電力電子技術(shù)5

1、1電力電子變流技術(shù)電力電子變流技術(shù)第第 二十三二十三 講講主講教師：隋振學(xué)時(shí)：主講教師：隋振學(xué)時(shí)：322 5.3 斬波電路3 原理原理 兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可控制交流電力。4 應(yīng)用應(yīng)用 1 燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制)。 2 異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)。 3 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。 4 供用電系統(tǒng)對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。 5 在高壓小電流或低壓大電流直流電源中， 用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。5Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt 1) 電阻負(fù)載圖5-1 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形 輸出電壓與輸出電壓與 的關(guān)系的關(guān)系: : 移相范圍為0 a 。 a =0時(shí)，輸出

2、電壓為最大 。 Uo=U1, 隨 a 的增大，Uo降低， a =時(shí)， Uo =0。與與 a 的關(guān)系的關(guān)系: : a =0時(shí)，功率因數(shù) =1，a 增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，降低。6 若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為j ，當(dāng)用晶閘管控制時(shí)，只能進(jìn)行滯后控制，使負(fù)載電流更為滯后。 a =0時(shí)刻仍定為u1過零的時(shí)刻，a 的移相范圍應(yīng)為j a 。 1) 阻感負(fù)載 0.6Ou1 u1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1 G1uG2OOwtwt圖5-2 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形 負(fù)載阻抗角： j = arctan(wL / R)VT17q 020100601

3、401802010060/( )180140a /( )j = 9075604530150圖5-3 單相交流調(diào)壓電路以a為參變量的和a關(guān)系曲線 wt = t = a 時(shí)刻開通晶閘管VT1，可求得 jqjajqatg)sin()sin(e當(dāng) a = j 時(shí) = 當(dāng) a j 時(shí) 以j 為參變量把a(bǔ) 和 的關(guān)系表示成右圖。8電力電子變流技術(shù)電力電子變流技術(shù)第第 二十四二十四 講講主講教師：隋振學(xué)時(shí)：主講教師：隋振學(xué)時(shí)：329圖5-4 單相交流調(diào)壓電路a為參變量時(shí)I VTN和a關(guān)系曲線j = 900.40.516018004012080 75 6045j = 0a /( )IVTN負(fù)

4、載電流有效值IVT的標(biāo)么值12UZIIVTVTNVTII2010圖5-5 aj時(shí)阻感負(fù)載交流調(diào)壓電路工作波形wtwtwtwt圖4-5aaaqOOOOu1iG1iG2iojiT1iT2當(dāng)阻感負(fù)載, a j 時(shí)電路工作情況。圖5-2 阻感負(fù)載單相交流調(diào)壓電路VT1的導(dǎo)通時(shí)間超過 。觸發(fā)VT2時(shí)， io尚未過零， VT1仍導(dǎo)通， VT2不會導(dǎo)通。io過零后，VT2才可開通，VT2導(dǎo)通角小于。衰減過程中， VT1導(dǎo)通時(shí)間漸短， VT2的導(dǎo)通時(shí)間漸長。113) 單相交流調(diào)壓電路的諧波分析電阻負(fù)載由于波形正負(fù)半波對稱，所以不含直流分量和偶次諧波。 基波和各次諧波有效值 負(fù)載電流基波和各次諧波有效值 電流基

5、波和各次諧波標(biāo)么值隨 a變化的曲線（基準(zhǔn)電流為a =0時(shí)的有效值）如圖5-6所示。,5,3, 1o)sincos()(nnntnbtnatuwww22on21nnbaURUI/onon060120180圖4-6基波3次5次7次觸發(fā)延遲角a/( )In/I*/%20406080100圖5-6 電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量12電流諧波次數(shù)和電阻負(fù)載時(shí)相同，也只含3、5、7等次諧波。隨著次數(shù)的增加，諧波含量減少。和電阻負(fù)載時(shí)相比，阻感負(fù)載時(shí)的諧波電流含量少一些。當(dāng)a 角相同時(shí)，隨著阻抗角j 的增大，諧波含量有所減少。阻感負(fù)載13 4) 斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源u1的正半周RL圖4-

6、7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3圖5-7 斬控式交流調(diào)壓電路用V1進(jìn)行斬波控制用V3給負(fù)載電流提供續(xù)流通道14RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3用V2進(jìn)行斬波控制用V4給負(fù)載電流提供續(xù)流通道圖5-7 斬控式交流調(diào)壓電路 4) 斬控式交流調(diào)壓電路在交流電源u1的負(fù)半周15 特性特性圖5-8 電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形電源電流的基波分量和電源電壓同相位，即位移因數(shù)為1。電源電流不含低次諧波，只含和開關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波。功率因數(shù)接近1。16 根據(jù)三相聯(lián)結(jié)形式的不同，三相交流調(diào)壓電路具有多種形式圖5-9 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié)b) 線

