现代电源技术第5章 交流-交流变换电源
现代电力电子技术
uL
u2
E
+
-
触发电路产生的触发脉冲须满足下列要求： 足够的功率； 一定的宽度； 与主电路同步； 一定的移相范围。
产生的方式： 单结晶体管触发电路； 集成触发电路。
1
2
第3节 晶闸管触发电路
一、单结晶体管触发电路
等效电路
E
B2
B1
RB2
RB1
管内基极 体电阻
E
（发射极）
B2
（第二基极）
当 L >> R时， ILT在整个周期中可近似 看做直流。
5
晶闸管的中电流
IT =
IT =
平均值:
有效值:
晶闸管的选择
晶闸管电压 > （1.5 ~ 2）U2M
晶闸管电流
> （1.5）×
二、单相桥式半控整流电路
1、
电阻性负载桥式可控整流电路
（1）电路及工作原理
u2 > 0的导通路径：
u2 (A)
三、 特性与参数
1、特性
U
I
URSM
UFSM
URRM
IH
UFRM
IF
IG1=0A
IG2
IG3
IG3
IG2
IG1
>
>
正向
反向
2、主要参数
UFRM：
正向断态重复峰值电压。（晶闸管耐压值。 一般取 UFRM = 80% UFSM 。普通晶闸管 UFRM 为 100V~3000V）
URRM：反向重复峰值电压。（控制极断路时， 可以重复作用在晶闸管上的反向重复电 压。一般取URRM = 80% URSM。普通晶 闸管URRM为100V~3000V）
整流器-1
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）第5 章交流－直流变换器（整流器）5.0 概述5.1 整流器的类型和性能指标5.2 不控整流电路5.3 单相桥式晶闸管相控整流电路5.4 三相半波相控整流电路5.5 三相桥式相控整流电路5.6 交流电路电感对整流特性的影响*5.7 相控整流电压的谐波分析*5.8 带平衡电抗器的双三相桥12脉波整流电路5.9 相控有源逆变电路工作原理5.10 相控整流及有源逆变晶闸管触发控制5.11 含有源功率因数校正环节（PFC）的单相高频整流*5.12 三相高频PWM整流小结整流：利用半导体电力开关器件的通、断控制，将交流电能变为直流电能称为整流。
整流器：实现整流的电力半导体开关电路连同其辅助元器件和系统称为整流器。
5.1 整流器的类型和性能指标高频PWM 整流类型对AC－DC变换的基本性能要求控制响应特性整流器的基本性能指标Dnm V V /若PF小，在I 一定时，则P 小cos φνV5.2 不控整流电路在交流电源与直流负载间插入二极管电路，利用二极管的单向导电性实现交流-直流电能变换。
5.2.1 单相半波不控整流工作原理：（理想情况下） 正半周ωt = 0 ∼πD 1承受正向电压而导通v D =v s , i D =i s 负半周ωt = π ∼ 2πD 1受反压截止，阻断电路。
v D =0, i D =0若负载有电感，则i D 通过D 0续流。
v s5.2.2 两相半波不控整流（或双半波不控整流）tωsi 2D i性能优于单相半波不控整流Stωsi 2D i5.2.3 单相桥式不控整流2sin s s v V tω=si si s i、C相由三个相同的脉波组成，脉波tωO π3π−3T T 3D B i i =D电源相电压有效值O Av 537Bv Cv 2sin A s v V tω=3t ω5t ω7t ω1t ωtω23D 1D 5D 1D 3D 6D 2D 4D 6D 2D 2t ω4t ω6t ω8t ω468Bv Cv A v Bv Cv POv ONv OtωD P Nv v =AB v AC v BC v BA v CA v CB v 32sin(30)o AB s v V t ω=+60otωⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅡⅠOAi DI 脉波数m=6脉波宽60°()()()t d t V t d v V S AB D ωωπωπ°+⋅==∫∫°°°°30sin 233 3/109 03 09 03 lS l S V V V V 35.134.22363 ====ππ电源线电压有效值v sin(30sV t ω+tωO5.2.6 电容滤波的不控整流电路的脉动，改善了直流电压质量。
