電力電子技術(shù)課件第6章.ppt

1、第6章 交流調(diào)壓電路,6.1 單相交流調(diào)壓電路 6.2 三相交流調(diào)壓電路 6.3 交流過零調(diào)功電路 習題及思考題,圖 6-1 單相交流調(diào)壓電路,6.1 單相交流調(diào)壓電路,圖6-2 電阻性負載單相交流調(diào)壓電路工作波形,在電源u的正半周內(nèi)，晶閘管V1承受正向電壓，當t時，觸發(fā)V1使其導通，則負載上得到缺角的正弦半波電壓， 當電源電壓過零時，V1管電流下降為零而關(guān)斷。在電源電壓u的負半周，V2晶閘管承受正向電壓，當t時，觸發(fā)V2使其導通，則負載上又得到缺角的正弦負半波電壓。持續(xù)這樣的控制， 在負載電阻上便得到每半波缺角的正弦電壓。改變角的大小， 便改變了輸出電壓有效值的大小。,設(shè), 則負載電壓的有效

2、值為,負載電流的有效值為,從式(6-1)中可以看出，隨著角的增大，Uo逐漸減小; 當時，Uo0。因此，單相交流調(diào)壓器對于電阻性負載， 其電壓的輸出調(diào)節(jié)范圍為0U， 控制角的移相范圍為0。,(6-1),(6-2),6.1.2 電感性負載,圖 6-3 感性負載單相交流調(diào)壓電路及波形,由圖6-3（b）可知，晶閘管的導通角的大小，不但與控制角有關(guān)，而且與負載阻抗角有關(guān)。一個晶閘管導通時，其負載電流io的表達式為,式中,6-3,當t時，io0。將此條件代入式(6-3)，可求得導通角與控制角、負載阻抗角之間的定量關(guān)系表達式為,(6-4),針對交流調(diào)壓器，其導通角180，再根據(jù)式(6-4)， 可繪出f（，）

3、曲線，如圖6-4 所示。,圖 6-4 單相交流調(diào)壓電路以為參變量時與的關(guān)系,下面分別就、三種情況來討論調(diào)壓電路的工作情況。 (1) 當時， 由式（6-4）可以判斷出導通角180, 正負半波電流斷續(xù)。越大，越小，波形斷續(xù)愈嚴重。 (2) 當時， 由式（6-4）可以計算出每個晶閘管的導通角180。此時，每個晶閘管輪流導通180，相當于兩個晶閘管輪流被短接， 負載電流處于連續(xù)狀態(tài)，輸出完整的正弦波。,(3) 當時， 電源接通后，在電源的正半周，如果先觸發(fā)V1， 則根據(jù)式（6-4）可判斷出它的導通角180。 如果采用窄脈沖觸發(fā)，當V1的電流下降為零而關(guān)斷時，V2的門極脈沖已經(jīng)消失，V2無法導通。到了下

4、一周期，V1又被觸發(fā)導通重復上一周期的工作， 結(jié)果形成單向半波整流現(xiàn)象， 如圖6-5所示，回路中出現(xiàn)很大的直流電流分量，無法維持電路的正常工作。,圖6-5 感性負載窄脈沖觸發(fā)時的工作波形,解決上述失控現(xiàn)象的辦法是：采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)， 以保證V1管電流下降到零時，V2管的觸發(fā)脈沖信號還未消失， V2可在V1電流為零關(guān)斷后接著導通。 但V2的初始觸發(fā)控制角-，即V2的導通角180。從第二周開始，由于V2的關(guān)斷時刻向后移，因此V1的導通角逐漸減小，V2的導通角逐漸增大，直到兩個晶閘管的導通角180時達到平衡。 根據(jù)以上分析，當并采用寬脈沖觸發(fā)時，負載電壓、 電流總是完整的正弦波， 改變控制角，

5、負載電壓、電流的有效值不變，即電路失去交流調(diào)壓作用。在感性負載時，要實現(xiàn)交流調(diào)壓的目的，則最小控制角（負載的功率因素角）， 所以的移相范圍為180。,例 6-1 由晶閘管反并聯(lián)組成的單相交流調(diào)壓器，電源電壓有效值Uo2300 V。 （1） 電阻負載時，阻值在1.152.3 之間變化，預期最大的輸出功率為2300 kW，計算晶閘管所承受的電壓的最大值以及輸出最大功率時晶閘管電流的平均值和有效值。 （2） 如果負載為感性負載，R2.3 ，L2.3 ，求控制角范圍和最大輸出電流的有效值。,解 （1） 當R2.3 時，如果觸發(fā)角0，負載電流的有效值為,此時，最大輸出功率 ，滿足要求。 流過晶閘管電流的

