第5章 交流调压与斩波ppt课件

1 电力电子变流技术 第二十三讲 主讲教师 隋振学时 32 2 引言5 1单相交流调压电路5 2三相交流调压电路5 3斩波电路 第5章交流调压与斩波 3 5 1单相交流调压电路 原理两个晶闸管反并联后串联在交流电路中 通过对晶闸管的控制就可控制交流电力 4 应用1灯光控制 如调光台灯和舞台灯光控制 2异步电动机软起动 3异步电动机调速 4供用电系统对无功功率的连续调节 5在高压小电流或低压大电流直流电源中 用于调节变压器一次电压 5 1单相交流调压电路 5 5 1单相交流调压电路 1 电阻负载 图5 1电阻负载单相交流调压电路及其波形 输出电压与 的关系 移相范围为0 a a 0时 输出电压为最大 Uo U1 随a的增大 Uo降低 a 时 Uo 0 与a的关系 a 0时 功率因数 1 a增大 输入电流滞后于电压且畸变 降低 6 若晶闸管短接 稳态时负载电流为正弦波 相位滞后于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 a 0时刻仍定为u1过零的时刻 a的移相范围应为j a 1 阻感负载 图5 2电阻负载单相交流调压电路及其波形 负载阻抗角 j arctan wL R VT1 5 1单相交流调压电路 7 q 0 20 100 60 140 180 20 100 60 180 140 a j 90 75 60 45 30 15 0 图5 3单相交流调压电路以a为参变量的 和a关系曲线 wt a时刻开通晶闸管VT1 可求得 当a j时 当a j时 以j为参变量把a和 的关系表示成右图 5 1单相交流调压电路 8 电力电子变流技术 第二十四讲 主讲教师 隋振学时 32 9 图5 4单相交流调压电路a为参变量时IVTN和a关系曲线 j 90 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 160 180 0 40 120 80 75 60 45 j 0 a I VTN 负载电流有效值IVT的标么值 5 1单相交流调压电路 10 图5 5a j时阻感负载交流调压电路工作波形 当阻感负载 a j时电路工作情况 图5 2阻感负载单相交流调压电路 VT1的导通时间超过 触发VT2时 io尚未过零 VT1仍导通 VT2不会导通 io过零后 VT2才可开通 VT2导通角小于 衰减过程中 VT1导通时间渐短 VT2的导通时间渐长 5 1单相交流调压电路 11 3 单相交流调压电路的谐波分析 电阻负载 由于波形正负半波对称 所以不含直流分量和偶次谐波 基波和各次谐波有效值负载电流基波和各次谐波有效值电流基波和各次谐波标么值随a变化的曲线 基准电流为a 0时的有效值 如图5 6所示 图5 6电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量 5 1单相交流调压电路 12 电流谐波次数和电阻负载时相同 也只含3 5 7 等次谐波 随着次数的增加 谐波含量减少 和电阻负载时相比 阻感负载时的谐波电流含量少一些 当a角相同时 随着阻抗角j的增大 谐波含量有所减少 阻感负载 5 1单相交流调压电路 13 4 斩控式交流调压电路 在交流电源u1的正半周 图5 7斩控式交流调压电路 5 1单相交流调压电路 用V1进行斩波控制 用V3给负载电流提供续流通道 14 用V2进行斩波控制 用V4给负载电流提供续流通道 图5 7斩控式交流调压电路 4 斩控式交流调压电路 在交流电源u1的负半周 5 1单相交流调压电路 15 特性 图5 8电阻负载斩控式交流调压电路波形 5 1单相交流调压电路 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 功率因数接近1 16 5 2三相交流调压电路 根据三相联结形式的不同 三相交流调压电路具有多种形式 17 三线四相基本原理 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 问题 三相中3倍次谐波同相位 全部流过零线 零线有很大3倍次谐波电流 a 90 时 零线电流甚至和各相电流的有效值接近 1 星形联结电路可分为三线三相和三线四相 图5 9三相交流调压电路a 星形联结 5 2三相交流调压电路 18 三相三线 主要分析阻负载时的情况 图5 9三相交流调压电路a 星形联结 5 2三相交流调压电路 任一相导通须和另一相构成回路 电流通路中至少有两个晶闸管 应采用双脉冲或宽脉冲触发 