交流-交流變換電路

1、實驗三：交流-交流變換電路(一)實驗?zāi)康?1)掌握交流調(diào)壓電路的工作特性;(2)掌握諧波分析方法。(二)實驗原理(1)單相交流調(diào)壓電路原理1,13111CLirx.iout1h11j/1巾情況：上圖所示為單相反并聯(lián)交流調(diào)壓電路帶感性負載時的電路圖，以及在控制角觸發(fā)導(dǎo)通時的輸出波形圖，同電阻負載一樣，在Ui的正半周a角時，I觸發(fā)導(dǎo)通，輸出電壓Uo等于電源電壓，電流波形io從0開始上升。由于是感性負載，電流io滯后于電壓uo,當(dāng)電壓達到過零點時電流不為0,之后io繼續(xù)下降，輸出電壓uo出現(xiàn)負值，直到電流下降到0時，Ti自然關(guān)斷，輸出電壓等于0,正半周結(jié)束，期間電流io從0開始上升到再次下降到0這段

2、區(qū)間稱為導(dǎo)通角00o由后面的分析可知，在aae工況下，1180二因此在T2脈沖到來之前Ti已關(guān)斷，正負電流不連續(xù)。在電源的負半周T2導(dǎo)通，工作原理與正半周相同。為了分析負載電流io的表達式及導(dǎo)通角日與儀、中之間的關(guān)系，假設(shè)電壓坐標(biāo)原點如圖所示，在0t=a時刻晶閘管T1導(dǎo)通，負載電流i0應(yīng)滿足方程L*Ri0=ui=2Uisintdt其初始條件為i0|8t=a=0,解該方程，可以得出負載電流i0在3cot+日區(qū)間內(nèi)的表達式為ii0=2U=sin(t-)-sin(a_,)4/taneR2(L)當(dāng)6t=a+8時，i0=0,代入上式得，可求出6與a、e之間的關(guān)系為sin(+8-4)=sin(。-巾)e書

3、/tanm利用上式，可以把日與a、中之間的關(guān)系用下圖的一簇曲線來表示3gluBBO604時，日隨著u的增加而減小。上述電路在控制角為s時，交流輸出電壓有效值U。、負載電流有效值I。、品閘管電流有效值It分別為Uo=Uissin2.-sin(2之一2二)l=210omaxt*1T=21omax|1式中，lomax為當(dāng)1a=0時，負載電流的最大有效值，其值為Ui*It為晶閘管有效值的標(biāo)玄值，其值為sincos(2-1)2二cos由上式可以看出，It是及的函數(shù)下圖給出了以負載阻抗角,為參變量時，品閘管電流標(biāo)幺值與控制角的關(guān)系曲線。ISO圖4.晶閘管電流標(biāo)幺值與控制角的關(guān)系曲線“小情況:當(dāng)控制角a=巾

4、時，負載電流的表達式中的第二項為零，相當(dāng)于滯后電源電壓4角的純正弦電流，此時導(dǎo)通角e=180,即當(dāng)正半周晶閘管關(guān)斷時，恰好觸發(fā)導(dǎo)通，負載電流連續(xù)，該工況下兩個晶閘管相當(dāng)于兩個二極管，或輸入輸出直接相連，輸出電壓及電流連續(xù)，無調(diào)壓作用?？诹η闆r：在“.工況下，阻抗角巾相對較大，相當(dāng)于負載的電感作用較強，使得負載電流嚴(yán)重滯后于電壓，晶閘管的導(dǎo)通時間較長，此時公式仍然適用，由于U工巾，公式右端小于0,只有當(dāng)段+“一好180時左端才能小于0,因此a180：如圖所示，如果用窄脈沖觸發(fā)晶閘管，在wt=a時刻丁1被觸發(fā)導(dǎo)通，由于其導(dǎo)通角大于180；在負半周wt=（“十兀）時刻為工發(fā)出出發(fā)脈沖時，T1還未關(guān)斷

5、，兀因受反壓不能導(dǎo)通，工繼續(xù)導(dǎo)通直到在wt=3+兀）時刻因T1電流過零關(guān)斷時，T2的窄脈沖UG2已撤除，T2仍然不能導(dǎo)通，直到下一周期T1再次被觸發(fā)導(dǎo)通。這樣就形成只有一個晶閘管反復(fù)通斷的不正常情況，i0始終為單一方向，在電路中產(chǎn)生較大的直流分量；因此為了避免這種情況發(fā)生，應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)方式。（2）斬控式交流調(diào)壓電路原理圖5.斬控式交流調(diào)壓電路原理圖圖6.交流斬波調(diào)壓輸出波形斬波控制方式時，品閘管要帶有強迫關(guān)斷電路或采用IGBKMOSFE等可自關(guān)斷器件，在每個電壓周波中，開關(guān)元件多次通斷，使電壓斬波成多個脈沖，改變導(dǎo)通比即可實現(xiàn)調(diào)壓。斬控式交流調(diào)壓電路的原理圖如圖5所示，一般采用全控

6、型器件作為開關(guān)器件。其基本原理和直流斬波電路有類似之處，只是直流斬波電路的輸入是直流電壓，而斬控式交流調(diào)壓電路的輸入是正弦交流電壓。在交流電源u1的正半周，用V1進行斬波控制，用V3給負載電流提供續(xù)流通道；在u1的負半周，用V2進行斬波控制，用V4給負載電流提供續(xù)流通道。斬控式交流調(diào)壓就是通過改變對晶閘管的導(dǎo)通的控制，可以是保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間Ton,這種方式稱為脈沖寬度調(diào)制（PW硼制），也可以是開關(guān)導(dǎo)通時間Ton不變，改變開關(guān)周期T,稱為頻率調(diào)制，還有一種混合型，就是Ton,和T都可調(diào)。實驗室提供的是PWMI制，通過調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通的時間，即調(diào)節(jié)占空比，就可以對輸出電壓的平均值進

