第2章自动控制系统的基本部件ppt课件

1、第2章 自动控制系统的基本部件 2.1 常用的检测元件 2.2 伺服电动机 2.3 晶闸管直流交流调压电路 2.4 大功率晶体管脉宽调制(PWM)型直流调压电路 2.5 正弦脉宽调制的交直交变压变频电路 2.6 常用的调节器 自动控制系统是由执行元件、检测元件、放大元件、校正元件等组成。正确选用和合理配置组成系统的各类元(部)件才能保证系统的正常运行及运行的质量，因此应对构成系统的基本部件有一个概括的认识。本章将介绍控制系统中常见的检测元件、执行元件、功率放大元件及有关线路。 2.1 常用的检测元件u2.1.1 温度检测元件 u2.1.2 线位移检测元件 u2.1.3 角位移检测元件 u2.1

2、.4 转速检测元件 2.1 常用的检测元件 所谓检测元件，简单地说，就是能将一种物理量(通常称为被测量)按照某种规律转换成容易处理的电信号的元件。它的基本功能就是检测和转换。在自动控制系统中，被测量的检测精度将直接影响系统的控制精度。因而，检测元件是自动控制系统中的一个重要部件。下面主要介绍温度、位置和调速系统中常用的检测元件。 2.1.1 温度检测元件2.1.1 温度检测元件2.1.1 温度检测元件2.1.1 温度检测元件2.1.1 温度检测元件2.1.1 温度检测元件2.1.1 温度检测元件2.1.1 温度检测元件3. 非接触式测温非接触式测温辐射温度计是利用从物体表面辐射出来的热辐射进行

3、非接触式温度测量辐射温度计是利用从物体表面辐射出来的热辐射进行非接触式温度测量的。例如红外测温就是常用的一种辐射测温装置。它的工作原理：自然的。例如红外测温就是常用的一种辐射测温装置。它的工作原理：自然界中任何本身温度高于绝对零度的物体都有红外辐射界中任何本身温度高于绝对零度的物体都有红外辐射(俗称红外线，它是俗称红外线，它是一种人眼看不见的光线一种人眼看不见的光线)，物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红，物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。图外辐射的能量就越强。图2.4即为一红外测温仪结构示意图。它由光学即为一红外测温仪结构示意图。它由光学系统、调制器、红外检测元

4、件、放大器、指示器等部分组成。系统、调制器、红外检测元件、放大器、指示器等部分组成。光学系统能将被测物体的辐射聚焦在灵敏的检测元件上，光学系统可分光学系统能将被测物体的辐射聚焦在灵敏的检测元件上，光学系统可分透镜式和反射式两种。调制器是把红外辐射调制成交变辐射的装置。因透镜式和反射式两种。调制器是把红外辐射调制成交变辐射的装置。因为系统对交变信号处理较易，且能取得高信噪比。红外检测元件是能将为系统对交变信号处理较易，且能取得高信噪比。红外检测元件是能将红外辐射能转换成电能的光敏器件，用来检测物体辐射的红外线能量。红外辐射能转换成电能的光敏器件，用来检测物体辐射的红外线能量。检测结果经放大器放大

5、后由指示器显示。检测结果经放大器放大后由指示器显示。红外测温的优点是，非接触测温，反应速度快，灵敏度高，测温范围广红外测温的优点是，非接触测温，反应速度快，灵敏度高，测温范围广(一般为一般为0C2000C)。其缺点是系统较复杂，安装调试维护较费事，成。其缺点是系统较复杂，安装调试维护较费事，成本高。本高。2.1.1 温度检测元件目标调 制 盘微 电 机光 学 系 统红 外 检测 元 件放 大 器指示器图 2.4 红 外 线 测 温 仪 示 意 图图2.4 红外线测量仪示意图2.1.2 线位移检测元件 2.1.2 线位移检测元件 2.1.2 线位移检测元件 2.1.2 线位移检测元件 2.1.2

6、 线位移检测元件 2.1.2 线位移检测元件 2.1.2 线位移检测元件 2.1.3 角位移检测元件 2.1.3 角位移检测元件 2.1.3 角位移检测元件 2.1.3 角位移检测元件 11a211222发送机G接收机R图2.8 控制式自整角机工作原理图iobsfcb图2.8 控制式自整角机工作原理图2.1.3 角位移检测元件 2.1.3 角位移检测元件 2.1.3 角位移检测元件 fioGR自 整 角 机 对放 大 器交 流 伺 服电 动 机SM负 载bs图 2.9 角 位 移 随 动 系 统图2.9 角位移随动系统2.1.3 角位移检测元件 3. 光电编码盘光电编码盘光电编码盘是一种按角度

