（电力电子与电力传动专业论文）spwm脉宽调制式大功率交流调压电源的研究.pdf

摘要 交流调压电源广泛应用于工业企业、交通运输、数字通信、医疗器械、国防科研等 国民经济各个领域。传统的交流调压技术主要是基于晶闸管调压和交流斩波调压的，二 者突出的优点是结构简单、成本低廉，但在提倡绿色电源的今天，其致命的缺点是对电 网产生严重的污染，而且输出电流谐波含量高、功率因数低。为了提高交流调压电源的 效率和减少调压电源对电网的影响，本文设计一种新型的a c d c - a c a c 交流调压模 式。课题中放弃传统的a c a c 调压方式，代之以a c 。d c a c a c 的变换模式，a c d c 的过程能够有效的减少谐波对电网的污染，d c a c 的过程实现由直流向高频交流变换， 在该环节接入高频变压器能够有效的减小整个设备的体积，a c a c 的变换的过程是利 用循环变流器实现有高频到低频的变换，这样就可以满足工频调压的要求。 在传统的s p w m 调制的基础上根据不同的脉冲序号对其进行翻转控制，实现了高 频逆变的控制，并对系统各环节的主要参数进行了精确的计算和选型，整个系统中高频 逆变环节的引入为减小设备体积做出了突出的贡献。运用循环变流器将高频逆变环节恢 复到最初的s p w m 控制信号，也为整个系统提供高质量且可靠的电源。设计过程中充 分考虑相应的保护功能，同时利用m a t l a b 对系统进行仿真并验证了系统设计的可行性。 整个系统以d s p 2 4 0 7 为核心控制器，按照选定的控制方案搭建了初步的试验平台，实 验初步数据表明该方案输出性能稳定可靠，能够有效的摒弃传统的交流调压电源效率 低、谐波大等缺点。 关键词：交流调压，s p w m ，高频逆变，循环变流器 e f f i c i e n c yo fa cv o l t a g er e g u l a t i n gs o u r c ea n dr e d u c et h ei m p a c to fr e g u l a t i n gs o u t c eo nt h e 鲥d ，t h i sp a p e rd e s i g n san e wt y p eo fa c d c a c a ca cv o l t a g er e g u l a t i o nm o d e t l l i s p a p e ra p p l i e sa na c - d c a c - a ct r a n s f o r m a t i o nm o d e li n s t e a do ft h et r a d i t i o n a la c a c v o l t a g em o d e ，t h ea c - d cp r o c e s sc a l le f f e c t i v e l yr e d u c et h eh a r m o n i cp o l l u t i o no ng r i d ，t h e p r o c e s so fd c - a cr e a l i z e st h ec o n v e r s i o nf r o md c t 0h i g h f r e q u e n c ya c i nt h i sp a r t ，a c c e s s t oh i g h f r e q u e n c yt r a n s f o r m e rc a n e f f e c t i v e l yr e d u c et h es i z eo ft h ed e v i c e ，t h et r a n s f o r m a t i o n p r o c e s so fa c - a ca c h i e v e st h et r a n s f o r m a t i o nf r o mh i g hf r e q u e n c yt ol o wf r e q u e n c yb yc y c l e c o n v e r t e r i nt h et r a d i t i o n a lb a s i so fs p w mm o d u l a t i o n ，t h ec o n t r o l l e rc o n g t r o li t st u r nd p e n d i n go n t h ed i f f e r e n tp u l s en u m b e r , a c h i e v i n gt h ec o n t r o lo fh i g h - f r e q u e n c yi n v e r t e ra n ds e l e c t i n gt h e d e v i c ea c c o r d a n c ew i t ht h ep