交流-交流變換電路

1、實驗三：交流-交流變換電路（一） 實驗目的（1）掌握交流調壓電路的工作特性；（2）掌握諧波分析方法。（二）實驗原理（1）單相交流調壓電路原理 圖1.主電路 圖2.工作波形圖（工況）單相交流調壓電路帶組感性負載時的電路以及工作波形如上圖所示。由于阻感性負載時電流滯后電壓一定角度，再加上移相控制所產生的滯后，使得交流調壓電路在阻感性負載時的情況比較復雜，其輸出電壓，電流與觸發(fā)角，負載阻抗角都有關系。當兩只反并聯(lián)的晶閘管中的任何一個導通后，其通態(tài)壓降就成為另一只的反向電壓，因此只有當導通的晶閘管關斷以后，另一只晶閘管才有可能承受正向電壓被觸發(fā)導通。由于感性負載本身滯后于電壓一定角度，再加上相位控制產

2、生的滯后，使得交流調壓電路在感性負載下的工作情況更為復雜，其輸出電壓、電流波形與控制角、負載阻抗角都有關系。其中負載阻抗角,相當于在電阻電感負載上加上純正弦交流電壓時，其電流滯后于電壓的角度為。為了更好的分析單相交流調壓電路在感性負載下的工作情況，此處分三種工況分別進行討論。情況：上圖所示為單相反并聯(lián)交流調壓電路帶感性負載時的電路圖，以及在控制角觸發(fā)導通時的輸出波形圖，同電阻負載一樣，在的正半周角時，觸發(fā)導通，輸出電壓等于電源電壓，電流波形從0開始上升。由于是感性負載，電流滯后于電壓，當電壓達到過零點時電流不為0，之后繼續(xù)下降，輸出電壓出現(xiàn)負值，直到電流下降到0時，自然關斷，輸出電壓等于0，正

3、半周結束，期間電流從0開始上升到再次下降到0這段區(qū)間稱為導通角。由后面的分析可知，在工況下，因此在脈沖到來之前已關斷，正負電流不連續(xù)。在電源的負半周導通，工作原理與正半周相同。 為了分析負載電流的表達式及導通角與、之間的關系，假設電壓坐標原點如圖所示，在時刻晶閘管T導通，負載電流i應滿足方程L=sin 其初始條件為i|=0，解該方程，可以得出負載電流i在區(qū)間內的表達式為i=當=時，i=0，代入上式得，可求出與、之間的關系為sin（-）=sin（-）e利用上式，可以把與、之間的關系用下圖的一簇曲線來表示。圖3.與、之間的關系曲線圖中以為參變量，當=0時代表電阻性負載，此時=180-；若為某一特定

4、角度，則當時，=180，當>時，隨著的增加而減小。上述電路在控制角為時，交流輸出電壓有效值U、負載電流有效值I、晶閘管電流有效值I分別為U=UI=2I I= I式中，I為當=0時，負載電流的最大有效值，其值為I=為晶閘管有效值的標玄值，其值為=由上式可以看出，是及的函數(shù)下圖給出了以負載阻抗角為參變量時，晶閘管電流標幺值與控制角的關系曲線。 圖4.晶閘管電流標幺值與控制角的關系曲線=情況：當控制角=時，負載電流i0的表達式中的第二項為零，相當于滯后電源電壓角的純正弦電流，此時導通角=180，即當正半周晶閘管T1關斷時，T2恰好觸發(fā)導通，負載電流i0連續(xù)，該工況下兩個晶閘管相當于兩個二極管，

5、或輸入輸出直接相連，輸出電壓及電流連續(xù)，無調壓作用。情況:在工況下，阻抗角相對較大，相當于負載的電感作用較強，使得負載電流嚴重滯后于電壓，晶閘管的導通時間較長，此時公式仍然適用，由于，公式右端小于0，只有當時左端才能小于0，因此，如圖所示，如果用窄脈沖觸發(fā)晶閘管，在時刻被觸發(fā)導通，由于其導通角大于180，在負半周時刻為發(fā)出出發(fā)脈沖時，還未關斷，因受反壓不能導通,繼續(xù)導通直到在時刻因電流過零關斷時，的窄脈沖已撤除，仍然不能導通，直到下一周期再次被觸發(fā)導通。這樣就形成只有一個晶閘管反復通斷的不正常情況，始終為單一方向，在電路中產生較大的直流分量；因此為了避免這種情況發(fā)生，應采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)方

