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1、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
2、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
3、,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I VTN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.
4、1 单相交流调压电路,10,图5-5 aj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-
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
6、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
7、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=30,5.2 三相交流调压电路,20,图5-10 不同a
8、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3002 a。,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6k1(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59三相交流调压电路,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
9、，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59三相交流调压电路,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6k1(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（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 Ca
10、mpensatorSVC），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（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、升压斩波电路、升降压斩波电路、
11、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（Buck Chopper),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
12、，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：,tonV通的时间 toffV断的时间 a-导通占空比（a1),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
13、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（Boost Chopper）,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
14、(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/toff1，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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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。,总输出电流为 3 个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍。总的输出电流脉动幅值变得很小。所需平波电抗器总重量大为减轻。总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比。,3相3重斩波电路及其波形,47,5.3(三)复合斩波电路-多相多重斩波电路,当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3相1重斩波电路。而当电源为3个独立电源，向一个负载供电时，则为1相3重斩波电路。多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用。,
