电力电子AC-AC变换

电力电子技术PowerElectronicsAC-AC变换：把一种形式的交流电变换成另一种形式的交流电，可以是电压幅值的变换、频率或相数的变换，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、交流电力控制电路和交－交变频电路。

交流调压电路一般采用相位控制，其特点是维持频率不变，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。在这种电路中如采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联，这都是十分不合理的。若采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都适中，而在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。

6.1概述6.1概述

相控式交流调压电路的应用相控式交流调压电路的一个典型应用就是异步电机的软启动，其主电路原理图如图(a)所示。在高压大功率直流电源中，常利用交流调压电路调节变压器一次电压，而在变压器二次侧用二极管整流，如图(b)所示。(a)异步电动机软启动(b)高压直流电源方案在一些大惯性环节中，例如温度控制有时也采用通断控制，这种电路称交流调功电路。通断控制一般在交流电压的过零点接通或关断，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制电路。6.1概述交—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－交变频电路和PWM交－交变频电路，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，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图6-1(a)所示但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，这种调压方案碳刷易损坏。从图6-1(a)看出，这种调压方式输出电压与输入电压波形形状相同，只是幅值不同。6.2交流调压电路

图6-1（a）自耦变压器交流调压方案实际上，为了实现调节电压还可以利用电力电子器件的通断可以把正弦输入电压的正负半波都对称地切去一块，如图6-1(b)、(c)所示。对图6-1(b)、(c)所示的交流调压模式，只要在交流回路中串联一只可控双向开关，并在相应时刻控制其开通或关断即可。6.2交流调压电路

（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如图6-1(b)所示，可用两只反并联的晶闸管或双向晶闸管实现可控双向开关，利用改变晶闸管触发脉冲的相位来调节输出电压，故这种调压电路称为相控式交流调压电路。如图6-1(c)所示，一般用全控型器件实现可控双向开关，在图中阴影部分的时间内关断开关，在其他时间内接通开关，这种调压电路与直流斩波电路工作原理类似，故称为斩控式交流调压电路。以下就交流相控式调压电路与斩控式交流调压电路进行分析。6.2交流调压电路

图6-1

（c）斩控式交流调压方案1）单相相控式交流调压电路相控式交流调压电路的工作情况和负载性质有很大的关系，下面就电阻性负载和电感性负载分别讨论。（1）电阻性负载单相相控式交流调压电路电阻性负载电路图如图6-2(a)所示，加在该电路输入端的电源为正弦交流电。在交流电源的正负半周分别在ωt=α

和ωt=π+α

时刻触发晶闸管VT1和VT2，从而得到负载两端的电压波形如图6-2(b)所示。6.2.1相控式交流调压电路

（a）电阻负载单相交流调压电路

（b）电阻负载单相交流调压工作波形每个晶闸管均在对应的交流电压过零点关断，晶闸管的控制触发角为α，导通角为θ=π-α。负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同，晶闸管也只在两个晶闸管均关断时才承受电压。由此可知，当晶闸管的控制触发角为α时，负载两端的电压有效值Uo为6.2.1相控式交流调压电路

（a）电阻负载单相交流调压电路

（b）电阻负载单相交流调压工作波形由式6-1知，当α=0时，输出电压Uo=U为最大，当α=π时，Uo=0，因此该电路在电阻负载下触发脉冲的移相范围为0≤α≤π

。输出电压随α

的增大而减小，功率因数也随α

的增大而减小。

流过负载中的电流有效值Io为6.2.1相控式交流调压电路

流过晶闸管中电流有效值IVT为电路输入侧的功率因数为（2）阻感性负载当负载中感抗L与电阻R相比不可忽略时，该负载即认为是阻感性负载，如图6-3(a)所示。由于电感的作用，负载电流滞后于负载电压，也就是说当负载电压（电源电压）下降到零，负载中的电流并不下降到零，晶闸管在电压过零后不关断，直到电感中能量全部释放完，电感（负载）中的电流下降到零，晶闸管才关断，对应的电路工作波形如图6-3(b)所示。6.2.1相控式交流调压电路

