交流調(diào)壓及斬波電路分解課件

1、什么是電壓型和電流型逆變電路？各有何特點(diǎn)？ 答：按照逆變電路直流側(cè)電源性質(zhì)分類，直流側(cè)為電壓源的逆變電路稱為電壓型逆變電路，直流側(cè)為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。上一章重點(diǎn)內(nèi)容復(fù)習(xí)第1頁，共37頁。第一節(jié) 單相交流調(diào)壓電路第五章 交流調(diào)壓電路與斬波電路 用晶閘管組成的交流電壓控制電路，可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值?？捎糜陔姞t溫控、燈光調(diào)節(jié)、異步電動機(jī)的起動和調(diào)速等，也可用作調(diào)節(jié)整流變壓器一次側(cè)電壓，其二次側(cè)為低壓大電流或高壓小電流負(fù)載常用這種方法。采用這種方法，可使變壓器二次側(cè)的整流裝置避免采用晶閘管，只需用二極管，而且可控級僅在一次側(cè)，從而簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。交流調(diào)壓器與常規(guī)的調(diào)壓變

2、壓器相比，它的體積和重量都要小得多。交流調(diào)壓器的輸出仍是交流電壓，它不是正弦波形，其諧波分量較大，功率因數(shù)也較低。 交流調(diào)壓器的晶閘管控制通常有兩種方法：第2頁，共37頁。 通斷控制。即把晶閘管作為開關(guān)將負(fù)載與交流電源接通幾個周期（工頻1周期為20 ms），然后在開斷一定的周期，改變通斷時(shí)間比值達(dá)到調(diào)壓的目的。這種晶閘管起到一個通斷頻率可調(diào)的快速開關(guān)的作用。這種控制方式電路簡單，功率因數(shù)高，適用于有較大的時(shí)間常數(shù)的負(fù)載，缺點(diǎn)是輸出電壓或功率調(diào)節(jié)不平滑。 相位控制。它是使晶閘管在電源電壓每一周期中、在選定的時(shí)刻內(nèi)將負(fù)載與電源接通，改變選定的時(shí)刻可達(dá)到調(diào)壓的目的。 在交流調(diào)壓中，相位控制應(yīng)用較多，

3、下面主要分析相位控制的交流調(diào)壓器，先闡述作為基礎(chǔ)的單相交流調(diào)壓器。單相交流調(diào)壓器的工作情況與它的負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。第3頁，共37頁。一、電阻性負(fù)載VT1VT2u1u0Ri0u0 i0晶閘管單相交流調(diào)壓電路及波形 晶閘管VT1和VT2反并聯(lián)連接，或采用雙向晶閘管VT與負(fù)載電阻連接到交流電源u1上。當(dāng)電源電壓正半周時(shí)觸發(fā)VT1，負(fù)半周觸發(fā)VT2，形同一個無觸點(diǎn)的開關(guān)，允許頻繁操作，因?yàn)闊o電弧，壽命特長。若正負(fù)半周以同樣的移項(xiàng)角觸發(fā)VT1和VT2，則負(fù)載電壓的有效值可以隨角而改變，實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓，晶閘管電流的平均值、有效值；負(fù)載電壓上的有效值和該調(diào)壓器的功率因數(shù)表達(dá)式分別為：第4頁，共37頁。晶閘管電流平

4、均值 IdT = 2U1/2R（1+COS）晶閘管電流有效值 IT = U1/R1/2（1/+Sin2 /2 ）負(fù)載R上電壓有效值 U0 = U11/ 2 Sin2 + / 負(fù)載R上的電流有效值 I0= U0 /R功率因數(shù) COS = U0I0 / U1I0 = U0/U1U1為輸入交流電壓的有效值 隨著的逐漸增大，電阻R上的電壓有效值U0逐漸減小。當(dāng) = 時(shí)，U0等于零，因此單相交流調(diào)壓器對電阻性負(fù)載，其電壓可調(diào)范圍為0U1，控制角的移項(xiàng)范圍為 0 。第5頁，共37頁。二、電阻電感負(fù)載VT1VT2u1u0Ri0u1iG2iG1i0U0uAK1 RL負(fù)載是交流調(diào)壓器最一般化的負(fù)載。 兩只晶閘管