7、行調(diào)節(jié)。圖6給出了電阻負載時斬控式交流調(diào)壓電路的波形?？梢钥闯?，電源電流的基波分量和電源電壓同相位，即位移因數(shù)為1。另外，通過傅里葉分析可知，電源電流中不含低次諧波，只含和開關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波。這些高次諧波用很小的濾波器即可濾除。這個電路的功率因數(shù)接近1。（三）實驗內(nèi)容在MATLAB/Simulink中分別構(gòu)建晶閘管單相交流調(diào)壓電路和斬控式單相交流調(diào)壓電路，測試交流調(diào)壓性能，并在輸入輸出電壓相同的情況下，比較兩個電路的諧波分析結(jié)果。（一）實驗過程與結(jié)果分析1 .仿真系統(tǒng)MATLAB22 .仿真參數(shù)（1）電相交流調(diào)壓電路交流電源E=220Vf=50Hz;觸發(fā)脈沖T=0.02s,D=5%電阻R

8、=10OQ,電感L=0.1H（2）斬控式交流調(diào)壓電路交流電源E=100Vf=50Hz;電阻R=100Q,電感電感L=1uH或0.1uH3.仿真波形與分析(1)單相交流調(diào)壓電路:電路模型如下:圖7.單相交流調(diào)壓電路仿真模型觸發(fā)角a=時的波形圖和諧波分析:圖8.a=時的波形圖UftiBiijuiFFTTod.如巨E*ffcfcewTmIsCMkTOpNrvrH4p一&qkdJ*也易工口一-口%審Msrwriyz*-I-PKfWi*feiriKM蹲TDHfF*R*WSlhft*dVpvJcy？IhFFTwdow|in1001中塘。心。網(wǎng)。修KeqNFFT竄N評晦fw|urinr)iJrj=rc.0F

9、apq了.：*BJf劉PBa-ReWkeliiFBiiAdnefilii.觸發(fā)角a時的波形圖和諧波分析:圖12.a=時的波形圖FlPotgw-n人此gaFeEd槽vrwwrtTool，DlkSopIWmdowHelpidjQ1y0*K-嵯口口1s|舟祠加切；n加$SlrvchjE3EqTflirMTW的SO-10_$第婦1Ec刖3環(huán)4hpiiiir二3出?PL由hide依SoBttfid主中ai3cyderFFTwin7、25，0第11M則MO哂眄1Mut,ey+U,FFTsanineptofrMYelmgaiwil嗝圖13.a=時的諧波分析波形分析：以上各圖分別為觸發(fā)角a為30。，60,90

10、0時所得的仿真波波形和諧波分析，波形圖中第一個波形為觸發(fā)脈沖的波形，第二個波形為負載電流的波形，第三個波形為負載電壓的波形。單相交流調(diào)壓電路帶組感性負載時，隨著觸發(fā)角的增大，負載兩端電流和電壓波形的占空比逐漸減小。由于電感的影響電流波形和電壓波形不再保持一致，這是因為電感的儲能作用。當(dāng)觸發(fā)脈沖到來時，正向品閘管導(dǎo)通，電壓發(fā)生跳變，由于電感的作用，電流只能從零開始變化，同時電感開始儲能。當(dāng)電源電壓變?yōu)樨摃r正向晶閘管并不能關(guān)斷，直到電感中的儲能釋放完，這就是負載兩端電壓和電流波形不一致的原因。由此可以看出電感是一種儲能元件，其兩端的電流不能突變但電壓可以。且當(dāng)觸發(fā)角a逐漸增大時，諧波的總含有量TH

11、D&變大。(2)斬控式交流調(diào)壓電路電路模型如下：zGf-cratoi,&erersfte&F-Lst圖14.斬控式交流調(diào)壓電路仿真模型二工E3弓了庭1觸發(fā)脈沖波形:Scope4身苜尹冷門SA-圖15.V1、V3觸發(fā)脈沖kopeZ匚ES與回應(yīng)必A|莉睛聞囹、圖16.V2、V4觸發(fā)脈沖IGBT上下兩觸發(fā)脈沖的波形相差,從而恰好使正弦波的正半周和負半周交替形成邊緣為正弦波的斬波。L=1uH時的仿真波形和諧波分析:圖17.L=1uH時的仿真波形Pu.*丁giui丁=AnaJb.acIc.fteEdrViewkiEiBfTTookDeskSspWrdewHelp鼻FE甘界一FFT匍nmwD!山g4rM巧MH1FFTHltirgEDsp4styr.EjtiTSBiirt-bniirdame-ul:E.“闖rrqi#iGijm.bidswfFmwrcipiHrr圖18.L=1uH時的諧波分析L=0.1uH時的仿真波形和諧波分析:圖19.L=0.1uH時的仿真波形rJr-iis-f,：RieEdrl-Miewbi-sertloe-sde-sktepJJirdaarHelpL艮府I加Jsj(Mf-JI圖20.L=0.1uH時的諧波分析波形分析：仿真波形為邊緣為正弦波的斬波，波形一定的振蕩，方波底端略微傾斜。減小電感的值，波形