第六章 交流调压电路ppt课件.ppt

电力电子技术,第六章 交流调压电路,什么是交流调压电路？一种形式的交流电 另外一种形式交流电 电压、频率、相数 哪些方式可以实现交流调压？变压器：6KV-380V；220V 24V 自耦调压器：优点：输出连续可调正弦波缺点：体积大，重，机械式调节，不易自动调节利用电力电子电路实现电压调节,本章主要讲述 交流-交流变流电路 把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路,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。,整流电路：AC DC调节 Ud晶闸管 正半周,交流调压电路：AC AC调节 Uo,双向晶闸管,本章教学目的和要求,知识点：双向晶闸管晶闸管交流开关单相和三相交流调压电路器件 开关电路 应用,本节主要内容,一、双向晶闸管 结构与特性了解触发方式掌握主要参数掌握、计算与普通晶闸管的等效关系晶闸管交流开关了解固态继电器,第一节 交流开关及应用,双向晶闸管Bidirectional Thyristor,双向晶闸管的外形,等效电路及图形符号,小电流塑封式,螺栓式,平板式,一对反并联晶闸管,两个阳极：第一阳极T1和第二阳极T2一个门极G,二、双向晶闸管的触发方式双向晶闸管正反两个方向都能够导通，门极加正、负信号都能够触发，所以有4种触发方式。I触发方式：第一象限，T1为正，T2为负；门极电压是G为正，T2为负；正触发；I触发方式：第一象限，T1为正，T2为负；门极电压是G为负，T2为正；负触发；III触发方式：第三象限，T1为负，T2为正；门极电压是G为正，T2为负；正触发；III触发方式：第三象限，T1为负，T2为正；门极电压是G为负，T2为正；负触发；触发方式特性参考表6-2，第三种触发方式灵敏度最低，尽量不用。思考题:双向晶闸管有哪几种触发方式？一般选用哪几种？,一 双向晶闸管,思考：左侧电路中器件损坏，需要用双向晶闸管来替换，如何选型？,Kp100-8,?-?,双向晶闸管的型号规格定义K S-其中 K：闸流特性 S：双向型：额定电流，有效值：额定电压 例如：型号KS1008 双向晶闸管额定电流100A额定电压800V,一 双向晶闸管,晶闸管的型号规格定义K P-其中 K：闸流特性 P：普通反向阻断型：额定电流，平均值：额定电压,普通晶闸管 IT(AV),双向晶闸管 IT(RMS),双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。,普通晶闸管 KP100-8,双向晶闸管 KS100-8,额定电流 100A,Id100A,I2100 A,电流波形正半周面积相等（最大值相等），即可等效代换。,Imp314 A,KS300-8,双向晶闸管参数,思考题：推导普通晶闸管与双向晶闸管额定电流之间的等效关系。Id IT(AV)I2 IT(RMS),一 双向晶闸管,100A的双向晶闸管和 A的两个反并联晶闸管容量等效。,双向晶闸管额定电流100A,晶闸管额定电流45A,一 双向晶闸管,双向晶闸管，有什么用处？,二 交流开关,晶闸管交流开关，与普通机械式、有触电开关相比，有哪些优点？,二 交流开关,基本交流开关电路Q的闭合、打开 主电路的导通与关断触发电路Q 打开时：VT无触发信号，不导通Q 闭合时：ui 正半周 I,VT导通ui 负半周,VT导通,二 交流开关,固态开关固态开关也称固态继电器或固态接触器(Solid State Switch/Relay/Contactor)，是以双向晶闸管为基础构成的无触点通断组件。基本交流开关电路中，用光耦代替开关Q，同时起光电隔离作用。1、2为输入端，相当于继电器或接触器的线圈；3、4为输出端，相当于继电器或接触器的一对触点，与负载串联后接到交流电源上。,10mA,二 交流开关,固体继电器的主要优点是：弱信号对强电的控制。（1）无运动零部件，无机械磨损，无动作噪声，无机械故障，可靠性高；（2）无燃弧触点，无触点间的火花、电弧，无触点抖动和磨损，对外干扰小；（3）开关速度迅速，动作时间可达10-3S以下；（4）灵敏度高，控制功率小，能很好地与TTL、CMOS电路兼容；（5）抗冲击振动性能优良，容易实现“零”压切换；（6）一般用绝缘材料灌封成全封闭整体，所以具有良好的防潮、防霉、防腐性能，防爆性能也极佳；（7）半导体器件作为开关工作，寿命长；（8）易实现附加功能。,二 交流开关,固态继电器的缺点（1）导通后的管压降大，正向降压可达12V。（2）关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，不能实现理想的电隔离。（3）由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器，成本也较高。（4）固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器进行过载保护。,1.2 交流调功电路,交流调功电路与交流调压电路的异同比较,相同点 电路形式完全相同不同点 控制方式不同交流调压电路在每个电源周期都对输出电压波形进行控制。交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期,在断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。,电阻负载时的工作情况,2,p,N,图41电阻负载单相交流调压电路,1.2 交流调功电路,控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期导通，后MN个周期关断。