变频调压电源设计Word格式文档下载.docx

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本论文主要介绍了变频调压电源的基本原理，从整流、逆变、变频三个方面分别续以介绍，进而实现了单向变频调压电源，然后再以单相为基础，深入到三相调压电源。

实验表明该电源输出电压波形较理想，实现的调压、变频精度高，反馈灵敏迅速，保护措施齐全有效。

关键词：

整流、逆变、变频

引言：

变频调压电源是一种输出正弦波的交流电源，它可以根据客户的不同要求变输出电源的电压和频率。

变频调压电源包括单相变频调压电源和三相变频调压电源，其中还包括单相变三相和三相变单相调压电源。

变频调压电源在现代社会生活中的应用越来越广泛，其中应用于灯光控制（调光台灯和舞台灯光控制）及异步电机的软启动，也用于异步电机的调速；

在电力系统中，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源电路调节变频器一次电压。

变频调压电源包括的内容很多，下面主要研究单相变频调压电源。

实验基本原理：

它的主电路形式一般是交流一直流一交流变换，即先将市电整流成直流，再将直流逆变为要求频率的交流电；

其中将直流电能变换为交流电能的环节称为逆变环节。

设计方案图及论证：

将一种交流电能转换为另一种交流电能的过程称为交流-交流变换过程，其中中间环节需要经过整流电路将交流电变为直流电再将直流电变为交流电，再次通过交流调压电路来调节输入电大的频率，进而实现了单相交流调压电源设计，凡能实现这种变换的电路为交流变换电路。

对单相交流电的电压进行调节的电路。

用在电热控制、交流电动机速度控制、灯光控制和交流稳压器等场合。

与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控制方便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属消耗也少。

结构原理简单。

该方案是由变压器、触发电路、整流器、以及一些电路构成的，为一台电阻炉提供电源。

输入的电压为单相交流220V，经电路变换后，为连续可调的交流电。

各部分电路作用：

220V交流输入部分作用：

为电路提供电源，主要是市电输入；

整流电路部分的作用：

主要通过整流桥将交流电变为直流电，通过控制触发电路的触发脉冲，即控制触发脉冲的角度，可以控制直流电源的大小；

整流电路原理图：

整流电路输出波形：

负载时纯电阻性负载的情况时：

分析各个晶闸管的电压、电流波形、每一个管子所承受的电压、电流的大小。

逆变电路部分的作用：

逆变电路主要是通过单相全桥逆变电路来实现将直流电变为交流电，此时通过控制晶闸管导通组的交替工作，此次控制晶闸管的导通的脉冲发生改变V1、V2互补，V3、V4互补，V1比V3超前一定角度，此时的角度小于180。

逆变电路原理图：

交流调压电路：

通过把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流输出，通过控制两个晶闸管切换的导通的频率就可以改变交流输出电压的频率，进而实现了变频，交流电压的大小是前级控制实现的。

单相交流调压电路原理图：

通过以上整个过程可以实现单相交流调压变频。

单相交流调压电路的理想模型

电路及其波形如下

工作原理：

当G=1时，S1合上，S2断开，U0=Ui

当G=0时，S1断开，S2合上，U0=0续流

实际实现电路及工作原理

前面分析了理想条件下单相调压电路的工作原理，理想条件中假设的主电路功率器件具有理想功能，实际上这种器件是不不存在的，因此必须根据电路的特点和器件的实际性能来组构电路。