a r a m e t e r sc a l c u l a t e d i no r d e rt or e d u c ee q u i p m e n ts i z e ，t h e i n t r o d u c t i o no fh i g h f r e q u e n c yi n v e r t e rm a k e so u t s t a n d i n gc o n t r i b u t i o n t u r n i n gt h eh i g h f r e q u e n c yi n v e r t e rb a c kt ot h eo r i g i n a ls p w mc o n t r o ls i g n a l sb yc y c l ec o n v e r t e rp r o v i d e s l l i g hq u a l i t ya n dr e l i a b l ep o w e rf o rt h ee n t i r es y s t e m 1 1 1 ep r o c e s so fd e s i g ng i v e sf u l l c o n s i d e r a t i o nt ot h ec o r r e s p o n d i n gp r o t e c t i o n , a tt h es a m et i m eam o d e lo fa cv o l t a g e r e g u l a t i n gp o w e rs y s t e mi ss i m u l a t e db yp o w e rs y s t e mb l o c k s e t st o o lo ft h em a t l a b t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h es y s t e mi sf e a s i b l e t h es y s t e mu s e sd s p 2 4 0 7a st h e c o r ec o n t r o l l e ra n ds e t su pat e s tp l a t f o r mi na c c o r d a n c ew i t ht h es e l e c t e dc o n t r o lp r o g r a m t h e e x p e r i m e n t a lp r e l i m i n a r yd a t as h o w st h a tt h es y s t e mh a ss t a b l ea n dr e l i a b l ep e r f o r m a n c e ，i ti s a b l et oe f f e c t i v e l ya b a n d o nt h em a j o rs h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a la c v o l t a g er e g u l a t i n gp o w e r , s u c ha sl o we f f i c i e n c ya n dh i g hh a r m o n i c k e y w o r d s ：a cv o l t a g er e g u l a t i n g ，s p w m ，h i g hf r e q u e n c yi n v e r t e r ，c y c l ec o n v e r t e r 第二章新型s p w m 脉宽调制式交流调压方案的选择7 2 1 三相晶闸管交流调压电路的分析7 2 1 1 三相晶闸管交流调压电路的基本原理7 2 1 2 输出负载电流的谐波分析1 3 2 2 交流斩波调压电路的分析1 7 2 2 1 交流斩波调压原理1 7 2 2 2 交流斩波交流调压的谐波分析一1 8 2 3 新型全控交流调压方案的提出：2 2 2 4 本章小结2 3 ， 第三章主电路的分析与参数计算2 5 3 1 交流调压电源的主电路结构分析2 5 3 2 系统主电路的工作过程分析2 5 3 2 1 逆变工作过程分析2 5 3 2 2 循环变流器的工作过程分析2 7 3 3 系统主电路参数设计与元器件的选型2 8 3 3 1 三相整流部分计算2 8 3 3 2 逆变部分的参数设计：2 9 3 3 3 循环变流器的参数设计2 9 3 3 4 高频滤波器的参数设计3 0 3 3 5 缓冲电路的选择31 3 4 本章小结一3 3 第四章交流调压电源控制电路的设计3 5 4 1 系统整体拓扑3 5 4 2d s p 及其外围电路3 5 目录 4 3 驱动电路的设计3 9 4 4 软件设计4 l 4 4 1基于d s p 