7、直接进行编码的码盘式角度光电编码盘是一种按角度直接进行编码的码盘式角度数字转换器。数字转换器。其核心部件是编码盘。编码盘是一种按一定编码形式其核心部件是编码盘。编码盘是一种按一定编码形式(如二进制编码、如二进制编码、循环码编码等循环码编码等)来分辨角度位移的圆盘。图来分辨角度位移的圆盘。图2.10为一个四位二进制编为一个四位二进制编码盘。它的制作方法是：首先将圆盘按角度分为码盘。它的制作方法是：首先将圆盘按角度分为m等分等分(图中图中)，并分，并分成成n个同心圆环个同心圆环(图中图中)，各圆环对应着编码的位数，称为码道。内圆，各圆环对应着编码的位数，称为码道。内圆环对应编码的高位，外圆环对应编

8、码的低位。然后将个环对应编码的高位，外圆环对应编码的低位。然后将个(图中为图中为64个个)扇形区，按二进制编码，划分为透明扇形区，按二进制编码，划分为透明(白色白色)部分和不透明部分和不透明(黑色黑色)部分，部分，透明透明(白色白色)部分表示部分表示“0”，不透明，不透明(黑色黑色)部分表示部分表示“1”。由这些不同。由这些不同的黑、白区域的排列组合即构成了与角位移位置相对应的数码。如的黑、白区域的排列组合即构成了与角位移位置相对应的数码。如“0000对应对应“0号角度位，号角度位，“0100对应对应“4号角度位。号角度位。2.1.3 角位移检测元件 121011479856215131401

9、3图2.10 二进制编码盘图2.10 二进制编码盘2.1.3 角位移检测元件 2.1.3 角位移检测元件 2.1.3 角位移检测元件 2.1.3 角位移检测元件 2.1.4 转速检测元件 2.1.4 转速检测元件 2.1.4 转速检测元件 2.2 伺服电动机 u2.2.1 直流伺服电动机 u2.2.2 交流伺服电动机 2.2 伺服电动机 在自动控制系统中，作为执行元件的伺服电动机，其作用是将控制电压信号转换成转轴上的角位移或角速度输出，通过改变控制电压的极性和大小来变更伺服电动机的转向和角位移或角速度。同时带动一定的负载，去完成控制系统所要求的功能。 常用的伺服电动机有两大类，以交流电源工作的

10、称为交流伺服电动机；以直流电源工作的称为直流伺服电动机。2.2.1 直流伺服电动机 1. 结构特点结构特点 根据伺服电动机在自动控制系统中的作用，系统对它的性根据伺服电动机在自动控制系统中的作用，系统对它的性能提出如下要求：能提出如下要求： (1) 转速和转向能很方便地受控制信号的控制，调速范围转速和转向能很方便地受控制信号的控制，调速范围大。大。 (2) 在整个运行范围内，机械特性和调节特性应是线性关在整个运行范围内，机械特性和调节特性应是线性关系。系。 (3) 当控制信号消除时，伺服电动机应立即停转，也就是当控制信号消除时，伺服电动机应立即停转，也就是要求伺服电动机无要求伺服电动机无“自转

11、现象。自转现象。 (4) 控制功率小，起动转矩大。控制功率小，起动转矩大。 (5) 机电时间常数小，起动电压低，当控制信号改变时，机电时间常数小，起动电压低，当控制信号改变时，反应快速灵敏。反应快速灵敏。 上述要求直流上述要求直流/交流伺服电动机均适合。交流伺服电动机均适合。 由于上述要求，因此直流伺服电动机与普通直流电动机相由于上述要求，因此直流伺服电动机与普通直流电动机相比，其电枢形状较细而长，以减小惯量；磁极与电枢间的比，其电枢形状较细而长，以减小惯量；磁极与电枢间的气隙小；加工精度与机械配合要求高；铁芯材料好。气隙小；加工精度与机械配合要求高；铁芯材料好。2.2.1 直流伺服电动机2.