5、門極的起始控制點(diǎn)應(yīng)分別定在電源電壓每個半周的起始點(diǎn)，的最大范圍是0 。正、負(fù)半周有相同的角。 在一個晶閘管導(dǎo)通時(shí)，它的管壓降為另一個晶閘管的反向電壓而使其截止。于是在一個晶閘管導(dǎo)通時(shí)，電路工作情況和單相半波整流時(shí)相同。負(fù)載電流i0的 表達(dá)式為微分方程式之解。晶閘管導(dǎo)通角 針對交流調(diào)壓器，應(yīng)附加導(dǎo)通角小于或等于180度的條件。第6頁，共37頁。L di0/dt + Ri0 = 2U1Sin t 另一個晶閘管導(dǎo)通時(shí)，情況完全相同，只是i0相差180。與單相半波整流不同的是，現(xiàn)在有兩個晶閘管，分別在電源電壓的正、負(fù)半周工作，所以每個晶閘管的導(dǎo)通角不可能大于180，而單相半波整流電路時(shí)，視不同的，可大

6、于180。第7頁，共37頁。第二節(jié) 三相交流調(diào)壓電路 在大功率或者為某些三相負(fù)載控制方式時(shí)，通常采用三相交流調(diào)壓器。三相交流調(diào)壓器接線形式很多，各有其特點(diǎn)，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都不相同，把主要接線形式分述如下一、負(fù)載按 YN 聯(lián)結(jié)的三相交流調(diào)壓器電路NVT1VT3VRVT4VT6URVT5VT2WRiN 該電路各相通過零線自成回路，它相當(dāng)于三只單相晶閘管交流調(diào)壓器的組合。電路中晶閘管承受的電壓和電流就是接于相電壓的單相調(diào)壓器需要考慮的數(shù)值，該電路的缺陷是在零線中三次諧波電流很大。由于三次諧波屬于零序分量，它在零線中的電流值為各相三次諧波電流值的代數(shù)和。第8頁，共37頁。 當(dāng)控制角為90度時(shí)，零線電流

7、近似額定相電流，所以零線的導(dǎo)線面積要求與相線的一致。另外，選用該電流還必須考慮電源變壓器的零線是否允許通過這個相當(dāng)于額定負(fù)載相電流的電流值。NVT1VT3VRVT4VT6URVT5VT2WRiN 各晶閘管門極的觸發(fā)脈沖，同相間兩管的觸發(fā)脈沖應(yīng)互差180度，三相間的同方向晶閘管的觸發(fā)脈沖要互差120 度。當(dāng)控制角為零時(shí)，如同三相交流電路的 YN 聯(lián)結(jié)，各相電壓、電流對稱，各相都有一個晶閘管導(dǎo)通，故零線電壓 iN 0。隨著控制角增大，各相電流波形出現(xiàn)缺口，表明在這段時(shí)間內(nèi)該晶閘管關(guān)斷，相電流為零，造成三項(xiàng)電流不平衡，有iN流過零線第9頁，共37頁。二、用三對反并聯(lián)晶閘管接成的 三相三線交流調(diào)壓電路

8、NVT1VT3VRVT4VT6URVT5VT2WRuUuVuWO 以電阻負(fù)載接成星形為例進(jìn)行分析。由于沒有零線，每相電流必須和另一相構(gòu)成回路，與三相全控橋整流電路一樣，應(yīng)采用寬脈沖或雙窄脈沖觸發(fā)。設(shè)U是線電壓的有效值，則三相線電壓分別為第10頁，共37頁。NVT1VT3VRVT4VT6URVT5VT2WRuUuVuWO t0u2uuuvuw t2 t1 t3=0VT1VT2VT3VT4VT5VT6VT1VT2VT5VT6晶閘管導(dǎo)通區(qū)間 首先確定電路中門極起始控制點(diǎn)，把圖中的晶閘管看成二極管，可以看出，在電阻負(fù)載時(shí)，從相電壓過零時(shí)刻開始，相應(yīng)的二極管就導(dǎo)通。因此，0的點(diǎn)應(yīng)定在各相電壓過零點(diǎn)，不論

9、單相還是三相調(diào)壓器，都是從相電壓由負(fù)變正的零點(diǎn)處開始計(jì)算的，這一點(diǎn)與三相橋式整流電路不同。第11頁，共37頁。 六只晶閘管門極觸發(fā)的相序是VT1,VT3,VT5觸發(fā)相位依次滯后120度，VT4,VT6,VT2的觸發(fā)又分別滯后于VT1 ,VT3 ,VT5 180度。這樣，觸發(fā)相位自VT1至VT6，依次滯后間隔為60度。 當(dāng)改變時(shí)，該調(diào)壓器有兩種工作狀態(tài)：在同一時(shí)刻，每一相有一只晶閘管導(dǎo)通，稱為1類工作狀態(tài)。這時(shí)線電流分別為iU1，iv1 ,iW1；在同一時(shí)刻，有一相兩只晶閘管都不導(dǎo)通，另兩相各有一只晶閘管導(dǎo)電，稱為2類工作狀態(tài)。這時(shí)現(xiàn)電流分別為iuv2 ,ivw2 , iWU2，等。 1類工作狀

