自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本部件

自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本部件第1頁/共152頁2.1常用的檢測(cè)元件2.1.1溫度檢測(cè)元件2.1.2線位移檢測(cè)元件2.1.3角位移檢測(cè)元件2.1.4轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件第2頁/共152頁2.1常用的檢測(cè)元件所謂檢測(cè)元件，簡(jiǎn)單地說，就是能將一種物理量(通常稱為被測(cè)量)按照某種規(guī)律轉(zhuǎn)換成容易處理的電信號(hào)的元件。它的基本功能就是檢測(cè)和轉(zhuǎn)換。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被測(cè)量的檢測(cè)精度將直接影響系統(tǒng)的控制精度。因此，檢測(cè)元件是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要部件。下面主要介紹溫度、位置和調(diào)速系統(tǒng)中常用的檢測(cè)元件。第3頁/共152頁2.1.1溫度檢測(cè)元件第4頁/共152頁2.1.1溫度檢測(cè)元件第5頁/共152頁2.1.1溫度檢測(cè)元件第6頁/共152頁2.1.1溫度檢測(cè)元件第7頁/共152頁2.1.1溫度檢測(cè)元件第8頁/共152頁2.1.1溫度檢測(cè)元件第9頁/共152頁2.1.1溫度檢測(cè)元件第10頁/共152頁2.1.1溫度檢測(cè)元件3.非接觸式測(cè)溫輻射溫度計(jì)是利用從物體表面輻射出來的熱輻射進(jìn)行非接觸式溫度測(cè)量的。例如紅外測(cè)溫就是常用的一種輻射測(cè)溫裝置。它的工作原理：自然界中任何本身溫度高于絕對(duì)零度的物體都有紅外輻射(俗稱紅外線，它是一種人眼看不見的光線)，物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強(qiáng)。圖2.4即為一紅外測(cè)溫儀結(jié)構(gòu)示意圖。它由光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)制器、紅外檢測(cè)元件、放大器、指示器等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)能將被測(cè)物體的輻射聚焦在靈敏的檢測(cè)元件上，光學(xué)系統(tǒng)可分透鏡式和反射式兩種。調(diào)制器是把紅外輻射調(diào)制成交變輻射的裝置。因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)交變信號(hào)處理較易，且能取得高信噪比。紅外檢測(cè)元件是能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的光敏器件，用來檢測(cè)物體輻射的紅外線能量。檢測(cè)結(jié)果經(jīng)放大器放大后由指示器顯示。紅外測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)是，非接觸測(cè)溫，反應(yīng)速度快，靈敏度高，測(cè)溫范圍廣(一般為0oC~2000oC)。其缺點(diǎn)是系統(tǒng)較復(fù)雜，安裝調(diào)試維護(hù)較費(fèi)事，成本高。第11頁/共152頁2.1.1溫度檢測(cè)元件圖2.4紅外線測(cè)量?jī)x示意圖第12頁/共152頁2.1.2線位移檢測(cè)元件