（a）阻感负载单相交流调压电路设负载阻抗角

=arctan(ωL/R)，晶闸管的控制触发角为α，则当在ωt=α

时刻触发开通晶闸管VT1，负载电流应满足如下微分方程和初始条件：解方程得6.2.1相控式交流调压电路

（α≤ωt≤α+θ）其中为稳态分量；

为暂态分量。式中，

θ

为晶闸管导通角。利用边界条件：ωt=α

+θ

时io=0，可求得θ

：6.2.1相控式交流调压电路

VT2导通时，上述关系完全相同，只是io极性相反，相位差180°。在这种情况下，负载电压有效值Uo为负载电流有效值Io为

流过晶闸管中的电流有效值IVT为6.2.1相控式交流调压电路

6-10由式6-7得，当

<a<π

时，VTl和VT2的导通角θ

均小于π

。a越小，θ

越大；a=时，θ

=π

，也就是说该电路在阻感负载下触发脉冲的移相范围

≤a≤π

。当θ

=π

时负载电流连续，这时输出电压Uo等于输入电压U。但不表示a<

时电路不能工作，下面就a<

的情况进行分析。6.2.1相控式交流调压电路α<时的工作情况（用窄脉冲触发）

VT1提前导通，L被过充电，放电时间延长，VT1的导通角超过π；触发VT2时，

io尚未过零，VT1仍导通，VT2不导通；6.2.1相控式交流调压电路α<时的工作情况（宽脉冲触发）

VT1提前导通，L被过充电，放电时间延长，VT1的导通角超过π；触发VT2时，io尚未过零，VT1仍导通，VT2不导通；io过零后，VT2开通，VT2导通角小于π；从第2个周期开始，VT1的导通角逐渐减小，VT2的导通角逐渐增大，直到两个晶闸管的导通角均为π。VT1被首次触发后，电路的工作过程和两只晶闸管被短接一样，过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在ωt=α时合闸的过渡过程相同；6.2.1相控式交流调压电路

2）三相相控式交流调压电路把三个单相交流相控调压电路分别接到三相交流电源的A相、B相和C相中，得到如图6-5(a)所示的电路。三个独立的单相交流调压电路的触发控制角相同，那么图6-5(a)所示的电路就是一个带中心线（零线）的三相交流调压电路。该电路基波和3的整数倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线，三相中3的整数倍次谐波同相位，全部流过零线，零线有很大3的整数倍次谐波电流。图6-5（a）6.2.1相控式交流调压电路

α=90°时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近，这是这种三相交流调压电路的主要问题。若去掉零线，则3倍次谐波将没有通路，则注入电网的电流就没有3的整数倍次谐波。这时的电路就变成了如图6-5(b)所示的电路，这种电路称为不带零线、星形联结的三相交流调压电路。注意：6只晶闸管的标号顺序与三相桥式可控整流电路的标号一致。图6-5（b）6.2.1相控式交流调压电路

三相三线交流调压电路，如图6-5(b)所示，其工作原理较三相四线的工作原理复杂，任一相在导通时必须和另一相或其他两相构成回路，因此与单相交流调压电路一样，一般采用宽度为π

-α的宽脉冲或脉冲序列触发。三相的触发脉冲应依次相差120°，同一相的两个反并联晶闸管触发脉冲应相差180°。因此，和三相桥式全控整流电路一样，触发脉冲顺序也是VT1~VT6依次相差60°。下面以电阻负载为例，分析三相三线交流调压电路的工作原理。图6-5（b）6.2.1相控式交流调压电路

如果把晶闸管换成二极管，可以看出，相电流和相电压同相位，且相电压过零时二极管开始导通。因此把相电压过零点定为开通角α的起点。三相三线电路中，两相间导通时是靠线电压导通的，而线电压超前相电压30o，因此α角的移相范围是0o～150o。由于晶闸管的触发脉冲采用宽度为π-α的宽脉冲或脉冲序列，在任一时刻，可能是三相中各有一个晶闸管导通，这时负载相电压就是电源相电压；也可能两相中各有一个晶闸管导通，另一相不导通，这时导通相的负载相电压是电源线电压的一半。根据任一时刻导通晶闸管的个数以及半个周波内电流是否连续可将0o～150o的移相范围分为如下三段：图6-5（b）6.2.1相控式交流调压电路

