1
第 4章 交流电力控制电路和交
交变频电路（ AC/AC变换）
4.1 交流调压电路
4.2 其它交流电力控制电路
4.3 交交变频电路
4.4 矩阵式变频电路
本章小结
2
交交变频电路
交直交变频电路
交流 -交流变流电路
一种形式的交流变成另一种形式交流的电路
在进行交流 — 交流变速时，可改变相关的电压、电流、频率和相数等
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，不改变频率的电路
变频电路改变频率的电路
大多不改变相数，也有改变相数的
第 4章 交流电力控制电路和交交变频电路
3
交直交变频电路
交交变频电路
直接把一种频率的交流变成另一种频率或可变频率的交流
直接变频电路
间接变频电路
先将交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流
4
第 4章 交流电力控制电路和交
交变频电路（ AC/AC变换）
4.1 交流调压电路
4.2 其它交流电力控制电路
4.3 交交变频电路
4.4 矩阵式变频电路
本章小结
5
4.1 交流调压电路
4.1.1 单相交流调压电路
4.1.2 三相交流调压电路
6
4.1 交流调压电路
交流电力控制电路 两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，
通过控制晶闸管就可控制交流电力
交流调压电路 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
交流调功电路
以交流电周期为单位控制晶闸管通断，改
变通断周期数的比，调节输出功率的平均
值
交流电力电子开关 不调节输出平均功率，只接通或断开电路，
串入电路的晶闸管
7
4.1 交流调压电路
4.1.1 单相交流调压电路
4.1.2 三相交流调压电路
8
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
?在交流电源 u1的正半周和负半周，
分别对 VT1和 VT2的开通角 a进行控
制就可以调节输出电压。
?正负半周 a起始时刻（ a=0）均
为电压过零时刻，在稳态情况下，
正负半周的 a相等。
?负载电压波形是电源电压波形的
一部分，负载电流和负载电压的波
形相同。
R
O
u 1 u o
i o
VT 1
VT 2
u 1
u o
i o
u VT
w t
O w t
O w t
O w t
9
电阻负载单相交流调压电路在开通角为 a时，负载电压有效值 Uo、负
载电流有效值 Io、晶闸管电流有效值 IVT和电路的功率因数 λ 分别为
? ? ? ? ? a?a?ww? ?a ???? ? 2s i n2 1ds i n21 121o UttUU (4-1)
? ? )
2
2s i n1(
2
1s i n2
2
1 1
2
1
?
a
?
aww
?
?
a
?????
?
?
???
?
? ?
R
Utd
R
tUI
T
(4-2)
?
a?a
??
?????? 2s i n
2
1
1
o
o1
oo
U
U
IU
IU
S
P
(4-3)
R
UI o
o ?
(4-4)
10
?a的移相范围为 0≤ a≤π 。 a
=0时，相当于晶闸管一直接通
，输出电压为最大值,Uo=U1。
随着 a的增大,Uo逐渐降低,直
到 a=π 时,Uo =0。
?a =0时，功率因数 λ=1, 随
着 a增大，输入电流滞后于电压
且发生畸变,λ 也逐渐降低。
R
O
u 1 u o
io
VT 1
VT 2
u 1
u o
io
u VT
w t
O w t
O w t
O w t
图 4-1电阻负载单相交流调压
电路及其波形
11
R
L
0, 6
图4 - 2
O
u
1
u
o
i
o
VT
1
VT
2
u
1
u
o
i
o
u
VT
w tO
w t
O w t
w tO
u
G1
u
G2
O
O
w t
w t
2.阻感负载
设负载阻抗角为 j = arctan(wL / R)
如果用导线把晶闸管完全短接，
稳态时负载电流为正弦波，其相
位滞后于电源电压 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，
无法使其超前。
a =0时刻仍定在电源电压 u1过零
的时刻，阻感负载下稳态时 a的
移相范围应为 j ≤ a≤π 。
图 4-2 阻感负载单相交流调压
电路及其波形
12
在 ωt = a时刻开通 VT1，负载电流应满足如下方程式和初始条件
解方程得
式中，,θ 为晶闸管导通角
利用边界条件,ωt = a+θ 时 io =0,可求得 θ
0
s i n2
d
d
o
1o
o
?
??
? aw
w
t
i
tURi
t
iL (4-5)
?awajajw j
wa
???
?
?
?
?
?
?
?
?
????
?
tetZ Ui
t
tg1
o )s i n ()s i n (
2 (4-6)
22 )( LRZ w??
j
?
jaj?a tg)s i n ()s i n (
?
???? e
(4-7)
13
?以 j为参变量，利用
式（ 4-7）可将 a和 θ
的关系用图 4-3曲线
表示
?VT2导通时,a和 θ
关系完同，只是 io极
性相反，相位相差
180°
0 20 1 0 060 1 4 0 1 8 0
20
1 0 0
图4 - 3
60
?
/
(°
)
1 8 0
1 4 0
a / (° )
j
=
9
0
°
7
5
°
6
0
°
4
5
°
3
0
°
1
5
°
0°
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
14
阻感负载单相交流调压电路在开通角为 a时，负载电压有效值 Uo、晶
闸管电流有效值 IVT负载电流有效值 Io分别为
? ?)22s i n (2s i n1
)()s i n2(
1
1
2
1o
?aa
??
?
ww
?
?a
a
????
? ?
?
U
tdtUU
(4-8)
j
?ja?
?
?
wjajw
?
?a
a
j
wa
c os
)2c os (s i n
2
)d()s i n ()s i n (
2
2
1
1
2
tg1
VT
??
??
??
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
???? ?
?
?
Z
U
tet
Z
U
I
t
(4-9)
VTII 20 ?
(4-10)
15
图 4-4 单相交流调压电路 a为参变量时 IVTN和 a关系曲线
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
1601800 40 12080
j= 0
a /(° )
I VT
N
12 U
ZII
VTV T N ?
设晶闸管电流 IVT的标么值为
(4-11)
IVT和 a的关系曲线如图 4-4
16
0 20 1 0 060 1 4 0 1 8 0
20
1 0 0
图4 - 3
60
?
/
(°
)
1 8 0
1 4 0
a / (° )
j
=
9
0
°
7
5
°
6
0
°
4
5
°
3
0
°
1
5
°
0°
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
?当 j<a<π 时,VT2的导通角 θ 均
小于 π,如图 4-3所示,a越小，
θ 越大。
?当 a?j时,θ =π
?当 a继续减小,0?a<j的某一时
刻触发 VT1,VT1的导通时间将超
过 π 。
?到 ω t=π +a时刻出发 VT2，负载
电流 io尚未过零 VT1仍在导通，
VT2不会立即导通。
?直到 i0过零后，如 VT2的触发脉
冲有足够的宽度而尚未消失，（
见图 4-2）,VT2就会可开通。
R
L
0, 6
图4 - 2
O
u
1
u
o
i
o
VT
1
VT
2
u
1
u
o
i
o
u
VT
w tO
w t
O w t
w tO
u
G1
u
G2
O
O
w t
w t
图 4-2 阻感负载单相交流调压
电路及其波形
17
?
w t
w t
w t
w t
图4 - 5
a
a ? ?
a
?O
O
O
O
u
1
i
G1
i
G2
i
o
j
i
T1
i
T2
图 4-5 a<j时阻感负载交流调压电路工作波形
?当 a<j,VT1提前通，负
载 L被过充电，其放电时间
将延长,VT1结束导电时刻
大于 ? ?j，使 VT2推迟开通
,VT2的导通角小于 π 。
? io由两个分量组成，第一
项为正弦稳态分量、第二
项为指数衰减分量。
在指数分量的衰减过程中
,VT1的导通时间渐短，
VT2的导通时间逐渐延长。
?当指数分量衰减到零后，
VT1和 VT2的导通时间都趋
近于 π, 稳态的工作情况和
a ?j时完全相同
18
3.单相交流调压电路的谐波分析
波形正负半波对称，不含直流分量和偶次谐波，用傅里叶级数表
示如下
式中，
??