12、2.1 直流伺服电动机2.2.1 直流伺服电动机2.2.1 直流伺服电动机2.2.1 直流伺服电动机2.2.2 交流伺服电动机 1. 主要结构特点主要结构特点 交流伺服电动机也是自动控制系统中常用的一种交流伺服电动机也是自动控制系统中常用的一种执行元件。其实质上是一台两相感应电动机。在执行元件。其实质上是一台两相感应电动机。在它的定子上装有两个在空间上相差它的定子上装有两个在空间上相差90的绕组，一的绕组，一个为励磁绕组，另一个为控制绕组。运行时，励个为励磁绕组，另一个为控制绕组。运行时，励磁绕组磁绕组A始终加上一定的交流励磁电压始终加上一定的交流励磁电压(其频率通其频率通常有常有500Hz或

13、或400Hz等等)；控制绕组；控制绕组B接上交流控接上交流控制电压。交流伺服电动机可采用多种控制方式，制电压。交流伺服电动机可采用多种控制方式，常用的一种是在励磁回路中串接一个适当的电容常用的一种是在励磁回路中串接一个适当的电容C，使控制电压在相位上与励磁电压相差，使控制电压在相位上与励磁电压相差90。 交流伺服电动机结构上最主要的特点是转子电阻交流伺服电动机结构上最主要的特点是转子电阻大，有利于消除大，有利于消除“自转现象，扩大稳定运行范自转现象，扩大稳定运行范围，并可获得近似线性的机械特性。围，并可获得近似线性的机械特性。2.2.2 交流伺服电动机 图2.17 交流伺服电动机的原理图励磁绕

14、组控制绕组ab图2.17 交流伺服电动机的原理图交流励磁交流励磁电压电压交流控制交流控制电压电压2.2.2 交流伺服电动机 转子电阻转子电阻大，故略大，故略带弯曲带弯曲2.2.2 交流伺服电动机 2.3 晶闸管直流交流调压电路 u2.3.1 晶闸管 u2.3.2 单相桥式全控整流电路 u2.3.3 三相可控整流电路 u2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路 u2.3.5 交流调压电路 2.3 晶闸管直流交流调压电路 在自动控制系统中，直流、交流电动机的供电电路，广泛采用电力电子电路。而在电力电子电路中，目前用得最多的仍是晶闸管变流供电电路。下面主要介绍晶闸管元件的性能与特点，以及常见的晶闸管直

15、流、交流调压电路。2.3.1 晶闸管 2.3.1 晶闸管 2.3.1 晶闸管 G2GAKA1图2.20 晶闸管工作条件的实验电路图2.20 晶闸管工作条件的实验电路2.3.1 晶闸管 (4) 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。此时不论门极电压是正还是负，晶闸管将保持导通，故导通的控制信号只需正向脉冲电压，称为触发脉冲或触发信号，相应的门极控制电路称为触发电路。晶闸管门极只能控制其导通，而不能使已导通的晶闸管关断。因此晶闸管属于具有正向阻断能力和单向导电性的半控型器件。 (5) 要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压，或者给阳极加反压，或者降低正向阳极电压，使通过晶闸管的电流小于维持电流。维持电

16、流是指保持晶闸管导通的最小阳极 电流。2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路 1. 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 (1) 触发电路的组成触发电路的组成 触发电路大致可分为脉冲形成、移相控制、同步电路和脉冲触发电路大致可分为脉冲形成、移相控制、同步电路和脉冲功率放大四个部分。功率放大四个部分。 脉冲形成是触发电路的核心，它的功能是产生合乎要求的脉脉冲形成是触发电路的核心，它的功能是产生合乎要求的脉冲触发信号。冲触发信号。 移相控制的功能是调节触发脉冲发生的时刻，即调节控制角移相控制的功能是调节触发脉冲发生的时刻，即调节控制角的大小。的大小。 为了使晶闸管在每一周期都能重复在相同的相位上触发，

17、触为了使晶闸管在每一周期都能重复在相同的相位上触发，触发脉冲与主回路电源电压必须保持某种固定相位关系。这种发脉冲与主回路电源电压必须保持某种固定相位关系。这种触发脉冲与主回路电源保持固定相位关系的方法称为同步。触发脉冲与主回路电源保持固定相位关系的方法称为同步。实现同步的电路称为同步电路。通常采用把主电路的电压信实现同步的电路称为同步电路。通常采用把主电路的电压信号直接号直接(或经同步变压器或经同步变压器)引来作为触发同步信号。这样，当引来作为触发同步信号。这样，当主电路电源电压过零时，触发电路的电压也同时刻过零。主电路电源电压过零时，触发电路的电压也同时刻过零。 当脉冲形成电路所产生的脉冲信

