交流调压及斩波电路课件

交流调压器的晶闸管控制通常有两种方法：
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① 通断控制。即把晶闸管作为开关将负载与交流电 源接通几个周期（工频1周期为20 ms），然后在开断一 定的周期，改变通断时间比值达到调压的目的。这种晶闸 管起到一个通断频率可调的快速开关的作用。这种控制方 式电路简单，功率因数高，适用于有较大的时间常数的负 载，缺点是输出电压或功率调节不平滑。
② 相位控制。它是使晶闸管在电源电压每一周期中、 在选定的时刻内将负载与电源接通，改变选定的时刻可达 到调压的目的。
在交流调压中，相位控制应用较多，下面主要分析 相位控制的交流调压器，先阐述作为基础的单相交流调压 器。单相交流调压器的工•交作流调情压及斩况波电与路 它的负载性质有关。
一、电阻性负载
等于零，因此单相交流调
压器对电阻性负载，其电
I = U /R 压可调范围为0～U1，控制
负载R上的电流有效值 0
0
角α的移项范围为
0≤ α≤ π。
U1为输 入交流 电压的 有效值
功率因数 COS φ = [U0I0] / [U1I0] = U0/U1
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二、电阻—电感负载
VT1 i0
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二、用三对反并联晶闸管接成的
—— 三相三线交流调压电
路uU
～U
VT1 R
以电阻负载接成星形为例进行分析。由于 没有零线，每相电流必须和另一相构成回路，
uV VT4
N ～V
uW VT6
～W
VT3 R VT5 R
与三相全控桥整流电路一样，应采用宽脉冲或
O
双窄脉冲触发。设U是线电压的有效值，则三 相线电压分别为
U0 = [t1/T]E =
[t1/（t1+t2）]E = α E
iG
降压斩波极其波形
t1
t2
T1
i0
i1
I10
i2
I20
tK
E
u0
（b）
t1为VT的导电时间，t2为VT的关断 时间， α为导通比，它与U0成正比关系。 改变导通比，就可以使U0从零到E之间连 续变化。
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iG
t1
t2
A型斩波器中能在第一象限工作称为降压斩波器，
能在第二象限工作的为升压斩波器。将这两个A型斩波 器组合在一起既成为B型斩波器，两个B斩波器合在一 起即为C型斩波器，故降压、升压斩波器是基础。
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（Buck Chopper)
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一、降压斩波电路
VT
第五章 交流调压电路与斩波电路
第一节 单相交流调压电路
用晶闸管组成的交流电压控制电路，可以方便地调节输出电压的有效值。可用于电 炉温控、灯光调节、异步电动机的起动和调速等，也可用作调节整流变压器一次侧电压， 其二次侧为低压大电流或高压小电流负载常用这种方法。采用这种方法，可使变压器二 次侧的整流装置避免采用晶闸管，只需用二极管，而且可控级仅在一次侧，从而简化结 构，降低成本。交流调压器与常规的调压变压器相比，它的体积和重量都要小得多。交 流调压器的输出仍是交流电压，它不是正弦波形，其谐波分量较大，功率因数也较低。
iN
该电路各相通过零线自成回路，它相当于三 只单相晶闸管交流调压器的组合。电路中晶闸管承 受的电压和电流就是接于相电压的单相调压器需要 考虑的数值，该电路的缺陷是在零线中三次谐波电 流很大。由于三次谐波属于零序分量，它在零线中 的电流值为各相三次谐波电流值的代数和。
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当控制角为90度时，零线电流近似额定相电流，所以零线的导线面积要 求与相线的一致。另外，选用该电流还必须考虑电源变压器的零线是否允许通 过这个相当于额定负载相电流的电流值。
若按不同的改变负载两端的直流平均电压 的调制方法分，斩波器有三种工作情况。
① 主开关通断的周期T保持不变，而每次 通电时间 t1可变，称为脉冲调宽。
② 通电时间t1不变，而通断周期T可变，称 为调频。
③ t1和T 均可变，称为混合调制
按直流电源与负载进行能量交换的形式分，从原 理上可分为三类：
① A型斩波器，它只能在单象限工作，此时输出的直 流电压极性不变，电流平均值也只能维持在一个方向