6、有效值IV為,輸出最大功率時，由于0，180，負載電流連續(xù)，所以負載電流的瞬時值為,此時晶閘管電流的平均值為, R1.15 時，由于電阻減小，如果調(diào)壓電路向負載送出原先規(guī)定的最大功率保持不變，則此時負載電流的有效值計算如下：,由,得,因為Io大于R2.3 時的電流，所以0。 晶閘管電流的有效值為, 加在晶閘管上正、反向最大電壓為電源電壓的最大值， 即。,（2） 電感性負載的功率因數(shù)角為,最小控制角為,故控制角的范圍為 /4。,最大電流發(fā)生在 min=/4處，負載電流為正弦波，其有效值為,6.2 三相交流調(diào)壓電路,6.2.1 三相全波相位控制的Y連接調(diào)壓電路 用三只雙向晶閘管作開關(guān)元件，分別接至

7、負載就構(gòu)成了三相調(diào)壓電路。負載可以是Y連接也可以是連接，圖6-6為Y連接調(diào)壓電路。 通過控制觸發(fā)脈沖的相位控制角，便可以控制加在負載上的電壓的大小。對于這種不帶零線的調(diào)壓電路，為使三相電流構(gòu)成通路，使電流連續(xù)，任意時刻至少要有兩個晶閘管同時導通。為了調(diào)節(jié)電壓， 需要控制觸發(fā)脈沖的相位角。 為此對觸發(fā)電路的要求是：,（1） 三相正（或負）觸發(fā)脈沖依次間隔120，而每一相正、 負觸發(fā)脈沖間隔180。 （2） 為了保證電路起始工作時能兩相同時導通，以及在感性負載和控制角較大時仍能保持兩相同時導通，和三相全控橋式整流電路一樣， 要求采用雙脈沖或?qū)捗}沖（大于60）觸發(fā)。 （3） 為了保證輸出三相電壓對稱

8、可調(diào)，應(yīng)保持觸發(fā)脈沖與電源電壓同步。 （4） 對雙向晶閘管而言， 一般采用一、 三象限觸發(fā)。,圖6-6 Y連接三相調(diào)壓電路,圖 6-7 不同控制角時A相負載上的電壓波形 (a) =0; (b) =30; (c)=60; (d)=90; (e)=120,圖 6-7 不同控制角時A相負載上的電壓波形 (a) =0; (b) =30; (c)=60; (d)=90; (e)=120,圖 6-7 不同控制角時A相負載上的電壓波形 (a) =0; (b) =30; (c)=60; (d)=90; (e)=120,圖 6-7 不同控制角時A相負載上的電壓波形 (a) =0; (b) =30; (c)=60

9、; (d)=90; (e)=120,圖 6-7 不同控制角時A相負載上的電壓波形 (a) =0; (b) =30; (c)=60; (d)=90; (e)=120,10 在A相電壓正半周的零起點處發(fā)出脈沖ugA+，觸發(fā)雙向晶閘管VA，而后依次每隔60產(chǎn)生脈沖ugC-、ugB、ugA-、ugC、 ugB-、ugA，分別觸發(fā)晶閘管VA、VB、VC的正、負脈沖。在這種情況下，晶閘管相當于一個二極管。忽略其管壓降，此時調(diào)壓電路相當于一般的三相交流電路，加到負載上的電壓是電源相電壓, 波形如圖6-7（a）所示。,2 30 這時每個晶閘管都自零點滯后30觸發(fā)導通，其波形如圖6-7（b）所示。 波形中t03

10、0時，VA沒有觸發(fā)導通，A相沒有電壓輸出；VB原已觸發(fā)導通，B相輸出負電壓；VC原也已觸發(fā)導通，C相輸出正電壓。t3060時，VA在t30時得到觸發(fā)而導通，此時VA 、VB、VC全部導通，A相負載輸出電源相電壓波形。t6090時，VA 、VB仍導通，分別輸出正、負電壓，但在t60時，C相電壓過零而使VC關(guān)斷，故A相負載上的電壓為（uA-uB）/2，即為A、B相線電壓的一半， 所以電壓波形出現(xiàn)缺口。t90120時，VC得到觸發(fā)而導通，此時三個晶閘管都導通，A相負載輸出電源相電壓波形t120150時，VA、VC仍導通，分別輸出正、 負電壓，但在t120時， B相電壓過零使VB關(guān)斷，故A相負載上的電

