1、6.1 交流調壓電路 交流調壓電路采用兩單向晶閘管反并聯（圖6-1(a)）或雙向晶閘（圖6-1（b），實現對交流電正、負半周的對稱控制，達到方便地調節輸出交流電壓大小的目的，或實現交流電路的通、斷控制。因此交流調壓電路可用于異步電動機的調壓調速、恒流軟起動，交流負載的功率調節，燈光調節，供電系統無功調節，用作交流無觸點開關、固態繼電器等，應用領域十分廣泛。圖6-1 交流調壓電路交流調壓電路一般有三種控制方式，其原理如圖6-2所示。圖6-2 交流調壓電路控制方式（1）通斷控制通斷控制是在交流電壓過零時刻導通或關斷晶閘管，使負載電路與交流電源接通幾個周波，然后再斷開幾個周波，通過改變導通

2、周波數與關斷周波數的比值，實現調節交流電壓大小的目的。通斷控制時輸出電壓波形基本正弦，無低次諧波，但由于輸出電壓時有時無，電壓調節不連續，會分解出分數次諧波。如用于異步電機調壓調速，會因電機經常處于重合閘過程而出現大電流沖擊，因此很少采用。一般用于電爐調溫等交流功率調節的場合。（2）相位控制與可控整流的移相觸發控制相似，在交流的正半周時觸發導通正向晶閘管、負半周時觸發導通反向晶閘管，且保持兩晶閘的移相角相同，以保證向負載輸出正、負半周對稱的交流電壓波形。相位控制方法簡單，能連續調節輸出電壓大小。但輸出電壓波形非正弦，含有豐富的低次諧波，在異步電機調壓調速應用中會引起附加諧波損耗，產生脈動轉矩等

3、。（3）斬波控制斬波控制利用脈寬調制技術將交流電壓波形分割成脈沖列，改變脈沖的占空比即可調節輸出電壓大小。斬波控制輸出電壓大小可連續調節，諧波含量小，基本上克服了相位及通斷控制的缺點。由于實現斬波控制的調壓電路半周內需要實現較高頻率的通、斷，不能采用晶閘管，須采用高頻自關斷器件，如GTR、GTO、MOSFET、IGBT等。實際應用中，采取相位控制的晶閘管型交流調壓電路應用最廣，本章將分別討論單相及三相交流調壓電路。  單相交流調壓電路單相交流調壓電路原理圖如圖6-1所示，其工作情況與負載性質密切相關。1電阻性負載純電阻負載時交流調壓電路輸出電壓、輸出電流波形如圖6-3所示。電路工作過

4、程是：在電源電壓正半周、移相控制角時刻，觸發導通晶閘管VT1，使正半周的交流電壓施加到負載電阻上，電流、電壓波形相同。當電壓過零時，VT1因電流為零而關斷。在控制角為時觸發導通VT2，負半周交流電壓施加在負載上，當電壓再次過零時，VT2因電流為零而關斷，完成一個周波的對稱輸出。當時，輸出電壓最大；當時。改變控制角大小可獲得大小可調的交流電壓輸出，其波形為“缺塊”正弦波。正因為電壓波形有缺損，才改變了輸出電壓有效值，達到了調壓的目的，但也因波形非正弦帶來了諧波問題。交流輸出電壓有效值U與控制角的關系為（6-1）式中 為輸入交流電壓的有效值。負載電流有效值為，則交流調壓電路輸入功率因數為（6-2）

5、對圖6-3所示電阻負載下輸出電壓進行諧波分析。由于正、負半波對稱，頻譜中將不含直流及偶次諧波，其富里葉級數表示為（6-3）式中 基波和各次諧波電壓有效值為（6-4）根據式（6-4），可以繪出基波和各次諧波電壓標么值隨控制角的變化曲線，其電壓基值取為。可以看出，隨增大，波形畸變嚴重，諧波含量增大。由于電阻負載下電流、電壓同相位，圖6-4關系也適合于電流諧波分析。綜上所述，單相交流調壓電路帶電阻性負載時，控制角移相范圍為，晶閘管導通角，輸出電壓有效值調節范圍為，可以采用單窄脈沖實現有效控制。2.電感電阻性負載單相交流調壓電路帶電感電阻性負載及各處波形如圖6-5所示。由于電感的儲能作用，負載電流會在

