第五章 交流调压电路及斩波电路

1、交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路1第五章交流调压电路与斩波电路第五章交流调压电路与斩波电路 交流交流-交流变流电路：交流变流电路：把一种形式的交流变成另一种形式把一种形式的交流变成另一种形式 交流的电路。交流的电路。第一节第一节 单相交流调压电路单相交流调压电路 交流调压电路的目的：交流调压电路的目的：调节输出电压有效值。调节输出电压有效值。 用途：用途： 灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。 异步电动机软起动。异步电动机软起动。 异步电动机调速。异步电动机调速。 供用电系统对无功功率的连续调节。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

2、直流电源中，用于调节变压器一次电压。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。交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路2变频电路改变频率的电路 交交变频 直接 交直交变频 间接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在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，的控制，调节输出电压有效值调节输出电压有效值的电路。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

3、。比，调节输出功率平均值的电路。 基本方式：基本方式：交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路3一、电阻性负载一、电阻性负载 1. 1. 电路结构电路结构把把两个晶闸管反并联两个晶闸管反并联后串联在交流后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流输出。控制交流输出。交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路41)1)u u1 10 0时：时：VT1VT1受正压，当受正压，当tt时，触发时，触发VT1VT1使其导通，使其导通，则负载上得到缺则负载上得到缺角的正弦半波电压。角的正弦半波电压。2. 2. 工作原理工作原理Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwt2)2)

4、u u1 1过零时：过零时：VT1VT1中电流下降为零而关断。中电流下降为零而关断。3)3)u u1 10 0时：时：VT2VT2受正压，当受正压，当tt时，触发时，触发VT2VT2使其导通，使其导通，则负载上又得到缺则负载上又得到缺角的正弦负半波电压。角的正弦负半波电压。结论：改变结论：改变角的大小即可改变输出电压有效值的大小。角的大小即可改变输出电压有效值的大小。 交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路53. 3. 数量关系数量关系Ou1uoiouVTwtOwtOwtOwtww2sin21dsin21121oUttUU负载电流有效值负载电流有效值Io RUIoo晶闸管电流有效值晶闸管电流有效

5、值IT )22sin1 (21sin221121wwRUtdRtUIT功率因数功率因数cos2sin21cos1oo1ooUUIUIUSP 负载电压有效值负载电压有效值U Uo o 与单相桥式整流与单相桥式整流电路电压有效值电路电压有效值的区别？的区别？交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路6由上分析可知由上分析可知: : 输出电压与输出电压与 的关系的关系: : 移相范围为移相范围为00a a。a a =0=0时，输出电压为最大。时，输出电压为最大。 U Uo o= =U U1 1, , 随随a a的增大，的增大，U Uo o降低，降低，a a =时，时，U Uo o =0 =0。coscos

6、与与 的关系的关系: :a a =0 =0时，功率因数时，功率因数coscos =1=1，a a 增大，增大，输入电流滞后于电压且畸变，输入电流滞后于电压且畸变， coscos降低。降低。2sin21cos1oo1ooUUIUIUSP当当a a0 0时功率因数小于时功率因数小于1 1。 物理意义：电压利用率小于等于物理意义：电压利用率小于等于1 1交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路7二、阻感性负载二、阻感性负载 1. 1. 电路结构电路结构VT1R-LR-L负载是交流调压器最一般化的负载是交流调压器最一般化的负载。负载。交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路82. 2. 工作原理工作原理VT1

7、 VT1VT1导通时的管压降对导通时的管压降对VT2VT2来说是一个反压，来说是一个反压， 因此因此VT2VT2的导通只能等待的导通只能等待VT1VT1自然关断之后才能触发导通。自然关断之后才能触发导通。 导通角导通角：VT1VT1一旦触发导通一旦触发导通, , 其导通时间显然与控制角其导通时间显然与控制角a,L,Ra,L,R的大小的大小阻抗角有关。阻抗角有关。 VT1VT1的导通角必然影响的导通角必然影响VT2VT2的导通角，两者之间是否有冲突？的导通角，两者之间是否有冲突？ 为了解答上述问题，需要仔细分析为了解答上述问题，需要仔细分析VT1VT1的导通角的导通角与与L,RL,R之间的关系之

8、间的关系几点说明：几点说明：交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路9VT1 当前当前VT1VT1假设导通，则有假设导通，则有 0011sin2RidtdiLtUuw)sin()sin(2tanwwtoetZUi解微分方程则有解微分方程则有 RLLRZtwwwarctan)(2122式中式中 导通角导通角阻抗角阻抗角交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路10因为因为tt时，时，i io o0 0。将此条件代入式。将此条件代入式可求得导通角可求得导通角与控制角与控制角、负载阻抗角、负载阻抗角之间的定量关系表达式为之间的定量关系表达式为 tan)sin()sin(e)sin()sin(2tanwwtoe

