1、第六章交流交流ACAC变换第六章 交流一交流（ACAC）变换AC-AC变换是一种可以改变电压大小、频率、相数的交流一交流电力变换技术。只改 变电压大小或仅对电路实现通断控制而不改变频率的电路，称为交流调压电路和交流调功电 路、或交流无触点开关。从一种频率交流变换成列一种频率交流的电路则称为交一交变频器, 它有别于交一宜一交二次变换的间接变频，是一种直接变频电路。为了解决相控式晶闸管型 交一交变频器输入、输出波形差、谐波严重的弊病，在基于双向自关断功率开关的基础上目 前正在研丸一种所谓的矩阵式变换器，它是一种具有十分优良输入、输出特性的特殊形式交 一交变频器.本章将分节介绍交流调压（交流调功或交
2、流无触点开关）、交一交变频及矩阵 式变换器的相关内容。6. 1 交流调压电路交流调压电路采用两单向晶闸管反并联（图6-1 （a）或双向晶闸（图6-1 （引），实 现对交流电正、负半周的对称控制，达到方便地调节输出交流电压大小的目的，或实现交流 电路的通、断控制。因此交流调压电路可用于异步电动机的调压调速、恒流软起动，交流负 载的功率调节，灯光调节，供电系统无功调节，用作交流无触点开关、固态继电器等，应用领 域十分广泛。(b)(A)图61 交流调床电路交流调圧电路一般有三种控制方式，其原理如图6-2所示。图62交流调压电路控制方式（1）通断控制通断控制是在交流电压过零时刻导通或关断晶闸皆使负载电
3、路与交流电源接通几个周 波，然后再断开几个周波，通过改变导通周波数与关断周波数的比值，实现调节交流电圧大 小的目的。通断控制时输出电压波形基本正弦，无低次谐波，但由于输 出电压时有时无，电压调节不连续，会分解出分数次谐波。如用于 异步电机调压调速，会因电机经常处于重合闸过程而出现大电流 冲击，因此很少采用。一般用于电炉调温等交流功率调节的场合。（2） 相位控制与可控整流的移相触发控制相似，在交流的正半周时触发导 通正向晶闸管、负半周时触发导通反向晶闸管，且保持两晶闸的移 相角相同以保证向负救输出正、负半周对称的交流电压波形。相位控制方法简单，能连续调节输出电压大小。但输出电压 波形非正弦，含有
4、丰富的低次谐波，在异步电机调压调速应用中会 引起附加谐波损耗，产生脉动转矩等.（3） 斩波控制斩波控制利用脉宽诚制技术将交流电压波形分割成脉冲列，改变脉冲的占空比即可调节 输出电压大小。斩波控制输出电压大小可连续调节，谐波含量小，基本上克服了相位及通断控制的缺点。 由于实现斩波控制的调压电路半周内需要实现较高频率的通、断，不能采用晶闸管，须采用 高频自关断器件，如GTR、GTO、MOSFET、IGBT等。实际应用中，采取相位控制的晶闸管型交流调压电路应用最广，本章将分别讨论单相及 三相交流调压电路。6.1, 1 单相交流调压电路单相交流调压电路原理图如图6 1所示，其工作情况与负载性质密切相关
5、。1.电阻性负载纯电阻负载时交流调压电路输岀电压吗、输出电流4波形如图6-3所示。电路工作过 程是:在电源电压旳正半周、移相控制角时刻，触发导通晶闸管VT.使正半周的交流 电圧施加到负载电阻上，电流、电压波形相同。当电压过零时,VT,因电流为零而关断。在控 制角为（兀+ ）时触发导通VT2，旳负半周交流电圧施加在负载上，当电压再次过零时，V T 2因电流为零而关断,完成一个周波的对称输出。 I = 0时，输出电压吗=珂最大；当0 =席时呦改变控制角a大小可获得大 小可调的交流电压输出，集波形为“缺块正弦波。正因为电压波形有缺损，才改变了输出 电压有效值,达到了调压的目的，但也因波形非正弦带来了
6、谐波问题。交流输出电压吗有效值D与控制角比的关系为 (6-1)U = j丄：sin皿）力祖=S 挡 sin.式中为输入交流电压旳的有效值。负载电流4有效值为 = %,则交流调压电路输入功率因数为P U1 U 1 . C戏-8（6-2）对图6-3所示电阻负载下输出电压吗进行谐波分析。由于正、负半波对称，频谱中将 不含宜流及偶次谐波，英富里叶级数表示为S UJ U 乜 花C 6-4）根据式（6-4） ,.4以绘出基波和各次谐波电压标么值随控制角a的变化曲线，其电 压基值取为可以看出，随C增大,波形畸变严重，谐波含量増大。由于电阻负载下电 流、电压同相位，图6-4关系也适合于电流谐波分析。综上所述，