的功率闭环控制系统的实现4 2 4 4 2 控制程序流程图4 2 4 4 3 数字p i d 的实现4 5 4 5 本章小结4 7 第五章仿真与实验4 9 5 1 系统仿真模型4 9 5 2 实验波形5 2 5 3 本章小结5 3 第六章总结与展望5 5 6 1 全文总结5 5 6 2 未来工作展望5 5 致 射一5 7 参考文献5 9 附蜀乏6 1 附录一：攻读硕士学位期间发表的学术论文一6 1 附录二：d s p 外围电路总图6 2 n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 交流调压就是通过调压电路把一种交流电形式转变成另一种电流电形式，同时保持 电路频率不发生变化的这样一种技术。按照交流调压的原理和机构来分，可以分为三类， 即电机类，变压器类和电力电子类。三类调压技术目前在国内都得到了广泛的实际应用， 其中电力电子类交流调压技术为未来最具发展潜力的调压技术。按照交流调压所能实现 的功能不同，又可以分为工频调压技术和变压变频技术二类。按照电流的转换机制的不 同，交流调压技术可以分为：直接交流调压技术和间接交流调压技术【1 】【2 】。目前市场上 技术比较成熟的晶闸管交流调压和交流斩波调压属于第一类，本文提出的基于s p w m 脉宽调制式大功率交流调压电源属于第二类。 交流调压电源广泛应用于工业企业、交通运输、数字通信、医疗器械、国防科研等 国民经济各个领域，随着全球能源供应紧张和环境污染等问题的日趋严重，节能减排目 标被很多发达和发展中国家纳入国民经济发展规划，路灯亮度控制，导航光源控制等系 统中最核心的部分就是交流调压器【2 】。交流调压电源未来的发展方向主要有以下几个方 面【3 】：( 1 ) 向高电压、大功率方向发展；( 2 ) 向数字化、智能化方向发展；( 3 ) 向高稳 定、轻量化方向；( 4 ) 适用、少污染方向发展。 我国对交流调压电源的研究比西方发达国家要晚得多，在交流调压的理论和应用方 面都比较落后，差距是全方位的，比如日本、德国在交流调压的控制电路设计上，均采 用全数字化控制方式，而国内所研制的交流调压电源还大都采用传统的模拟电路进行控 制，我国只是在研究其他国家电路原理的基础上加以改进，使之能够在国内的各个工业 行业上得到应用 4 1 【5 j 。 1 2 交流调压的现状 1 2 1 基于晶闸管调压方式 目前市场上应用最为广泛、技术最为成熟的就是晶闸管调压技术，其主要应用于异 步电动机软起动系统和调速系统中，其主电路是由两个反并联的晶闸管构成，如图1 1 所示。其调压的过程是通过控制晶闸管的触发角口的大小来实现对交流电压大小进行控 制，利用晶闸管调压的突出优点是t 控制电路简单、体积小、成本低廉，而更为重要的 是它能够为负载提供连续并且可调的交流电压。所以目前仍广泛应用于电炉调压、异步 电动机软启动和电机调速等领域。 江南大学硕士学位论文 a c 图卜1 晶闸管交流调压电路 f i g 1 1t h y r i s t o th cv o lt a g er e g u l a t o r 晶闸管触发电路可分为模拟型、可编程数字型及采用单片机实现的全数字型三类。 中第三类与前两类相比，其触发形式提高了移相精度，并且增加了电路的稳定性和可 性，是国内晶闸管触发器研究设计的重点发展方向。 目前市场上常用的触发器主要存在以下几个问题： ( 1 ) 触发脉冲不可靠。常用的触发脉冲分为双窄脉冲和宽脉冲两种脉宽形式，采 宽脉冲脉宽形式会使开关管的门极损耗变大，这就大大增加了脉冲变压器的体积。而 触发角小于功率因数角时又会出现丢脉冲的现象。 ( 2 ) 检测相序环节过于复杂。常用的触发器由硬件电路对电压信号进行检测，但 这种电路要把软件和硬件部分都要包括在内，所以整个电路结构比较复杂。 ( 3 ) 电压同步信号与电源输入电压信号之间相位不对称。使用三相同步变压器的 样同步电压的方法具有适用性广、电路结构简单等优点。但是当三相同步变压器本身 构存在不对称性或三相电源相位出现不对称故障时，就会造成变压器输出电压相位不 称，进而引起触发脉冲信号紊乱或脉冲信号丢失。若采用单相同步变压器，它将同步 压信号输给数字芯片处理器，再由电路的软件部分计算出其他两相的电压同步信相 ，这样的处理方法虽然使硬件电路变得简单，但当电源发生故障造成频率突变或中性 发生偏离时，硬件电路就不能精确跟踪电源电压信号的相位，就会发生触发脉冲信号 不对称的现象【6 j 。 随着电力电子器件及其相关技术的发展，晶闸管已经逐渐被m o s f e t 、i g b t 等全控 型器件所取代。晶闸管电路采用的相控整流技术存在许多不可克服的缺陷，例如：动态 响应速度慢，无法应对负载突变的情况；功率因数较低；输出低次谐波含量大，电源的 利用效率不高；电网谐波电流污染比较严重等缺点。 