18、号的功率不够大，而被触发当脉冲形成电路所产生的脉冲信号的功率不够大，而被触发驱动的晶闸管的容量较大，要求触发脉冲有较大的输出功率驱动的晶闸管的容量较大，要求触发脉冲有较大的输出功率时，就需要增加脉冲功率放大环节。通常采用复合管组成的时，就需要增加脉冲功率放大环节。通常采用复合管组成的发射极输出器或采用强功率触发脉冲电路。发射极输出器或采用强功率触发脉冲电路。2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路 脉冲形成同步电路 主电路电压信号 移相调节信号（控制电压信号）移相控制脉冲输出脉冲电源功率放大图2.28 触发电路的组成图2.28 触发电路的组成2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路 两个基极两个基

19、极阴极阴极2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路 2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路 2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路 2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路 2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路 放电50k0100e0500充电12b1b2ccpCvg(a)(b)图2.32 单结晶体管自激振荡电路与电压波形图2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路 负载端负载端同步电路同步电路移相控制移相控制2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路 2.晶闸管的保护晶闸管的保护由于晶闸管承受过电压和过电流的能力较差，短时间的过电流和过电压就会把器件损坏。为了保证器由于晶闸管承受过电压和过电流的能力较

20、差，短时间的过电流和过电压就会把器件损坏。为了保证器件能可靠地长期运行，除了留有余地合理选择器件外，还应采取恰当的保护措施。件能可靠地长期运行，除了留有余地合理选择器件外，还应采取恰当的保护措施。(1)过电流保护过电流保护晶闸管在短时间内能够承受一定的过电流而不损坏。但是，如果短路或过载时过电流数值较大，而切晶闸管在短时间内能够承受一定的过电流而不损坏。但是，如果短路或过载时过电流数值较大，而切断的时间稍慢，就会造成晶闸管的损坏。发生过电流的原因有：生产机械过载；晶闸管装置直流侧短断的时间稍慢，就会造成晶闸管的损坏。发生过电流的原因有：生产机械过载；晶闸管装置直流侧短路；可逆系统中产生环流和逆

21、变失败；某一元件击穿造成短路，引起相邻零件过电流等。路；可逆系统中产生环流和逆变失败；某一元件击穿造成短路，引起相邻零件过电流等。过电流保护的措施有如图过电流保护的措施有如图2.34所示的数种，可根据需要选择其中一种或数种对晶闸管变流装置作过电所示的数种，可根据需要选择其中一种或数种对晶闸管变流装置作过电流保护。流保护。在交流进线中串接电抗器在交流进线中串接电抗器(图图2.34中的中的A)，它主要利用电感线圈中的电流不能突变的特性来限制，它主要利用电感线圈中的电流不能突变的特性来限制短路电流和电流的上升率。短路电流和电流的上升率。在交流侧设置电流检测装置在交流侧设置电流检测装置(图图2.34中

22、的中的B)，利用过电流信号去控制触发器，使触发脉冲快速后，利用过电流信号去控制触发器，使触发脉冲快速后移或封锁触发脉冲，使晶闸管立即阻断。移或封锁触发脉冲，使晶闸管立即阻断。交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器(图图2.34中的中的B或或F)，当发生，当发生过电流时它们动作，从而跳开交流输入端的自动开关或电源接触器。由于过电流继电器的动作和自动过电流时它们动作，从而跳开交流输入端的自动开关或电源接触器。由于过电流继电器的动作和自动开关的跳闸都有一定的时间开关的跳闸都有一定的时间(约约100ms200ms)，故必须设

23、法限制短路电流。只有在短路电流不大的情，故必须设法限制短路电流。只有在短路电流不大的情况下，它们才能起保护晶闸管的作用。况下，它们才能起保护晶闸管的作用。 直流快速开关直流快速开关(如图如图2.34中的中的G)，用作直流侧的过载或短路保护。快速开关的开关机构动作时间，用作直流侧的过载或短路保护。快速开关的开关机构动作时间只有只有2ms，全部分断电弧的时间也不过，全部分断电弧的时间也不过25ms30ms它的动作值整定得相对低些，当发生故障电流时，它的动作值整定得相对低些，当发生故障电流时，要求快速开关比快速熔断器先动作，尽量避免快速熔断器要求快速开关比快速熔断器先动作，尽量避免快速熔断器 熔断。

