交流调压及斩波电路

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。 交流调压器的晶闸管控制通常有两种方法：
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。
（Buck Chopper)
一、降压斩波电路
VT L R
iG
t1 T1
降压斩波及其波形 t2
i2
I20 tK
u
W
～
W
VT2
VT5 R
0
t1
t2
t3
t
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 ＝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 式整流电路不同。
VT1
i0
VT2 u0 R
iG1
iG2 i0
α
晶闸管 导通角

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。 U0 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 uAK1 的 表达式为微分方程式之解。
θ
α α
L di0/dt + Ri0 = √2U1Sin ωt
iG
t1 I20
t2
T
i0 i1
i2
tx
tK
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）
（ C）
u0
E
EM
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 能在第一象限工作，并且 U0≤E，故称为降压斩波 电路。
tk＜t＜tx期间，VD 导电，负载电压为零，tx ＜t＜T，负载电流为零， 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 开始下一个工作周期， 把负载电流断续的状态 称为状态2。
一、负载按 YN 联结的三相交流调压器电路
VT1
U
VT4 VT3 VT5
R
R R iN
V
W N
VT6
VT2
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。
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 单相交流调压器的工作情况与它的负载性质有关。
位控制的交流调压器，先阐述作为基础的单相交流调压器。
一、电阻性负载
VT1 i0 u1 u0 i0 VT2 u0 R
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
L
VD
二、升压斩波电路
i1
E1
E2
此图为原理图，主开关器件仍是晶闸管VT，当其触发导 所以输出电压比输入 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 电压高。该电路可以把输 值I1，设VT的导通时间为t1，VT导通时L继续积蓄的能量为 入电压 升高。这时，T/t2 E1I1t1；其次，在电容 C足够大时，输出电压可看成定值，设 VT的切断时间为 t2，VT切断时间向负载释放的能量为（E1－ 表示升压比 E2）I1t2，稳态下这两种能量相等，既：
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。
VT1 i0
Φ＝tg-1( L/R)
u1
VT2
u0
R
第三节 斩波电路
E
U0
（ a）
EM
+
M －
i0
i1
I10
（a）为降压斩波电路，其主 开关采用晶闸管VT，为了使 u0 它关断所必须的换流回路图 中未画出。 iG
E
（ b）
t1
I20 tK T
t2
i2
在t = 0时触发VT，因负 i0 i1 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 u0 E 电压E。
uUV
2 2Usint uVW 2U sin( t 3 ) 4 uWU 2U sin( t ) 3
晶闸管导通区间 VT1 VT2 VT3 VT5 VT6 u2
α=0
uU
VT1 VT2 N ～
U
VT4
VT1
R
uV
～
V
VT6
VT3
R
O
VT4 VT5 VT6 uu uv uw
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。
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。
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
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
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。
上一章重点内容复习
什么是电压型和电流型逆变电路？各有何特点？
答：按照逆变电路直流侧电源
性质分类，直流侧为电压源的逆变
电路称为电压型逆变电路，直流侧
为电流源的逆变电路称为电流型逆
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变电路。
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
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
α
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：
晶闸管单相交流调压电路及波形
（C）
EM
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
iG
t1 T1
降压斩波极其波形 t2
i2
I20 tK
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
i0
i1
I10
晶闸管电流平均值
IdT = √2U1/2πR（1+COSα）
晶闸管电流有效值
IT =随着 U1/R √ 1/2（1－α/π+Sin2 α/2 π） α 的逐渐增大，电
阻R上的电压有效值U0逐 负载R上电压有效值 U0 = U1√α 1/= 2π πSin2 α+[π － α]/ π 渐减小。当 时， U0等 于零，因此单相交流调压 U1为输 器对电阻性负载，其电压 入交流 可调范围为0～U1，控制角 电压的 负载R上的电流有效值 I0= U0 /R α的移项范围为 有效值 0≤ α≤ π。
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。
α ＝0，电路全部按1类工作状态工作，三相电
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°。
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
功率因数
COS φ = [U0I0] / [U1I0] = U0/U1
二、电阻—电感负载
R—L负载是交流调压器最 一般化的负载。 针对交流调压器， 两只晶闸管门极的起 应附加导通角小于或等 始控制点应分别定在电源电压每 于180度的条件。 个半周的起始点，α的最大范围 是0＜ α＜π 。正、负半周有相同 的α角。 u1 u1
流是完整的正弦波。 30度交替工作状况。 α＝ α＝
30度时，属1类工作状态与2类工作状态每隔
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。 时，晶闸管每次导电都是断续的。 α>90度
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？
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： u0
E
（ b）
U0 = [t1/T]E = [t1/（t1+t2）]E = α E
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。
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。
VT1
U
VT4 VT3
R R R
V
VT6 VT5
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，
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
缺点是输出电压或功率调节不平滑。
电路简单，功率因数高，适用于有较大的时间常数的负载，
② 相位控制。它是使晶闸管在电源电压每一周期中、
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
W N
VT2
iN
不平衡，有iN流过零线
二、用三对反并联晶闸管接成的
—— uU
～
U VT1
三相三线交流调压电路
R R
uV
N
VT4
V VT6
VT3
～
uW
～
W
VT2
VT5 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，与三相全控 O 桥整流电路一样，应采用宽脉冲或 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