Ⅰ）0o≤α＜60o：三管导通与两管导通交替模式，每管导通180o-α，一个周期内晶闸管导通情况如表6-1所示。但α=0o时一直是三管导通；图6-5（b）（a）α=30°6.2.1相控式交流调压电路

Ⅱ）60o≤α＜90o：两管导通模式，每管导通120°；图6-5（b）（b）α=60°6.2.1相控式交流调压电路

Ⅲ）90o≤α＜150o：两管导通与无晶闸管导通交替模式，每管导通300o-2α。图6-5（b）（c）α=120°6.2.2斩控式交流调压电路

图6-9单相Buck型斩控式交流调压电路典型拓扑

（a）电阻性负载（b）感性负载图6-10单相斩控式交流调压电路的工作波形6.2.2

斩控式交流调压电路

(a)Buck型单相斩控式交流调压电路(b)能量传输阶段(c)续流阶段图6-11单相斩控式交流调压电路工作模式分解6.3交流电力控制电路

交流调压电路主要采用相位控制对输出电压进行调节，主要用于灯光调节、异步电机的软启动和调速等场合，而对于类似温度调节等具有大惯性环节的被控对象则没有必要对交流电源的每个周期进行调压控制，而只需对输出功率进行通断控制即可，这就构成了交流调功电路。交流调功电路的电路拓扑与交流调压电路完全一样，不同的仅仅是控制方式不同，通常控制晶闸管导通的时刻都是在电源电压过零的时刻，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。这种情况下，在交流电源接通期间，负载电压、电流都是正弦波，不对电网造成谐波污染。

6.3交流电力控制电路

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，α=N/M为控制比，通过调节控制比（一般M固定，根据控制比α求出N再取整）即可调节输出平均功率。则当M＝5，N＝3时的负载电压波形如图6-12所示。

图6-12交流调功电路的工作波形6.3.2交流电力电子开关

在交流调功电路中，反并联的两个晶闸管或双向晶闸管所起的作用就是替代接触器或其它可控开关，从而可以实现开关的频繁动作，由于这种开关为电力电子器件，所以称作电力电子开关。工作在直流电路中称直流电力电子开关，工作在交流电路中称交流电力电子开关。和机械开关相比，这种开关响应速度快，没有触点，寿命长，可以频繁控制通断。在公用电网中，交流电力电容器的投入与切断是控制无功功率的重要手段。通过对无功功率的控制，可以提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量。过去大多采用机械开关（接触器等）投切电容器，由于机械开关的寿命有限，开关过程伴随着噪声等缺点，近几年已逐渐被淘汰，代替它的是交流电力电子开关，从而形成了晶闸管投切电容器(ThyristorSwitchedCapacitor—TSC)。与机械开关投切的电容器相比，晶闸管投切电容器是一种性能优良的无功补偿方式。

6.3.2交流电力电子开关

图6-14（a）为晶闸管投切电容器基本单元结构（单相），图中电感L较小，用来抑制电容器投入电网时的冲击电流。根据电网功率因数的变化情况，同时为了减少电容器投入时的电流冲击，不能一次投入所有的电容器，因此一般电容器为分组投切，如图6-14（b）所示，这样TSC就成为断续可调的动态无功功率补偿器。

（a）基本单元结构（b）分组投切示意图6.4交－交变频电路

交交变频电路是把电网频率的交流电变成电压、频率可调的交流电，广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实用的主要是三相输出交交变频电路。交交变频电路主要有相控式交交变频电路和PWM型交交变频电路。

