直流斬波電路定義和基礎(chǔ)

1、直流斬波電路定義和基礎(chǔ) 將電壓恒定不變的直流電變?yōu)殡妷捍笮】烧{(diào)的直流電稱為直流斬波。 常用的直流斬波電路包括：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路等，前兩種電路應(yīng)用廣泛，而且是其他斬波電路的基礎(chǔ)。 3 . 1 基本斬波電路 311 降壓斬波電路斬波電路的基本用途是拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載，總之負(fù)載中都有反電勢(shì)。電路如圖，使用了一個(gè)全控型器件V，V采用的是絕緣柵雙極晶體管IGBT，二極管VD的作用是V關(guān)斷時(shí)進(jìn)行續(xù)流的。 工作原理：V導(dǎo)通時(shí)，電源向負(fù)載供電，u0 =E，負(fù)載電流按指數(shù)曲線上升。V關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流經(jīng)VD續(xù)流，u0 =0，負(fù)載電流按指數(shù)曲線下降。通常接較大電感。負(fù)載電壓為

2、： 式中：為占空比或稱導(dǎo)通比。U0和成正比， 小于1 ，所以電路成為降壓斬波電路。 負(fù)載電流為： 電源電流平均值為： 同乘以：EI1=EI0=U0I0 即輸入功率等于輸出功率，因小于1，可將降壓變壓器看作直流降壓變壓器。 根據(jù)輸出電壓調(diào)制方式的不同，斬波電路有三種控制方式： 1）T不變，調(diào)節(jié)ton，稱為脈沖寬度調(diào)制，簡(jiǎn)稱PWM； 2） ton不變，改變T，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻型； 3） ton和T 都調(diào)節(jié)，稱為混合型。 其中第一種方式使用最多。 312 升壓斬波電路 1、工作原理： 當(dāng)V導(dǎo)通時(shí)，E向L補(bǔ)充電能，充電電流為I1，C向負(fù)載R供電，u0基本恒定。當(dāng)V阻斷時(shí)，E和L共同向C充電，并向負(fù)載

3、提供能量。 當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期中電感L上儲(chǔ)存的能量和釋放的能量相等，即： EI1ton=(U0-E)I1toff 化簡(jiǎn)得： 可見(jiàn)輸出電壓高于輸入電壓，電路為升壓斬波電路。定義= toff / T，則和導(dǎo)通占空比之間有如下關(guān)系： +=1因此，U0可表示為：若忽略電路中損耗，有：EI1=U0I0，電流為： 升壓斬波電路能升壓的主要原因有兩個(gè)：一是L儲(chǔ)能之后有升壓的作用，二是電容能將輸出電壓保持住。 2、升壓斬波電路的應(yīng)用 可用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)、單相功率因數(shù)校正等。 下圖為用于直流傳動(dòng)電路，電路將電機(jī)電勢(shì)EM及L中電能回饋到電源E；V導(dǎo)通時(shí)，給L充電，VD關(guān)斷；V關(guān)斷時(shí)，VD導(dǎo)通， EM

4、和L共同給E供電（升壓），這時(shí)電源E為吸收電能，可以將EM電能回饋給電源E； 電路中由于直流電源為恒定的，所以不用并聯(lián)電容器。 313 升降壓斬波電路和Cuk斬波電路 1、 升降壓斬波電路 工作原理： V導(dǎo)通，E向L儲(chǔ)能，電流為i1；同時(shí)，C向負(fù)載供電； V關(guān)斷，電感向負(fù)載釋放能量，電流為i2，同時(shí)C充電，可見(jiàn)負(fù)載電壓和E方向相反。 改變占空比，輸出電壓即可上升也可下降。輸出電壓計(jì)算：穩(wěn)態(tài)時(shí)，L一周期內(nèi)電感充放電總量為零,當(dāng)V導(dǎo)通時(shí)，uL=E;當(dāng)V關(guān)斷時(shí)，uL=- u0， 于是 Eton= u0 toff 輸出電壓為： 改變占空比，當(dāng)01/2 時(shí)為降壓電路，當(dāng)1/21時(shí)為升壓電路。 2 、 C