7、单相交流调压电路带电阻性负载时，控制角比移相范围为（広），晶闸 管导通角输出电压有效值调右范帀为可以采用单窄脉冲实现有效控 制e2.电感一电阻性负载 单相交流调压电路带电感一电阻性负载及$处波形如图6 -5所示。由于电感的储能作用，负载电流力会在电源电压旳过零后再延迟一段时间后才能降为 单相交眾调压电路（fl）R蚯电流波形图6-5电感一电阻负载时，相交流调压电路（）及电压、电流波形（切式中，0】是负载电流的稳态分量，它滞后于电压一个功率因数角卩：-2为以时间常数 = % 衰减的自由分量，其初始值与（一卩）有关；-、,01、必波形如图6-5中所示。由于Q=e时= 代入这个边界条件可得0 丿 （6
8、-8）这是一个关于&的超越方程,表达了导通角日= /（，耐的关系。由于0 =篦时意味 负载电流-连续，时意味断续，因此也表达了电流连续与否的运行状态。根据 5 大小关系，日角或电路运行状态不同。1） 当55时，利用卩作参变量，可得不同负载特性下T=（卩）曲线族;如图 6-6所示。对于任一阻抗角卩的负载，当0 时日=吗= ；当G从坯至卩逐步减小 时（不包括0=晋这个点），f逐步从零增大到接近席，负载上电压有效值5也从零增大 到接近5,负载电流-断续，输出电压。为缺块正弦波，电路有调压功能，如图6-7（a） 所示。2） 当0=晋时，电流中只有稳态分:g。】，电流正弦、连续，0 = J 电路一工作
9、便进入稳态，=1,输出电压波形正弦，调压电路不起调压作用，处于“失控”状态。 此时日=/（爲耐关系如图6-6中0 = 180。的孤立点所示，波形如图6-7 （b）所示。116-S当时，空、卩与石关系3）当晋且采用窄脉冲触发时，由式（6-8）可解 出0 A兀，即每个晶闸管导通时间将超过半周期。由于反并联的 两晶闸管触发脉冲曰 2相位严格互差18 0。，故在g?到 来时VTi仍在导通，其管压降构成对VT的反向阳极电压,V二不 能导通。而当VT关断后虽使VT=反偏电压消失，但g?的窄脉 冲也已消失，VT：仍不能导通，造成外个周期内只有同一个晶闸 管VTl导通的“单管整流”状态，输出电流为单向脉冲波，
10、含有很大直流分量，如图6-7（C） 所示。这会对电机、电源变压器之类小电阻、大电感性能负载带来严重危害,此时应考虑改 用宽脉冲触发方式。图69 接三相交疣调压电路2)负载电流垠大有效值ax 当Q =观时，电流连续，为正弦波，则U _ 230厶&蹴 =4)当“ = = %，查图6-8得晶闸管电流有效值标么值呵:J5c230晶闸管电流有效值基值为严 -L后230 一询,A & 2+a)2 J(o 23)2 + (0.23)2故晶闸管电流有效值为 = Jj. = 0.31xl000=310当 = %, = %时，查图 6-6 得 0 = 12?输出电流有效值为% =越 =屈310 = 43&4电源输
11、入有功功率% = 2； = 0.23x(4384)2 = 44.21 乂 13电源侧功率因数cos 像=驚釁=glE 二 0.438视在功率230x438.46. 1. 2 三相交流调压电路工业中交流电源多为三相系统,交流电机也多为三相电机，应采用三相交流调压器实现 调压。三柑殳流调压电路与三相负载之间有多种联接方式，其中以三相Y接调压方式最为普 遍。图6 .9 Y接三相交流谓压电路1.Y型三相交流调压电路图69为Y型三相交流调压电路，这是一种最典型、最常用的三相交流调压电路，它 的正常工作须满足：1 ）三柑中至少有两相导通才能构成通路，且夷中一相为正向晶闸管导通，列一相为 反向晶闸管导通；2
