电力电子技术及应用第5章.ppt

第5章交流调压电路与直流变换电路,5.1交流开关及应用5.2单相交流调压5.3三相交流调压5.4基本直流变换电路5.5直流变换应用举例习题与思考题,5.1交流开关及应用,5.1.1晶闸管交流开关1．晶闸管交流开关的结构及触发形式晶闸管交流开关的基本形式如图5－1所示,图中给出了两种电路连接结构。该电路中的晶闸管交流开关可以在毫安级门极电流的触发下，控制几十至几百安培以上的负载电流的通断。交流开关的工作特点是，晶闸管在承受正向电压时触发导通，而在电压过零或承受反压时自然关断。,图5-1晶闸管交流开关的基本电路形式,图5-2双向晶闸管的芯片结构及电路符号,双向晶闸管与普通晶闸管一样，有塑封、螺旋型及平板型三种形式。双向晶闸管内部为5层半导体结构，有三个引出电极。其中，N4、P1表面用金属膜连通构成构成第一阳极T1，N2与P2也用金属膜连通构成第二阳极T2，N3与P2一部分连通引出公共门极G，门极G与第二阳极T2在同一侧引出。双向晶闸管可以等效为P1-N1-P2-N2和P2-N1-P1-N4两个单向晶闸管的反并联，P1-N1-P2-N3和N1-P2-N3分别构成门极晶闸管和门极三极管。,双向晶闸管在承受正反压时均能够导通，门极相对于第二阳极T2为正负信号时都能被触发，因此可以有四种触发方式，即1）Ⅰ象限正触发（Ⅰ）方式，第一阳极T1电压为正，第二阳极T2电压为负；门极相对于第二阳极T2的触发信号为正。2）Ⅰ象限负触发（Ⅰ-）方式，第一阳极T1电压为正，第二阳极T2电压为负；门极相对于第二阳极T2的触发信号为负。,3）Ⅲ象限正触发（Ⅲ）方式，第一阳极T1电压为负，第二阳极T2电压为正；门极相对于第二阳极T2的触发信号为正。4）Ⅲ象限负触发（Ⅲ-）方式，第一阳极T1电压为负，第二阳极T2电压为正；门极相对于第二阳极T2的触发信号为负。尽管四种方式都能触发双向晶闸管，但触发灵敏度有所不同。如果设Ⅰ触发电流为Ig，则各种方式的触发特性比较见表5-1,表5-1双向晶闸管触发特性比较表,由于各种触发方式灵敏度差异较大，其后果可能会造成正负半周的控制角不同，形成正负半周输出波形不对称。解决的方法是采用大要求的Ig触发，以保证触发的可靠性，实际控制电路中如有可能采用负电流触发（Ⅰ-、Ⅲ-）形式，以实现正负半周的控制均衡。图5-3是由双向晶闸管构成的交流开关的基本电路形式。,图5-3双向晶闸管交流开关电路,2．晶闸管交流开关的应用实例晶闸管交流开关的应用如图5-4所示，图中由双向晶闸管替代传统的交流接触器构成的三相自动温控电热炉电路，当开关Q拨到“自动”位置时，炉温可以自动保持在给定温度控制范围内。简单的温度控制过程通常采用两位式控制模式，即若炉温低于给定温度的下限，温控仪常开触点KT闭合，小容量双向晶闸管VT4触发导通，继电器KA得电，使所有KA触点闭合，三相主控回路中的双向晶闸管VT1VT3被触发导通，触发方式为Ⅰ、Ⅲ-，负载电阻RL（电热丝）与电源接通使炉温上升，同时运行指示灯亮。当炉温高于给定温度上限后，温控仪触点断开，VT4关断，继电器KA失电，双向晶闸管VT1VT3关断，负载断炉温下降，同时停止指示灯亮，从而电热炉温度将在给定的温度范围内波动。,图5-4自动温控电热炉应用电路,表5-2KS系列双向晶闸管的主要电参数,5.1.2单相交流调功及控制,图5-5单相交流调功的基本电路及过零触发电压输出波形,设电源电压表示为,（5-1）,如果导通和关断的时间均为交流电源周期的整倍数，即导通为m个周期，关断为n个周期，则调功输出电压的有效值可以表示为,（5-2）,相应有调功输出电流的有效值Io与电源有效值I之间的关系为,（5-3）,负载上获得的有功功率可以表示为,（5-4）,由负载功率表达式可以看出，改变周期占空比的值，即可达到调节输出功率的目的。