第6章 交流交流变流电路
华中科技大学电力电子学幻灯片——交流-交流变换器
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）第6 章交流-交流变换器6交流-交流变换器6.0 引言6.1 晶闸管交流电压控制器的类型6.2 单相交流电压控制器6.3 三相全波交流电压控制器*6.4 变压器抽头电压控制器*6.5 晶闸管相控交流/交流直接变频器*6.6 矩阵式交流/交流变频器6.7 本章小结本章主要讲述交流-交流变流电路把一种形式的交流电变成另一种形式交流电的电路交流电压控制器频率不变，仅改变电压大小交流调压电路相位控制交流调功电路通断控制变频器实现频率变换亦可改变电压大小交交变频直接交直交变频间接⏹采用晶闸管作开关器件时，依靠交流电源瞬时值过零及反向来关断晶闸管。
晶闸管开关器件的开通则可采用移相控制，改变控制角调控变换器输出电压的大小。
⏹单相电压控制器常用于小功率单相电动机、照明和电加热控制，三相交流-交流电压控制器的输出是三相恒频变压交流电源，通常给三相交流异步电动机供电，实现异步电动机的变压调速，或作为异步电动机的启动器使用。
6.0 引言6.1 晶闸管交流电压控制器的类型6.1.1 单相全控6.1.2 带中线星形联结6.1.3 无中线的三相连接6.1.4 三角形联结的控制器si tV v s s ωsin 2=Roi +-ov 1T 4T （a ）单相全控通态时：)()(t v t v S O =断态时：)(=t v O 两个反并联开关器件负载电压、负载功率的大小由控制角a 确定6.1.1 单相全控si V1T 4T 3T 6T 5T 2T （b ）带中线星形联接90=a 时，中线电流约等于相电流三个单相交流电压控制器可组合成带中线的三相交流电压控制器缺点中线电流大6.1.2 带中线星形联结si 'V （c ）无中线的三相联接输入电流中没有3次及3的倍数次谐波电流6.1.3 无中线的三相连接Nv ANv BNv CNi Ai Bi CBACZ LZ LT1T4T6T3Z LT2T5(d) Δ联接的交流电压控制器只适用于允许断开6根出线端子的三角形负载6.1.4 三角形联结的交流电压控制器6.2 单相交流电压控制器6.2.1 电阻负载6.2.2 电阻、电感性负载*6.2.3 PWM交流电压控制器利用傅立叶级数可求出基波及各次谐波。
第六章交流交流(ACAC)变换
第六章交流—交流(AＣ—ＡＣ）变换AC—ＡC变换是一种可以改变电压大小、频率、相数的交流—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另一种频率交流的电路则称为交—交变频器，它有别于交—直—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—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究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—交变频器。
本章将分节介绍交流调压（交流调功或交流无触点开关）、交—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（b)），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。
图6-１交流调压电路交流调压电路一般有三种控制方式,其原理如图6－2所示。
图6-2 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管，使负载电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，实现调节交流电压大小的目的。
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,以保证向负载输出正、负半周对称的交流电压波形。
电力电子复习资料
湖北理工学院电气学院电力电子复习课第一章绪论BY 12自动化张一鸣1、电力电子技术的概念定义:电力电子技术——应用于电力领域的电子技术,使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术.电力电子技术主要用于电力变换。
分为信息电子技术（信息处理）和电力电子技术（电力变换）。
2、电力变换通常可分为哪四大类？电力变换通常可分为四大类：交流变直流（整流）、直流变交流（逆变）、交流变交流（变频、变压）、直流变直流（斩波）。
第2章电力电子器件1、电力电子器件的概念电力电子器件：是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。
2、电力电子器件的分类按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度分类：1.半控型器件，例如晶闸管;2.全控型器件，例如GTO(门极可关断晶闸管)、GTR(电力晶体管)，MOSFET(电力场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管);3.不可控器件，例如电力二极管;按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分类：1.电压驱动型器件，例如IGBT、MOSFET、SIT(静电感应晶闸管);2.电流驱动型器件，例如晶闸管、GTO、GTR;根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的有效信号波形分类：1.脉冲触发型，例如晶闸管、GTO;2.电子控制型，例如GTR、MOSFET、IGBT;按照电力电子器件内部电子和空穴两种载流子参及导电的情况分类：1.单极型器件，例如电力二极管、晶闸管、GTO、GTR;2.双极型器件，例如MOSFET、IGBT;3.复合型器件，例如MCT(MOS控制晶闸管);3、晶闸管的导通条件、关断条件、维持导通条件使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。
或：uAK>0且uGK>0。
使导通了的晶闸管关断的条件是使流过晶闸管的电流减小至一个小的数值，即维持电流IH一下。