12、）为保证任何情况下的两个晶闸管同时导通，应采用宽度大于60的宽脉冲（列）或双 窄脉冲来触发：3 ）从VT1到VTs相邻触发脉冲相位应互差60。为简单起见，仅分析该三相调压电路接电阻性负载（负载功率因数角俘=）时，不同触发控制角8下负载上的相电压、电流波形，如图6- 1 0所示。1） 口=0时的波形如图6-10Gr）所示。当口=0时触发导通VT,以后每隔60依次触 发导通VT2、VTs、VT、VT,、VT“在型=060区间内，比为正，匕B为负，VT 八VTe. VT：同时导通；在flj = 60120区间内，VL. VL. VT=H时导通， O由 于任何时刻均有三只晶闸管同时导通，且晶闸管全开放
13、,负载上获得全电压。各相电圧、电流 波形正弦、三相平衡。2） a = 30时波形如图610（b）所示。此时情况复杂，须分子区间分析。型=030： 2? = 0时，变正，V关断，但未到位，VT,无法导通，A 相负载电压=2型= 3060： a = 30时，触发导通T,； B相VR、C相vj均仍承受正向阳 极电压保持导通。由于VTs、VTe. VTi同时导通，三相均有电流，此子区间内A相负载电出副=勺1（电源相电压）。3aj = 6090祖= 60。时，叫过零，V关断;VT：无触发脉冲不导通，三相中仅VTe. VT.导通。此时线电压血施加在兄、尼上,故此子区间内A相负载电压 叫产 吆。4型=901
14、20： a = 90时，VT?触发导通，此时VL. v、VT?同时导通, 此子区间内A相负载电压 临=%5型= 1201了0：型= 120时，以E过零,八关断：仅VT、VT?导通，此子区间内A相电压皿一型=150180：型=1 了0时,VT,触发导通，此时VTi、VT=. VT,同时导通，此 子区间内A相电压出副=勺1。负半周可按相同方式分子区间作出分析，从而可得如图（b）中阴影区所示一个周波的A 相负载电压翼M波形。A相电流波形与电压波形成比例。3）用同样分析法可得a=60 90、120时A相电压波形，如图6-1 0（c）、（rf）、 （e）所示。a1500时，因幻6 0) 要求移相范用为1
15、5 0。晶闸管承受峰值电压为 凤.三相 负载 型C/ind 0*iTi电 rt w 90* n I20-n - IfiO* EH r r 30* 0 6护rt w 0* 20* RO*4/、i 小 2ill DrzjC7电90a = 12护 2）俨 JK rVx ri ，/ 适用于输出接变乐器初级、 变压器次级为低电压大电流的 负载。实际上也是三个敢相调压器 组合而成。毎相电流波形与敢 相交流调圧器相同，其线电流 -次谐波分S为零。烛发移相范用为180晶闸管承受峰值电压为负载必须为三个可拆开的笊 相负栽.故应用较少。由三个晶闸管组成，线路简 笊，节约晶闸管元件0三相负载必须为可拆开的 个负载组
16、成.品闸管放在负栽 后ifiL可减小电网浪涌电压的 冲击。电流波形存在正负半周不对 称的情况，谐波分fi大,对通讯 干扰大，増加r对滤波的要求。移相范用为2 10。晶闸管承受峰值电压为 忑5SI6-11 116-2( fl) ils 断方式下电阴负载竜流频诸只用三个晶闸管和三个二极 管组成，简化控制，降低成木。每相中电尿和电流正负半波 不对称。电路谐波分大除有奇次 谐波外，还有偶次谐波，使电动 机输出转矩减小，对通讯等干 扰大。移相范用2 10品闸管承受 峰值电斥为忑适用于调斥范用不大，小容 fi场合。6,1.3其他交流电力控制电路当交流调压电路采用通断控制时,还可以实现交流调功和交流无触类开
17、关的功能。1.交流调功电路采用交流调压电路，在交流电压过零时刻将负载与电源接通几个周波再断开几个周波， 实现交流电压的整周波通断控制。通过改变接通周波数与断开周波数的比例，实现负载平均 功率的调i芋，称为交流调功电路，其控制思想如图6-2 (a)所示。由于晶闸管导通都在电源电压过零时刻，这样负载电压、电流均为完整正弦波，不会对 电网产生高、低次谐波的污染。但是可以以导通打关断总时间为周期分解出分数次谐波来, 因而从严格意义上讲还是有一定的谐波干扰，如图6- 1 1为图6-2(a)通、断周波数下(通二 个周波、断一个周波)电阻性负载中电流频谱，图中4为上次谐波有效值，4税为导通时 负载电流幅值。
