电力电子技术 4-1
? 引言
? 4.1 交流调压电路
? 4.2 其他交流电力控制电路
? 4.3 交交变频电路
? 4.4 矩阵式 变频 电路
? 本章要点
第 4章 交流电力控制电路和
交交变频电路
电力电子技术 4-2
? 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
变频电路 改变频率的电路
交交变频 直接
交直交变频 间接
交流电力
控制电路
只改变电压,电
流或控制电路
的通断,而不改
变频率的电路。
交流调压电路 相位控制
交流调功电路 通断控制
第 4章 交流电力控制电路和
交交变频电路
电力电子技术 4-3
4.1 交流调压电路
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。
电路图
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 异步电动机调速。
4 供用电系统对无功功率的连续调节。
5 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。
电力电子技术 4-4
? 4.1.1 单相交流调压电路
? 4.1.2 三相交流调压电路
4.1 交流调压电路
电力电子技术 4-5
u
O
1
uo
i o
u
VT
wt
O wt
O wt
O wt
4.1.1 单相交流调压电路
? 1) 电阻负载
图 4-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形
输出电压与 α 的关系,
移相范围为 0≤ a≤π 。 a
=0时，输出电压为最大 。
Uo=U1,随 a的增大,Uo降低，
a=π时,Uo =0。
λ 与 a 的关系,
a =0时，功率因数 λ =1，
a 增大，输入电流滞后于电压
且畸变,λ 降低。
电力电子技术 4-6
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 j,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。
a =0时刻仍定为 u1过零的
时刻,a 的移相范围应为 j ≤
a≤ π。
? 2) 阻感负载
u1 u
0.6
O
1
u o
io
u VT
wtO
wt
O wt
wtO
uuG1 G1
u G2
O
O
wt
wt
图 4-2 电阻负载单相交流调压电路及其波形
负载阻抗角：
j = arctan(wL / R)
VT1
4.1.1 单相交流调压电路
电力电子技术 4-7
q
0 20 10060 140 180
20
100
60
/(°
)
180
140
a /(° )
图 4-3 单相交流调压电路以 a
为参变量的 θ和 a关系曲线
wt = a 时刻开通晶闸管
VT1，可求得 θ
当 a = j时 θ = π
当 a > j时 θ < π
以 j为参变量，利用（ 4
－ 7)可把 a 和 θ 的关系表
示成右图。
4.1.1 单相交流调压电路
)s i n ()s i n ( t a n jaqja j
q
???? ?e
电力电子技术 4-8
图 4-4 单相交流调压电路 a为参变量时 I VTN和 a关系曲线
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
160 1800 40 12080
j = 0
a /(° )
I VT
N
负载电流有效值 (4-10)
IVT的标么值 (4-11)
21V TN V T
ZII
U?
0 2 VTII?
4.1.1 单相交流调压电路
电力电子技术 4-9图 4-5 a<j时阻感负载交流调压电路工作波形
当阻感负载,a < j 时电
路 工作情况。
图 4-2 阻感负载单相交流调压电路
VT1的导通时间超过 π 。
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 π。
衰减过程中,VT1导
通时间渐短,VT2的
导通时间渐长。
4.1.1 单相交流调压电路
电力电子技术 4-10
3) 单相交流调压电路的谐波分析
电阻负载
由于波形正负半波对称，所以不含直流
分量和偶次谐波。
基波和各次谐波有效值
负载电流基波和各次谐波有效值
电流基波和各次谐波标么值随 a变化的
曲线 （ 基准电流为 a =0时的有效值 ） 如
图 4-6所示 。
图 4-6 电阻负载单相交流调
压电路基波和谐波电流含量
4.1.1 单相交流调压电路
22
on 2
1
nn baU ??
RUI /onon ?
??
?
??
?,5,3,1
o )s i nc o s()(
n
nn tnbtnatu www
电力电子技术 4-11
电流谐波次数和电阻负载时相同, 也只含 3,5、
7… 等次谐波 。
随着次数的增加, 谐波含量减少 。
和电阻负载时相比, 阻感负载时的谐波电流含量少
一些 。
当 a 角相同时, 随着阻抗角 j 的增大, 谐波含量有
所减少 。
阻感负载
4.1.1 单相交流调压电路
电力电子技术 4-12
4) 斩控式交流调压电路
图 4-7 斩控式交流调压电路
4.1.1 单相交流调压电路
在交流电源 u1的正半周
用 V1进行斩波控制
用 V3给负载电流
提供续流通道
电力电子技术 4-13
图 4-7 斩控式交流调压电路
4) 斩控式交流调压电路
4.1.1 单相交流调压电路
用 V2进行斩波控制
用 V4给负载电流
提供续流通道
在交流电源 u1的负半周
电力电子技术 4-14
特性
图 4-8 电阻负载斩控
式交流调压电路波形
4.1.1 单相交流调压电路
电源电流的基波分量和
电源电压同相位，即位
移因数为 1。
电源电流不含低次谐波，
只含和开关周期 T有关
的高次谐波。
功率因数接近 1。
电力电子技术 4-15
4.1.2 三相交流调压电路
? 根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具
有多种形式
图 4-9 三相交流调压电路
a) 星形联结 b) 线路控制三角形联结
c) 支路控制三角形联结 d) 中点控制三角形联结
电力电子技术 4-16
三线四相
基本原理：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，不流过
零线。
问题：三相中 3倍次谐波
同相位，全部流过零线。
零线有很大 3倍次谐波电
流。 a =90° 时，零线电
流甚至和各相电流的有效
值接近。
1) 星形联结电路 可分为 三线三相和三线四相
图 4-9 三相交流调压电路
a) 星形联结
4.1.2 三相交流调压电路
电力电子技术 4-17
三相三线，主要分析阻负载时的情况
图 4-9 三相交流调压电路
a) 星形联结
4.1.2 三相交流调压电路
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 a 的起
点,a角移相范围是
0° ~ 150° 。
电力电子技术 4-18
?(1)0° ≤ a
<60°,三
管导通与两
管导通交替，
每管导通
180° － a 。
但 a =0° 时
一直是三管
导通。
图 4-10 不同 a角时负载相电压波形
a) a =30°
4.1.2 三相交流调压电路
电力电子技术 4-19
60° ≤ a <90°,
两管导 通，每
管导通 120° 。
(2)
图 4-10 不同 a角时负载相电压波形
b) a =60°
4.1.2 三相交流调压电路
电力电子技术 4-20
(3)90° ≤ a
<150°,两
管导通与无
晶闸管导通
交替，导通
角度为
300° － 2 a。
图 4-10 不同 a角时负载相电压波形
c) a =120°
4.1.2 三相交流调压电路
电力电子技术 4-21
谐波情况
4.1.2 三相交流调压电路
电流谐波次数为 6k± 1(k=1,2,3,… ),和三相
桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全
相同 。
谐波次数越低, 含量越大 。
和单相交流调压电路相比, 没有 3倍次谐波, 因三
相对称时, 它们不能流过三相三线电路 。
电力电子技术 4-22
? 2） 支路控制三角联结电路
图 4－ 9三相交流调压电路
c)支路控制三角形联结
4.1.2 三相交流调压电路
由三个单相交流调压电路
组成，分别在不同的线电
压作用下工作 。
单相交流调压电路的分
析方法和结论完全适用。
输入线电流（即电源电
流）为与该线相连的两个
负载相电流之和。
电力电子技术 4-23
谐波情况
c)支路控制三角形联结
图 4－ 9三相交流调压电路
4.1.2 三相交流调压电路