?
??
?,5,3,1
o )s i nc o s()(
n
nn tnbtnatu www
(4-12)
)12( c o s22 11 ?? a?Ua
? ?)(22s i n22 11 a?a? ??? Ub
? ? ? ??????? ???????? 1)1c o s (111)1c o s (112 1 aa? nnnnUa n
?????? ?????? aa? )1s i n (11)1s i n (11
2 1 n
nnn
Ub
n
(n=3,5,7,…)
(n=3,5,7,…)
19
0 60 120 180
图4 - 6
基波
3 次
5 次
7 次
触发延迟角 a / ( ° )
I
n
/
I
*
/
%
20
40
60
80
100
图 4-6 电阻负载单相交流调压电路基波
和谐波电流含量
负载电流基波和各次谐波有效值为
22
on 2
1
nn baU ??
(4-13)
基波和各次谐波有效值可按下式求得
RUI /onon ?
(4-14)
基准电流为 a=0时的有效值，电流基
波和各次谐波标么值随 a变化的曲线
如图 4-6所示
20
4．斩控式交流调压电路
R
L
图4 - 7
u
1
i
1
u
o
V
1
V
2
VD
1
VD
2
V
3
V
4
VD
4
VD
3
图 4-7 斩控式交流调压电路
? 斩控式交流调压电路 一般采用全
控型器件作为开关器件。
? 基本原理和直流斩波电路有类似
之处，直流斩波电路输入是直流电
压，斩控式交流调压电路的输入是
正弦交流电压。
? 在交流电源 u1的正半周，用 V1进
行斩波控制，用 V3个负载电流提供
续流通道。
? 在 u1的负半周，用 V2进行斩波控
制，用 V4给负载电流提供续流通道。
设斩波器件（ V1或 V2）导通时
间为 ton，开关周期为 T，则导通比
a = ton/T，和直流斩波电路一样，
通过改变 a 可调节输出电压。
21
图 4-8 电阻负载斩控式交流调压
电路波形
u
1
u
o
i1
0
0
0
ωt
ωt
ωt
? 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
? 这些高次谐波用很小的滤波器
即可滤除。
? 这些电路的功率因数接近 1
22
4.1 交流调压电路
4.1.1 单相交流调压电路
4.1.2 三相交流调压电路
23
4.1.2 三相交流调压电路
n
负载
a
c
n '
负载
a
b
c
a) b)
负载
a
b
c
c)
负载
b
d)
图4 - 9
a
b
c
u
a
u
b
u
c
i
a
U
a 0 '
n
u
a
u
b
u
c
i
a
n
u
a
u
b
u
c
i
a
n
u
a
u
b
u
c
i
a
VT
1
VT
3
VT
4
VT
5
VT
6
VT
2
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
24
1．星形联结电路
n n'
负载
a
b
c
a)
ua
ub
uc
ia Ua0'VT1
VT3 VT4
VT5 VT6
VT2
图 4-9 三相交流调压电路
a) 星形联结
三相三线星形联结电路
三相四线
?三相四线时，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
?三相中 3的整数倍次谐波同相位，不
能在各相之间流动，全部流过零线。
零线中有很大的 3次谐波电流及其它
3的整数倍次谐波电流。当 a=90°
时，零线电流甚至和各相电流的有效
值接近。
三相三线时，任一相导通须和另一相
构成回路，电流流通路经中有两个晶闸
管，应采用双脉冲或宽脉冲触发。
?三相的触发脉冲依次相差 1200，同一
相的两个反并联晶闸管触发脉冲相差
1800。三相桥式全控整流电路一样，触
发脉冲顺序为 VT1~ VT6,依次相差 60° 。
?相电压过零点定为 a的起点，两相间导
通时是靠线电压导通，线电压超前相电
压 300,a角移相范围是 0° ~ 150° 。
25
图4 - 1 0
c)
晶闸管
导通区间
a)
a
晶闸管
导通区间
?
晶闸管
导通区间
b)
a
4 ?
3
2 ?
3
5 ?
3
?
3
0 2 ?
4 ?
3
2 ?
3
5 ?
3
?
3
0 2 ?
a
? 4 ?
3
2 ?
3
5 ?
3
?
3
0 2 ?
u
a o '
u
a o '
u
a o '
u
a
u
a
u
a
u
ab
2
u
ac
2
u
ab
2
u
ac
2
u
ab
2
u
ac
2
t
1
t
2
t
3
t
1
t
2
t
3
VT
1
VT
3
VT
4
VT
6
VT
1
VT
6
VT
2
VT
5
VT
5
VT
5
VT
1
VT
3
VT
4
VT
6
VT
2
VT
6
VT
5
VT
5
VT
1
VT
3
VT
4
VT
6
VT
2
VT
6
VT
5
VT
5
VT
1
VT
3
VT
5
VT
4
VT
2
VT
4
VT
6
图 4-10 不同 a角时负载相电压波形
a) a =30° b) a =60° c) a =120°
1） 0° ≤ a <60°,
三个晶闸管导通与两
个晶闸管导通交替，
每个晶闸管导通角度
为 180° － a。但 a
=0° 时，一直是三
管导通
2） 60° ≤ <90°,
任一时刻两个晶闸管导
通，每个晶闸管导通角
度 120°
3） 90° ≤ a <150°,
两个晶闸管导通与无晶
闸管导通交替，每个晶
闸管导通角度为 300°
－ 2 a,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 1500?a。
26
? 电流中含有很多谐波, 进行傅里叶分析可知, 其中电流谐波次数
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的整数倍次谐波, 因三相对称
时, 它们不能流过三相三线电路 。
? a?j时, 负载电流最大且为正弦波 。
? 电感大时 。 谐波电流的含量要小些 。
27
2．支路控制三角联结电路
负载
a
b
c
c)
n
ua
u b
uc
ia
图 4-9 三相交流调压电路
c)支路控制三角形联结
?支路控制三角形联结电路由三个
单相交流调压电路组成，三个单相
电路分别在不同的线电压作用下单
独工作。
?由于三相对称负载相电流中的 3的
整数倍次谐波相位和大小相同，它
们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。
28
图 4-11 晶闸管控制电抗器 (TCR)电路
晶闸管控制电抗器（ Thyristor Controlled Reactor— TCR），电路图
如 4-11所示
? a移相范围为 90° ~ 180°,
通过对 a角的控制可连续调节流
过电抗器的电流，从而调节电
路从电网中吸收的无功功率。
? 如配以固定电容器，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 。用来对无功功率进
行动态补偿，以补偿电压波动
或闪变。
负载
ua i
a
ub
uc
n b
a
c
29
a) b) c)
图4 - 1 2
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°
30
第 4章 交流电力控制电路和交
交变频电路（ AC/AC变换）
4.1 交流调压电路
4.2 其它交流电力控制电路
4.3 交交变频电路
4.4 矩阵式变频电路
本章小结
31
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
32
? 交流调功电路与交流调压电路电路形式完全相同，只是控制方
法不同。
? 交流调功电路不是在每个交流电源周期都对输出电压波形进行
控制，而是将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周
波，通过改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。
? 因其直接调节对象是电路的平均输出功率,所以称为 交流调功
电路
? 通常控制晶闸管导通时刻都是在电源电压过零的时刻, 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 。
4.2.1 交流调功电路
33
?
M
电源周期
控制周期 = M 倍电源周期 = 2 ?
4 ?
M
图4 - 1 3
O
导通段 =
2 ? N
M
3 ?
M
2 ?