交流交流变换电路
1
2
t
t
t
t
u
s
i
C
u
C
VT
1
VT
2
t
t
u
VT
1
u
u
s
i
C
u
C
C
VT
1
VT
2
VT
图6-16 TSC理想投切时刻原理说明
晶闸管的投切 选择晶闸管投入时刻的原则：该时刻交流电源电压和电容器预充电电压相等，这样电容器电压不会产生跃变，就不会产生冲击电流。 理想情况下，希望电容器预充电电压为电源电压峰值，这时电源电压的变化率为零，电容投入过程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化。
本章主要讲述 交流-交流变流电路 把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路
6.1 交流调压电路
电路图
原理
两个晶闸管反并 联后串联在交流电路 中，通过对晶闸管的 控制就可控制交流电 力。
6.1 交流调压电路
应用
灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。 异步电动机软起动。 异步电动机调速。 供用电系统对无功功率的连续调节。 在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。
图6-15 TSC基本原理图 a) 基本单元单相简图 b) 分组投切单相简图
作用 对无功功率控制，可提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量。 性能优于机械开关投切的电容器。 结构和原理 晶闸管反并联后串入交流电路。 实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结。
晶闸管投切电容（Thyristor Switched——Capacitor——TSC）
三相三线
6.1.2 三相交流调压电路
6.1.2 三相交流调压电路
交流-交流变换电路
• 过载能力强 • 效率高输出波形好 • 但输出频率低 • 使用功率器件多 • 输入无功功率大
• 高次谐波对电网影响 大
• 结构简单 • 输出频率变化范围大 • 功率因数高 • 谐波易于消除
• 可使用各种新型大功 率器件
变频器
卢先胜 2009.1.1
变频器是： • 将商用交流电源通过整流回路变换成直流， • 将变换后的直流经过逆变回路变换成电压、频率可调节的交流电， • 利用交流三相异步电动机的转速与频率成正比的特点，通过改变电源的频率和幅度以达到改变
图7-4 过零触发调节周波电压的波形
调功器的输出功率
P
nT TC
Pn
调功器输出电压有效值 U
nT TC U n
设定周期Tc内导通的周波数为n，每个周
波的周期为T
22
2、交流电力电子开关
把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关 ，起接通和断开电路的作用。
■优点：响应速度快，没有触点，寿命长，可以频繁控制通 断。
三相交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。
Y0型
1、负载Y形连接带中性线的三相交流调压电路
VT1 U
VT3 V
VT5 W
N
RU
VT4 iU RV
VT6 iV RW
VT2 iW iN
VT1
4
RU
U
1
VT26
RV
V
3
W
VT3
2
RW
5
N
图54-1-47
它由3个单相晶闸管交流调压器组合而成，其公 共点为三相调压器中线，每一相可以作为一个单 相调压器单独分析，其工作原理和波形与单相交 流调压相同。
《现代电机控制技术(第2版)》第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制
ψs Lsis ψf (5-1) 电磁转矩的生成可看
成是两个磁场相互作用的 结果，可认为是由转子磁
图 5-1 面装式 PMSM 中的定子电流和磁链矢量
4
场与电枢磁场相互作用生成的。
由式(3-19)，可得
te
p0ψf
is
p0
1 Ls
ψf
(Lsis )
(5-2)
