交流-交流變換電路

1、實(shí)驗(yàn)三：交流-交流變換電路（一） 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）掌握交流調(diào)壓電路的工作特性；（2）掌握諧波分析方法。（二）實(shí)驗(yàn)原理（1）單相交流調(diào)壓電路原理 圖1.主電路 圖2.工作波形圖（工況）單相交流調(diào)壓電路帶組感性負(fù)載時(shí)的電路以及工作波形如上圖所示。由于阻感性負(fù)載時(shí)電流滯后電壓一定角度，再加上移相控制所產(chǎn)生的滯后，使得交流調(diào)壓電路在阻感性負(fù)載時(shí)的情況比較復(fù)雜，其輸出電壓，電流與觸發(fā)角，負(fù)載阻抗角都有關(guān)系。當(dāng)兩只反并聯(lián)的晶閘管中的任何一個(gè)導(dǎo)通后，其通態(tài)壓降就成為另一只的反向電壓，因此只有當(dāng)導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷以后，另一只晶閘管才有可能承受正向電壓被觸發(fā)導(dǎo)通。由于感性負(fù)載本身滯后于電壓一定角度，再加上相位控制產(chǎn)

2、生的滯后，使得交流調(diào)壓電路在感性負(fù)載下的工作情況更為復(fù)雜，其輸出電壓、電流波形與控制角、負(fù)載阻抗角都有關(guān)系。其中負(fù)載阻抗角,相當(dāng)于在電阻電感負(fù)載上加上純正弦交流電壓時(shí)，其電流滯后于電壓的角度為。為了更好的分析單相交流調(diào)壓電路在感性負(fù)載下的工作情況，此處分三種工況分別進(jìn)行討論。情況：上圖所示為單相反并聯(lián)交流調(diào)壓電路帶感性負(fù)載時(shí)的電路圖，以及在控制角觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)的輸出波形圖，同電阻負(fù)載一樣，在的正半周角時(shí)，觸發(fā)導(dǎo)通，輸出電壓等于電源電壓，電流波形從0開(kāi)始上升。由于是感性負(fù)載，電流滯后于電壓，當(dāng)電壓達(dá)到過(guò)零點(diǎn)時(shí)電流不為0，之后繼續(xù)下降，輸出電壓出現(xiàn)負(fù)值，直到電流下降到0時(shí)，自然關(guān)斷，輸出電壓等于0，正

3、半周結(jié)束，期間電流從0開(kāi)始上升到再次下降到0這段區(qū)間稱為導(dǎo)通角。由后面的分析可知，在工況下，因此在脈沖到來(lái)之前已關(guān)斷，正負(fù)電流不連續(xù)。在電源的負(fù)半周導(dǎo)通，工作原理與正半周相同。 為了分析負(fù)載電流的表達(dá)式及導(dǎo)通角與、之間的關(guān)系，假設(shè)電壓坐標(biāo)原點(diǎn)如圖所示，在時(shí)刻晶閘管T導(dǎo)通，負(fù)載電流i應(yīng)滿足方程L=sin 其初始條件為i|=0，解該方程，可以得出負(fù)載電流i在區(qū)間內(nèi)的表達(dá)式為i=當(dāng)=時(shí)，i=0，代入上式得，可求出與、之間的關(guān)系為sin（-）=sin（-）e利用上式，可以把與、之間的關(guān)系用下圖的一簇曲線來(lái)表示。圖3.與、之間的關(guān)系曲線圖中以為參變量，當(dāng)=0時(shí)代表電阻性負(fù)載，此時(shí)=180-；若為某一特定