通过对调功电路的输入功率因数的分析，可以求得单相交流调功的调功效率。已知在整个通断周期内，输入功率因数为负载有功功率与电源视在功率的比值，即,（5-5）,由于串接在调功电路中的两只晶闸管为反并联连接形式，通过晶闸管VT1和VT2的电流仅为半波电流，所以平均值可以表示为,其中,,5.2单相交流调压,1．电阻负载单相交流调压电路如图5-6（a）所示，由一只双向晶闸管组成主电路，接电阻负载。当电源电压为正半周时，在ωtα时刻双向晶闸管VT被触发导通，便有电流i流过负载电阻R，负载上有电压uR。当ωtπ时，电源电压过零，i＝0，VT自行关断，uR＝0。在电源的负半周ωtπα时，再次触发VT导通，负载电阻有电压，uR变为负值。在ωt2π时，i＝0，VT又自行关断，uR＝0。下个周期重复上述过程。在负载上得到缺角的输出交流电压波形如图5-6（b）所示。,图5-6单相交流调压电阻负载电路a电路图；b波形图,若电路由两只反并联单向晶闸管组成，则要用两组独立的触发电路分别控制两只晶闸管，在正、负半周对称的相应时刻（ωtα，ωtπα）给触发脉冲，便与双向晶闸管电路一样，负载上得到同样的可调交流电压。电阻负载单相交流调压的数量关系如下所述。输出交流电压有效值为,5-7,电流有效值为,5-8,流过晶闸管的电流有效值与式（5-3）相同。功率因数为,5-9,2．电感负载当负载为线圈、交流电动机或经过变压器再接电阻负载时，这种负载称为电感性负载。电感性负载单相调压电路如图5-7所示，工作情况与可控整流带电感性负载相似。由于电感性负载电路中电流的变化要滞后电压的变化，因此和电阻性负载相比就有一些新的特点。当电源电压反向过零时，由于电感产生感应电动势阻止电流变化，故电流不能立即为零，此时晶闸管导通角θ的大小不但和控制角α有关，而且与负载阻抗角有关。当控制角为α时，Ug1触发VT1导通，流过VT1的电流i1有两个分量，即稳定分量iB与自由分量iS，其值分别为,5-10,其中,5-10′,其中为自由分量衰减时间常数。,图5-7电感性负载单相交流调压电路a电路原理图；b电路波形图,流过晶闸管的电流即负载电流为,5-11,当α＞φ时，电压电流波形如图5-7b）所示。随着电源电压下降，过零进入负半周，电路中电感储存的能量释放完毕，电流减小到零，VT1管才关断。取ωt0时触发管子，ωtθ时关断，代入式5-11可得,当取不同的φ角时，θfα的曲线如图5-8所示。由图可见，当α＞φ时，θ180，负载电路处于电流断续状态；当αφ时，θ180，电流处于临界连续状态；当αφ时，θ仍维持180，电路已不起调压作用。1α＞φ稳定分量iB与自由分量iS的波形如图5-7b所示，叠加后电流波形i1的导通角θ180，正负半波电流断续。α越大，θ越小，波形断续越严重。,图5-8取不同的φ角时，θfα的曲线如图,2αφ由式5-11可知，自由分量iS0时，iiB，θ180，正负半周电流处于临界连续状态,相当于晶闸管失去控制，负载上获得最大功率，此时电流波形滞后电压φα角。3α180，触发脉冲如图所示为窄脉冲。当ug2出现时，VT1的电流还未到零，VT2受反压不能触发导通。待VT1中电流变到零关断，VT2开始受正压时，ug2脉冲已消失，故VT2无法导通。当第三个半周时又触发VT1管，这样使负载只有正半波，电流出现很大的直流分量，电路不能正常工作。,图5-9αφ、窄脉冲时的电流波形,综上所述，单相交流调压可归纳为以下三点1带电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流波形一致，改变控制角α可以改变负载电压有效值，达到交流调压的目的。