因为电枢磁场和转子磁场分别是定、转子独立励磁磁场，所以可将式（5-2）
te
p0
1 Ls
ψf
(Lsis
ψf
)
1 p0 Ls ψf ψs
根据式(5-4)，可进行直接转矩控制。
(5-4)
将式(5-4)表示为
te
p0
1 Ls
f
s
sin sf
(5-5)
在式(5-5)中，转子磁链矢量 ψf 的幅值不变，若能控制定子磁链矢
量 ψs 的幅值为常值，电磁转矩就仅与 sf 有关，sf 称负载角，通过控
(5-28)
ψs
2 D
2 Q
(5-29)
s
arcsin Q
ψs
(5-30)
式中， iD 和 iQ 由定子三相电流 iA、iB 和 iC 的检测值经坐标变换后求
得，uD 和 uQ 可以是检测值，也可直接由逆变器开关状态，利用式(4-41)
和式(4-42)求得。
22
2．电流模型
电流模型是利用式(5-16)和式(5-17)来获取 ψd 和 ψq 。 但这两个方程是以转子 dq 轴系表示的，必须进行坐标变换， 才能由 iD 和 iQ 求得 id 和 iq，这需要实际检测转子位置。
图 5-2 中，定子 磁链矢量 ψs 为
电力变换的四大类型
电力变换的四大类型在现代电力系统中，电力变换是一项至关重要的技术，它可以将电能从一种形式转换为另一种形式，以满足不同电气设备的需求。
电力变换可以分为四种类型，分别是直流到直流（DC-DC）变换、交流到直流（AC-DC）变换、直流到交流（DC-AC）变换和交流到交流（AC-AC）变换。
一、直流到直流（DC-DC）变换直流到直流变换，顾名思义，就是将直流电源转换为不同的直流电压和电流。
由于直流电压不能直接被改变，因此需要采用电力变换技术来实现这一转换。
直流到直流变换可以分为降压变换、升压变换、反相变换和隔离变换等不同类型。
二、交流到直流（AC-DC）变换交流到直流变换是将交流电源转换为直流电源，也称为整流器。
它可以将交流电压和电流转换为具有恒定电压和电流的直流电源。
交流到直流变换可以分为单相半波整流、单相全波整流、三相半波整流和三相全波整流等不同类型。
三、直流到交流（DC-AC）变换直流到交流变换是将直流电源转换为交流电源，也称为逆变器。
它可以将直流电压和电流转换为具有可调频率和电压的交流电源。
直流到交流变换可以分为单相半桥逆变、单相全桥逆变、三相半桥逆变和三相全桥逆变等不同类型。
四、交流到交流（AC-AC）变换交流到交流变换是将一个交流电源转换为另一个交流电源，它可以改变电源的电压、频率和相位等参数。
交流到交流变换可以分为变压器变换、相位控制变换和频率控制变换等不同类型。
在现代电力系统中，电力变换技术已经成为不可或缺的一部分，它能够实现电能的高效转换和传输，使得电气设备能够更加灵活和高效地工作。
因此，了解电力变换的四大类型对于电气工程师和电力工作者来说是非常重要的。
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
单相桥式相控整流电路
电力电子学—交流/直流变换器第5章交流/直流变换器02整流的基本原理03负载性质对整流特性的影响04交流电路电感对整流特性的影响目录05相控有源逆变电路06三相高频PWM 整流01整流器的类型和性能指标01单相桥式相控整流电路的介绍目录02电路结构与整流原理03小结与思考有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）01单相桥式相控整流电路的介绍相控整流电路：实现AC－DC电能变换的晶闸管电路，通过改变晶闸管的延迟触发控制角调控整流输出电压的平均值。