9、tZUia a与与、的的定量关系定量关系交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路11针对交流调压器，其导通角针对交流调压器，其导通角180180，根据上式可绘出，根据上式可绘出f f（，）曲线，曲线，以以为参变量，可将上式中为参变量，可将上式中 和和 的关系用一簇曲线来表示。的关系用一簇曲线来表示。单相交流调压电路以单相交流调压电路以为参变量时为参变量时与与的关系的关系 tan)sin()sin(e当当a a时时sin(sin(a a+ +-) )0 a a+ +- =当当a a = =时，时，sinsin= 0 = 0 = =当当a a时，时， sin(sin(a a+ +-) )0( (a-a

10、-)+)+（0，）交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路12 下面分别就下面分别就、三种情况来讨论调压电路的工作情况。三种情况来讨论调压电路的工作情况。 1) 1) 因为因为时，时， 导通角导通角, , 正负半波电流断续。正负半波电流断续。越大，越大， 越小，波形断续愈严重。越小，波形断续愈严重。 2) 2) 当当时，时， 导通角导通角。此时，每个晶闸管轮流导通此时，每个晶闸管轮流导通180180，相当于两个晶闸管轮流被短接，相当于两个晶闸管轮流被短接， 负载电流处于连续状态，负载电流处于连续状态，输出完整的正弦波。输出完整的正弦波。 此时：此时：VT1VT1和和VT2VT2相当于开关，电路无交

11、流调压作用相当于开关，电路无交流调压作用交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路133) 3) 当当时，导通角时，导通角。电源接通后，在电源的正半周，若先触发电源接通后，在电源的正半周，若先触发VT1VT1，若采用窄脉冲触发若采用窄脉冲触发: :若触发脉冲的宽度小于若触发脉冲的宽度小于a+-(a+)=a+-(a+)=-时，时，当当VT1VT1的电流下降为零关断时，的电流下降为零关断时，VT2VT2的门极脉冲已经消失，的门极脉冲已经消失，VT2VT2无法导通。无法导通。到了下个周期，到了下个周期，VT1VT1又被触发导通重复上一周期的工作，又被触发导通重复上一周期的工作， 结果形成单向半波整流现象，

12、回路中出现结果形成单向半波整流现象，回路中出现很大的直流电流分量，很大的直流电流分量，无法维持电路的正常工作。无法维持电路的正常工作。 0uwt0ug1wt0ug2wt0iowt失控失控VT1交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路14解决上述失控现象的办法是：采用宽脉冲或脉冲列触发，解决上述失控现象的办法是：采用宽脉冲或脉冲列触发， 以保证以保证VT1VT1电流下降到零时，电流下降到零时，VT2VT2管的触发脉冲信号还未消失，管的触发脉冲信号还未消失，VT2VT2可在可在VT1VT1电流为零关断后接着导通。电流为零关断后接着导通。 但但VT2VT2的初始触发控制角的初始触发控制角2 2 = =-

13、，即，即VT2VT2的导通角的导通角180180。从第二周开始，由于从第二周开始，由于VT2VT2的关断时刻向后移，因此的关断时刻向后移，因此VT1VT1的导通角逐渐减小，的导通角逐渐减小，VT2VT2的导通角逐渐增大，直到两个晶闸管的导通角的导通角逐渐增大，直到两个晶闸管的导通角180180时达到平衡。时达到平衡。据上分析，当据上分析，当并采用宽脉冲触发时，负载电压、并采用宽脉冲触发时，负载电压、 电流总是完整的正电流总是完整的正弦波，改变控制角弦波，改变控制角，负载电压、电流的有效值不变，电路失去交流调压作，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

14、的，用。在感性负载时，要实现交流调压的目的，起动时必须起动时必须所以所以的移相范围为的移相范围为180180。交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路15例例1 1 晶闸管反并联组成的单相交流调压器，电源电压有效值晶闸管反并联组成的单相交流调压器，电源电压有效值U Uo o2300 V2300 V。 （1 1） 电阻负载时，阻值在电阻负载时，阻值在 2.3 之间变化，预期最大的输出功之间变化，预期最大的输出功率为率为2300kW2300kW，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，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管电流的平均值和有效值。管电流

15、的平均值和有效值。 （2 2） 如果负载为感性负载，如果负载为感性负载，R R2.3 2.3 ，LL2.3 2.3 ，求控制角范围，求控制角范围和最大输出电流的有效值。和最大输出电流的有效值。 提示：提示： （1 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？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 2） 控制角的理论范围？控制角的理论范围？ 交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路16 解解 （1） 当R2.3 时，如果触发角0，负载电流的有效值为 ARUIoo10003 . 22300此时，最大输出功率 ，满足要求。 流过晶闸管电流的有效值IV为 kWRI