7、路控制三角形聯(lián)結(jié)c) 支路控制三角形聯(lián)結(jié)d) 中點(diǎn)控制三角形聯(lián)結(jié)17三線四相 基本原理：相當(dāng)于三個(gè)單相交流調(diào)壓電路的組合，三相互相錯(cuò)開120工作。基波和3倍次以外的諧波在三相之間流動(dòng)，不流過零線。問題：三相中3倍次諧波同相位，全部流過零線。零線有很大3倍次諧波電流。 a =90時(shí)，零線電流甚至和各相電流的有效值接近。1) 星形聯(lián)結(jié)電路 可分為三線三相和三線四相可分為三線三相和三線四相圖5-9 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié)18三相三線，主要分析阻負(fù)載時(shí)的情況圖5-9 三相交流調(diào)壓電路a) 星形聯(lián)結(jié)任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路。電流通路中至少有兩個(gè)晶閘管，應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗} 沖觸發(fā)。觸發(fā)脈沖順序

8、和三相橋式全控整流電路一樣，為VT1 VT6,依次相差60。相電壓過零點(diǎn)定為a 的起點(diǎn)， a角移相范圍是0 150。19l (1)0 a 60：三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180a 。但a =0時(shí)一直是三管導(dǎo)通。圖5-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形a) a =302060 a 90：兩管導(dǎo) 通，每管導(dǎo)通120。(2)圖5-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形b) a =6021l (3)90 a 150：兩管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通交替，導(dǎo)通角度為3002 a。圖5-10 不同a角時(shí)負(fù)載相電壓波形 c) a =12022諧波情況電流諧波次數(shù)為6k1(k=1，2，3，)，和三相橋式全控整流電路交流側(cè)電流

9、所含諧波的次數(shù)完全相同。諧波次數(shù)越低，含量越大。和單相交流調(diào)壓電路相比，沒有3倍次諧波，因三相對稱時(shí)，它們不能流過三相三線電路。23 2） 支路控制三角聯(lián)結(jié)電路 圖59三相交流調(diào)壓電路c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)由三個(gè)單相交流調(diào)壓電路由三個(gè)單相交流調(diào)壓電路組成，分別在不同的線電組成，分別在不同的線電壓作用下工作壓作用下工作。單相交流調(diào)壓電路的分析方法和結(jié)論完全適用。輸入線電流（即電源電流）為與該線相連的兩個(gè)負(fù)載相電流之和。24 諧波情況諧波情況c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)圖59三相交流調(diào)壓電路 3倍次諧波相位和大小相同，在三角形回路中流動(dòng)，而不出現(xiàn)在線電流中。 線電流中所諧波次數(shù)為6k1(k為正整數(shù))。

10、在相同負(fù)載和a 角時(shí)，線電流中諧波含量少于三相三線星形電路。25典型用例晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled ReactorTCR） 配以固定電容器，就可在從容性到感性的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率，稱為靜止無功補(bǔ)償裝置( (Static Var CampensatorSVC），用來對無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以補(bǔ)償電壓波動(dòng)或閃變。圖5-11 晶閘管控制電抗器(TCR)電路a 移相范圍為90 180。控制a 角可連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器的電流，從而調(diào)節(jié)無功功率。26圖5-11 晶閘管控制電抗器(TCR)電路a)b)c)圖5-12 TCR電路負(fù)載相電流和輸入線電流波形 a) =120 b)

11、 =135 c) =160 27直流斬波電路（DC Chopper）將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。也稱為直流-直流變換器（DC/DC Converter）。一般指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，不包括直流交流直流?電路種類6種基本斬波電路：降壓斬波電路降壓斬波電路、升壓斬波電路升壓斬波電路、 升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。復(fù)合斬波電路不同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。多相多重?cái)夭娐废嗤Y(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。28 電路結(jié)構(gòu) 全控型器件 若為晶閘管，須有輔助關(guān)斷電路。續(xù)流二極管負(fù)載出現(xiàn)的反電動(dòng)勢典型用途之一是拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載。 降壓斬波

12、電路降壓斬波電路（Buck Chopper)29電力電子變流技術(shù)電力電子變流技術(shù)第第 二十五二十五 講講主講教師：隋振學(xué)時(shí)：主講教師：隋振學(xué)時(shí)：3230工作原理工作原理c) 電流斷續(xù)時(shí)的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)電流連續(xù)時(shí)的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 電路圖圖5-21 降壓斬波電路得原理圖及波形t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。t=t1時(shí)控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲

13、線下降。通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。動(dòng)畫演示。31數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系電流連續(xù)輸出電壓平均值：EETtEtttUaonoffononoREUIMootonV通的時(shí)間通的時(shí)間 toffV斷的時(shí)間斷的時(shí)間 a a-導(dǎo)通占空比導(dǎo)通占空比（a a1) 電流斷續(xù)，Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn)。 負(fù)載電流平均值：32斬波電路三種控制方式T不變，變ton 脈沖寬度調(diào)制（PWM）。ton不變，變T 頻率調(diào)制。ton和T都可調(diào)混合型。此種方式應(yīng)用最多電力電子電路的實(shí)質(zhì)上是分時(shí)段線性電路的思想。基于“分段線性”的思想，對降壓斬波電路進(jìn)行解析。分V處于通態(tài)和處于斷態(tài)初始條件分電流連續(xù)和斷續(xù)33TIETRIo