第13頁/共152頁2.1.2線位移檢測(cè)元件

第14頁/共152頁2.1.2線位移檢測(cè)元件

第15頁/共152頁2.1.2線位移檢測(cè)元件

第16頁/共152頁2.1.2線位移檢測(cè)元件

第17頁/共152頁2.1.2線位移檢測(cè)元件

第18頁/共152頁2.1.2線位移檢測(cè)元件

第19頁/共152頁2.1.3角位移檢測(cè)元件

第20頁/共152頁2.1.3角位移檢測(cè)元件

第21頁/共152頁2.1.3角位移檢測(cè)元件

第22頁/共152頁2.1.3角位移檢測(cè)元件

圖2.8控制式自整角機(jī)工作原理圖第23頁/共152頁2.1.3角位移檢測(cè)元件

第24頁/共152頁2.1.3角位移檢測(cè)元件

第25頁/共152頁2.1.3角位移檢測(cè)元件

圖2.9角位移隨動(dòng)系統(tǒng)第26頁/共152頁2.1.3角位移檢測(cè)元件

3.光電編碼盤光電編碼盤是一種按角度直接進(jìn)行編碼的碼盤式角度—數(shù)字轉(zhuǎn)換器。其核心部件是編碼盤。編碼盤是一種按一定編碼形式(如二進(jìn)制編碼、循環(huán)碼編碼等)來分辨角度位移的圓盤。圖2.10為一個(gè)四位二進(jìn)制編碼盤。它的制作方法是：首先將圓盤按角度分為m等分(圖中)，并分成n個(gè)同心圓環(huán)(圖中)，各圓環(huán)對(duì)應(yīng)著編碼的位數(shù)，稱為碼道。內(nèi)圓環(huán)對(duì)應(yīng)編碼的高位，外圓環(huán)對(duì)應(yīng)編碼的低位。然后將個(gè)(圖中為64個(gè))扇形區(qū)，按二進(jìn)制編碼，劃分為透明(白色)部分和不透明(黑色)部分，透明(白色)部分表示“0”，不透明(黑色)部分表示“1”。由這些不同的黑、白區(qū)域的排列組合即構(gòu)成了與角位移位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)碼。如“0000”對(duì)應(yīng)“0”號(hào)角度位，“0100”對(duì)應(yīng)“4”號(hào)角度位。第27頁/共152頁2.1.3角位移檢測(cè)元件

圖2.10二進(jìn)制編碼盤第28頁/共152頁2.1.3角位移檢測(cè)元件

第29頁/共152頁2.1.3角位移檢測(cè)元件

第30頁/共152頁2.1.3角位移檢測(cè)元件

第31頁/共152頁2.1.3角位移檢測(cè)元件

第32頁/共152頁2.1.4轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件

第33頁/共152頁2.1.4轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件

第34頁/共152頁2.1.4轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件

第35頁/共152頁2.2伺服電動(dòng)機(jī)2.2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)2.2.2交流伺服電動(dòng)機(jī)第36頁/共152頁2.2伺服電動(dòng)機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，作為執(zhí)行元件的伺服電動(dòng)機(jī)，其作用是將控制電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸上的角位移或角速度輸出，通過改變控制電壓的極性和大小來變更伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和角位移或角速度。同時(shí)帶動(dòng)一定的負(fù)載，去完成控制系統(tǒng)所要求的功能。常用的伺服電動(dòng)機(jī)有兩大類，以交流電源工作的稱為交流伺服電動(dòng)機(jī)；以直流電源工作的稱為直流伺服電動(dòng)機(jī)。第37頁/共152頁2.2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)根據(jù)伺服電動(dòng)機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用，系統(tǒng)對(duì)它的性能提出如下要求：(1) 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向能很方便地受控制信號(hào)的控制，調(diào)速范圍大。(2) 在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性應(yīng)是線性關(guān)系。(3) 當(dāng)控制信號(hào)消除時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)立即停轉(zhuǎn)，也就是要求伺服電動(dòng)機(jī)無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。(4) 控制功率小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。(5) 機(jī)電時(shí)間常數(shù)小，起動(dòng)電壓低，當(dāng)控制信號(hào)改變時(shí)，反應(yīng)快速靈敏。上述要求直流/交流伺服電動(dòng)機(jī)均適合。由于上述要求，因此直流伺服電動(dòng)機(jī)與普通直流電動(dòng)機(jī)相比，其電樞形狀較細(xì)而長(zhǎng)，以減小慣量；磁極與電樞間的氣隙??；加工精度與機(jī)械配合要求高；鐵芯材料好。第38頁/共152頁2.2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)第39頁/共152頁2.2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)第40頁/共152頁2.2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)第41頁/共152頁2.2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)第42頁/共152頁2.2.1直流伺服電動(dòng)機(jī)第43頁/共152頁2.2.2交流伺服電動(dòng)機(jī)

1.主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)交流伺服電動(dòng)機(jī)也是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的一種執(zhí)行元件。其實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)兩相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。在它的定子上裝有兩個(gè)在空間上相差90o的繞組，一個(gè)為勵(lì)磁繞組，另一個(gè)為控制繞組。運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁繞組A始終加上一定的交流勵(lì)磁電壓(其頻率通常有500Hz或400Hz等)；控制繞組B接上交流控制電壓。交流伺服電動(dòng)機(jī)可采用多種控制方式，常用的一種是在勵(lì)磁回路中串接一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娙軨，使控制電壓在相位上與勵(lì)磁電壓相差90o。交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上最主要的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子電阻大，有利于消除“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，擴(kuò)大穩(wěn)定運(yùn)行范圍，并可獲得近似線性的機(jī)械特性。第44頁/共152頁2.2.2交流伺服電動(dòng)機(jī)

圖2.17交流伺服電動(dòng)機(jī)的原理圖交流勵(lì)磁電壓交流控制電壓第45頁/共152頁2.2.2交流伺服電動(dòng)機(jī)

轉(zhuǎn)子電阻大，故略帶彎曲第46頁/共152頁2.2.2交流伺服電動(dòng)機(jī)