2带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则当αφ时会发生一个晶闸管无法导通的现象，电流出现很大的直流分量，会烧坏熔断器或晶闸管。3带大电感性负载时，最小控制角αminφ负载功率因数角，所以α的移相范围为φ～180，而带电阻性负载时移相范围为０～180。,3αφ稳定分量iB与自由分量is波形如图5-12所示，VT1的导通角，触发脉冲如图所示为窄脉冲，则当Ug2出现时，VT1的电流还未到零，VT2受反压不能触发导通；待VT1中电流变到零关断，VT2开始受正压时，Ug2脉冲已消失，故VT2无法导通。当第三个半周时又触发VT1管，这样使负载只有正半波，电流出现很大的直流分量，电路不能正常工作。所以带电感性负载时，晶闸管不能用窄脉冲触发，可采用宽脉冲或脉冲列。这样，在αφ时，虽然在刚开始触发晶闸管的几个周期内两管的电流波形是不对称的，但是当负载电流中的自由分量衰减后，负载电流即得到完全对称连续的波形，电流滞后电源电压φ角。,综上所述，单相交流调压可归纳为以下三点1带电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流波形一致，改变控制角α可以改变负载电压有效值，达到交流调压的目的。2带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则当αφ时会发生一个晶闸管无法导通的现象，电流出现很大的直流分量，会烧坏熔断器或晶闸管。3带大电感性负载时，最小控制角αminφ负载功率因数角，所以α的移相范围为φ～180，而带电阻性负载时移相范围为０～180。,3．相位控制器调压电路若将图5-7中的单相交流调压控制器中的晶闸管用IGBT管取代，则可构成如图5－10（a）所示的电路，它除了实现交流调压应用之外，还是一个相位控制器。因为IGBT是受栅极驱动信号控制的自关断器件，所以可以用栅极信号控制IGBT的导通与关断的时刻。如果输入电压uiUmsinωt，负载为电阻性（如图5-10（b）所示波形），则当ωtα1给VT1加栅极驱动信号Ug1时，在ωtα2时撤消Ug1。此后，在ωtπα1给VT2加栅极驱动信号Ug2时，在πα2时撤消Ug2。这样负载上得到的电压仅是电源电压正负极半周α1～α2的区间的值,则负载电压有效值为,5-12,图5-10相位控制器及其波形,当α2π-α1时，即电压在0～π之间对称，则输出电压有效值为,输出电流有效值为,5-14,5－13,图5-11用其它自关断元件组成的相控器a由GTR组成；b由GTO组成,,5.3三相交流调压,1．星形连接带中性线的三相交流调压电路带中性线的三相交流调压电路实际上是三个单相交流调压电路的组合。如图5-12所示，其工作原理和波形与单相交流相同，图5-12（a）中晶闸管触发导通的顺序为VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6，图5-12（b）中双向晶闸管的导通顺序也是VT1→VT6，由于存在中性线，故不需要双窄脉冲或宽脉冲触发。,图5-12星形连接带中性线的三相交流调压电路,在三相正弦交流电路中，由于各相电流ia、ib、ic相位互差120，因此中性线的电流iN＝0。而在交流调压电路中，每相负载电流为正负对称的缺角正弦波，它包含较大的奇次谐波电流，主要是3次谐波电流。交流正弦波的各次谐波分量与控制角的关系如图5-13所示。当α90时，3次谐波电流最大。