第5章 交流-交流变换电路

交流调压电路：在每半个周波内通过对晶 闸管进行相位控制，调节输出电压有效值。
交流调压电路广泛用于灯光控制、异步电动机的软起动、异步电动机 的调压调速、供电系统对无功功率的连续调节、在变压器一次侧调压并在 变压器二次侧用二极管整流等。
5.1 交流调压电路
交流调压电路一般有三种控制方式。
（1）通断控制
5.1 交流调压电路
5.1.1 单相交流调压电路 5.1.1.2 阻感性负载
由于电感的储能作用，负载电流io 会在电源电压u1过零后延迟一段时间再 过零，其延迟时间与负载的功率因数角 φ=arctan(ωL/R)有关。
晶闸管的关断是在电流过零时刻， 因此，晶闸管的导通角θ不仅与触发控 制角α有关，还与负载功率因数角φ有关。
几个在周交波流，电然压后过再零断时开刻几输但导个出电通周电压或波压调关，波节断通形不晶过为连闸改正续弦。管变波，导，使通负/关载断电周路波与数交的流比电值源实接现通调 压的目的。通断控制时输出电压波形为正弦。
（2）相位控制
在交流电压的正、负半周触发导通晶闸
方法简单，连续调节输
管，且保持两只晶闸管出电的压移大相小角，相但同输，出保电证 向负载输出正、负半周压波对形称非的正交弦流电压波形。
（3）斩波控制
利用脉宽调制PWM技术将正弦交流电压 波形分割成脉冲列，通过改变脉冲输波的出形占电接空压近比大正小弦调可波以。连基续本调克节服，相
节输出电压。
位控制和通断控制的缺点
5.1 交流调压电路
5.1.1 单相交流调压电路 5.1.1.1 电阻性负载
电源电压u1正、负半周的过零点即为 控制角α的起始时刻（α=0）。
5.1 交流调压电路
5.1.2 三相交流调压电路
根据联结形式的不同 三相Y形联结 三相负载Δ形联结 三相晶闸管控制Δ形联结 三相半控Y形联结
5.1 交流调压电路
5.1.2.1 Y形三相交流调压电路
Y形三相交流调压电路可分为 三相三线制（Y形） 三相四线制（YO形）：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，单相 交流调压电路的工作原理和分析 方法均适用于这种电路。
为了分析方便，把α=0的时刻仍然定在电源电 压过零的时刻，因此，单相交流调压电路带阻感性 负载时，稳态运行情况下控制角α的移相范围应为 φ≤α≤π。
输出交流电压为缺口正弦波，改变α角的大小， 即可改变输出电压的有效值，达到调压的目的。
5.1 交流调压电路
5.1.1 单相交流调压电路 5.1.1.2 阻感性负载
利用边界条件：ωt=α+θ时，io=0，可求得θ

sin( ) sin( )etan
5.1 交流调压电路
5.1.1 单相交流调压电路 5.1.1.2 阻感性负载
以φ为参变量，可得不同负载特性下导通角θ=f（α，φ）曲线族
5.1 交流调压电路
5.1.1 单相交流调压电路 5.1.1.2 阻感性负载
5.1 交流调压电路
5.1.3 其他交流电力控制电路
5.1.3.1 交流调功电路
设控制周期为M倍电源周 期，其中晶闸管在前N个周期 导通，后M-N个周期关断。
当M=3、N=2时的电路波 形如图5-13所示。
负载电压和负载电流（电 源电流）的重复周期为M倍电 源周期。在负载为电阻性时， 负载电流波形与负载电压波形 相同。
直接 间接
第5章 交流-交流变换电路
5.1 交流调压电路 5.2 交-交变频电路 5.3 矩阵式交-交变频电路
5.1 交流调压电路
交流调压电路采用双向交流开关进行交流电压的控制，如把两只反并 联的普通晶闸管或一只双向晶闸管串联在交流电路中，实现对交流电正、 负半周的对称控制，调节输出交流电压，或实现交流电路的通、断控制。
在电源电压u1的正半周和负半周，分 别触发VT1和VT2，就可以调节输出电压， 电压过零时晶闸管关断。
在稳态情况下，应使正、负半周的α角 相等。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的波形相同。
5.1 交流调压电路
5.1.1 单相交流调压电路 5.1.1.1 电阻性负载
单相交流调压电路带电阻性负载，在 触发角为α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
（3）从VT1到VT6，相邻的 触发脉冲相位应互差60°。
结论：Y形三相交流调压电路 控制角α的移相范围为：0 °~ 150 °
5.1 交流调压电路
5.1.3 其他交流电力控制电路 5.1.3.1 交流调功电路
电路形式：交流调功电路和交流调压电路完全相同 控制方式：
交流调压电路：在每个交流电源周期都对输出电压波形进行控制 交流调功电路：通断控制，将负载与交流电源接通几个整周波，再断 开几个整周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载 所消耗的平均功率。 控制晶闸管导通的时刻为：电源电压过零的时刻
在触发角为α时，负载电压有效值Uo、晶闸管电流有效值 IVT和负载电流有效值Io分别为
Uo
1 + π
2
2U1 sin t d(t) U1
1 [sin 2 sin(2 2 )]
ππ
IVT
1 +
2π