第47頁/共152頁2.3晶閘管直流交流調(diào)壓電路2.3.1晶閘管2.3.2單相橋式全控整流電路2.3.3三相可控整流電路2.3.4晶閘管的觸發(fā)電路與保護(hù)電路2.3.5交流調(diào)壓電路第48頁/共152頁2.3晶閘管直流交流調(diào)壓電路在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，直流、交流電動(dòng)機(jī)的供電電路，廣泛采用電力電子電路。而在電力電子電路中，目前用得最多的仍是晶閘管變流供電電路。下面主要介紹晶閘管元件的性能與特點(diǎn)，以及常見的晶閘管直流、交流調(diào)壓電路。第49頁/共152頁2.3.1晶閘管

第50頁/共152頁2.3.1晶閘管

第51頁/共152頁2.3.1晶閘管

圖2.20晶閘管工作條件的實(shí)驗(yàn)電路第52頁/共152頁2.3.1晶閘管

(4) 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。此時(shí)不論門極電壓是正還是負(fù)，晶閘管將保持導(dǎo)通，故導(dǎo)通的控制信號(hào)只需正向脈沖電壓，稱為觸發(fā)脈沖或觸發(fā)信號(hào)，相應(yīng)的門極控制電路稱為觸發(fā)電路。晶閘管門極只能控制其導(dǎo)通，而不能使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。因此晶閘管屬于具有正向阻斷能力和單向?qū)щ娦缘陌肟匦推骷?5) 要使晶閘管關(guān)斷，必須去掉陽極正向電壓，或者給陽極加反壓，或者降低正向陽極電壓，使通過晶閘管的電流小于維持電流。維持電流是指保持晶閘管導(dǎo)通的最小陽極電流。第53頁/共152頁2.3.4晶閘管的觸發(fā)電路與保護(hù)電路

1.晶閘管的觸發(fā)電路(1) 觸發(fā)電路的組成觸發(fā)電路大致可分為脈沖形成、移相控制、同步電路和脈沖功率放大四個(gè)部分。脈沖形成是觸發(fā)電路的核心，它的功能是產(chǎn)生合乎要求的脈沖觸發(fā)信號(hào)。移相控制的功能是調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖發(fā)生的時(shí)刻，即調(diào)節(jié)控制角的大小。為了使晶閘管在每一周期都能重復(fù)在相同的相位上觸發(fā)，觸發(fā)脈沖與主回路電源電壓必須保持某種固定相位關(guān)系。這種觸發(fā)脈沖與主回路電源保持固定相位關(guān)系的方法稱為同步。實(shí)現(xiàn)同步的電路稱為同步電路。通常采用把主電路的電壓信號(hào)直接(或經(jīng)同步變壓器)引來作為觸發(fā)同步信號(hào)。這樣，當(dāng)主電路電源電壓過零時(shí)，觸發(fā)電路的電壓也同時(shí)刻過零。當(dāng)脈沖形成電路所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的功率不夠大，而被觸發(fā)驅(qū)動(dòng)的晶閘管的容量較大，要求觸發(fā)脈沖有較大的輸出功率時(shí)，就需要增加脈沖功率放大環(huán)節(jié)。通常采用復(fù)合管組成的發(fā)射極輸出器或采用強(qiáng)功率觸發(fā)脈沖電路。第54頁/共152頁2.3.4晶閘管的觸發(fā)電路與保護(hù)電路

