1、第第 三十一講三十一講主講教師：王念春主講教師：王念春第六章 交流調壓第一節 概述在工業生產和日用電氣設備中，有不少由交流供電如加熱爐的溫度，電光源的亮度，小型交流電動機的轉速等，要根據工作需要進行調節。這些設備的功率調節都可用改變交流電壓的大小來實現。前面幾章中，介紹了晶閘管作為開關元件，控制其導通角，調整整流輸出電壓的大小，實現對直流負載的功率控制。現在在交流電源和負載間，用兩個反并聯的晶閘管相連，如圖6-1（a）時，就構成了交流調壓控制器。其控制方式有2種。1.通斷控制：晶閘管和導通m個電源周期，然后關斷n個周期，一般 =0。如圖6-1（b）所示，改變m和n的比值，就改變了開關一個周期輸

2、出電壓的有效值。 2.相位控制，改變 和 的觸發角，以調整輸出電壓，如圖6-1（c）示。此時的電流波形與單相全波整流電路的電源電流波形相同。12交流調壓，晶閘管可以藉負載電流過零自然關斷，不需另加換流電路，所以電路結構簡單，調整方便。輸出含用較嚴重的諧波分量，適用于熱或機械慣性較大的負載功率調整。與整流相似，也有單相和三相之分，對三相負載又有星形和三角形連接。兩反并聯的晶閘管可以制造在一個芯片上，構成雙向晶閘管，進行雙向導通控制，可大大簡化交流調壓控制器的主電路和觸發電路。 第二節 開關通斷控制若圖6-1（a）負載為電阻負載，對它的電壓用開關通斷進行控制。一般在電源電壓正，負過零時，分別觸發

3、和 ，它們又在每半周電流過零時自然關斷。 12設電源電壓 = = 若導通m個周期，關斷n個周期，則輸出電壓的有效值為 (6-1) 式中 (6-2) 稱為周期占空比。utUmsintUsin2UDUnmmtdunmUm212020 )()(21nmmD輸出電流在一個通斷周期的有效值為 (6-3) 所以負載功率為 (6-4)IDI0DUIIUP000由上可見，改變周期占空比D的大小，就改變了負載功率。這種方式常用來控制有大的機械慣性和熱慣性的負載功率。通斷控制開關作用產生的諧波較少。輸入功率因數 可由負載在一個通斷周期中的有功功率與電源視在功率之比求得。由于輸入電流等于輸出電流，故 (6-5) 當

4、D很小時， 是很低的。icosDUUIUP000icosicos第第 三十二講三十二講主講教師：王念春主講教師：王念春流過晶閘管 的電流為半波電流，所以平均電流值為 (6-6) 但在選擇晶閘管電流定額時，由于管芯熱容 量很小，導通個周期管芯已達穩定溫升，故晶閘管電流定額應以D=1來選。21TT 和RDUDIttdnmmImav2)(sin)(20電器工作溫升問題例 有一交流220V供電的交流調壓電路，電路如圖6-1（a），負載電阻R=5 ，晶閘管導通20個周期，關斷40個周期。 （1）輸出電壓有效值 。 （2）負載功率 。 （3）輸入功率因數 。 0U0Picos解： （1）由式（6-1）知

5、（2）由式（6-4）知 （3）由式（6-5）知33.0402020,220nmmDVUVUDU02.12722033. 00WRDUP7 .3226522033. 022058. 033. 0Dicos注意，若圖6-1（a）的負載為電感性，即如負載功率因數很低，晶閘管導通后也僅3-4個周期電流就趨于穩態值，在晶閘管關斷時，晶閘管電流滯后 角到0才能使晶閘管關斷，這期間與m個周期相比可忽略，所以其輸出的電壓和電流有效值均可用(6-1)和 (6-3) 式近似計算。第三節 單相相控調壓一 電阻負載 如圖6-1（a）,（c）。設輸入電壓為 在電源正半波形時觸發 ，控制角 ，在電源負半波形時觸發 ，控制