18、可以看出，电流中不含整数倍电源频率的谐波,但含有非整数倍频率谐波， 且在电源频率附近非整数借频率谐波含量较大。如前所叙,这种调功电路主要用于电炉的温度控制。2.交流无触点开关如果将反并联的两单向晶闸管或单只双向晶闸管串入交流电路，代替机械开关起接通 和关断电路的作用,就构成了交流无触点开关。这种电力电子开关无触点，无开关过程的电 弧，响应快，其工作频率比机械开关高，有很多优点。但由于导通时有管压降,关断时有阳极 漏电流，因而还不是一种理想的开关，但已显示出其广泛的应用前景。交流无触点开关主电路与交流调压电路相同，但其开通与关断是随机的，可以分为任意 接通模式和过零接通模式。前者可在任何时刻使晶
19、闸管触发导通，后者只能在交流电源电压 过零时才能触发晶闸管，丙而有一定开通时延，如50Hz交流电网中，最大开通时延约10加So关断时，由于晶闸管的掣住特性，不能在触发脉冲封锁时立即关断：感性负载又要等到电 流过零时才能关断,均有一宦关断时延。图6-12（召）是一种简单交流无触点开关。当控制开关K闭合时，电源旳正、负半周分 别通过二极管VD1、VD=和K接通晶闸管VTi、VT=的门极，使相应晶闸管交替导通。如 果K断开，晶闸管因门极开路而不能导通,相当交流电路关断。图6-12晶闸管交流电力开关采用双向晶闸管作交流无触点开关电路如图6-12（6）所示。在控制开关K闭合时, 电源 旳正半周双向晶闸管
20、VT以I 方式触发导通，电源负半周时以【II方式触发导通，负载 上因此而获得交流电能。如果K断开，VT因门极开路而不能导通，负载上电压为零，相当 交流开关断开。6.2 交一交变频电路交一交变频电路是一种可直接将某固立频率交流交换成可调频率交流的频率变换电路, 无需中间直流环节。与交一直一交间接变频相比，提高了系统变换效率。又由于整个变频电 路宜接与电网相连接，各晶闸管元件上承受的是交流电压，故可采用电网电压自然换流，无 需强迫换流装置，简化了变频器主电路结构，提高了换流能力。交一交变频电路广泛应用于大功率低转速的交流电动机调速转动,交流励磁变速恒频发 电机的励磁电源等。实际使用的交一交变频器多
21、为三相输入一三相输出电路，但其基础是三 相输入一单相输出电路，因此本节首先介绍单相输出电路的工作原理、触发控制、四象限运 行特性，输入、输出特性等;然后介绍三相输出电路结构、输入、输岀特性及其改善措施;最 后对于一种新型的绿色变频电路一-矩阵式交一交变换器作出介绍，使读考了解交一交变频 技术的最新发展动向。6. 2. 1三相输入一单相输出交一交变频电路1.基本工作原理三相输入一单相输出交一交变频器原理如图6- 1 3所示，它是由两组反并联的三相晶闸 管可控整流桥和单相负载组成。其中图（a）接入了足够大的输入滤波电感,输入电流近似 矩形波，称电流型电路：图（方）则为电压型电路，其输岀电压可为矩形
22、波、亦可通过控制 成为正弦波。图（C）为图（6）电路输出的矩形波电压，用以说明交一交变频电路的工作原理。 当正组变流器工作在整流状态时、反组封锁，以实现无环流控制，负载Z上电压吗为上（+）、下（-）;反之当反组变流器处于整流状态而正组封锁时，负载电压o为上（一、下（+ ）, 负载电压交变。若以一；频率控制正、反两组变流器交替工作（切换），则向负载输出交流电 压的频率/就等于两组变流器的切换频率，而输出电压吗大小则决泄于晶闸管的触发角777厂EfH /,(IIiff!2f(b)1 正-%(c)图6-1 3 三相输入一单相输岀交一交变频器廉理图交一交变频电路根据输出电压波形不同可分为方波型和正弦波