11、壓為（uA-uC）/2，即為A、C相線電壓的一半，所以電壓波形升高一塊。t150180時，三個晶閘管又全部導通，A相負載又輸出電源的相電壓波形。t180時，A相電壓過零使VA關(guān)斷，A相沒有電壓輸出。負半周的分析方法與正半周完全相同， A相負載獲得與正半周對稱的電壓波形。,360 這時每個晶閘管都自零點滯后60觸發(fā)導通，其波形如圖6-7（c）所示。 波形中當t060時，VA沒有觸發(fā)導通， A相沒有電壓輸出，VB、VC原已觸發(fā)導通，B相輸出負電壓，C相輸出正電壓。當t6090時，VA在t60時得到觸發(fā)而導通，而C相電壓此時正好過零點而使VC關(guān)斷，VB繼續(xù)導通， 故A相負載上的電壓為（uA-uB）/

12、2，即為A、B相線電壓的一半。t90120時，VA、VB繼續(xù)導通，VC沒有觸發(fā)而繼續(xù)關(guān)斷，故A相負載上的電壓繼續(xù)為A、B相線電壓的一半。 t120180時，VA仍然導通，但在t 120時，VC得到觸發(fā)而導通，同時B相電壓過零點而使VB關(guān)斷，故A相負載上的電壓為（uA-uC）/ 2，即為A、C相線電壓的一半。t180時，A相電壓過零點使VA關(guān)斷，A相沒有電壓輸出。負半周的分析方法與正半周完全相同，負載上獲得與正半周對稱的電壓波形。,4 90 波形如圖6-7（d）所示。波形中當t090時，VA沒有觸發(fā)導通， A相沒有電壓輸出。當t90120時，VA在t90時得到觸發(fā)而導通，VB原已導通，而C相電壓

13、此時已過零， VC關(guān)斷且尚未觸發(fā)，故A相負載上的電壓為（ VA -uB）/ 2，即為A、 B相線電壓的一半。當t120150時，VA繼續(xù)導通，t120時，B相電壓雖然過零，但由于VC沒有觸發(fā)繼續(xù)關(guān)斷，而uAuB，故VB仍承受負電壓，在原負脈沖觸發(fā)導通后繼續(xù)導通，故A相負載上的電壓繼續(xù)為A、B相線電壓的一半。 當t150180時，在uAuB時，即t150，流過VB的電流等于零，VB關(guān)斷，VC正好在此時被觸發(fā)導通，VA通過負載和VC構(gòu)成回路而維持導通，故A相負載上的電壓為A、C相線電壓的一半。 在t180210時，VC繼續(xù)導通，t180時，A相電壓雖然過零，但由于此時VB繼續(xù)關(guān)斷，而uAuC，故V

14、A仍承受正電壓在原正脈沖觸發(fā)導通后繼續(xù)導通，故A相負載上的電壓為A、C相線電壓的一半。當t210時，uAuC，流過VA的電流等于零，VA關(guān)斷，A相沒有電壓輸出。負半周的分析方法與正半周完全相同，負載上獲得與正半周對稱的電壓波形。,5 120 波形如圖6-7（e）所示。波形中當t0120時，VA沒有觸發(fā)導通，A相沒有電壓輸出。當t120150時， VA在t120時得到觸發(fā)而導通，B相電壓雖已過零點，但由于VC關(guān)斷尚未觸發(fā)，且uAuB，VB承受負電壓在原負脈沖觸發(fā)導通后繼續(xù)導通，故A相負載上的電壓為A、B相線電壓的一半。 t150180時，VB在uA uB，即t150時關(guān)斷，而此時VC沒有觸發(fā)繼續(xù)

15、關(guān)斷，所以VA因沒有電流通路而關(guān)斷。故在此期間，A相負載上電壓為零。t180210時，VC在t180觸發(fā)而導通，在設(shè)計時采用雙脈沖或?qū)挾却笥?0的寬脈沖，A相的原正脈沖此時還存在，再因uAuC，故VA被觸發(fā)而再次導通。故A相負載上的電壓為A、C相線電壓的一半。t210時，uAuC，流過VA的電流等于零，VA關(guān)斷，A相負載輸出電壓為零。負半周的分析方法與正半周完全相同， 負載上獲得與正半周對稱的電壓波形。,6 150 根據(jù)電壓波形分析可知，當150時，三個晶閘管不能構(gòu)成導通條件，所以這種由三個雙向晶閘管構(gòu)成的三相Y連接調(diào)壓電路的最大移相范圍為150?？刂平怯?變化至150時，輸出的交流電壓可以連

16、續(xù)地由最大調(diào)節(jié)至零。 隨著的增大，電流的不連續(xù)程度增加，每相負載上的電壓已不是正弦波，但正、負半周對稱。因此，這種調(diào)壓電路輸出的電壓中只有奇次諧波， 以三次諧波所占比重最大。由于這種線路沒有零線，故無三次諧波通路，減少了三次諧波對電源的影響。,三相交流調(diào)壓電路帶電感性負載時，分析工作很復雜， 因為輸出電壓與電流存在相位差，在線電壓或相電壓過零瞬間，晶閘管將繼續(xù)導通，負載中仍有電流流過，此時晶閘管的導通角不僅與控制角有關(guān)，而且與負載功率因數(shù)角有關(guān)。 如果負載是感應(yīng)電動機，則功率因數(shù)角還要隨電機運行情況的變化而變化， 這將使波形更加復雜。,但從實驗波形可知，三相感性負載的電流波形與單相感性負載時的

