相控式交流对直流电能转换器Word格式文档下载.docx
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然而那只是在停電時動作,使用的時間並長久。
另一部份的整流器及電池組之品質就相對的重要許多!
若整流器部份不佳,電池組的壽命就對縮短;
所以為了電源動作能正常安全、降低設備維修之經費,整流器的重要性也無形提高很多。
因此本實驗的目的在瞭解到一般整流器和可控式整流器的差異,及瞭解可控式整流器的動作方式和原理。
在一般的二極體整流器電路中僅能提供不可控的輸出電壓,為了得到可以控制的輸出電壓,我們以相位控制閘流體來取代二極體,而閘流體整流器的輸出電壓,則可以借控制閘流體的觸發角而加以改變。
此種相位控制構簡單並且價格便宜,同時其效率一般均高於95%以上,由於此重整流器是將交流轉換成可控直流輸出,故在工業上之應用極為廣泛。
特別是變速驅動系統,其功率範圍可由數馬力至數百萬瓦不等。
2、相關知識
相位控制轉換器(phaseconverter)為線性換向(linecomnuctated)ac-dc轉換器,其輸出為可變直流電壓,其大小隨著控制相角,亦即控制整流元件之閘極信號,而控制整流器之導通時間。
如果轉換器中主動元件(activedevices)均為二極體,則此種轉換器稱不可控制之整流器(rectifer),其輸出直流電壓大小隨市電電壓而變,如下圖
如果二極體半數以閘流體取代,變成半控轉換器(halfcontrolledorsemiconverter),半控制轉換器之輸出直流電壓大小隨閘流體之角控制而變,由於此類轉換器之直流電壓極性和電流方向不能改變,故又稱為單向轉換器(onequadrant),如下圖
關於相位控制的觀念和技術,以圖1所示之電路來說明,在交流電源的負半週,閘流體停止負載電流流通,同時負載電壓為零。
在交流電源的正半週,閘流體順向偏壓,如將閘流體予以激發,則閘流體會導通,假設閘流體在時間t1時導通,負載電流流通,且負載電壓等於電源電壓減去元件壓降(此壓降約為1伏特)。
在純電阻性負載,當時間t2時閘流體變為逆向偏壓,負載電流亦隨之停止,負載電壓等於零。
直到t4時,閘流體再度變為順向偏壓,同時經由閘極發導通,其中直流電壓之平均值(meandcvoltage)經由激發延遲角度α予與控制。
在電感性負載如圖1所示,如果閘流體在t1時間導通則負載電流流通,且負載電壓等於電源電壓減掉元件的壓降,然而在t2時,閘流體逆向偏壓,負載所儲存的磁能送回電源,且在元件維持順向電流(此電流漸漸衰減),當時間t3時,順向電流衰減為零,同時元件截止,在t3和t5之間,負載電流等於零,則負載電壓亦等於零。
單向全控整流器則如圖2(a)所示,為一電感性負載之單向全控整流器,在輸入電壓正半週中,閘流體T1及T2同為順向偏壓,而當這兩個閘流體於wt=時輸入電壓已a同時被觸發後,負載經由T1及T2與輸入電源相連接,由於負載具電感性在WT=π之後,雖然此經轉變為負值,但閘流體T1及T2將持續導通。
在輸入電壓負半週中,閘流體T3及T4同為順向偏壓,此時觸發閘流體T3及T4將使電源電壓跨於閘流體T1及T2如同一逆向阻斷電壓,T1及T2因自然換流而截止,而負載電流則由T1及T2轉移至T3及T4。
圖2(b)所示為此轉換器之工作區或,而圖2(c)則為輸入電壓、輸出電壓與輸入及出電流。
在許多應用中僅需將功率由電源傳送到直流負載,因此工作於整流模式,此一要求可經由下列方式予以滿足,將橋式轉換器各支路閘流體的一半予以二極體取代,如圖3所示,此種轉換器稱為半控式橋式轉換器(halfcontrolledbridgeconverter),此種轉換器減少元件成本,同時亦達到簡化激發控制電路。
圖2單相全控整流器(a)電路圖(b)工作象限圖
3、工作原理
在驅動器後面就我們所以控制對象SCR及漣波濾波電路,如圖4所示:
圖4半控整流器之主電力電路圖
圖5SCR1導通時之電力潮流路徑
圖6SCR2導通時之電力潮流路徑
