第6章-AC-AC变换电路

第六章AC-AC变换电路主讲教师：XXX电力电子技术学习目标：熟悉交流—交流变流电路的分类及其基本概念理解单相交流调压电路的电路构成，在电阻负载和阻感负载时的工作原理和电路特性明确三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理(4)掌握交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念(5)熟悉晶闸管相控交交变频电路的电路构成、工作原理和输入输出特性(6)了解各种交流—交流变流电路的主要应用(7)了解矩阵式交交变频电路的基本概念电力电子技术问题思考：电视、洗衣机等常见的用电设备都通过插座连接电网的交流电，我国户用交流电都是220V50Hz，为什么要进行AC到AC的变换？如果要改变交流电的电压，为什么利用AC-AC变换器而不直接使用变压器呢？AC-AC变换与整流和逆变有什么联系呢

？本章PPT部分图片源于网络和其他文献电力电子技术AC-AC变流电路的目的改变电压/电流幅值或控制电路通断（断路幅值为0）改变电压/电流频率改变电路的相数4幅值频率相数电力电子技术AC-AC变流电路分类交流调压电路：改变电压幅值，不变频交流调功电路：改变电路功率，不变频交流电力电子开关：改变电路通断，不变频交流电力控制电路直接交交变频电路交-直-交变频电路变频电路AC-AC变流电路5电力电子技术目录：1.交流电力控制电路(1)交流调压电路(2)其他交流电力控制电路2.变频电路(1)直接交交变频电路(2)交直交变频电路电力电子技术目录：1.交流电力控制电路(1)交流调压电路(2)其他交流电力控制电路2.变频电路(1)直接交交变频电路(2)交直交变频电路电力电子技术交流电的开关控制通断AC的开关和DC的开关有什么区别呢？通断交流电的开关常用多个功率半导体开关组合而成8DC开关：单向耐压或单向通流（单象限或两象限）AC开关：双向耐压和双向通流（四象限）电力电子技术交流电的开关9全控AC开关：电压和电流完全可控半控AC开关：反并联晶闸管能控制开通，不能控制关断电路简单、成本低电压高、电流大开关速度快功能强大电力电子技术交流电的开关10半控AC开关：反并联晶闸管能控制开通，不能控制关断电路简单、成本低电压高、电流大交流调压电路：每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节输出电压有效值的电路交流调功电路：以交流电周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断态周期数的比，调节输出功率平均值的电路交流电力电子开关：串入电路中根据需要接通或断开电路的晶闸管电力电子技术目录：1.交流电力控制电路(1)交流调压电路(2)其他交流电力控制电路2.变频电路(1)直接交交变频电路(2)交直交变频电路电力电子技术单相交流调压电路——电阻负载12工作过程：在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角

进行控制就可以调节输出电压。

的移相范围为0≤

≤

，随着

的增大，Uo逐渐降低，功率因数逐渐降低负载电压有效值Uo负载电流有效值IoOu1uoiouVTwtOwtOwtOwt电力电子技术单相交流调压电路——阻感负载13工作过程：若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为

，当用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后。设负载的阻抗角为稳态时

的移相范围为

≤

≤

在

t=

时刻开通晶闸管VT1，负载电流满足以下微分方程和初始条件电力电子技术单相交流调压电路——阻感负载14在

t=

时刻开通晶闸管VT1，负载电流满足以下微分方程和初始条件解此方程，得利用边界条件电力电子技术单相交流调压电路——阻感负载15负载电压有效值Uo晶闸管电流有效值IVT负载电流有效值Io电力电子技术单相交流调压电路——阻感负载16以

为参变量，可以把

和

的关系用一簇曲线来表示电力电子技术单相交流调压电路——阻感负载17

<

时电路也能工作VT1的导通时间超过

触发VT2时，io尚未过零，VT1仍导通，VT2不会导通，io过零后，VT2才可开通，VT2导通角小于

io有指数衰减分量，在指数分量衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长电力电子技术单相交流调压电路——例子18例6-1一单相交流调压器，输入交流电压为220V，50Hz，负载为电阻电感，其中R=8W，XL=6W。试求

=

/6、

/3时的输出电压、电流有效值及输入功率和功率因数负载阻抗及负载阻抗角分别为：开通角

的变化范围为：电力电子技术单相交流调压电路——例子19例6-1一单相交流调压器，输入交流电压为220V，50Hz，负载为电阻电感，其中R=8W，XL=6W。试求

=

/6、

/3时的输出电压、电流有效值及输入功率和功率因数①当

=

/6时，由于

<

,因此晶闸管调压器全开放，输出电压为完整的正弦波，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为功率因数为②当