1 2 2 交流斩波调压方式 相对于晶闸管交流调压技术的研究，各国对交流斩波调压技术的研究起步较晚，直 至1 2 0 世纪8 0 年代有一篇关于交流斩波原理简单模型的论文1 7 ，它初步解释了交流斩波电 路的工作原理和硬件设计，这一理论研究为接下来各国对交流斩波调压的研究奠定了坚 实的基础，具有里程碑似的意义。 2 0 世纪9 0 年代是交流斩波调压技术飞速发展的时期，随着新型电力电子元器件的广 2 第一章绪论 泛使用，交流斩波调压技术对电源变换行业产生了很大的影响，变压器的体积较过去大 大减小了。 交流斩波调压技术和直流斩波调压技术的原理是相似的，它是以比输入电源高得多 的频率，周期性的导通和关断功率元器件，通过改变电路中功率元器件的导通比来把输 入的交流电斩成形状不同的离散波形，改变元器件的导通比，电路输出电压的有效值也 发生变化，从而实现交流调压的目的。和晶闸管相控调压方式不同的是，它有二种控制 方式，一种是保持脉冲宽度不变调制频率，还有一种是使频率不变调整脉冲宽度，实际 中一般都采用第二种控制方法，这样可以实现大范围的调压【引。 电路拓扑中的开关器件必须为双向的，并且结构上要具有对称性。从能量角度看， 由于能量不能突变，所以它要求的电路拓扑能够时刻提供能量连续通路，即电路必须具 有双向性。目前从国内外的各类文献中常见的双向电子开关分别如图1 2 所示的几种。 ( a ) l 11 ( c )( d ) 图i - 2 双向电子开关 f i g 1 2t h eb i d ir e c ti o ns w i t c h 从上面四种交流斩波调压电路拓扑的比较中可以得出，与相控交流调压技术相比， 斩波交流调压技术在很多技术指标方面都有很好的表现【9 】： ( 1 ) 功率因数相对较高，效率较高； ( 2 ) 电压线性调节范围更宽； ( 3 ) 动态响应能力更为快速； ( 4 ) 信号输入输出易于滤波且高度正弦化： ( 5 ) 交流调压电源控制简单，易于操作。 鉴于上述的斩波交流调压系统的五个优点，它比晶闸管调压系统具有更为更好市场 发展前景，能被更多的工矿企业应用。但是斩控式交流调压系统的输入、输出电压中含 有高次谐波，这些谐波会对电网及相关设备造成较大的影响，同时高次谐波可产生的电 磁信号会导致微机、通信器材等高精密和敏感性高的负载产生故障，使正在工作的通信 系统中断，严重的会造成重要数据的丢失，给国家和企事业单位造成不可估量的损失。 1 2 3 新型全控逆变调压电源 江南大学硕士学位论文 上述晶闸管调压和交流斩波方式调压都是对交流电直接进行调压，其电路输出的谐 波电压会对电网产生严重的影响，而且其周期不变，其输出均是工频电源。基于解决这 些问题目前也产生了多种a c d c a c 交流调压电源。 c v t i 扣v 如3 ， 一_ 水 j k 一l jl 彳p _ ，一i c o r 、 v1 2 1 v14 一 j 1 l - - j 一一 谢2k d l 一l一【 】l 2 v g ； 图卜3 逆变调压电路拓扑 f i g 1 3m a i nc i r d u i to fi n v e r t e rc o n t r o l 常见的逆变调功主要有脉冲频率调制方式( p f m ) 、脉冲密度调制方式( p d m ) 、脉 冲宽度调制( p w m ) 。逆变器主电路拓扑如图1 3 所示。由于调功部分采用不控整流加 d c p w m 斩波的方式使电源设备简单、功率因数高、动态响应快、易于控制、成本低、 并且逆变部分能够使负载工作在谐振状态，电路开关损耗小，电流变换器件中的电压或 者电流损耗小；但是这种电路也存在一些缺点，如调功器件没有工作在软开关状态、电 路开关损耗大、传输效率低、e m i 噪声大【1 0 1 。因此，可以在电路中采用软开关方式，就 可以克服这些问题，对于实现软开关p w m 斩波调功是很重要的。 综合上述逆变调压电源能够很好的解决谐波污染问题，同时也实现了频率可变，但 由此引发的突出的问题是逆变输出一侧一般需要的是工频或低频的低压信号，众所周知 工频变压器提交大，比较笨重，不适应当今调压器小型化的发展趋势。因此，本课题研 究中放弃传统的a c a c 调压方式，代之以a c d c a c - a c 的变换模式，a c d c 的过程 能够有效的减少谐波对电网的污染；d c a c 的过程实现由直流向高频变换，在该环节 接入高频变压器能够有效的减小整个设备的体积；a c a c 的变换的过程是利用循环变 流器实现有高频到低频的变换，这样就可以满足工频调压的要求【l l 】 1 2 】【1 3 】。 1 3 课题的选题意义和主要工作 1 3 1 课题的选题意义 交流调压技术是电源技术的一个重要组成部分，在工业感应加热、照明节能、异步 电动机软启动、风机和水泵的速度控制等领域得到了广泛的应用。交流调压电源不仅可 以使用电设备处于稳定的工作状态，也可以满足有特殊要求的用电负载，在实现安全生 产的同时还可获得很多的经济效益。