24、熔断。快速熔断器是防止晶闸管过电流损坏的最后一种措施。它也是晶闸管装置中应用最普遍的过电快速熔断器是防止晶闸管过电流损坏的最后一种措施。它也是晶闸管装置中应用最普遍的过电流保护措施。快熔的熔断时间在流保护措施。快熔的熔断时间在10ms以内。快熔可安装在交流侧，也可与晶闸管元件直接串联，也可以内。快熔可安装在交流侧，也可与晶闸管元件直接串联，也可安装在直流侧安装在直流侧(如图如图2.34中的中的C、D和和E)。交流侧接快熔能够对元件短路和直流侧短路起保护作用，但因。交流侧接快熔能够对元件短路和直流侧短路起保护作用，但因正常时流过快熔的电流有效值大于流过晶闸管的电流有效值，故应选用额定电流较大的快

25、熔，这样对正常时流过快熔的电流有效值大于流过晶闸管的电流有效值，故应选用额定电流较大的快熔，这样对故障过电流时晶闸管的保护又差了。直流侧接快熔只对负载短路或过载起保护作用，但对元件短路则故障过电流时晶闸管的保护又差了。直流侧接快熔只对负载短路或过载起保护作用，但对元件短路则不起保护作用。元件串联快熔，对元件的保护最好，是应用最广泛的一种接法。不起保护作用。元件串联快熔，对元件的保护最好，是应用最广泛的一种接法。2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路 2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路 (2)过电压保护晶闸管变流装置运行中产生的过电压，一种称操作过电压，它是由晶闸管装置的拉闸、合闸和元件关断

26、等电磁过程引起的过电压。这些操作过程是经常发生的，而且是不可避免的。另一种过电压是由于雷击等原因从电网侵入的偶然性的浪涌电压，它可能比操作过电压还要高。因此对晶闸管变流装置必须采取可靠的过电压保护措施。晶闸管装置可能采用的过电压保护措施如图2.35所示。过电压保护的部位可分为交流侧保护、直流侧保护和元件保护。避雷器保护一般可在变压器高压侧装设避雷器来限制雷击过电压(如图2.35中的A所示)。接地电容由高压电源供电的变压器，在合闸的瞬时，由于初级和次级绕组之间存在分布电容，初级绕组的高压经此分布电容耦合到次级绕组造成较高的过电压。通常采用在变压器星形中点和地之间附加接地电容(如图2.35中的B)

27、，或者变压器附加屏蔽绕组都可显著减小这种过电压。2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路 阻容保护阻容保护电路亦称阻容吸收电路，其可将变压器绕组中释放出的电磁能量转化成电容器的电场能量储存起来。利用电容器两端电压瞬时不能突变的特性，吸收尖峰过电压，把它限制在允许的范围内。由于电容器两端电压不能突变，所以能有效地抑制过电压。串联电阻的目的是消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的振荡。阻容保护电路既可以用于交流侧，也可以用于直流侧，还可与元件两端并联(如图2.35中的C、D、G)。交流侧阻容保护也可采用整流式阻容保护(如图2.35中的D)。这种阻容保护接法多用了一组整流桥，但只需一个电容，并因只

28、受直流电压，可采用体积小、容量大的电解电容，从而缩小保护装置的体积。非线性电阻保护采用非线性电阻(硒堆或压敏电阻)维护(如图2.35中的E、F)，是较常用的过电压保护措施。它们有接近于稳压管的伏安特性，能限制或吸收过电压。在它们被反向击穿后，当反向过电压消失后，它们会自行恢复阻断状态。采用硒堆保护的优点是它能吸收较大的浪涌能量，缺点是硒堆的体积大，伏安特性不陡，并且长期不用后性能不良，要经处理，才能复原。金属氧化物压敏电阻是氧化锌、氧化铋等烧结而成的非线性电阻元件。它具有正反向相同的很陡的伏安特性。正常工作时，漏电流小，损耗小；遇到过电压时，可通过数千安的浪涌电流，因此抑制过电压能力强。此外，

29、它对浪涌电压的反映快，体积又小，是一种理想的过电压保护元件。其缺点是持续平均功率太小(仅数瓦)，如果正常的工作电压超过了它的额定电压，很短时间就会烧坏。2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路 2.3.2 单相桥式全控整流电路 单相可控整流电路是晶闸管相控整流电路中最简单，也是最基本的电路，它有单相半波、单相全波、单相桥式半控和单相桥式全控等几种形式。这里仅介绍单相桥式全控整流电路。 2.3.2 单相桥式全控整流电路 2.3.2 单相桥式全控整流电路 1221VT3VTdd4VT2VTdd0dT1.42d00(b)(a)图2.21 单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及波形 (a) (b)图2.2