M
u
o
u
1
u
o
,i
o
w t
U
1
2
图 4-13 交流调功电路典型波形 (M =3,N =2)
?设控制周期为 M倍电源周
期，其中晶闸管在前 N个周
期导通，后 M－ N个周期关
断,当 M=3,N=2时的电路
波形如图 4-13，负载电压和
负载电流的重复周期为 M倍
电源周期。
?负载电阻时，负载电流波
形和负载电压波形相同。
34
0 12 14
谐波次数
相对于电源频率的次数
图4 - 1 4
2 4 6 108
0, 6
0, 5
0, 4
0, 3
0, 2
0, 1
0 51 2 3 4
I
n
/
I
0m
图 4-14 交流调功电路的电流频谱图 (M =3,N =2)
? 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，
在电源频率附近，非整数倍
频率谐波的含量较大。
35
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
36
4.2.2 交流电力电子开关
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 。
与机械开关相比
?响应速度快
?没有触点
?寿命长
?可以频繁控制通断
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
37
I
U
抑制冲击电流
的小电感
a)
图4 - 1 5
b)
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
?两个反并联的晶闸管起着把 C并
入电网或从电网断开的作用。
?串联电感很小，只是用来抑制
电容器投入电网时可能出现的冲
击电流。
?为避免容量较大的电容器组同
时投入或切断对电网造成较大冲
击，一般把电容器分成几组。
?根据电网对无功的需求而改变
投入电容器的容量。
?TSC实际上成为断续可调的动态
无功功率补偿器。
38
? TSC运行时选择晶闸管投入时刻的原则是，该时刻交
流电源电压应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，投入时刻 ic才为零，
之后才按正弦规律上升，电容投入过程不但没有冲击电
流，电流也没有阶跃变化。
39
us
iC uC
C
VT1
VT2
uVT1
t
t
t
tus
iC
uC
VT1
VT2t
1 t2
uVT1
图 4-16 TSC理想投切时刻原理说明
?本次导通开始前，电容器的端电
压 uc已由上次导通时段最后导通的
晶闸管 VT1充电至电源电压 us的正
峰值。
?本次导通开始时刻取为 us和 uc相
等的时刻 t1，各 VT2触发脉冲使之
开通,ic开始流通。
40
us
iC
uVT
uC
C
VT
VD
t
t
t
tus
iC
uVT
uC
VT
VD
t1 t2 t3 t4
图 4-17 晶闸管和二极管反并联方式的 TSC
? TSC电路也可采用晶闸管和二
极管反并联的方式，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。因二极管不可控，
响应速度稍慢，投切电容器的最
大时间滞后为一个周波。
以后每半个周波轮流触发 VT1和
VT2,电路继续导通。
?需要切除该条电容支路时，如在
t2时刻 ic已降为零,VT2关掉，这时
撤出触发脉冲,VT1就不会导通，
uc保持 VT2导通结束时的电源电压
负峰值，为下一次投入电容器做
准备。
41
第 4章 交流电力控制电路和交
交变频电路（ AC/AC变换）
4.1 交流调压电路
4.2 其它交流电力控制电路
4.3 交交变频电路
4.4 矩阵式变频电路
本章小结
42
4.3 交交变频电路
4.3.1 单相交交变频电路
4.3.2 三相交交变频电路
43
uo
0
输出电压 ap=0 平均输出电压
2?a?p2?a?p
ωt
P
u
o
Z
N
图 4-18 单相交交变频电路原理图和输
出电压波形
4.3.1 单相交交变频电路
1．电路构成和基本工作原理
?单相交交变频电路由 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。
? 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 。
? 为使 uo波形接近正弦波, 可
按正弦规律对 a角进行调制
? 在半个周期内让正组变流器
P组 a 角按正弦规律从 90°
减到 0° 或某个值, 然后再
逐渐增大到 90° 。
? 每个控制间隔内的平均输出
电压就按正弦规律从零逐渐
增至最高, 再逐渐减低到零 。
另外半个周期可对 N组进行
同样的控制 。
? uo并不是平滑的正弦波, 而
是由若干段电源电压拼接而
成, 在 uo的一个周期内, 所
包含的电源电压段数越多,
其波形就越接近正弦波 。
44
2．整流与逆变工作状态
a)
uP u Nuo
i o
i Ni P
图 4-19 理想化交交变频电路的
整流和逆变工作状态
a) 电路图
? 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 。 其中交
流电源表示变流电路可输出交流正弦电压, 二极管体现了变流电路的
电流单向性 。
? 设负载阻抗角为 j,输出电流滞
后输出电压 j 角, 两组变流电路工
作时采取直流可逆调速系统中的无
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 。
45
整流 逆变
阻断
b)
P
N
t
t
t
t
t
整流 逆变
阻断
O
O
O
O
O
u o,io u o
io
t1 t2 t3 t4 t5
u ou P
u N
u o
iP
iN
图 4-19 理想化交交变频电路的
整流和逆变工作状态
b) 波形
? t1~t3期间的 io正半周，正组
变流电路工作，反组电路被
封锁。
? t1~ t2阶段,uo和 io均为正，
正组变流电路工作在整流状
态，输出功率为正。
? t2 ~ t3阶段,uo反向,io仍
为正，正组变流电路工作在
逆变状态，输出功率为负。
? t3 ~ t5阶段,io负半周，反组变流
电路工作，正组电路被封锁。
? t3 ~ t4阶段,uo和 io均为负，反组
变流电路工作在整流状态。
? t4 ~ t5阶段,io为负,uo为正，
反组变流电路工作在逆变状态。
?哪组变流电路工作由 io方向决定，
与 uo极性无关。
?变流电路工作在整流状态还是逆
变状态，根据 uo方向与 io方向是否
相同确定。
46
1
O
O
2
3 4
5
6
图4 - 2 0
u
o
i
o
w t
w t
图 4-20 单相交交变频电路输出电压和电流波形
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
第 1段 io <0,uo >0，反组逆变
第 2段电流过零，为无环流死区
第 3段 io >0,uo >0，正组整流
第 4段 io >, o <,正组逆变
第 5段又是无环流死区
第 6段 <, <,为反组整流
?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
47
3．输出正弦波电压的调制方法
余弦交点法
设 Ud0为 a= 0时整流电路的理想空载电压，则控制角为 a时 uo为
设要得到的正弦波输出电压为
比较式（ 4-15）和式（ 4-16），应使
式中,g称为输出电压比
因此
ac o sd0o Uu ? (4-15)
tUu oomo s in w?
(4-16)
ttUU oo
d0
om s i ns i nc o s wgwa ?? (4-17)
)10(0 ??? gg domUU
)s in(c o s o1 twga ?? (4-18)
48
图4 - 2 1
u
2
u
3
u
4
u
5
u
6
u
1
u
s2
u
s3
u
s4
u
s5
u
s6
u
s1
u
o
a
P3
a
P4
w t
w t
图 4-21 余弦交点法原理
? 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 。
49
g = 0
g = 0, 1
相位控制角
a
/
(
°
)
输出相位 w
0
t
图4 - 2 2
1 2 0
1 5 0
1 8 0
30
60
90
0
0, 1
0, 2
0, 3
0, 8
0, 9
1, 0
0, 8
0, 2
0, 3
0, 9
1, 0
? 2 ?
2
?
2
3 ?
图 4-22 不同 g时 a和 wot的关系
)s in(s in
2
)s in(c o s
o
1
o
1
t
t
wg
?
wga
?
?
??
?
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。
50
4.输入输出特性
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。
?电压波形畸变以及由此产生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。
?构成交交变频电路的两组变流电路的脉波数越多，输
出上限频率越高。
? 6脉波三相桥式电路，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。
51
2)输入功率因数
?输入电流的相位滞后于输入电压，需
要电网提供无功功率。
?在输入电压的一周期内,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°,位移因数因数越低。
?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。
g = 0
g = 0, 1
相位控制角
a
/
(
°
)
输出相位 w
0
t
图4 - 2 2
1 2 0
1 5 0
1 8 0
30
60
90
0
0, 1
0, 2
0, 3
0, 8
0, 9
1, 0
0, 8
0, 2
0, 3
0, 9
1, 0
? 2 ?
2
?
2
3 ?
