第六章 AC-AC变换
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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。
第6章DC-AC变换技术
由于D2、D3(或D1、D4)续流，电压形成一个与导通期间伏秒积相等的负(正)的面积。如果Q1和Q4（Q2和Q3）导通时间超过Ts/4，波形导通时间变化的影响。由此可见，全桥逆变器在感性负载时不宜采用双极性控制方式。 vAB的有效值和瞬时值为： ——为输出电压角频率。 当n=1时，其基波分量的有效值为： 显然当电源电压和负载不变时，其输出功率是半桥电路的4倍。
图6-6 逆变器输出瞬时电压和电流曲线
图6-7 四象限工作情况
图6-8 反并联二极管
3 、逆变器波形指标 实际逆变器的输出波形总是偏离理想的正弦波形，含有谐波成分，为了评价输出波形的品质质量，从电压角度引入下述几个参数指标： 1）谐波因子（Harmonic Factor） 第n次谐波因子HFn定义为第n次谐波分量有效值同基波分量有效之值比，即 2）总谐波（畸变）因子THD (Total harmonic distortion factor) 该参数表征了一个实际波形同基波分量的接近程度。输出为理想正弦波的THD为零。 3）畸变因子（Distortion factor） 总谐波因子指示了总的谐波合量，但它并不能告诉我们每一个谐波分量的影响程度，畸变因子定义： 对于第次谐波的畸变因子定义如下：
图6-13 方波逆变器输出频谱
因此，我们得出方波逆变器输出的频谱图，如图6-13所示，并有以下结论： （1）方波逆变器输出的方波谐波幅度随着n的增加而减小，其减小系数为1/n； (2)偶次谐波不存在； (3)最低次谐波为3次谐波； (4)由于基波和谐波频率差较小，低通滤波器设计相当困难。 图6-14为方波的各次谐波时域图。
图6-12 全桥电路移相控制方式的工作过程
3傅立叶级数、方波逆变器输出谐波 1)傅立叶级数 傅立叶级数是研究和分析波形形状的工具。为了分析方便，把傅立叶级数的基本定义、概念叙述如下。 在实际问题中，除了正弦函数外，还会遇到许多非正弦的周期函数，为了研究非正弦的周期函数，将周期函数展开成由三角函数组成的级数，即将周期为 的周期函数用一系列三角函数 之和来表示： 其中 都是常数。
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。
电力电子技术基础 第6章 AC-AC变换-交流调压和交交变频器
图6-1 单相交流调压电路（电阻式负载）
第6章 AC/AC变换——交流调压和交交变频器
u1
2、单相交流调压电路 （阻感式负载）
0j a
p
2p
wt
波形与工作原理
VT1
i0
VT2
R i2
~u1
u0
L
uG uG1
uG2
0
wt
u0
0j a
p
p+ a
wt
i00wtqFra bibliotekuVT
0
wt
图6-2 阻感负载电路波形
第6章 AC/AC变换——交流调压和交交变频器
电力电子技术课程讲座
第6章 AC/AC变换——交交变流电路 6.1 概述
交流-交流变流电路（AC/AC Converter）即把一种形式的交流变成另一种形式 交流的电路。在进行AC-AC变流时，可改变相应的电压(电流)、频率和相数等。
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。
+
p
a p
第6章 AC/AC变换——交流调压和交交变频器
2、单相交流调压电路 （电阻式负载）
1.0
功率因数 λ
0.8
P U0I0 U0 sin 2a + p a
S U1I0 US
2p
p
✓ α越大，输出电压越低，功率因数也越低。 ✓ 移相范围： ✓ 图中输出电压虽是交流，但不是正弦波，没有偶次谐
O
✓
时刻，开通VT2，此时i2流过负载，u0 = u1；
✓在
期间，无VT通，由相应的VT承担u0电压，u0 = 0。
p+a
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
( 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
第6章_AC-AC变换
--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 )
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
作用：代替机械开关，接通和断开电路 优点：响应速度快，无触点，寿命长，
可频繁控制通断
与交流调功电路的区别
– 并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 电路接通和断开 – 控制频度通常比交流调功电路低得多
交流电子开关应用
无 功 补 偿 装 置 — 晶 闸 管 投 切 电 容 器 （ TSC ： Thyristor Switched Capcitor）中利用晶闸管实现补偿电容的投入与切 除，实现输入功率因数在期望值附近。
三相交流调压-三角形联接
三角形联接（ D 联接）
负载上的电压 为线电压
三相四线联接、三角形联接三相交流调压可看作是三个单 相交流调压电路的组合,可仿照单相交流调压方法进行控制.