30、1 单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及波形2.3.2 单相桥式全控整流电路 2.3.2 单相桥式全控整流电路 0000000142312T2dd2dddT1.4T2.32T1.412ddd图 2.22 单 相 桥 式 全 控 整 流 带 电 感 性 负 载 的 电 路 及 波 形(a)(b)图2.22 单相桥式全控整流带电感性负载的电路及波形2.3.2 单相桥式全控整流电路 1VT2VT214VT3VTddVDTD图2.23 电感性负载反并联续流二极管图2.23 电感性负载并联续流二极管2.3.3 三相可控整流电路 当负载容量较大(如超过4kW)，或要求直流电压的脉动要小时，应采用三相可控整

31、流电路。其类型很多，包括三相半波、三相全控桥式、三相半控桥式、双反星形等。这些电路中最基本的是三相半波可控整流电路，其余类型可视为该电路以不同方式串联或并联 组成。2.3.3 三相可控整流电路 2.3.3 三相可控整流电路 2.3.3 三相可控整流电路 2.3.3 三相可控整流电路 2.3.3 三相可控整流电路 2.3.3 三相可控整流电路 wvunTVT31VTVT5VT6VT42VTuvwdd图2.27 三相桥式全控整流电路原理图图2.27 三相桥式全控整流电路原理图2.3.3 三相可控整流电路 六个晶闸管的导通遵循下面的规律，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极电位最高的一个导通，而对于共阳极

32、组的三个晶闸管，则是阴极电位最低的一个导通。这样，任何时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，则输出到负载上的电压为某一线电压。三相桥式整流电路必须采用宽度大于60 的宽脉冲或间隔60 的双窄脉冲触发。六个晶闸管的的触发脉冲按至VT6的顺序，相位依次差60 ；共阴极组、的脉冲依次差120 ，共阳极组、也依次差120 ；同一相的上下两个管子，即与，与，与脉冲相差180 。 如果将图2.27中的共阳极组(或共阴极组)的三个晶闸管换成三个硅二极管，则构成三相桥式半控整流电路。2.3.5 交流调压电路 如果在交流电源和负载之间，用两个普通晶闸管反并联后串联到交流电路中，通过对晶闸管在每半个

33、周波内开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。交流调压电路广泛用于工业加热、灯光控制(如调光台灯和舞台灯光控制)、感应电动机调速以及电解电镀的交流侧调压等场合。在供用电系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。此外，在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压，采用这种方法，可使变压器次级的整流装置避免采用晶闸管，只需用硅整流二极管，从而简化主电路和触发电路的结构。交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路。前者是后者的基础，所以重点介绍单相交流调压电路。2.3.5 交流调压电路 2.3.5 交流调压电路 图 2

34、 .3 6 电 阻 负 载 单 相 交 流 调 压 电 路 及 其 波 形V T00o0o01V T12V T1oo图2.36 电阻负载单相交流调压电路及其波形2.3.5 交流调压电路 2.3.5 交流调压电路 图2.37 双向晶闸管符号第二阳极G门极第一阳极2TT1图2.37 双向晶闸管符号2.3.5 交流调压电路 2.3.5 交流调压电路 图2.38 单结晶体管触发的调光灯电路HL220V23VDVD4VD1VD1VD3V252TPV1VT54图2.38 单结晶体管触发的调光电路2.3.5 交流调压电路 3. 三相交流调压电路三相交流调压电路通常在大功率负载或者为完成对某些负载的控制需要调

35、节交流电压时，可采用三相交通常在大功率负载或者为完成对某些负载的控制需要调节交流电压时，可采用三相交流调压电路。它与单相交流调压电路一样，也可采用反并联晶闸管或双向晶闸管来调流调压电路。它与单相交流调压电路一样，也可采用反并联晶闸管或双向晶闸管来调节三相交流电压的大小。节三相交流电压的大小。根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式。图根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式。图2.39(a)是星形联结；是星形联结；(b)是线路控制三角形联结；是线路控制三角形联结；(c)是支路控制三角形联结；是支路控制三角形联结；(d)是中点控制三角形联结。是中点控制三角形联结。图图2.