半控开关器件晶闸管: 开通可控特性（承受正向电压，且有触发脉冲）单向导电性02电路结构与整流原理T 1T 2T 3T 4R v sv Dv 1ab 模态一T 1T 2T 3T 4i DR v sv Dv 1i 1ab i S 模态二w tw tw ta v s v G v D w tv T1, 4T 1T 4导通T 1T4π2πT 1T 2T 3T 4R v sv Dv 1ab 模态三模态四T 1T 2T 3T 4i DR v sv Dv 1i 1ab i S w tw tw ta v s v G v D w tv T1, 4T 2T3T 2T 3导通控制角a ：晶闸管的自然导通点到施加触发信号瞬间对应的电角度导通角θ：一个周期内持续导通时间对应的电角度，θ=π-a移相：改变控制角，实现相控移相范围：控制角变化范围同步：使触发信号与交流电源频率和相位保持协调换相(换流)：一个晶闸管导通电流到另一个晶闸管导通电流的过程名词术语w tw t0w ta v s v G v D qT 1,T 4T 2,T 3()s S 0πD D s 11co 220.9s 1cos 1cos 2sin d =π22π2V V V V V t t a a a aw w +++===⎰⏹输出直流电压平均值V D :☐α愈大，输出电压平均值V D 愈小；☐当α＝0，V D 为最大值；当α＝π，V D =0；☐α的移相范围：0~πS i b a1i 1v Dv sv R Di 4T 3T 2T 1T s i 0twq D v atw 输出电压2输出电流3输入电压1输入电流41. 平均值V D2. 有效值V rms==++-πππa a πa V V V V 22; 1cos sin 222D rms S s 1. 平均值I D 2. 有效值I L=+-=+ππa πa πaR I V R I V 2sin 22;1cos 22L S D s 1. 有效值I S=I I S L====+-ππa πa S V I V P V I V 2PF sin 2S S S rms L rms =w v V t2sin s s 已知：s v 0tw 有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）sin 2PF 2P S a πa ππ-==+控制角a 0︒ 30︒ 60︒ 90︒ 120︒ 150︒ 180︒ PF10.9710.8980.7070.4270.17控制角a 对功率因数PF 的影响控制角a 较大使功率因数PF 很低，交流电源的利用率很低！03小结与思考关注晶闸管的特性：单向导电性/开通可控开通条件/关断条件输出电压和电流的计算和分析功率因数的计算和分析T1T2T3T4i DRv s v Dv1i1ab掌握模态分析的方法谢谢！。
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图5-3 一种接触式自耦调压器
实质是只有一个绕组的变压器，作为 降压调压器使用时，从绕组中抽出一 部分线匝作为二次绕组；当作为升压 调压器使用时，外施电压只加在绕组 的一部分线匝上，通过手动控制电刷 的移动来调节绕组中抽出线匝的匝数。 同时属于一次和二次的那部分绕组称 为公共绕组，其余部分称为串联绕组。 与同容量的普通变压器相比，尺寸小 且效率高，且变压器容量越大，电压 越高。
速率，提高能量转换效率的效果。 3.与接触式自耦调压器相比，具有更广阔的应用
场合
开关型交流调压电源分类
➢ 通断控制：即用晶闸管作为开关，将负载与交流电源接通几个周期， 然后再断开一定周期，通过改变通断时间比值达到调压的目的。这 种控制方式电路简单，功率因数高，缺点是输出电压或功率调节不 平滑，开关的通断引起对电网的冲击，从而引起电网电压闪变。适 用于较大时间常数的负载，例如负载热时间常数较大的电热控制系 统。
第5章 交流-交流变换电源
交流-交流变换电源
➢ 把一种形式的交流电变换成另外一种形式交流电的 电路，主要是对交流电的电压和频率进行变换。
➢ 变换方式：“交流-直流-交流”间接变换和“交流交流”直接变换。
➢ 实例：在马路边常能见到的杆上变压器或箱式变压 器就是一种对电压进行变换的交流-交流变换电源， 它们可以将10kV中压交流电变成220V交流电供路灯 和其他公用设施使用。
1.交流开关：采用通断控制；即将两个晶闸管反向并联后（或采用 双向晶闸管）串联到交流电路中，通过控制晶闸管控制交流 电路的通断。与电磁机械开关相比，具有响应速率快，寿命 长，无火花或电弧等优点，由于晶闸管总是在电流过零时关 断因而不会因负载或线路电感储存能量而造成暂态过电压和 EMI电磁干扰。