圖2.28觸發(fā)電路的組成第55頁/共152頁2.3.4晶閘管的觸發(fā)電路與保護(hù)電路

兩個(gè)基極陰極第56頁/共152頁2.3.4晶閘管的觸發(fā)電路與保護(hù)電路

第57頁/共152頁2.3.4晶閘管的觸發(fā)電路與保護(hù)電路

第58頁/共152頁2.3.4晶閘管的觸發(fā)電路與保護(hù)電路

第59頁/共152頁2.3.4晶閘管的觸發(fā)電路與保護(hù)電路

第60頁/共152頁2.3.4晶閘管的觸發(fā)電路與保護(hù)電路

第61頁/共152頁2.3.4晶閘管的觸發(fā)電路與保護(hù)電路

第62頁/共152頁負(fù)載端同步電路移相控制第63頁/共152頁2.3.4晶閘管的觸發(fā)電路與保護(hù)電路

2.晶閘管的保護(hù)由于晶閘管承受過電壓和過電流的能力較差，短時(shí)間的過電流和過電壓就會(huì)把器件損壞。為了保證器件能可靠地長(zhǎng)期運(yùn)行，除了留有余地合理選擇器件外，還應(yīng)采取恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。(1) 過電流保護(hù)晶閘管在短時(shí)間內(nèi)能夠承受一定的過電流而不損壞。但是，如果短路或過載時(shí)過電流數(shù)值較大，而切斷的時(shí)間稍慢，就會(huì)造成晶閘管的損壞。發(fā)生過電流的原因有：生產(chǎn)機(jī)械過載；晶閘管裝置直流側(cè)短路；可逆系統(tǒng)中產(chǎn)生環(huán)流和逆變失??；某一元件擊穿造成短路，引起相鄰零件過電流等。過電流保護(hù)的措施有如圖2.34所示的數(shù)種，可根據(jù)需要選擇其中一種或數(shù)種對(duì)晶閘管變流裝置作過電流保護(hù)。① 在交流進(jìn)線中串接電抗器(圖2.34中的A)，它主要利用電感線圈中的電流不能突變的特性來限制短路電流和電流的上升率。② 在交流側(cè)設(shè)置電流檢測(cè)裝置(圖2.34中的B)，利用過電流信號(hào)去控制觸發(fā)器，使觸發(fā)脈沖快速后移或封鎖觸發(fā)脈沖，使晶閘管立即阻斷。③ 交流側(cè)經(jīng)電流互感器接入過電流繼電器或直流側(cè)接入過電流繼電器(圖2.34中的B或F)，當(dāng)發(fā)生過電流時(shí)它們動(dòng)作，從而跳開交流輸入端的自動(dòng)開關(guān)或電源接觸器。由于過電流繼電器的動(dòng)作和自動(dòng)開關(guān)的跳閘都有一定的時(shí)間(約100ms~200ms)，故必須設(shè)法限制短路電流。只有在短路電流不大的情況下，它們才能起保護(hù)晶閘管的作用。④ 直流快速開關(guān)(如圖2.34中的G)，用作直流側(cè)的過載或短路保護(hù)?？焖匍_關(guān)的開關(guān)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間只有2ms，全部分?jǐn)嚯娀〉臅r(shí)間也不過25ms~30ms它的動(dòng)作值整定得相對(duì)低些，當(dāng)發(fā)生故障電流時(shí)，要求快速開關(guān)比快速熔斷器先動(dòng)作，盡量避免快速熔斷器熔斷。⑤ 快速熔斷器是防止晶閘管過電流損壞的最后一種措施。它也是晶閘管裝置中應(yīng)用最普遍的過電流保護(hù)措施。快熔的熔斷時(shí)間在10ms以內(nèi)?？烊劭砂惭b在交流側(cè)，也可與晶閘管元件直接串聯(lián)，也可安裝在直流側(cè)(如圖2.34中的C、D和E)。交流側(cè)接快熔能夠?qū)υ搪泛椭绷鱾?cè)短路起保護(hù)作用，但因正常時(shí)流過快熔的電流有效值大于流過晶閘管的電流有效值，故應(yīng)選用額定電流較大的快熔，這樣對(duì)故障過電流時(shí)晶閘管的保護(hù)又差了。直流側(cè)接快熔只對(duì)負(fù)載短路或過載起保護(hù)作用，但對(duì)元件短路則不起保護(hù)作用。元件串聯(lián)快熔，對(duì)元件的保護(hù)最好，是應(yīng)用最廣泛的一種接法。第64頁/共152頁2.3.4晶閘管的觸發(fā)電路與保護(hù)電路

第65頁/共152頁2.3.4晶閘管的觸發(fā)電路與保護(hù)電路

(2) 過電壓保護(hù)晶閘管變流裝置運(yùn)行中產(chǎn)生的過電壓，一種稱操作過電壓，它是由晶閘管裝置的拉閘、合閘和元件關(guān)斷等電磁過程引起的過電壓。這些操作過程是經(jīng)常發(fā)生的，而且是不可避免的。另一種過電壓是由于雷擊等原因從電網(wǎng)侵入的偶然性的浪涌電壓，它可能比操作過電壓還要高。因此對(duì)晶閘管變流裝置必須采取可靠的過電壓保護(hù)措施。晶閘管裝置可能采用的過電壓保護(hù)措施如圖2.35所示。過電壓保護(hù)的部位可分為交流側(cè)保護(hù)、直流側(cè)保護(hù)和元件保護(hù)。① 避雷器保護(hù)一般可在變壓器高壓側(cè)裝設(shè)避雷器來限制雷擊過電壓(如圖2.35中的A所示)。② 接地電容由高壓電源供電的變壓器，在合閘的瞬時(shí)，由于初級(jí)和次級(jí)繞組之間存在分布電容，初級(jí)繞組的高壓經(jīng)此分布電容耦合到次級(jí)繞組造成較高的過電壓。通常采用在變壓器星形中點(diǎn)和地之間附加接地電容(如圖2.35中的B)，或者變壓器附加屏蔽繞組都可顯著減小這種過電壓。第66頁/共152頁2.3.4晶閘管的觸發(fā)電路與保護(hù)電路

