交流-交流变换电路

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α，负载阻抗角φ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)arctan(RwL,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iu的正半周角时，iT触发导通，输出电压ou等于电源电压，电流波形oi从0开始上升。由于是感性负载，电流oi滞后于电压ou，当电压达到过零点时电流不为0，之后oi继续下降，输出电压ou出现负值，直到电流下降到0时，1T自然关断，输出电压等于0，正半周结束，期间电流oi从0开始上升到再次下降到0这段区间称为导通角0。由后面的分析可知，在工况下，180因此在2T脉冲到来之前1T已关断，正负电流不连续。在电源的负半周2T导通，工作原理与正半周相同。为了分析负载电流oi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t时刻晶闸管T1导通，负载电流i0应满足方程L0Riddtio=iu=iU2sint其初始条件为i0|t=0，解该方程，可以得出负载电流i0在≤t≤区间内的表达式为i0=])sin()[sin()(2tan/)(2tietLRU当t=时，i0=0，代入上式得，可求出与、之间的关系为sin（-）=sin（-）etan/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=00时代表电阻性负载，此时=180-；若为某一特定角度，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UO、负载电流有效值Io、晶闸管电流有效值IT分别为Uo=Ui)22sin(2sinI0=2ImaxoIT*IT=2ImaxoIT*式中，Imaxo为当=0时，负载电流的最大有效值，其值为Imaxo=22)(lRUiIT*为晶闸管有效值的标玄值，其值为IT*=cos2)2cos(sin2由上式可以看出，IT*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=1800，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180)(时左端才能小于0，因此180，如图所示，如果用窄脉冲触发晶闸管，在wt时刻1T被触发导通，由于其导通角大于180，在负半周)(wt时刻为2T发出出发脉冲时，1T还未关断，2T因受反压不能导通,1T继续导通直到在)(wt时刻因1T电流过零关断时，2T的窄脉冲2Gu已撤除，2T仍然不能导通，直到下一周期1T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，0i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）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/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=100Ω，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=100Ω，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α=300时的波形图和谐波分析：图8.α=300时的波形图图9.α=300时的谐波分析触发角α=600时的波形图和谐波分析：图10.α=600时的波形图图11.α=600时的谐波分析触发角α=900时的波形图和谐波分析：图12.α=900时的波形图图13.α=900时的谐波分析波形分析：以上各图分别为触发角α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α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比较大，且谐波的出书比较高，不含有低次谐波。4．结论1.利用单相交流调压电路和斩控式单相交流调压电路都能达到较为理想的交流调压效果，在Simulink中都能达到很好仿真效果。2.单相交流调压电路触发角α的选取会影响输出电压的波形，从而影响谐波含量。3.斩控式单相交流调压电路可以通过调节占空比的方式调节输出电压，且只含有高次谐波。