【最新】交流调压及斩波电路

什么是电压型和电流型逆变电路 各有何特点 答 按照逆变电路直流侧电源性质分类 直流侧为电压源的逆变电路称为电压型逆变电路 直流侧为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路 上一章重点内容复习 1 PPT专业文档 第五章交流调压电路与斩波电路 用晶闸管组成的交流电压控制电路 可以方便地调节输出电压的有效值 可用于电炉温控 灯光调节 异步电动机的起动和调速等 也可用作调节整流变压器一次侧电压 其二次侧为低压大电流或高压小电流负载常用这种方法 采用这种方法 可使变压器二次侧的整流装置避免采用晶闸管 只需用二极管 而且可控级仅在一次侧 从而简化结构 降低成本 交流调压器与常规的调压变压器相比 它的体积和重量都要小得多 交流调压器的输出仍是交流电压 它不是正弦波形 其谐波分量较大 功率因数也较低 交流调压器的晶闸管控制通常有两种方法 2 PPT专业文档 通断控制 即把晶闸管作为开关将负载与交流电源接通几个周期 工频1周期为20ms 然后在开断一定的周期 改变通断时间比值达到调压的目的 这种晶闸管起到一个通断频率可调的快速开关的作用 这种控制方式电路简单 功率因数高 适用于有较大的时间常数的负载 缺点是输出电压或功率调节不平滑 相位控制 它是使晶闸管在电源电压每一周期中 在选定的时刻内将负载与电源接通 改变选定的时刻可达到调压的目的 在交流调压中 相位控制应用较多 下面主要分析相位控制的交流调压器 先阐述作为基础的单相交流调压器 单相交流调压器的工作情况与它的负载性质有关 3 PPT专业文档 一 电阻性负载 晶闸管单相交流调压电路及波形 晶闸管VT1和VT2反并联连接 或采用双向晶闸管VT与负载电阻连接到交流电源u1上 当电源电压正半周时触发VT1 负半周触发VT2 形同一个无触点的开关 允许频繁操作 因为无电弧 寿命特长 若正负半周以同样的移项角 触发VT1和VT2 则负载电压的有效值可以随 角而改变 实现交流调压 晶闸管电流的平均值 有效值 负载电压上的有效值和该调压器的功率因数表达式分别为 4 PPT专业文档 晶闸管电流平均值IdT 2U1 2 R 1 COS 负载R上的电流有效值I0 U0 R 功率因数COS U0I0 U1I0 U0 U1 5 PPT专业文档 二 电阻 电感负载 U0 R L负载是交流调压器最一般化的负载 两只晶闸管门极的起始控制点应分别定在电源电压每个半周的起始点 的最大范围是0 正 负半周有相同的 角 在一个晶闸管导通时 它的管压降为另一个晶闸管的反向电压而使其截止 于是在一个晶闸管导通时 电路工作情况和单相半波整流时相同 负载电流i0的表达式为微分方程式之解 针对交流调压器 应附加导通角小于或等于180度的条件 6 PPT专业文档 Ldi0 dt Ri0 2U1Sin t另一个晶闸管导通时 情况完全相同 只是i0相差180 与单相半波整流不同的是 现在有两个晶闸管 分别在电源电压的正 负半周工作 所以每个晶闸管的导通角不可能大于180 而单相半波整流电路时 视不同的 可大于180 7 PPT专业文档 第二节三相交流调压电路 在大功率或者为某些三相负载控制方式时 通常采用三相交流调压器 三相交流调压器接线形式很多 各有其特点 其技术经济指标都不相同 把主要接线形式分述如下一 负载按YN联结的三相交流调压器电路 该电路各相通过零线自成回路 它相当于三只单相晶闸管交流调压器的组合 电路中晶闸管承受的电压和电流就是接于相电压的单相调压器需要考虑的数值 该电路的缺陷是在零线中三次谐波电流很大 由于三次谐波属于零序分量 它在零线中的电流值为各相三次谐波电流值的代数和 8 PPT专业文档 当控制角为90度时 零线电流近似额定相电流 