6、式。（2）斬控式交流調壓電路原理 圖5. 斬控式交流調壓電路原理圖 圖6.交流斬波調壓輸出波形斬波控制方式時，晶閘管要帶有強迫關斷電路或采用IGBT、MOSFET等可自關斷器件，在每個電壓周波中，開關元件多次通斷，使電壓斬波成多個脈沖，改變導通比即可實現(xiàn)調壓。斬控式交流調壓電路的原理圖如圖5所示，一般采用全控型器件作為開關器件。其基本原理和直流斬波電路有類似之處，只是直流斬波電路的輸入是直流電壓，而斬控式交流調壓電路的輸入是正弦交流電壓。在交流電源u1的正半周，用V1進行斬波控制，用V3給負載電流提供續(xù)流通道；在u1的負半周，用V2進行斬波控制，用V4給負載電流提供續(xù)流通道。斬控式交

7、流調壓就是通過改變對晶閘管的導通的控制，可以是保持開關周期T不變，調節(jié)開關導通時間Ton,這種方式稱為脈沖寬度調制（PWM調制），也可以是開關導通時間Ton不變，改變開關周期T，稱為頻率調制，還有一種混合型，就是Ton，和T都可調。實驗室提供的是PWM調制，通過調節(jié)開關導通的時間，即調節(jié)占空比，就可以對輸出電壓的平均值進行調節(jié)。 圖6給出了電阻負載時斬控式交流調壓電路的波形?？梢钥闯?，電源電流i1的基波分量和電源電壓u1同相位，即位移因數(shù)為1。另外，通過傅里葉分析可知，電源電流中不含低次諧波，只含和開關周期T有關的高次諧波。這些高次諧波用很小的濾波器即可濾除。這個電路的功率因數(shù)接近1。（三）實

8、驗內容在MATLAB/Simulink中分別構建晶閘管單相交流調壓電路和斬控式單相交流調壓電路，測試交流調壓性能，并在輸入輸出電壓相同的情況下，比較兩個電路的諧波分析結果。（一） 實驗過程與結果分析1仿真系統(tǒng)MATLAB平臺2仿真參數(shù)（1）電相交流調壓電路交流電源E=220V，f=50Hz；觸發(fā)脈沖T=0.02s，D=5%；電阻R=100，電感L=0.1H（2）斬控式交流調壓電路交流電源E=100V，f=50Hz；電阻R=100，電感電感L=1uH或0.1uH3仿真波形與分析（1）單相交流調壓電路：電路模型如下：圖7.單相交流調壓電路仿真模型觸發(fā)角=300時的波形圖和諧波分析：圖8. =300

9、時的波形圖圖9.=300時的諧波分析觸發(fā)角=600時的波形圖和諧波分析：圖10.=600時的波形圖圖11.=600時的諧波分析觸發(fā)角=900時的波形圖和諧波分析：圖12. =900時的波形圖圖13.=900時的諧波分析波形分析：以上各圖分別為觸發(fā)角為30°,60°,90°時所得的仿真波波形和諧波分析，波形圖中第一個波形為觸發(fā)脈沖的波形，第二個波形為負載電流的波形，第三個波形為負載電壓的波形。單相交流調壓電路帶組感性負載時，隨著觸發(fā)角的增大，負載兩端電流和電壓波形的占空比逐漸減小。由于電感的影響電流波形和電壓波形不再保持一致，這是因為電感的儲能作用。當觸發(fā)脈沖到來時

10、，正向晶閘管導通，電壓發(fā)生跳變，由于電感的作用，電流只能從零開始變化，同時電感開始儲能。當電源電壓變?yōu)樨摃r正向晶閘管并不能關斷，直到電感中的儲能釋放完，這就是負載兩端電壓和電流波形不一致的原因。由此可以看出電感是一種儲能元件，其兩端的電流不能突變但電壓可以。且當觸發(fā)角逐漸增大時，諧波的總含有量THD也變大。（2）斬控式交流調壓電路電路模型如下：圖14.斬控式交流調壓電路仿真模型觸發(fā)脈沖波形：圖15.V1、V3觸發(fā)脈沖 圖16.V2、V4觸發(fā)脈沖IGBT上下兩觸發(fā)脈沖的波形相差1800，從而恰好使正弦波的正半周和負半周交替形成邊緣為正弦波的斬波。L=1uH時的仿真波形和諧波分析：圖17.L=1uH時的仿真波形圖18. L=1uH時的諧波分析L=0.1uH時的仿真波形和諧波分析：圖19.L=0.1uH時的仿真波形圖20. L=0.1uH時的諧波分析波形分析：仿真波形為邊緣為正弦波的斬波，波形一定的振蕩，方波底端略微傾斜。減小電感的值，波形變得更為平滑。交流斬波的波形諧波含