當SCR1導通時,電力潮流之路徑如圖5所示,而當SCR2導通時,電力潮流之路徑如圖6所示,由圖5及圖6皆可看出其皆能對電容器充電,此既表示此電路能將交流電轉換成直流電。
-OUTPUT
圖7控制方塊圖
圖8控制電路圖
半導體整流器之控制方塊圖與電路圖,分別如圖7與圖8。
我們先預設一個電壓(利用VR1)當設定電壓,通過一級OPAMP(電壓隨耦器):
再與回授(OUTPUT由R1與R2的分壓)電壓交給第二級(減法器),也就是檢測實際的誤差,可由預設值可變電阻器預設目標電壓:
如圖9所示。
而取負端的OUTPUT主要是考慮到主電路和SCR的閘極共地問題,如此閘極電位才能造成正確的動作。
繼續第三級PI控制器(比例積分控制器):
將誤差放大。
PD控制器是會增加一系統暫態阻尼,可是穩態響應則不影響,如圖所示:
圖10PI控制電路
至於第四級OPAMP電路,是因應TCA785的DCVInput需要正電壓,而加上一反相器器,如圖11所示。
圖11反相電路
第五級OPAMP電路是避免TAC785的DCVInput控制電壓降到零所提供之抵補電路,如圖12所示:
圖12抵補電路
最後,是由TCA785與電晶體-變壓器組所組成動器去推動SCR,如圖13所示:
圖13TCA785及SCR觸發驅動信號電路
TCA785是德國西門子發展出來的相位控制積體電路,其可完成0~180度的相位控制,各個腳之信號時序圖如圖14,第五接腳一般均經由大電阻接到市電電壓作為相位參考,因第五接腳之耐流量很小,第十接腳之電容經由第九接腳之電阻來控制電流方向電容充電產生鋸齒波電壓,再由第十一接腳之可輸入直流控制電壓和鋸齒波電壓作比較以控制觸發相位,在本實驗中為半控制轉換整流器,使用第十五接腳之A2及第十四接腳之A1,以產生SCR或TRIAC之驅動脈波,可精確地控制觸發角。
4、實驗步驟
做實驗之前,必須先量測個個板面功能是可正常,後方可做實驗以及操作!
底下則為實驗前檢查次序:
甲、開啟電源。
乙、清理面板上雜物。
丙、量測直流電源供應是否存在。
丁、量測控制板上之直流電源是否正常。
戊、量測TCA785的第10腳之三角波波形產生是可存在。
己、量測回授電壓是否存在。
《必須使用衰減棒,方能接至示波》。
庚、量測回授分壓電路是否正常。
辛、量測回授預設電路是否正常。
壬、量測誤差電路是否正常。
癸、量測減法電路是否正常。
11、量測控制板末級電晶體-變壓器輸出電路模組是否正常。
12、最後量測板面電路各個元件是正常。
5、實驗結果
控制SCR觸發角度的電路有很多種。
例如半波幅度控制激發電路,僅以一個二體與串聯電阻器去觸發SCR閘極,其供應到負載的功率僅為正弦波之一半,激發空制角僅存3~9度間,另一個全波富控制激發電路,電源部份則先經過式整流後,直接與直流負載相接,比例控制範圍被限制在半功率與全功率間、激發南角約15~180度間。
因此使SCR通的閘極電壓須大於二極體壓降(0.7V)加上閘極電壓最低觸發電壓(0.7V),故最小由15度觸發。
而本電路之SCR閘極觸發電路由OPAMP放大器及IC-TCA785組成,其控制電路優於上述方法,缺點是複雜度提高控制角可在0~180度。
可是因為TCA785之輸出觸發電壓皆超過0.7V,故能輕易從0度使SCR通,進輸出最大功率。
上述兩簡易的觸發電壓都受限於正弦波電壓從0開始上升至0.7V之間陝隘的限制,因為這段期間之內SCR有微量閘極電壓,但未能超過0.7V,以致於無法從0度觸發。
參考書籍
1.譯者:
曾煥華
書名:
電池的應用
出版社:
新世記叢書
2.編譯者:
李世興
電池活用手冊
全華科技圖書股份有限公司
3.主辦單位:
經濟部工業局
執行單位:
工業計技術研究能源與資源研究所
經濟部工業局八十三年度工業技術人才
培訓計劃講義(課程名稱:
電池充電器設計)
4.主辦單位:
經濟部工業局…。
執行單位:
經濟部工業局八十四年度工業技術人才
鎳鎘/鎳氫/鋰電池
充電器設計)
5.譯者:
張桐生
徐氏基金會
電池組與能源系統。
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- 相控式 交流 直流 电能 转换器