1、第3章直流斩波电路与交流电力控制电路 直流斩波电路 DC DC变换电路 将电压恒定的直流电能变为幅值可调或另一幅值的直流电能 应用 直流电动机调速 直流电焊机等 交流电力变换电路 AC AC变换电路 将某种参数的交流电能变为另一种参数的交流电能 包括电压或电流 频率 相位 相数等的变换 交流电力控制电路则主要指AC AC变换电路中的交流调压 调功 交流电力开关等电力控制电路 3 1DC DC变换电路概述 升压 降压 隔离型 非隔离型 DC DC变换电路 升降压 3 1DC DC变换电路概述 理想条件 DC DC变换电路由理想元件构成 输入电源内阻为零 输出端接有足够大的滤波电容 基本原理 稳态
2、条件下电感两端电压在一个开关周期内的平均值为零 稳态条件下电容电流在一个开关周期内的平均值为零 3 1DC DC变换电路概述 控制方式定频调宽定频指保持开关周期 工作频率不变 即T ton toff恒定 调宽指改变开关导通时间ton来改变占空比D 从而改变输出直流电压平均值 称为脉宽调制 PWM 定宽调频定宽指保持开关导通时间ton不变 调频指调节开关工作周期T来改变占空比D 从而改变输出直流电压平均值 称为频率调制型 PFM 3 1DC DC变换电路概述 控制方式调频调宽此种方式是前两种方式的综合 开关导通时间ton与开关工作频率f均可变 控制比较复杂 通常用于需大幅度改变输出电压数值的场合
3、 3 2非隔离型DC DC变换电路 升压 降压 非隔离型 升降压 Sepic Cuk Zeta 3 2 1降压斩波 Buck 电路 平均直流输出电压低于直流输入电压的变换电路称为降压DC DC变换电路 由全控型器件 如IGBT 二极管和LC低通滤波器构成 电感电流连续和电感电流断续两种工作模式 3 2 1降压斩波 Buck 电路 主开关和二极管轮流导通 主开关开通时 电感储能 电压为Ui Uo 电流上升 二极管续流时 电感放电 电压为 Uo 电流衰减 低通滤波器LC可减少输出电压 电流的脉动 3 2 1降压斩波 Buck 电路 负载电压平均值为式中 ton为S处于通态的时间 toff为S处于断
4、态的时间 T为开关周期 D为导通占空比 输出电压范围 0 Ui 忽略损耗在连续电流方式下 可看作一降压直流变压器 3 2 2升压斩波 Boost 电路 平均直流输出电压高于直流输入电压的变换电路称为升压DC DC变换电路 0 t ton区间 S导通 VD截止 UL Ui ton t T区间 S截止 VD导通续流 电源与电感共同给负载供电 UL Ui Uo Uo 3 2 2升压斩波 Boost 电路 忽略损耗 在连续电流方式下 升压斩波电路等效于升压直流变压器 可通过控制开关的占空比来连续控制 3 2 2升压斩波 Boost 电路 负载电压平均值为由于0 D 1 升压斩波电路输出电压的范围 Ui
5、 注意 D 1时 Uo 故应避免D过于接近1 以免造成电路损坏 电感的电压泵升作用和电容的稳压作用使得输出电压可以高于输入电压 3 4交流电力控制器 结构 将一对晶闸管反并联或用一个双向晶闸管与负载串联 然后接到交流电源上 通过对晶闸管的控制可实现对负载的交流电压和功率的控制 分类 交流调压器 交流调功器和交流无触点开关 应用 在电力系统中主要用于交流电压的调节 有功及无功功率的调节 以及负载短路时的电流通断控制等 也广泛用于电路温控 灯光调节 异步电动机软启动和调速等领域 3 4交流电力控制器 控制方式 相位控制 周波控制和通断控制 交流调压电路 每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制 调节
6、输出电压有效值 相位控制交流调功 以交流电周期为单位控制晶闸管通断 改变通断周期数的比 调节输出功率的平均值 周波控制交流无触点开关 不调节输出电压和功率 只接通或断开电路 通断控制 3 4 1 1单相交流调压器 1 电阻负载在交流电源的正半周和负半周 分别对VT1和VT2的开通角a进行控制来调节输出电压 正负半周a起始时刻 a 0 均为电压过零时刻 正负半周的a相等 3 4 1 1单相交流调压器 负载电压有效值Uo 负载电流有效值Io 电路的功率因数 分别为 3 4 1 1单相交流调压器 移相范围 0 a 0时 功率因数 1 随着a增大 输入电流滞后于电压且发生畸变 也逐渐降低 3 4 1
