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文档简介
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
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