第六章ACAC变换器

1、杨淑英合肥工业大学电气与自动化工程学院电 力 电 子 技 术Power Electronic Technology1234概述概述 交流调压电路交流调压电路交流电力控制电路交流电力控制电路基本内容交交变频电路交交变频电路 AC-AC变换：变换：把一种形式的交流电交流电变换成另一种形式的交交流电流电，可以是电压幅值电压幅值的变换、频率频率或相数相数的变换，能实现这种变换的电路称为AC-AC变换器或AC-AC变换电路。根据变换参数的不同，可以分为交流调压电路交流调压电路、交流电力交流电力控制电路控制电路和交交变频电路交交变频电路。 交流调压电路交流调压电路一般采用相位控制相位控制，其特点是维持频率

2、不变频率不变，仅改变输出电压的大小，它广泛应用于电炉温度控制、灯光调节、异步电机的软启动和调速等场合。此外，在高压或低压大功率直流电源中，也常用交流调压电路调节变压器一次电压。6.1 概述概述 交流电力控制电路：交流电力控制电路：交流调功电路交流调功电路和交流电子开关交流电子开关 在一些大惯性环节中，例如温度控制有时也采用通断控制通断控制，这种电路称交流调功电路交流调功电路。通断控制一般在交流电压的过过零点接通或关断零点接通或关断，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。 交流电子开关一般也采

3、用通断控制，用来替代交流电路中的机械开关，主要用于投切交流电力电容器以控制电网的无功功率。交流调功电路和交流电子开关通称交流电力控交流调功电路和交流电子开关通称交流电力控制电路制电路。6.1 概述概述交交交变频电路交变频电路也称直接变频电路(或周波变流器)，是不通过中间直流环节把某一频率（如电网频率）的交流电直接变换成不同频率的交流电的变换电路，包括相控式交交变频电路相控式交交变频电路和PWM交交变频电交交变频电路路，主要用于大功率交流电机调速系统。另外还有一种变频电路称交直交变频电路交直交变频电路，它是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，这种通过直流中间环节的变频电

4、路也称间接变频电路，间接变频电路不属于本章的范围。6.1 概述概述6.2 交流调压电路交流调压电路 交流调压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uo00ttui6.2 交流调压电路交流调压电路 若要调节输出电压，只需把正弦电压的正负半波都对称地只需把正弦电压的正负半波都对称地切去一块切去一块，如图中的阴影部分。考虑到前面学过的知识，利用电力电子器件的通断可以把正弦电压的正负半波都对称地切去一块，如下图所示，从

5、而实现交流调压。 （a）自耦变压器交流调压方案 （b） 相控式交流调压方案 （c）斩控式交流调压方案 图6-1 交流调压的几种方案比较 对右图所示的交流调压模式，只要在交流回路中串联一对反并联的晶闸管（或双向晶闸管），并在每个半周期相应时刻给晶闸管加触发信号使其导通，这样就可以把固定的交流电压变成可调的交流电压，由于利用改变触发脉冲的相位来调节输出电压，故这种调压电路称为相相控式交流调压电路控式交流调压电路。uo00ttuiVT1RVT2uuo6.2 交流调压电路交流调压电路 只要在交流回路中串联一个双向全控型电力电子器件全控型电力电子器件，在图中阴影部分的时间内关闭开关，在其他时间内接通开关

6、，就可以方便地调节输出电压，uo00ttui由于采用PWM波来模拟正弦电压波形，故把这种调压电路称为交流PWM调压电路，又称斩控式交流调压电路。6.2 交流调压电路交流调压电路电阻负载电阻负载 工作原理：工作原理：6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路单相单相 数量关系数量关系负载电压有效值2sin21dsin21121oUttUURUIoo)22sin1(21sin221121RUtdRtUIT2sin211oo1ooUUIUIUSP负载电流有效值晶闸管电流有效值功率因数6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路单相单相uo000uiottt6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电