6、電源電壓過零后再延遲一段時間后才能降為零，延遲的時間與負載的功率因數角有關。晶閘管的關斷是在電流過零時刻，因此，晶閘管的導通時間不僅與觸發控制角有關，還與負載功率因數角有關，必須根據與的關系分別討論。為分析方便，將VT1導通時刻取作時間坐標的原點，這樣電源電壓可以表達為（6-5）在VT1導通的角范圍內，可寫出電路方程（6-6）在初始條件下，方程解為（6-7）式中，是負載電流的穩態分量，它滯后于電壓一個功率因數角；為以時間常數衰減的自由分量，其初始值與有關；波形如圖6-5中所示。由于時，代入這個邊界條件可得（6-8）這是一個關于的超越方程，表達了導通角的關系。由于時意味負載電流連續，時意味斷續，

7、因此也表達了電流連續與否的運行狀態。根據大小關系，角或電路運行狀態不同。1)當時，利用作參變量，可得不同負載特性下曲線族；如圖6-6所示。對于任一阻抗角的負載，當時；當至逐步減小時（不包括這個點），逐步從零增大到接近，負載上電壓有效值也從零增大到接近，負載電流斷續，輸出電壓為缺塊正弦波，電路有調壓功能，如圖6-7（a）所示。2）當時，電流中只有穩態分量，電流正弦、連續，。電路一工作便進入穩態，輸出電壓波形正弦，調壓電路不起調壓作用，處于“失控”狀態。此時關系如圖6-6中的孤立點所示，波形如圖6-7（b）所示。3) 當且采用窄脈沖觸發時，由式（6-8）可解出，即每個晶閘管導通時間將超過半周期。由

8、于反并聯的兩晶閘管觸發脈沖相位嚴格互差180o，故在到來時VT1仍在導通，其管壓降構成對VT2的反向陽極電壓，VT2不能導通。而當VT1關斷后雖使VT2反偏電壓消失，但的窄脈沖也已消失，VT2仍不能導通，造成各個周期內只有同一個晶閘管VT1導通的“單管整流”狀態，輸出電流為單向脈沖波，含有很大直流分量，如圖6-7（c）所示。這會對電機、電源變壓器之類小電阻、大電感性能負載帶來嚴重危害，此時應考慮改用寬脈沖觸發方式。 圖6-6 時關系 圖6-7 不同時波形4）當且采用寬脈沖觸發時，特別是采用后沿固定、前沿可調、最大寬度可達180o的脈沖列觸發時，可以保證反并聯的兩晶閘管均可靠導通，電流波形連續，

9、如圖6-7（d）所示。與時不同的是無論觸發角多大，晶閘管均在處導通。由于電流連續，無電壓調節功能，也處于“失控”狀態。綜上所述，交流調壓器帶電感電阻負載時，為使電路工作正常，需保證：1）；2）采用寬度大于60o的寬脈沖或后沿固定、前沿可調、最大寬度可達180o的脈沖列觸發。 三相交流調壓電路工業中交流電源多為三相系統，交流電機也多為三相電機，應采用三相交流調壓器實現調壓。三相交流調壓電路與三相負載之間有多種聯接方式，其中以三相Y接調壓方式最為普遍。1.Y型三相交流調壓電路圖6-9為Y型三相交流調壓電路，這是一種最典型、最常用的三相交流調壓電路，它的正常工作須滿足：1）三相中至少有兩相導通才能構

10、成通路，且其中一相為正向晶閘管導通，另一相為反向晶閘管導通；2）為保證任何情況下的兩個晶閘管同時導通，應采用寬度大于60o的寬脈沖（列）或雙窄脈沖來觸發；3）從VT1到VT6相鄰觸發脈沖相位應互差60o。為簡單起見，僅分析該三相調壓電路接電阻性負載（負載功率因數角）時，不同觸發控制角下負載上的相電壓、電流波形，如圖6-10所示。圖6-10 Y接三相交流調壓電路輸出電壓、電流波形（電阻負載）1）時的波形如圖6-10(a)所示。當時觸發導通VT1，以后每隔60o依次觸發導通VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。在區間內，為正，為負，VT5、VT6、VT2同時導通；在區間內，VT6、VT1、VT2