10、態(tài)，例如0時(shí)的工作狀態(tài)即屬于此類工作狀態(tài)，每相都有一只晶閘管導(dǎo)電，三相電壓、電流及所有晶閘管的都是對稱的，因此三相電源中點(diǎn)N與三相負(fù)載中點(diǎn)O電位相等。 2類工作狀態(tài)時(shí)，有一相的兩只晶閘管都不導(dǎo)電，所以電流只能在導(dǎo)電的兩相間構(gòu)成回路，電流通過兩相負(fù)載電阻。第12頁，共37頁。 0，電路全部按1類工作狀態(tài)工作，三相電流是完整的正弦波。 30度時(shí)，屬1類工作狀態(tài)與2類工作狀態(tài)每隔30度交替工作狀況。 60度時(shí)，電路全部按2類工作狀態(tài)工作。 90度時(shí)，電路全部按2類工作狀態(tài)工作，且是電流臨界斷續(xù)狀態(tài)。 90度時(shí)，晶閘管每次導(dǎo)電都是斷續(xù)的。 第13頁，共37頁。 例題：在單相交流調(diào)壓電路中，當(dāng)控制角小于

11、負(fù)載功率因數(shù)角時(shí)為什么輸出電壓不可控？ 答：當(dāng)電源接通時(shí)，如果先觸發(fā)T1，則T1的導(dǎo)通角180如果采用窄脈沖觸發(fā)，當(dāng)電流下降為零時(shí)，T2的門極脈沖已經(jīng)消失而無法導(dǎo)通，然后T1重復(fù)第一周期的工作，這樣導(dǎo)致先觸發(fā)一只晶閘管導(dǎo)通，而另一只管子不能導(dǎo)通，因此出現(xiàn)失控。tg-1( L/R)VT1VT2u1u0Ri0第14頁，共37頁。 第三節(jié) 斬波電路 電力電子 技術(shù)中的斬波器，就是利用晶閘管和自關(guān)斷器件來實(shí)現(xiàn)通斷控制將直流電源電壓斷續(xù)加在負(fù)載上，通過通、斷的時(shí)間變化來改變負(fù)載電壓平均值，亦稱直流直流變換器?，F(xiàn)廣泛應(yīng)用與直流牽引的變速拖動中，如城市電車、地鐵、蓄電磁車等。由于直流電路中的電流沒有自然過零

12、點(diǎn)，切斷電流很困難。目前作為主開關(guān)器件用得較多的晶閘管和逆導(dǎo)晶閘管，它們本身沒有自關(guān)斷能力，需設(shè)置換流回路，用強(qiáng)迫的方法使之關(guān)斷，因而增加了損耗。采用自關(guān)斷器件，省去了換流回路，又可提高斬波器的頻率，是發(fā)展的方向，但應(yīng)注意處理回路中存儲能量的問題。第15頁，共37頁。 直流斬波電路 將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。也稱為直流-直流變換器第16頁，共37頁。 若按不同的改變負(fù)載兩端的直流平均電壓的調(diào)制方法分，斬波器有三種工作情況。 主開關(guān)通斷的周期T保持不變，而每次通電時(shí)間 t1可變，稱為脈沖調(diào)寬。 通電時(shí)間t1不變，而通斷周期T可變，稱為調(diào)頻。 t1和T 均可變，稱為混合調(diào)制 按直

13、流電源與負(fù)載進(jìn)行能量交換的形式分，從原理上可分為三類： A型斬波器，它只能在單象限工作，此時(shí)輸出的直流電壓極性不變，電流平均值也只能維持在一個方向第17頁，共37頁。 B型斬波器，能在雙象限內(nèi)工作 ，這里指輸出直流電壓的極性不變，電流平均值的極性可變，既有電源向負(fù)載輸送能量，又有負(fù)載向電源反送能量的能力。 C型（復(fù)合）斬波器，在B型斬波器的基礎(chǔ)上，若輸出電壓和電流平均值的極性均可改變，既能在四象限內(nèi)工作，如負(fù)載電動機(jī)能正、反轉(zhuǎn)地在電動和發(fā)電情況下工作。 A型斬波器中能在第一象限工作稱為降壓斬波器，能在第二象限工作的為升壓斬波器。將這兩個A型斬波器組合在一起既成為B型斬波器，兩個B斬波器合在一起

