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。

相位控制方法简单，能连续调节输出电压大小。

但输出电压波形非正弦，含有丰富的低次谐波，在异步电机调压调速应用中会引起附加谐波损耗，产生脉动转矩等。

（3）斩波控制斩波控制利用脉宽调制技术将交流电压波形分割成脉冲列，改变脉冲的占空比即可调节输出电压大小。

斩波控制输出电压大小可连续调节，谐波含量小，基本上克服了相位及通断控制的缺点。

由于实现斩波控制的调压电路半周内需要实现较高频率的通、断，不能采用晶闸管，须采用高频自关断器件，如GTR、GTO、MOSFET、IGBT等。

实际应用中，采取相位控制的晶闸管型交流调压电路应用最广，本章将分别讨论单相及三相交流调压电路。

6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路原理图如图6-1所示，其工作情况与负载性质密切相关。

1．电阻性负载纯电阻负载时交流调压电路输出电压、输出电流波形如图6-3所示。

电路工作过程是：在电源电压正半周、移相控制角时刻，触发导通晶闸管VT1，使正半周的交流电压施加到负载电阻上，电流、电压波形相同。

当电压过零时，VT1因电流为零而关断。

在控制角为时触发导通VT2，负半周交流电压施加在负载上，当电压再次过零时，VT2因电流为零而关断，完成一个周波的对称输出。

当时，输出电压最大；当时。

改变控制角大小可获得大小可调的交流电压输出，其波形为“缺块”正弦波。

正因为电压波形有缺损，才改变了输出电压有效值，达到了调压的目的，但也因波形非正弦带来了谐波问题。

交流输出电压有效值U与控制角的关系为（6-1）式中为输入交流电压的有效值。

负载电流有效值为，则交流调压电路输入功率因数为（6-2）对图6-3所示电阻负载下输出电压进行谐波分析。

由于正、负半波对称，频谱中将不含直流及偶次谐波，其富里叶级数表示为（6-3）式中图6-4 电阻负载下单相交流调压输出电压谐波比例基波和各次谐波电压有效值为（6-4）根据式（6-4），可以绘出基波和各次谐波电压标么值随控制角的变化曲线，其电压基值取为。

可以看出，随增大，波形畸变严重，谐波含量增大。

由于电阻负载下电流、电压同相位，图6-4关系也适合于电流谐波分析。

综上所述，单相交流调压电路带电阻性负载时，控制角移相范围为，晶闸管导通角，输出电压有效值调节范围为，可以采用单窄脉冲实现有效控制。

2.电感—电阻性负载单相交流调压电路带电感—电阻性负载及各处波形如图6-5所示。

由于电感的储能作用，负载电流会在电源电压过零后再延迟一段时间后才能降为零，延迟的时间与负载的功率因数角有关。

晶闸管的关断是在电流过零时刻，因此，晶闸管的导通时间不仅与触发控制角有关，还与负载功率因数角有关，必须根据与的关系分别讨论。

为分析方便，将VT1导通时刻取作时间坐标的原点，这样电源电压可以表达为（6-5）在VT1导通的角范围内，可写出电路方程（6-6）在初始条件下，方程解为（6-7）图6-5 电感—电阻负载时，单相交流调压电路（a ）及电压、电流波形（b ）式中， 是负载电流的稳态分量，它滞后于电压一个功率因数角 ； 为以时间常数衰减的自由分量，其初始值与有关；波形如图6-5中所示。

由于 时 ，代入这个边界条件可得（6-8）这是一个关于的超越方程，表达了导通角的关系。

由于时意味负载电流 连续，时意味 断续，因此也表达了电流连续与否的运行状态。

根据大小关系， 角或电路运行状态不同。

1)当时，利用作参变量，可得不同负载特性下曲线族；如图6-6所示。

对于任一阻抗角 的负载，当时；当至逐步减小时（不包括这个点）， 逐步从零增大到接近 ，负载上电压有效值也从零增大到接近 ，负载电流 断续，输出电压 为缺块正弦波，电路有调压功能，如图6-7（a ）所示。

2）当时， 电流中只有稳态分量，电流正弦、连续，。

电路一工作便进入稳态， ，输出电压波形正弦，调压电路不起调压作用，处于“失控”状态。

此时关系如图6-6中的孤立点所示，波形如图6-7（b ）所示。

3) 当且采用窄脉冲触发时，由式（6-8）可解出，即每个晶闸管导通时间将超过半周期。

由于反并联的两晶闸管触发脉冲相位严格互差180º，故在到来时VT1仍在导通，其管压降构成对VT2的反向阳极电压，VT2不能导通。

而当VT1关断后虽使VT2反偏电压消失，但的窄脉冲也已消失，VT2仍不能导通，造成各个周期内只有同一个晶闸管VT1导通的“单管整流”状态，输出电流为单向脉冲波，含有很大直流分量，如图6-7（c）所示。

