第五章 交流调压电路与斩波电路

车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及电动汽车的控制。 可使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效 果。
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直流变换系统的结构
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直流斩波器的基本工作原理
最基本的降压式斩波电路如左图所示： E Q：斩波开关，斩波电路中的关键功率器件， 可用普通型晶闸管、可关断晶闸管GTO或者其 它自关断器件来实现。
所以α 的移相范围为φ ～180°。
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例1 晶闸管反并联组成的单相交流调压器，电源电压有效值Uo＝2300 V。 （1） 电阻负载时，阻值在1.15～2.3 Ω 之间变化，预期最大的输出功
率为2300kW，计算晶闸管所承受的电压的最大值以及输出最大功率时晶闸
值计算如下：
由
2 P I kW o o R 2300
得
Io 1414A
因为Io大于R＝2.3 Ω时的电流，所以α＞0。
I o 1414 IV 707 A 2 2
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③ 加在晶闸管上正、反向最大电压为电源电压的最大值，
即
2 2300 3253 V
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2. 工作原理
几点说明： ☞VT1导通时的管压降对VT2来说是一个反压，
VT1
因此VT2的导通只能等待VT1自然关断之后才能触发导通。
☞导通角θ ：VT1一旦触发导通, 其导通时间显然与控制角a,L,R的大小—阻抗角有关。 ★☞VT1的导通角必然影响VT2的导通角，两者之间是否有冲突？ 为了解答上述问题，需要仔细分析VT1的导通角θ 与L,R之间的关系
a =0时，功率因数cosφ =1，a 增大，
输入电流滞后于电压且畸变， cosφ 降低。 当a﹥0时功率因数小于1。 物理意义：电压利用率小于等于1
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二、阻感性负载
1. 电路结构
VT1
■R-L负载是交流调压器最一般化的 负载。
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。
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（2） 电感性负载的功率因数角为
arctan wL
R arctan 2.3 2.3 4
最小控制角为
min

4
故控制角的范围为 π/4≤α≤π。
最大电流发生在 αmin=φ=π/4处，负载电流为正弦波，其 有效值为
Io Uo R (wL)
wt
☞晶闸管电流有效值IT
IT 1 2 2U1 sinw t d w t U1 R R

2
1 sin 2 (1 ) 2 2
u
O
V T
wt
☞功率因数cosφ
cos P Uo I o Uo S U1I o U1 1 sin 2 2
u
T
ton1 t
u
ton2
t
有利于滤波器的设计
T
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②脉冲频率调制(PFM)
维持ton不变，改变T。改变 T就改变了输出电压周期或 频率。
u
T1
ton
t
u ton
ton ton D1 D2 T1 T2
t
T2
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u
结果形成单向半波整流现象，回路中出现
0
＋ wt
很大的直流电流分量，
u g1 0
wt
无法维持电路的正常工作。
失控
u g2 0 io 0
wt

wt
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解决上述失控现象的办法是：采用宽脉冲或脉冲列触发， 以保证 VT1 电流下降到零时， VT2 管的触发脉冲信号还未消失， VT2 可在VT1 电流为零关断后接着导通。 但VT2 的初始触发控制角 α
③混合调制
u
脉冲周期T与宽度ton均改变。
TS
ton1 t
广义的脉冲宽度调制 技术包含上述三种控 制方式
u
ton2
t TS2
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斩波电路的分类（按能量流转方向）：
1)A型斩波器:单象限工作。电压、电流均不可逆，
包括：降压斩波（Ⅰ）和升压斩波（Ⅱ）。
2)B型斩波器:两象限工作。电压极性不变、电流可变。 3)C型斩波器:四象限工作。电压、电流均可逆。
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
交流-交流变流电路：把一种形式的交流变成另一种形式 交流的电路。 交流调压电路的目的：调节输出电压有效值。 用途：
◆灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。 ◆异步电动机软起动。 ◆异步电动机调速。 ◆供用电系统对无功功率的连续调节。 ◆在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压。
2 2