3倍次谐波相位和大小
相同，在三角形回路中
流动，而不出现在线电
流中。
线电流中所谐波次数
为 6k± 1(k为正整数 )。
在相同负载和 a 角时，
线电流中谐波含量少于
三相三线星形电路。
电力电子技术 4-24
典型用例 —— 晶闸管控制
电抗器 （ Thyristor Controlled
Reactor— TCR）
配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续
调节无功功率，称为静止无功补偿装臵 (Static Var
Campensator— SVC）,用来对无功功率进行动态补偿，
以补偿电压波动或闪变。
图 4-11 晶闸管控制电抗器 (TCR)电路
4.1.2 三相交流调压电路
a 移相范围为 90° ~
180° 。
控制 a 角可连续调节流
过电抗器的电流，从而
调节无功功率。
电力电子技术 4-25
图 4-11 晶闸管控制
电抗器 (TCR)电路
a) b) c)
图 4-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形
a) α=120° b) α=135° c) α=160°
4.1.2 三相交流调压电路
电力电子技术 4-26
4.2 其他交流电力控制电路
4.2.1 交流调功电路
4.2.2 交流电力电子开关
电力电子技术 4-27
4.2.1 交流调功电路
交流调功电路与交流调压电路的异同比较
相同点 电路形式 完全相同
不同点 控制方式 不同
交流调压电路在每个电源 周期 都对输出电压波形
进行控制。
交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期,
在断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负
载所消耗的平均功率。
电力电子技术 4-28
电阻负载时的工作情况
图 4-13 交流调功电路典
型波形 (M =3,N =2)
图 4－ 1电阻负载单相交流调压电路
4.2.1 交流调功电路
控制周期为 M倍电源
周期, 晶闸管在前 N
个周期导通, 后 M－
N个周期关断 。
负载电压和负载电流
（也即电源电流）的
重复周期为 M倍电源
周期。
电力电子技术 4-29
谐波情况
图 4-14交流调功电路的
电流频谱图 (M =3,N =2)
4.2.1 交流调功电路
图 4-14的频谱图（以控制
周期为基准）。 In为 n次谐波
有效值,Io为导通时电路电
流幅值。
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。
而且在电源频率附近，非
整数倍频率谐波的含量较大。
电力电子技术 4-30
4.2.2 交流电力电子开关
概念 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，无触点，寿命长，可频繁控制通断。
与交流调功电路的 区别
并不控制电路的平均输出功率。
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。
电力电子技术 4-31
晶闸管投切电容 （ Thyristor Switched—— Capacitor—— TSC）
图 4-15 TSC基本原理图
a) 基本单元单相简图
b) 分组投切单相简图
4.2.2 交流电力电子开关
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。
电力电子技术 4-32
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。
图 4-16 TSC理想投切时刻原理说明
4.2.2 交流电力电子开关
电力电子技术 4-33
TSC电路也可采用晶闸管和
二极管反并联的方式
4.2.2 交流电力电子开关
由于二极管的作用，在
电路不导通时 uC总会维
持在电源电压峰值。
成本稍低，但响应速度
稍慢，投切电容器的最
大时间滞后为一个周波。
图 4-16 TSC理想投切时刻原理说明
电力电子技术 4-34
4.3 交交变频电路
?4.3.1 单相交交变频器
? 4.3.2 三相交交变频器
电力电子技术 4-35
4.3.1 单相交交变频器
晶闸管交交变频电路，也称周波变流器
(Cycloconvertor)
? 把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的
变流电路,属于直接变频电路 。
? 广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实
际使用的主要是三相输出交交变频电路。
电力电子技术 4-36
? 1) 电路构成和基本工作
原理
图 4-18 单相交交变频电
路原理图和输出电压波形
4.3.1 单相交交变频器
电路构成
如图 4-18，由 P组和 N
组反并联的晶闸管变流
电路构成，和直流电动
机可逆调速用的四象限
变流电路完全相同。
变流器 P和 N都是相控
整流电路。
电力电子技术 4-37
工作原理
P组工作时, 负载电流
io为 正 。
N组工作时, io为 负 。
两组变流器按一定的频
率交替工作, 负载就得
到该频率的交流电 。
改变两组变流器的
切换频率, 就可改
变输出频率 wo 。
改变变流电路的控
制角 a,就可以改变
交流输出电压的幅
值 。 图 4-18 单相交交变频电路原理图和输出电压波形
4.3.1 单相交交变频器
电力电子技术 4-38
为使 uo波形接近正弦波, 可按正弦规律对 a
角进行调制 。
4.3.1 单相交交变频器
在半个周期内让 P组 a 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 4-39
? 2) 整流与逆变工作状态
图 4-19 理想化交交变频电路的
整流和逆变工作状态
4.3.1 单相交交变频器
阻感负载为例, 也适用于交
流电动机负载 。
把交交变频电路理想化, 忽
略变流电路换相时 uo的脉动
分量, 就可把电路等效成图
4-19a所示的正弦波交流电
源和二极管的串联 。
电力电子技术 4-40
设负载阻抗角为 j, 则
输出电流滞后输出电压 j
角 。
两组变流电路采取无环
流工作方式, 即一组变
流电路工作时, 封锁另
一组变流电路的触发脉
冲 。
图 4-19 理想化交交变频电路的
整流和逆变工作状态
4.3.1 单相交交变频器
电力电子技术 4-41
工作状态
图 4-19 理想化交交变频电路的
整流和逆变工作状态
4.3.1 单相交交变频器
t1~t3期间,io正半周，正组工
作，反组被封锁。
t1~ t2,uo和 io均为正，正
组整流，输出功率为正。
t2 ~ t3, uo反向,io仍为
正，正组逆变，输出功率为
负。
电力电子技术 4-42
t3 ~ t5期间,io负半周，反
组工作，正组被封锁。
t3 ~ t4, uo和 io均为负，
反组整流，输出功率为
正。
t4 ~ t5, uo反向,io仍
为负，反组逆变，输出
功率为负。
图 4-19 理想化交交变频电路的
整流和逆变工作状态
4.3.1 单相交交变频器
小结,
哪一组工作由 io方向决
定，与 uo极性无关。
工作在整流还是逆变，
则根据 uo方向与 io方向
是否相同确定。
电力电子技术 4-43
当 uo和 io的相位差小于 90° 时，一周期内电网向负载提供能量
的平均值为正，电动机工作在电动状态。
当二者相位差大于 90° 时，一周期内电网向负载提供能量的平
均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态。
考虑无环流工作方式下 io过零的死区时间，一周期可分为 6段。
图 4-20 单相交交变频电路输出电压和电流波形
4.3.1 单相交交变频器
电力电子技术 4-44
? 3) 输出正弦波电
压的调制方法
介绍最基本的、广泛使
用的余弦交点法。
设 Ud0为 a = 0时整
流电路的理想空载电
压，则有
每次控制时 a角不同，
表示每次控制
间隔内 uo的平均值。
acosd0o Uu ?
0u
图 4-21 余弦交点法原理
4.3.1 单相交交变频器
电力电子技术 4-45
设期望的正弦波输出电
压为
(4-16）
比较式 (4-15)和 (4-16)，
应使
(4-17)
g 称为输出电压比：
ttUU oo
d0
om sinsincos wgwa ??
0
( 0 1 )om
d
U
Ugg? ? ?
tUu oomo sinw?
图 4-21 余弦交点法原理
4.3.1 单相交交变频器
电力电子技术 4-46
)sin(cos o1 twga ??