③ 阻容保護(hù)阻容保護(hù)電路亦稱阻容吸收電路，其可將變壓器繞組中釋放出的電磁能量轉(zhuǎn)化成電容器的電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存起來。利用電容器兩端電壓瞬時(shí)不能突變的特性，吸收尖峰過電壓，把它限制在允許的范圍內(nèi)。由于電容器兩端電壓不能突變，所以能有效地抑制過電壓。串聯(lián)電阻的目的是消耗部分產(chǎn)生過電壓的能量，并抑制LC回路的振蕩。阻容保護(hù)電路既可以用于交流側(cè)，也可以用于直流側(cè)，還可與元件兩端并聯(lián)(如圖2.35中的C、D、G)。交流側(cè)阻容保護(hù)也可采用整流式阻容保護(hù)(如圖2.35中的D)。這種阻容保護(hù)接法多用了一組整流橋，但只需一個(gè)電容，并因只受直流電壓，可采用體積小、容量大的電解電容，從而縮小保護(hù)裝置的體積。④ 非線性電阻保護(hù)采用非線性電阻(硒堆或壓敏電阻)保護(hù)(如圖2.35中的E、F)，是較常用的過電壓保護(hù)措施。它們有接近于穩(wěn)壓管的伏安特性，能限制或吸收過電壓。在它們被反向擊穿后，當(dāng)反向過電壓消失后，它們會(huì)自行恢復(fù)阻斷狀態(tài)。采用硒堆保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)是它能吸收較大的浪涌能量，缺點(diǎn)是硒堆的體積大，伏安特性不陡，并且長(zhǎng)期不用后性能不良，要經(jīng)處理，才能復(fù)原。金屬氧化物壓敏電阻是氧化鋅、氧化鉍等燒結(jié)而成的非線性電阻元件。它具有正反向相同的很陡的伏安特性。正常工作時(shí)，漏電流小，損耗小；遇到過電壓時(shí)，可通過數(shù)千安的浪涌電流，因此抑制過電壓能力強(qiáng)。此外，它對(duì)浪涌電壓的反映快，體積又小，是一種理想的過電壓保護(hù)元件。其缺點(diǎn)是持續(xù)平均功率太小(僅數(shù)瓦)，如果正常的工作電壓超過了它的額定電壓，很短時(shí)間就會(huì)燒壞。第67頁/共152頁2.3.4晶閘管的觸發(fā)電路與保護(hù)電路

第68頁/共152頁2.3.2單相橋式全控整流電路

單相可控整流電路是晶閘管相控整流電路中最簡(jiǎn)單，也是最基本的電路，它有單相半波、單相全波、單相橋式半控和單相橋式全控等幾種形式。這里僅介紹單相橋式全控整流電路。

第69頁/共152頁2.3.2單相橋式全控整流電路

第70頁/共152頁2.3.2單相橋式全控整流電路

(a)(b)圖2.21單相橋式全控整流帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形第71頁/共152頁2.3.2單相橋式全控整流電路

第72頁/共152頁第73頁/共152頁2.3.2單相橋式全控整流電路

圖2.22單相橋式全控整流帶電感性負(fù)載的電路及波形第74頁/共152頁第75頁/共152頁2.3.2單相橋式全控整流電路

圖2.23電感性負(fù)載并聯(lián)續(xù)流二極管第76頁/共152頁2.3.3三相可控整流電路

當(dāng)負(fù)載容量較大(如超過4kW)，或要求直流電壓的脈動(dòng)要小時(shí)，應(yīng)采用三相可控整流電路。其類型很多，包括三相半波、三相全控橋式、三相半控橋式、雙反星形等。這些電路中最基本的是三相半波可控整流電路，其余類型可視為該電路以不同方式串聯(lián)或并聯(lián)組成。第77頁/共152頁2.3.3三相可控整流電路