三相交流调压-三相三线联接
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 )
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
作用：代替机械开关，接通和断开电路 优点：响应速度快，无触点，寿命长，
可频繁控制通断
与交流调功电路的区别
– 并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 电路接通和断开 – 控制频度通常比交流调功电路低得多
交流电子开关应用
无 功 补 偿 装 置 — 晶 闸 管 投 切 电 容 器 （ TSC ： Thyristor Switched Capcitor）中利用晶闸管实现补偿电容的投入与切 除，实现输入功率因数在期望值附近。
三相交流调压-三角形联接
三角形联接（ D 联接）
负载上的电压 为线电压
三相四线联接、三角形联接三相交流调压可看作是三个单 相交流调压电路的组合,可仿照单相交流调压方法进行控制.
三相交流调压-三相三线联接
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
第六章 光伏发电系统中的电能变换技术
a)
b)
• 因此，为减少DC-AC变换时的交流输出谐波，可以考虑采 用方波变换叠加以增加输出交流波形的输出电平数 。
2. 阶梯波变换方式
• 由于这种多电平输出的交流波形形似阶梯波形，因此采 用方波叠加的DC-AC变换方式成为交流阶梯波变换。
u Um
U5 '
阶梯波
U4'
U3 '
正弦波
π
U2'
o
U1 '
第六章 光伏发电系统中的电能 变换技术
2012.5
太阳能发电系统的控制
• • • • 光伏发电系统所发出的电能为直流电能； 供电稳定性相对较差； 光伏电压受光照等环境影响； 独立光伏系统配置蓄电池等储能装置；
Hale Waihona Puke 两大任务：控制和变换控制器 太阳能电池阵列 － ＋ 蓄电池组
电力电子 变换器
负载
直流负载
DC/AC逆变器
电抗器
电网
～
DC/DC变换器
太阳能电池阵列 蓄电池
驱动电路
变压器
PWM控制器
MPPT工作原理
MPPT本质上是一个寻优过程。通过测量电压、电流和 功率，比较它们之间的变化关系，决定当前工作点与峰值点 的位置关系，然后控制电流（或电压）向当前工作点与峰值 功率点移动，最后控制电流（或电压）在峰值功率点附近一 定范围内来回摆动。
• 占空比δ及时间比率控制法“TRC方法”
ton ——开关S的导通时间； toff ——开关S的关断时间； Ts＝ton＋toff ——变换电路周期；
δ—— 变换电路的工作率或占空比。
=
ton Ts
• 脉冲宽度调制方式：改变 ton，Ts不变；
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
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
电力电子 AC-AC变换
有效功率 1150 功率因数＝ ＝ 0.707 视在功率 230 7.07
注：在 min 的非正弦电流工作情况下，功率因 数将小于基波相移因数。
AC/AC
*6.2.3 PWM交流电压控制器
优点：输出 电压谐波 含量少
S1~S4:自关断功率器件
S3,S4: 负载续流开关
AC/AC
（f）晶闸管电流的标么值 I T 与控制角 的关系曲线
*
* IT IT /
2VS Z 1 IT Z 2VS 2
sin cos(2 ) 2 2 cos
AC/AC
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。
三相交流调压电路
a) 星形联结
AC/AC
三相三线，主要分析阻负载时的情况
任一相导通须和另一相构成回路。 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T1~ T6,依次相差60°。 相电压过零点定为 的起点， 角移相范 围是0°~ 150°。
6.3 三相全波交流电压控制器
6.3.1
三相星形联结交流电压控制器
6.3.2
三相开口三角形交流电压控制器
AC/AC
6.3.1 三相Y联结电压控制器
可分为三线三相和三线四相 三线四相
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。
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
AC与AC变换电路
12.1.2 三相相位控制的交流调压电路
1、Y连接三相交流调压电路
（3）负载电压波形 首先介绍波形分析中的波形绘制方法，好的波形绘制方法有助于电 路的波形分析。 ①先画出三相电源电压波形，由于晶闸管VT1，VT3，VT5的共阳极 与三相电源 相连，故在对应的该相电源正半周有可能导通，因此分别在 图12.10（a）中标明晶闸管与三相电源的对应关系。同理，VT4，VT6， VT2分别与三相电源 负半周对应。 ②按触发信号的相位条件和脉冲宽度条件画出触发脉冲波形，如图 12.10（b）所示。晶闸管的导通区间与电路工作状态有关。 ③由于某相负载电压只有三种情况，故画出与该相负载对应的相电 压、线电压波形。如图12.10（c）所示，为分析a相负载电压波形时，画 出 波形轮廓线。 ④这样按区间，根据触发信号、晶闸管导通情况，在 波形轮廓线上 直接描绘出负载电压波形，如图12.10（d）所示。