随着对交流调压电源的要求除了稳定性、可靠性、 精确性、高效率等方面外，设备小型化、轻量化和无污染可以给人们日常生产和生活提 供更多的方便。 随着一些高速控制器件诸如d s p 、快速微处理器的相继问世，在交流调压电源中传 4 蔓二垩笙堡 统的模拟控制器将逐渐被全数字控制器所取代，这也是电源变化技术的必然发展趋势。 以d s p 为核心的控制斩波电路为例，它的工作机理是【1 4 j ：当我们向电路输入三相交流电 压时，根据需要的电压值d s p 控制器会算出开关器件的导通比，然后输出方波波形，再 经过驱动电路输到主控制电路，从而实现开关管的导通和关断，电路输出所需要的调压 值，如果负载侧受到其他信号的干扰，调压值发生变化，该电路不再稳定工作而发生了 偏离，此时d s p 控制器可以计算出二种工作状态的偏差值，然后p i 控制算法对偏差值进 行控制，调整开关管的导通比，修改方波波形，电路工作状态重新稳定。用全数字控制 器取代传统的模拟控制器，再运用合适的控制策略，可以显著的提高电路工作性能，从 而实现经济效率的最大化。 传统的调压电源技术主要是基于晶闸管调压和交流斩波调压的，虽然它们有控制电 路简单、功率大等优点，但这些方法都存在一些问题，比如调压输出电流谐波含量高、 功率因数低，这些都会对电网造成一定的污染，从而影响用电设备的正常工作【1 5 1 ，所以 设计a c d c a c a c 的变换模式能够有效地解决传统交流调压所遇到的一些问题，这对 交流调压电源的发展具有很好的理论研究意义。 1 3 2 课题研究的主要工作 在阅读国内外大量关于电源变换的文献资料，对交流调压技术进行详细调研的基础， 上，在本课题的研究过程中，主要做了以下五个方面工作： ( 1 ) 对传统的晶闸管交流调压电路和斩控式交流调压电源工作原理进行了详细分 析，并对二者输出电压的谐波作了具体分析和计算，为了克服传统交流调压的缺点，本 。 文提出了一种新型s p w m 脉宽调制式交流调压电源方案，这也是本论文研究的重点。 ( 2 ) 全面探讨新型s p w m 脉宽调制的新发展，主要包括控制系统的可行性研究、 建模、稳态和动态性能分析以及一些对控制方面的改进措施。 ( 3 ) 基于s p w m 脉宽调制式大功率交流调压电源系统主电路的参数计算和元器件 选型，控制系统的整体构想以及控制参数的计算与选取。 ( 4 ) 控制系统的软硬件设计，以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心，对其外围电路进行设计， 其中包括对电源、接口电路、系统上电复位电路、采样电路、故障信号电路、键盘显示 电路、i g b t 驱动电路等进行设计。 ( 5 ) 利用m a t l a b 进行系统仿真并验证了系统的设计的可行性，最终在理论分析和 计算的基础上搭建初步实验平台，为进一步的研究打下坚实的基础。 江南大学硕士学位论文 6 第二章新型s p w m 脉宽调制式交流调压方案的选择 第二章新型s p w m 脉宽调制式交流调压方案的选择 本章主要研究的内容是目前市场上常见的几种交流调压电源的电路拓扑结构，包括 晶闸管调压电路、交流斩波调压电路等，本章在总结了前人的研究成果的前提下对已经 成熟的晶闸管交流调压电源和斩控式交流调压电源进行了详细的性能分析，在对比这两 种交流调压电源的基础上，提出了设计一种新型s p w m 脉宽调制式的交流调压电源，也 是本论文所研究的对象。 2 1 三相晶闸管交流调压电路的分析 2 1 1 三相晶闸管交流调压电路的基本原理 晶闸管调压电路目前在市场上广泛应用于异步电动机软起动系统、电炉加热和调光 系统中，而早期的交流调压电路主要就是按这种拓扑方式构成的，其原理图如图2 1 中 所示，即为三相晶闸管交流调压电路【1 6 】。 图2 一l 三相晶闸管交流调压电路 f i g 2 - 1p r i n c i p l eo f a cv 0 1 t a g ec o l l v e r s i o n 该电路将三对反并联的晶闸管分别串接在星形接法负载上，它相当于三个单相晶闸 管交流调压器的组合。三相晶闸管交流电路在工作时若要有负载电流流通，至少要有二 相负载电路是通路。为此【1 7 】【1 8 】： ( 1 ) 在三相交流调压电路中要求至少有一相晶闸管正向导通和另一相晶闸管反向 导通以便构成回路。 ( 2 ) 触发电路发出的脉冲必须是大于6 0 0 的单脉冲或者双脉冲信号，这样才能保证 在三相交流电路工作时能使一个正向晶闸管和一个反向晶闸管可靠的导通，在负载是感 性负载时也能保证不同相的正、反向两个晶闸管同时工作。 ( 3 ) 三相交流调压电路必须保证输出电压范围有一定的可调性，同时输出电压要 实现对称。所以六个晶闸管的触发信号相互间是有一定的相位要求的，同时要和对应的 7 江南大学硕士学位论文 交流电源相序一致。