2U1 Z
sin
放电时间也将延长，使得VT1的导通角 大于π
ωt=π+α时刻触发VT2时，io尚未过零， VT1仍在导通，VT2不通。io过零后， VT1关断，VT2的触发宽脉冲尚未消失， VT2就会正常开通。 VT2导通角小于π 若采用窄脉冲触发，VT2的触发脉冲消 失，VT2不能导通，造成每个周期内只 有一只晶闸管导通的“单管整流”状态， 输出电流为单向缺口半波，含有很大的 直流分量，因此必须改用宽脉冲触发。
R
1 2

1 2π
sin
2

π-
π

5.1 交流调压电路
5.1.1 单相交流调压电路 5.1.1.1 电阻性负载
输出电压与 α 的关系 移相范围为0 ≤ α ≤ π α = 0。 时，输出电压为最大。U0 = U1， 随着α 的增大，U0降低 α = π时，U0 = 0
功率因数λ 与 α 的关系： α = 0时，功率因数λ = 1 α 增大，λ降低
若以一定的频率控制正、反两组变流 器交替工作，则负载上交流电压的频率 fo就等于两组变流器的切换频率。
5.2 交-交变频电路
晶闸管交交变频电路也称周波变流器（Cycloconvertor）
将电网频率的交流电直接交换成可调频率交流电的变流电路，因为没有中 间环节，因此属于直接变频电路
交-交变频电路比交-直-交间接变频电路
提高变换效率
由于整个变频电路直接与电网相连接，各晶闸管元件上承受的是交流
电压，提高了换流能力。
α=φ时，输出电压、电流波形为连续正弦， θ=π。调压电路不起调压作用，处于“失控” 状态。此时θ=f（α，φ）关系如图5-5中 θ=180°的各点。
纯电阻负载
纯电感负载
5.1 交流调压电路
5.1.1 单相交流调压电路 5.1.1.2 阻感性负载
当阻感负载 α＜φ时电路工作情况 VT1提前开通，负载L被过充电，其
Uo
1π π
2
2U1 sin t d(t) U1
1 sin 2 π-
2π
π
Io

Uo R
P UoIo Uo
S U1Io U1
1 sin 2 π-
2π
π
2
IVT
1 π 2π
2U1 sin R
t

d(t) U1
5.1.1 单相交流调压电路 5.1.1.4 斩控式交流调压电路
采用全控型器件作为开关元件 输入是正弦交流电压 交流电源电压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 路 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路。 斩控式交流调压电路带电阻性负载时， 电路的功率因数接近1。
5.1 交流调压电路
5.1.1 单相交流调压电路 5.1.1.2 阻感性负载
衰减过程中，VT1的导通时间 逐渐缩短，VT2的导通时间逐渐 延长。最后，VT1和VT2的导通 时间都趋近到π，其稳态的工作 情况和α=φ时完全相同。
晶闸管在ωt=φ处才开始导通， 电流连续，uo=u1，无电压调节 功能，所以也处于“失控”状 态。
5.1 交流调压电路
5.1.2 三相交流调压电路
5.1.2.1 Y形三相交流调压电路
最典型、最常用的三相交流 调压电路，它正常工作时必须满 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 两只晶闸管同时导通，应采用宽 度大于60°的宽脉冲（列）或双 窄脉冲触发；
三相输入-单相输出交-交变频电路是由两组反并联的晶闸 管变流电路和单相负载组成的，与直流电动机反并联可逆调 速系统的结构完全相同。
5.2 交-交变频电路
5.2.1 三相输入-单相输出交-交变频电路 5.2.1.1 电路构成和基本工作原理
变流器正组 P和反组N都 是相控变流 电路
a在正、反两组变流器的输入侧接有足够大的输入滤波电感，使输入电流近似为矩形波， 称为电流型电路；
5.1 交流调压电路
5.1.1 单相交流调压电路 5.1.1.2 阻感性负载
设负载的阻抗角为φ=arctan（ωL/R）。如果用 导线把晶闸管完全短接，稳态时负载电流io应该是 正弦波，其相位滞后于电源电压u1的角度为φ。
显然，在用晶闸管控制时只能进行滞后控制， 使负载电流更为滞后，而无法使其超前。
5.1 交流调压电路