第78頁/共152頁2.3.3三相可控整流電路

第79頁/共152頁2.3.3三相可控整流電路

第80頁/共152頁2.3.3三相可控整流電路

第81頁/共152頁第82頁/共152頁第83頁/共152頁2.3.3三相可控整流電路

第84頁/共152頁2.3.3三相可控整流電路

圖2.27三相橋式全控整流電路原理圖第85頁/共152頁2.3.3三相可控整流電路

六個(gè)晶閘管的導(dǎo)通遵循下面的規(guī)律，對(duì)于共陰極組的三個(gè)晶閘管，陽極電位最高的一個(gè)導(dǎo)通，而對(duì)于共陽極組的三個(gè)晶閘管，則是陰極電位最低的一個(gè)導(dǎo)通。這樣，任何時(shí)刻共陽極組和共陰極組中各有一個(gè)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，則輸出到負(fù)載上的電壓為某一線電壓。三相橋式整流電路必須采用寬度大于60o的寬脈沖或間隔60o的雙窄脈沖觸發(fā)。六個(gè)晶閘管的的觸發(fā)脈沖按至VT6的順序，相位依次差60o；共陰極組、、的脈沖依次差120o，共陽極組、、也依次差120o；同一相的上下兩個(gè)管子，即與，與，與脈沖相差180o。如果將圖2.27中的共陽極組(或共陰極組)的三個(gè)晶閘管換成三個(gè)硅二極管，則構(gòu)成三相橋式半控整流電路。第86頁/共152頁2.3.5交流調(diào)壓電路

如果在交流電源和負(fù)載之間，用兩個(gè)普通晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)到交流電路中，通過對(duì)晶閘管在每半個(gè)周波內(nèi)開通相位的控制，可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流調(diào)壓電路。交流調(diào)壓電路廣泛用于工業(yè)加熱、燈光控制(如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速以及電解電鍍的交流側(cè)調(diào)壓等場(chǎng)合。在供用電系統(tǒng)中，這種電路還常用于對(duì)無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。此外，在高電壓小電流或低電壓大電流直流電源中，也常采用交流調(diào)壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓，采用這種方法，可使變壓器次級(jí)的整流裝置避免采用晶閘管，只需用硅整流二極管，從而簡(jiǎn)化主電路和觸發(fā)電路的結(jié)構(gòu)。交流調(diào)壓電路可分為單相交流調(diào)壓電路和三相交流調(diào)壓電路。前者是后者的基礎(chǔ)，所以重點(diǎn)介紹單相交流調(diào)壓電路。第87頁/共152頁2.3.5交流調(diào)壓電路

第88頁/共152頁2.3.5交流調(diào)壓電路

圖2.36電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形第89頁/共152頁2.3.5交流調(diào)壓電路

第90頁/共152頁2.3.5交流調(diào)壓電路

圖2.37雙向晶閘管符號(hào)第91頁/共152頁2.3.5交流調(diào)壓電路

第92頁/共152頁2.3.5交流調(diào)壓電路

圖2.38單結(jié)晶體管觸發(fā)的調(diào)光電路第93頁/共152頁2.3.5交流調(diào)壓電路

3.三相交流調(diào)壓電路通常在大功率負(fù)載或者為完成對(duì)某些負(fù)載的控制需要調(diào)節(jié)交流電壓時(shí)，可采用三相交流調(diào)壓電路。它與單相交流調(diào)壓電路一樣，也可采用反并聯(lián)晶閘管或雙向晶閘管來調(diào)節(jié)三相交流電壓的大小。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2.39(a)是星形聯(lián)結(jié)；(b)是線路控制三角形聯(lián)結(jié)；(c)是支路控制三角形聯(lián)結(jié)；(d)是中點(diǎn)控制三角形聯(lián)結(jié)。圖2.40為三相交流調(diào)壓調(diào)速電動(dòng)機(jī)電路。如果相序?yàn)閁→V→W，6只晶閘管導(dǎo)通順序依次為(VT1、VT2)→(VT2、VT3)→(VT3、VT4)→(VT4、VT5)→(VT5、VT6)→(VT6、VT1)……，改變控制角的大小，則可改變加在交流電動(dòng)機(jī)輸入端的交流電壓值的大小，就可實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓調(diào)速。第94頁/共152頁2.3.5交流調(diào)壓電路

第95頁/共152頁2.3.5交流調(diào)壓電路

圖2.40三相交流調(diào)壓調(diào)速電路第96頁/共152頁2.4大功率晶體管脈寬調(diào)制(PWM)型直流調(diào)壓電路2.4.1DC—DC變換器2.4.2大功率晶體管2.4.3大功率晶體管脈寬調(diào)制型直流調(diào)壓電路第97頁/共152頁2.4大功率晶體管脈寬調(diào)制(PWM)型直流調(diào)壓電路第98頁/共152頁2.4.1DC—DC變換器