4、角度，則當(dāng)時(shí)，=180，當(dāng)>時(shí)，隨著的增加而減小。上述電路在控制角為時(shí)，交流輸出電壓有效值U、負(fù)載電流有效值I、晶閘管電流有效值I分別為U=UI=2I I= I式中，I為當(dāng)=0時(shí)，負(fù)載電流的最大有效值，其值為I=為晶閘管有效值的標(biāo)玄值，其值為=由上式可以看出，是及的函數(shù)下圖給出了以負(fù)載阻抗角為參變量時(shí)，晶閘管電流標(biāo)幺值與控制角的關(guān)系曲線。 圖4.晶閘管電流標(biāo)幺值與控制角的關(guān)系曲線=情況：當(dāng)控制角=時(shí)，負(fù)載電流i0的表達(dá)式中的第二項(xiàng)為零，相當(dāng)于滯后電源電壓角的純正弦電流，此時(shí)導(dǎo)通角=180，即當(dāng)正半周晶閘管T1關(guān)斷時(shí)，T2恰好觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載電流i0連續(xù)，該工況下兩個(gè)晶閘管相當(dāng)于兩個(gè)二極管，

5、或輸入輸出直接相連，輸出電壓及電流連續(xù)，無(wú)調(diào)壓作用。情況:在工況下，阻抗角相對(duì)較大，相當(dāng)于負(fù)載的電感作用較強(qiáng)，使得負(fù)載電流嚴(yán)重滯后于電壓，晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)，此時(shí)公式仍然適用，由于，公式右端小于0，只有當(dāng)時(shí)左端才能小于0，因此，如圖所示，如果用窄脈沖觸發(fā)晶閘管，在時(shí)刻被觸發(fā)導(dǎo)通，由于其導(dǎo)通角大于180，在負(fù)半周時(shí)刻為發(fā)出出發(fā)脈沖時(shí)，還未關(guān)斷，因受反壓不能導(dǎo)通,繼續(xù)導(dǎo)通直到在時(shí)刻因電流過(guò)零關(guān)斷時(shí)，的窄脈沖已撤除，仍然不能導(dǎo)通，直到下一周期再次被觸發(fā)導(dǎo)通。這樣就形成只有一個(gè)晶閘管反復(fù)通斷的不正常情況，始終為單一方向，在電路中產(chǎn)生較大的直流分量；因此為了避免這種情況發(fā)生，應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)方

6、式。（2）斬控式交流調(diào)壓電路原理 圖5. 斬控式交流調(diào)壓電路原理圖 圖6.交流斬波調(diào)壓輸出波形斬波控制方式時(shí)，晶閘管要帶有強(qiáng)迫關(guān)斷電路或采用IGBT、MOSFET等可自關(guān)斷器件，在每個(gè)電壓周波中，開(kāi)關(guān)元件多次通斷，使電壓斬波成多個(gè)脈沖，改變導(dǎo)通比即可實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。斬控式交流調(diào)壓電路的原理圖如圖5所示，一般采用全控型器件作為開(kāi)關(guān)器件。其基本原理和直流斬波電路有類似之處，只是直流斬波電路的輸入是直流電壓，而斬控式交流調(diào)壓電路的輸入是正弦交流電壓。在交流電源u1的正半周，用V1進(jìn)行斬波控制，用V3給負(fù)載電流提供續(xù)流通道；在u1的負(fù)半周，用V2進(jìn)行斬波控制，用V4給負(fù)載電流提供續(xù)流通道。斬控式交

7、流調(diào)壓就是通過(guò)改變對(duì)晶閘管的導(dǎo)通的控制，可以是保持開(kāi)關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間Ton,這種方式稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM調(diào)制），也可以是開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間Ton不變，改變開(kāi)關(guān)周期T，稱為頻率調(diào)制，還有一種混合型，就是Ton，和T都可調(diào)。實(shí)驗(yàn)室提供的是PWM調(diào)制，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間，即調(diào)節(jié)占空比，就可以對(duì)輸出電壓的平均值進(jìn)行調(diào)節(jié)。 圖6給出了電阻負(fù)載時(shí)斬控式交流調(diào)壓電路的波形。可以看出，電源電流i1的基波分量和電源電壓u1同相位，即位移因數(shù)為1。另外，通過(guò)傅里葉分析可知，電源電流中不含低次諧波，只含和開(kāi)關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波。這些高次諧波用很小的濾波器即可濾除。這個(gè)電路的功率因數(shù)接近1。（三）實(shí)