2.交流调功：采用通断控制；以交流电的周期为单位控制晶闸管的 通断，将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周 波，通过改变接通和断开周波数的比值来调节负载所消耗的 平均功率。常用于电炉温度控制（时间常数大），其直接调 节对象是电炉的平均输出功率。控制晶闸管导通的时刻都是 在电源电压为零的时刻，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。
➢ 具有结构简单，价格低廉的优点，但可靠性较差，因 为它是靠电刷的移动（滑动或滚动）来稳压的，由于 是机械运动，所以对电压动态变化的响应速度慢，这 将可能会导致瞬间电压的突升与突降并损坏后级所接 的用电设备。另外，电刷在不断的移动中会慢慢变薄 直至损坏，在湿度很大的情况下寿命缩短会更快。
5.1.2常见交流调压器
②磁放大器式交流稳压器：由磁放大器和自耦变压器串 联而成，利用电子线路改变磁放大器的阻抗以稳定输 出电压。
③滑动接触式交流稳压器：通过改变变压器滑动接点位 置来稳定输出电压。
④感应式交流稳压器：通过改变变压器次、初级电压的 相位差，使输出交流电压稳定。
⑤晶闸管开关型交流稳压器：使用晶闸管作为功率调整 元件，具有稳定度高、反应快且无噪声等优点。但它 对市电的波形会造成一定的影响，可能会对通信设备 和电子设备造成干扰。
3.交流调压：采用相位控制；除控制方式外与交流调功电路形式完 全相同，。
交流稳压器从原理上来 说即为一种交流调压电 源，它能将在一定电压 范围内波动的交流电源 调整到固定电压范围内 的交流电源后再提供给 负载，国内使用的交流 稳压电源输出的通常是 220V或380V这两种交流 电压。
5.1.1常用的交流稳压电源
①铁磁谐振式交流稳压器：由饱和扼流圈与相应的电容 器组成，具有恒压伏安特性。
➢ 本章将只讨论交流-交流直接变换电路。
交流-交流变换电源分类
➢ 按其对电能变换的功能： 1.交流调压电源：不改变交流电的频率，只改变其 电压的有效值； 2.交流-交流变频电源：可将一种频率的交流电（通 常是工频市电）变为另一种不同频率的交流电，一般 还可以同时改变电压。
➢ 交流调压电源（包括交流稳压电源）、交流-交流变 频器都是最常见的交流-交流变换电源，
➢ 相位控制：即控制晶闸管在电源电压每个周期某一选定的时刻将负 载和电源接通，通过改变选定的导通时刻达到调压的目的。其主要 缺点是输出电压包含较多的谐波分量，当负载是电动机时，会使它 产生脉动转矩和附加谐波损耗，还会引起电源电压畸变。为此，须 在电源侧和负载侧分别加滤波网络。适用于电动机速度控制或电热 控制。
➢ 斩波调压：交流斩波调压与直流脉宽调制原理一样，只是斩波调制 对象不同，电路结构上要求能对交流电进行双向调制，通常为高频 周期矩形波函数对正弦函数的调制。其电路输出电压质量较高，对 电源影响也较小；主要缺点是电路复杂、成本较高，在中小功率的 应用场合具有较好的应用前景。
开关型交流调压电源应用
➢ 交流调压电路三种功能类型：
由于它的制造工艺、体积等方面的限制，其功率较低，且需要大量铜铁 材料致其成本较高，所以此类调压变压器一般只适用于小功率的场合。
5.1.3开关型交流调压电源
➢ 通过把先进的高频开关控制技术引入到交流调压电源 中得到。
➢ 优点：1.能适应于大功率的应用场合； 2.减小体积重量、节省铜铁材料、大大加快调节
常用的交流稳压电源
➢ 由电压调节装置——接触式调压器（如图5-2(a)所示）及自 动控制电路（其原理框图见5-2(b)）组成Fra bibliotek（a）
(b)
图5-2 通过变压器调压的原理示意图
常用的交流稳压电源
➢ 自动控制电路对输入电压信号进行采样，并根据采样 值与设定值的偏差来控制伺服电机带动转臂及电刷 （见图5-1(b)中的右图）按所需方向转动，使输出电 压调整到额定值而达到稳压目的，其基本工作原理是 通过改变电刷位置来调整变压器原副线圈的匝数比。
5.1交流调压电源
➢图5-1 一种滑动接触式交流稳压电源
（a）交流稳压电源外观图
为了降低电网电压的各 种瞬时波动对用电设备 的影响，或者为了满足 精密仪器设备对高品质 交流电源的需要，通常 使用交流稳压器将电网 电源进行处理后再供给 终端用电设备使用。
5.1交流调压电源
(b) 交流稳压电源内部的接触式调压装置