6、角 。 tUtUumsin2sin1T12T2若 ，則輸出電壓有效值為 (6-7) 從0到 變化， 從 變到0。21)22sin(1U2120)()sin2(22tdtUU210UU輸入功率因數 ，由于輸入電流與輸出電流相同，故有 (6-8) UUIUP00icosicos流過每個晶閘管的平均電流與全波整流一樣為 (6-9)(sin221ttdURIav)cos1(22RU對于反并聯的兩個晶閘管，其控制極觸發電路必須隔離，通常采用脈沖變壓器實現，脈沖變壓器原副邊絕緣耐壓應能承受電源電壓。例 圖6-1（a）中，電阻R=5 ，輸入電壓 =220V，若 。求（1）輸出電壓有效值 。（2）負載功率 。

7、（3）輸入功率因數 。U2130Uicos解：(1)由式(6-7) (2) (3) 0U21)22sin(1UV3 .197)23/2sin(122021WRUP5 .778553 .1972200897.02203.197cos0UUi二 電感性負載具有RL負載的單相交流調壓電路如圖6-2。單相交流調壓如經變壓器給電阻負載供電時，考慮到變壓器漏抗和勵磁電抗，負載也是RL。現分析圖6-2電路，與單相半波整流帶電感性負載工作情況相似。設輸入電壓 ，則 導通時電路方程式為 (6-10)tUusin221TT 或tURidtdiLsin2若負載對電源頻率的功率因數 角 ， 在 時觸發導 通， 導通前

8、 =0。則（6-10）式的解為 (6-11)RLtg11Tt1Ti)sin()sin()(2)1/)(22LRetLRUi圖6-3 是電源電壓波形和晶閘管的觸發信號，負載電壓 和電流的波形。當 時， 降到0， 也為0。但由L自感電勢作用，使 繼續經 流通，直到 時電流降到0， 自然關斷， 角稱為 的導通角。 0utu0ui1T1T1Tt將 和 代入（6-11）式，就得到 （6-12） 從式（6-12）可見，導通角 與負載功率因數角 和晶閘管控制角 有關。當 一定時， 與 的關系如圖 6-4示。 t0itge)sin()sin(從式（6-12）和圖6-4曲線可見：（1） 時， =180 。電流的

9、正負周連續。將 代入式（6-11），電流的指數衰減項為0，電流為正弦波。（2） 時, 。電流已連續，為正弦波， 和 輪流導通，已不起調壓作用。輸出電壓即為輸入電壓。1801T2T（3） 時， 。電流正負半波不連續，這時滿足求解式（6-10）的初始條件 。圖6-3 的波形即為 的情況。1800i第第 三十三講三十三講主講教師：王念春主講教師：王念春此時輸出電壓有效值 為 （6-13）2120 )()sin2(22tdtUU21)2)(2sin22sin(1U0U輸出電流有效值為 （6-14）)sin()(222220tLRUI2/ 12/ )()()sin(wtdetgt從上可見，對電感性負載的

10、單相交流調壓，其控制角移相范圍為 。 而 時，則控制器不能調壓，只作簡單開關用。對于感性負載必須注意晶閘管觸發脈沖用寬脈沖或脈沖列。這是因為：a.在晶閘管導通后，電感電流上升到擎住電流需要一定時間。b.另外在 的情況， ，所以如開始時觸發 ，在 時觸發 ， 但因 ， 尚在導通，則 雖有觸發信號卻不能導通，只有在 關斷后才能導通，故 的觸發脈沖信號需要脈沖寬度大于（ ），否則就會出現只有一只管子能導通的不正常情況。1801Tt2T1T2T2T1T采用寬脈沖必然要求脈沖變壓器體積較大，故實際設備多用脈沖列觸發。例 在圖6-2 電路中，輸入電壓U=220V， f=50Hz, R=10 , =10 ，

11、若控制 角 = /2, 求（1）晶閘管的導通角 。（2）輸出電壓有效值 。（3）輸出電流有效值 。（4）輸入功率因數 。L0Uicos0I解：(1)由 及 查圖6-4曲線得 1 .141010)(2222LRZ45101011tgRLtg45rad32. 2133 90（2）由式（6-13）21)2)(2sin22sin(1UV3 .167)2)32. 22/( 2sin2) 2/(2sin32. 2(1220210U(3)由式（6-14）212/ )(220)()sin()sin()(222tdetLRUItgtA8 .122/12)4/(/)2/(32.2)2/(2/)()42sin()4