17、電流波形的變化規(guī)律相同，即當并采用寬脈沖觸發(fā)時，負載電壓、 電流總是完整的正弦波；改變控制角，負載電壓、電流的有效值不變，即電路失去交流調(diào)壓作用。 要實現(xiàn)交流調(diào)壓的目的，則最小控制角， 在相同負載阻抗角的情況下，越大，晶閘管的導通角越小，流過晶閘管的電流也越小。,6.2.2 其它三相調(diào)壓電路形式,表6-1 常用三相調(diào)壓電路形式及特點,表6-1 常用三相調(diào)壓電路形式及特點,表6-1 常用三相調(diào)壓電路形式及特點,6.3 交流過零調(diào)功電路,6.3.1 調(diào)功器的工作原理 圖6-8為過零觸發(fā)單相交流調(diào)功和三相交流調(diào)功電路。交流電源電壓u以及V1和V2的觸發(fā)脈沖ug1、ug2的波形分別如圖6-9所示。由于

18、各晶閘管都是在電壓u過零時加觸發(fā)脈沖的，因此就有電壓uo輸出。如果不觸發(fā)V1和V2，則輸出電壓uo0。由于是電阻性負載，因此當交流電源電壓過零時，原來導通的晶閘管因其電流下降到維持電流以下而自行關(guān)斷，這樣使負載得到完整的正弦波電壓和電流。由于晶閘管是在電源電壓過零的瞬時被觸發(fā)導通的，這就可以保證大大減小瞬態(tài)負載浪涌電流和觸發(fā)導通時的電流變化率di/dt，從而使晶閘管由于di/dt過大而失效或換相失敗的幾率大大減少。,圖 6-8 交流調(diào)功器 (a) 單相交流調(diào)功器； (b) 三相交流調(diào)功器,圖 6-9 單相交流零觸發(fā)開關(guān)電路的工作波形,如設(shè)定運行周期TC內(nèi)的周波數(shù)為n，每個周波的頻率為50 Hz

19、，周期為T（20 ms），則調(diào)功器的輸出功率P2為,（6-5）,（6-6）, TC應(yīng)大于電源電壓一個周波的時間且遠遠小于負載的熱時間常數(shù)，一般取1 s左右就可滿足工業(yè)要求。,6.3.2 調(diào)功電路實例 圖6-10中，由兩只晶閘管反并聯(lián)組成交流開關(guān)，該電路是一個包括控制電路在內(nèi)的單相過零調(diào)功電路。由圖可見，負載是電爐，而過零觸發(fā)電路由鋸齒波發(fā)生器、信號綜合、直流開關(guān)、同步電壓與過零脈沖觸發(fā)五個環(huán)節(jié)組成。 該電路的工作原理簡述如下： （1） 鋸齒波是由單結(jié)晶體管BT、R1、R2、R3、RW1和C1組成的張弛振蕩器產(chǎn)生的，然后經(jīng)射極跟隨器（V1、R4）輸出。,圖 6-10 單相晶閘管過零調(diào)功電路,（2

20、） 控制電壓Uc與鋸齒波電壓進行電流疊加后送到V2的基極，合成電壓為Us。當Us0 時，V2導通; Us0時, V2截止。 （3） 由V2、V3以及R8、R9、VDW1組成一個直流開關(guān)，當V2的基電壓UBE20（0.7 V）時，V2導通，V3的基極電壓UBE3接近零電位，V3截止，直流開關(guān)阻斷。當UBE20時，V2截止， 由R8、VDW1和R9組成的分壓電路使V3導通，直流開關(guān)導通。,（4） 由同步變壓器TC、整流橋VD1及R10、R11、VDW2組成一個削波同步電源，這個電源與直流開關(guān)的輸出電壓共同去控制V4與V5。只有在直流開關(guān)導通期間，V4、V5集電極和發(fā)射極之間才有工作電壓，兩個管子才能工作。在此期間， 同步電壓每次過零時，V4截止，其集電極輸出一個正電壓， 使V5由截止轉(zhuǎn)導通，經(jīng)脈沖變壓器輸出觸發(fā)脈沖，而此脈沖使晶閘管V6（V7）在需要導通的時刻導通。,在直流開關(guān)（V3）導通期間輸出連續(xù)的正弦波，控制電壓Uc的大小決定了直流開關(guān)導通時間