维持晶闸管导通的条件是，晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。
电力电子技术课后答案精简版
IDVT＝Id∕3＝23.4∕3＝7.8（A）
IVT＝Id∕ ＝23.4∕ ＝13.51（A）
14．单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，E=40V，U2=100V，LB=0.5mH，当=60时求Ud、Id与的数值，并画出整流电压ud的波形。
解：考虑LB时，有：
解：ud、id、iVT、iD的波形如下图：
负载电压的平均值为：
＝67.5（V）
负载电流的平均值为：
Id＝Ud∕R＝67.52∕2＝33.75（A）
流过晶闸管VT1、VT2的电流有效值为：
IVT＝ Id＝19.49（A）
流过二极管VD3、VD4的电流有效值为：
IVD＝ Id＝27.56（A）
11．三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5Ω，L值极大，当=60时，要求：
24．整流电路多重化的主要目的是什么？
答：整流电路多重化的目的主要包括两个方面，一是可以使装置总体的功率容量大，二是能够减少整流装置所产生的谐波和无功功率对电网的干扰。
25．12脉波、24脉波整流电路的整流输出电压和交流输入电流中各含哪些次数的谐波？
答：12脉波电路整流电路的交流输入电流中含有11次、13次、23次、25次等即12k1、（k=1，2，3···）次谐波，整流输出电压中含有12、24等即12k（k=1，2，3···）次谐波。
《电力电子技术》第五版机械工业出版社
课后习题答案
第二章电力电子器件
1.使晶闸管导通的条件是什么？
答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或：uAK>0且uGK>0。
2.维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？
第5讲 ACAC电路
Z 2U 1
=0
/(° )
120
160 180
单相交流调压电路为参变量时I VTN和关系曲线
第六讲 交流-交流变换电路 11
相控式单相交流调压电路
阻感负载
窄脉冲触发（0<< 时） VT1持续导通时，VT2不通; VT1关断 后，ug2消失，VT2仍不通。 输出电压不对称，含直流分量 宽脉冲触发（0<< 时） 实际上VT1，VT2均导通180，u为完 整的正弦波，只要α< φ ，u不受α影 响，失控。
d( t )
2
U1 2 Z
sin cos(2 ) cos
第六讲 交流-交流变换电路 10
相控式单相交流调压电路
负载电流有效值: I 0 2 IVT
IVT的标么值: IVTN IVT
0.5 0.4 IVTN 0.3 0.2 0.1 0 40 80
零线
17
三相交流调压电路
星形(Y)联结电路: 三相三线—将三相四线中的零线去掉 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° 相电压过零点定为的起点， 角移相范 围是0~150°
Z R 2 L
2
式中
,θ为晶闸管导通角
tg
利用边界条件：ωt = a +θ时io =0,可求得θ：
sin( ) sin( )e
VT2导通时，上述关系完同，只是io极性相反，相位差180°
第六讲 交流-交流变换电路 8
相控式单相交流调压电路
电力电子技术基础 第6章 AC-AC变换-交流调压和交交变频器
图6-1 单相交流调压电路（电阻式负载）
第6章 AC/AC变换——交流调压和交交变频器
u1
2、单相交流调压电路 （阻感式负载）
0j a
p
2p
wt
波形与工作原理
VT1
i0
VT2
R i2
~u1
u0
L
uG uG1
uG2
0
wt
u0
0j a
p
p+ a
wt
i00wtqFra bibliotekuVT
0
wt
图6-2 阻感负载电路波形
第6章 AC/AC变换——交流调压和交交变频器
电力电子技术课程讲座
第6章 AC/AC变换——交交变流电路 6.1 概述
交流-交流变流电路（AC/AC Converter）即把一种形式的交流变成另一种形式 交流的电路。在进行AC-AC变流时，可改变相应的电压(电流)、频率和相数等。
交流-交流变换电路可以分为直接方式（即无中间直流环节）和间接方式（有中 间直流环节）两种。
+
p
a p
第6章 AC/AC变换——交流调压和交交变频器
2、单相交流调压电路 （电阻式负载）
1.0
功率因数 λ
0.8
P U0I0 U0 sin 2a + p a
S U1I0 US
2p
p
✓ α越大，输出电压越低，功率因数也越低。 ✓ 移相范围： ✓ 图中输出电压虽是交流，但不是正弦波，没有偶次谐
O
✓
时刻，开通VT2，此时i2流过负载，u0 = u1；
✓在
期间，无VT通，由相应的VT承担u0电压，u0 = 0。
p+a
电力电子技术复习题四到九章知识点
第四章课后题：1、无源逆变和有源逆变电路有什么不同？答：与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。
当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有缘逆变。
当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。
2、换流方式有哪几种？各有什么特点？答：器件换流:利用全控型器件的自关断能力进行换流称为器件换流。
电网换流:由电网提供换流电压称为电网换流。
负载换流:由负载提供换流电压称为负载换流。
凡是负载电流的相位超前于负载电压的场合,都可以实现负载换流.当负载为电容性负载时,就可实现负载换流。
3、什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各有什么特点？电压型逆变电路：直流侧是电压源或直流侧并联一个大电容。
特点:①直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。
直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。
②由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。
