交流-交流变换电路

1、实验三：交流-交流变换电路（一） 实验目的（1）掌握交流调压电路的工作特性；（2）掌握谐波分析方法。（二）实验原理（1）单相交流调压电路原理 图1.主电路 图2.工作波形图（工况）单相交流调压电路带组感性负载时的电路以及工作波形如上图所示。由于阻感性负载时电流滞后电压一定角度，再加上移相控制所产生的滞后，使得交流调压电路在阻感性负载时的情况比较复杂，其输出电压，电流与触发角，负载阻抗角都有关系。当两只反并联的晶闸管中的任何一个导通后，其通态压降就成为另一只的反向电压，因此只有当导通的晶闸管关断以后，另一只晶闸管才有可能承受正向电压被触发导通。由于感性负载本身滞后于电压一定角度，再加上相位控制产

2、生的滞后，使得交流调压电路在感性负载下的工作情况更为复杂，其输出电压、电流波形与控制角、负载阻抗角都有关系。其中负载阻抗角,相当于在电阻电感负载上加上纯正弦交流电压时，其电流滞后于电压的角度为。为了更好的分析单相交流调压电路在感性负载下的工作情况，此处分三种工况分别进行讨论。情况：上图所示为单相反并联交流调压电路带感性负载时的电路图，以及在控制角触发导通时的输出波形图，同电阻负载一样，在的正半周角时，触发导通，输出电压等于电源电压，电流波形从0开始上升。由于是感性负载，电流滞后于电压，当电压达到过零点时电流不为0，之后继续下降，输出电压出现负值，直到电流下降到0时，自然关断，输出电压等于0，正

3、半周结束，期间电流从0开始上升到再次下降到0这段区间称为导通角。由后面的分析可知，在工况下，因此在脉冲到来之前已关断，正负电流不连续。在电源的负半周导通，工作原理与正半周相同。 为了分析负载电流的表达式及导通角与、之间的关系，假设电压坐标原点如图所示，在时刻晶闸管T导通，负载电流i应满足方程L=sin 其初始条件为i|=0，解该方程，可以得出负载电流i在区间内的表达式为i=当=时，i=0，代入上式得，可求出与、之间的关系为sin（-）=sin（-）e利用上式，可以把与、之间的关系用下图的一簇曲线来表示。图3.与、之间的关系曲线图中以为参变量，当=0时代表电阻性负载，此时=180-；若为某一特定

4、角度，则当时，=180，当时，随着的增加而减小。上述电路在控制角为时，交流输出电压有效值U、负载电流有效值I、晶闸管电流有效值I分别为U=UI=2I I= I式中，I为当=0时，负载电流的最大有效值，其值为I=为晶闸管有效值的标玄值，其值为=由上式可以看出，是及的函数下图给出了以负载阻抗角为参变量时，晶闸管电流标幺值与控制角的关系曲线。 图4.晶闸管电流标幺值与控制角的关系曲线=情况：当控制角=时，负载电流i0的表达式中的第二项为零，相当于滞后电源电压角的纯正弦电流，此时导通角=180，即当正半周晶闸管T1关断时，T2恰好触发导通，负载电流i0连续，该工况下两个晶闸管相当于两个二极管，或输入输

5、出直接相连，输出电压及电流连续，无调压作用。情况:在工况下，阻抗角相对较大，相当于负载的电感作用较强，使得负载电流严重滞后于电压，晶闸管的导通时间较长，此时公式仍然适用，由于，公式右端小于0，只有当时左端才能小于0，因此，如图所示，如果用窄脉冲触发晶闸管，在时刻被触发导通，由于其导通角大于180，在负半周时刻为发出出发脉冲时，还未关断，因受反压不能导通,继续导通直到在时刻因电流过零关断时，的窄脉冲已撤除，仍然不能导通，直到下一周期再次被触发导通。这样就形成只有一个晶闸管反复通断的不正常情况，始终为单一方向，在电路中产生较大的直流分量；因此为了避免这种情况发生，应采用宽脉冲或脉冲列触发方式。（2

