第十三讲交流-交流变换

1PowerElectronics第4章交流电力控制电路和交

第6章交变频电路（AC/AC变换）6.1交流调压电路6.2其它交流电力控制电路6.3交交变频电路本章小结2PowerElectronics交交变频电路交直交变频电路交流-交流变流电路一种形式的交流变成另一种形式交流的电路在进行交流—交流变速时，可改变相关的电压、电流、频率和相数等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，不改变频率的电路变频电路改变频率的电路大多不改变相数，也有改变相数的第4章交流电力控制电路和交交变频电路3PowerElectronics交直交变频电路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间接变频电路先将交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流4PowerElectronics第4章交流电力控制电路和交

交变频电路（AC/AC变换）6.1交流调压电路6.2其它交流电力控制电路6.3交交变频电路*6.4矩阵式变频电路

本章小结5PowerElectronics6.1交流调压电路交流电力控制电路两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过控制晶闸管就可控制交流电力交流调压电路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交流电力电子开关不调节输出平均功率，只接通或断开电路，串入电路的晶闸管6PowerElectronics6.1.1单相交流调压电路1．电阻负载图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形在交流电源

u1的正半周和负半周，分别对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，在稳态情况下，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，负载电流和负载电压的波形相同。ROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTwtOwtOwtOwt7PowerElectronics电阻负载单相交流调压电路在开通角为a时，负载电压有效值Uo、负载电流有效值Io、晶闸管电流有效值IVT和电路的功率因数λ分别为(4-1)(4-2)(4-3)(4-4)8PowerElectronicsa的移相范围为0≤

a

≤π。

a

=0时，相当于晶闸管一直接通，输出电压为最大值，

Uo=U1。随着a的增大，Uo逐渐降低，直到a

=π时，

Uo

=0。

a

=0时，功率因数λ=1，随着a增大，输入电流滞后于电压且发生畸变，λ也逐渐降低。ROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTwtOwtOwtOwt图4-1电阻负载单相交流调压电路及其波形9PowerElectronics2.阻感负载设负载阻抗角为j=arctan(wL/R)

如果用导线把晶闸管完全短接，稳态时负载电流为正弦波，其相位滞后于电源电压u1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，无法使其超前。

a

=0时刻仍定在电源电压u1过零的时刻，阻感负载下稳态时a的移相范围应为j≤

a

≤π。图4-2阻感负载单相交流调压电路及其波形10PowerElectronics在ωt=a时刻开通VT1，负载电流应满足如下方程式和初始条件解方程得式中，,θ为晶闸管导通角利用边界条件：ωt=a

+θ时io

=0,可求得θ

(4-5)(4-6)(4-7)11PowerElectronics

以j为参变量，利用式（4-7）可将a和θ的关系用图4-3曲线表示VT2导通时，a和θ关系完同，只是io极性相反，相位相差180°图4-3单相交流调压电路以a为参变量的θ和a关系曲线12PowerElectronics阻感负载单相交流调压电路在开通角为a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(4-8)(4-9)(4-10)13PowerElectronics3.单相交流调压电路的谐波分析波形正负半波对称，不含直流分量和偶次谐波，用傅里叶级数表示如下式中，(4-12)(n=3,5,7,…)(n=3,5,7,…)14PowerElectronics4．斩控式交流调压电路图4-7斩控式交流调压电路

斩控式交流调压电路一般采用全控型器件作为开关器件。基本原理和直流斩波电路有类似之处，直流斩波电路输入是直流电压，斩控式交流调压电路的输入是正弦交流电压。在交流电源u1的正半周，用V1进行斩波控制，用V3个负载电流提供续流通道。在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。

设斩波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比a=ton/T，和直流斩波电路一样，通过改变a可调节输出电压。15PowerElectronics图4-8电阻负载斩控式交流调压电路波形u1uoi1000ωtωtωt

电源电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数为1。电源电流不含低次谐波，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。这些电路的功率因数接近116PowerElectronics6.1.2三相交流调压电路

图4-9三相交流调压电路a)星形联结b)线路控制三角形联结c)支路控制三角形联结d)中点控制三角形联结17三线四相基本原理：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。a=90°时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。1)星形联结电路

