电力电子学
——电力电子变换和控制技术（第二版）
第6章 交流-交流变换器
6 交流-交流变换器
6.0 引言 6.1 晶闸管交流电压控制器的类型 6.2 单相交流电压控制器 6.3 三相全波交流电压控制器 *6.4 变压器抽头电压控制器 *6.5 晶闸管相控交流/交流直接变频器 *6.6 矩阵式交流/交流变频器 6.7 本章小结
6.0 引言 本章主要讲述 交流-交流变流电路
把一种形式的交流电变成另一种形式交流电的电路 交流调压电路 相位控制 频率不变，仅 交流电压 改变电压大小 控制器 交流调功电路 通断控制 变频器 实现频率变换 亦可改变电压大小 交交变频 交直交变频 直接 间接
n 采用晶闸管作开关器件时，依靠交流电源瞬时值过零及反向来关断晶 闸管。晶闸管开关器件的开通则可采用移相控制，改变控制角调控变换器 输出电压的大小。 n 单相电压控制器常用于小功率单相电动机、照明和电加热控制，三相 交流-交流电压控制器的输出是三相恒频变压交流电源，通常给三相交流 异步电动机供电，实现异步电动机的变压调速，或作为异步电动机的启动 器使用。
6.1 晶闸管交流电压控制器的类型
6.1.1 单相全控 6.1.2 带中线星形联结 6.1.3 无中线的三相连接 6.1.4 三角形联结的控制器
6.1.1 单相全控
负载电压、负载 功率的大小由 控制角a确定
is
T1
io
+
T 4
v s = 2Vs sin wt
R
vo
-
（a） 单相全控
两个 反并联 开关器件
通态时： 断态时：
vO (t ) = v S (t ) vO (t ) = 0
p
6.1.2 带中线星形联结
is
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
T1 T4
T3 T6
V
T5
T2
（b） 带中线星形联接
缺点 中线电流大
a = 90 o 时，中线电流约等于相电流
p
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
p
6.1.4 三角形联结的交流电压控制器
A
v
AN
i
A
Z
L
T
B
1
N
i
v
BN
B
T
Z
L
4
T
T
6
2
T
Z
C
L
5
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联接的交流电压控制器
p
6.2 单相交流电压控制器
6.2.1 6.2.2
电阻负载 电阻、电感性负载
*6.2.3 PWM交流电压控制器
6.2.1 电阻负载
iT 1
T1 i g1
is
io
ig4 + T4
iT 4
1 p 1 p -a V0 = ò ( 2VS ×sinwt)2 d(wt) =VS × sin2a + p a 2p p
vO
R
vs = 2Vs sin(w t )
I 0 = I S = V0 / R
I T = I S / 2 = V0 / 2 R
0
vs = 2Vs × sinwt
A
2p
D
vo
a
q =p -a
p
v0 R
B
p +a
vo
C
wt
PF =
P V0 I 0 V0 1 p -a = = = sin 2a + S VS × I S VS 2p p
0
io =
q =p -a
io
a
q =p -a
p
2p
利用傅立叶级数可求出基波及各次谐波。
io
wt
6.2.1 电阻负载（续）
表6.1 不同触发角
a 时基波
V1m 和3~15次谐波电压(电流)的相对值
6.2.1 基波及谐波分布图
图6.3 电阻负载、不同触发角α时基波及谐波幅值分布图
p
6.2.2 电阻、电感性负载（续1)
（1）a=f 时，
vO = vS = 2VS sinw t
iS = iO = 2VS sin(w t - f ) Z
iT1
T1 ig1 L + T4
iT4
is ig4
io
vO
vs = 2Vs sin(w t )
Z = (w L) 2 + R 2
f = arctan(w L / R)
(a) 电路
is
R
vs
a
v ,i ,i
O S
O
均为正弦波
0
iT1
（2）a
f
p
f
p +a
wt
2p +a
iT4
q =p
is
v s
A
(c)电流连续电感性负载波形 v
6.2.2 电阻、电感性负载 （续2）
（3）a=>f 时，
v 0 = v S = 2V S × sin w t = RiT 1 + L
iT 1 = 2V S [sin(w t - f ) - sin( a - f )e Z
A
diT 1 dt
]
0
vo
iT1
f
α>φ
p +a
iT4
2p
a
f
q p
p
1 - (w t - a ) tgf
B
wt
(d)电流不连续波形
输出电压有效值 VO 、晶闸管电流有效值 I T 、负载电流有效值 I O 为：
VO = 1 p
òa
a +q
( 2VS sin w t ) 2 d (w t ) = VS ×
q 1 + [sin 2a - sin 2(a + q )] p p
w t -a tgf 2
1 a +q IT = ò 2p a
2VS 2 ( ) [sin(w t - f ) - sin(a - f )e Z
] d (w t ) =
VS q sinq cos(2a + f + q ) p p × cosf 2Z
I O = 2 IT =
VS Z
q sin q cos(2a + f + q ) p p cos f
6.2.2 电阻、电感性负载（续3）
q
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
° ° ° ° ° ° °
wL tg R , a ￡ f , q = 180o a > f时 ， 由 f， a可 求 出 q ， f =
-1
90 φ= =75 φ 0 =6 φ 5 =4 φ 0 =3 φ 5 =1
φ
(e) 导通角 q 与控制角 a 的关系曲线（以负载阻抗角 f 为参变量）
=0 φ
tg (a - f ) = e
sin q
-q tgf
- cosq
a
6.2.2 电阻、电感性负载 （续4）
wL , R a ￡ f ,q = 1 8 0 o a > f时 ， 由 f， a可 求 出 q ， 再 求 i T 1 (t ), V o , I T av , TT f = tg -1
及 Io =
IT
2IT
=
VS Z
q sin q cos(2a + f + q ) p cos f
* I T 与控制角 a 的关系曲线 （f）晶闸管电流的标么值
* IT = IT /
2VS = Z
Z 2VS
× IT =
1 2
q sin q cos(2a + f + q ) 2p 2p cos f
例6-1
单相交流调压器控制230v交流电源的输出功率，负载电阻为 23Ω、感抗为23Ω ，求（1）a角控制范围；（2）最大电流有效 值；（3）最大功率和功率因数。 wL 23 p a min = f = arctan = arctan = 解: (1) ； amax = p R 23 4 (2)
a = a min 时，最大电流有效值 I O 为：
IO = V 230 = = 7.07 A 2 2 1/ 2 2 2 1/ 2 [ R + (w L) ] [23 + 23 ]
(3) 最大功率 ( a = a min 时 )
2 Pmax = RI O = 23 ′ 7.07 2 = 1.15 ′ 103W
有效功率 1150 功率因数＝ ＝ = 0.707 视在功率 230′ 7.07
注：在a> amin的非正弦电流工作下，功率因数<基波相移因数。
p
*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
p
6.3 三相全波交流电压控制器
6.3.1 6.3.2
三相星形联结交流电压控制器 三相开口三角形交流电压控制器
6.3.1 三相Y联结电压控制器
VAN VBN
N
T1 T4 T3 T6 T5 T2
R
R
VCN
R
晶 T1 T1 闸 T2 T2 管 T3 导 通 T4 区 T5 T5 间 T6 T6
V
VA
VB
VC
(a) 电路
C
0
p
wt
VCA
A V BC
N
(c ) a = 0
控制角 a=0，三相同时导电，180°导电 。
V AB
B
(b)矢量图
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a的计算起点。