16、Poo23003 . 2100022AIIoV500210002交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路17输出最大功率时，由于0，180，负载电流连续，所以负载电流的瞬时值为 tUioowsin22此时晶闸管电流的平均值为 ARUttdRUIoodt4503 . 21415. 32300414. 12)(sin2210ww交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路18 R1.15 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值计算如下： kWRIPoo23002由 得 AIo1414因为Io大于R2.3 时的电流，所以0。 晶闸管电流的有效值为 AIIoV7

17、07214142交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路19 加在晶闸管上正、反向最大电压为电源电压的最大值， 即。 V325323002交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路20（2） 电感性负载的功率因数角为 43 . 23 . 2arctanarctanwRL最小控制角为 4min故控制角的范围为 /4。 最大电流发生在 min=/4处，负载电流为正弦波，其有效值为 ALRUIoo7073 . 23 . 22300)(2222w交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路21第三节第三节 斩波电路斩波电路 交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路22直流变换系统的结构直流变换系统的结构交流调压与斩波电路交

18、流调压与斩波电路23 EUOET=Ton+Toff0onTUEET占空比（导通比）占空比（导通比）交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路24可通过控制占空比控制输出电压。可通过控制占空比控制输出电压。交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路25脉冲宽度调制脉冲宽度调制(PWM)(PWM)维持维持T T不变，改变不变，改变t tonon在这种方式中，输出电压波在这种方式中，输出电压波形的周期不变，仅改变脉冲形的周期不变，仅改变脉冲宽度。宽度。有利于滤波器的设计ton1Tutton2Tut交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路26脉冲频率调制脉冲频率调制(PFM)(PFM) 维持维持ton不变，改变不变，

19、改变T。改变。改变T就改变了输出电压周期或就改变了输出电压周期或频率。频率。tonT1uttonT2ut2211DTtTtDonon交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路27混合调制混合调制脉冲周期脉冲周期T与宽度与宽度ton均改变均改变。广义的脉冲宽度调制广义的脉冲宽度调制技术包含上述三种控技术包含上述三种控制方式制方式ton1TSutton2TS2ut交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路28交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路29一、降压斩波电路一、降压斩波电路（Buck ChopperBuck Chopper） 1. 1. 电路结构电路结构 使用一个使用一个全控型器件全控型器件V V，图中

20、为，图中为IGBTIGBT， 若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。助电路。 设置了设置了续流二极管续流二极管VDVD，在，在V V关断时给负关断时给负载中电感电流提供通道。载中电感电流提供通道。 主要用于电子电路的供电电源，也可主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。拖动直流电动机或带蓄电池负载等。后两种情况下负载中均会出现后两种情况下负载中均会出现反电动势反电动势。交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路302. 2. 工作原理工作原理 t=0t=0时刻，驱动时刻，驱动V V导通导通： t=t1t=t1时，控制时，控制V V关断

21、关断：电源电源E E向负载供电，向负载供电，uo=Euo=E，负载电流负载电流ioio按指数曲线上升。按指数曲线上升。二极管二极管VDVD续流，续流，uo=uo=0 0，负载电流呈指数曲线下降，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感通常串接较大电感L L使负载电流连续且脉动小。使负载电流连续且脉动小。状态状态1 1（电流连续）：（电流连续）：电流连续时的波形电流连续时的波形交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路31若若L L值较小，值较小，ioio按指数曲线下降到按指数曲线下降到txtx时，时，衰减到零。衰减到零。 t t1 1t t t t2 2期间：，期间：，u uo o0 0； t t2

22、 2 t t T T期间：，期间：，u uo o=E=EM M；无论哪种工作状态，无论哪种工作状态，u u和和i i都只有正的方向，都只有正的方向，只能在第一象限工作，且只能在第一象限工作，且u u0 0 E,E,故称为降压斩波电路。故称为降压斩波电路。状态状态2 2（电流断续）：（电流断续）：电流断续时的波形电流断续时的波形直流斩波电路我们最关心什么？直流斩波电路我们最关心什么？输出电压与什么有关？怎样调节？输出电压与什么有关？怎样调节？交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路32 电流连续时电流连续时 负载电压的平均值为负载电压的平均值为 负载电流平均值为负载电流平均值为 EETtEtttUo

23、noffonono式中，式中，ton为为V处于通态的时间，处于通态的时间，toff为为V处于断态的时间，处于断态的时间，T为开关周期，为开关周期， 为导通占空比，简称占空比或导通比。为导通占空比，简称占空比或导通比。 REUImoo3. 3. 数量关系数量关系降压斩波器等效为把电源电压从降压斩波器等效为把电源电压从E降为降为aE后向负载供电。后向负载供电。 交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路33电流断续时电流断续时电流断续时的波形电流断续时的波形)(1)0(111001111MxTttMttttEttTEtTdtEdtEdtTUxxREUIETttEEUMMxM0010即：即：电流断续时，负