可分为三线三相和三线四相图4-10三相交流调压电路a)星形联结6.1.2三相交流调压电路18三相三线，主要分析阻负载时的情况图4-9三相交流调压电路a)星形联结6.1.2三相交流调压电路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VT1~VT6,依次相差60°。相电压过零点定为a的起点，a角移相范围是0°~150°。三相Y联结电压控制器T1-T6依序相差60°触发，脉宽大于60°各相电源由负变正的过零点为α计算起点第一类工作状态：三相同时工作，在同一时刻，每一相有一个晶闸管导电。第二类工作状态：二相同时工作，同一时刻仅二相各有一个晶闸管导电，第三相中的两个晶闸管都不导电。第6章交流/交流变换器控制角α=0，三相同时导电，180°导电。三相Y联结电压控制器α=60°：两相同时导电，120°导电区间I:

区间II:

第6章交流/交流变换器三相Y联结电压控制器α=120°：两相间断续导电，导电角小于120°区间I:

区间II:

第6章交流/交流变换器α=150°：完全不能导电。22(1)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。图4-10不同a角时负载相电压波形a)a=30°6.1.2三相交流调压电路2360°≤a<90°：两管导通，每管导通120°。(2)图4-10不同a角时负载相电压波形b)a

=60°6.1.2三相交流调压电路24(3)90°≤a<150°：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为300°－2a。图4-10不同a角时负载相电压波形

c)a=120°6.1.2三相交流调压电路三相Y联结电压控制器工作状态小结：：处于第一类工作状态（三相同时导电）。：每隔30°交替出现第一类和第二类工作状态。30°＜α＜60°α＜30°60°＜α＜90°：处于第二类工作状态（两相同时导电）90°＜α＜150°：交替处于第二类工作状态和断流状态。α

>150°：电路全断流，不能工作。电阻负载：控制角α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。第6章交流/交流变换器26PowerElectronics2．支路控制三角联结电路负载abcc)nuaubucia图4-9三相交流调压电路

c)支路控制三角形联结支路控制三角形联结电路由三个单相交流调压电路组成，三个单相电路分别在不同的线电压作用下单独工作。由于三相对称负载相电流中的3的整数倍次谐波相位和大小相同，它们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a角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路。27PowerElectronics图4-11晶闸管控制电抗器(TCR)电路晶闸管控制电抗器（ThyristorControlledReactor—TCR），电路图如4-11所示a移相范围为90°~180°，通过对a角的控制可连续调节流过电抗器的电流，从而调节电路从电网中吸收的无功功率。如配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续调节无功功率，称为静止无功补偿装置。用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变。负载uaiaubucnbac28PowerElectronics6.2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29PowerElectronics

交流调功电路与交流调压电路电路形式完全相同，只是控制方法不同。交流调功电路不是在每个交流电源周期都对输出电压波形进行控制，而是将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周波，通过改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。因其直接调节对象是电路的平均输出功率,所以称为交流调功电路通常控制晶闸管导通时刻都是在电源电压过零的时刻，在交流电源接通期间，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。6.2.1交流调功电路30典型用例——晶闸管控制电抗器（ThyristorControlledReactor—TCR）

配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续调节无功功率，称为静止无功补偿装置(StaticVarCampensator—SVC），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变。图4-11晶闸管控制电抗器(TCR)电路4.1.2三相交流调压电路a移相范围为90°~180°。控制a角可连续调节流过电抗器的电流，从而调节无功功率。314.2.1交流调功电路

交流调功电路与交流调压电路的异同比较相同点

电路形式完全相同不同点

控制方式不同交流调压电路在每个电源周期都对输出电压波形进行控制。交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期,在断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。32

电阻负载时的工作情况2pNpM电源周期控制周期=M倍电源周期=2p4pMO导通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU12图4-13交流调功电路典型波形(M=3、N=2)图4－1电阻负载单相交流调压电路4.2.1交流调功电路控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后M－N个周期关断。负载电压和负载电流（也即电源电流）的重复周期为M倍电源周期。33PowerElectronics4.2.2交流电力电子开关交流电力电子开关

把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关。与机械开关相比

响应速度快

没有触点寿命长可以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的接通和断开控制频度通常比交流调功电路低得多34PowerElectronics图4-15TSC基本原理图a)基本单元单相简图b)分组投切单相简图两个反并联的晶闸管起着把C并入电网或从电网断开的作用。串联电感很小，只是用来抑制电容器投入电网时可能出现的冲击电流。为避免容量较大的电容器组同时投入或切断对电网造成较大冲击，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实际上成为断续可调的动态无功功率补偿器。35PowerElectronicsTSC运行时选择晶闸管投入时刻的原则是，该时刻交流电源电压应和电容器预充电电压相等，这样电容器电压