图 4-22 不同 g时 a和 wot的关系
52
0, 8 0, 6 0, 4 0, 2 0
g
=
1
,0
输入位移因数
负载功率因数 （ 滞后 ）负载功率因数 （ 超前 ）
图4 - 2 3
0
1, 00, 80, 60, 40, 20
0, 8
0, 6
0, 4
0, 2
0
,8
0
,6
0,
4
0, 2
图 4-23 单相交交变频电路的功率因数
?输入位移因数就是输入的基
波功率因数，其值通常略大
于输入功率因数。
?即使负载功率因数为 1且输出
电压比 γ也为 1，输入功率因数
仍小于 1，随着负载功率因数
的降低和 γ的减小，输入功率
因数也随之降低。
53
3)输出电压谐波
?交交变频电路输出电压既和电网频率 fi以及变流电路
的脉波数有关, 也和输出频率 fo有关 。
?采用三相桥式电路的交交变频电路输出电压所含主要
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, 将使输出电压中增加 5fo,7fo等次谐波 。
54
4)输入电流谐波
? 单相交交变频电路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
为
和
式中,k=1,2,3,… ； l=0,1,2,…
? ? oiin 216 lffkf ???
oiin 2 kfff ??
(4-19)
(4-20)
55
4.3 交交变频电路
4.3.1 单相交交变频电路
4.3.2 三相交交变频电路
56
4.3.2 三相交交变频电路
1．电路接线方式
图4 - 2 4
图 4-24 公共交流母线进线三相交交变频
电路（简图）
1) 公共交流母线进线方式
?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。
?交流电动机的三个绕组必须拆
开，共引出六根线 。
57
a)
b)
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
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
?电动机中性点不和变频
器中性点接在一起，电动
机只引出三根线即可。
?三组单相交交变频器分
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。
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。
58
2 0 0 t / ms
输出电压
单相输出时
U 相输入电流
三相输出时
U 相输入电流
图4 - 2 6
2 0 0 t / ms
2 0 0 t / ms
图 4-26 交交变频电路的输入电流波形
2,输入输出特性
三相交交变频电路和单相交交变频电路的输出上限频率
和输出电压谐波是一致的，但输入电流和输入功率因数
有些差别。
59
? ? oiin 616 lffkf ???
oiin 6 kfff ??
三相输出时，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，谐波频率为
和
式中,k =1,2,3,… ； l =0,1,2,…
当变流电路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, 13fi, 13fi± 6fo, fi± 12fo等。其中 5fi次谐
波的幅值最大。
(4-21)
(4-22)
60
三相交交变频电路由三组单相交交变频电路组成，每组单相变频电
路由自己的有功功率、无功功率和视在功率，总输入功率因数应为
?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 ?????
(4-23)
61
3．改善输入功率因数和提高输出电压
u
A N '
的基波分量
图4 - 2 7
u
O
t
u
AB
u
A N '
u
B N '
图 4-27 梯形波控制方式的理想
输出电压波形
交流偏臵
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 （准梯形波） 。
?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。
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。
62
交直交变频电路 先把交流变换成直流，再把直流
逆变成可变频率的交流
交交变频电路和交直交变频电路比较，交交变频电路的
只用一次变流，效率较高
优点 可方便地实现四象限工作
低频输出波形接近正弦波
接线复杂
受电网频率和变流电路脉波数的限制，
缺点 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
63
第 4章 交流电力控制电路和交
交变频电路（ AC/AC变换）
4.1 交流调压电路
4.2 其它交流电力控制电路
4.3 交交变频电路
4.4 矩阵式变频电路
本章小结
64
4.4 矩阵式变频电路
输入
输
出
a) b)
图4 - 2 8
a b c
u
v
w
S
1
1
S
1
2
S
1
3
S
2
1
S
2
2
S
2
3
S
3
1
S
3
2
S
3
3
S
ij
图 4-28 矩阵式变频电路
?直接变频电路
所用开关器件是全控型的，
控制方式是斩控方式
?矩阵式变频电路（矩阵变
换器）
?三相输入电压为 ua,ub和 uc
?三相输出电压为 uu,uv和
uw
? 9个开关器件组成 3× 3矩
阵
65
矩阵式变频电路优点
?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
66
对单相交流电压 us进行斩波控制, 即进行 PWM控制时, 如果开关
频率足够高, 则输出电压 uo为
式中, Tc为开关周期； ton为一个开关周期内开关导通时间； s 为
占空比
?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
ss
c
on
o uuT
tu s?? (4-24)
67
?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
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
a)
68
输入
输
出
a b c
u
v
w
S1
1
S1
2
S1
3
S2
1
S2
2
S2
3
S3
1
S3
2
S3
3
图 4-28 矩阵式变频电路
图 4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分
b) 三相输入构造输出相电压
? 如把输入交流电源改为三
相，如用图 4-28a中的第一行
的 3个开关共同作用构造 u相
输出电压 uu，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。
? 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 。
Um U
m
1
2
b)
69
?如用图 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,就可利用
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。是正弦波输
出条件下矩阵式变频电路理
论上最大的输出输入电压比
输入
输
出
a b c
u
v
w
S1
1
S1
2
S1
3
S2
1
S2
2
S2
3
S3
1
S3
2
S3
3
图 4-28 矩阵式变频电路
U 1m U
1m2
3
c)
图 4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分
c) 三相输出构造输出线电压
70
cbau uuuu 131211 sss ???
1131211 ??? sss
利用对开关 S11,S12和 S13的控制构造输出电压 uu时, 为防
止输入电源短路, 任何时刻只能有一个开关接通 。 考虑
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, 因此, u
相输出电压 uu和各相输入电压的关系为
式中 s11,s12和 s13为一个开关周期内开关 S11,S12,S13的
导通占空比
(4-25)
(4-26)
71
用同样的方法控制图 4-28a矩阵第 2,3行的各开关，可得到类似式
（ 4-25）表达式，将其和写成矩阵形式，即
可缩写为
式中
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
c
b
a
w
v
u
u
u
u
u
u
u
333231
232221
131211
sss
sss
sss
(4-27)
(4-28)? ?
? ?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
333231
232221
131211
sss
sss
sss
s
T
cbai
T
wvuo
uuuu
uuuu
io uu s?
72
s称为 调制矩阵,它是时间函数,s矩阵中各元素确定后，输入
电流 ia,ib,ic和输出电流 iu,iv,iw的关系也就确定了，各相输入
电流分别是各相输出电流按照相应的占空比相加而成，即
可缩写为
式中
式 (4-27),(4-29)是 矩阵式变频电路的基本输入输出关系式
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
w
v
u
c
b
a
i
i
i
i
i
i
332313
322212
312111
sss
sss
sss
(4-29)
? ?
? ?Twvuo
cbai
iiii
iiii
?
? T
oTi ii s?
(4-30)
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
c
b
a
w
v
u
u
u
u
u
u
u
333231
232221
131211
sss
sss
sss
(4-27)
73
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
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 。
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
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?
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?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
3
4
c o s
3
2
c o s
c o s
iim
iim
iim
?
w
?
w
w
tU
tU
tU
u
u
u
c
b
a
? ?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
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?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
ooom
ooom
ooom
3
4
c o s
3
2
c o s
c o s
j
?
w
j
?
w
jw
tI
tI
tI
i
i
i
w
v
u
(4-32)
(4-31)
74
变频电路希望的输出电压和输入电流分别为
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
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
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3
4
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3
2
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c o s
oom
oom
oom
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w
w
tU
tU
tU
u
u
u
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iiim
iiim
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c o s
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j
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w
jw
tI
tI
tI
i
i
i
c
b
a
(4-34)
(4-33)
75
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
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
?