而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。
③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。
为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。
电流型逆变电路：直流侧是电流源或直流侧串联一个大电感。
特点：①直流侧串联大电感，相当于电流源。
直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。
②电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。
而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。
③当交流侧为阻抗负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。
因为反馈无功能量时直流电流并不方向，因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。
4、电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？答：1）在电压型逆变电路中，当交流侧为阻感负载时，需要提供无功功率。
直流侧电容起缓冲无功能量的作用。
为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管，当输出交流电压和电流的极性相同时，电流经电路中可控开关器件流通，而当输出电压电流极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。
第6章 交流-交流变换电路
周波变换器
6-1 交流电压控制电路
典型应用
1 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制) 2 异步电动机软起动 3 小型异步电动机调压调速 4 供用电系统对无功功率的连续调节 5 加热炉温度控制
6-1 交流电压控制电路 6-1-1 单相交流调压 控制方式： 1.通断控制
2.相位控制
6-1-1 单相交流调压
电力电子开关应用例
无功补偿装置—晶闸管投切电容器（TSC： Thyristor Switched Capcitor）中利用晶闸管 实现补偿电容的投入与切除，实现输入功率 因数在期望值附近。
TSC单相主电路
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6-2 相控交交变频电路 6.2.1 单相交-交变频电路
1) 基本结构与工作原理
将两个相控整流电路反并联并控制它们分 时向负载供电，则可在负载上获得交流电
Y 三相四线联接（ N 联接） 三角形联接（ D联接）
三相四线联接、三角形联接三相交流调压 可看作是三个单相交流调压电路的组合,可 仿照单相交流调压方法进行控制.
6-1-2 三相交流调压
中线上 是否存 在电流?
6-1-2 三相交流调压
三相三线联接（Y 联接） 工作原理
1 由于没有零线，每相 电流必须和另一相构成 回路.与三相全控桥整 流电路一样，应采用宽 脉冲或双窄脉冲触发。
接线复杂，使用的晶闸管较多
受电网频率和变流电路脉波数的限制 输出频率较低，输出电压谐波成分大 采用相控方式，输入功率因数较低
交-交变频器主要用于500kW以上，转速在 600r/min以下的大功率、低转速的交流调 速装置中。它既可用于异步电动机传动，也 可用于同步电动机传动。
6-2-2 三相交交变频电路
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e sin( 0.6435) sin( 0.6435)
tan
3
3
解上式可得晶闸管导通角为：
2.727 156.2
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6.1.1 单相交流调压电路
IVT
U1
2 Z
sin cos(2 ) cos
220 2.727 sin 2.727 cos(2 3 0.6435 2.727 )
图6-9 三相交流调压电路 a)星形联结 b)支路控制三角形联结 c)中点控制三角形联结
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6.1.2 三相交流调压电路
■星形联结电路
◆分为三相三线和三相四线两种情况。
◆三线四相
☞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，
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6.1.2 三相交流调压电路
√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°-。
☞谐波分析
√电流谐波次数为6k±1(k=1，2，
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。
☞当=90°时，零线电流甚至和各相电流
的有效值接近。
◆三相三线带电阻负载时的工作原理
☞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。
图6-9 a)星形联结
☞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°。
图6-9 三相交流调压电路 b)支路控制三角形联结
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6.2 其他交流电力控制电路
6.2.1 交流调功电路 6.2.2 交流电力电子开关
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6.2.1 交流调功电路
uo
导通段
=
2N M
☞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。
◆基本的数量关系
u1
☞负载电压有效值Uo
O
wt
Uo
1
2U1 sinwt 2 dwt U1
1 sin 2
2
(6-1)
uo O
☞负载电流有效值Io