所以零线的导线面积要求与相线的一致 另外 选用该电流还必须考虑电源变压器的零线是否允许通过这个相当于额定负载相电流的电流值 各晶闸管门极的触发脉冲 同相间两管的触发脉冲应互差180度 三相间的同方向晶闸管的触发脉冲要互差120度 当控制角为零时 如同三相交流电路的YN联结 各相电压 电流对称 各相都有一个晶闸管导通 故零线电压iN 0 随着控制角增大 各相电流波形出现缺口 表明在这段时间内该晶闸管关断 相电流为零 造成三项电流不平衡 有iN流过零线 9 PPT专业文档 二 用三对反并联晶闸管接成的 三相三线交流调压电路 以电阻负载接成星形为例进行分析 由于没有零线 每相电流必须和另一相构成回路 与三相全控桥整流电路一样 应采用宽脉冲或双窄脉冲触发 设U是线电压的有效值 则三相线电压分别为 10 PPT专业文档 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 VT1 VT2 VT5 VT6 晶闸管导通区间 首先确定电路中门极起始控制点 把图中的晶闸管看成二极管 可以看出 在电阻负载时 从相电压过零时刻开始 相应的二极管就导通 因此 0的点应定在各相电压过零点 不论单相还是三相调压器 都是从相电压由负变正的零点处开始计算 的 这一点与三相桥式整流电路不同 11 PPT专业文档 六只晶闸管门极触发的相序是VT1 VT3 VT5触发相位依次滞后120度 VT4 VT6 VT2的触发又分别滞后于VT1 VT3 VT5180度 这样 触发相位自VT1至VT6 依次滞后间隔为60度 当改变 时 该调压器有两种工作状态 在同一时刻 每一相有一只晶闸管导通 称为1类工作状态 这时线电流分别为iU1 iv1 iW1 在同一时刻 有一相两只晶闸管都不导通 另两相各有一只晶闸管导电 称为2类工作状态 这时现电流分别为iuv2 ivw2 iWU2 等 1类工作状态 例如 0时的工作状态即属于此类工作状态 每相都有一只晶闸管导电 三相电压 电流及所有晶闸管的 都是对称的 因此三相电源中点N与三相负载中点O电位相等 2类工作状态时 有一相的两只晶闸管都不导电 所以电流只能在导电的两相间构成回路 电流通过两相负载电阻 12 PPT专业文档 0 电路全部按1类工作状态工作 三相电流是完整的正弦波 30度时 属1类工作状态与2类工作状态每隔30度交替工作状况 60度时 电路全部按2类工作状态工作 90度时 电路全部按2类工作状态工作 且是电流临界断续状态 90度时 晶闸管每次导电都是断续的 13 PPT专业文档 例题 在单相交流调压电路中 当控制角小于负载功率因数角时为什么输出电压不可控 答 当电源接通时 如果先触发T1 则T1的导通角 180 如果采用窄脉冲触发 当电流下降为零时 T2的门极脉冲已经消失而无法导通 然后T1重复第一周期的工作 这样导致先触发一只晶闸管导通 而另一只管子不能导通 因此出现失控 tg 1 L R 14 PPT专业文档 第三节斩波电路 电力电子技术中的斩波器 就是利用晶闸管和自关断器件来实现通断控制将直流电源电压断续加在负载上 通过通 断的时间变化来改变负载电压平均值 亦称直流 直流变换器 现广泛应用与直流牵引的变速拖动中 如城市电车 地铁 蓄电磁车等 由于直流电路中的电流没有自然过零点 切断电流很困难 目前作为主开关器件用得较多的晶闸管和逆导晶闸管 它们本身没有自关断能力 需设置换流回路 用强迫的方法使之关断 因而增加了损耗 采用自关断器件 省去了换流回路 又可提高斩波器的频率 是发展的方向 但应注意处理回路中存储能量的问题 15 PPT专业文档 直流斩波电路将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电 