图 4-21 余弦交点法原理
4.3.1 单相交交变频器
余弦交点法基本公式
(4-18)
余弦交点法图解
线电压 uab,uac,
ubc, uba, uca和
ucb依次用 u1 ~ u6表
示。
相邻两个线电压的交
点对应于 a =0。
电力电子技术 4-47
u1~u6所对应的同步信
号分别用 us1~us6表示
us1~us6 比相应的
u1~u6 超前 30°,
us1~us6的最大值和相
应线电压 a =0的时刻
对应 。
以 a =0为零时刻, 则
us1~us6为余弦信号 。
希望输出电压为 uo，
则各晶闸管触发时刻
由相应的同步电压
us1~us6的下降段和 uo
的交点来决定 。 图 4-21 余弦交点法原理
4.3.1 单相交交变频器
电力电子技术 4-48
不同 g 时，在 uo一周
期内,a 随 w ot 变化
的情况。图中，
? g 较小，即输出电压
较低时,a只在离
90° 很近的范围内变
化，电路的输入功率
因数非常低。 图 4-22 不同 g 时 a和 w
ot的关系
1
o
1
o
c os ( si n )
si n ( si n )
2
t
t
a g w
?
gw
?
?
?
??
4.3.1 单相交交变频器
电力电子技术 4-49
? 4) 输入输出特性
4.3.1 单相交交变频器
(1) 输出上限频率
输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段
数减少，波形畸变严重。
电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动
是限制输出频率提高的主要因素。
就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难
确定一个明确的界限。
当采用 6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于
电网频率的 1/3~1/2。电网频率为 50Hz时，交交变
频电路的输出上限频率约为 20Hz。
电力电子技术 4-50
图 4-23 单相交交
变频电路的功率因数
(2) 输入功率因数
4.3.1 单相交交变频器
输入电流相位滞后于输入电压，
需要电网提供无功功率。
一周期内,a角以 90° 为中心
变化。
输出电压比 g 越小，半周期内 a
的平均值越靠近 90° 。
负载功率因数越低，输入功率
因数也越低。
不论负载功率因数是滞后的还
是超前的，输入的无功电流总
是滞后。
电力电子技术 4-51
(3) 输出电压谐波
输出电压的谐波频谱非常复杂, 既和电网频率 fi以及
变流电路的脉波数有关, 也和输出频率 fo有关 。
采用三相桥时, 输出电压所含主要谐波的频率为
6fi± fo,6fi± 3fo,6fi± 5fo,…
12fi± fo,12fi± 3fo,12fi± 5fo,…
采用无环流控制方式时, 由于电流方向改变时死区
的影响, 将增加 5fo,7fo等次谐波 。
4.3.1 单相交交变频器
电力电子技术 4-52
? (4) 输入电流谐波
输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，但其幅
值和相位均按正弦规律被调制。
采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率
? (4-19)
? 和 (4-20)
? 式中,k=1,2,3,… ； l=0,1,2,… 。
4.3.1 单相交交变频器
? ? oiin 216 lffkf ???
oiin 2 kfff ??
电力电子技术 4-53
4.3.2 三相交交变频电路
? 由三组输出电压相位各差 120° 的单相交交变频
电路组成。
1) 电路接线方式
公共交流母线进线方式
输出星形联结方式
交交变频电路主要应用于大功率交流电机
调速系统，使用的是三相交交变频电路。
电力电子技术 4-54
? (1)公共交流母线进线
方式
图 4-24 公共交流母线进线
三相交交变频电路（简图 ）
4.3.2 三相交交变频电路
由三组彼此独立的、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。为
此，交流电动机的三个绕组
必须拆开。
主要用于中等。容量的交流
调速系统。
电力电子技术 4-55
(2) 输出星形联结方式
– 三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星
形联结
– 电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出
三根线即可 图 4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路
a）简图 b）详图
4.3.2 三相交交变频电路
电力电子技术 4-56
因为三组的输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因
此分别用三个变压器供电。
由于输出端中点不和负载中点相联接，所以在构成三相
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。
4.3.2 三相交交变频电路
三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形
联结。
电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三
根线即可。
和整流电路一样，同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉
冲保证同时导通。
两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度，以保
证同时导通。
电力电子技术 4-57
? 2) 输入输出特性
– 输出上限频率和输出电压谐波和单相交交变频电路是
一致的。
输入电流
总输入电流由
三个单相的同一
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。
图 4-26 交交变频电路的输入电流波形
4.3.2 三相交交变频电路
电力电子技术 4-58
? 谐波频率为
?
? k=1,2,3,…l=0,1,2,… 。
? 采用三相桥式电路时，
输入谐波电流的主要频
率为 fi± 6fo,5fi,
5fi± 6fo, 7fi,
7fi± 6fo, 11fi,
11fi± 6fo fi± 12fo等。
其中 5fi次谐波的幅值最
大。 图 4-26 交交变频电路的输入电流波形
4.3.2 三相交交变频电路
? ? oiin 616 lffkf ???
oiin 6 kfff ??
(4-21)
(4-22)
电力电子技术 4-59
输入功率因数
三相总输入功率因数应为
?
? (4-23)
三相电路总的有功功率为各相有功功率之和
但视在功率却不能简单相加，而应由总输入电流有
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
三相总输入功率因数要高于单相交交变频电路
??
S
PPP
S
P cba??l
4.3.2 三相交交变频电路
电力电子技术 4-60
? 3) 改善输入功率因数和提高输出电压
4.3.2 三相交交变频电路
基本思路
各相输出的是相电压，而加在负载上的是线电压。
在各相电压中叠加同样的直流分量或 3倍于输出频
率的谐波分量，它们都不会在线电压中反映出来，
因而也加不到负载上。利用这一特性可以使输入功
率因数得到改善并提高输出电压。
直流偏臵
负载电动机低速运行时，变频器输出电压很低，各
组桥式电路的 a角都在 90° 附近，因此输入功率因
数很低。
给各相输出电压叠加上同样的直流分量，控制角 a
将减小，但变频器输出线电压并不改变。
电力电子技术 4-61
交流偏置
梯形波输出控制方式 。
使三组单相变频器的输出均
为梯形波 （ 也称准梯形波 ）,
主要谐波成分是三次谐波 。
在线电压中三次谐波相互抵消,
线电压仍为正弦波 。
因为桥式电路较长时间工作在高输出电压区域 （ 即梯形波
的平顶区 ）, a角较小, 因此输入功率因数可提高 15%左
右 。
图 4-20正弦波输出控制方式中, 最大输出正弦波相电压的
幅值为 Ud0。
在同样幅值的情况下, 梯形波中的基波幅值可提高 15%左
右 。
图 4-27 梯形波控制方式的理想输出电压波形
4.3.2 三相交交变频电路
电力电子技术 4-62
交交变频和交直交变频的比较
8.1节中介绍间接变频电路，先把交流变换成直流，再
把直流逆变成可变频率的交流，称交直交变频电路。
交交变频电路的 优点,
交交变频电路的 缺点,
接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至
少要用 36只晶闸管。
受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较
低。
输入功率因数较低。
输入电流谐波含量大，频谱复杂。
效率较高（一次变流）
可方便地实现四象限工作
低频输出波形接近正弦波
4.3.2 三相交交变频电路
电力电子技术 4-63
应用
主要用于 500kW或 1000kW以上的大功率、低转
速的交流调速电路中。目前已在轧机主传动装置、
鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合应用。
既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动。
4.3.2 三相交交变频电路
电力电子技术 4-64
4.4 矩阵式变频器
简介：
是近年出现的一种新颖的
变频电路。
是直接变频电路,采用
的开关器件是全控型。
控制方式是斩波控制。
拓扑结构：
三相输入电压为 ua,ub
和 uc
三相输出电压为 uu,uv
和 uw
图 4-28 矩阵式变频器
电力电子技术 4-65
9个开关器件组成 3× 3
矩阵，因此该电路被称
为矩阵式变频电路
(Matrix Converter —
MC)或矩阵变换器。
图中每个开关都是矩阵
中的一个元素，采用双
向可控开关，图 4-28b
给出了应用较多的一种
开关单元。
图 4-28 矩阵式变频器
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-66
优点
输出电压为正弦波 。
输出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 。
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-67
矩阵式变频电路的基本工作原理
单相输入
对单相交流电压 us进行斩波
控制, 即进行 PWM控制时,
输出电压 uo为
(4-24)
式中, Tc——开关周期；
ton—— 一个开关周期内开关
导通时间； s ——占空比 。
on
o s s
c
tu u u
T ???