=

/3时，先计算晶闸管的导通角电力电子技术单相交流调压电路——例子20例6-1一单相交流调压器，输入交流电压为220V，50Hz，负载为电阻电感，其中R=8W，XL=6W。试求

=

/6、

/3时的输出电压、电流有效值及输入功率和功率因数晶闸管电流有效值负载电流有效值功率为功率因数为电力电子技术单相交流调压电路——谐波分析21电阻负载输出电压Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt(n=3,5,7,…)(n=3,5,7,…)电力电子技术单相交流调压电路——谐波分析22基波和各次谐波的有效值(n=1,3,5,7,…)

左图为电流基波和各次谐波标么值随

变化的曲线，其中基准电流为

=0时的电流有效值阻感负载时，电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3、5、7…等次谐波。和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一些。当

角相同时，随着阻抗角

的增大，谐波含量有所减少电力电子技术单相交流调压电路——斩控式交流调压电路23用V1，V2进行斩波控制，用V3，V4给负载电流提供续流通道斩控式交流调压电路输入电压是正弦交流信号设斩波器件（V1，V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比

=ton/T

，通过改变

来调节输出电压电阻负载电源电流的基波分量是和电源电压同相位的，即位移因数为1，高次谐波用很小的滤波器即可滤除，这时电路的功率因数接近1电力电子技术三相交流调压电路——电路拓扑24星型联结支路控制三角形联结中点控制三角形联结电力电子技术三相交流调压电路——星型联结电路25分为三相三线和三相四线两种情况三相四线：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基波和3倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线。3的整数倍次谐波是同相位的，不能在各相之间流动，全部流过零线电力电子技术三相交流调压电路——星型联结电路26三相三线：带电阻负载时任一相导通须和另一相构成回路，因此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°。三相的触发脉冲依次相差120°。把相电压过零点定为开通角

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30°，因此

角的移相范围是0°~150°电力电子技术三相交流调压电路——星型联结电路27根据任一时刻导通晶闸管个数以及半个周波内电流是否连续可将0°~150°的移相范围分为如下三段a)0°≤

<60°范围内，电路处于三个晶闸管导通与两个晶闸管导通的交替状态，每个晶闸管导通角度为180°−

。

=0°时是一种特殊情况，一直是三个晶闸管导通三相中各有一个晶闸管导通，负载相电压=电源相电压两相中各有一个晶闸管导通，负载相电压=电源线电压/2两相中各有一个晶闸管导通，负载相电压=0电力电子技术三相交流调压电路——星型联结电路28b)60°≤<90°范围内，任一时刻都是两个晶闸管导通，每个晶闸管的导通角度为120°c)90°≤

<150°范围内，电路处于两个晶闸管导通与无晶闸管导通的交替状态，每个晶闸管导通角度为300°−2

，而且这个导通角度被分割为不连续的两部分，在半周波内形成两个断续的波头，各占150°−

主要谐波次数为6k±1，与三相桥一致。三相三线电路，没有3k次谐波。电感负载一般谐波更小电力电子技术三相交流调压电路——支路控制三角形联结电路29单相交流调压电路的原理和分析方法完全适用线电流中没有3k次谐波，主要谐波次数为6k±1。

相同工况下，支路控制三角形联结电路一般比星型联结电路谐波小一个典型应用是晶闸管控制电抗器(ThyristorControlledReactor,TCR)电力电子技术交流调压电路应用30灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)异步电动机启动及调速供用电系统对无功功率的连续调节高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压电力电子技术目录：1.交流电力控制电路(1)交流调压电路(2)其他交流电力控制电路2.变频电路(1)直接交交变频电路(2)交直交变频电路电力电子技术交流调功电路32和交流调压电路的电路形式完全相同，只是控制方式不同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常用于电炉的温度控制，直接调节对象是电路的平均输出功率，所以称为交流调功。时间常数往往很大，没必要对每个周期进行控制，只要以周波数为单位控制就足够了控制晶闸管导通的时刻都在电源电压过零处，负载电压电流都是正弦波电力电子技术交流调功电路33在交流电源接通期间，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如果以电源周期为基准，电流中不含整数倍频率的谐波，但含有非整数倍频率的谐波在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大不同的接通周波数与断开周波数的比值会导致不同的频谱电力电子技术交流电力电子开关34交流电力电子开关：把晶闸管反并联串入交流电路中，代替机械开关，起接通和断开电路的作用，称作交流电力电子开关优点：响应速度快，没有触点，寿命长，可以频繁控制通断通常没有明确的控制周期，只是根据需要控制电路的接通和断开。控制频度通常比交流调功电路低得多一个典型应用是晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchedCapacitor,TSC）一对反并联的晶闸管组成电力电子开关电力电子技术目录：1.交流电力控制电路(1)交流调压电路(2)其他交流电力控制电路2.变频电路(1)直接交交变频电路(2)交直交变频电路电力电子技术目录：1.交流电力控制电路(1)交流调压电路(2)其他交流电力控制电路2.变频电路(1)直接交交变频电路(2)交直交变频电路电力电子技术目录：1.交流电力控制电路(1)交流调压电路(2)其他交流电力控制电路2.变频电路(1)直接交交变频电路(2)交直交变频电路电力电子技术直接交交变频电路——单相电路38交交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率流电的变流电路，因为没有中间直流环节，因此属于直接变频电路由P组和N组反并联的晶闸管相控整流电路构成。P组工作时，负载电流io为正，N组工作时，io为负改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率