也称为直流 直流变换器 16 PPT专业文档 若按不同的改变负载两端的直流平均电压的调制方法分 斩波器有三种工作情况 主开关通断的周期T保持不变 而每次通电时间t1可变 称为脉冲调宽 通电时间t1不变 而通断周期T可变 称为调频 t1和T均可变 称为混合调制 按直流电源与负载进行能量交换的形式分 从原理上可分为三类 A型斩波器 它只能在单象限工作 此时输出的直流电压极性不变 电流平均值也只能维持在一个方向 17 PPT专业文档 B型斩波器 能在双象限内工作 这里指输出直流电压的极性不变 电流平均值的极性可变 既有电源向负载输送能量 又有负载向电源反送能量的能力 C型 复合 斩波器 在B型斩波器的基础上 若输出电压和电流平均值的极性均可改变 既能在四象限内工作 如负载电动机能正 反转地在电动和发电情况下工作 A型斩波器中能在第一象限工作称为降压斩波器 能在第二象限工作的为升压斩波器 将这两个A型斩波器组合在一起既成为B型斩波器 两个B斩波器合在一起即为C型斩波器 故降压 升压斩波器是基础 18 PPT专业文档 BuckChopper 19 PPT专业文档 20 PPT专业文档 u0 I20 b C a a 为降压斩波电路 其主开关采用晶闸管VT 为了使它关断所必须的换流回路图中未画出 在t 0时触发VT 因负载中有电阻和电感 负载电流i0按指数上升 晶闸管导电期间 负载电压U0等于电源电压E U0 21 PPT专业文档 当t tK时刻 通过换流电路的作用 使晶闸管关断 负载电流通过二极管续流 负载电流按指数规律下降 为了减小负载电流的脉动 通常串接的电感很大 使负载电流能连续 到一周期T在触发VT时 重复上述工作 到稳态时 一周期内电流的初始值与终止值应相等 如图b 这种负载电流连续的状态称为状态1 此时负载端直流输出电压的平均值为 U0 t1 T E t1 t1 t2 E E t1为VT的导电时间 t2为VT的关断时间 为导通比 它与U0成正比关系 改变导通比 就可以使U0从零到E之间连续变化 22 PPT专业文档 如果电感值很小 当负载电流按指数曲线下降到tx时 负载电流已衰减到零 C图 tk t tx期间 VD导电 负载电压为零 tx t T 负载电流为零 但此时的负载电压等于负载反电动势Em t T时完成一个通断周期并开始下一个工作周期 把负载电流断续的状态称为状态2 无论哪种工作状态 电路图中的负载电流和电压都只有正的方向 且只能在第一象限工作 并且U0 E 故称为降压斩波电路 23 PPT专业文档 24 PPT专业文档 此图为原理图 主开关器件仍是晶闸管VT 当其触发导通时 在电抗器L中积蓄能量 VT关断时 积蓄的能量和电源的能量共同供给负载 L足够大时 流过L的电流可看成一定值I1 设VT的导通时间为t1 VT导通时L继续积蓄的能量为E1I1t1 其次 在电容C足够大时 输出电压可看成定值 设VT的切断时间为t2 VT切断时间向负载释放的能量为 E1 E2 I1t2 稳态下这两种能量相等 既 T t2 1 所以输出电压比输入电压高 该电路可以把输入电压升高 这时 T t2表示升压比 25 PPT专业文档 令 t2 T t2 t1 t2 升压比的倒数 则 和斩波器导通比 有如下关系 1因此E2 1 E1 1 1 E1另外 从定义可得负载电流的平均值I2为I2 t2 T I1 i1因此 输入输出功率关系为E1I1 E2I2如果斩波器中VT是没有损耗的理想开关 则输入功率和输出功率相等 故升压斩波器也可看成是直流变压器 通常 升压斩波器多用于直流电动机再生制动时把电能反送到直流电源的电路中 如下图 t1 t1 t2 E1 E1 26 PPT专业文档 当晶闸管VT导通 设此时差电流为i1 得下式 设电流得初始值为I10 解上式