14、M2o同樣可以從能量傳遞關(guān)系出發(fā)進(jìn)行的推導(dǎo) 假定L為無窮大，負(fù)載電流Io維持不變 電源只在V處于通態(tài)時(shí)提供能量，為 在整個(gè)周期T中，負(fù)載消耗的能量為onotEI輸出功率等于輸入功率，可將降壓斬波器看作直流降壓變壓器。一周期中，忽略損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等。TIETRItEIoMoono2REEIMoaooon1IITtIaooo1IUEIEIaI1為電源電流平均值34 負(fù)載電流斷續(xù)的情況負(fù)載電流斷續(xù)的情況（L值較小時(shí)） I10=0，且t=tx時(shí)，i2=0式（3-7）式（3-6）memta)1 (1lnxtx1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓升壓斬波電路。升壓比；升壓比的倒數(shù)記

15、作b ，即。 b和a的關(guān)系：因此，式（3-21）可表示為 off/tT1baEEUab111oTtoffb38電壓升高的原因：電感L儲能使電壓泵升的作用 電容C可將輸出電壓保持住如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負(fù)載R消耗，即 ： 。 與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器。oo1IUEI 輸出電流的平均值Io為：RERUIb1oo電源電流的平均值I1為：REIEUI2oo11b392) 升壓斬波電路典型應(yīng)用一是用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)二是用作單相功率因數(shù)校正（PFC）電路三是用于其他交直流電源中ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoi

16、oi1i2t1t2txtontoffI20uo用于直流電動(dòng)機(jī)回饋能量的升壓斬波電路及其波形 a） 電路圖 b） 電流連續(xù)時(shí) c） 電流斷續(xù)時(shí)用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)再生制動(dòng)時(shí)把電能回饋給直流電源。電動(dòng)機(jī)電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。直流電源的電壓基本是恒定的，不必并聯(lián)電容器。動(dòng)畫演示。40數(shù)量關(guān)系當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)，設(shè)電動(dòng)機(jī)電樞電流為i2，得下式：EERitiLM22dd當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，考慮到初始條件，近似L無窮大時(shí)電樞電流的平均值Io，即REEREmIobbM該式表明，以電動(dòng)機(jī)一側(cè)為基準(zhǔn)看，可將直流電源電壓看作是被降低到了 。Eb當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)，設(shè)電動(dòng)機(jī)電樞電流為i1，得下式：M11ddERitiL式

17、中R為電機(jī)電樞電阻與線路電阻之和。41如圖3-3c，當(dāng)電樞電流斷續(xù)時(shí)：當(dāng)t=0時(shí)刻i1=I10=0，即可求出I20，進(jìn)而可寫出 i2的表達(dá)式。另外，當(dāng)t=t2時(shí)，i2=0，可求得i2持續(xù)的時(shí)間tx，即用于直流電動(dòng)機(jī)回饋能量的升壓斬波電路及其波形mmett11lnonxbeem11-電流斷續(xù)的條件txt0fftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI2042復(fù)合斬波電路降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)成 多相多重?cái)夭娐废嗤Y(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)成 斬波電路用于拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，常要使電動(dòng)機(jī)既可電動(dòng)運(yùn)行，又可再生制動(dòng)。降壓斬波電路能使電動(dòng)機(jī)工作于第1象限。升壓斬波電路能使電動(dòng)

18、機(jī)工作于第2象限。電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合。此電路電動(dòng)機(jī)的電樞電流可正可負(fù)，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第1象限和第2象限。電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路43ttb)uoioiV1iD1iV2iD2電路結(jié)構(gòu)a) 電路圖V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)運(yùn)行，工作于第1象限。V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，電動(dòng)機(jī)作再生制動(dòng)運(yùn)行，工作于第2象限。必須防止V1和V2同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路。工作過程一個(gè)周期內(nèi)交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。當(dāng)一種斬波電路電流斷續(xù)而為零時(shí)，使另一個(gè)斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動(dòng)機(jī)電樞回路總有電流流過，電流連續(xù)。電路響應(yīng)很快。 電流可逆斬波電路及波形44橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路兩個(gè)電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動(dòng)機(jī)提供正向和反向電壓。 橋式可逆斬波電路 使V4保持通態(tài)時(shí)，等效為圖3-7a所示的電流可逆斬波電路，提供正電壓，可使電動(dòng)機(jī)工作于第1、2象限。使V2保持通態(tài)時(shí)，V3、VD3和V4、VD4等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動(dòng)機(jī)提供負(fù)電壓，可使電動(dòng)機(jī)工作于第3、4象限 。45基本概念多相多重?cái)夭娐吩陔娫春拓?fù)載之間接入多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路而構(gòu)成相數(shù)一個(gè)控制周期中電源側(cè)的電流脈波數(shù)重?cái)?shù)負(fù)載電流脈波數(shù)4