a)
b)
c)
Um
U1m U
2
3
Um12
√ －
－
图 4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分
a)单相输入 b) 三相输入构造输出相电压 c) 三相输
出构造输出线电压
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-68
不同的开关周期中采用不同的 s，
可得到与 us频率和波形都不同
的 uo 。
由于单相交流 us波形为正弦波，
可利用的输入电压部分只有如
图 4-29a所示的单相电压阴影部
分，因此 uo将受到很大的局限，
无法得到所需输出波形。
c)
a)
b)
Um
U1m U
2
3
Um12
√ －
－
图 4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分
a)单相输入 b) 三相输入构造输出相电压 c) 三相
输出构造输出线电压
4.4 矩阵式变频器
利用三相相电压
把输入改为三相, 就可利用
图 4-29b所示的三相相电压包
络线中所有的阴影部分 。
电力电子技术 4-69
理论上所构造的 uu的频率
可不受限制 。
但如 uu必须为正弦波, 则
其最大幅值仅为输入相电
压 ua幅值的 0.5倍 。
图 4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分
a)单相输入 b) 三相输入构造输出相电压 c) 三相
输出构造输出线电压
4.4 矩阵式变频器
利用三相线电压
用图 4-28a中第一行和第
二行的 6个开关共同作用
来构造输出线电压 uuv 。
a)
b)
c)
Um
U1m U
2
3
Um12
√ －
－
电力电子技术 4-70
可利用图 4-29c中 6个线电
压包络线中所有的阴影部
分 。
当 uuv必须为正弦波时,
最大幅值就可达到输入线
电压幅值的 0.866倍 。
正弦波输出条件下矩阵式
变频电路理论上最大的输
出输入电压比 。
a)
b)
c)
Um
U1m U
2
3
Um12
√ －
－
图 4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分
a)单相输入 b) 三相输入构造输出相电压 c) 三相
输出构造输出线电压
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-71
以相电压输出方式为例分析矩
阵式交交变频电路的控制
利用对开关 S11,S12和 S13
的控制构造输出电压 uu。
为防止输入电源短路, 任
何时刻只能有一个开关接
通 。
负载一般是阻感负载, 负
载电流具有电流源性质,
为使负载不开路, 任一时
刻必须有一个开关接通 。
图 4-28 矩阵式变频器
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-72
u相输出电压 uu和各相输
入电压的关系为
(4-25)
? 式中 s11, s12 和 s13——
一个开关周期内开关 S11、
S12,S13的导通占空比
?
(4-26)
11 12 13u a b cu u u u? ? ?? ? ?
1 1 1 2 1 3 1? ? ?? ? ?
图 4-28 矩阵式变频器
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-73
用同样的方法控图中第 2,3
行的各开关，得到类似于
? (4-25)
? 的表达式。合写成矩阵的形
式
? 可缩写为
? uo=? ui （ 4－ 28）
11 12 13u a b cu u u u? ? ?? ? ?
1 1 1 2 1 3
2 1 2 2 2 3
3 1 3 2 3 3
ua
vb
wc
uu
uu
? ? ?
? ? ?
? ? ?
? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?
?
? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?
图 4-28 矩阵式变频器
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-74
矩阵式变频电路确定后，输
入电流和输出电流的关系也
确定了。
?
? 缩写形式 ii ＝ ? io (4-30)
? 式中
? ii
? io
11 21 31
i 12 22 32
13 23 33
au
bv
cw
ii
ii
? ? ?
? ? ?
? ? ?
? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ???
? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?
i
T
? ?Ta b ci i i?
? ?Tu v wi i i?
图 4-28 矩阵式变频器
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-75
对实际系统来说, 输入电压和所需要的输出电流是已知的 。
设为
? (4-31)
?
?
? （ 4－ 32）
?
im i
im i
im i
c os
2
c os
3
4
c os
3
a
b
c
Ut
u
u U t
u
Ut
w
?
w
?
w
??
??
????
??????
????
????
??
????
??
????
???
??
????
? ?
o m o o
o m o o
o m o o
c o s
2
c o s
3
4
c o s
3
u
v
w
It
i
i I t
i
It
wj
?
wj
?
wj
??
?
??
????
? ? ?????
??
??
??
??
????
????
??????
式中
Uim,Iom 为输
入电压和输出
电流的幅值；
wi,wo 为输入
电压和输出电
流的角频率；
jo 为相应于输
出频率的负载
阻抗角。
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-76
? 变频电路希望的输出电压和输入电流分别为
? (4-33)
? (4-34)
o m o
u
v o m o
w
o m o
c o s
2
c o s
3
4
c o s
3
Ut
u
u U t
u
Ut
w
?
w
?
w
??
??
????
??????
??????
??
??
????
??
????
?????
????
? ?
im i i
im i i
im i i
c o s
2
c o s
3
4
c o s
3
a
b
c
It
i
i I t
i
It
wj
?
wj
?
wj
??
?
??
??????
? ? ???
??
??
????
??
??
??????
????
式中
Uom,Iim为
输出电压和
输入电流的
幅值；
ji为输入电
流滞后于电
压的相位角。
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-77
? 当期望的输入功率因数为 1时, ji =0。 把式 (4-31)~
式 (4-34)代入式 (4-27)和式 (4-29),可得
? (4-35)
?
? ( 4-36)
o m o
o m o
o m o
c o s
2
c o s
3
4
c o s
3
Ut
Ut
Ut
w
?
w
?
w
??
??
????
????
????
??
?????
????
im i
im i
im i
c o s
2
c o s
3
4
c o s
3
Ut
Ut
Ut
w
?
w
?
w
??
??
??
????
?????
????
????
?????
????
? ?im i
im i
im i
c o s
2
c o s
3
4
c o s
3
It
It
It
w
?
w
?
w
??
????
??????
????
????
?????
????
? ?o m o o
o m o o
o m o o
c o s
2
c o s
3
4
c o s
3
It
It
It
wj
?
wj
?
wj
??
?
????
????
????
??
??????
????