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2
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oom
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w
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3
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3
2
c os
c os
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iim
iim
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w
w
tU
tU
tU
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4
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2
c o s
c o s
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iim
iim
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w
?
w
w
tI
tI
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ooom
ooom
ooom
3
4
c o s
3
2
c o s
c o s
j
?
w
j
?
w
jw
tI
tI
tI
(4-35)
(4-36)
76
矩阵式变频电路能够很好地工作，需解决的问题
?如何求取理想的调制矩阵 s
?开关切换时如何实现既无交叠又无死区
矩阵式变频电路的优点
?有十分理想的电气性能, 可使输出电压和输入电流均
为正弦波, 输入功率因数为 1,能量可双向流动, 可实
现四象限运行 。
?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 。
77
第 4章 交流电力控制电路和交
交变频电路（ AC/AC变换）
4.1 交流调压电路
4.2 其它交流电力控制电路
4.3 交交变频电路
4.4 矩阵式变频电路
本章小结
78
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)矩阵式交交变频电路的基本概念
7)各种交流 — 交流变流电路的主要应用
本 章 小 结
79
目 录
绪论
1 电力电子器件
2 整流电路
3 直流斩波电路
4 交流电力控制电路和交交变频电路
5 逆变电路
6 PWM控制技术
7 软开关技术
8 组合变流技术
第 4章 交流电力控制电路和交
交变频电路（ AC/AC变换）
4.1 交流调压电路
4.2 其它交流电力控制电路
4.3 交交变频电路
4.4 矩阵式变频电路
本章小结
2
交交变频电路
交直交变频电路
交流 -交流变流电路
一种形式的交流变成另一种形式交流的电路
在进行交流 — 交流变速时，可改变相关的电压、电流、频率和相数等
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，不改变频率的电路
变频电路改变频率的电路
大多不改变相数，也有改变相数的
第 4章 交流电力控制电路和交交变频电路
3
交直交变频电路
交交变频电路
直接把一种频率的交流变成另一种频率或可变频率的交流
直接变频电路
间接变频电路
先将交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流
4
第 4章 交流电力控制电路和交
交变频电路（ AC/AC变换）
4.1 交流调压电路
4.2 其它交流电力控制电路
4.3 交交变频电路
4.4 矩阵式变频电路
本章小结
5
4.1 交流调压电路
4.1.1 单相交流调压电路
4.1.2 三相交流调压电路
6
4.1 交流调压电路
交流电力控制电路 两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，
通过控制晶闸管就可控制交流电力
交流调压电路 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
交流调功电路
以交流电周期为单位控制晶闸管通断，改
变通断周期数的比，调节输出功率的平均
值
交流电力电子开关 不调节输出平均功率，只接通或断开电路，
串入电路的晶闸管
7
4.1 交流调压电路
4.1.1 单相交流调压电路
4.1.2 三相交流调压电路
8
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
?在交流电源 u1的正半周和负半周，
分别对 VT1和 VT2的开通角 a进行控
制就可以调节输出电压。
?正负半周 a起始时刻（ a=0）均
为电压过零时刻，在稳态情况下，
正负半周的 a相等。
?负载电压波形是电源电压波形的
一部分，负载电流和负载电压的波
形相同。
R
O
u 1 u o
i o
VT 1
VT 2
u 1
u o
i o
u VT
w t
O w t
O w t
O w t
9
电阻负载单相交流调压电路在开通角为 a时，负载电压有效值 Uo、负
载电流有效值 Io、晶闸管电流有效值 IVT和电路的功率因数 λ 分别为
? ? ? ? ? a?a?ww? ?a ???? ? 2s i n2 1ds i n21 121o UttUU (4-1)
? ? )
2
2s i n1(
2
1s i n2
2
1 1
2
1
?
a
?
aww
?
?
a
?????
?
?
???
?
? ?
R
Utd
R
tUI
T
(4-2)
?
a?a
??
?????? 2s i n
2
1
1
o
o1
oo
U
U
IU
IU
S
P
(4-3)
R
UI o
o ?
(4-4)
10
?a的移相范围为 0≤ a≤π 。 a
=0时，相当于晶闸管一直接通
，输出电压为最大值,Uo=U1。
随着 a的增大,Uo逐渐降低,直
到 a=π 时,Uo =0。
?a =0时，功率因数 λ=1, 随
着 a增大，输入电流滞后于电压
且发生畸变,λ 也逐渐降低。
R
O
u 1 u o
io
VT 1
VT 2
u 1
u o
io
u VT
w t
O w t
O w t
O w t
图 4-1电阻负载单相交流调压
电路及其波形
11
R
L
0, 6
图4 - 2
O
u
1
u
o
i
o
VT
1
VT
2
u
1
u
o
i
o
u
VT
w tO
w t
O w t
w tO
u
G1
u
G2
O
O
w t
w t
2.阻感负载
设负载阻抗角为 j = arctan(wL / R)
如果用导线把晶闸管完全短接，
稳态时负载电流为正弦波，其相
位滞后于电源电压 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，
无法使其超前。
a =0时刻仍定在电源电压 u1过零
的时刻，阻感负载下稳态时 a的
移相范围应为 j ≤ a≤π 。
图 4-2 阻感负载单相交流调压
电路及其波形
12
在 ωt = a时刻开通 VT1，负载电流应满足如下方程式和初始条件
解方程得
式中，,θ 为晶闸管导通角
利用边界条件,ωt = a+θ 时 io =0,可求得 θ
0
s i n2
d
d
o
1o
o
?
??
? aw
w
t
i
tURi
t
iL (4-5)
?awajajw j
wa
???
?
?
?
?
?
?
?
?
????
?
tetZ Ui
t
tg1
o )s i n ()s i n (
2 (4-6)
22 )( LRZ w??
j
?
jaj?a tg)s i n ()s i n (
?
???? e
(4-7)
13
?以 j为参变量，利用
式（ 4-7）可将 a和 θ
的关系用图 4-3曲线
表示
?VT2导通时,a和 θ
关系完同，只是 io极
性相反，相位相差
180°
0 20 1 0 060 1 4 0 1 8 0
20
1 0 0
图4 - 3
60
?
/
(°
)
1 8 0
1 4 0
a / (° )
j
=
9
0
°
7
5
°
6
0
°
4
5
°
3
0
°
1
5
°
0°
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
14
阻感负载单相交流调压电路在开通角为 a时，负载电压有效值 Uo、晶
闸管电流有效值 IVT负载电流有效值 Io分别为
? ?)22s i n (2s i n1
)()s i n2(
1
1
2
1o
?aa
??
?
ww
?
?a
a
????
? ?
?
U
tdtUU
(4-8)
j
?ja?
?
?
wjajw
?
?a
a
j
wa
c os
)2c os (s i n
2
)d()s i n ()s i n (
2
2
1
1
2
tg1
VT
??
??
??
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
???? ?
?
?
Z
U
tet
Z
U
I
t
(4-9)
VTII 20 ?
(4-10)
15
图 4-4 单相交流调压电路 a为参变量时 IVTN和 a关系曲线
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
1601800 40 12080
j= 0
a /(° )
I VT
N
12 U
ZII
VTV T N ?
设晶闸管电流 IVT的标么值为
(4-11)
IVT和 a的关系曲线如图 4-4
16
0 20 1 0 060 1 4 0 1 8 0
20
1 0 0
图4 - 3
60
?
/
(°
)
1 8 0
1 4 0
a / (° )
j
=
9
0
°
7
5
°
6
0
°
4
5
°
3
0
°
1
5
°
0°
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
?当 j<a<π 时,VT2的导通角 θ 均
小于 π,如图 4-3所示,a越小，
θ 越大。
?当 a?j时,θ =π
?当 a继续减小,0?a<j的某一时
刻触发 VT1,VT1的导通时间将超
过 π 。
?到 ω t=π +a时刻出发 VT2，负载
电流 io尚未过零 VT1仍在导通，
VT2不会立即导通。
?直到 i0过零后，如 VT2的触发脉
冲有足够的宽度而尚未消失，（
见图 4-2）,VT2就会可开通。
R
L
0, 6
图4 - 2
O
u
1
u
o
i
o
VT
1
VT
2
u
1
u
o
i
o
u
VT
w tO
w t
O w t
w tO
u
G1
u
G2
O
O
w t
w t
图 4-2 阻感负载单相交流调压
电路及其波形
17
?
w t
w t
w t
w t
图4 - 5
a
a ? ?
a
?O
O
O
O
u
1
i
G1
i
G2
i
o
j
i
T1
i
T2
图 4-5 a<j时阻感负载交流调压电路工作波形
?当 a<j,VT1提前通，负
载 L被过充电，其放电时间
将延长,VT1结束导电时刻
大于 ? ?j，使 VT2推迟开通
,VT2的导通角小于 π 。
? io由两个分量组成，第一
项为正弦稳态分量、第二
项为指数衰减分量。
在指数分量的衰减过程中
,VT1的导通时间渐短，
VT2的导通时间逐渐延长。
?当指数分量衰减到零后，
VT1和 VT2的导通时间都趋
近于 π, 稳态的工作情况和
a ?j时完全相同
18
3.单相交流调压电路的谐波分析
波形正负半波对称，不含直流分量和偶次谐波，用傅里叶级数表
示如下
式中，
??