自关断能力，需设置换流回路，用强迫的方法使之关断，因而增加了损耗。采用自关 断器件，省去了换流回路，又可提高斩波器的频率，是发展的方向，但应注意处理回 路中存储能量的问题。
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直流斩波电路 将直流电变为另一固定 电压或可调电压的直流 电。也称为直流----直流变换器
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② B型斩波器，能在双象限内工作 ，这里 指输出直流电压的极性不变，电流平均值的极 性可变，既有电源向负载输送能量，又有负载 向电源反送能量的能力。
③ C型（复合）斩波器，在B型斩波器的 基础上，若输出电压和电流平均值的极性均可 改变，既能在四象限内工作，如负载电动机能 正、反转地在电动和发电情况下工作。
VT1 i0
Φ＝tg-1( L/R)
u1
VT2
u0
R
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第三节 斩波电路
电力电子 技术中的斩波器，就是利用晶闸管和自 关断器件来实现通断控制将直流电源电压断续加在负载 上，通过通、断的时间变化来改变负载电压平均值，亦 称直流—直流变换器。现广泛应用与直流牵引的变速拖 动中，如城市电车、地铁、蓄电磁车等。由于直流电路 中的电流没有自然过零点，切断电流很困难。目前作为 主开关器件用得较多的晶闸管和逆导晶闸管，它们本身没有
α
晶闸管单相交流调压电路及波形
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晶闸管电流平均值 IdT = √2U1/2πR（1+COSα）
晶闸管电流有效值 IT = 随U1着/Rα√的1逐/2渐（增1－大α，/π+Sin2 α/2 π）
电阻R上的电压有效值U0逐
负载R上电压有效值渐U减0小=。U当1√α1=/ 2 ππSi时n2 ，α+[Uπ－0 α]/ π
L
R
iG
降压斩波及其波形
t1
t2
T1
E
U0
（a）
+ EM－M
i0
i1
I10
i2
I20
tK
（a）为降压斩波电路，其主开换 u0
流回路图中未画出。
在t = 0时触发VT，因负载中有电
阻和电感，负载电流i0按指数上升，晶 闸管导电期间，负载电压U0等于电源 电压E。
R—L负载是交流调压器最一般化的负
u1
VT2
u0
R
载。
两只晶闸管门极的起始控制点应 分最别大定范在围加条电是导件源 0通 。＜针电角α对压小＜交每于π流个或。调半等正压周于、器的1负8，起0半度应始周的附点有，相α同的
u1
的α角。
iG1
在一个晶闸管导通时，它的管压降 为另一个晶闸管的反向电压而使其截止。 iG2
VT1
i0
u1
VT2
u0
R
u0 i0
晶闸管VT1和VT2反并联连接，或采用 双向晶闸管VT与负载电阻连接到交流电源 u1上。当电源电压正半周时触发VT1，负半 周触发VT2，形同一个无触点的开关，允许 频繁操作，因为无电弧，寿命特长。若正负 半周以同样的移项角α触发VT1和VT2，则负 载电压的有效值可以随α角而改变，实现交 流调压，晶闸管电流的平均值、有效值；负 载电压上的有效值和该调压器的功率因数表 达式分别为：
α
于是在一个晶闸管导通时，电路工作情
况和单相半波整流时相同。负载电流i0
i0
晶闸管 导通角
的 表达式为微分方程式之解。
θ
U0
α
uAK1
α
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L di0/dt + Ri0 = √2U1Sin ωt
另一个晶闸管导通时，情况完全 相同，只是i0相差180°。与单相半波 整流不同的是，现在有两个晶闸管， 分别在电源电压的正、负半周工作， 所以每个晶闸管的导通角不可能大于 180°，而单相半波整流电路时，视不 同的φ，θ可大于180°。
能在第一象限工作，并且 开始下一个工作周期，
U0≤E，故称为降压斩波 把负载电流断续的状态
电路。
称为状态2。
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L
二、升压斩波电路
i1
E1
VD E2
所以输出电压比输入 此图为原理图，主开关器件仍是晶闸管VT，当其触发导通时，在电抗器L中积
蓄能量；VT关断时，积蓄的能量和电源的能量共同供给负载。L足够大时，流过L的 电流可看成一定值I1，设VT的导通时间为t1，VT导通时L继续积蓄的能量为E1I1t1；
uv t3
uw
首先确定电路中门极起始
控制点，把图中的晶闸管看成
二极管，可以看出，在电阻负