如能求得
满足式
(4-35) 和
式 (4-36)
的 s, 就
可得到希
望的输出
电压和输
入电流 。
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-78
要使矩阵式变频电路能够很好地工作, 需解决的
两个基本问题：
4.4 矩阵式变频器
所用的开关器件为 18个, 电路结构较复杂, 成本
较高, 控制方法还不算成熟 。
输出输入最大电压比只有 0.866，用于 交流电机调
速时输出电压偏低 。
现状
尚未进入实用化，主要原因：
如何求取理想的调制矩阵 ? 。
开关切换时如何实现既无交叠又无死区。
电力电子技术 4-79
十分突出的优点：
4.4 矩阵式变频器
在器件制造技术飞速进步和计算机技术 日新月异的
今天, 矩阵式变频电路将有很好的发展前景 。
有十分理想的电气性能 。
和目前广泛应用的交直交变频电路相比, 虽多用了
6个开关器件, 却省去了直流侧大电容, 将使体积
减小, 且容易实现集成化和功率模块化 。
电力电子技术 4-80
本章小结
? 本章的要点如下,
? (1) 交流 — 交流变流电路的分类及其基本概念；
? (2) 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；
? (3) 三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理；
? (4) 交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念；
? (5) 晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成, 工作原理
和输入输出特性；
? (6) 各种交流 — 交流变流电路的主要应用；
? (7) 矩阵式交交变频电路的基本概念 。
? 引言
? 4.1 交流调压电路
? 4.2 其他交流电力控制电路
? 4.3 交交变频电路
? 4.4 矩阵式 变频 电路
? 本章要点
第 4章 交流电力控制电路和
交交变频电路
电力电子技术 4-2
? 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
变频电路 改变频率的电路
交交变频 直接
交直交变频 间接
交流电力
控制电路
只改变电压,电
流或控制电路
的通断,而不改
变频率的电路。
交流调压电路 相位控制
交流调功电路 通断控制
第 4章 交流电力控制电路和
交交变频电路
电力电子技术 4-3
4.1 交流调压电路
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。
电路图
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 异步电动机调速。
4 供用电系统对无功功率的连续调节。
5 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。
电力电子技术 4-4
? 4.1.1 单相交流调压电路
? 4.1.2 三相交流调压电路
4.1 交流调压电路
电力电子技术 4-5
u
O
1
uo
i o
u
VT
wt
O wt
O wt
O wt
4.1.1 单相交流调压电路
? 1) 电阻负载
图 4-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形
输出电压与 α 的关系,
移相范围为 0≤ a≤π 。 a
=0时，输出电压为最大 。
Uo=U1,随 a的增大,Uo降低，
a=π时,Uo =0。
λ 与 a 的关系,
a =0时，功率因数 λ =1，
a 增大，输入电流滞后于电压
且畸变,λ 降低。
电力电子技术 4-6
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 j,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。
a =0时刻仍定为 u1过零的
时刻,a 的移相范围应为 j ≤
a≤ π。
? 2) 阻感负载
u1 u
0.6
O
1
u o
io
u VT
wtO
wt
O wt
wtO
uuG1 G1
u G2
O
O
wt
wt
图 4-2 电阻负载单相交流调压电路及其波形
负载阻抗角：
j = arctan(wL / R)
VT1
4.1.1 单相交流调压电路
电力电子技术 4-7
q
0 20 10060 140 180
20
100
60
/(°
)
180
140
a /(° )
图 4-3 单相交流调压电路以 a
为参变量的 θ和 a关系曲线
wt = a 时刻开通晶闸管
VT1，可求得 θ
当 a = j时 θ = π
当 a > j时 θ < π
以 j为参变量，利用（ 4
－ 7)可把 a 和 θ 的关系表
示成右图。
4.1.1 单相交流调压电路
)s i n ()s i n ( t a n jaqja j
q
???? ?e
电力电子技术 4-8
图 4-4 单相交流调压电路 a为参变量时 I VTN和 a关系曲线
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
160 1800 40 12080
j = 0
a /(° )
I VT
N
负载电流有效值 (4-10)
IVT的标么值 (4-11)
21V TN V T
ZII
U?
0 2 VTII?
4.1.1 单相交流调压电路
电力电子技术 4-9图 4-5 a<j时阻感负载交流调压电路工作波形
当阻感负载,a < j 时电
路 工作情况。
图 4-2 阻感负载单相交流调压电路
VT1的导通时间超过 π 。
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 π。
衰减过程中,VT1导
通时间渐短,VT2的
导通时间渐长。
4.1.1 单相交流调压电路
电力电子技术 4-10
3) 单相交流调压电路的谐波分析
电阻负载
由于波形正负半波对称，所以不含直流
分量和偶次谐波。
基波和各次谐波有效值
负载电流基波和各次谐波有效值
电流基波和各次谐波标么值随 a变化的
曲线 （ 基准电流为 a =0时的有效值 ） 如
图 4-6所示 。
图 4-6 电阻负载单相交流调
压电路基波和谐波电流含量
4.1.1 单相交流调压电路
22
on 2
1
nn baU ??
RUI /onon ?
??
?
??
?,5,3,1
o )s i nc o s()(
n
nn tnbtnatu www
电力电子技术 4-11
电流谐波次数和电阻负载时相同, 也只含 3,5、
7… 等次谐波 。
随着次数的增加, 谐波含量减少 。
和电阻负载时相比, 阻感负载时的谐波电流含量少
一些 。
当 a 角相同时, 随着阻抗角 j 的增大, 谐波含量有
所减少 。
阻感负载
4.1.1 单相交流调压电路
电力电子技术 4-12
4) 斩控式交流调压电路
图 4-7 斩控式交流调压电路
4.1.1 单相交流调压电路
在交流电源 u1的正半周
用 V1进行斩波控制
用 V3给负载电流
提供续流通道
电力电子技术 4-13
图 4-7 斩控式交流调压电路
4) 斩控式交流调压电路
4.1.1 单相交流调压电路
用 V2进行斩波控制
用 V4给负载电流
提供续流通道
在交流电源 u1的负半周
电力电子技术 4-14
特性
图 4-8 电阻负载斩控
式交流调压电路波形
4.1.1 单相交流调压电路
电源电流的基波分量和
电源电压同相位，即位
移因数为 1。
电源电流不含低次谐波，
只含和开关周期 T有关
的高次谐波。
功率因数接近 1。
电力电子技术 4-15
4.1.2 三相交流调压电路
? 根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具
有多种形式
图 4-9 三相交流调压电路
a) 星形联结 b) 线路控制三角形联结
c) 支路控制三角形联结 d) 中点控制三角形联结
电力电子技术 4-16
三线四相
基本原理：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，不流过
零线。
问题：三相中 3倍次谐波
同相位，全部流过零线。
零线有很大 3倍次谐波电
流。 a =90° 时，零线电
流甚至和各相电流的有效
值接近。
1) 星形联结电路 可分为 三线三相和三线四相
图 4-9 三相交流调压电路
a) 星形联结
4.1.2 三相交流调压电路
电力电子技术 4-17
三相三线，主要分析阻负载时的情况
图 4-9 三相交流调压电路
a) 星形联结
4.1.2 三相交流调压电路
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 a 的起
点,a角移相范围是
0° ~ 150° 。
电力电子技术 4-18
?(1)0° ≤ a
<60°,三
管导通与两
管导通交替，
每管导通
180° － a 。
但 a =0° 时
一直是三管
导通。
图 4-10 不同 a角时负载相电压波形
a) a =30°
4.1.2 三相交流调压电路
电力电子技术 4-19
60° ≤ a <90°,
两管导 通，每
管导通 120° 。
(2)
图 4-10 不同 a角时负载相电压波形
b) a =60°
4.1.2 三相交流调压电路
电力电子技术 4-20
(3)90° ≤ a
<150°,两
管导通与无
晶闸管导通
交替，导通
角度为
300° － 2 a。
图 4-10 不同 a角时负载相电压波形
c) a =120°