2300 2.3 2.3
2 2
707A
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第三节 斩波电路
直流斩波电路：
利用晶闸管和自关断器件实现通断控制，将直流电压断续加到负载上， 通过控制通、断时间改变负载电压的平均值。也称为直流-直流变换器。
直流斩波技术的应用：
广泛应用于开关电源及直流电动机驱动中，如不间断电源(UPS)、无轨电
降压斩波和升压斩波是最基础的两类斩波电路，均属于A型。 A+A→B,B+B→C
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管电流的平均值和有效值。 （2） 如果负载为感性负载，R＝2.3 Ω ，ω L＝2.3 Ω ，求控制角范围
和最大输出电流的有效值。
提示： （1） 什么时候可能输出最大功率？预估一下两个阻值最大输出功率？
（2） 控制角的理论范围？
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解
（1） ①当R＝2.3 Ω时，如果触发角α＝0，负载电
Io
U o 2300 1000 A R 2. 3
2 2 I R 1000 2.3 2300 kW 此时，最大输出功率 P o o 足要求。
，满
流过晶闸管电流的有效值IV为
IV I o 1000 500 A 2 2
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输出最大功率时，由于α＝0，θ＝180°，负载电流连续，所
→(a-φ )+θ ∈（0，π ）→θ ﹤π
③当a﹤φ 时 →sin(a+θ -φ )﹤0 →a+θ -φ ﹥π →θ ﹥π →θ=π
单相交流调压电路以φ为参变量时θ与α的关系
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下面分别就α ＞φ 、α ＝φ 、α ＜φ 三种情况来讨论调压电路的工作情况。 1) 因为α ＞φ 时， 导通角θ ＜π , 正负半波电流断续。α 越大， θ 越小，波形断续愈严重。 2) 当α ＝φ 时， 导通角θ ＝π 。 此时，每个晶闸管轮流导通180°， 相当于两个晶闸管轮流被短接， 负载电流处于连续状态， 输出完整的正弦波。 此时：VT1和VT2相当于开关，电路无交流调压作用
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VT1
3) 当α ＜φ 时，导通角θ ＞π 。 电源接通后，在电源的正半周，若先触发VT1，
若采用窄脉冲触发:若触发脉冲的宽度小于a+θ -(a+π )=θ -π 时，
当VT1的电流下降为零关断时，VT2的门极脉冲已经消失，VT2无法导通。 到了下个周期，VT1又被触发导通重复上一周期的工作，
UO
E
Q交替通断，在负载上就可得到方波电压。 降压式斩波电路的输出电压平均值低于输入直
T=Ton+Toff
流电压E
U0
Ton E E T
占空比（导通比）
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由上式可知：
当占空比a从0变到１时，输出电压平均值从0变到E。 占空比a的改变可通过改变ton或T来实现。可通过控制占空比控制输出电压。
则负载上得到缺α 角的正弦半波电压。 2)u1过零时： VT1中电流下降为零而关断。 3)u1﹤0时：
i
u1 O uo O
o
wt
wt
VT2受正压，当ω t＝π ＋α 时，触发VT2使其导通，
则负载上又得到缺α 角的正弦负半波电压。
u
O
V T
wt
结论：改变α 角的大小即可改变输出电压有效值的大小。
O 4
O
wt
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由上分析可知: 输出电压与 α 的关系:
移相范围为0≤a≤π 。a =0时，输出电压为最大。
Uo=U1, 随a的增大，Uo降低，a =π 时，Uo =0。
cosφ 与 的关系:
cos P Uo I o Uo 1 sin 2 S U1I o U1 2
wt
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3. 数量关系
☞负载电压有效值Uo
Uo
与单相桥式整流 电路电压有效值 的区别？

1
Baidu Nhomakorabea
2U 1 sinw t d w t U 1
2

1 sin 2 2
u1
O uo O i
o
wt
☞负载电流有效值Io
Io
Uo R
交交变频 变频电路 改变频率的电路
直接
交直交变频
间接
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一、电阻性负载
1. 电路结构
■把两个晶闸管反并联后串联在交流
电路中，通过对晶闸管的控制就可以
控制交流输出。
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2. 工作原理
1)u1﹥0时：
VT1受正压，当ω t＝α 时，触发VT1使其导通，
2 1 2 2
阻抗角
9
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因为ω t＝α ＋θ 时，io＝0。将此条件代入式
2U io [sin(wt ) sin( )e tan ] Z
可求得导通角θ 与控制角α 、负载阻抗角φ 之间的定量关系表达式为

tan
wt
sin( ) sin( )e
斩波电路三种控制方式
1)T不变，改变ton —脉冲宽度调制（PWM） 2)ton不变，改变T —脉冲频率调制(PFM) 3)ton和T都可调，改变占空比—混合调制
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①脉冲宽度调制(PWM)
维持T不变，改变ton
在这种方式中，输出电压波 形的周期不变，仅改变脉冲 宽度。
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•
基本方式：
交流电力 控制电路 只改变电压,电流 或控制电路的通 断,而不改变频率 的电路。
交流调压电路 相位控制
在每半个周波内通过对晶闸管开通相位 的控制，调节输出电压有效值的电路。
交流调功电路 通断控制
以交流电的周期为单位控制晶闸管的 通断，改变通态周期数和断态周期数的 比，调节输出功率平均值的电路。
2Uo io sin wt 2
此时晶闸管电流的平均值为
1 I dt 2


0
2Uo 2Uo 1.414 2300 sin wtd (wt ) 450A R R 3.1415 2.3
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② R＝1.15 Ω时，由于电阻减小，如果调压电路向负载 送出原先规定的最大功率保持不变，则此时负载电流的有效

a与θ 、φ 的
定量关系
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针对交流调压器，其导通角θ ≤180°，根据上式可绘出θ ＝f（α ，φ ） 曲线，以φ 为参变量，可将上式中和的关系用一簇曲线来表示。


tan
sin( ) sin( )e
①当a =φ 时，→sinθ = 0 →θ =π ②当a﹥φ 时，→ sin(a+θ -φ )﹥0
2
=α ＋θ -π ＞φ ，即VT2 的导通角θ ＜180°。
从第二周开始，由于 VT2 的关断时刻向后移，因此 VT1 的导通角逐渐减小， VT2的导通角逐渐增大，直到两个晶闸管的导通角θ ＝180°时达到平衡。 据上分析，当α ﹤φ 并采用宽脉冲触发时，负载电压、 电流总是完整的正 弦波，改变控制角α ，负载电压、电流的有效值不变，电路失去交流调压作 用。在感性负载时，要实现交流调压的目的，起动时必须α ﹥φ
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VT1
☞当前VT1假设导通，则有
u1 2U1 sin wt L di0 Ri0 dt
wt
解微分方程则有
2U io [sin(wt ) sin( )e tan ] Z
式中
导通角
wt
Z [ R (wL) ] wL arctan R