0改变变流电路的控制角

，就可以改变交流输出电压的幅值电力电子技术直接交交变频电路——单相电路39为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对

角进行调制在半个周期内让P组

角按正弦规律从90°减到0°或某个值，再增加到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uo由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波电力电子技术直接交交变频电路——单相电路整流与逆变工作状态40以阻感负载为例，二极管体现了交流电流的单方向性设负载阻抗角为

，则输出电流滞后输出电压

角，两组变流电路采取无环流工作方式t1~t3期间：io处于正半周，正组工作，反组被封锁t1~t2阶段：uo和io均为正，正组整流，输出功率为正t2~t3阶段：uo反向，io仍为正，正组逆变，输出功率为负电力电子技术直接交交变频电路——单相电路整流与逆变工作状态41t3~t5期间：io处于负半周，反组工作，正组被封锁t3~t4阶段：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正t4~t5阶段：uo反向，io仍为负，反组逆变，输出功率为负哪组变流电路工作由io方向决定，与uo极性无关变流电路工作在整流还是逆变状态，根据uo方向与io方向是否相同来确定电力电子技术直接交交变频电路——单相电路工作波形42考虑到无环流工作方式下负载电流过零的正反组切换死区时间，一周期的波形可分为6段：

第1段io<0，uo>0，为反组逆变；第2段电流过零，为切换死区；第3段io>0，uo>0，为正组整流；第4段io>0，uo<0，为正组逆变；第5段又是切换死区；第6段io<0，uo<0，为反组整流。电力电子技术直接交交变频电路——三相电路三相交交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统，三相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公共交流母线进线方式：三组彼此独立的、输出电压相位相互错开120°的单相交交变频电路构成电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上因为电源进线端公用，所以三组的输出端必须隔离主要用于中等容量的交流调速系统公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）43电力电子技术直接交交变频电路——三相电路输出星形联结方式：三组输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结因为三组输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因此用三个变压器供电构成三相变频电路的六组桥式电路中，至少要有不同输出相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回路，形成电流输出星形联结方式三相交交变频电路输入输出特性输出上限频率和输出电压谐波与单相交交变频电路是一致的总的输入电流由三个单相电路的同一相输入电流合成而得到有些谐波相互抵消，谐波种类有所减少，总的谐波幅值也有所降低44电力电子技术直接交交变频电路——三相电路输入输出特性输出上限频率和输出电压谐波与单相交交变频电路是一致的总的输入电流由三个单相电路的同一相输入电流合成而得到有些谐波相互抵消，谐波种类有所减少，总的谐波幅值也有所降低谐波频率为式中k=1,2,3,…；l=0,1,2,…

200t/ms输出电压单相输出时U相输入电流三相输出时U相输入电流200t/ms200t/ms45电力电子技术直接交交变频电路——三相电路总输入功率因数为三相电路总的有功功率为各相有功功率之和视在功率不能简单相加，而应该由总输入电流有效值和输入电压有效值来计算，比三相各自的视在功率之和要小，因此三相交交变频电路总输入功率因数要高于单相交交变频电路三相的输入位移因数与单相输出时相同，由于三个单相交交变频电路的部分输入电流谐波相互抵消，三相系统的基波因数增大，使其功率因数得以提高。功率因数低仍是三相交交变频电路的一个主要缺点46电力电子技术直接交交变频电路——矩阵式变换器矩阵式变频电路：一种斩控式直接变频电路输出电压可控制为正弦波，频率不受电网频率的限制输入电流也可控制为正弦波且和电压同相，功率因数为1，也可控制为需要的功率因数能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高矩阵式变频电路输入输出特性输出上限频率和输