?
??
?,5,3,1
o )s i nc o s()(
n
nn tnbtnatu www
(4-12)
)12( c o s22 11 ?? a?Ua
? ?)(22s i n22 11 a?a? ??? Ub
? ? ? ??????? ???????? 1)1c o s (111)1c o s (112 1 aa? nnnnUa n
?????? ?????? aa? )1s i n (11)1s i n (11
2 1 n
nnn
Ub
n
(n=3,5,7,…)
(n=3,5,7,…)
19
0 60 120 180
图4 - 6
基波
3 次
5 次
7 次
触发延迟角 a / ( ° )
I
n
/
I
*
/
%
20
40
60
80
100
图 4-6 电阻负载单相交流调压电路基波
和谐波电流含量
负载电流基波和各次谐波有效值为
22
on 2
1
nn baU ??
(4-13)
基波和各次谐波有效值可按下式求得
RUI /onon ?
(4-14)
基准电流为 a=0时的有效值，电流基
波和各次谐波标么值随 a变化的曲线
如图 4-6所示
20
4．斩控式交流调压电路
R
L
图4 - 7
u
1
i
1
u
o
V
1
V
2
VD
1
VD
2
V
3
V
4
VD
4
VD
3
图 4-7 斩控式交流调压电路
? 斩控式交流调压电路 一般采用全
控型器件作为开关器件。
? 基本原理和直流斩波电路有类似
之处，直流斩波电路输入是直流电
压，斩控式交流调压电路的输入是
正弦交流电压。
? 在交流电源 u1的正半周，用 V1进
行斩波控制，用 V3个负载电流提供
续流通道。
? 在 u1的负半周，用 V2进行斩波控
制，用 V4给负载电流提供续流通道。
设斩波器件（ V1或 V2）导通时
间为 ton，开关周期为 T，则导通比
a = ton/T，和直流斩波电路一样，
通过改变 a 可调节输出电压。
21
图 4-8 电阻负载斩控式交流调压
电路波形
u
1
u
o
i1
0
0
0
ωt
ωt
ωt
? 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
? 这些高次谐波用很小的滤波器
即可滤除。
? 这些电路的功率因数接近 1
22
4.1 交流调压电路
4.1.1 单相交流调压电路
4.1.2 三相交流调压电路
23
4.1.2 三相交流调压电路
n
负载
a
c
n '
负载
a
b
c
a) b)
负载
a
b
c
c)
负载
b
d)
图4 - 9
a
b
c
u
a
u
b
u
c
i
a
U
a 0 '
n
u
a
u
b
u
c
i
a
n
u
a
u
b
u
c
i
a
n
u
a
u
b
u
c
i
a
VT
1
VT
3
VT
4
VT
5
VT
6
VT
2
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
24
1．星形联结电路
n n'
负载
a
b
c
a)
ua
ub
uc
ia Ua0'VT1
VT3 VT4
VT5 VT6
VT2
图 4-9 三相交流调压电路
a) 星形联结
三相三线星形联结电路
三相四线
?三相四线时，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
?三相中 3的整数倍次谐波同相位，不
能在各相之间流动，全部流过零线。
零线中有很大的 3次谐波电流及其它
3的整数倍次谐波电流。当 a=90°
时，零线电流甚至和各相电流的有效
值接近。
三相三线时，任一相导通须和另一相
构成回路，电流流通路经中有两个晶闸
管，应采用双脉冲或宽脉冲触发。
?三相的触发脉冲依次相差 1200，同一
相的两个反并联晶闸管触发脉冲相差
1800。三相桥式全控整流电路一样，触
发脉冲顺序为 VT1~ VT6,依次相差 60° 。
?相电压过零点定为 a的起点，两相间导
通时是靠线电压导通，线电压超前相电
压 300,a角移相范围是 0° ~ 150° 。
25
图4 - 1 0
c)
晶闸管
导通区间
a)
a
晶闸管
导通区间
?
晶闸管
导通区间
b)
a
4 ?
3
2 ?
3
5 ?
3
?
3
0 2 ?
4 ?
3
2 ?
3
5 ?
3
?
3
0 2 ?
a
? 4 ?
3
2 ?
3
5 ?
3
?
3
0 2 ?
u
a o '
u
a o '
u
a o '
u
a
u
a
u
a
u
ab
2
u
ac
2
u
ab
2
u
ac
2
u
ab
2
u
ac
2
t
1
t
2
t
3
t
1
t
2
t
3
VT
1
VT
3
VT
4
VT
6
VT
1
VT
6
VT
2
VT
5
VT
5
VT
5
VT
1
VT
3
VT
4
VT
6
VT
2
VT
6
VT
5
VT
5
VT
1
VT
3
VT
4
VT
6
VT
2
VT
6
VT
5
VT
5
VT
1
VT
3
VT
5
VT
4
VT
2
VT
4
VT
6
图 4-10 不同 a角时负载相电压波形
a) a =30° b) a =60° c) a =120°
1） 0° ≤ a <60°,
三个晶闸管导通与两
个晶闸管导通交替，
每个晶闸管导通角度
为 180° － a。但 a
=0° 时，一直是三
管导通
2） 60° ≤ <90°,
任一时刻两个晶闸管导
通，每个晶闸管导通角
度 120°
3） 90° ≤ a <150°,
两个晶闸管导通与无晶
闸管导通交替，每个晶
闸管导通角度为 300°
－ 2 a,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 1500?a。
26
? 电流中含有很多谐波, 进行傅里叶分析可知, 其中电流谐波次数
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的整数倍次谐波, 因三相对称
时, 它们不能流过三相三线电路 。
? a?j时, 负载电流最大且为正弦波 。
? 电感大时 。 谐波电流的含量要小些 。
27
2．支路控制三角联结电路
负载
a
b
c
c)
n
ua
u b
uc
ia
图 4-9 三相交流调压电路
c)支路控制三角形联结
?支路控制三角形联结电路由三个
单相交流调压电路组成，三个单相
电路分别在不同的线电压作用下单
独工作。
?由于三相对称负载相电流中的 3的
整数倍次谐波相位和大小相同，它
们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。
28
图 4-11 晶闸管控制电抗器 (TCR)电路
晶闸管控制电抗器（ Thyristor Controlled Reactor— TCR），电路图
如 4-11所示
? a移相范围为 90° ~ 180°,
通过对 a角的控制可连续调节流
过电抗器的电流，从而调节电
路从电网中吸收的无功功率。
? 如配以固定电容器，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 。用来对无功功率进
行动态补偿，以补偿电压波动
或闪变。
负载
ua i
a
ub
uc
n b
a
c
29
a) b) c)
图4 - 1 2
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°
30
第 4章 交流电力控制电路和交
交变频电路（ AC/AC变换）
4.1 交流调压电路
4.2 其它交流电力控制电路
4.3 交交变频电路
4.4 矩阵式变频电路
本章小结
31
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
32
? 交流调功电路与交流调压电路电路形式完全相同，只是控制方
法不同。
? 交流调功电路不是在每个交流电源周期都对输出电压波形进行
控制，而是将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周
波，通过改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。
? 因其直接调节对象是电路的平均输出功率,所以称为 交流调功
电路
? 通常控制晶闸管导通时刻都是在电源电压过零的时刻, 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 。
4.2.1 交流调功电路
33
?