从图2 1 的电路看，即要求a 、b 、c - - 相电路中三个正向晶闸管( 即 在交流电源波形为正半波时工作的晶闸管) 的触发信号相位差为2 万3 ，三个反向晶闸管 ( 即在交流电源波形为负半波时工作的晶闸管) 的触发信号相位差也是2 万3 ，是相同的， 但是三相电源任意一支路中反并联着的两个正、反向晶闸管的触发脉冲相位差是万。根 据上面的分析，因而可得出三相交流调压电路中三个正向晶闸管和三个方向晶闸管触发 脉冲的信号顺序依次为的v t l v t 6 ，相邻的二个晶闸管的触发脉冲相位相差万3 。 三相晶闸管交流调压电路中，晶闸管触发脉冲在正半波和负半波是对称的，晶闸管 调压a 、b 、c - - 相电路中每一个相的输出电压有效值u 是由交流因素角缈和晶闸管的 控制角口决定的，任一相负载输出电压的有效值都可以由式( 2 1 ) 表示 厂r1 吮= 吉lr ( 而s i n ) 2 + i r ( 厨s i n 研) 2d ( 纠) i = u = i ( u ，口，) ( 2 1 ) 可以看出此电路输出电压u ，是功率因数角缈、晶闸管控制角口及电源输入电压u 的函数。要想改变晶闸管的输出电压，当功率因素角够和输入三相电压不变的情况下， 只需改变控制晶闸管触发的控制角口。 在图2 1 所示的电路中，如果将电路中的晶闸管改为二极管且负载为纯电阻的工作 情况下，她就是一个自然状态运行的电路，负载上得到的电压就是个全电压，此刻的相 电压和负载电流是同一相位的，这是的电路的工作情况就相当于选用晶闸管控制角 口= 0 0 作为三相电源波形的起始点u 引。 ( 1 ) 电阻性负载时的导通模式 阻抗角对三相交流调压电路的工作有很大的影响，它是反应电路负载特性的一个参 数，公式是够= a r c t a n c o l r 。为了方便研究三相晶闸管交流调压电路的工作情况，这里 从口= 0 0 开始分析。 这里已经确定了初始控制角的位置，下面可讨论由三组六个反并联晶闸管连接的三 相交流调压电路在电阻负载对称的情况下在不同控制角下负载电压和电流的波形。并通 过具体分阶段的分析得到该调压电路的最大移相范围和最大移相值。 1 ) 口= 0 0 时 按照上面所述，此刻电路的工作状态为自然工作状态，所有的晶闸管都导通，每个 负载都可以得到满电压。根据上面提及的脉冲触发安排原则，在图2 2 中画出来的对应 的触发脉冲信号u 。，此信号是在a 相相电压的过零点触发的。 8 第二章新型s p w m 脉宽调制式交流调压方案的选择 j 一一一一 必似7 戳剃似一 1iii i l ij ， j 媳n 呵n 刀 义_ l 一几几一 一 u g n 衍 3 、一一 1 u g 1 i i5 ；6 l i ili2 ：l ：4 ：5 5 ：5 一：6 l li一：l：1一：5一：2一：3一：3一14一1415一：5 1 6 1 1 1 213 1 4 1 5 1 6 婷谴的矗嘲管 ：? 1 1 ：! ：21 11 3 ：j ：41 1 ：5 l ；：6 ：? 姥通妁蠡问管八u mi 三一 图2 - 2 触发角o f = 0 0 的原理图图2 - 3 触发角口= 3 0 0 的原理图 f i g 2 - 2t h et r i g g e rp r i n c i p l eo f 口= 0 ”f i g 2 3t h et r i g g e rp r i n c i p l eo f 口= 3 0 ” 可以清晰的看出，三个正向晶闸管( v t l 、v t 3 、v t 5 ) 都是在交流电源电压波形 的正半周的过零点被触发而导通的；而三个反向晶闸管( v t 2 、v t 4 、v t 6 ) 都是在交 流电源电压波形的负半周的过零点被触发而导通的。每个晶闸管都是连续工作1 8 0 0 ，即 在该波形的过零点是自动截止，每隔6 0 。区间，每条支路都有一个晶闸管导通，比如在 c o t = 0 i 3 区间，b 相的电压为负，a 相和c 相的电压为正，因此v t l 、v t 5 、v t 6 导通， 在c o t = 万3 2 x 3 区间，b 相和c 相的电压为负，a 相的电压为正，因此v t l 、v t 2 、v t 6 全部导通。因为在所有区间内任意时刻每一个支路都有一个晶闸管工作，所以在该三相 交流电路当中在任意一个时候都有电流流通；所以这个情况的三相交流晶闸管调压电路 等效于普通的三相交流电路。另外由于三个负载是对称的，所以各相流过的相电流相等， 三个负载的电压波形也就是_ 样的，因此我们只可以分析其中的任一波形即可。 2 ) 控制角口= 3 0 0 时 如图2 3 所示，当c o t = t 6 时，t v l 被触发导通，由于之前t v 5 已经被触发导通， 由于晶闸管的性能它仍然能维持导通，对于t v 6 ，由于b 相电压还是负电压，其触发脉 冲大于6 0 0 ，所以b 相电路中的方向晶闸管t v 6 维持导通，此时三相交流调压电路工作情 况正常，电源的相电压就等于每相负载的实际电压。 