续流通道。
☞设斩波器件（V1，V2）导通时
图6-7 斩控图 式4交-7流调压电路
间为ton，开关周期为T，则导通比
=ton/T ，通过改变来调节输出电压。
◆电源电流的基波分量是和电源电
压同相位的，即位移因数为1，电源电
◆电流基波和各次谐波标么值随变化的曲线，如图 6-6所示，其中基准电流为=0时的电流有效值。 ◆阻感负载时
☞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。 ☞当角相同时，随着阻抗角的增大，谐波含量 有所减少。
不流过零线，3的整数倍次谐波是同相位的， 不能在各相之间流动，全部流过零线。
☞当=90°时，零线电流甚至和各相电流
的有效值接近。
◆三相三线带电阻负载时的工作原理
☞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。
图6-9 a)星形联结
☞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°。
1)
n
1 sin(n 1
1)
(n=3,5,7,…)
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6.1.1 单相交流调压电路
基波和各次谐波的有效值可按下式求出
Uon
1 2
an2 bn2
负载电流基波和各次谐波的有效值为
(n=1,3,5,7,…)
(6-13)
Ion Uon / R
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第6章 交流交流变流电路
6.1 交流调压电路 6.2 其他交流电力控制电路 6.3 交交变频电路 6.4 矩阵式变频电路
本章小结
引言
■交流-交流变流电路：把一种形式的交流变成另一种形式 交流的电路。
■交流-交流变换电路可以分为直接方式（即无中间直流环 节）和间接方式（有中间直流环节）两种。
2 10
0.8
13.55(A)
Iin I0 2IVT 19.16(A)
Pin
I
2 inΒιβλιοθήκη Baidu
R
2937
(W )
Pin 2937 0.697
U1Io 220 19.16
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6.1.1 单相交流调压电路
■单相交流调压电路的谐波分析 ◆带电阻负载时，对负载电压uo进行谐波分析
0.6
2 U1 2 M
O M
电源周期
uo,io
3 M
u1
4 M
控制周期 =M倍电源周期 =2
In/I0m
0.5 0.4 0.3
wt 0.2
0.1
0 2 4 6 8 10 12 14
17/53
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6.1.2 三相交流调压电路
☞把相电压过零点定为开通角的起
点，三相三线电路中，两相间导通时
是靠线电压导通的，而线电压超前相
电压30°，因此角的移相范围是
0°~150°。 ☞根据任一时刻导通晶闸管个数以及 半个周波内电流是否连续可将 0°~150°的移相范围分为如下三段
18/53
中国矿业大学（北京）电力电子技术研究中心(PERC)
6.1.2 三相交流调压电路
√90°≤<150°范围内，电路处于
两个晶闸管导通与无晶闸管导通的交
替状态，每个晶闸管导通角度为
300°-2，而且这个导通角度被分割
为不连续的两部分，在半周波内形成
两个断续的波头，各占150°-。
☞谐波分析
√电流谐波次数为6k±1(k=1，2，
3，…)。
√谐波次数越低，含量越大。
图6-10 不同角时负载相电压波形 c)=120°
√和单相交流调压电路相比，没有
3倍次谐波，因为三相对称时，它们
不能流过三相三线电路。
19/53
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6.1.2 三相交流调压电路
■支路控制三角联结电路 ◆由三个单相交流调压电路组成，分
6.1.1 单相交流调压电路
VT1
◆的移相范围为0≤≤，随着的增大，Uo 逐渐降低，逐渐降低。
■阻感负载
◆工作过程
☞若晶闸管短接，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。
☞设负载的阻抗角为 tg1(wL / R)，稳态
时的移相范围应为≤≤。
解：负载阻抗及负载阻抗角分别为：
Z
R2
X
2 L
10
arctan(X L ) arctan(6) 0.6435 36.87
R
8
因此开通角的变化范围为：
即 0.6435
①当=/6时，由于<,因此晶闸管调压器全开放，输出电压为完整 的正弦波，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为
Iin
In/I*/%
(6-14)
100
80
基波
60
40
3次
20
5次
7次
0 60 120 180
触发延迟角/( °) 图6-6 电阻负图载4单-6相交流调 压电路基波和谐波电流含量
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6.1.1 单相交流调压电路
■斩控式交流调压电路
VD1 V1 i1
√0°≤<60°范围内，电路处于三
个晶闸管导通与两个晶闸管导通的交
替状态，每个晶闸管导通角度为
180°-,但=0°时是一种特殊情况，
一直是三个晶闸管导通。
√60°≤<90°范围内，任一时刻都
是两个晶闸管导通，每个晶闸管的导 通角度为120°。
图6-10 不同角时负载相电压波形 a)=30° b)=60°
(6-10) (6-11)
图6-4 单相交流调压电路为参变量时IVTN和关系曲线 8/53
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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
O u
V
T
2
wt
IVT
1 2
2U1 s R
in
wt
dwt U1
R
1 (1 sin 2 ) 2 2
(6-3)
O
wt
☞功率因数
图6-1 电阻负载单相交 流调压电路及其波形
P U o I o U o 1 sin 2
S U1I o U1 2
(6-4)
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e sin( 0.6435) sin( 0.6435)
tan
3
3
解上式可得晶闸管导通角为：
2.727 156.2
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6.1.1 单相交流调压电路
IVT
U1
2 Z
sin cos(2 ) cos
220 2.727 sin 2.727 cos(2 3 0.6435 2.727 )
通时间渐长。
u1
O
wt
iG1
O
iG2
O io
iT1
wt wt
O
wt
iT2
图6-5 <时阻感图负4载-5交流调压电路工作波形
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6.1.1 单相交流调压电路
◆例6-1 一单相交流调压器，输入交流电压为220V，50Hz，负载为电阻电感， 其中R=8Ω，XL=6Ω 。试求=/6、/3时的输出电压、电流有效值及输入功率 和功率因数。
流中不含低次谐波，只含和开关周期
T有关的高次谐波，这些高次谐波用
很小的滤波器即可滤除，这时电路的
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
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6.1.2 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。
☞在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1和 VT2的开通角进行控制就可以调节输出电压。
◆基本的数量关系
u1
☞负载电压有效值Uo
O
wt
Uo
1
2U1 sinwt 2 dwt U1
1 sin 2
2
(6-1)
uo O
☞负载电流有效值Io
wt
Io
Uo R
(6-2)
io
☞晶闸管电流有效值IVT
I0
220 Z
22( A)
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6.1.1 单相交流调压电路
Pin
I
2 in
R
3872 (W )
功率因数为
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 时，先计算晶闸管的导通角，由式（6-7）得 3
■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。 ◆变频电路：改变频率的电路。
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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
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图6-9 三相交流调压电路 a)星形联结 b)支路控制三角形联结 c)中点控制三角形联结
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6.1.2 三相交流调压电路
■星形联结电路
◆分为三相三线和三相四线两种情况。
◆三线四相
☞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，