24、载电压电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。情况。 电流断续时电流断续时U0与占空比和与占空比和EM有关。有关。交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路34电流连续时：设电流连续时：设I10和和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值，得出分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值，得出REmeeREREeeImTt1111/101REmeeREREeeImTt1111/201上面两式用泰勒级数近似，可得上面两式用泰勒级数近似，可得 oMIREUREmII02010当平波电抗器当平波电抗器L，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值

25、。，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。 式中，式中， ， ， ， ，/TEEmm/TTtt11/RL /对降压斩波电路进行解析：对降压斩波电路进行解析： 基于基于分时段线性电路分时段线性电路这一思想，按这一思想，按V处于处于通态通态和处于和处于断态断态两个过程来分析，两个过程来分析， 初始条件分初始条件分电流连续电流连续和和断续断续。电流连续时的波形电流连续时的波形交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路35电流断续时：有电流断续时：有I10=0，且，且t=ton+tx时，时，i2=0，可以得出，可以得出i2的持续时间的持续时间tx 为：memtx)1 (1ln电流断续时，电流断续时，tx1

26、，输出电压高于电源电压，故为升压升压斩波电路。off/tT1EEU111o升压比；升压比的倒数记作 ，即。 TtoffoffoontIEUtEI11)( 和和a a的关系：的关系：因此，上式可表示为因此，上式可表示为交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路46电压升高得原因：电压升高得原因：电感电感L储能使储能使电压泵升电压泵升的作用的作用电容电容C C可将输出电压可将输出电压保持保持住住交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路47如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即 ： 。 与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。oo1IUEI 输出电流的平均值Io为：RERUI1o

27、o 电源电流的平均值Io为：REIEUI2oo11交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路48例例: 在如图所示的升压斩波电路中，已知在如图所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和值和C值极值极大，大，R=20 ，采用脉宽调制控制方式，当，采用脉宽调制控制方式，当T=40 s，ton=25 s时，计算输出电压平均值时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值，输出电流平均值Io)( 3 ffVEtTUo输出电流平均值为：输出电流平均值为：)(667. 6203 .133oARUIo 解：输出电压平均值为：解：输出电压平均值为： 交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路494

28、. 4. 升压斩波电路典型应用升压斩波电路典型应用用于直流电动机传动用作单相功率因数校正（PFC）电路用于其他交直流电源中交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路50几点说明：几点说明：再生制动时把电能回馈给直流电源。再生制动时把电能回馈给直流电源。电动机电枢电流连续和断续两种工作电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。状态。直流电源的电压基本是恒定的，不必直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。并联电容器。ttTEiOOa)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtb)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 a） 电流连

29、续时 b） 电流断续时用于直流电动机传动用于直流电动机传动交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路51数量关系v当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式：M11ddERitiLv当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：EERitiLM22ddv当电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电枢电流的平均值Io，即REEREmIoMv该式表明，以电动机一侧为基准看，升压斩波器等效于把电源E降低为 。E交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路52v如图，当电枢电流断续时：当t=0时刻i1=I10=0，令式中I10=0即可求出I20，进而可写出 i2的表达式。另外，当t=t2时，i2=0，可求得

30、i2持续的时间tx，即 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形mmett11lnonxeem11-电流断续的条件txt0fftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路53三、复合斩波电路三、复合斩波电路（Boost ChopperBoost Chopper） 复合斩波电路复合斩波电路：降压斩波电路和升压斩波电路组合构成。降压斩波电路和升压斩波电路组合构成。( (一一) )电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路v斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动。又

31、可再生制动。降压斩波电路能使电动机工作于第降压斩波电路能使电动机工作于第1 1象限。象限。升压斩波电路能使电动机工作于第升压斩波电路能使电动机工作于第2 2象限。象限。v电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路：降压斩波电路降压斩波电路与与升压斩波电路组合升压斩波电路组合。此电路。此电路电动机的电枢电流可电动机的电枢电流可正正可可负负，但电压只能是一种极性，故其可工，但电压只能是一种极性，故其可工作于第作于第1 1象限和第象限和第2 2象限。象限。交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路541.1.电路结构电路结构vV V1 1和和VDVD1 1构成降压斩波电路，电动构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第机为电动运行，工作于第1 1象限。象限。vV V2 2和和VDVD2 2构成升压斩波电路，电动机构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第作再生制动运行，工作于第2 2象限。象限。v必须必须防止防止V V1 1和和V V2 2同时导通同时导通而导致的而导致的电源短路。电源短路。v降压斩波电路降压斩波电路与与升压斩波电路升压斩波电路组合组合。交流调压与斩波电路交流调压与斩波电路55t