7、路单相单相输出电压与的关系:移相范围为0。 =0时，输出电压为最大， Uo=U1。随的增大，Uo降低， =时， Uo =0。与的关系： =0时，功率因数=1， 增大，输入电流滞后于电压且畸变，降低uo000uiottt2sin21dsin21121oUttUU2sin211oo1ooUUIUIUSP 阻感负载阻感负载 工作原理：工作原理：6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路单相单相 阻感负载时的工作过程分析阻感负载时的工作过程分析在t =时刻开通VT1，负载电流满足tURidtdiLsin21oo0itotgtetZUisinsin21o解方程得t22LRZ式中为晶闸管导通角6.2.1

8、 相控交流调压电路相控交流调压电路单相单相 1、交流调压电路、交流调压电路 1.1 相控交流调压电路相控交流调压电路 1）单相相控交流调压电路）单相相控交流调压电路 2）三相相控交流调压电路）三相相控交流调压电路 1.2 PWM交流调压电路交流调压电路 1）单相）单相PWM交流调压电路交流调压电路 2）三相）三相PWM交流调压电路交流调压电路 2、其他交流电力控制电路、其他交流电力控制电路 2.1 交流调功电路交流调功电路 2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关uouiotug1ug200000ttttVT1RVT2uuoL 阻感负载时的工作过程分析阻感负载时的工作过程分析tgtetZUis

9、insin21o解方程得t22LRZ式中为晶闸管导通角6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路单相单相 1、交流调压电路、交流调压电路 1.1 相控交流调压电路相控交流调压电路 1）单相相控交流调压电路）单相相控交流调压电路 2）三相相控交流调压电路）三相相控交流调压电路 1.2 PWM交流调压电路交流调压电路 1）单相）单相PWM交流调压电路交流调压电路 2）三相）三相PWM交流调压电路交流调压电路 2、其他交流电力控制电路、其他交流电力控制电路 2.1 交流调功电路交流调功电路 2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关uouiotug1ug200000ttttVT1RVT2uuoLsi

10、n()sin()tge利用边界条件：t = + 时io = 0，可求得VT2导通时，上述关系完全相同，只是io极性相反，相位差1806.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路单相单相可见有以下几种典型工况：=0，上式右端=0，+=，即为纯电阻工况0， =，由上式可 得，=，表明两个VT相当于二极管，开始不起调压作用。1.0， ,，此时电流波形如前所画。sin()sin()tgeVT1RVT2uuoLuouiotug1ug200000tttts in ()s in ()tge6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路单相单相1sincos(2)cos2UZ211(2sin)oUUtdt11s

11、in 2sin22Uuouiotug1ug200000ttttVT1RVT2uuoL2tg1VT21sin()sin()d()2tUItetZ02VTII6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路单相单相 ,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 相控交流调压电路相控交流调压电路单相单相6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路单相单相 ,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 相控交流调压电路相控交流调压电路单相单相tURidtdiLsin21ootgtetZUisinsin21o正弦项正弦项指数

12、衰减项指数衰减项三相四线三相四线 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 相控交流调压电路相控交流调压电路三相三相 问题：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 考虑到3倍次谐波对于选择中线以及流过变压器时可能产生的发热、噪声等干扰，该电路应用有局限性。 至于脉冲，同相间两管脉冲应互差180，三相间同方向晶闸管脉冲互差120。6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路三相三相 若去掉零线，则3次及其他3倍次谐波将没有通路，则注入电网

13、的电流就没有3次及其他3的整数倍次谐波。这时的电路就变成了如下图所示的电路，这种电路称为不带零线、星形联不带零线、星形联结结的三相交流调压电路。6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路三相三相三相三线，三相三线，电阻负载时的工作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VT1VT6,依次相差60相电压过零点定为的起点， 角移相范围是0150当控制改变时，电路可能出现两种不同的导电模式或两类工作状态。6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路三相三相三相同时工作状态三相同时工作状态，在同一时刻，每一相都有

14、一个晶闸管导通，因此任何时刻同时有三个晶闸管导通；两相同时工作状态两相同时工作状态，即在同一时刻仅有两相各有一个晶闸管导通，第三相中两个晶闸管都不导通。分析后，可得三相星形联结调压器带电阻负载时，其控制特性及导电情况可归纳为：6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路三相三相 0 60：三管导通与两管导通交替三管导通与两管导通交替，每管导通180-。以 =30为例 。6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路三相三相 6090：两管导通两管导通，每管导通120，以 =60为例 。6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路三相三相 90150，则无晶闸管导通。所以最大移相范围为150。综上