触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样 为VT1 VT6 依次相差60 相电压过零点定为a的起点 a角移相范围是0 150 19 1 0 a 60 三管导通与两管导通交替 每管导通180 a 但a 0 时一直是三管导通 图5 10不同a角时负载相电压波形a a 30 5 2三相交流调压电路 20 图5 10不同a角时负载相电压波形b a 60 5 2三相交流调压电路 21 3 90 a 150 两管导通与无晶闸管导通交替 导通角度为300 2a 图5 10不同a角时负载相电压波形c a 120 5 2三相交流调压电路 22 谐波情况 5 2三相交流调压电路 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倍次谐波 因三相对称时 它们不能流过三相三线电路 23 2 支路控制三角联结电路 图5 9三相交流调压电路 c 支路控制三角形联结 5 2三相交流调压电路 由三个单相交流调压电路组成 分别在不同的线电压作用下工作 单相交流调压电路的分析方法和结论完全适用 输入线电流 即电源电流 为与该线相连的两个负载相电流之和 24 谐波情况 c 支路控制三角形联结 图5 9三相交流调压电路 5 2三相交流调压电路 3倍次谐波相位和大小相同 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 25 典型用例 晶闸管控制电抗器 ThyristorControlledReactor TCR 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置 StaticVarCampensator SVC 用来对无功功率进行动态补偿 以补偿电压波动或闪变 图5 11晶闸管控制电抗器 TCR 电路 5 2三相交流调压电路 a移相范围为90 180 控制a角可连续调节流过电抗器的电流 从而调节无功功率 26 图5 11晶闸管控制电抗器 TCR 电路 5 2三相交流调压电路 27 5 3斩波电路 直流斩波电路 DCChopper 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 DC DCConverter 一般指直接将直流电变为另一直流电 不包括直流 交流 直流 电路种类6种基本斩波电路 降压斩波电路 升压斩波电路 升降压斩波电路 Cuk斩波电路 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 复合斩波电路 不同结构基本斩波电路组合 多相多重斩波电路 相同结构基本斩波电路组合 28 5 3 一 降压斩波电路 电路结构 全控型器件若为晶闸管 须有辅助关断电路 续流二极管 负载出现的反电动势 典型用途之一是拖动直流电动机 也可带蓄电池负载 降压斩波电路 BuckChopper 29 电力电子变流技术 第二十五讲 主讲教师 隋振学时 32 30 5 3 一 降压斩波电路 工作原理 图5 21降压斩波电路得原理图及波形 t 0时刻驱动V导通 电源E向负载供电 负载电压uo E 负载电流io按指数曲线上升 t t1时控制V关断 二极管VD续流 负载电压uo近似为零 负载电流呈指数曲线下降 通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小 动画演示 31 5 3 一 降压斩波电路 数量关系 电流连续 输出电压平均值 ton V通的时间toff V断的时间a 导通占空比 a 1 电流断续 Uo被抬高 一般不希望出现 负载电流平均值 32 5 3 一 降压斩波电路 斩波电路三种控制方式T不变 变ton 脉冲宽度调制 PWM ton不变 变T 频率调制 ton和T都可调 混合型 此种方式应用最多 电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想 基于 分段线性 的思想 对降压斩波电路进行解析 分V处于通态和处于断态初始条件分电流连续和断续 33 5 3 一 降压斩波电路 同样可以从能量传递关系出发进行的推导 假定L为无穷大 负载电流Io维持不变 电源只在V处于通态时提供能量 为 在整个周期T中 负载消耗的能量为 输出功率等于输入功率 可将降压斩波器看作直流降压变压器 一周期中 忽略损耗 则电源提供的能量与负载消耗的能量相等 I1为电源电流平均值 34 5 3 一 降压斩波电路 负载电流断续的情况 L值较小时 I10 