8、驗(yàn)內(nèi)容在MATLAB/Simulink中分別構(gòu)建晶閘管單相交流調(diào)壓電路和斬控式單相交流調(diào)壓電路，測(cè)試交流調(diào)壓性能，并在輸入輸出電壓相同的情況下，比較兩個(gè)電路的諧波分析結(jié)果。（一） 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析1仿真系統(tǒng)MATLAB平臺(tái)2仿真參數(shù)（1）電相交流調(diào)壓電路交流電源E=220V，f=50Hz；觸發(fā)脈沖T=0.02s，D=5%；電阻R=100，電感L=0.1H（2）斬控式交流調(diào)壓電路交流電源E=100V，f=50Hz；電阻R=100，電感電感L=1uH或0.1uH3仿真波形與分析（1）單相交流調(diào)壓電路：電路模型如下：圖7.單相交流調(diào)壓電路仿真模型觸發(fā)角=300時(shí)的波形圖和諧波分析：圖8. =300

9、時(shí)的波形圖圖9.=300時(shí)的諧波分析觸發(fā)角=600時(shí)的波形圖和諧波分析：圖10.=600時(shí)的波形圖圖11.=600時(shí)的諧波分析觸發(fā)角=900時(shí)的波形圖和諧波分析：圖12. =900時(shí)的波形圖圖13.=900時(shí)的諧波分析波形分析：以上各圖分別為觸發(fā)角為30°,60°,90°時(shí)所得的仿真波波形和諧波分析，波形圖中第一個(gè)波形為觸發(fā)脈沖的波形，第二個(gè)波形為負(fù)載電流的波形，第三個(gè)波形為負(fù)載電壓的波形。單相交流調(diào)壓電路帶組感性負(fù)載時(shí)，隨著觸發(fā)角的增大，負(fù)載兩端電流和電壓波形的占空比逐漸減小。由于電感的影響電流波形和電壓波形不再保持一致，這是因?yàn)殡姼械膬?chǔ)能作用。當(dāng)觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)

10、，正向晶閘管導(dǎo)通，電壓發(fā)生跳變，由于電感的作用，電流只能從零開(kāi)始變化，同時(shí)電感開(kāi)始儲(chǔ)能。當(dāng)電源電壓變?yōu)樨?fù)時(shí)正向晶閘管并不能關(guān)斷，直到電感中的儲(chǔ)能釋放完，這就是負(fù)載兩端電壓和電流波形不一致的原因。由此可以看出電感是一種儲(chǔ)能元件，其兩端的電流不能突變但電壓可以。且當(dāng)觸發(fā)角逐漸增大時(shí)，諧波的總含有量THD也變大。（2）斬控式交流調(diào)壓電路電路模型如下：圖14.斬控式交流調(diào)壓電路仿真模型觸發(fā)脈沖波形：圖15.V1、V3觸發(fā)脈沖 圖16.V2、V4觸發(fā)脈沖IGBT上下兩觸發(fā)脈沖的波形相差1800，從而恰好使正弦波的正半周和負(fù)半周交替形成邊緣為正弦波的斬波。L=1uH時(shí)的仿真波形和諧波分析：圖17.L=1uH時(shí)的仿真波形圖18. L=1uH時(shí)的諧波分析L=0.1uH時(shí)的仿真波形和諧波分析：圖19.L=0.1uH時(shí)的仿真波形圖20. L=0.1uH時(shí)的諧波分析波形分析：仿真波形為邊緣為正弦波的斬波，波形一定的振蕩，方波底端略微傾斜。減小電感的值，波形變得更為平滑。交流斬波的波形諧波含