第99頁/共152頁2.4.1DC—DC變換器

第100頁/共152頁2.4.2大功率晶體管

大功率晶體管(GTR)，也稱電力晶體管。它的電流是由電子和空穴兩種載流子運(yùn)動(dòng)而形成的，故又稱雙極型功率晶體管(BJT)。1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)BJT與信號(hào)處理中的晶體三極管有相似的結(jié)構(gòu)、工作原理和工作特性。它們都是三層半導(dǎo)體兩個(gè)PN結(jié)的三端器件，電氣符號(hào)也完全一樣。其工作電路也有共發(fā)射極、共基極、共集電極三種接法。實(shí)際應(yīng)用中，BJT多采用共發(fā)射極接法。它是一種電流控制型的全控開關(guān)器件，工作時(shí)，正向基極電流控制它的導(dǎo)通，反向基極電流控制它的關(guān)斷。它具有耐壓高、容量大的特點(diǎn)，其容量范圍由30A/450V~800A/1400V。由于單級(jí)的BJT的電流增益很低，典型值只有10左右。這樣，要使其飽和導(dǎo)通，就需要很大的基極驅(qū)動(dòng)電流。為了提高電流增益，可將兩個(gè)(或兩個(gè)以上)晶體管組成達(dá)林頓復(fù)合管，并有一續(xù)流二極管與之并聯(lián)，集成在一個(gè)模塊中，如圖2.42所示。該圖為三個(gè)晶體管構(gòu)成的達(dá)林頓復(fù)合管模塊(也稱三重模塊單元)。圖中VD2、VD3為晶體管V2、V3的be結(jié)反向電壓限幅保護(hù)；VD1為續(xù)流二極管(亦兼作反向限幅)。由于為復(fù)合管，其電流增益可達(dá)104，因而大大減輕驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)荷。在實(shí)際應(yīng)用中，還經(jīng)常將2個(gè)、4個(gè)和6個(gè)模塊單元集成為一個(gè)大模塊。圖2.43即為(全控橋式)6個(gè)單元模塊的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。第101頁/共152頁2.4.2大功率晶體管

圖2.42BJT的三重達(dá)林頓復(fù)合模塊第102頁/共152頁2.4.2大功率晶體管

圖2.43六單元BJT模塊的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖第103頁/共152頁2.4.2大功率晶體管