14、即為C型斬波器，故降壓、升壓斬波器是基礎(chǔ)。第18頁，共37頁。（Buck Chopper)第19頁，共37頁。第20頁，共37頁。一、降壓斬波電路E+MEMVT L Ri0I10I20i1i2tKu0EI20i0tKi1i2iGt1t2Tu0EEMiGt1t2T1降壓斬波及其波形（b）（C）（a）（a）為降壓斬波電路，其主開關(guān)采用晶閘管VT，為了使它關(guān)斷所必須的換流回路圖中未畫出。 在t = 0時(shí)觸發(fā)VT，因負(fù)載中有電阻和電感，負(fù)載電流i0按指數(shù)上升，晶閘管導(dǎo)電期間，負(fù)載電壓U0等于電源電壓E。U0第21頁，共37頁。i0I10I20i1i2tKu0EiGt1t2T1降壓斬波極其波形（b） 當(dāng)

15、t = tK時(shí)刻，通過換流電路的作用，使晶閘管關(guān)斷，負(fù)載電流通過二極管續(xù)流，負(fù)載電流按指數(shù)規(guī)律下降。為了減小負(fù)載電流的脈動，通常串接的電感很大。使負(fù)載電流能連續(xù)。到一周期T在觸發(fā)VT時(shí)，重復(fù)上述工作。到穩(wěn)態(tài)時(shí)，一周期內(nèi)電流的初始值與終止值應(yīng)相等。，如圖b。這種負(fù)載電流連續(xù)的狀態(tài)稱為狀態(tài)1，此時(shí)負(fù)載端直流輸出電壓的平均值為：U0 = t1/TE =t1/（t1+t2）E = E t1為VT的導(dǎo)電時(shí)間，t2為VT的關(guān)斷時(shí)間， 為導(dǎo)通比，它與U0成正比關(guān)系。改變導(dǎo)通比，就可以使U0從零到E之間連續(xù)變化。第22頁，共37頁。I20i0tKi1i2iGt1t2Tu0EEM（C）tx 如果電感值很小，當(dāng)負(fù)

16、載電流按指數(shù)曲線下降到tx時(shí)，負(fù)載電流已衰減到零，（C圖） tkttx期間，VD導(dǎo)電，負(fù)載電壓為零，txtT，負(fù)載電流為零，但此時(shí)的負(fù)載電壓等于負(fù)載反電動勢Em。 t = T時(shí)完成一個通斷周期并開始下一個工作周期，把負(fù)載電流斷續(xù)的狀態(tài)稱為狀態(tài)2。 無論哪種工作狀態(tài)，電路圖中的負(fù)載電流和電壓都只有正的方向，且只能在第一象限工作，并且U0E，故稱為降壓斬波電路。第23頁，共37頁。第24頁，共37頁。二、升壓斬波電路E1 L VDE2i1 此圖為原理圖，主開關(guān)器件仍是晶閘管VT，當(dāng)其觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，在電抗器L中積蓄能量；VT關(guān)斷時(shí)，積蓄的能量和電源的能量共同供給負(fù)載。L足夠大時(shí)，流過L的電流可看成一定

17、值I1，設(shè)VT的導(dǎo)通時(shí)間為t1，VT導(dǎo)通時(shí)L繼續(xù)積蓄的能量為E1I1t1；其次，在電容C足夠大時(shí)，輸出電壓可看成定值，設(shè)VT的切斷時(shí)間為t2，VT切斷時(shí)間向負(fù)載釋放的能量為（E1E2）I1t2，穩(wěn)態(tài)下這兩種能量相等，既：E1I1t1 = （E2E1）I1t2E2 = （t1 + t2/t2）E1 = （T/t2）E1T/t21 所以輸出電壓比輸入電壓高。該電路可以把輸入電壓 升高。這時(shí)，T/t2表示升壓比第25頁，共37頁。 令 = t2/T= t2/（t1+t2）（升壓比的倒數(shù)） 則和斬波器導(dǎo)通比有如下關(guān)系 + = 1 因此 E2 = 1/ E1 = （1/1 ）E1 另外，從定義可得負(fù)載電流的平均值I2為 I2 = t2/TI1 = i1 因此，輸入輸出功率關(guān)系為 E1I1 = E2I2 如果斬波器中VT是沒有損耗的理想開關(guān)，則輸入功率和輸出功率相等，故升壓斬波器也可看成是直流變壓器。 通常，升壓斬波器多用于直流電動機(jī)再生制動時(shí)把電能反送到直流電源的電路中。如下圖t1/（t1+t2）E1 = E1第26頁，共37頁。Em L VDEi1M 當(dāng)晶閘管VT導(dǎo)通，設(shè)此時(shí)差電流為i1，得下式：設(shè)電流得初始值為I10，解上式，得當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，設(shè)電