36、40为三相交流调压调速电动机电路。如果相序为为三相交流调压调速电动机电路。如果相序为UVW，6只晶闸管导通顺序只晶闸管导通顺序依次为依次为(VT1、VT2)(VT2、VT3)(VT3、VT4)(VT4、VT5)(VT5、VT6)(VT6、VT1)，改变控制角，改变控制角 的大小，则可改变加在交流电动机输入端的交流电压值的大的大小，则可改变加在交流电动机输入端的交流电压值的大小，就可实现交流调压调速。小，就可实现交流调压调速。 2.3.5 交流调压电路 2.3.5 交流调压电路 图2.40 三相交流调压调速电路WVUVT2VT65VTVT4VT3M3Y或联结VT1图2.40 三相交流调压调速电路

37、2.4 大功率晶体管脉宽调制(PWM)型直流调压电路 u2.4.1 DCDC变换器 u2.4.2 大功率晶体管 u2.4.3 大功率晶体管脉宽调制型直流调压电路 2.4 大功率晶体管脉宽调制(PWM)型直流调压电路 2.4.1 DCDC变换器 2.4.1 DCDC变换器 2.4.2 大功率晶体管 大功率晶体管(GTR)，也称电力晶体管。它的电流是由电子和空穴两种载流子运动而形成的，故又称双极型功率晶体管(BJT)。1. 结构特点BJT与信号处理中的晶体三极管有相似的结构、工作原理和工作特性。它们都是三层半导体两个PN结的三端器件，电气符号也完全一样。其工作电路也有共发射极、共基极、共集电极三种

38、接法。实际应用中，BJT多采用共发射极接法。它是一种电流控制型的全控开关器件，工作时，正向基极电流控制它的导通，反向基极电流控制它的关断。它具有耐压高、容量大的特点，其容量范围由30A/450V800A/1400V。由于单级的BJT的电流增益很低，典型值只有10左右。这样，要使其饱和导通，就需要很大的基极驱动电流。为了提高电流增益，可将两个(或两个以上)晶体管组成达林顿复合管，并有一续流二极管与之并联，集成在一个模块中，如图2.42所示。该图为三个晶体管构成的达林顿复合管模块(也称三重模块单元)。图中VD2、VD3为晶体管V2、V3的be结反向电压限幅保护；VD1为续流二极管(亦兼作反向限幅)

39、。由于为复合管，其电流增益可达104，因而大大减轻驱动电路的负荷。在实际应用中，还经常将2个、4个和6个模块单元集成为一个大模块。图2.43即为(全控桥式)6个单元模块的简化结构图。2.4.2 大功率晶体管 VDV3332VV1VD221VD1图2.42 BJT的三重达林顿复合模块图2.42 BJT的三重达林顿复合模块 2.4.2 大功率晶体管 图 2.43 六 单 元 BJT模 块 的 简 化 结 构 图图2.43 六单元BJT模块的简化结构图 2.4.2 大功率晶体管 2.4.2 大功率晶体管 2.4.2 大功率晶体管 2.4.2 大功率晶体管 1245VLVTVTBJT3s12+15Vi

40、图2.44 光电耦合驱动电路图2.44 光电耦合驱动电路2.4.2 大功率晶体管 2.4.2 大功率晶体管 VDBJT0无开通缓冲无关断缓冲有关断缓冲有开通缓冲（b)(a)图2.45 BJT缓冲电路对开关轨迹的影响pCECEc图2.45 BJT缓冲电路对开关轨迹的影响2.4.3 大功率晶体管脉宽调制型直流调压电路 2.4.3 大功率晶体管脉宽调制型直流调压电路2.4.3 大功率晶体管脉宽调制型直流调压电路M+-(a)T形(b)H形MVD2VD1VT2VT1VT2VD2VD1VT1VD3VD4VT3VT4图2.46 PWM放大器图2.46 PWM放大器2.4.3 大功率晶体管脉宽调制型直流调压电

41、路0000图2.47 PWM直流可逆电路输出电压波形(b) 单极性控制(a) 双极性控制ooavooavavooavavavooavavavavavav图2.47 PWM直流可逆电路输出电压波形 2.4.3 大功率晶体管脉宽调制型直流调压电路2.4.3 大功率晶体管脉宽调制型直流调压电路i图2.48 脉宽调制器0+0s-+o00b图2.48 脉宽调制器2.4.3 大功率晶体管脉宽调制型直流调压电路2.4.3 大功率晶体管脉宽调制型直流调压电路图2.49 脉冲宽度 2.4.3 大功率晶体管脉宽调制型直流调压电路2.4.3 大功率晶体管脉宽调制型直流调压电路2.4.3 大功率晶体管脉宽调制型直流调