11、同時導通，。由于任何時刻均有三只晶閘管同時導通，且晶閘管全開放，負載上獲得全電壓。各相電壓、電流波形正弦、三相平衡。2）時波形如圖6-10（b）所示。此時情況復雜，須分子區間分析。：時，變正，VT4關斷，但未到位，VT1無法導通，A相負載電壓。：時，觸發導通VT1；B相VT6、C相VT5均仍承受正向陽極電壓保持導通。由于VT5、VT6、VT1同時導通，三相均有電流，此子區間內A相負載電壓（電源相電壓）。： 時，過零，VT5關斷；VT2無觸發脈沖不導通，三相中僅VT6、VT1導通。此時線電壓施加在RA、RB上，故此子區間內A相負載電壓。：時，VT2觸發導通，此時VT6、VT1、VT2同時導通，此

12、子區間內A相負載電壓。：時，過零，VT6關斷；僅VT1、VT2導通，此子區間內A相電壓。：時，VT3觸發導通，此時VT1、VT2、VT3同時導通，此子區間內A相電壓。負半周可按相同方式分子區間作出分析，從而可得如圖（b）中陰影區所示一個周波的A相負載電壓波形。A相電流波形與電壓波形成比例。3）用同樣分析法可得、時A相電壓波形，如圖6-10（c）、（d）、（e）所示。時，因，雖VT6、VT1有觸發脈沖但仍無法導通，交流調壓器不工作，故控制角移相范圍為（0150o）。當三相調壓電路接電感負載時，波形分析很復雜。由于輸出電壓與電流間存在相位差，電壓過零瞬間電流不為零，晶閘管仍導通，其導通角不僅與控制

13、角有關，還和負載功率因數角有關。如果負載是異步電動機，其功率因數角還隨運行工況而變化。 其他交流電力控制電路當交流調壓電路采用通斷控制時，還可以實現交流調功和交流無觸類開關的功能。1.交流調功電路采用交流調壓電路，在交流電壓過零時刻將負載與電源接通幾個周波再斷開幾個周波，實現交流電壓的整周波通斷控制。通過改變接通周波數與斷開周波數的比例，實現負載平均功率的調節，稱為交流調功電路，其控制思想如圖6-2（a）所示。由于晶閘管導通都在電源電壓過零時刻，這樣負載電壓、電流均為完整正弦波，不會對電網產生高、低次諧波的污染。但是可以以導通與關斷總時間為周期分解出分數次諧波來，因而從嚴格意義上講還是有一定的

14、諧波干擾，如圖6-11為圖6-2（a）通、斷周波數下（通二個周波、斷一個周波）電阻性負載中電流頻譜，圖中為次諧波有效值，為導通時負載電流幅值。可以看出，電流中不含整數倍電源頻率的諧波，但含有非整數倍頻率諧波，且在電源頻率附近非整數倍頻率諧波含量較大。如前所敘，這種調功電路主要用于電爐的溫度控制。2.交流無觸點開關如果將反并聯的兩單向晶閘管或單只雙向晶閘管串入交流電路，代替機械開關起接通和關斷電路的作用，就構成了交流無觸點開關。這種電力電子開關無觸點，無開關過程的電弧，響應快，其工作頻率比機械開關高，有很多優點。但由于導通時有管壓降，關斷時有陽極漏電流，因而還不是一種理想的開關，但已顯示出其廣泛

15、的應用前景。交流無觸點開關主電路與交流調壓電路相同，但其開通與關斷是隨機的，可以分為任意接通模式和過零接通模式。前者可在任何時刻使晶閘管觸發導通，后者只能在交流電源電壓過零時才能觸發晶閘管，因而有一定開通時延，如50Hz交流電網中，最大開通時延約10ms。關斷時，由于晶閘管的掣住特性，不能在觸發脈沖封鎖時立即關斷；感性負載又要等到電流過零時才能關斷，均有一定關斷時延。圖6-12（a）是一種簡單交流無觸點開關。當控制開關K閉合時，電源正、負半周分別通過二極管VD1、VD2和K接通晶閘管VT1、VT2的門極，使相應晶閘管交替導通。如果K斷開，晶閘管因門極開路而不能導通，相當交流電路關斷。圖6-12