这会对电机、电源变压器之类小电阻、大电感性能负载带来严重危害，此时应考虑改用宽脉冲触发方式。

图6-6 时关系图6-7 不同时波形4）当且采用宽脉冲触发时，特别是采用后沿固定、前沿可调、最大宽度可达180º的脉冲列触发时，可以保证反并联的两晶闸管均可靠导通，电流波形连续，如图6-7（d）所示。

与时不同的是无论触发角多大，晶闸管均在处导通。

由于电流连续，无电压调节功能，也处于“失控”状态。

综上所述，交流调压器带电感—电阻负载时，为使电路工作正常，需保证：1）；2）采用宽度大于60º的宽脉冲或后沿固定、前沿可调、最大宽度可达180º的脉冲列触发。

图6-8 当时，与关系[例]一个交流单相晶闸管调压电路，用以控制送至电阻、电抗的阻-感负载上的功率。

设电源电压有效值，晶闸管电流有效值标么值和移相触发角、负载功率因数角之间关系如图6-8所示。

试求1）移相控制范围；2）负载电流最大有效值；3）最大功率和功率因数；4）当时，晶闸管的有效值、导通角及电源侧功率因数。

解1）移相控制范围当输出电压为零时，当输出最大电压时，故2）负载电流最大有效值当时，电流连续，为正弦波，则3）最大功率和功率因数4）当，查图6-8得晶闸管电流有效值标么值；晶闸管电流有效值基值为故晶闸管电流有效值为当时，查图6-6得输出电流有效值为电源输入有功功率电源侧功率因数6.1.2 三相交流调压电路工业中交流电源多为三相系统，交流电机也多为三相电机，应采用三相交流调压器实现调压。

三相交流调压电路与三相负载之间有多种联接方式，其中以三相Y接调压方式最为普遍。

图6-9 Y接三相交流调压电路1.Y型三相交流调压电路图6-9为Y型三相交流调压电路，这是一种最典型、最常用的三相交流调压电路，它的正常工作须满足：1）三相中至少有两相导通才能构成通路，且其中一相为正向晶闸管导通，另一相为反向晶闸管导通；2）为保证任何情况下的两个晶闸管同时导通，应采用宽度大于60º的宽脉冲（列）或双窄脉冲来触发；3）从VT1到VT6相邻触发脉冲相位应互差60º。

为简单起见，仅分析该三相调压电路接电阻性负载（负载功率因数角）时，不同触发控制角下负载上的相电压、电流波形，如图6-10所示。

图6-10 Y接三相交流调压电路输出电压、电流波形（电阻负载）1）时的波形如图6-10(a)所示。

当时触发导通VT1，以后每隔60º依次触发导通VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。

在区间内，为正，为负，VT5、VT6、VT2同时导通；在区间内，VT6、VT1、VT2同时导通，……。

由于任何时刻均有三只晶闸管同时导通，且晶闸管全开放，负载上获得全电压。

各相电压、电流波形正弦、三相平衡。

2）时波形如图6-10（b）所示。

此时情况复杂，须分子区间分析。

①：时，变正，VT4关断，但未到位，VT1无法导通，A相负载电压。

②：时，触发导通VT1；B相VT6、C相VT5均仍承受正向阳极电压保持导通。

由于VT5、VT6、VT1同时导通，三相均有电流，此子区间内A相负载电压（电源相电压）。

③：时，过零，VT5关断；VT2无触发脉冲不导通，三相中仅VT6、VT1导通。

此时线电压施加在R A、R B上，故此子区间内A相负载电压。

④：时，VT2触发导通，此时VT6、VT1、VT2同时导通，此子区间内A相负载电压。

⑤：时，过零，VT6关断；仅VT1、VT2导通，此子区间内A相电压。

⑥：时，VT3触发导通，此时VT1、VT2、VT3同时导通，此子区间内A相电压。

负半周可按相同方式分子区间作出分析，从而可得如图（b）中阴影区所示一个周波的A相负载电压波形。

A相电流波形与电压波形成比例。

3）用同样分析法可得、、时A相电压波形，如图6-10（c）、（d）、（e）所示。

时，因，虽VT6、VT1有触发脉冲但仍无法导通，交流调压器不工作，故控制角移相范围为（0~150º）。

当三相调压电路接电感负载时，波形分析很复杂。

由于输出电压与电流间存在相位差，电压过零瞬间电流不为零，晶闸管仍导通，其导通角不仅与控制角有关，还和负载功率因数角有关。

如果负载是异步电动机，其功率因数角还随运行工况而变化。

2.其他型式三相交流调压电路表6-1以列表形式集中地描述了几种典型三相及交流调压电路形式及其特征。