电力电子技术5

1、1电力电子变流技术电力电子变流技术第第 二十三二十三 讲讲主讲教师：隋振学时：主讲教师：隋振学时：322 5.3 斩波电路3 原理原理 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。5Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt 1) 电阻负载图5-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形 输出电压与输出电压与 的关系的关系: : 移相范围为0 a 。 a =0时，输出

2、电压为最大 。 Uo=U1, 随 a 的增大，Uo降低， a =时， Uo =0。与与 a 的关系的关系: : 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 0.6Ou1 u1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1 G1uG2OOwtwt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)VT17q 020100601

3、401802010060/( )180140a /( )j = 9075604530150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 = t = a 时刻开通晶闸管VT1，可求得 jqjajqatg)sin()sin(e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。8电力电子变流技术电力电子变流技术第第 二十四二十四 讲讲主讲教师：隋振学时：主讲教师：隋振学时：329图5-4 单相交流调压电路a为参变量时I VTN和a关系曲线j = 900.40.516018004012080 75 6045j = 0a /( )IVTN负

4、载电流有效值IVT的标么值12UZIIVTVTNVTII2010图5-5 aj时阻感负载交流调压电路工作波形wtwtwtwt图4-5aaaqOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2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。113) 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

5、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。,5,3, 1o)sincos()(nnntnbtnatuwww22on21nnbaURUI/onon060120180图4-6基波3次5次7次触发延迟角a/( )In/I*/%20406080100图5-6 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量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13 4) 斩控式交流调压电路在交流电源u1的正半周RL图4-

6、7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3图5-7 斩控式交流调压电路用V1进行斩波控制用V3给负载电流提供续流通道14RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3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15 特性特性图5-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形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 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图5-9 三相交流调压电路a) 星形联结b) 线

7、路控制三角形联结c) 支路控制三角形联结d) 中点控制三角形联结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

8、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。19l (1)0 a 60：三管导通与两管导通交替，每管导通180a 。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 =302060 a 90：两管导 通，每管导通120。(2)图5-10 不同a角时负载相电压波形b) a =6021l (3)90 a 150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为3002 a。图5-10 不同a角时负载相电压波形 c) a =12022谐波情况电流谐波次数为6k1(k=1，2，3，)，和三相桥式全控整流电路交流侧电流

9、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59三相交流调压电路c)支路控制三角形联结由三个单相交流调压电路由三个单相交流调压电路组成，分别在不同的线电组成，分别在不同的线电压作用下工作压作用下工作。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 谐波情况谐波情况c)支路控制三角形联结图59三相交流调压电路 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6k1(k为正整数)。

10、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（Thyristor Controlled ReactorTCR） 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( (Static Var CampensatorSVC），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a)b)c)图5-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形 a) =120 b)

11、 =135 c) =160 27直流斩波电路（DC Chopper）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/DC Converter）。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：降压斩波电路降压斩波电路、升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 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

12、电路降压斩波电路（Buck Chopper)29电力电子变流技术电力电子变流技术第第 二十五二十五 讲讲主讲教师：隋振学时：主讲教师：隋振学时：3230工作原理工作原理c) 电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 电路图图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

13、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数量关系数量关系电流连续输出电压平均值：EETtEtttUaonoffononoREUIMootonV通的时间通的时间 toffV断的时间断的时间 a a-导通占空比导通占空比（a a1) 电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。 负载电流平均值：32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33TIETRIo

14、M2o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onotEI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。TIETRItEIoMoono2REEIMoaooon1IITtIaooo1IUEIEIaI1为电源电流平均值34 负载电流断续的情况负载电流断续的情况（L值较小时） I10=0，且t=tx时，i2=0式（3-7）式（3-6）memta)1 (1lnxtx1，输出电压高于电源电压，故为升压升压斩波电路。升压比；升压比的倒数记

15、作b ，即。 b和a的关系：因此，式（3-21）可表示为 off/tT1baEEUab111oTtoffb38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。oo1IUEI 输出电流的平均值Io为：RERUIb1oo电源电流的平均值I1为：REIEUI2oo11b392) 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ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoi

16、oi1i2t1t2txtontoffI20uo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数量关系当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：EERitiLM22dd当电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电枢电流的平均值Io，即REEREmIobbM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 。Eb当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式：M11ddERitiL式

17、中R为电机电枢电阻与线路电阻之和。41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mmett11lnonxbeem11-电流断续的条件txt0fftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI2042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

18、机工作于第2象限。电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路：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。电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路43ttb)uoioiV1iD1iV2iD2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4