载时，从相电压过零时刻开始，
相应的二极管就导通。因此，α
t ＝0的点应定在各相电压过零点， 不论单相还是三相调压器，都
是从相电压由负变正的零点处
开始计算α的，这一点与三相桥
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式整流电路不同。
•交流调压及斩波电路
例题：在单相交流调压电路中，当控制角小
于负载功率因数角时为什么输出电压不可控？
答：当电源接通时，如果先触发T1，则T1的导
通角θ>180°如果采用窄脉冲触发，当电流下降为
零时，T2的门极脉冲已经消 失而无法导通，然后T1 重复第一周期的工作，这样导致先触发一只晶闸管
导通，而另一只管子不能导通，因此出现失控。
T
I20
i0 i1
i2
tK
tx
如果电感值很小，当 负载电流按指数曲线下 降到tx时，负载电流已衰 减到零，（C图）
u0
E
（C）
tk＜t＜tx期间，VD
EM
导电，负载电压为零，tx
＜t＜T，负载电流为零，
无论哪种工作状态， 电路图中的负载电流和电 压都只有正的方向，且只
但此时的负载电压等于 负载反电动势Em。 t = T时完成一个通断周期并
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第二节 三相交流调压电路
在大功率或者为某些三相负载控制方式时，通常采用三相交流调压器。三相 交流调压器接线形式很多，各有其特点，其技术经济指标都不相同，把主要接线 形式分述如下
一、负载按 YN 联结的三相交流调压器电路
U
VT4
V
VT6
W
N VT2
VT1 R VT3 R
VT5 R
六只晶闸管门极触发的相序是VT1,VT3,VT5触发相位依次滞后120度， VT4,VT6,VT2的触发又分别滞后于VT1 ,VT3 ,VT5 180度。这样，触发相位自VT1至 VT6，依次滞后间隔为60度。
当改变α时，该调压器有两种工作状态：在同一时刻，每一相有一只晶闸管 导通，称为1类工作状态。这时线电流分别为iU1，iv1 ,iW1；在同一时刻，有一相两 只晶闸管都不导通，另两相各有一只晶闸管导电，称为2类工作状态。这时现电流 分别为iuv2 ,ivw2 , iWU2，…等。
VT2
uUV
2Usint
uVW
2Usin(t2)
3
uWU
2Usin(t4)
3
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晶闸管导通区间 VT1
uU U
VT1 R
VT1
～
VT2 VT3
VT2
uV VT4
V
N～
VT3 R
O
VT5 VT6
VT4 VT5 VT6
u VT6
W～ W
VT2
VT5 R
u2
α= 0
0 t1
uu t2
1类工作状态，例如α＝0时的工作状态即属于此类工作状态，每相都有一只 晶闸管导电，三相电压、电流及所有晶闸管的α都是对称的，因此三相电源中点N 与三相负载中点O电位相等。
2类工作状态时，有一相的两只晶闸管都不导电，所以电流只能在导电的两 相间构成回路，电流通过两相负载电阻。
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α ＝0，电路全部按1类工作状态工作，三相 电流是完整的正弦波。 α ＝30度时，属1类工作状态与2类工作状态 每隔30度交替工作状况。 α ＝60度时，电路全部按2类工作状态工作。 α ＝90度时，电路全部按2类工作状态工作， 且是电流临界断续状态。 α>90度时，晶闸管每次导电都是断续的。
iG t1 i0 i1 I20
t2
T
i2
tK
u0
E
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EM
（b） （C）
当t = tK时刻，通过换流电路 的作用，使晶闸管关断，负载电流 通过二极管续流，负载电流按指数 规律下降。为了减小负载电流的脉 动，通常串接的电感很大。使负载 电流能连续。到一周期T在触发VT 时，重复上述工作。到稳态时，一 周期内电流的初始值与终止值应相 等。，如图b。这种负载电流连续 的状态称为状态1，此时负载端直 流输出电压的平均值为：
U
VT4
V
VT6
W
VT2
N
VT1
R
VT3 R VT5 R
iN
各晶闸管门极的触发脉冲，同相间两管的触 发脉冲应互差180度，三相间的同方向晶闸管的 触发脉冲要互差120 度。当控制角为零时，如同 三相交流电路的 YN 联结，各相电压、电流对称， 各相都有一个晶闸管导通，故零线电压 iN ＝0。
随着控制角增大，各相电流波形出现缺口， 表明在这段时间内该晶闸管关断，相电流为 零，造成三项电流不平衡，有iN流过零线