16、 晶閘管交流電力開關采用雙向晶閘管作交流無觸點開關電路如圖6-12（b）所示。在控制開關K閉合時，電源正半周雙向晶閘管VT以+方式觸發導通，電源負半周時以方式觸發導通，負載上因此而獲得交流電能。如果K斷開，VT因門極開路而不能導通，負載上電壓為零，相當交流開關斷開。6.2 交交變頻電路交交變頻電路是一種可直接將某固定頻率交流交換成可調頻率交流的頻率變換電路，無需中間直流環節。與交直交間接變頻相比，提高了系統變換效率。又由于整個變頻電路直接與電網相連接，各晶閘管元件上承受的是交流電壓，故可采用電網電壓自然換流，無需強迫換流裝置，簡化了變頻器主電路結構，提高了換流能力。交交變頻電路廣泛應用于大功率

17、低轉速的交流電動機調速轉動，交流勵磁變速恒頻發電機的勵磁電源等。實際使用的交交變頻器多為三相輸入三相輸出電路，但其基礎是三相輸入單相輸出電路，因此本節首先介紹單相輸出電路的工作原理、觸發控制、四象限運行特性，輸入、輸出特性等；然后介紹三相輸出電路結構、輸入、輸出特性及其改善措施；最后對于一種新型的綠色變頻電路矩陣式交交變換器作出介紹，使讀者了解交交變頻技術的最新發展動向。 三相輸入單相輸出交交變頻電路1.基本工作原理三相輸入單相輸出交交變頻器原理如圖6-13所示，它是由兩組反并聯的三相晶閘管可控整流橋和單相負載組成。其中圖（a）接入了足夠大的輸入濾波電感，輸入電流近似矩形波，稱電流型電路；圖（

18、b）則為電壓型電路，其輸出電壓可為矩形波、亦可通過控制成為正弦波。圖（c）為圖（b）電路輸出的矩形波電壓，用以說明交交變頻電路的工作原理。當正組變流器工作在整流狀態時、反組封鎖，以實現無環流控制，負載Z上電壓為上（+）、下（-）；反之當反組變流器處于整流狀態而正組封鎖時，負載電壓為上（-）、下（+），負載電壓交變。若以一定頻率控制正、反兩組變流器交替工作（切換），則向負載輸出交流電壓的頻率就等于兩組變流器的切換頻率，而輸出電壓大小則決定于晶閘管的觸發角。圖6-13 三相輸入單相輸出交交變頻器原理圖交交變頻電路根據輸出電壓波形不同可分為方波型和正弦波型。方波型控制簡單，正、反兩橋工作時維持晶閘管

19、觸發角恒定不變，但其輸出波形不好，低次諧波大，用于電動機調速傳動時會增大電機損耗，降低運行效率，特別增大轉矩脈動，很少采用。因此以下僅討論正弦型交交變頻電路。2.工作狀態三相單相正弦型交交變頻電路如圖6-14所示，它由兩個三相橋式可控整流電路構成。如果輸出電壓的半周期內使導通組變流器晶閘管的觸發角變化，如從=90o逐漸減小到，然后再逐漸增大到=90o，則相應變流器輸出電壓的平均值就可以按正弦規律從零變到最大、再減小至零，形成平均意義上的正弦波電壓波形輸出，如圖6-16中所示。可以看出，輸出電壓的瞬時值波形不是平滑的正弦波，而是由片段電源電壓波形拼接而成。在一個輸出周期中所包含的電源電壓片段數越

20、多，波形就越接近正弦，通常要采用六脈波的三相橋式電路或十二脈波變流電路來構成交交變頻器。圖6-14 三相單相交交變頻電路  在無環流工作方式時，變頻電路正、反兩組變流器輪流向負載供電。為了分析兩組變流器的工作狀態，忽略輸出電壓、電流中的高次諧波，因此可將圖6-14電路等效成圖6-15（a）所示理想形式，其中交流電源表示變流器輸出的基波正弦電壓，二極管體現電流的單向流動特征，負載Z為感性，負載阻抗（功率因數）角為。圖6-15（b）給出了一個周期內負載電壓、負載電流波形，正、反兩組變流器的電壓和電流以及正、反兩組變流器的工作狀態。如圖所示，在負載電流的正半周區間，正組變流器導通

21、，反組變流器被封鎖。在（）區間，正組變流器導通后輸出電壓、電流均為正，故正組變流器向外輸出功率，工作于整流狀態；在（）區間，負載電流方向不變，仍是正組變流器導通，輸出電壓卻反了向，因此負載向正組變流器反饋功率，正組變流器工作于逆變狀態。在（）區間，負載電流反向，反組變流器導通、正組變流器被封鎖，負載電壓、電流均為負，故反組變流器處于整流狀態。在（）區間，電流方向不變，仍為反組導通，但輸出電壓反向，反組變流器工作在逆變狀態。從以上分析可知，交交變頻電路中，正、反組變流器的導通由電流方向來決定，與電壓極性無關；每組變流器的工作狀態（整流或逆變），則是由輸出電壓與電流是否同極性來決定。3.輸出電壓波