9 江南大学硕士学位论文 j 一一 、炬义测一， 1 乏她蚁一 1 j n 魏in 一 l 4 彳弗f 1 u 孑 n l2 i 3 1_ lnf 1 u 孑 u g一 1n 1 23l4 鼯邋的鼹阈管 34i5 够邋的晶悯管 i i i jl i i u 稍刖1 i 似i t ai a i ll u ， l j 。，_ - w 玉浮财： 图2 4 触发角口= 6 0 0 的原理图图2 - 5 触发角口= 9 0 0 的原理图 f i g 2 - 4 h et r i g g e rp r i n c i p l eo f 口= 6 0 0f i g l - 5t h et r i g g e rp r i n c i p l eo f 口= 9 0 0 但兰t o t 超过万3 时，由于c 相电压由正电玉变为负电压，t v 5 立即截止，因此在 t o t = 右3。万2 区间里，触发导通的晶闸管只有t v l 和t v 6 ，在图2 3 所示的电路中，c 相所在的支路被断开，所以a b 间的线电压等于a 相负载电压的二倍。 在t o t = 万2 2 万3 区间里，t v 2 继续导通工作，此时另外二个晶闸管t v l 和t v 6 也触发导通，所以三相电源电压即为每一相负载上的实际电压。 在t o t = 2 7 r 3 5 万6 区间里，由于b 相电压由负电压变为正电压，反向晶闸管t v 5 被关断，导通的的晶闸管只有t v l 和t v 2 ，所以此刻a 相和c 相间的线电压等于a 相电路 负载电压的二倍。 在t o t = 5 万6 万区间里，三个晶闸管t v l 、t v 2 、t v 3 均触发导通工作。 在t o t = 万7 万6 区间里，由于晶闸管t v l 有正电压变为负电压，t v l 立即截止，此 时只有二个晶闸管t v 2 和1 v 3 触发导通工作，a 相所在电路相当于断开，所以没有电流 经过a 相负载，a 相负载上没有电压。 综上述区间分析可以得出口= 3 0 。时，a 相所在电路的电压波形如图2 3 所示。 3 ) 控制角口= 6 0 0 时 在0 万6 区间里，晶闸管t v l 没有被触发工作，所以a 相所在支路的电流一直为零。 1 0 第二章新型s p w m 脉宽调制式交流调压方案的选择 在万6 2 7 t 3 区间里，当耐= 万6 时，c 相电压由正电压变为负电压，晶闸管t v 5 被立即截止，而t v l 被触发工作。所以有晶闸管t v l 和t v 6 被触发工作，这样a b 间的线 电压是a 相负载上电压的二倍。 在2 刀3 万区间里，t v l 和t v 2 导通工作，t v 6 截止，a c 间的线电压等于a 相负载 上电压的二倍。 由于前半个周期的工作情况和后半个周期的工作情况相似，后半个周期的负载电压 波形与前半个周期是对称的，如图2 4 所示。 4 ) 控制角口= 9 0 0 时 在石2 5 万6 区间里，只有晶闸管t v l 和t v 6 i 作，所以a b 间的线电压等于a 相负 载电压的二倍。在这一区间里，即使b 相电压由负电压变为正电压，但此时a 相电压大 于b 相电压，晶闸管t v 6 的阳极电压大于阴极电压，所以它还会继续工作还不会关断。 研= 5 万6 ，a 相电压等于b 相电压，a b 间的线电压等于零，此刻没有电流在a b 相得电路 中流通，所以t v 6 截止。当刎超过5 万6 ，晶闸管t v l 阳极电压比阴极电压为正，同时 其触发脉冲还继续存在，晶闸管t v 2 被触发导通，所以a 相和c 相形成回路，a 相电流继 续导通。 在5 万6 7 万6 区间里，类似分析交流调压电路的工作情况，由于a 相电压大于c 相电压，所以a c 间的线电压等于a 相负载电压的二倍。当耐= 7 刀6 时，由于a c 间的线 电压为零，晶闸管t v l 自动截止，无电流从a 相支路流过，负载电压为零。 负半波是交流调压电路的工作情况和正半波类似，可以得到如图2 5 所示的波形图。 5 ) 控制角口= 1 2 0 0 时 如图2 6 所示，由于晶闸管t v 6 的触发脉冲还没有丢失，当耐= 2 石3 ，t v l 被施加 一触发信号，在2 万3 5 万6 区间里，a 相电压大于b 相电压，所以t v l 和t v 6 都触发导 通工作，a b 间的线电压是负载电压的二倍，当研= 5 万6 ，a 相电压等于b 相电压，然 后a b 间电压反向，所以t v l 和t v 6 因受反压自动截止，负载上的电压为零。 在5 万6 石区间里，整个三相交流调压电路的中所有六个晶闸管都处于截止状态， 所以负载电压继续为零。 