12、(sin1 .14220222tdettgt（4）由于輸入電流等于輸出電流76.02205.167cos0UUi雙向晶閘管為什么要有雙向晶閘管？簡化觸發電路。雙向晶閘管（TRIAC）是一個NPNPN的五層三端器件，有三個極：T1、T2，G（門極）；注意與晶閘管的差異。T1為參考極。T2T1，GT1間有四種電壓組合的可能：+，+-，-+，-，都可使雙向晶閘管導出通，因而觸發簡單。雙向晶閘管特點符號表示：額定電流參數使用有效值例題采用晶閘管反并聯的單相交流調壓電路，輸入電壓Ui=220V，負載為RL串聯，R=1，L=3.183mH。求： 控制角移相范圍； 負載電流最大值； 最大輸出有功功率； 輸入

13、功率因數（最大輸出有功功率情況下的）。分析：例題一臺220V 10KW單相電阻爐，采用單相交流調壓控制，現欲使其輸出為5KW（設電爐絲電阻值不隨溫度改變），求控制角值，負載電流有效值，輸入功率因數。 假定電阻爐的電阻值不隨溫度變化要點分析：21)22sin(1U2120)()sin2(22tdtUU過程第第 三十四講三十四講主講教師：王念春主講教師：王念春第六節 單相變壓器抽頭換接器 和交流穩壓電源一 單相變壓器抽頭換接器工作原理 相位控制的單相交流調壓，其輸出諧波分量較大，為了在較大范圍內調壓又希望減少諧波，可應用晶閘管和雙向晶閘管控制的變壓器抽頭換接器。單相變壓器抽頭換接器電路如圖6-16

14、所示。變壓器副邊引出抽頭， ， 。tUusin211tUusin2221. 若 截止，僅 工作，負載不論是純電阻或電感性的，輸出電壓有效值在 0- 間變化，其工作情況在第三節中已介紹。2rT1rT1U2.負載為電阻性， 的控制角 =0， 的控制角 。 在 未觸發前， ， 。在 時，觸發 ， 導通后，將反壓加于 ，使 關斷。此時， ， 。電源電壓為負半周時， 觸發 ，在 時，觸發 ， 導通后關斷 。 1rT1rT1rT2rT2rT2rT2rT10210uu Rui/102t210uuuRuui/ )(210t1rT2t2rT2rT1rT3.負載為電感性，電流滯后電壓 角時的情況，對觸發信號有較嚴

15、格的要求。在 與電壓 反方向時，即在 和 之間時，如觸發 ，則會發生 和 同時導通或 和 同時導通，將 短路，這種現象是不允許的。1rTi1u0t)(t2rT1rT1rT2rT2rT2u因此要求觸發 的角 。同時負載電壓波形與 觸發換流發出脈沖的時間有關。2rT21rT第第 三十五講三十五講主講教師：王念春主講教師：王念春（1） 在負載電流過零時觸發，脈沖寬度 應小于（ ）。輸出電壓和電流 如圖6-18（a），換流過程是 時，負載電流 過0，觸發 ， 。 時，觸發 ， 導通使 承受 反壓而關斷。 。 1rTt0i1rT10uut2rT2rT1rT210uuu 時， ，但電 流 ，在負載電流作用下， 繼續在原方向經 流通。 進入負半周，到 時 ， 過0， 關斷 。此時觸發 ， 導通， 的負半周。 時， 被觸發， 導通， 使 受反壓關斷。完成一個周期的換流過程。t021uu)(0ii 0i2rT210uuut2rT1rT1rT10uu t2rT2rT1rT0i(2) 在負載電壓過零時觸發，觸發脈沖應大于 小于 。 輸出電壓及電流波形如圖6-18（b）。其換流過程是 時， 。 1rTt210uuu