22、形正弦型交交變頻電路實際輸出電壓波形如圖6-16所示，圖（a）（d）分別表示了正、反組變流器不同工作狀態。圖（a）表示正組變流器工作，A點處其晶閘管觸發角，平均電壓最大。隨著的增大，值減小，當時，。半周內平均輸出電壓如圖中虛線所示，為一正弦波。由于整流電壓波形上部包圍的面積比下部面積大，總的功率為正，從電源供向負載，此時正組變流器工作在整流狀態。 圖（b）仍為正組變流器工作，但觸發角在間變化，變流器輸出平均電壓為負值。由于整流電壓波形下部包圍的面積比上部大，總的功率為負，從負載流向電源，此時正組變流器工作在逆變狀態。圖（c）、（d）為反組變流器工作。當其觸發角時，反組變流器處于整流狀

23、態，總的功率由電源輸向負載；當時，反組變流器處于逆變狀態，負載將向電源反饋功率。如果改變的變化范圍（調制深度），使它們在范圍內調節，輸出平均電壓正弦波幅值也會改變，從而達到調壓目的。由此得出結論：正弦波交交變頻電路是由兩組反并聯的可控整流器組成，運行中正、反兩組變流器的角要不斷加以調制，使輸出電壓為正弦波；同時，正、反組變流器也需按規定頻率不停地進行切換，以輸出頻率可變交流。5.輸入、輸出特性(1)輸出頻率上限交交變頻電路輸出電壓是由多段電源電壓片段“拼湊”而成。一個輸出周期內拼接的電源電壓段數越多，輸出電壓波形越接近正弦。當輸出頻率增高時，輸出電壓一周內所包含的電源電壓段數減少，波形將嚴重偏

24、離正弦，致使輸出電力諧波增加，因而限制了最高輸出頻率。由于每段電源電壓的平均持續時間決定于變流電路的脈波數，增加構成交交變頻電路的兩組變流器脈波數可改善輸出波形，提高輸出頻率上限。常用6脈波三相橋式變頻電路的上限頻率不能高于電網頻率的，約20Hz。(2)輸入功率因數由于交交變頻電路采用移相觸發控制，晶閘管換流時需要從電網吸收感性無功，致使不論負載功率因數是領先還是滯后，輸入功率因數總是滯后。圖6-19 不同下，關系 圖6-20 輸入、輸出功率因數間關系在正弦波交交變頻電路余弦交點法移相觸發控制中，期望輸出的理想正弦電壓為，每次觸發時該觸發角下輸出電壓為，為時整流電壓。當時可以確定出（6-11）

25、其中為輸出電壓比，它是一個影響輸入功率因數的重要因素。圖6-19給出了不同下，交交變頻電路輸出電壓在的一個周期內移相觸發角的變化規律，它反映了輸入功率因數的變化。越小，輸出電壓越低，半周期內平均值越接近90o，位移因數或功率因數就越低。圖6-20則給出輸入功率因數與負載功率因數間關系。可以看出，即使負載功率因數為1且滿電壓輸出，輸入功率因數也低于1。隨著負載功率因數的降低和輸出電壓比的減小，輸入功率因數將會更低。(3)輸出電壓諧波交交變頻電路輸出電壓諧波成分非常復雜，和輸入頻率、輸出頻率、電路脈波數均有關。采用三相橋式變流器的單相交交變頻電路輸出電壓中主要諧波頻率為；等等，包含有3次諧波，它們在構成三相輸出時會被抵消。如若采用無環流控制時，由于確保正、反兩橋安全切換所需死區的影響，還將出現等次諧波。(4)輸入電流諧波由于交交變頻電路輸入電流波形及幅值均按正弦規律被調制，和可控整流電路相比，其輸入電流頻譜要復雜得多。采用三相橋式變換器的單相交交變頻電路的輸入電流頻率為（6-12）和（6-13）式中 。6.2.2 三相輸入三相輸出交交變頻電路三相輸出交交變頻電路由三個輸出電壓相位互差120o的單相輸出交交變頻電路按照一定方式聯接而成，主要用于低速、大功率交