第6章 交流-交流变流电路

6.1 交流调压电路
■单相交流调压电路 – 阻感性负载
◆当 时的电路分析 当 时，VT1和VT2的导通角 均小 。若 于 ， 越小， 越大；当 时， 继续减小，在 0 时刻触发晶闸管VT1，则晶 闸管的导通时间将超过 。到 t 时刻触发晶 闸管VT2时，负载电流io尚未过零，VT1继续导通， 则VT2不会导通。 由于VT1提前开通，负载L被过充电，其放电时 间也将延长，使得VT1结束导电时刻大于 ，并 使VT2推迟开通，VT2的导通角也小于 。
6.1 交流调压电路
■单相交流调压电路 – 阻感性负载
◆电路分析 设在 t 时刻开通晶闸管VT1，负载电流应 满足如下方程和初始条件
dio L Rio dt io t 0 2U 1si n t
解方程后可得：
io 2U1 si n ( t ) si n ( )e ( t ) / tan Z
Uo 1




2U 1si n t d(t )

2
U1
I VT
1 si n2 si n2( )
1 2


( io ) 2 d(t ) sin cos (2 ) cos
Io
2I VT
U1 2 Z

6.1 交流调压电路
■单相交流调压电路的谐波分析
由前述的单相交流调压电路电阻性负载和电感 性负载电路波形可以看出，负载电压和负载电流均 不是正弦波，所以含有大量谐波。现以电阻性负载 为例，对负载电压uo进行谐波分析。由于波形正负 面积对称相等，所以不含直流分量和偶次谐波，利 用傅里叶级数可表示为
uo (t )
6.1 交流调压电路
■单相交流调压电路 – 电阻性负载
◆电路原理及波形图
(b) u1 0 ωt
VT1
uo io (c)
R
0
ωt
u1
VT2
uo
io (d) 0 ωt
(a)
uVT (e) 0 ωt
6.1 交流调压电路
■单相交流调压电路 – 电阻性负载
◆电路分析 图中晶闸管VT1和VT2反向并联，也可采用双 向晶闸管。在交流电源u1的正半周和负半周，分别 进行控制，就可以调节电 对VT1和VT2的导通角 的起始时刻均为电 路的输出电压uo。正、负半周 压过零点。在稳态情况下，应使正、负半周的 角 相等。 由图可见，负载电压波形是电源电压波形的一 部分，负载电流与负载电压波形相似。
作原理和分析方法均适用于这种电路。
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■三相交流调压电路
◆电路分析 在单相交流调压电路中，电流中含有基波和各 奇次谐波。组成三相电路后，各相的基波和非3的整 数倍次谐波在三相之间流动，不流过中性线。而各 相的3的整数倍次谐波是同相位的，它们不能在各相 之间流动，全部流过中性线。因此中性线中会有很 大的3次谐波及其他3的整数倍次谐波电流。所以在
以 为参变量，由上式可绘制出 和 的关系图， 如下页所示。
6.1 交流调压电路
■单相交流调压电路 – 阻感性负载 ◆ 和 的关系
180
140
φ = 90 φ = 75 φ = 60 φ = 45 φ = 30 φ = 15 φ = 0

100
60
20 0 20 60 100 140 180
6.1 交流调压电路
■单相交流调压电路 – 电阻性负载
◆电路参数计算 设晶闸管触发角为 ，则负载电压有效值Uo、 负载电流有效值Io 分别为
Uo

1

2U 1sint d(t ) U 1

2
1 sin2 2
Uo Io R
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■单相交流调压电路 – 电阻性负载
6.1 交流调压电路
■单相交流调压电路 – 阻感性负载
◆当 时的电路波形
u1 (a) 0 φ uG1 (b) (c) 0 uG2 0 io iVT1 π+α 2π φ φ ωt α π ωt ωt
(d)
0 θ iVT2
ωt
6.1 交流调压电路
■单相交流调压电路 – 阻感性负载
◆当 时的电路波形 由图可见，负载电流io连续，其表达式计算与前 述方法相同，只是适用范围扩展为 t 。由分 析可知，io由两个分量组成，第一项为正弦稳态分量， 第二项为指数衰减分量。在指数分量的衰减过程中， VT1的导通时间逐渐缩短，VT2的导通时间逐渐增 长。当指数分量衰减至零后，VT1和VT2的导通时 间均为 ，其稳态时的工作情况与 时完全相同， 整个过程的工作波形如上图(d)所示。
uc
c
uc
c
(c)
(d)
6.1 交流调压电路
■三相交流调压电路
◆电路分析 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，其中星形联结电路和支路控制三角 形联结电路较为常用。 星形联结电路分为三相三线和三相四线两种情 况。三相四线时，相当于三个单相交流调压电路的 组合，三相互相间隔120°，单相交流调压电路的工
第6章 交流-交流变流电路
6.1 6.2 6.3 6.4
交流调压电路 其他交流电力控制电路 交-交变频电路 矩阵式变频电路
第6章 交流-交流变流电路
交流-交流变流电路是把一种形式的交流电 变为另一种形式的交流电的电路。在进行交流交流变流时，可以改变相关的电压（电流）、频 率和相数等。交流-交流变流电路可以分为直接 方式和间接方式两种。 在交流-交流变流电路中，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 称为交流电力控制电路，改变频率的电路称为变 频电路。
6.1 交流调压电路
■单相交流调压电路的谐波分析
由此可得基波和各次谐波的有效值为：
U on 1 2
2 2 an bn
n 1,3 ,5 ,7 ,
负载电流基波和各次谐波的有效值为
I on U on R
阻感负载时也可利用上述方法进行分析，只是 公式较为复杂。电源电流谐波次数与电阻负载时相 同，只含有3、5、7、…等次谐波，但谐波含量有所 减少。
◆电路参数计算 设晶闸管触发角为 ，晶闸管有效电流值IVT和 电路功率因数 分别为
I VT 1 2 2U 1si nt d( t ) U 1 R R