U01是U0的基波分量，i01是i0的基波分量；

i01与u01将产生Ø

的滞后角。

在过零点附近出现；

i01与u01不同相问题。

在ax￠[0，∮]，u>

0,u1>

0,而i<

0,电流为负值，由于T1恒通T2横断，u=ui无斩波。

出现了失控现象，即；

u01的控制信号不能实现斩波。

位控制调压 

　利用控制触发滞后角α的方法,控制输出电压。

晶闸管承受正向电压开始到触发点之间的电角度称为触发滞后角α。

在有效移相范围内改变触发滞后角，即能改变输出电压。

有效移相范围随负载功率因数不同而不同，电

阻性负载最大,纯感性负载最小。

图3是阻性负载时相控方式的交流调压电路的输出电压波形。

相控交流调压电路输出电压包含较多的谐波分量，当负载是电动机时，会使电动机产生脉动转矩和附加谐波损耗。

另外它还会引起电源电压畸变。

为减少对电源和负载的谐波

影响，可在电源侧和负载侧分别加滤波网络。

　　斩波控制调压 

　使开关在一个电源周期中多次通断，将输入电压切成几个小段，用改变小段的宽度或开关通断的周期来调节输出电压。

斩控调压电路输出电压的质量较高,对电源的影响也较小。

图4是斩波控制的交流调压电路的输出电压波形。

在斩波控制的交流调压电路中，为了在感性负载下提供续流通路，除了串联的双向开关S1外，还须与负载并联一只双向开关S2。

当开关S1导通，S2关断时，输出电压等于输入电压；

开关S1关断，S2导通时,输出电压为零。

控制开关导通时间与关断时间之比即能控制交流调压器的输出电压。

开关S1、S2动作的频率称斩波频率。

斩波频率越高,输出电压中的谐波电压频率越高,滤波较容易。

当斩波频率不是输入电源频率的整数倍时，输出电压中会产生分数次谐波。

当斩波频率较低时，分数次谐波较大，对负载产生恶劣的影响。

将斩波信号与电源电压锁相，可消除分数次谐波。

斩波控制的交流调压电路的功率开关元件必须采用功率晶体管或其他自关断元件，所以成本较高。

参数计算

负载电压有效值

（4-1）

负载电流有效值

（4-2）

晶闸管电流有效值

（4-3）

功率因数;

;

（4-4）

输出电压与α的关系：

移相范围为0≤α≤π。

α=0时Uo=U1，最大，α的增大，Uo降低，α=π时，Uo=0

λ与α的关系：

α=0时，λ=1，α增大，输入电流滞后于电压且畸变，λ降低

1、电阻性负载

在电源u的正半周内，晶闸管V1承受正向电压，当ωt＝α时，触发V1使其导通，则负载上得到缺α角的正弦半波电压，当电源电压过零时，V1管电流下降为零而关断。

在电源电压u的负半周，V2晶闸管承受正向电压，当ωt＝π＋α时，触发V2使其导通，则负载上又得到缺α角的

正弦负半波电压。

持续这样的控制，在负载电阻上便得到每半波缺α角的正弦电压。

改变α角的大小，便改变了输出电压有效值的大小。

设

则负载电压的有效值为

从上式中可以看出，随着α角的增大，Uo逐渐减小;

当α＝π时，Uo＝0。

因此，单相交流调压器对于电阻性负载，其电压的输出调节范围为0～U，控制角α的移相范围为0～π。

2、电感性负载

晶闸管的导通角θ的大小，不但与控制角有关，而且与负载阻抗角有关。

一个晶闸管导通时，其负载电流io的表达式为

当ωt＝α＋θ时，io＝0。

将此条件代入可求得导通角θ与控制角α、负载阻抗角φ之间的定量关系表达式为

针对交流调压器，其导通角θ≤180°

，再根据上式可绘出θ＝f（α，φ）曲线，单相交流调压电路以φ为参变量时θ与α的关系。

下面分别就α＞φ、α＝φ、α＜φ三种情况来讨论调压电路的工作情况。

（1）当α＞φ时，由式可以判断出导通角θ＜180°

正负半波电流断续。

α越大，θ越小，波形断续愈严重。

（2）当α＝φ时，由式可以计算出每个晶闸管的导通角θ＝180°

。

此时，每个晶闸管轮流导通180°

，相当于两个晶闸管轮流被短接，负载电流处于连续状态，输出完整的正弦波。

图6-5感性负载窄脉冲触发时的工作波形

（3）当α＜φ时，电源接通后，在电源的正半周，如果先触发V1，则可判断出它的导通角θ＞180°

如果采用窄脉冲触发，当V1的电流下降为零而关断时，V2的门极脉冲

已经消失，V2无法导通。

到了下一周期，V1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，如图6-5所示，回路中出现很大的直流电流分量，无法维持电路的正常工作。

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V1管电流下降到零时，V2管的触发脉冲信号还未消失，V2可在V1电流为零关断后接着导通。

但V2的初始触发控制角α＋θ-π＞φ，即V2的导通角θ＜180°

从第二周开始，由于V2的关断时刻向后移，因此V1的导通角逐渐减小，V2的导通角逐渐增大，直到两个晶闸管的导通角θ＝180°

时达到平衡。

根据以上分析，当α≤φ并采用宽脉冲触发时，负载电压、电流总是完整的正弦波，改变控制角α，负载电压、电流的有效值不变，即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的，则最小控制角α＝φ（负载的功率因素角），所以α的移相范围为φ～180°

课程设计总结：

通过本次课程设计提高了自己查阅资料的能力和同学商量问题、解决问题的能力，同时能够将理论联系实际，切实的锻炼了自己的实践能力，提高了自己对知识的掌握程度，并巩固了自己所学的知识。

本课程设计主要应用了晶闸管、IGBT、触发电路、通过整流、逆变和交流调压电路实现了调压，再次通过调整交流调压电路的触发脉冲，控制晶闸管的导通频率可以实现变频，因此完成了本次课程设计的任务——变频调压电源设计。

参考文献：

（1）王兆安、电力电子技术、第五版、北京、机械工业出版社、2009.5

（2）刘凤君、正弦波逆变器、【M】、北京、科学出版社、2002

（3）张占松高频开关稳压电源广州、广东科技出版社1993

（4）张占松高频开关稳压电源广州、广东科技出版社1993

（5）

周志敏开关电源实用技术人民邮电出版社2004.1