12.1.2 三相相位控制的交流调压电路
1、Y连接三相交流调压电路
（1）若使电路正常 工作，触发信号应 当满足的要求
②脉宽条件 Y连接时的三相中 至少要有两相导通， 才能构成电流通路， 因此单窄脉冲是无法 启动三相交流调压电 路的。为了保证起始 工作电流的流通，并 在控制角较大、电流 不连续的情况下仍能 按要求使电流流通，触发信号应采用大于600的宽脉冲（或脉冲列)，或 者采用间隔为600的双窄脉冲。
AC/AC变换电路
12.1 交流调压电路 12.2 交流电力控制电路 12.3 交-交变频电路 12.4 矩阵变频电路
AC/AC变换是一种将交流电能幅值或频率直接加以转换 的交流----交流电力变换技术。
只改变交流电压大小或仅对电路实现通断而不改变频率 的控制，称为交流调压 交流调功，也称交流开关控制。交流 开关控制技术广泛应用于交流电动机的调压调速、降压启动、 调温、调光以及电气设备的交流无触点开关等。
AC-AC变换器解析
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
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 =
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。
（ 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。
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：
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：
第六章 AC-AC变换器
6.2 交流调压电路
• 交流调压就是把固定的交流电变成幅值（有效值）可调的交 流电。利用自耦变压器可以实现这一目的，输入输出电压波 形如下图所示。 • 自耦变压器需要通过手动或电动机拖动调节碳刷位置来达到 调节输出电压的目的,同时需要经常更换碳刷且为有级调节
ui 0 uo 0
t
t
6.2 交流调压电路
6.2.1 相控交流调压电路－单相
阻感负载 • 工作原理：
VT2
u 0
t
uo
~u
VT1
uo
L R
0
t
io 0
t
6.2.1 相控交流调压电路－单相
1、交流调压电路
~u
VT2
• 阻感负载时的工作过程分析
L
1.1 相控交流调压电路 u VT
1
o
在ωt =α时刻开通VT1，负载电流满足
t
t
– 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
1 sin 2 2
1 Uo
2U 1 sin t d t U 1
2
P UoIo Uo S U1I o U1
1 sin 2 2
VT2
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。
u 0
~u
VT1
uo
L R
t
180 140
ug1 0 ug2 0
90 ° = ° 75 ° 60 ° 45 0 ° 3 ° 15 0°
/(° )
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O u
VT
t
O
t
图4-2 电阻负载单相交流调压电路及其波形
AC/AC
（1） <
j 时电路工作情况。
T1的导通时间超过π 。 触发T2时， io尚未过 零， T1仍导通， T2 不会导通。io过零后， T2才可开通，T2导通 角小于π。 衰减过程中， T1导通 时间渐短， T2的导通 时间渐长。
u
0
VA
VB
VC
t
1200
I II III
a=120 ° : 两相间断导电， 导电角 小于120°。
V AN VBN N VCN T1 T4 T3
T6 T5
T1
T2
R
T3
T4
R
T5 T6
u
R
VCB
V AB
V AC
iA
T2
V AB 2R V AC 2R
(a) 电路
0
t
150
0
a=150 ° : 完全不能导电。
vs 2Vs sin t
is
R
(a) 电路
vs
Z ( L) 2 R 2
arctan L / R
O
v ,i ,i
O S
均为正弦波
2
iT1
0
t
2
时，同
iT4
is。Biblioteka vsA(c)电流连续电感性负载波形 vo
VA
VB
VC
VBC
N
t
VAB
B
控制角 a=0，三相同时导电， 180°导电 。
(c ) 0
(b)矢量图
0°≤ a <60°：三管导通与两管导通交替，每管导通 180°－a 。但a =0°时一直是三管导通。
AC/AC
u
a=60 ° 两相同时导电， 120°导电
V AN VBN N VCN T1 T4 T3
AC/AC
VAN VBN
N
T1 T4 T3 T6 T5 T2
C
R
R
六个晶闸管T1－T6的触发信号依序相差60°， 脉宽大于60 °，各相电源由负变正的过零点为 控制角 计算起点
晶 T1 T1 闸 T2 T2 管 T3 导 通 T4 区 T5 T5 间 T6 T6
VCN
R
(a) 电路