4.1.2 三相交流调压电路
电力电子技术 4-21
谐波情况
4.1.2 三相交流调压电路
电流谐波次数为 6k± 1(k=1,2,3,… ),和三相
桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全
相同 。
谐波次数越低, 含量越大 。
和单相交流调压电路相比, 没有 3倍次谐波, 因三
相对称时, 它们不能流过三相三线电路 。
电力电子技术 4-22
? 2） 支路控制三角联结电路
图 4－ 9三相交流调压电路
c)支路控制三角形联结
4.1.2 三相交流调压电路
由三个单相交流调压电路
组成，分别在不同的线电
压作用下工作 。
单相交流调压电路的分
析方法和结论完全适用。
输入线电流（即电源电
流）为与该线相连的两个
负载相电流之和。
电力电子技术 4-23
谐波情况
c)支路控制三角形联结
图 4－ 9三相交流调压电路
4.1.2 三相交流调压电路
3倍次谐波相位和大小
相同，在三角形回路中
流动，而不出现在线电
流中。
线电流中所谐波次数
为 6k± 1(k为正整数 )。
在相同负载和 a 角时，
线电流中谐波含量少于
三相三线星形电路。
电力电子技术 4-24
典型用例 —— 晶闸管控制
电抗器 （ Thyristor Controlled
Reactor— TCR）
配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续
调节无功功率，称为静止无功补偿装臵 (Static Var
Campensator— SVC）,用来对无功功率进行动态补偿，
以补偿电压波动或闪变。
图 4-11 晶闸管控制电抗器 (TCR)电路
4.1.2 三相交流调压电路
a 移相范围为 90° ~
180° 。
控制 a 角可连续调节流
过电抗器的电流，从而
调节无功功率。
电力电子技术 4-25
图 4-11 晶闸管控制
电抗器 (TCR)电路
a) b) c)
图 4-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形
a) α=120° b) α=135° c) α=160°
4.1.2 三相交流调压电路
电力电子技术 4-26
4.2 其他交流电力控制电路
4.2.1 交流调功电路
4.2.2 交流电力电子开关
电力电子技术 4-27
4.2.1 交流调功电路
交流调功电路与交流调压电路的异同比较
相同点 电路形式 完全相同
不同点 控制方式 不同
交流调压电路在每个电源 周期 都对输出电压波形
进行控制。
交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期,
在断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负
载所消耗的平均功率。
电力电子技术 4-28
电阻负载时的工作情况
图 4-13 交流调功电路典
型波形 (M =3,N =2)
图 4－ 1电阻负载单相交流调压电路
4.2.1 交流调功电路
控制周期为 M倍电源
周期, 晶闸管在前 N
个周期导通, 后 M－
N个周期关断 。
负载电压和负载电流
（也即电源电流）的
重复周期为 M倍电源
周期。
电力电子技术 4-29
谐波情况
图 4-14交流调功电路的
电流频谱图 (M =3,N =2)
4.2.1 交流调功电路
图 4-14的频谱图（以控制
周期为基准）。 In为 n次谐波
有效值,Io为导通时电路电
流幅值。
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。
而且在电源频率附近，非
整数倍频率谐波的含量较大。
电力电子技术 4-30
4.2.2 交流电力电子开关
概念 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，无触点，寿命长，可频繁控制通断。
与交流调功电路的 区别
并不控制电路的平均输出功率。
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。
电力电子技术 4-31
晶闸管投切电容 （ Thyristor Switched—— Capacitor—— TSC）
图 4-15 TSC基本原理图
a) 基本单元单相简图
b) 分组投切单相简图
4.2.2 交流电力电子开关
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。
电力电子技术 4-32
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。
图 4-16 TSC理想投切时刻原理说明
4.2.2 交流电力电子开关
电力电子技术 4-33
TSC电路也可采用晶闸管和
二极管反并联的方式
4.2.2 交流电力电子开关
由于二极管的作用，在
电路不导通时 uC总会维
持在电源电压峰值。
成本稍低，但响应速度
稍慢，投切电容器的最
大时间滞后为一个周波。
图 4-16 TSC理想投切时刻原理说明
电力电子技术 4-34
4.3 交交变频电路
?4.3.1 单相交交变频器
? 4.3.2 三相交交变频器
电力电子技术 4-35
4.3.1 单相交交变频器
晶闸管交交变频电路，也称周波变流器
(Cycloconvertor)
? 把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的
变流电路,属于直接变频电路 。
? 广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实
际使用的主要是三相输出交交变频电路。
电力电子技术 4-36
? 1) 电路构成和基本工作
原理
图 4-18 单相交交变频电
路原理图和输出电压波形
4.3.1 单相交交变频器
电路构成
如图 4-18，由 P组和 N
组反并联的晶闸管变流
电路构成，和直流电动
机可逆调速用的四象限
变流电路完全相同。
变流器 P和 N都是相控
整流电路。
电力电子技术 4-37
工作原理
P组工作时, 负载电流
io为 正 。
N组工作时, io为 负 。
两组变流器按一定的频
率交替工作, 负载就得
到该频率的交流电 。
改变两组变流器的
切换频率, 就可改
变输出频率 wo 。
改变变流电路的控
制角 a,就可以改变
交流输出电压的幅
值 。 图 4-18 单相交交变频电路原理图和输出电压波形
4.3.1 单相交交变频器
电力电子技术 4-38
为使 uo波形接近正弦波, 可按正弦规律对 a
角进行调制 。
4.3.1 单相交交变频器
在半个周期内让 P组 a 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 4-39
? 2) 整流与逆变工作状态
图 4-19 理想化交交变频电路的
整流和逆变工作状态
4.3.1 单相交交变频器
阻感负载为例, 也适用于交
流电动机负载 。
把交交变频电路理想化, 忽
略变流电路换相时 uo的脉动
分量, 就可把电路等效成图
4-19a所示的正弦波交流电
源和二极管的串联 。
电力电子技术 4-40
设负载阻抗角为 j, 则
输出电流滞后输出电压 j
角 。
两组变流电路采取无环
流工作方式, 即一组变
流电路工作时, 封锁另
一组变流电路的触发脉
冲 。
图 4-19 理想化交交变频电路的
整流和逆变工作状态
4.3.1 单相交交变频器
电力电子技术 4-41
工作状态
图 4-19 理想化交交变频电路的
整流和逆变工作状态
4.3.1 单相交交变频器
t1~t3期间,io正半周，正组工
作，反组被封锁。
t1~ t2,uo和 io均为正，正
组整流，输出功率为正。
t2 ~ t3, uo反向,io仍为
正，正组逆变，输出功率为
负。
电力电子技术 4-42
t3 ~ t5期间,io负半周，反
组工作，正组被封锁。
t3 ~ t4, uo和 io均为负，
反组整流，输出功率为
正。
t4 ~ t5, uo反向,io仍
为负，反组逆变，输出
功率为负。
图 4-19 理想化交交变频电路的
整流和逆变工作状态
4.3.1 单相交交变频器
小结,
哪一组工作由 io方向决
定，与 uo极性无关。
工作在整流还是逆变，
则根据 uo方向与 io方向
是否相同确定。
电力电子技术 4-43
当 uo和 io的相位差小于 90° 时，一周期内电网向负载提供能量
的平均值为正，电动机工作在电动状态。
当二者相位差大于 90° 时，一周期内电网向负载提供能量的平
均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态。
考虑无环流工作方式下 io过零的死区时间，一周期可分为 6段。
图 4-20 单相交交变频电路输出电压和电流波形
4.3.1 单相交交变频器
电力电子技术 4-44
? 3) 输出正弦波电
压的调制方法
介绍最基本的、广泛使
用的余弦交点法。
设 Ud0为 a = 0时整
流电路的理想空载电
压，则有
每次控制时 a角不同，
表示每次控制
间隔内 uo的平均值。
acosd0o Uu ?
0u
图 4-21 余弦交点法原理
4.3.1 单相交交变频器
电力电子技术 4-45
设期望的正弦波输出电
压为
(4-16）
比较式 (4-15)和 (4-16)，
应使
(4-17)
g 称为输出电压比：
ttUU oo
d0
om sinsincos wgwa ??
0
( 0 1 )om
d
U
Ugg? ? ?
tUu oomo sinw?
图 4-21 余弦交点法原理
4.3.1 单相交交变频器
电力电子技术 4-46
)sin(cos o1 twga ??