42、压电路2.5 正弦脉宽调制的交直交变压变频电路 u2.5.1 电路的组成 u2.5.2 正弦脉宽调制(SPWM)交流变压变频电路的基本原理 2.5 正弦脉宽调制的交直交变压变频电路 2.5.1 电路的组成图 2 .5 1 S P W M 变 频 器 电 路 原 理 框 图(b ) 控 制 电 路 框 图V T14V TV T3V T6V T5V T23 Mdrarbrcd ad bd ct参 考 信 号发 生 器驱 动 V T V T发 生 器三 角 波16(a) 主 电 路2.5.1 电路的组成图2.51 SPWM变频器电路原理框图 2.5.1 电路的组成图2.51所示电路又称为变频器，可用

43、来对交流电动机实现变频调速。在变频调速中，要求电压频率协调控制(有关这个问题，将在下一章讨论)。变频器可分为交交变频器和交直交变频器。图2.51所示变频器为交直交变频器。在它当中，根据中间滤波环节(或称储能环节)的不同又可分为电流型和电压型。电流型变频器如图2.52(a)所示，采用大电感作为储能环节。由于电感对电流变化有平抑作用，直流电源部分近似为一电流源。电压型变频器如图2.52(b)所示，采用大电容作为储能环节。由于电容有稳定电压的作用，直流电源部分近似为一电压源。由于电压型变频器应用较多，所以我们将以电压型变频器作为典型线路进行分析。2.5.2 正弦脉宽调制(SPWM)交流变压变频电路的

44、基本原理 图 2 .5 3 单 相 S P W M （ 电 压 型 ） 交 流 变 压 变 频 电 路 原 理 图三 角 波 发 生 器正 弦 波 发 生 器驱 动 电 路 G D整 形 电 路 S C反 相 器 A R比 较 器-+d+1V3V2V4V1V DV D2V D3V D4+-1G D1S C2G D2S CTco负 载2.5.2 正弦脉宽调制(SPWM)交流变压变频电路的基本原理 1. 逆变器的工作原理逆变器的工作原理逆变器是将直流电变换成交流电的装置。图逆变器是将直流电变换成交流电的装置。图2.53中的直流电是中的直流电是50Hz的交流电经过二极管的交流电经过二极管桥式整流后，

45、变换成电压为桥式整流后，变换成电压为Ud的直流电路。由于采用并联电容作为储能环节，所以是电的直流电路。由于采用并联电容作为储能环节，所以是电压型的。虽然供给逆变器的是直流电，但是当将压型的。虽然供给逆变器的是直流电，但是当将V1与与V4作为一组，作为一组，V2与与V3作为另一组，作为另一组，使两组交替通断，则在负载上便形成交流电。如在使两组交替通断，则在负载上便形成交流电。如在V1与与V4导通时，设流过负载的电流为导通时，设流过负载的电流为正正(如图中的如图中的i+)，则，则V2与与V3导通时，流过负载的电流便为负导通时，流过负载的电流便为负(如图中的如图中的-i)。若使这两组功。若使这两组功

46、率开关管依次轮流通、断，则在负载上流过的将是正、反向交替的交流电，从而实现了将率开关管依次轮流通、断，则在负载上流过的将是正、反向交替的交流电，从而实现了将直流电变换成交流电的要求。直流电变换成交流电的要求。2. 正弦脉宽调制正弦脉宽调制(SPWM)的波形分析的波形分析(1)SPWM波波若将若将2.54(a)所示的正弦波所示的正弦波(仅画出半周波形仅画出半周波形)，按电角度等分，按电角度等分(在此取在此取n=12)，如图，如图2.54(a)所所示，可把正弦半波看成是由个彼此相连的脉冲序列所组成的波形，这些脉冲宽度相等，都示，可把正弦半波看成是由个彼此相连的脉冲序列所组成的波形，这些脉冲宽度相等，都等于，但脉冲顶部都为曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用相同数等于，但脉冲顶部都为曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦波部分面积相等，就得到图矩形脉冲和相应正弦波部分面积相等，就得到图2.54(b)所示的脉冲序列，这就是正弦脉所示的脉冲序列，这就是正弦脉宽调制宽调制(SPWM)波。波。SPWM波也分为单极性波和双极性波。图波也分为单极性波和双极性波。图2.55为单极性为单