当耐= 万，对t v 2 施加触发脉冲，同时t v l 的触发脉冲信号继续维持存在，所以在 a 相电压大于c 相电压的情况下t v l 和t v 2 触发导通，a c 间的线电压为负载电压的2 倍， 负载电压一直保持到7 石6 时刻，a 相电压与c 相电压反向，t v l 和t v 2 自动截止。 在7 万6 4 万3 区间里，负载电压继续为零。 在4 万3 3 万2 区间里，即使t v 2 和1 v 3 在工作，但是a 相电路是断开的，负载电压 继续为零。 电路负半波工作情况和正半周类似。 江南大学硕士学位论文 嗣献w 一 t u , , 擀v f f v y - i lii l l i i l i i l i 1 4 i1 5 i 棚il i ial3 il4 弋 j m t a li ：k nl ： y 函 图2 - 6 触发角口= 1 2 0 0 的原理图 f i g 2 - 6t h et r i g g e rp r i n c i p l eo f 口= 1 2 0 0 6 ) 控制角口 15 0 。时 由交流电压波形图可得，在口 1 5 0 。区间里给t v 施加一触发信号时不起作用的，即 t v 6 的触发信号继续存在，当时b 相电压大于a 相电压，t v l 和t v 6 都处于反压截止状 ，所以基于晶闸管的三相交流调压电路控制角口的最大移相值为1 5 0 0 。 综合上述五种情况分析可以得出，在这种基于晶闸管的三相交流调压电路中，随着 制角口的不同每一相负载上所得到的电压和电流波形也随之发生变化。随着控制角口 增大，负载上电流断开的程度有所增加，每一相得负载电压变小。因为交流调压的关 是改变一个周期内电压波形导通角的大小，所以调压电路输出的电压波形不是标准的 弦波形，但是要求每相负载上电压波形正半波和负半波要对称。 ( 2 ) 电感性负载时的导通模式 在生产实践中，实际应用负载多为感性负载，当晶闸管三相交流调压电路的负载为 三相异步电动机、道路灯具等电感性负载时，晶闸管的实际工作状态与阻性负载相比是 有所变化的，电路中每相负载电压波形与电流波形也是不同相的。当三相输入电压由正 变负或由负变正时，由于电路电感对电流的变化有抵抗作用，电感的极性是阻止电流变 化的，当电路中电流变大时，电感极性阻止电流变大，当电流变小时，同样电感极性会 阻止电流的继续变小，阻感负载最重要的性质就是使得电路中的电流不能突变，所以交 流调压电路中的自感电势的反作用是流过要延迟一段时间才能反向，然后晶闸管才能关 断。在晶闸管受到反压作用下要延迟一段时间才能截止，所以晶闸管的导通角变大了。 阻抗角矽= a r c t a n e l r 对交流调压电路的工作情况有很大的影响，在保持控制角不变的 1 2 管搠菇的 磁够 s ii 簟l羽i ； 葶。玎l l l il 耐， ll 褂 第二章新型s p w m 脉宽调制式交流调压方案的选择 情况下，提高负载阻抗角，晶闸管的导通角就相应变大，意味着延长了晶闸管的截止时 间。 如图2 7 所示即为三相电源电源电压u 与负载电流f 间的关系曲线。矿为负载阻抗 角，口为晶闸管的控制角，设口 缈。为了方便我们的研究，定义纠= 0 时刻为脉冲脉 冲信号触发时刻，晶闸管t v l 导通工作，这使r l 交流电路中的开关闭合形成回路，此 时有电流f 开始流通。根据电路理论我们把电流f 分成强制分量与自由分量f 两部分。 在三相电源电压“。= 2 us i n ( 研+ 口) 时，交流电流表达式为： f = + 之 ( 2 2 ) ：华s i n ( 耐+ 口一缈) 一华s i n ( 口一缈) 扩- t ( 2 3 ) 中间t = l r 为自由分量电流的衰减时间常数，z = r 2 + ( 缈三) 2 。分析图中曲线，当电 源电压以由正变负时，由于自感的抑制作用，负载电流不立即为零，当晶闸管电压反向 且自感能量完全释放结束时，电路电流变为零，晶闸管断开，设乡为t v l 的导通角，则 当a ) t = 0 时，f = 0 ，把此条件带入到上式中可得： - 0 s i n ( o + 口- ( p ) = s i n ( 口一缈) p 啪9 ( 2 4 ) 以缈为参变量，根据上面的公式可以把触发角a 和导通角度秒的关系绘成一条曲线，如图 2 7 表示。利用它可以按给定的负载阻抗角求不同口时的导道角度口。值得注意的是这 条曲线适用的条件为口 矽。 触发角度口 图2 7 阻抗角和导通角度的关系 f i g 2 7t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no fi m p e d a n c ea n g l ea n dc o n d u c i o na n g l e 2 1 2 输出负载电流的谐波分析 1 3 江南大学硕士学位论文 当晶闸管作为三相交流调压电路的开关器件时，由于输出电流为非正弦波，所以输 出电流中存在谐波分量。如图2 1 所示为三相y 型连接的对称电路，其在电阻负载时的 工作情况。虽然当控制角口不