交流调压电路和直流斩波电路.ppt

3-1,第5章 交流调压电路和直流斩波电路,5.1 交流调压电路（单相、三相）5.2 其他交流电力控制电路 基本斩波电路 复合斩波电路和多相多重斩波电路 本章小结,3-2,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,交流电力控制电路,只改变电压,电流或控制电路的通断,而不改变频率的电路。,交流调压电路 相位控制(触发角)交流调功电路 通断控制（周期的通断）,交流调压电路,3-3,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。（低压大电流启动）3 异步电动机调速。4 供用电系统对无功功率的连续调节（补偿）。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。（与晶闸管的参数相关，减少管子个数、体积和成本）,5.1 交流调压电路,3-4,5.1 交流调压电路,基本原理 采用两个晶闸管反并联后（或采用双向晶闸管）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。(固态开关),电路图,3-5,5.1.1 单相交流调压电路5.1.2 三相交流调压电路,5.1 交流调压电路,3-6,5.1.1 单相交流调压电路,1)电阻负载,图4-1 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。,3-7,若晶闸管全导通，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。负载阻抗角：j=arctan(wL/R),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4-2 电阻负载单相交流调压电路及其波形,导通时利用初始条件得到：,VT1,5.1.1 单相交流调压电路,3-8,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,利用结束条件wt=a+时刻，i0=0,可求得：（57）,当 a=j 时=可见此时j也就是让晶闸管导通角度的触发角。当 a j 时（图5-2）,以j 为参变量，利用（57)可把a 和 的关系表示成右图。,5.1.1 单相交流调压电路,3-9,图5-4 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，若VT2的触发脉冲消失，VT2永远不会导通。（因而需要宽脉冲触发）若VT2的触发脉冲继续存在，VT2才可开通，VT2导通角小于。VT2导通后，反向也续流，衰减过程（公式5-6也可以看出）中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长。,5.1.1 单相交流调压电路,3-10,图5-6 单相交流调压电路a为参变量时I VTN和a关系曲线,负载电流有效值(5-13)IVT的标么（基准电流为a=0时的有效值）值(5-14)电流基波和各次谐波标么值随 a变化的曲线如图5-6所示。,5.1.1 单相交流调压电路,3-11,3)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。(5-17)基波和各次谐波有效值 负载电流基波和各次谐波有效值(4-14),图5-7 电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量,5.1.1 单相交流调压电路,3-12,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,5.1.1 单相交流调压电路,3-13,4)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,5.1.1 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,3-14,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,5.1.1 单相交流调压电路,3-15,特性,图5-7b 电阻负载斩控式交流调压电路波形,5.1.1 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。,3-16,5.1.2 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,3-17,三线四相 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4-9 三相交流调压电路a)星形联结,5.1.2 三相交流调压电路,3-18,三相三线，主要分析阻负载时的情况,图4-9 三相交流调压电路a)星形联结,5.1.2 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。,3-19,图2-19 三相桥式全控整流电路带电阻负载a=30 时的波形,3-20,(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4-10 不同a角时负载相电压波形a)a=30,5.1.2 三相交流调压电路,3-21,图4-10 不同a角时负载相电压波形b)a=60,5.1.2 三相交流调压电路,3-22,(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4-10 不同a角时负载相电压波形 c)a=120,5.1.2 三相交流调压电路,3-23,谐波情况,5.1.2 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。,3-24,2）支路控制三角联结电路,图49三相交流调压电路,c)支路控制三角形联结,5.1.2 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。,3-25,谐波情况,c)支路控制三角形联结,图49三相交流调压电路,5.1.2 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。,3-26,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4-11 晶闸管控制电抗器(TCR)电路,5.1.2 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。,3-27,图4-11 晶闸管控制电抗器(TCR)电路,5.1.2 三相交流调压电路,3-28,仿真波形 仿真工具为PECS 2.0,5.1.2 三相交流调压电路,图4-12 TCR电路负载相电流和输入线电流波形 a)=120 b)=135 c)=160,a）,b）,c）,3-29,5.2 其他交流电力控制电路,交流调功电路 交流电力电子开关,3-30,交流调功电路（新）,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,再断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。,3-31,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,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。,3-32,谐波情况,0,12,14,谐波次数,相对于电源频率的倍数,图4-14交流调功电路的电流频谱图(M=3、N=2),2,4,6,10,8,0.6,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,0,5,1,2,3,4,I,n,/,I,0m,交流调功电路,图4-14的频谱图（以控制周期为基准）。In为n次谐波有效值，Io为导通时电路电流幅值。以电源周期为基准，电流中不含整数倍频率的谐波，但含有非整数倍频率的谐波。而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。,3-33,交流电力电子开关,概念 把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用。,优点 响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断。,与交流调功电路的区别,并不控制电路的平均输出功率。通常没有明确的控制周期，只是根据需要控制电路的接通和断开。控制频度通常比交流调功电路低得多。,3-34,晶闸管投切电容（Thyristor SwitchedCapacitorTSC）,图4-15 TSC基本原理图a)基本单元单相简图 b)分组投切单相简图,交流电力电子开关,作用对无功功率控制，可提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量。性能优于机械开关投切的电容器。结构和原理晶闸管反并联后串入交流电路。实际常用三相，可三角形联结，也可星形联结。,3-35,晶闸管投切电容选择晶闸管投入时刻的原则：该时刻交流电源电压和电容器预充电电压相等，这样电容器电压不会产生跃变，就不会产生冲击电流。理想情况下，希望电容器预充电电压为电源电压峰值，这时电源电压的变化率为零，电容投入过程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化。,图4-16 TSC理想投切时刻原理说明,交流电力电子开关,3-36,TSC电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式,交流电力电子开关,由于二极管的作用，在电路不导通时uC总会维持在电源电压峰值。成本稍低，但响应速度稍慢，投切电容器的最大时间滞后为一个周波。,图4-16 TSC理想投切时刻原理说明,3-37,前二节的要点如下：,(1)交流交流变流电路的分类及其基本概念；(2)单相交流调压电路的电路构成，在电阻负载和阻感负载时的工作原理和电路特性；(3)三相交流调压电路的基本构成和基本工作原理；(4)交流调功电路和交流电力电子开关的基本概念；,3-38,5.3 直流斩波电路引言,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。