6、）斩控式交流调压电路原理图5. 斩控式交流调压电路原理图 图6.交流斩波调压输出波形斩波控制方式时，晶闸管要带有强迫关断电路或采用IGBT、MOSFET等可自关断器件，在每个电压周波中，开关元件多次通断，使电压斩波成多个脉冲，改变导通比即可实现调压。斩控式交流调压电路的原理图如图5所示，一般采用全控型器件作为开关器件。其基本原理和直流斩波电路有类似之处，只是直流斩波电路的输入是直流电压，而斩控式交流调压电路的输入是正弦交流电压。在交流电源u1的正半周，用V1进行斩波控制，用V3给负载电流提供续流通道；在u1的负半周，用V2进行斩波控制，用V4给负载电流提供续流通道。斩控式交流调压就是通过改变对

7、晶闸管的导通的控制，可以是保持开关周期T不变，调节开关导通时间Ton,这种方式称为脉冲宽度调制（PWM调制），也可以是开关导通时间Ton不变，改变开关周期T，称为频率调制，还有一种混合型，就是Ton，和T都可调。实验室提供的是PWM调制，通过调节开关导通的时间，即调节占空比，就可以对输出电压的平均值进行调节。 图6给出了电阻负载时斩控式交流调压电路的波形。可以看出，电源电流i1的基波分量和电源电压u1同相位，即位移因数为1。另外，通过傅里叶分析可知，电源电流中不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波。这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除。这个电路的功率因数接近1。（三）实验内容在MATLAB

8、/Simulink中分别构建晶闸管单相交流调压电路和斩控式单相交流调压电路，测试交流调压性能，并在输入输出电压相同的情况下，比较两个电路的谐波分析结果。（一） 实验过程与结果分析1仿真系统MATLAB平台2仿真参数（1）电相交流调压电路交流电源E=220V，f=50Hz；触发脉冲T=0.02s，D=5%；电阻R=100，电感L=0.1H（2）斩控式交流调压电路交流电源E=100V，f=50Hz；电阻R=100，电感电感L=1uH或0.1uH3仿真波形与分析（1）单相交流调压电路：电路模型如下：图7.单相交流调压电路仿真模型触发角=300时的波形图和谐波分析：图8. =300时的波形图图9.=3

9、00时的谐波分析触发角=600时的波形图和谐波分析：图10.=600时的波形图图11.=600时的谐波分析触发角=900时的波形图和谐波分析：图12. =900时的波形图图13.=900时的谐波分析波形分析：以上各图分别为触发角为30,60,90时所得的仿真波波形和谐波分析，波形图中第一个波形为触发脉冲的波形，第二个波形为负载电流的波形，第三个波形为负载电压的波形。单相交流调压电路带组感性负载时，随着触发角的增大，负载两端电流和电压波形的占空比逐渐减小。由于电感的影响电流波形和电压波形不再保持一致，这是因为电感的储能作用。当触发脉冲到来时，正向晶闸管导通，电压发生跳变，由于电感的作用，电流只能

10、从零开始变化，同时电感开始储能。当电源电压变为负时正向晶闸管并不能关断，直到电感中的储能释放完，这就是负载两端电压和电流波形不一致的原因。由此可以看出电感是一种储能元件，其两端的电流不能突变但电压可以。且当触发角逐渐增大时，谐波的总含有量THD也变大。（2）斩控式交流调压电路电路模型如下：图14.斩控式交流调压电路仿真模型触发脉冲波形：图15.V1、V3触发脉冲 图16.V2、V4触发脉冲IGBT上下两触发脉冲的波形相差1800，从而恰好使正弦波的正半周和负半周交替形成边缘为正弦波的斩波。L=1uH时的仿真波形和谐波分析：图17.L=1uH时的仿真波形图18. L=1uH时的谐波分析L=0.1uH时的仿真波形和谐波分析：图19.L=0.1uH时的仿真波形图20. L=0.1uH时的谐波分析波形分析：仿真波形为边缘为正弦波的斩波，波形一定的振荡，方波底端略微倾斜。减小电感的值，波形变得更为平滑。交流斩波的波形谐波含有量