第五章 交流调压电路与斩波电路

压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路1第五章交流调压电路与斩波电路•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。第一节单相交流调压电路•交流调压电路的目的：调节输出电压有效值。•用途：◆灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。◆异步电动机软起动。◆异步电动机调速。◆供用电系统对无功功率的连续调节。◆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。压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路2变频电路改变频率的电路交交变频直接交直交变频间接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在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节输出电压有效值的电路。交流调功电路通断控制以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断态周期数的比，调节输出功率平均值的电路。•基本方式：压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路3一、电阻性负载1.电路结构■把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以控制交流输出。压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路41)u1﹥0时：VT1受正压，当ωt＝α时，触发VT1使其导通，则负载上得到缺α角的正弦半波电压。2.工作原理Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt2)u1过零时：VT1中电流下降为零而关断。3)u1﹤0时：VT2受正压，当ωt＝π＋α时，触发VT2使其导通，则负载上又得到缺α角的正弦负半波电压。结论：改变α角的大小即可改变输出电压有效值的大小。压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路53.数量关系Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwtww2sin21dsin21121oUttUU☞负载电流有效值IoRUIoo☞晶闸管电流有效值IT)22sin1(21sin221121wwRUtdRtUIT☞功率因数cosφ2sin21cos1oo1ooUUIUIUSP☞负载电压有效值Uo与单相桥式整流电路电压有效值的区别？压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路6由上分析可知:输出电压与α的关系:移相范围为0≤a≤π。a=0时，输出电压为最大。Uo=U1,随a的增大，Uo降低，a=π时，Uo=0。cosφ与的关系:a=0时，功率因数cosφ=1，a增大，输入电流滞后于电压且畸变，cosφ降低。2sin21cos1oo1ooUUIUIUSP当a﹥0时功率因数小于1。物理意义：电压利用率小于等于1压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路7二、阻感性负载1.电路结构VT1■R-L负载是交流调压器最一般化的负载。压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路82.工作原理VT1☞VT1导通时的管压降对VT2来说是一个反压，因此VT2的导通只能等待VT1自然关断之后才能触发导通。☞导通角θ：VT1一旦触发导通,其导通时间显然与控制角a,L,R的大小—阻抗角有关。★☞VT1的导通角必然影响VT2的导通角，两者之间是否有冲突？为了解答上述问题，需要仔细分析VT1的导通角θ与L,R之间的关系几点说明：压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路9VT1☞当前VT1假设导通，则有0011sin2RidtdiLtUuw])sin()[sin(2tanwwtoetZUi解微分方程则有RLLRZtwwwarctan])([2122式中导通角阻抗角压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路10因为ωt＝α＋θ时，io＝0。将此条件代入式可求得导通角θ与控制角α、负载阻抗角φ之间的定量关系表达式为tan)sin()sin(e])sin()[sin(2tanwwtoetZUia与θ、φ的定量关系压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路11针对交流调压器，其导通角θ≤180°，根据上式可绘出θ＝f（α，φ）曲线，以φ为参变量，可将上式中和的关系用一簇曲线来表示。单相交流调压电路以φ为参变量时θ与α的关系tan)sin()sin(e③当a﹤φ时→sin(a+θ-φ)﹤0→a+θ-φ﹥π→θ﹥π→θ=π①当a=φ时，→sinθ=0→θ=π②当a﹥φ时，→sin(a+θ-φ)﹥0→(a-φ)+θ∈（0，π）→θ﹤π压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路12下面分别就α＞φ、α＝φ、α＜φ三种情况来讨论调压电路的工作情况。1)因为α＞φ时，导通角θ＜π,正负半波电流断续。α越大，θ越小，波形断续愈严重。2)当α＝φ时，导通角θ＝π。此时，每个晶闸管轮流导通180°，相当于两个晶闸管轮流被短接，负载电流处于连续状态，输出完整的正弦波。此时：VT1和VT2相当于开关，电路无交流调压作用压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路133)当α＜φ时，导通角θ＞π。电源接通后，在电源的正半周，若先触发VT1，若采用窄脉冲触发:若触发脉冲的宽度小于a+θ-(a+π)=θ-π时，当VT1的电流下降为零关断时，VT2的门极脉冲已经消失，VT2无法导通。到了下个周期，VT1又被触发导通重复上一周期的工作，结果形成单向半波整流现象，回路中出现很大的直流电流分量，无法维持电路的正常工作。0u＋wt0ug1wt0ug2wt0iowt失控VT1压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路14解决上述失控现象的办法是：采用宽脉冲或脉冲列触发，以保证VT1电流下降到零时，VT2管的触发脉冲信号还未消失，VT2可在VT1电流为零关断后接着导通。