负载电压和负载电流（也即电源电流）的重复周期为M倍电源周期。,二 交流开关,交流调功电路利用交流开关，按照一定规律控制电路开通与关断，可以实现功率调节；这种装置称为调功器或周波控制器。功率调节原理：在设定周期Tc内，将电路接通几个周波T，然后断开几个周波，通过改变晶闸管交流开关在设定周期内通断时间的比例，达到调节负载两端交流电压有效值即负载功率的目的。,图6-7 输出电压波形,如在设定周期Tc内导通的周波数为n，每个周波的周期为T（50Hz，T20ms），则调功器的输出功率和输出电压有效值：Pn、Un为在设定周期Tc内 晶闸管全导通时调功器输出的功率与电压有效值。改变导通的周波数n就可改变输出电压或功率。控制方式:有全周波连续式和全周波断续式两种，如图6-7所示。,双向晶闸管 交流电路开关如何实现调压？关键在于控制双向晶闸管的导通时刻通过改变控制角 实现调压触发电路,基本触发电路工作原理主电路：U2，负载RL，VT触发电路：可调电阻RP，电容C1，触发二极管VD双向晶闸管VT阻断时，电容C1经过RP充电当uc1达到一定值时，触发二极管击穿导通双向晶闸管VT也触发导通；改变RP值即可改变控制角。反向工作情况类似。属I+、-触发。,三 交流调压电路,调速电路应用：电风扇无级调速,触发电路,主电路,保护电路,负载,思考题：应用本节知识，采用交流开关，设计一个直流电动机的调速电路。参考图610,第二节 单相交流调压电路,1)电阻负载,图6-3 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。,电阻负载上交流电压有效值为改变角即可调节负载两端的输出电压有效值，达到交流调压的目的。电流有效值和电路功率因数为,电路的移相范围为0。由双向晶闸管组成的电路，只要在正负半周对称的相应时刻（、）给触发脉冲，则和反并联电路一样可得到同样的可调交流电压。交流调压电路的触发电路完全可以套用整流移相触发电路，但是脉冲的输出必须通过脉冲变压器，其两个二次线圈之间要有足够的绝缘。,2.电感性负载 图616所示为电感性负载的交流调压电路。由于电感的作用，在电源电压由正向负过零时，负载中电流要滞后一定角度才能到零，即管子要继续导通到电源电压的负半周才能关断。负载阻抗角：j=arctan(wL/R)晶闸管的导通角不仅与控制角有关，而且与负载的功率因数角 有关。控制角越小则导通角越大，负载的功率因数角 越大，表明负载感抗大，自感电动势使电流过零的时间越长，因而导通角越大。,图616 单相交流调压电感负载电路图,下面分三种情况加以讨论。（1）由图616(b)可见，当 时，180，即正负半周电流断续，且越大，越小。可见，在 180范围内，交流电压连续可调。电流电压波形如图616(b)所示。,（2）=由图618可知，当=时，=180，即正负半周电流临界连续。相当于晶闸管失去控制，电流电压波形如图所示。,（3）180。如果触发脉冲为窄脉冲，当ug2出现时，VT1管的电流还未到零，VT1管关不断，VT2管不能导通。当VT1管电流到零关断时，ug2脉冲已消失，此时VT2管虽已受正压，但也无法导通。到第三个半波时，ug1 又触发VT1导通。这样负载电流只有正半波部分，出现很大直流分量，电路不能正常工作。因而电感性负载时，晶闸管不能用窄脉冲触发，可采用宽脉冲或脉冲列触发。,综上所述，单相交流调压有如下特点：电阻负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流一致。改变控制角可以连续改变负载电压有效值，达到交流调压的目的。电感性负载时，不能用窄脉冲触发。否则当时，会出现一个晶闸管无法导通，产生很大直流分量电流，烧毁熔断器或晶闸管。电感性负载时，最小控制角 min=(阻抗角)。所以的移相范围为180，电阻负载时移相范围为0180。,思考题：单相交流调压电路，负载阻抗角为30，问控制角的有效移相范围有多大？,电路功率因数低,单相交流调压电感负载波形图(a)(b)=(c),本节主要内容,四、斩控式交流调压电路(交流斩波调压电路)交流斩波调压原理交流斩波控制,四 斩控式交流调压电路,一、交流斩波调压原理如图所示，利用S1交流开关的斩波作用，在负载上获得可调的交流电压u。电压波形如图b所示。S2为续流器件，为负载提供续流回路。输出电压可表示为：u=Gu2=GU2msinwt其中当S1闭合，S2打开时G1 当S1打开，S2闭合时G0所以G的波形为一脉冲序列。,四 斩控式交流调压电路,一般采用全控型器件作为开关器件工作原理调压方式,工作原理,在交流电源u1的正半周,图4-7 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,四 斩控式交流调压电路,用V2进行斩波控制,用V4给负载电流提供续流通道,图4-7 斩控式交流调压电路,在交流电源u1的负半周,四 斩控式交流调压电路,工作原理,四 斩控式交流调压电路,调压方式 改变斩波器件的导通比设斩波器件（V1或V2）导通时间为ton，开关周期为T，则导通比a=ton/T，改变a 可调节输出电压改变斩波周期T改变脉冲宽度，比较容易实现,图6-11 斩控式交流调压电路及输出波形（阻性）,特性（电阻负载）,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。,图6-11 斩控式交流调压电路及输出波形（阻性）,四 斩控式交流调压电路,特性（阻感负载）负载电流滞后电压，波形如图：正半周：V1：斩波，V4：关断，V2、V3：导通；负半周：V2：斩波，V3：关断，V1、V4：导通；在0t1期间，负载电流i0，此时工作情况与直流斩波类似，V1斩波，V3续流。