M
电源周期
控制周期 = M 倍电源周期 = 2 ?
4 ?
M
图4 - 1 3
O
导通段 =
2 ? N
M
3 ?
M
2 ?
M
u
o
u
1
u
o
,i
o
w t
U
1
2
图 4-13 交流调功电路典型波形 (M =3,N =2)
?设控制周期为 M倍电源周
期，其中晶闸管在前 N个周
期导通，后 M－ N个周期关
断,当 M=3,N=2时的电路
波形如图 4-13，负载电压和
负载电流的重复周期为 M倍
电源周期。
?负载电阻时，负载电流波
形和负载电压波形相同。
34
0 12 14
谐波次数
相对于电源频率的次数
图4 - 1 4
2 4 6 108
0, 6
0, 5
0, 4
0, 3
0, 2
0, 1
0 51 2 3 4
I
n
/
I
0m
图 4-14 交流调功电路的电流频谱图 (M =3,N =2)
? 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，
在电源频率附近，非整数倍
频率谐波的含量较大。
35
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
36
4.2.2 交流电力电子开关
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 。
与机械开关相比
?响应速度快
?没有触点
?寿命长
?可以频繁控制通断
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
37
I
U
抑制冲击电流
的小电感
a)
图4 - 1 5
b)
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
?两个反并联的晶闸管起着把 C并
入电网或从电网断开的作用。
?串联电感很小，只是用来抑制
电容器投入电网时可能出现的冲
击电流。
?为避免容量较大的电容器组同
时投入或切断对电网造成较大冲
击，一般把电容器分成几组。
?根据电网对无功的需求而改变
投入电容器的容量。
?TSC实际上成为断续可调的动态
无功功率补偿器。
38
? TSC运行时选择晶闸管投入时刻的原则是，该时刻交
流电源电压应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，投入时刻 ic才为零，
之后才按正弦规律上升，电容投入过程不但没有冲击电
流，电流也没有阶跃变化。
39
us
iC uC
C
VT1
VT2
uVT1
t
t
t
tus
iC
uC
VT1
VT2t
1 t2
uVT1
图 4-16 TSC理想投切时刻原理说明
?本次导通开始前，电容器的端电
压 uc已由上次导通时段最后导通的
晶闸管 VT1充电至电源电压 us的正
峰值。
?本次导通开始时刻取为 us和 uc相
等的时刻 t1，各 VT2触发脉冲使之
开通,ic开始流通。
40
us
iC
uVT
uC
C
VT
VD
t
t
t
tus
iC
uVT
uC
VT
VD
t1 t2 t3 t4
图 4-17 晶闸管和二极管反并联方式的 TSC
? TSC电路也可采用晶闸管和二
极管反并联的方式，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。因二极管不可控，
响应速度稍慢，投切电容器的最
大时间滞后为一个周波。
以后每半个周波轮流触发 VT1和
VT2,电路继续导通。
?需要切除该条电容支路时，如在
t2时刻 ic已降为零,VT2关掉，这时
撤出触发脉冲,VT1就不会导通，
uc保持 VT2导通结束时的电源电压
负峰值，为下一次投入电容器做
准备。
41
第 4章 交流电力控制电路和交
交变频电路（ AC/AC变换）
4.1 交流调压电路
4.2 其它交流电力控制电路
4.3 交交变频电路
4.4 矩阵式变频电路
本章小结
42
4.3 交交变频电路
4.3.1 单相交交变频电路
4.3.2 三相交交变频电路
43
uo
0
输出电压 ap=0 平均输出电压
2?a?p2?a?p
ωt
P
u
o
Z
N
图 4-18 单相交交变频电路原理图和输
出电压波形
4.3.1 单相交交变频电路
1．电路构成和基本工作原理
?单相交交变频电路由 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。
? 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 。
? 为使 uo波形接近正弦波, 可
按正弦规律对 a角进行调制
? 在半个周期内让正组变流器
P组 a 角按正弦规律从 90°
减到 0° 或某个值, 然后再
逐渐增大到 90° 。
? 每个控制间隔内的平均输出
电压就按正弦规律从零逐渐
增至最高, 再逐渐减低到零 。
另外半个周期可对 N组进行
同样的控制 。
? uo并不是平滑的正弦波, 而
是由若干段电源电压拼接而
成, 在 uo的一个周期内, 所
包含的电源电压段数越多,
其波形就越接近正弦波 。
44
2．整流与逆变工作状态
a)
uP u Nuo
i o
i Ni P
图 4-19 理想化交交变频电路的
整流和逆变工作状态
a) 电路图
? 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 。 其中交
流电源表示变流电路可输出交流正弦电压, 二极管体现了变流电路的
电流单向性 。
? 设负载阻抗角为 j,输出电流滞
后输出电压 j 角, 两组变流电路工
作时采取直流可逆调速系统中的无
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 。
45
整流 逆变
阻断
b)
P
N
t
t
t
t
t
整流 逆变
阻断
O
O
O
O
O
u o,io u o
io
t1 t2 t3 t4 t5
u ou P
u N
u o
iP
iN
图 4-19 理想化交交变频电路的
整流和逆变工作状态
b) 波形
? t1~t3期间的 io正半周，正组
变流电路工作，反组电路被
封锁。
? t1~ t2阶段,uo和 io均为正，
正组变流电路工作在整流状
态，输出功率为正。
? t2 ~ t3阶段,uo反向,io仍
为正，正组变流电路工作在
逆变状态，输出功率为负。
? t3 ~ t5阶段,io负半周，反组变流
电路工作，正组电路被封锁。
? t3 ~ t4阶段,uo和 io均为负，反组
变流电路工作在整流状态。
? t4 ~ t5阶段,io为负,uo为正，
反组变流电路工作在逆变状态。
?哪组变流电路工作由 io方向决定，
与 uo极性无关。
?变流电路工作在整流状态还是逆
变状态，根据 uo方向与 io方向是否
相同确定。
46
1
O
O
2
3 4
5
6
图4 - 2 0
u
o
i
o
w t
w t
图 4-20 单相交交变频电路输出电压和电流波形
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
第 1段 io <0,uo >0，反组逆变
第 2段电流过零，为无环流死区
第 3段 io >0,uo >0，正组整流
第 4段 io >, o <,正组逆变
第 5段又是无环流死区
第 6段 <, <,为反组整流
?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
47
3．输出正弦波电压的调制方法
余弦交点法
设 Ud0为 a= 0时整流电路的理想空载电压，则控制角为 a时 uo为
设要得到的正弦波输出电压为
比较式（ 4-15）和式（ 4-16），应使
式中,g称为输出电压比
因此
ac o sd0o Uu ? (4-15)
tUu oomo s in w?
(4-16)
ttUU oo
d0
om s i ns i nc o s wgwa ?? (4-17)
)10(0 ??? gg domUU
)s in(c o s o1 twga ?? (4-18)
48
图4 - 2 1
u
2
u
3
u
4
u
5
u
6
u
1
u
s2
u
s3
u
s4
u
s5
u
s6
u
s1
u
o
a
P3
a
P4
w t
w t
图 4-21 余弦交点法原理
? 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 。
49
g = 0
g = 0, 1
相位控制角
a
/
(
°
)
输出相位 w
0
t
图4 - 2 2
1 2 0
1 5 0
1 8 0
30
60
90
0
0, 1
0, 2
0, 3
0, 8
0, 9
1, 0
0, 8
0, 2
0, 3
0, 9
1, 0
? 2 ?
2
?
2
3 ?
图 4-22 不同 g时 a和 wot的关系
)s in(s in
2
)s in(c o s
o
1
o
1
t
t
wg
?
wga
?
?
??
?