在三相电路中各相3次谐波是同相的，因此中性线的电流iN为一相3次谐波电流的三倍，数值较大。如经三柱式变压器供电，则3次谐波磁通量不能在铁心中形成通路，出现较大的漏磁通，引起发热与噪声，带来干扰，因此这种电路的应用有一定的局限性。,图5-13缺角正弦电流的谐波分量与控制角的关系,2．晶闸管与负载连接成内三角形的三相交流调压电路该接线形式如图5-14所示，客观上也是三个单相交流调压电路的组合。其优点是由于晶闸管串接在三角形内部，流过晶闸管的电流是相电流，故在同样线电流情况下，管子容量可降低；另外，线电流中无3的倍数次谐波分量，对电源影响与对通信、广播干扰都较小。缺点是负载必须能折成三个部分才能接成此种电路。,图5-14连接成内三角形的三相交流调压电路,3．晶闸管反并联的三相三线交流调压电路该接线形式如图5-15所示，负载可以连结成星形，也可以连结成三角形。所用触发电路和三相全控桥式整流电路一样，需采用宽脉冲或双窄脉冲。,图5-15三相三线交流调压电路,现以电阻负载连接成星形为例，分析其工作原理。1控制角α0。α0即在相应的每相电压过零处给晶闸管触发脉冲，这就相当于把六只晶闸管换成六只整流二极管，因而三相正、反向电流都畅通，相当于一般的三相交流电路。当每相的负载电阻为R时，各相的电流为。晶闸管的导通顺序为VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6；触发脉冲的间隔为60；每管的导通角为θ180。除换流点外，每时刻均有三只晶闸管导通。,2控制角α60。a相晶闸管导通情况与电流波形如图5-16所示。,图5-16α60时的波形,ωt1时刻触发VT1管导通，与原导通的VT6管构成电流回路，此时在线电压uab的作用下a相电流为,ωt2时刻，VT2管被触发导通,VT1与VT2构成电流回路，此时在线电压uac的作用下a相电流为,ωt3时刻，VT1管被关断，VT4管还未导通，所以ia＝0。,ωt4时刻，VT4管被触发导通，ia在uab电压作用下，经VT3、VT4构成电流回路。同理,在ωt5～ωt6期间，uac电压经过VT4、VT5构成电流回路，电流波形ia如图5-16中剖面线所示。同样分析可得到ib、ic的波形，其波形与ia相同，只是相位互差120。当α90时，电流开始断续。图5-17为α120时的电流波形。,图5-17α120时的波形,值得注意的是，当VT1与VT6从ωt1导通到ωt2时，由于uab电压过零反向，强迫VT1关断VT1管先导通了30。当ωt3时刻，VT2管被触发导通，由于同时采用了脉宽大于60的宽脉冲或双窄脉冲的触发方式，故VT1仍然有脉冲触发。此时在线电压uab的作用下，经VT1、VT2管构成回路，使VT1又重新导通30。从图5-17可见，当α增加到150时，ia＝0。因此，电阻性负载时电路的移相范围为0～150，导通角θπ-α。,4．应用实例图5-18所示为1000A，电压3～12V可调的电镀电源线路。整流变压器可以星形、三角形换接，与一次侧电路的三相晶闸管交流调压配合，达到改变二次侧电压的目的。触发电路采用简单的阻容移相触发，同步变压器TS一次侧接到对应的线电压上。Uab线电压超前相电压Ua30，使得VT1管触发调小控制角α时有一定余量。移相变压器二次侧电压抽头不对称12V、24V，使得小控制角α运行时，脉冲变压器一次侧电压幅值较大，脉冲幅值增大。由于整流变压器TR一次侧可以星形、三角形换接，本装置运行在最小直流输出电压3V时，控制角α不会太大。,图5-18KGDS-1000/3-12型电镀整流装置原理图,,5.4基本直流变换电路,1．降压式直流斩波电路1带阻性负载的斩波电路。