15、所述，这种调压电路随着增大，输出电压降低，电流不连续程度增加，但每相负载上的波形正、负半波对称，所以输所以输出电压中只有奇次谐波出电压中只有奇次谐波，并以3次谐波含量最大。对于星接电路因零序分量没有通路，所以虽有3次谐波电势但是无3次或3的倍数次谐波电流。6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路三相三相 其它联接形式其它联接形式中点控制三角形连接 线路控制三角形连接支路控制三角形连接6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路三相三相支路控制三角连接电路支路控制三角连接电路 由三个单相交流调压电路组成，=0取在线电压零点。 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）

16、为与该线相连的两个负载相电流之和支路控制三角形连接 6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路三相三相 线路控制三角连接电路线路控制三角连接电路 只要把三角形连接的三相负载等效成星形连接，则三相三线星形联结电路的分析方法和结论完全适应该电路； 中点控制三角连接电路中点控制三角连接电路 支路控制三角形连接电路的分析方法与结论也适应于中点控制三角形连接电路 6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路三相三相 典型用例典型用例晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR） 触发脉冲的移相范围是90 180 控制角可连续调节流过电抗器的电流，从而

17、调节无功功率 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Static Var Campensator(SVC)，用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变。6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路三相三相 典型应用典型应用6.2.1 相控交流调压电路相控交流调压电路三相三相(a) 异步电动机软启动 (b) 高压直流电源方案 单相斩控交流调压电路单相斩控交流调压电路 单相PWM交流调压电路可分为Buck型、Boost型、Buck-Boost型，如下图所示 其基本原理和直流斩波电路有类似之处，故又称PWM控制交流调压电路 S2RL2iouoS1uiC

18、Buck型S2RiouoS1L1CuiBoost型S2RuiiouoS1L1CBuck-Boost型6.2.2 斩控交流调压电路斩控交流调压电路单相单相6.2.2 斩控交流调压电路斩控交流调压电路单相单相在交流电源u1的正半周RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3图4-7 斩控式交流调压电路用V1进行斩波控制用V3给负载电流提供续流通道斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路6.2.2 斩控交流调压电路斩控交流调压电路单相单相RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3用V2进行斩波控制用V4给负载电流提供续流通道图4-7 斩控式交流调压电路在交流电源

19、u1的负半周 特性 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 功率因数接近16.2.2 斩控交流调压电路斩控交流调压电路单相单相三相三相PWM交流调压电路交流调压电路 三相PWM交流调压电路同样可分为Buck型、Boost型、Buck-Boost型。由于三相PWM交流调压电路的每一相都可等效成一个单相PWM交流调压电路，因此，其工作原理和单相PWM交流调压电路相似。VT1VT4VT5VT6VT3VT2VD1VD6VD5VD4VD3VD2LLLRoRoRoCCCCCCubucuaBuck型三相PWM交流调压电路 VT1VT4VT5V

20、T6VT3VT2VD1VD6VD5VD4VD3VD2LLRoRoRoCCCCCCubucuaL（b） Boost型三相PWM交流调压电路VT1VT4VT5VT3VT2VD1VD6VD5VD4VD3VD2LLLRoRoRoCCCCCCubucua（c） BuckBoost型三相PWM交流调压电路6.2.2 斩控交流调压电路斩控交流调压电路单相单相 6.3.1 交流调功电路 6.3.2 交流电力电子开关6.3 交流电力控制电路交流电力控制电路 与交流调压电路的异同与交流调压电路的异同 电路形式完全相同电路形式完全相同 控制方式不同：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功率改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率，所以称之为交流调功电路交流调功电路。 控制对象时间常数通常很大，以周波数为单位控制即可 通常晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻电源电压过零的时刻，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6.3.1 交流调功电路交流调功电路6.3.1 交流调功电路交流调功电路工作原理工作原理 以单相交流调功电路电阻负载为例，设控制周期为M倍电源周期，其中前N个周期导通，= N/M为控制比，通过调节控制比（一般M固定，根据控制比求出N再取整）即可调节输出平均功率。则当M4，N2时的负载电压波形如下图所