第104頁/共152頁2.4.2大功率晶體管

第105頁/共152頁2.4.2大功率晶體管

第106頁/共152頁2.4.2大功率晶體管

圖2.44光電耦合驅(qū)動(dòng)電路第107頁/共152頁2.4.2大功率晶體管

第108頁/共152頁2.4.2大功率晶體管

圖2.45BJT緩沖電路對(duì)開關(guān)軌跡的影響第109頁/共152頁2.4.3大功率晶體管脈寬調(diào)制型直流調(diào)壓電路

第110頁/共152頁2.4.3大功率晶體管脈寬調(diào)制型直流調(diào)壓電路第111頁/共152頁2.4.3大功率晶體管脈寬調(diào)制型直流調(diào)壓電路圖2.46PWM放大器第112頁/共152頁2.4.3大功率晶體管脈寬調(diào)制型直流調(diào)壓電路圖2.47PWM直流可逆電路輸出電壓波形第113頁/共152頁2.4.3大功率晶體管脈寬調(diào)制型直流調(diào)壓電路第114頁/共152頁2.4.3大功率晶體管脈寬調(diào)制型直流調(diào)壓電路圖2.48脈寬調(diào)制器第115頁/共152頁2.4.3大功率晶體管脈寬調(diào)制型直流調(diào)壓電路第116頁/共152頁2.4.3大功率晶體管脈寬調(diào)制型直流調(diào)壓電路圖2.49脈沖寬度第117頁/共152頁2.4.3大功率晶體管脈寬調(diào)制型直流調(diào)壓電路第118頁/共152頁2.4.3大功率晶體管脈寬調(diào)制型直流調(diào)壓電路第119頁/共152頁2.4.3大功率晶體管脈寬調(diào)制型直流調(diào)壓電路第120頁/共152頁2.5正弦脈寬調(diào)制的交—直—交變壓變頻電路2.5.1電路的組成2.5.2正弦脈寬調(diào)制(SPWM)交流變壓變頻電路的基本原理第121頁/共152頁2.5正弦脈寬調(diào)制的交—直—交變壓變頻電路第122頁/共152頁2.5.1電路的組成第123頁/共152頁2.5.1電路的組成圖2.51SPWM變頻器電路原理框圖第124頁/共152頁2.5.1電路的組成圖2.51所示電路又稱為變頻器，可用來對(duì)交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。在變頻調(diào)速中，要求電壓頻率協(xié)調(diào)控制(有關(guān)這個(gè)問題，將在下一章討論)。變頻器可分為交—交變頻器和交—直—交變頻器。圖2.51所示變頻器為交—直—交變頻器。在它當(dāng)中，根據(jù)中間濾波環(huán)節(jié)(或稱儲(chǔ)能環(huán)節(jié))的不同又可分為電流型和電壓型。電流型變頻器如圖2.52(a)所示，采用大電感作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。由于電感對(duì)電流變化有平抑作用，直流電源部分近似為一電流源。電壓型變頻器如圖2.52(b)所示，采用大電容作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。由于電容有穩(wěn)定電壓的作用，直流電源部分近似為一電壓源。由于電壓型變頻器應(yīng)用較多，所以我們將以電壓型變頻器作為典型線路進(jìn)行分析。第125頁/共152頁2.5.2正弦脈寬調(diào)制(SPWM)交流變壓變頻電路的基本原理

第126頁/共152頁2.5.2正弦脈寬調(diào)制(SPWM)交流變壓變頻電路的基本原理

1.逆變器的工作原理逆變器是將直流電變換成交流電的裝置。圖2.53中的直流電是50Hz的交流電經(jīng)過二極管橋式整流后，變換成電壓為Ud的直流電路。由于采用并聯(lián)電容作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，所以是電壓型的。雖然供給逆變器的是直流電，但是當(dāng)將V1與V4作為一組，V2與V3作為另一組，使兩組交替通斷，則在負(fù)載上便形成交流電。如在V1與V4導(dǎo)通時(shí)，設(shè)流過負(fù)載的電流為正(如圖中的i+)，則V2與V3導(dǎo)通時(shí)，流過負(fù)載的電流便為負(fù)(如圖中的-i)。若使這兩組功率開關(guān)管依次輪流通、斷，則在負(fù)載上流過的將是正、反向交替的交流電，從而實(shí)現(xiàn)了將直流電變換成交流電的要求。2.正弦脈寬調(diào)制(SPWM)的波形分析(1) SPWM波若將2.54(a)所示的正弦波(僅畫出半周波形)，按電角度等分(在此取n=12)，如圖2.54(a)所示，可把正弦半波看成是由個(gè)彼此相連的脈沖序列所組成的波形，這些脈沖寬度相等，都等于，但脈沖頂部都為曲線，各脈沖幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用相同數(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦波部分面積相等，就得到圖2.54(b)所示的脈沖序列，這就是正弦脈寬調(diào)制(SPWM)波。SPWM波也分為單極性波和雙極性波。圖2.55為單極性SPWM波，其特點(diǎn)是，在正弦波的各半周中，方脈沖列只有正(或負(fù))一個(gè)極性。圖2.56(b)為雙極性SPWM波，其特點(diǎn)是，在正弦波的任何半周，都有正、負(fù)兩個(gè)極性相間的方脈沖。第127頁/共152頁2.5.2正弦脈寬調(diào)制(SPWM)交流變壓變頻電路的基本原理

圖2.53單相SPWM(電壓型)交流變壓變頻電路原理圖第128頁/共152頁2.5.2正弦脈寬調(diào)制(SPWM)交流變壓變頻電路的基本原理

第129頁/共152頁2.5.2正弦脈寬調(diào)制(SPWM)交流變壓變頻電路的基本原理

圖2.54SPWM波第130頁/共152頁2.5.2正弦脈寬調(diào)制(SPWM)交流變壓變頻電路的基本原理

圖2.55單極性SPWM波形分析第131頁/共152頁2.5.2正弦脈寬調(diào)制(SPWM)交流變壓變頻電路的基本原理

由圖2.56(b)可見，雙極性SPWM波的特點(diǎn)是：①在每半周中，電壓極性有正、有負(fù)，所以它是雙極性的。②波形是等幅值、等中心距的正、負(fù)方波，對(duì)應(yīng)信號(hào)波(正弦波)瞬時(shí)值較大處，正、負(fù)波脈沖寬度的差值愈大；而