最基本的降压式斩波电路如图5-19（a）所示。电阻R为斩波器的负载，S为斩波开关。作为斩波电路的关键功率器件，斩波开关可用普通型晶闸管、可关断晶闸管或其它自关断器件来实现。但是，普通型晶闸管本身无自关断能力，要设置换流回路，用强迫换流方法使它关断，因此增加了损耗。目前，快速自关断电力电子器件的出现为斩波频率的提高创造了条件，可以通过提高斩波频率来减少谐波分量，降低对滤波元件的要求，从而减小变换装置的体积和减轻变换装置的重量。另外，采用自关断器件后，还可以省去换流回路，从而简化了电路，是斩波电路的发展方向。,图5-19基本斩波电路及波形,对应图5-19（a）电路可以看出，当开关S合上时，直流电压就加到了负载电阻R上。在导通时间ton内，R上得到的电压为Ud；在关断时间toff内，S切断，负载上的电压为零。电路的输出波形如图5-19（b）所示。设斩波器的工作周期为T，则有Ttontoff；定义斩波器的占空比为δ，则。由波形图上可获得输出电压平均值为,5－15,输出电压有效值为,5-16,假若斩波器开关S为理想器件，无损耗，那么输入功率Pi应与输出功率相等，即,5-17,另外，从直流电源侧看，等效电阻为Ri，有,5-18,占空比改变可通过改变ton或T来实现。一般斩波器的工作方式有两种①脉宽调制工作方式维持T不变，改变ton；②频率调制工作方式维持ton不变，改变T。大多采用的是脉宽调制工作方式，因为采用频率调制工作方式容易产生谐波干扰而且滤波器设计也比较困难。,2带感性负载的直流斩波电路。在实际应用中负载多为电感性，常采用图5-20所示的斩波电路。图中C1为输入端滤波电容，VD为续流二极管，L和C组成低通滤波器，Z是斩波器的感性负载。,图5-20带感性负载的斩波电路,2．升压式直流斩波电路图5-21所示为升压式斩波变换电路，由斩波开关管V、储能电感L、升压二极管VD和滤波电容C组成。,图5-21升压式直流斩波电路图,电路的工作过程可以描述为当V在控制信号的作用下导通时，L的左端和VD的阳极被短接至地端。此时，由于C上储存电压的极性使VD被反向偏置，而电源则向L储能，相当于输入端与输出端隔离。当V在控制信号的作用下关断时，电感上的感应电势将与输入电压Ud叠加使二极管VD正向导通，同时向负载供电和向C补充能量。另外，在输入、输出隔离期间，为保证输出电流连续，则由C向负载供电。作为升压直流斩波电路，此电路的输出电压将永远高于输入电压。,3．升降压式直流斩波电路升降压式直流斩波电路是由降压式和升压式两种基本变换电路混合串联而成的，它主要用于可调直流电源。如图5-22所示，这种电路的输出与输入有公共接地端，输出电压幅值可以高于或低于输入电压，其极性为负。稳定时输出电压与输入电压之间的变化是两级变换电路变化的乘积。若两级变换电路和占空比相同，则有,5-19,上式表明输出电压可以高于或低于输入电压，其数值大小取决于占空比δ的大小。,图5-22升降压式直流斩波电路图,4．软开关的基本概念1）软开关的基本概念硬开关在开关转换过程中，由于电压、电流均不为零，出现了电压、电流的重叠，会导致开关转换损耗的产生。同时，由于电压和电流变化过快，也会使波形出现明显的过冲，产生开关噪声。随着开关频率的提高，开关转换损耗增加，转换效率下降,最终限制了硬开关的应用。利用软开关解决上述问题的方法是，在原有硬开关电路的基础上增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络。这样，在开关过程的前后就会引入谐振过程，利用谐振电压、电流的过零点适时切换关开，就可以消除开关过程中电压、电流重叠的现象。