第六章 AC-AC变换器

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PowerElectronicTechnology第6章AC－AC变换器

1234概述

交流调压电路交流电力控制电路基本内容交－交变频电路AC-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。6.1概述交流电力控制电路：交流调功电路和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，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6.2交流调压电路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6.2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控式交流调压电路。6.2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，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，就可以方便地调节输出电压，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交流调压电路电阻负载工作原理：6.2.1相控交流调压电路－单相数量关系负载电压有效值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－单相6.2.1相控交流调压电路－单相输出电压与α的关系:移相范围为0≤α≤π。α=0时，输出电压为最大，Uo=U1。随α的增大，Uo降低，α=π时，Uo=0。λ与α的关系：α=0时，功率因数λ=1，α增大，输入电流滞后于电压且畸变，λ降低阻感负载工作原理：6.2.1相控交流调压电路－单相阻感负载时的工作过程分析在ωt=α时刻开通VT1，负载电流满足解方程得式中θ为晶闸管导通角6.2.1相控交流调压电路－单相1、交流调压电路

1.1相控交流调压电路

1）单相相控交流调压电路

2）三相相控交流调压电路

1.2PWM交流调压电路

1）单相PWM交流调压电路

2）三相PWM交流调压电路2、其他交流电力控制电路

2.1交流调功电路

2.2交流电力电子开关阻感负载时的工作过程分析解方程得式中θ为晶闸管导通角6.2.1相控交流调压电路－单相1、交流调压电路

1.1相控交流调压电路

1）单相相控交流调压电路

2）三相相控交流调压电路

1.2PWM交流调压电路

1）单相PWM交流调压电路

2）三相PWM交流调压电路2、其他交流电力控制电路

2.1交流调功电路

2.2交流电力电子开关利用边界条件：wt=a+q时io=0，可求得qVT2导通时，上述关系完全相同，只是io极性相反，相位差180°6.2.1相控交流调压电路－单相可见有以下几种典型工况：=0º，上式右端=0，α+θ=π，即为纯电阻工况≠0º，=α，由上式可得，θ=π，表明两个VT相当于二极管，开始不起调压作用。≠0º，α＞,θ＜π，此时电流波形如前所画。6.2.1相控交流调压电路－单相6.2.1相控交流调压电路－单相α<，θ>π,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－单相6.2.1相控交流调压电路－单相α<，θ>π,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－单相正弦项指数衰减项三相四线基本原理：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－三相问题：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180º，三相间同方向晶闸管脉冲互差120º。6.2.1相控交流调压电路－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、星形联结的三相交流调压电路。6.2.1相控交流调压电路－三相三相三线，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°当控制α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－三相三相同时工作状态，在同一时刻，每一相都有一个晶闸管导通，因此任何时刻同时有三个晶闸管导通；两相同时工作状态，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－三相0°≤a<60°：三管导通与两管导通交替，每管导通180°-a。以a=30°为例。6.2.1相控交流调压电路－三相60°≤α<90°：两管导通，每管导通120°，以a=60°为例。6.2.1相控交流调压电路－三相90°≤α<150：两管导通与无电流通路交替，每管导通300°-2a

，以a=120°为例。6.2.1相控交流调压电路－三相当α>150º，则无晶闸管导通。所以最大移相范围为150º。综上所述，这种调压电路随着α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－三相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－三相支路控制三角连接电路由三个单相交流调压电路组成，α=0º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）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－三相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－三相典型用例—晶闸管控制电抗器（ThyristorControlledReactor—TCR）触发脉冲的移相范围是90°≤a<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。6.2.1相控交流调压电路－三相典型应用6.2.1相控交流调压电路－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

Buck型Boost型Buck-Boost型6.2.2斩控交流调压电路－单相6.2.2斩控交流调压电路－单相在交流电源u1的正半周图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6.2.2斩控交流调压电路－单相用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－单相三相PWM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。Buck型三相PWM交流调压电路（b）Boost型三相PWM交流调压电路（c）Buck－Boost型三相PWM交流调压电路6.2.2斩控交流调压电路－单相6.3.1交流调功电路

6.3.2交流电力电子开关6.3交流电力控制电路与交流调压电路的异同电路形式完全相同控制方式不同：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，所以称之为交流调功电路。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，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6.3.1交流调功电路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，a=N/M为控制比，通过调节控制比（一般M固定，根据控制比a求出N再取整）即可调节输出平均功率。则当M＝4，N＝2时的负载电压波形如下图所示。

交流调功电路的典型应用电阻炉的温度控制6.3.1交流调功电路6.3.2交流电力电