VCA
V
A
0
AC/AC
6.2.2 电阻、电感性负载
T1
负载阻抗角： j = arctan(L / R) 若晶闸管短接，稳态时负载 电流为正弦波，相位滞后于us 的角度为j ，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。
u
us u
1
O 0.6
t
uG1
O
G2
G1
u
t
O u
t
o
O i
o
t
=0时刻仍定为us过零的 时刻， 的移相范围应为j ≤ ≤ π。
2 Pmax RIO 23 7.072 1.15 103W
有效功率 1150 功率因数＝ ＝ 0.707 视在功率 230 7.07
注：在 min 的非正弦电流工作情况下，功率因 数将小于基波相移因数。
AC/AC
*6.2.3 PWM交流电压控制器
优点：输出 电压谐波 含量少
(e) a 1200
AC/AC
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。
AC/AC
工作状态小结： （1） a＜30°：处于第一类工作状态（三相同时导电）。 （2）30°＜ a ＜60°：每隔30°交替地出现第一类和第二类 工作状态。 （3） 60 °< a <90 °：处于第二类工作状态（两相同时导电） （4） 90°< a <150°：交替处于第一类工作状态和断流状态。 （5） a > 150 °电路全断流，不能工作。 所以电阻负载控制角a 的调控范围为： 0 °~ 150 ° 三相阻感性负载，分析方法与单相电路相同。
IT
2 IT
VS Z
sin cos(2a ) cos
* I T 与控制角 的关系曲线 （f）晶闸管电流的标么值
* IT IT /
2VS Z
Z 2VS
IT
1 2
sin cos(2 ) 2 2 cos
AC/AC
AC/AC
6.2 单相交流电压控制器
6.2.1
电阻负载
6.2.2
*6.2.3
电阻、电感性负载
PWM交流电压控制器
AC/AC
6.2.1 电阻负载
输出电压与 α 的关系: 移相范围为0≤ ≤π。 =0时，输出电压为最大 。 Uo=Us, 随 的增大，Uo降低， =π时， Uo =0。 λ 与 的关系:
三相交流调压电路
a) 星形联结
AC/AC
三相三线，主要分析阻负载时的情况
任一相导通须和另一相构成回路。 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T1~ T6,依次相差60°。 相电压过零点定为 的起点， 角移相范 围是0°~ 150°。
1 a IT 2 a
2VS 2 ( ) [sin( t ) sin(a )e Z
] d ( t )
VS
sin cos(2a ) cos 2Z
I O 2 IT
VS Z
sin cos(2 ) cos
S1~S4:自关断功率器件
S3,S4: 负载续流开关
AC/AC
6.3 三相全波交流电压控制器
6.3.1
三相星形联结交流电压控制器
6.3.2
三相开口三角形交流电压控制器
AC/AC
6.3.1 三相Y联结电压控制器
可分为三线三相和三线四相 三线四相
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。
0
v s 2Vs sin t
A
vo
0
v0 R
B
vo
C
t
io
2
t
AC/AC
6.2.1 电阻负载（续）
表6.1 不同触发角
时基波
V1m 和3~15次谐波电压(电流)的相对值
AC/AC
基波及谐波分布图
电阻负载、不同触发角α时基波及谐波幅值分布图
us O uo O
t
t
增大，输入电流滞后于电压
且畸变，λ 降低。
=0时，功率因数λ =1，
i
o
u
O
V T
t
O
t
电阻负载单相交流调压电路及其波形
AC/AC
iT1
T1 ig1
is
io
1 1 V0 ( 2VS sin t ) 2 d ( t ) VS sin 2a 2
vs
AC/AC
(3)
diT 1 dt
]
0
A
(c)电流连续电感性负载波形 vo
iT1
αφ
t
v0 v S 2VS sin t RiT 1 L
iT 1 2VS [sin( t ) sin(a )e Z
iT 4
2
(2)
min arctan L
R arctan 23 23 4
； max
min 时，最大电流有效值 I O 为：
IO V 230 7.07A [ R 2 ( L) 2 ]1/ 2 [232 232 ]1/ 2
(3) 最大功率 ( min 时 )
AC/AC
6.1.3 无中线的三相连接 is
V'
输入电流中没有3 次及3的倍数次谐 波电流
（c） 无中线的三相联接
AC/AC
6.1.4 三角形联结的控制器
A
v
AN
i i
A
Z
L
T
B
1
N
B
T
Z
L
4
T
T
6
2
v
T
Z
C
L
5
BN
只适用 于允许 断开6根 出线端 子的三 角形负 载
i
v
CN
C
T
3
(d) Δ联接的控制器
两个 反并联 开关器件
通态时： 断态时：
vO (t ) vS (t )
vO (t ) 0
AC/AC
6.1.2 带中线星形联结
三个单相 交流电压 控制器可 组合成带 中线的三 相交流电 压控制器
is
T1 T4
T3 T6 T5
V
T2
（b） 带中线星形联接
缺点 中线电流大
90 时，中线电流约等于相电流