从而降低甚至消除开关损耗和开关噪声。,根据上述原理可以采用两种方法，即在开关关断前使其流过的电流为零或开关开通前使其两端的电压为零。对应的开关形式也分为两大类，分别称为零电流开关（ZeroCurrentSwitch,ZCS）和零电压开关ZeroVoltageSwitch,ZVS。零电流开关在开关关断时不会产生噪声，而零电压开关在开关开通时不会产生噪声。零电流关断或零电压开通要靠电路中的辅助谐振电路来实现，所以也称为谐振开关。,2）软开关分析简介零电流型、零电压型谐振开关的简化等效电路如图5-23所示，图中S等效于直流转换电路中的控制开关，L、C为原有转换电路基础上增设的谐振元件。能够实现软开关的关键在于开关转换时是否存在相应的电流、电压过零点。由于软开关形式较多，工作过程也比较复杂，这里仅做简单分析。,图5-23零电流、零电压谐振开关a零电流型；b零电压型,以图中电路为例，在零电流型谐振开关电路中，流过开关S的电流即是流过电感L的电流iL，可以表示为,另外，在零电压型谐振开关电路中，开关S两端的电压即是电容C两端的电压uC，可以表示为,（5-21）,其中,,5.5直流变换应用举例,1．直流电压变换电路的工作原理图5-24a是直流电压变换电路的原理图。图中，开关S可以是各种全控型电力电子器件；Us是恒定直流电压电源；R为负载。在ton期间，开关S接通，则直流电源电压US与负载接通，变换电路的输出电压；在toff期间，开关S断开，变换电路输出电压。直流变换电路输出电压的平均值为,式中ton开关S的导通时间；toff开关S的关断时间；Ttontoff变换电路周期；δ变换电路的占空比。,可见，变换电路的输出电压的平均值Ud受电路占空比δ的控制，通过改变δ值即可改变电路的输出电压平均值。,图5-24直流电压变换电路原理图及输出波形图,若想改变电路的占空比δ,可采用以下三种方法1脉冲宽度调制也称定频调宽式，保持电路输出频率不变，即工作周期恒定,只改变开关S的导通时间ton。2频率调制PFM又称为定宽调频式，保持S的导通时间ton不变，改变电路周期T即改变电路的频率。3混合调制脉冲宽度即ton与脉冲周期T同时改变，此方法输出直流平均电压Ud的可调范围较宽，但控制电路较为复杂。,2．感应加热电源图5-25所示为高频感应加热电源的主电路。,图5-25高频感应加热电源主电路,3．逆导晶闸管与逆导型斩波器用普通晶闸管组成的逆变型斩波器中常常将晶闸管和整流二极管反并联使用，以提供反向电流通路。逆导晶闸管就是根据这一要求派生的新型器件，它将晶闸管和整流二极管制作在同一管芯上。其等效电路与符号如图5-26a所示。,图5-26逆导晶闸管与逆导型斩波电路,,习题与思考题,1．图5-27为单向晶闸管交流调压电路，U2220V,L5.516mH,R1Ω,试求1控制角的移相范围；2负载电流的最大有效值；3最大输出功率和功率因数。,图5-27习题1附图,2．一台220V、10kW的电炉，采用晶闸管单相交流调压，现使其工作在5kW,试求电路的控制角α、工作电流及电源侧功率因数。3．某单相反并联调功电路，采用过零触发。U2＝220V,负载电阻R＝1Ω;在设定的周期Tc内，控制晶闸管导通0.3s，断开0.2s。试计算送到电阻负载上的功率与晶闸管一直导通时所送出的功率。4．试以降压式斩波器为例，简要说明斩波器式直流变压器的转换效果。,5．开关器件的开关损耗大小同哪些因素有关试比较降压变压电路和升压变换电路的开关损耗的大小。6．图5-28所示的降压斩波电路中，V在t＝0时导通，以后重复上述过程，试完成以下要求1求输出电压的平均值Ud和有效值Uo。2求斩波器的输入功率Pi。,图5-28习题6附图,,