7、1单相交流调压器 2 阻感负载控制角 和负载阻抗角 的关系不同 晶闸管每半周导通时会产生不同的过渡过程 时 电流断续 输出电压可控 时 电流连续 电压完整 不可控 电流为滞后电压 的正弦波 3 4 1 1单相交流调压器 时在 t a时刻开通VT1 负载电流应满足如下方程和初始条件解方程得式中 为晶闸管导通角 输出电流中含有正弦稳态分量与按指数规律衰减的自由分量 3 4 1 1单相交流调压器 时利用边界条件 t a 时io 0 可求得 以 为参变量 可将a和 的关系用右图曲线表示 移相范围 3 4 1 1单相交流调压器 时负载电压有效值Uo为 时自由分量iS 0 导通角 180 正负半周电流处于
8、临界状态 相当于晶闸管失去控制作用 电路失去调压作用 3 4 1 1单相交流调压器 时VT1提前导通 负载L被过充电 其放电时间将延长 VT1结束导电时刻大于 使VT2推迟开通 VT2的导通角小于 io由两个分量组成 正弦稳态分量 指数衰减分量 3 4 1 1单相交流调压器 带电阻性负载时 负载电流波形与单相桥式可控整流电路交流侧电流波形一致 改变 可以改变负载电压有效值 移相范围为0 180 带电感性负载时 最小控制角 同时不能用窄脉冲触发 否则当 时会发生一个晶闸管无法导通的现象 星形联结 3 4 1 2三相交流调压电路 b 线路控制三角形联结 c 支路控制三角形联结 d 中点控制三角形联
9、结 3 4 1 2三相交流调压电路 星形联结电路三相三线时至少有两个晶闸管导通才能构成回路 应采用双脉冲或宽脉冲触发 和三相桥式全控整流电路的触发电路特点一样 触发脉冲顺序为VT1 VT6 依次相差60 相电压过零点定为a的起点 移相范围是0 150 3 4 1 2三相交流调压电路 a 30 相电压过零关断 当 0 60 时 三管导通与两管导通交替出现 每管导通180 3 4 1 2三相交流调压电路 b 60 当60 90 任意时刻两管导通 每管导通120 后导通管使先导通管承受反压而关断 3 4 1 2三相交流调压电路 b 120 当90 150 两管导通与无管导通交替出现 负载电压断续 每
10、个波头宽度为150 线电压过零关断 当 150 时输出电压为0 3 4 2交流调功电路 交流调功电路与交流调压电路电路形式完全相同 调节对象不同 调节输出功率 控制方法不同 周波控制 周波控制 将负载与交流电源接通几个整周波 再断开几个整周波 通过改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率 在交流电源接通期间 负载电压电流都是正弦波 不对电网电压电流造成谐波污染 3 4 2交流调功电路 设控制周期为M倍电源周期 其中晶闸管在前N个周期导通 后M N个周期关断 电阻负载时 负载电流波形和负载电压波形相同 3 4 2交流调功电路 TC为设定的控制周期 它是工频周期的M倍 N为控制周期内导通周波
11、数 则调功器的输出电压有效值和输出功率分别为式中 Pmax Ui分别为在设定周期TC内全部周波导通时 装置输出功率和电压有效值 因此改变导通周波数N即可改变输出电压和功率 3 4 3交流电力电子开关 把晶闸管反并联后串入交流电路中 代替电路中的机械开关 通断控制固态开关 是一种没有机械运动 不含运动零件的开关 全部由固态电子元件组成的无触点开关元件 利用磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离 利用大功率电力电子器件的开关特性 来达到无触点 无火花地接通和断开被控电路 无触点 无电弧 无噪声 无损耗 无疲劳 寿命长 切换速度快 可从几毫秒至几微妙 造价高 过载能力和抗干扰能力差 3 4 3交流电力电子开关 是构成TSC 晶闸管投切电容器 的核心器件 与机械开关相比 响应速度快没有触点寿命长可以频繁控制通断 与交流调压电路的区别 并不控制电路的输出电压 功率只是根据需要控制电路的接通和断开控制频度通常比交流调功电路低得多触发角小于阻抗角