6.4.1相控交－交变频电路

相控式交－交变频是一种直接的变频，也称周波变流器(Cycloconvertor)。其优点是损耗小效率较高，可以实现四象限运行，缺点是调频范围低，仅为输入的1/2～1/3，功率因数较低，适应于低速(600r/min以下)大功率(500kW以上或1000kW以上)场合，在轧机、矿山卷扬、船舶推进、风洞等传动中应用较多。单相输出交－交变频电路是三相输出交－交变频电路的基础，单相输出交－交变频电路的构成、工作原理、控制方法及输入输出特性的分析和结论大多适用于三相输出交－交变频电路。单相输出交－交变频电路简称单相交－交变频电路，三相输出交－交变频电路简称三相交－交变频电路。

6.4.1相控交－交变频电路

变流器P和N都是相控整流电路，P组工作时，负载电流为正，N组工作时，负载电流为负。让两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率。

按比例改变变流电路工作时的控制角a，就可以改变交流输出电压的幅值。

ZPN输出电压平均输出电压OuouoaP=0aP=p2aP=p2wt6.4.1相控交－交变频电路

在半个周期内让P组α角按线性规律从90°减到0°或某个值，再线性增加到90°，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零；另外半个周期可对N组进行同样的控制。

图6-16相控单相交交变频电路阻感负载时的输出电压、电流波形6.4.1相控交－交变频电路

交交变频电路的负载通常为交流电动机，电路中以电阻、电感和交流电势串联等效交流电动机的单相支路。因为负载电流滞后电压，所以两组变流装置在一个工作周期内的工作状态即整流工作状态与逆变工作状态不断变化。如图6-17所示，第I阶段，uo、io均为正，P组工作在整流状态，N组工作在待逆变状态；

6.4.1相控交－交变频电路

第II阶段，uo为负、io为正，P组工作在逆变状态，N组工作在待整流状态；第III阶段，uo、io均为负，N组工作在整流状态，P组工作在待逆变状态；第IV阶段，uo为正、io为负，N组工作在逆变状态，P组工作在待整流状态。这种分析也适用于交流电动机负载。

哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关。工作在整流还是逆变，则根据uo方向与io方向是否相同确定。输出正弦波电压的调制方法余弦交点法（以三相桥式为例）设Ud0为a=0时整流电路的理想空载电压，则有

每次控制时a角不同，表示每次控制间隔内uo的平均值。6.4.1相控交－交变频电路设期望的正弦波输出电压为

γ

称为输出电压比：

余弦交点法原理6.4.1相控交－交变频电路余弦交点法基本公式

余弦交点法图解线电压uab、uac

、ubc

、uba

、uca和ucb依次用u1~u6表示。相邻两个线电压的交点对应于a

=0。u1~u6所对应的同步信号分别用us1~us6表示us1~us6比相应的u1~u6超前30°，us1~us6的最大值和相应线电压a=0的时刻对应。物理意义：三相桥式每60°换相一次，整流电压为线电压的6脉波组成，当a=0时，应是线电压60°～120°段，导通角比90°超前30°。问题：若是三相半波组成P组和N组，同步信号超前电源信号多少？余弦交点法原理6.4.1相控交－交变频电路希望输出电压为uo，则各晶闸管触发时刻由相应的同步电压us1~us6的下降段和uo的交点来决定。6.4.1相控交－交变频电路6.4.1相控交－交变频电路

交交变频电路的输出电压是由许多段电网电压拼接而成的。输出电压一个周期内包含的电网电压段数越多，输出电压波形就越接近正弦波。每段电网电压的平均持续时间是由变流电路的脉波数决定的。因此，当输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压的段数就减少，波形畸变就严重。电压波形畸变以及由此产生的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。当然，构成交交变频电路的两组交流电路的脉波数越多，输出上限频率就越高。就常用的三相桥式电路而言，一般情况下，输出上限频率不高于电网频率的1/3～1/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。

6.4.1相控交－交变频电路

2）三相相控交－交变频电路相控式交交变频电路的实用电路是三相输出的交交变频电路，三相输出的交交变频电路是由三组输出电压相位各差120°的单相交交变频电路组成的。单相输出交交变频电路的分析方法和结论大多适用于三相输出交交变频电路。三相交交变频电路主要有两种接线方式，即公共交流母线联结方式，如图6-19(