0 且t tx时 i2 0 电流断续的条件 35 5 3 二 升压斩波电路 升压斩波电路 BoostChopper 保持输出电压 储存电能 电路结构 1 升压斩波电路的基本原理 36 5 3 二 升压斩波电路 工作原理 假设L和C值很大 V处于通态时 电源E向电感L充电 电流恒定I1 电容C向负载R供电 输出电压Uo恒定 V处于断态时 电源E和电感L同时向电容C充电 并向负载提供能量 动态演示 升压斩波电路及工组波形 a 电路图 b 波形 37 5 3 二 升压斩波电路 数量关系 设V通态的时间为ton 此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为toff 则此期间电感L释放能量为稳态时 一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等 化简得 T toff 1 输出电压高于电源电压 故为升压斩波电路 38 5 3 二 升压斩波电路 电压升高的原因 电感L储能使电压泵升的作用电容C可将输出电压保持住 如果忽略电路中的损耗 则由电源提供的能量仅由负载R消耗 即 与降压斩波电路一样 升压斩波电路可看作直流变压器 输出电流的平均值Io为 电源电流的平均值I1为 39 5 3 二 升压斩波电路 2 升压斩波电路典型应用 一是用于直流电动机传动二是用作单相功率因数校正 PFC 电路三是用于其他交直流电源中 t t T E i O O b a i 1 i 2 I 10 I 20 I 10 t on t off u o 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形a 电路图b 电流连续时c 电流断续时 用于直流电动机传动再生制动时把电能回馈给直流电源 电动机电枢电流连续和断续两种工作状态 直流电源的电压基本是恒定的 不必并联电容器 动画演示 40 5 3 二 升压斩波电路 数量关系 当V处于断态时 设电动机电枢电流为i2 得下式 该式表明 以电动机一侧为基准看 可将直流电源电压看作是被降低到了 41 5 3 二 升压斩波电路 如图3 3c 当电枢电流断续时 当t 0时刻i1 I10 0 即可求出I20 进而可写出i2的表达式 另外 当t t2时 i2 0 可求得i2持续的时间tx 即 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 电流断续的条件 42 5 3 三 复合斩波电路 复合斩波电路 降压斩波电路和升压斩波电路组合构成多相多重斩波电路 相同结构的基本斩波电路组合构成 斩波电路用于拖动直流电动机时 常要使电动机既可电动运行 又可再生制动 降压斩波电路能使电动机工作于第1象限 升压斩波电路能使电动机工作于第2象限 电流可逆斩波电路 降压斩波电路与升压斩波电路组合 此电路电动机的电枢电流可正可负 但电压只能是一种极性 故其可工作于第1象限和第2象限 电流可逆斩波电路 43 5 3 三 复合斩波电路 电流可逆斩波电路 电路结构 a 电路图 V1和VD1构成降压斩波电路 电动机为电动运行 工作于第1象限 V2和VD2构成升压斩波电路 电动机作再生制动运行 工作于第2象限 必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路 工作过程 一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作 当一种斩波电路电流断续而为零时 使另一个斩波电路工作 让电流反方向流过 这样电动机电枢回路总有电流流过 电流连续 电路响应很快 电流可逆斩波电路及波形 44 5 3 三 复合斩波电路 桥式可逆斩波电路 桥式可逆斩波电路 两个电流可逆斩波电路组合起来 分别向电动机提供正向和反向电压 桥式可逆斩波电路 使V4保持通态时 等效为图3 7a所示的电流可逆斩波电路 提供正电压 可使电动机工作于第1 2象限 使V2保持通态时 V3 VD3和V4 VD4等效为又一组电流可逆斩波电路 向电动机提供负电压 可使电动机工作于第3 4象限 45 5 3 三 复合斩波电路 多相多重斩波电路 基本概念 多相多重斩波电路 在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成 相数 一个控制周期中电源侧的电流脉波数 重数 负载电流脉波数 46 5 3 三 复合斩波电路 多相多重斩波电路 3相3重降压斩波电路 电路结构 相当于由3个降压斩波电路单元并联而成 总输出电