负半周工作情况类似，详细情况参见表6-4,斩波调压与相控调压对比相控调压输出电压谐波分量较大；相控调压控制角大时，功率因数低；相控调压电源侧电流谐波分量高；对于斩波控制，在一定的导通比下，斩波频率越高，感性负载的畸变越小，波形越接近正弦波，电路的功率因数也越高。但开关器件频率增加，损耗增加。,第四节 交-交变频电路,晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，属于直接变频电路。广泛用于大功率交流电动机调速传动系统。,1)电路构成和基本工作原理,图6-15 单相交交变频电路原理图和输出电压波形,4.1 单相交交变频器,电路构成如图6-15，由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同。变流器P和N都是相控整流电路。,工作原理P组工作时，负载电流io为正。N组工作时，io为负。两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。改变两组变流器的切换频率，就可改变输出电的频率wo。改变变流电路的控制角a，就可以改变交流输出电压的幅值。,4.1 单相交交变频器,图6-15 单相交交变频电路原理图和输出电压波形,为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对 a 角进行调制。,4.1 单相交交变频器,在半个周期内让P组 a 角按正弦规律从90减到0或某个值，再增加到90，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。另外半个周期可对N组进行同样的控制。uo由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。,2)整流与逆变工作状态,图6-16 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,4.1 单相交交变频器,阻感负载为例，也适用于交流电动机负载。把交交变频电路理想化，忽略变流电路换相时uo的脉动分量，就可把电路等效成图6-16a所示的正弦波交流电源和二极管的串联。,设负载阻抗角为j，则输出电流滞后输出电压j 角。两组变流电路采取无环流工作方式，即一组变流电路工作时，封锁另一组变流电路的触发脉冲。,图6-16 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,4.1 单相交交变频器,工作状态,图4-19 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,图6-16 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,4.1 单相交交变频器,t1t3期间：io正半周，正组工作，反组被封锁。t1 t2：uo和io均为正，正组整流，输出功率为正。t2 t3：uo反向，io仍为正，正组逆变，输出功率为负。,t3 t5期间：io负半周，反组工作，正组被封锁。t3 t4：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正。t4 t5：uo反向，io仍为负，反组逆变，输出功率为负。,图6-16 理想化交交变频电路的整流和逆变工作状态,4.1 单相交交变频器,小结：哪一组工作由io方向决定，与uo极性无关。工作在整流还是逆变，则根据uo方向与io方向是否相同确定。,当uo和io的相位差小于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为正，电动机工作在电动状态。当二者相位差大于90时，一周期内电网向负载提供能量的平均值为负，电网吸收能量，电动机为发电状态。考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，一周期可分为6段。,第1段 io 0，反组逆变,第2段 电流过零，为无环流死区,第3段 io 0，uo 0，正组整流,第4段 io 0，uo 0，正组逆变,第5段 又是无环流死区,第6段 io 0，uo 0，为反组整流,4.1 单相交交变频器,第五节 交流变频调速原理,1调速原理 同步电机和异步电机转速表达式：p：电机极对数f：定子电源频率s：转差率其中改变频率 f 的调速方式最为理想。,第五节 交流变频调速原理,2调速控制方式恒压频比控制(U/f)由电机学可知，为了使电机铁磁材料得到充分利用，一般都使其磁通保持在额定磁通状态。异步电机定子绕组感应电动势E 为：U：定子每相输入电压有效值f：定子频率(Hz)N：定子每相绕组匝数Kw：绕组系数：每极气隙磁通(Wb)为避免电动机因频率变化导致磁饱和而造成励磁电流增大，引起功率因数和效率的降低，需对变频器的电压和频率的比率进行控制，使该比率保持恒定，即恒压频比控制，以维持气隙磁通为额定值。VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)变压变频,变频器的优缺点,优点：交流电动机的调速节能，如风机、泵类负载，负荷低时降低转速缺点输出波形为高频脉冲信号，基波分量为正弦波，但高次谐波会对电动机造成不良影响 变频电机高次谐波会带来电磁干扰,本章小结,双向晶闸管交流调压电路交流调功电路单相交流调压电路带电阻性及电感性负载交流斩波电路原理,