图 4-21 余弦交点法原理
4.3.1 单相交交变频器
余弦交点法基本公式
(4-18)
余弦交点法图解
线电压 uab,uac,
ubc, uba, uca和
ucb依次用 u1 ~ u6表
示。
相邻两个线电压的交
点对应于 a =0。
电力电子技术 4-47
u1~u6所对应的同步信
号分别用 us1~us6表示
us1~us6 比相应的
u1~u6 超前 30°,
us1~us6的最大值和相
应线电压 a =0的时刻
对应 。
以 a =0为零时刻, 则
us1~us6为余弦信号 。
希望输出电压为 uo，
则各晶闸管触发时刻
由相应的同步电压
us1~us6的下降段和 uo
的交点来决定 。 图 4-21 余弦交点法原理
4.3.1 单相交交变频器
电力电子技术 4-48
不同 g 时，在 uo一周
期内,a 随 w ot 变化
的情况。图中，
? g 较小，即输出电压
较低时,a只在离
90° 很近的范围内变
化，电路的输入功率
因数非常低。 图 4-22 不同 g 时 a和 w
ot的关系
1
o
1
o
c os ( si n )
si n ( si n )
2
t
t
a g w
?
gw
?
?
?
??
4.3.1 单相交交变频器
电力电子技术 4-49
? 4) 输入输出特性
4.3.1 单相交交变频器
(1) 输出上限频率
输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段
数减少，波形畸变严重。
电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动
是限制输出频率提高的主要因素。
就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难
确定一个明确的界限。
当采用 6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于
电网频率的 1/3~1/2。电网频率为 50Hz时，交交变
频电路的输出上限频率约为 20Hz。
电力电子技术 4-50
图 4-23 单相交交
变频电路的功率因数
(2) 输入功率因数
4.3.1 单相交交变频器
输入电流相位滞后于输入电压，
需要电网提供无功功率。
一周期内,a角以 90° 为中心
变化。
输出电压比 g 越小，半周期内 a
的平均值越靠近 90° 。
负载功率因数越低，输入功率
因数也越低。
不论负载功率因数是滞后的还
是超前的，输入的无功电流总
是滞后。
电力电子技术 4-51
(3) 输出电压谐波
输出电压的谐波频谱非常复杂, 既和电网频率 fi以及
变流电路的脉波数有关, 也和输出频率 fo有关 。
采用三相桥时, 输出电压所含主要谐波的频率为
6fi± fo,6fi± 3fo,6fi± 5fo,…
12fi± fo,12fi± 3fo,12fi± 5fo,…
采用无环流控制方式时, 由于电流方向改变时死区
的影响, 将增加 5fo,7fo等次谐波 。
4.3.1 单相交交变频器
电力电子技术 4-52
? (4) 输入电流谐波
输入电流波形和可控整流电路的输入波形类似，但其幅
值和相位均按正弦规律被调制。
采用三相桥式电路的交交变频电路输入电流谐波频率
? (4-19)
? 和 (4-20)
? 式中,k=1,2,3,… ； l=0,1,2,… 。
4.3.1 单相交交变频器
? ? oiin 216 lffkf ???
oiin 2 kfff ??
电力电子技术 4-53
4.3.2 三相交交变频电路
? 由三组输出电压相位各差 120° 的单相交交变频
电路组成。
1) 电路接线方式
公共交流母线进线方式
输出星形联结方式
交交变频电路主要应用于大功率交流电机
调速系统，使用的是三相交交变频电路。
电力电子技术 4-54
? (1)公共交流母线进线
方式
图 4-24 公共交流母线进线
三相交交变频电路（简图 ）
4.3.2 三相交交变频电路
由三组彼此独立的、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。为
此，交流电动机的三个绕组
必须拆开。
主要用于中等。容量的交流
调速系统。
电力电子技术 4-55
(2) 输出星形联结方式
– 三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星
形联结
– 电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出
三根线即可 图 4-25 输出星形联结方式三相交交变频电路
a）简图 b）详图
4.3.2 三相交交变频电路
电力电子技术 4-56
因为三组的输出联接在一起，其电源进线必须隔离，因
此分别用三个变压器供电。
由于输出端中点不和负载中点相联接，所以在构成三相
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。
4.3.2 三相交交变频电路
三组的输出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形
联结。
电动机中点不和变频器中点接在一起，电动机只引出三
根线即可。
和整流电路一样，同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉
冲保证同时导通。
两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度，以保
证同时导通。
电力电子技术 4-57
? 2) 输入输出特性
– 输出上限频率和输出电压谐波和单相交交变频电路是
一致的。
输入电流
总输入电流由
三个单相的同一
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。
图 4-26 交交变频电路的输入电流波形
4.3.2 三相交交变频电路
电力电子技术 4-58
? 谐波频率为
?
? k=1,2,3,…l=0,1,2,… 。
? 采用三相桥式电路时，
输入谐波电流的主要频
率为 fi± 6fo,5fi,
5fi± 6fo, 7fi,
7fi± 6fo, 11fi,
11fi± 6fo fi± 12fo等。
其中 5fi次谐波的幅值最
大。 图 4-26 交交变频电路的输入电流波形
4.3.2 三相交交变频电路
? ? oiin 616 lffkf ???
oiin 6 kfff ??
(4-21)
(4-22)
电力电子技术 4-59
输入功率因数
三相总输入功率因数应为
?
? (4-23)
三相电路总的有功功率为各相有功功率之和
但视在功率却不能简单相加，而应由总输入电流有
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
三相总输入功率因数要高于单相交交变频电路
??
S
PPP
S
P cba??l
4.3.2 三相交交变频电路
电力电子技术 4-60
? 3) 改善输入功率因数和提高输出电压
4.3.2 三相交交变频电路
基本思路
各相输出的是相电压，而加在负载上的是线电压。
在各相电压中叠加同样的直流分量或 3倍于输出频
率的谐波分量，它们都不会在线电压中反映出来，
因而也加不到负载上。利用这一特性可以使输入功
率因数得到改善并提高输出电压。
直流偏臵
负载电动机低速运行时，变频器输出电压很低，各
组桥式电路的 a角都在 90° 附近，因此输入功率因
数很低。
给各相输出电压叠加上同样的直流分量，控制角 a
将减小，但变频器输出线电压并不改变。
电力电子技术 4-61
交流偏置
梯形波输出控制方式 。
使三组单相变频器的输出均
为梯形波 （ 也称准梯形波 ）,
主要谐波成分是三次谐波 。
在线电压中三次谐波相互抵消,
线电压仍为正弦波 。
因为桥式电路较长时间工作在高输出电压区域 （ 即梯形波
的平顶区 ）, a角较小, 因此输入功率因数可提高 15%左
右 。
图 4-20正弦波输出控制方式中, 最大输出正弦波相电压的
幅值为 Ud0。
在同样幅值的情况下, 梯形波中的基波幅值可提高 15%左
右 。
图 4-27 梯形波控制方式的理想输出电压波形
4.3.2 三相交交变频电路
电力电子技术 4-62
交交变频和交直交变频的比较
8.1节中介绍间接变频电路，先把交流变换成直流，再
把直流逆变成可变频率的交流，称交直交变频电路。
交交变频电路的 优点,
交交变频电路的 缺点,
接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至
少要用 36只晶闸管。
受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较
低。
输入功率因数较低。
输入电流谐波含量大，频谱复杂。
效率较高（一次变流）
可方便地实现四象限工作
低频输出波形接近正弦波
4.3.2 三相交交变频电路
电力电子技术 4-63
应用
主要用于 500kW或 1000kW以上的大功率、低转
速的交流调速电路中。目前已在轧机主传动装置、
鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合应用。
既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动。
4.3.2 三相交交变频电路
电力电子技术 4-64
4.4 矩阵式变频器
简介：
是近年出现的一种新颖的
变频电路。
是直接变频电路,采用
的开关器件是全控型。
控制方式是斩波控制。
拓扑结构：
三相输入电压为 ua,ub
和 uc
三相输出电压为 uu,uv
和 uw
图 4-28 矩阵式变频器
电力电子技术 4-65
9个开关器件组成 3× 3
矩阵，因此该电路被称
为矩阵式变频电路
(Matrix Converter —
MC)或矩阵变换器。
图中每个开关都是矩阵
中的一个元素，采用双
向可控开关，图 4-28b
给出了应用较多的一种
开关单元。
图 4-28 矩阵式变频器
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-66
优点
输出电压为正弦波 。
输出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 。
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-67
矩阵式变频电路的基本工作原理
单相输入
对单相交流电压 us进行斩波
控制, 即进行 PWM控制时,
输出电压 uo为
(4-24)
式中, Tc——开关周期；
ton—— 一个开关周期内开关
导通时间； s ——占空比 。
on
o s s
c
tu u u
T ???