但VT2的初始触发控制角α2=α＋θ-π＞φ，即VT2的导通角θ＜180°。从第二周开始，由于VT2的关断时刻向后移，因此VT1的导通角逐渐减小，VT2的导通角逐渐增大，直到两个晶闸管的导通角θ＝180°时达到平衡。据上分析，当α﹤φ并采用宽脉冲触发时，负载电压、电流总是完整的正弦波，改变控制角α，负载电压、电流的有效值不变，电路失去交流调压作用。在感性负载时，要实现交流调压的目的，起动时必须α﹥φ所以α的移相范围为φ～180°。压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路15例1晶闸管反并联组成的单相交流调压器，电源电压有效值Uo＝2300V。（1）电阻负载时，阻值在1.15～2.3Ω之间变化，预期最大的输出功率为2300kW，计算晶闸管所承受的电压的最大值以及输出最大功率时晶闸管电流的平均值和有效值。（2）如果负载为感性负载，R＝2.3Ω，ωL＝2.3Ω，求控制角范围和最大输出电流的有效值。提示：（1）什么时候可能输出最大功率？预估一下两个阻值最大输出功率？（2）控制角的理论范围？压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路16解（1）①当R＝2.3Ω时，如果触发角α＝0，负载电ARUIoo10003.22300此时，最大输出功率，满足要求。流过晶闸管电流的有效值IV为kWRIPoo23003.2100022AIIoV500210002压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路17输出最大功率时，由于α＝0，θ＝180°，负载电流连续，所tUioowsin22此时晶闸管电流的平均值为ARUttdRUIoodt4503.21415.32300414.12)(sin2210ww压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路18②R＝1.15Ω时，由于电阻减小，如果调压电路向负载送出原先规定的最大功率保持不变，则此时负载电流的有效值计算如下：kWRIPoo23002由得AIo1414因为Io大于R＝2.3Ω时的电流，所以α＞0。AIIoV707214142压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路19③加在晶闸管上正、反向最大电压为电源电压的最大值，即。V325323002压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路20（2）电感性负载的功率因数角为43.23.2arctanarctanwRL最小控制角为4min故控制角的范围为π/4≤α≤π。最大电流发生在αmin=φ=π/4处，负载电流为正弦波，其有效值为ALRUIoo7073.23.22300)(2222w压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路21第三节斩波电路直流斩波电路：利用晶闸管和自关断器件实现通断控制，将直流电压断续加到负载上，通过控制通、断时间改变负载电压的平均值。也称为直流-直流变换器。直流斩波技术的应用：广泛应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不间断电源(UPS)、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及电动汽车的控制。可使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路22直流变换系统的结构压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路23降压式斩波电路的输出电压平均值低于输入直流电压EQ交替通断，在负载上就可得到方波电压。直流斩波器的基本工作原理EUOET=Ton+Toff最基本的降压式斩波电路如左图所示：Q：斩波开关，斩波电路中的关键功率器件，可用普通型晶闸管、可关断晶闸管GTO或者其它自关断器件来实现。0onTUEET占空比（导通比）压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路24斩波电路三种控制方式由上式可知：当占空比a从0变到１时，输出电压平均值从0变到E。占空比a的改变可通过改变ton或T来实现。可通过控制占空比控制输出电压。1)T不变，改变ton—脉冲宽度调制（PWM）2)ton不变，改变T—脉冲频率调制(PFM)3)ton和T都可调，改变占空比—混合调制压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路25①脉冲宽度调制(PWM)维持T不变，改变ton在这种方式中，输出电压波形的周期不变，仅改变脉冲宽度。有利于滤波器的设计ton1Tutton2Tut压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路26②脉冲频率调制(PFM)维持ton不变，改变T。改变T就改变了输出电压周期或频率。tonT1uttonT2ut2211DTtTtDonon压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路27③混合调制脉冲周期T与宽度ton均改变。广义的脉冲宽度调制技术包含上述三种控制方式ton1TSutton2TS2ut压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路28斩波电路的分类（按能量流转方向）：1)A型斩波器:单象限工作。电压、电流均不可逆，包括：降压斩波（Ⅰ）和升压斩波（Ⅱ）。2)B型斩波器:两象限工作。电压极性不变、电流可变。3)C型斩波器:四象限工作。电压、电流均可逆。降压斩波和升压斩波是最基础的两类斩波电路，均属于A型。A+A→B,B+B→C压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路29一、降压斩波电路（BuckChopper）1.电路结构☞使用一个全控型器件V，图中为IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。☞设置了续流二极管VD，在V关断时给负载中电感电流提供通道。☞主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。后两种情况下负载中均会出现反电动势。压力检测方法及仪表压力检测方法及仪表交流调压与斩波电路302.工作原理☞t=0时刻，驱动V导通：☞t=t1时，控制V关断：电源E向负载供电，uo=E，负载电流io按指数曲线上升。二极管VD续流，uo=0，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。状态1（电流连续）：电流连续时的波形压力检测方法及仪表