23、型。方波型控制简单正、 反两桥工作时维持晶闸管触发角a恒崔不变，但幷输出波形不好，低次谐波大，用于电动 机迴速传动时会增大电机损耗，降低运行效率，特别增大转矩脉动，很少采用。因此以下仅 讨论正弦型交一交变频电路。2.工作状态三相一单相正弦型交一交变频电路如图6-14所示,它由两个三相桥式可控整流电路构 成。如果输出电压的半周期内使导通组变流器晶闸管的触发角变化，如从0 =90逐渐减小到，然后再逐渐增大到c二9 0。，则相应变流器输出电压的平均值就可以按正弦规律从 零变到最大、再减小至零，形成平均意义上的正弦波电斥波形输出，如图6-16中所示。可 以看出，输出电压的瞬时值波形不是平滑的正弦波,而
24、是由片段电源电压波形拼接而成。在一 个输出周期中所包含的电源电压片段数越多，波形就越接近正弦，通常要采用六脉波的三相 桥式电路或十二脉波变流电路来构成交一交变频器。（35外er圉&15交一交变频电略工作状态yv(a)5aB:(b)(C)fig(d)、n国16正弦型交一交变频器输出电压波形在无环流工作方式 时，变频电路正、反两组 变流器轮流向负载供电。 为了分析两组变流器的 工作状态，忽略输出电 压、电流中的高次谐波, 因此可将图6-14电路 等效成图6-15 （a）所示 理想形式，英中交流电源 表示变流器输出的基波 正弦电压,二极管体现电 流的单向流动特征，负载 Z为感性，负载阻抗（功 率因数
25、）角为J图6-1 5（厉给出了 一个周期内负载电压 吗、负载电流4波形， 正、反两组变流器的电压 知、咖和电流小跖 组变流器的工作状态。如 载电流的正半周以及正、反两 图所示，在负区间，正组变流器导通,反组变流器被封锁。在（区间，正组变流器导通后 输出电压、电流均为正，故正组变流器向外输出功率，工作于整流状态：在（2-5）区间， 负载电流方向不变，仍是正组变流器导通，输岀电压却反了向，因此负载向正组变流器反馈 功率，正组变流器工作于逆变状态。在（4迅区间，负载电流反向，反组变流器导通、 正组变流器被封锁，负载电圧、电流均为负，故反组变流器处于整流状态。在（区 间，电流方向不变，仍为反组导通，但
26、输出电压反向，反组变流器工作在逆变状态。从以上分析可知,交一交变频电路中，正-反组变流器的导通由电流方向来决定，与电 压极性无关;每组变流器的工作状态（整流或逆变），则是由输出电压与电流是否同极性来决3.输出电压波形正弦型交一交变频电路实际输出电斥波形如图676所示，图（分别表示了正、反 组变流器不同工作状态。图（4）表示正组变流器工作,A点处其晶闸皆触发角I勺=,平均电圧S最大。随着 吗的增大，S值减小，当0*=%时，5 = 0。半周内平均输出电压如图中虚线所示，为 一正弦波。由于整流电压波形上部包帀的而枳比下部而积大总的功率为正.从电源供向负 载,此时正组变流器工作在整流状态。图6-1 6
27、 正弦型交一交变频器输出电压波形图（0）仍为正组变流器工作，但触发角 吗在 间变化，变流器输出平均电压为负值。由于整流电压波形下部包用的而积比上部大,总的功率为负，从负载流向电源, 此时正组变流器工作在逆变状态。态，总的功率由电源输向负载；当 販 馈功率。图（C）、（d）为反组变流器工作。当其触发角张V%时，反组变流器处于整流状 %时，反组变流器处于逆变状态，负载将向电源反如果改变口厂 如的变化范用（调制深度），使它们在范闱内调ij,输出 平均电压正弦波幅值也会改变，从而达到调压目的。由此得出结论：正弦波交一交变频电路是由两组反并联的可控整流器组成，运行中正、 反两组变流器的C角要不断加以调制
28、，使输出电压为正弦波；同时，正、反组变流器也需按 规定频率不停地进行切换，以输出频率可变交流。4 .余弦交点控制法要实现交一交变频电路输出电压波形正弦化，必须不断改变晶闸管的触发角，其方 法很多，但应用最为广泛的是余弦交点控制法。该方法的基本思想是使构成交一交变频器的 外可控整流器输出电压尽可能接近理想正弦波形，使实际输出电压波形与理想正弦波之间的 偏差最小。图6-17为余弦交点法波形控制原理图。交一交变频电路中任一相负载在任一时刻都 要经过一个正组和一个反组的整流器接至三相电源，根据导通晶闸管的不同,加在负载上的 瞬时电压可能是 %、a、%、%、%、竝。六种线电压，它们在相位上互差60%如用 珂兔来表示时，则有眄=/2C7 sin （Bi