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。
50
4.输入输出特性
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。
?电压波形畸变以及由此产生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。
?构成交交变频电路的两组变流电路的脉波数越多，输
出上限频率越高。
? 6脉波三相桥式电路，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。
51
2)输入功率因数
?输入电流的相位滞后于输入电压，需
要电网提供无功功率。
?在输入电压的一周期内,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°,位移因数因数越低。
?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。
g = 0
g = 0, 1
相位控制角
a
/
(
°
)
输出相位 w
0
t
图4 - 2 2
1 2 0
1 5 0
1 8 0
30
60
90
0
0, 1
0, 2
0, 3
0, 8
0, 9
1, 0
0, 8
0, 2
0, 3
0, 9
1, 0
? 2 ?
2
?
2
3 ?
图 4-22 不同 g时 a和 wot的关系
52
0, 8 0, 6 0, 4 0, 2 0
g
=
1
,0
输入位移因数
负载功率因数 （ 滞后 ）负载功率因数 （ 超前 ）
图4 - 2 3
0
1, 00, 80, 60, 40, 20
0, 8
0, 6
0, 4
0, 2
0
,8
0
,6
0,
4
0, 2
图 4-23 单相交交变频电路的功率因数
?输入位移因数就是输入的基
波功率因数，其值通常略大
于输入功率因数。
?即使负载功率因数为 1且输出
电压比 γ也为 1，输入功率因数
仍小于 1，随着负载功率因数
的降低和 γ的减小，输入功率
因数也随之降低。
53
3)输出电压谐波
?交交变频电路输出电压既和电网频率 fi以及变流电路
的脉波数有关, 也和输出频率 fo有关 。
?采用三相桥式电路的交交变频电路输出电压所含主要
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, 将使输出电压中增加 5fo,7fo等次谐波 。
54
4)输入电流谐波
? 单相交交变频电路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
为
和
式中,k=1,2,3,… ； l=0,1,2,…
? ? oiin 216 lffkf ???
oiin 2 kfff ??
(4-19)
(4-20)
55
4.3 交交变频电路
4.3.1 单相交交变频电路
4.3.2 三相交交变频电路
56
4.3.2 三相交交变频电路
1．电路接线方式
图4 - 2 4
图 4-24 公共交流母线进线三相交交变频
电路（简图）
1) 公共交流母线进线方式
?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。
?交流电动机的三个绕组必须拆
开，共引出六根线 。
57
a)
b)
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
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
?电动机中性点不和变频
器中性点接在一起，电动
机只引出三根线即可。
?三组单相交交变频器分
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。
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。
58
2 0 0 t / ms
输出电压
单相输出时
U 相输入电流
三相输出时
U 相输入电流
图4 - 2 6
2 0 0 t / ms
2 0 0 t / ms
图 4-26 交交变频电路的输入电流波形
2,输入输出特性
三相交交变频电路和单相交交变频电路的输出上限频率
和输出电压谐波是一致的，但输入电流和输入功率因数
有些差别。
59
? ? oiin 616 lffkf ???
oiin 6 kfff ??
三相输出时，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，谐波频率为
和
式中,k =1,2,3,… ； l =0,1,2,…
当变流电路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, 13fi, 13fi± 6fo, fi± 12fo等。其中 5fi次谐
波的幅值最大。
(4-21)
(4-22)
60
三相交交变频电路由三组单相交交变频电路组成，每组单相变频电
路由自己的有功功率、无功功率和视在功率，总输入功率因数应为
?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 ?????
(4-23)
61
3．改善输入功率因数和提高输出电压
u
A N '
的基波分量
图4 - 2 7
u
O
t
u
AB
u
A N '
u
B N '
图 4-27 梯形波控制方式的理想
输出电压波形
交流偏臵
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 （准梯形波） 。
?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。
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。
62
交直交变频电路 先把交流变换成直流，再把直流
逆变成可变频率的交流
交交变频电路和交直交变频电路比较，交交变频电路的
只用一次变流，效率较高
优点 可方便地实现四象限工作
低频输出波形接近正弦波
接线复杂
受电网频率和变流电路脉波数的限制，
缺点 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
63
第 4章 交流电力控制电路和交
交变频电路（ AC/AC变换）
4.1 交流调压电路
4.2 其它交流电力控制电路
4.3 交交变频电路
4.4 矩阵式变频电路
本章小结
64
4.4 矩阵式变频电路
输入
输
出
a) b)
图4 - 2 8
a b c
u
v
w
S
1
1
S
1
2
S
1
3
S
2
1
S
2
2
S
2
3
S
3
1
S
3
2
S
3
3
S
ij
图 4-28 矩阵式变频电路
?直接变频电路
所用开关器件是全控型的，
控制方式是斩控方式
?矩阵式变频电路（矩阵变
换器）
?三相输入电压为 ua,ub和 uc
?三相输出电压为 uu,uv和
uw
? 9个开关器件组成 3× 3矩
阵
65
矩阵式变频电路优点
?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
66
对单相交流电压 us进行斩波控制, 即进行 PWM控制时, 如果开关
频率足够高, 则输出电压 uo为
式中, Tc为开关周期； ton为一个开关周期内开关导通时间； s 为
占空比
?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
ss
c
on
o uuT
tu s?? (4-24)
67
?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
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
a)
68
输入
输
出
a b c
u
v
w
S1
1
S1
2
S1
3
S2
1
S2
2
S2
3
S3
1
S3
2
S3
3
图 4-28 矩阵式变频电路
图 4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分
b) 三相输入构造输出相电压
? 如把输入交流电源改为三
相，如用图 4-28a中的第一行
的 3个开关共同作用构造 u相
输出电压 uu，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。
? 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 。
Um U
m
1
2
b)
69
?如用图 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,就可利用
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。是正弦波输
出条件下矩阵式变频电路理
论上最大的输出输入电压比
输入
输
出
a b c
u
v
w
S1
1
S1
2
S1
3
S2
1
S2
2
S2
3
S3
1
S3
2
S3
3
图 4-28 矩阵式变频电路
U 1m U
1m2
3
c)
图 4-29 构造输出电压时可利用的输入电压部分
c) 三相输出构造输出线电压
70
cbau uuuu 131211 sss ???
1131211 ??? sss
利用对开关 S11,S12和 S13的控制构造输出电压 uu时, 为防
止输入电源短路, 任何时刻只能有一个开关接通 。 考虑
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, 因此, u
相输出电压 uu和各相输入电压的关系为
式中 s11,s12和 s13为一个开关周期内开关 S11,S12,S13的
导通占空比
(4-25)
(4-26)
71
用同样的方法控制图 4-28a矩阵第 2,3行的各开关，可得到类似式
（ 4-25）表达式，将其和写成矩阵形式，即
可缩写为
式中
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(4-27)
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72
s称为 调制矩阵,它是时间函数,s矩阵中各元素确定后，输入
电流 ia,ib,ic和输出电流 iu,iv,iw的关系也就确定了，各相输入
电流分别是各相输出电流按照相应的占空比相加而成，即
可缩写为
式中
式 (4-27),(4-29)是 矩阵式变频电路的基本输入输出关系式
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(4-29)
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(4-30)
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sss
sss
(4-27)
73
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
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 。
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(4-32)
(4-31)
74
变频电路希望的输出电压和输入电流分别为
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
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(4-34)
(4-33)
75
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
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
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(4-35)
(4-36)
76
矩阵式变频电路能够很好地工作，需解决的问题
?如何求取理想的调制矩阵 s
?开关切换时如何实现既无交叠又无死区
矩阵式变频电路的优点
?有十分理想的电气性能, 可使输出电压和输入电流均
为正弦波, 输入功率因数为 1,能量可双向流动, 可实
现四象限运行 。
?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 。
77
第 4章 交流电力控制电路和交
交变频电路（ AC/AC变换）
4.1 交流调压电路
4.2 其它交流电力控制电路
4.3 交交变频电路
4.4 矩阵式变频电路
本章小结
78
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)矩阵式交交变频电路的基本概念
7)各种交流 — 交流变流电路的主要应用
本 章 小 结
79
目 录
绪论
1 电力电子器件
2 整流电路
3 直流斩波电路
4 交流电力控制电路和交交变频电路
5 逆变电路
6 PWM控制技术
7 软开关技术
8 组合变流技术