2
1 si n2 1 2 2
P Uo Io Uo S U1 I o U1
6.1 交流调压电路
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。这种 电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电 路。在每半个周期内通过对晶闸管开通相位的控 制，可以方便地调节输出电压的有效值，这种电 路称为交流调压电路。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，可以方便地调节输出功率的平均值，这种 电路称为交流调功电路。
n 1 ,3 ,5 ,
(a cosnt b si nnt )
n n

6.1 交流调压电路
■单相交流调压电路的谐波分析
其中：
a1 b1 2U 1 (cos2 1) 2
2U1 si n2 2( - ) 2
an
2U1 1 1 cos(n 1) 1 cos(n 1) 1 n 1 n1 bn 2U1 1 1 sin( n 1) sin( n 1) n 1 n1 n 3 ,5 ,7 ,


6.1 交流调压电路
■单相交流调压电路 – 阻感性负载
◆电路分析 设 为晶闸管的导通角，则有 t 。 上式中的Z 可表示为
Z R 2 ( L ) 2
利用边界条件： t 时 io 0 ，可得 满足下 式
sin( ) sin( )e / tan
6.1 交流调压电路
交流调压电路广泛应用于灯光控制及异步电 动机的软起动，也可用于异步电动机调速。在电 力系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续 调节。此外，在高电压小电流或低电压大电流的 直流电源中，也常采用交流调压电路来调节变压 器一次电压（避免二次侧使用多个晶闸管进行串、 并联）。 交流调压电路可分为单相交流调压电路和三 相交流调压电路。前者是后者的基础。
6.1 交流调压电路
■三相交流调压电路
◆电路原理图
ua ia
VT1 a VT3 VT4 b VT5 VT6 c VT2 VT2 n′ n
Uan ua ia
VT1 a VT3 VT4 b VT5 VT6 c
ub
n
ub
uc
负载
负载 ucua(a)Fra bibliotekiaa
(b) ua 负载 ia
a
ub
n
负载
b n
ub
b
选择导线线径和变压器时需格外注意。
6.1 交流调压电路
■三相交流调压电路
◆三相三线时电阻性负载工作原理 三相中任一相在导通时必须和另一相构成回路， 因此和三相桥式全控整流电路一样，电流流通路径 中有两个晶闸管，所以应采用双脉冲或宽脉冲触发。 三相触发脉冲依次相差120，同一相的两个反并联 晶闸管触发脉冲相差180。因此和三相桥式全控整 流电路一样，晶闸管触发顺序为VT1～VT6，相位 依次相差60。
◆电路分析 设负载的阻抗角为 arctan( L / R) 。如果短 接晶闸管，稳态时负载电流应为正弦波，其相位滞 后于电源电压u1的角度为 。当用晶闸管控制时， 由于电感电压的作用，很显然只能进行滞后控制， 即： 。这样会使负载电流更为滞后。为了方便， 把 时刻仍定为电源电压的过零点，显然，阻 0 感负载下稳态时 的移相范围为 。
6.1 交流调压电路
■斩控式交流调压电路
◆电路波形 – 阻性负载
u1 0
ωt
uo 0
ωt
i1 0 ωt
6.1 交流调压电路
■斩控式交流调压电路
◆电路分析 – 阻性负载 可以看出，电源电流的基波分量是和电源电压 同相位的。通过傅里叶分析可知，电源电流中不含 低次谐波，只含有和开关周期T有关的高次谐波。这 些高次谐波用很小的滤波器即可消除，所以这种电 路的功率因数接近1。



θ /()
α /()
6.1 交流调压电路
■单相交流调压电路 – 阻感性负载
◆电路分析 当晶闸管的触发角为 时，负载电压有效值Uo、 晶闸管电流有效值IVT、负载电流有效值Io分别为
6.1 交流调压电路
■斩控式交流调压电路
◆电路原理图
VD1 V1
i1
V2 VD2
V3
VD4
R uo L
u1
VD3 V4
6.1 交流调压电路
■斩控式交流调压电路
◆电路分析 斩控式交流调压电路原理与直流斩波电路有类 似之处，只是其输入电压为交流正弦。在交流电源 u1的正半周，用V1进行斩波控制，用V3给负载电流 提供续流通道；在交流电源u1的负半周，用V2进行 斩波控制，用V4给负载电流提供续流通道。斩波器 件（V1或V2）的导通时间为ton，开关周期为T，导 通比为 ton / T 。与直流斩波电路一样，可以通过 改变 来调节输出电压。
6.1 交流调压电路
■单相交流调压电路 – 阻感性负载
◆电路原理及波形图
VT1
u1 (b) 0 φ α uG1 ωt
io
VT2
(c)
0 uG2
ωt
L uo
R
(d)
0 uo
u1
θ π+α
ωt
(e)
0 φ
ωt
(a)
(f)
io 0
ωt
uVT (g) 0 ωt
6.1 交流调压电路
■单相交流调压电路 – 阻感性负载
1 si n2 2
6.1 交流调压电路
■单相交流调压电路 – 电阻性负载
◆电路参数计算 角的移相范围是 0 。当 可以看出， 0 时，相当于晶闸管一直导通，输出电压为最 大，Uo = U1。随着 的增大，Uo逐渐降低。当控制 角 时，Uo降为0。 电路的功率因数 在 0 时为1，随 的增 大， 也逐渐降低，输入电流滞后于电压且发生畸 变。