,电路分类方法1：A型斩波器：单象限运行（电流、电压坐标系）B型斩波器：双象限运行C型斩波器：四象限运行,3-39,5.3 直流斩波电路引言,电路分类方法2：（更基本、广泛）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。,3-40,基本斩波电路,.1 降压斩波电路.2 升压斩波电路5.3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路5.3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,3-41,.1 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。（有滤波难的问题）ton和T都可调，改变占空比混合型。,此种方式应用最多,3-42,.1 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),3-43,5.3.1.1 降压斩波电路,工作原理,图3-1 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。,3-44,.1 降压斩波电路,数量关系,电流连续,负载电压平均值：,（3-1）,（3-2）,tonV通的时间 toffV断的时间 a-导通占空比,电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。,负载电流平均值：,3-45,.1 降压斩波电路,工作过程的理论分析：第2章介绍过：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,3-46,.1 降压斩波电路,同样可以从能量传递关系出发进行的推导,由于L为无穷大，故负载电流维持为Io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。,3-47,.1 降压斩波电路,负载电流断续的情况：,I10=0，且t=tx时，i2=0,（3-16）,电流断续的条件：,（3-17）,3-48,.2 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,3-49,.2 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。,图3-2 升压斩波电路及工组波形,a)电路图,b)波形,3-50,.2 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：,（3-21）,（3-20）,化简得：,T/toff1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。,3-51,.2 升压斩波电路,电压升高得原因：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：。（3-24）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：,(3-25),电源电流的平均值Io为：,(3-26),3-52,.2 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,图3-3 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。,3-53,.2 升压斩波电路,数量关系,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。,3-54,.2 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，令式（3-31）中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,图3-3 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,3-55,5.3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,升降压斩波电路(buck-boost Chopper),电路结构,3-56,5.3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,基本工作原理,a),图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形,V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。动态演示。,3-57,.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,数量关系,稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即,（3-39）,V处于通态uL=E,V处于断态uL=-uo,3-58,.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,图3-4b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：,（3-42）,由上式得：,（3-43）,结论,当0a 1/2时为降压，当1/2a 1时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost 变换器。,其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。,（3-44）,3-59,.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,2)Cuk斩波电路,V通时，EL1V回路和RL2CV回路有电流。V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。,图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图 b）等效电路,3-60,.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,同理：,数量关系,（3-45）,（3-46）,（3-48）,优点（与升降压斩波电路相比）：输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很 小，有利于对输入、输出进行滤波。,3-61,b)Zeta斩波电路,.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,a)Sepic斩波电路,图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,电路结构,Speic电路原理V通态，EL1V回路和C1VL2回路同时导电，L1和L2贮能。V断态，EL1C1VD负载回路及L2VD负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）。输入输出关系：,（3-49）,3-62,.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,Zeta斩波电路原理,V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。V关断后，L1VDC1构成振荡回路，L1的能量转移至C1，能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。输入输出关系：,图3-6 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路,（3-50）,相同的输入输出关系。Sepic电路的电源电流和负载电流均连续，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。两种电路输出电压为正极性的。,b)Zeta斩波电路,3-63,复合斩波电路和多相多重斩波电路,.1 电流可逆斩波电路.2 桥式可逆斩波电路.3 多相多重斩波电路,3-64,.1 电流可逆斩波电路,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,3-65,.1 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（三种工作方式),第3种工作方式：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。电路响应很快。,图3-7 电流可逆斩波电路及波形,3-66,.2 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。,图3-8 桥式可逆斩波电路,使V4保持通时，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。,3-67,.3 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,3-68,.3 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。,图3-9 3相3重斩波电路及其波形,3-69,.3 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。,3-70,本章小结,本章介绍了6种基本斩波电路、2种复合斩波电路及多相多重斩波电路。本章的重点是，理解降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理，掌握这两种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则是斩波电路应用的新领域，前者的应用在逐渐萎缩，而后者的应用是电力电子领域的一大热点。,