wt
Io
Uo R
(6-2)
io
☞晶闸管电流有效值IVT
(6-10) (6-11)
图6-4 单相交流调压电路为参变量时IVTN和关系曲线 8/53
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6.1.1 单相交流调压电路
◆<时的工作情况 ☞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
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6.1.2 三相交流调压电路Leabharlann ☞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°。 ☞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
2
d(w t )
U1 sin cos(2 )
(6-9)
2 Z
c os
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6.1.1 单相交流调压电路
☞负载电流有效值Io ☞晶闸管电流IVT的标么值
式中Z R2 (wL)2
Io 2IVT
I VTN I VT
Z 2U1
◆基本的数量关系 ☞负载电压有效值Uo
Uo
1
(
2U1 sin wt)2 d (wt)
U1
1 sin 2 sin(2 2 )
2
(6-8)
☞晶闸管电流有效值IVT
图6-3 单相交流调压电路以 为 参变量的和关系曲线
I VT
1
2
2U1 Z
sin(wt
)
sin(
wt
)e tg
◆工作原理 ☞用V1，V2进行斩波控制，用V3，u1
V2 VD2
V3
VD4
R
uo
VD3 V4 L
V4给负载电流提供续流通道。
☞设斩波器件（V1，V2）导通时
图6-7 斩控图 式4交-7流调压电路
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，电源电
In/I*/%
(6-14)
100
80
基波
60
40
3次
20
5次
7次
0 60 120 180
触发延迟角/( °) 图6-6 电阻负图载4单-6相交流调 压电路基波和谐波电流含量
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6.1.1 单相交流调压电路
■斩控式交流调压电路
VD1 V1 i1
解：负载阻抗及负载阻抗角分别为：
Z
R2
X
2 L
10
arctan(X L ) arctan(6) 0.6435 36.87
R
8
因此开通角的变化范围为：
即 0.6435
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
Iin
1)
n
1 sin(n 1
1)
(n=3,5,7,…)
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6.1.1 单相交流调压电路
基波和各次谐波的有效值可按下式求出
Uon
1 2
an2 bn2
负载电流基波和各次谐波的有效值为
(n=1,3,5,7,…)
(6-13)
Ion Uon / R
■直接方式 ◆交流电力控制电路：只改变电压、电流或对电路的通 断进行控制，而不改变频率的电路。 ◆变频电路：改变频率的电路。
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6.1 交流调压电路
6.1.1 单相交流调压电路 6.1.2 三相交流调压电路
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I0
220 Z
22( A)
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6.1.1 单相交流调压电路
Pin
I
2 in
R
3872 (W )
功率因数为
Pin 3872 0.8
U1Io 220 22
实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦。
② 时，先计算晶闸管的导通角，由式（6-7）得 3
☞在wt=时刻开通晶闸管VT1，可求得导
通角，即
sin( ) sin( )e tg (6-7)
图6-2 阻感负载单相交流 调压电路及其波形
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6.1.1 单相交流调压电路
以为参变量，利用式(6-7)可以把和 的关系用图6-3的一簇曲线来表示。
通时间渐长。
u1
O
wt
iG1
O
iG2
O io
iT1
wt wt
O
wt
iT2
图6-5 <时阻感图负4载-5交流调压电路工作波形
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6.1.1 单相交流调压电路
◆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=8Ω，XL=6Ω 。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。
式中
an
uo (wt) (an cos nw t bn sin nw t) n 1, 3,5,
(6-12)
a1
2U1 (cos 2 1) 2
b1
2U1 sin 2 2( )
2
2U1
n
1
1
cos(n
1)
1
n
1
1
cos(n
1)
1
(n=3,5,7,…)
bn
2U1
n
1
1
sin(n
6.1 交流调压电路·引言
■把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就 可以控制交流输出。
■交流电力控制电路 ◆交流调压电路：在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：以交流电的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。
3，…)。
√谐波次数越低，含量越大。
图6-10 不同角时负载相电压波形 c)=120°
√和单相交流调压电路相比，没有
3倍次谐波，因为三相对称时，它们