a)
b)
c)
Um
U1m U
2
3
Um12
√ －
－
图 4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分
a)单相输入 b) 三相输入构造输出相电压 c) 三相输
出构造输出线电压
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-68
不同的开关周期中采用不同的 s，
可得到与 us频率和波形都不同
的 uo 。
由于单相交流 us波形为正弦波，
可利用的输入电压部分只有如
图 4-29a所示的单相电压阴影部
分，因此 uo将受到很大的局限，
无法得到所需输出波形。
c)
a)
b)
Um
U1m U
2
3
Um12
√ －
－
图 4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分
a)单相输入 b) 三相输入构造输出相电压 c) 三相
输出构造输出线电压
4.4 矩阵式变频器
利用三相相电压
把输入改为三相, 就可利用
图 4-29b所示的三相相电压包
络线中所有的阴影部分 。
电力电子技术 4-69
理论上所构造的 uu的频率
可不受限制 。
但如 uu必须为正弦波, 则
其最大幅值仅为输入相电
压 ua幅值的 0.5倍 。
图 4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分
a)单相输入 b) 三相输入构造输出相电压 c) 三相
输出构造输出线电压
4.4 矩阵式变频器
利用三相线电压
用图 4-28a中第一行和第
二行的 6个开关共同作用
来构造输出线电压 uuv 。
a)
b)
c)
Um
U1m U
2
3
Um12
√ －
－
电力电子技术 4-70
可利用图 4-29c中 6个线电
压包络线中所有的阴影部
分 。
当 uuv必须为正弦波时,
最大幅值就可达到输入线
电压幅值的 0.866倍 。
正弦波输出条件下矩阵式
变频电路理论上最大的输
出输入电压比 。
a)
b)
c)
Um
U1m U
2
3
Um12
√ －
－
图 4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分
a)单相输入 b) 三相输入构造输出相电压 c) 三相
输出构造输出线电压
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-71
以相电压输出方式为例分析矩
阵式交交变频电路的控制
利用对开关 S11,S12和 S13
的控制构造输出电压 uu。
为防止输入电源短路, 任
何时刻只能有一个开关接
通 。
负载一般是阻感负载, 负
载电流具有电流源性质,
为使负载不开路, 任一时
刻必须有一个开关接通 。
图 4-28 矩阵式变频器
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-72
u相输出电压 uu和各相输
入电压的关系为
(4-25)
? 式中 s11, s12 和 s13——
一个开关周期内开关 S11、
S12,S13的导通占空比
?
(4-26)
11 12 13u a b cu u u u? ? ?? ? ?
1 1 1 2 1 3 1? ? ?? ? ?
图 4-28 矩阵式变频器
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-73
用同样的方法控图中第 2,3
行的各开关，得到类似于
? (4-25)
? 的表达式。合写成矩阵的形
式
? 可缩写为
? uo=? ui （ 4－ 28）
11 12 13u a b cu u u u? ? ?? ? ?
1 1 1 2 1 3
2 1 2 2 2 3
3 1 3 2 3 3
ua
vb
wc
uu
uu
? ? ?
? ? ?
? ? ?
? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?
?
? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?
图 4-28 矩阵式变频器
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-74
矩阵式变频电路确定后，输
入电流和输出电流的关系也
确定了。
?
? 缩写形式 ii ＝ ? io (4-30)
? 式中
? ii
? io
11 21 31
i 12 22 32
13 23 33
au
bv
cw
ii
ii
? ? ?
? ? ?
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? ? ? ? ? ???
? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?
i
T
? ?Ta b ci i i?
? ?Tu v wi i i?
图 4-28 矩阵式变频器
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-75
对实际系统来说, 输入电压和所需要的输出电流是已知的 。
设为
? (4-31)
?
?
? （ 4－ 32）
?
im i
im i
im i
c os
2
c os
3
4
c os
3
a
b
c
Ut
u
u U t
u
Ut
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3
4
c o s
3
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w
It
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i I t
i
It
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wj
?
wj
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式中
Uim,Iom 为输
入电压和输出
电流的幅值；
wi,wo 为输入
电压和输出电
流的角频率；
jo 为相应于输
出频率的负载
阻抗角。
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-76
? 变频电路希望的输出电压和输入电流分别为
? (4-33)
? (4-34)
o m o
u
v o m o
w
o m o
c o s
2
c o s
3
4
c o s
3
Ut
u
u U t
u
Ut
w
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w
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??????
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im i i
im i i
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3
4
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3
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b
c
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i
i I t
i
It
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?
wj
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wj
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? ? ???
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??????
????
式中
Uom,Iim为
输出电压和
输入电流的
幅值；
ji为输入电
流滞后于电
压的相位角。
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-77
? 当期望的输入功率因数为 1时, ji =0。 把式 (4-31)~
式 (4-34)代入式 (4-27)和式 (4-29),可得
? (4-35)
?
? ( 4-36)
o m o
o m o
o m o
c o s
2
c o s
3
4
c o s
3
Ut
Ut
Ut
w
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im i
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It
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?????
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o m o o
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3
4
c o s
3
It
It
It
wj
?
wj
?
wj
??
?
????
????
????
??
??????
????
如能求得
满足式
(4-35) 和
式 (4-36)
的 s, 就
可得到希
望的输出
电压和输
入电流 。
4.4 矩阵式变频器
电力电子技术 4-78
要使矩阵式变频电路能够很好地工作, 需解决的
两个基本问题：
4.4 矩阵式变频器
所用的开关器件为 18个, 电路结构较复杂, 成本
较高, 控制方法还不算成熟 。
输出输入最大电压比只有 0.866，用于 交流电机调
速时输出电压偏低 。
现状
尚未进入实用化，主要原因：
如何求取理想的调制矩阵 ? 。
开关切换时如何实现既无交叠又无死区。
电力电子技术 4-79
十分突出的优点：
4.4 矩阵式变频器
在器件制造技术飞速进步和计算机技术 日新月异的
今天, 矩阵式变频电路将有很好的发展前景 。
有十分理想的电气性能 。
和目前广泛应用的交直交变频电路相比, 虽多用了
6个开关器件, 却省去了直流侧大电容, 将使体积
减小, 且容易实现集成化和功率模块化 。
电力电子技术 4-80
本章小结
? 本章的要点如下,
? (1) 交流 — 交流变流电路的分类及其基本概念；
? (2) 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；
? (3) 三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理；
? (4) 交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念；
? (5) 晶闸管相位控制交交变频电路的电路构成, 工作原理
和输入输出特性；
? (6) 各种交流 — 交流变流电路的主要应用；
? (7) 矩阵式交交变频电路的基本概念 。