5、uk斬波電路 電路如圖，其工作原理可用右面的等效電路分析。 當(dāng)開關(guān)向右時(shí)，電流i1給C充電。 當(dāng)開關(guān)向左時(shí)，電流如圖。輸出電壓u0極性如圖，和E極性相反。 可推導(dǎo)出輸出電壓U0和電源電壓E的關(guān)系： 可見(jiàn)，這一關(guān)系與升降壓斬波電路相同。 與升降壓斬波電路相比較， Cuk電路的優(yōu)點(diǎn)為，其輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的。且脈動(dòng)很小。 314 Sepic斬波電路和Zeta斬波電路 Sepic斬波電路如圖，都為升降壓斬波電路。其基本工作原理是：當(dāng)V導(dǎo)通時(shí)，E-V和V-L2回路同時(shí)導(dǎo)電，L1 L2儲(chǔ)能。當(dāng)V關(guān)斷時(shí)，E-VD-R回路和L2-VD-R回路導(dǎo)電，此時(shí)E一方面向負(fù)載供電，一方面向電容C1充電

6、，電容C1儲(chǔ)存的能量在V導(dǎo)通時(shí)向L2轉(zhuǎn)移。 Zeta斬波電路如圖，工作原理：當(dāng)V導(dǎo)通時(shí)，E-L1回路導(dǎo)電，L1儲(chǔ)能，同時(shí)，E和C1共同向R供電，并向C2充電；當(dāng)V關(guān)斷時(shí)，L1向電容C1充電，其儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到C1，以備V導(dǎo)通時(shí)向R供電。 兩種電路的輸入輸出關(guān)系均為： Sepic斬波電路中，電源電流和負(fù)載電流均連續(xù)，有利于輸出輸入濾波；而Zeta斬波電路的輸入輸出均為斷續(xù)的。另外，與前述兩種電路比較，這里輸出電壓為正。而輸入輸出關(guān)系相同。 32 復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?升壓和降壓斬波電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成復(fù)合斬波電路；另外，利用同一種斬波電路進(jìn)行組合，可構(gòu)成多相多重?cái)夭娐?，使斬波電路的?/p>

7、體性能得到提高。 321 電流可逆斬波電路（復(fù)合斬波電路） 斬波電路用于拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)既要電動(dòng)運(yùn)行又要回饋制動(dòng)。降壓斬波電路和升壓斬波電路都不能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)運(yùn)行。 而電流可逆斬波電路中電機(jī)可在一、二兩象限運(yùn)行，既可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)運(yùn)行，又可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)運(yùn)行。兩種運(yùn)行時(shí)電流方向相反，所以叫做電流可逆斬波電路 電流可逆斬波電路如圖： 其中：V1、VD1構(gòu)成降壓斬波電路，使電動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)行；V2VD2構(gòu)成升壓斬波電路，使電動(dòng)機(jī)制動(dòng)運(yùn)行。 電路工作原理：當(dāng)降壓電路的V1關(guān)斷后，經(jīng)VD1將L的儲(chǔ)能釋放完畢，電樞電流為零。 這時(shí)使V2導(dǎo)通，由于電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)EM的作用使電樞電流反方向流動(dòng)，電機(jī)制動(dòng)停車，電

8、抗器L積蓄能量。 待V2關(guān)斷后，由于L積蓄的能量和EM共同作用使VD2導(dǎo)通，向電源反送能量。當(dāng)反向電流變?yōu)榱?，即L積蓄的能量釋放完畢時(shí)，V1再次導(dǎo)通。這樣，在一個(gè)周期中，電流不斷流，所以響應(yīng)很快。 需要注意的是當(dāng)V1 V2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，將導(dǎo)致電源短路。 上面介紹的電路是將升壓斬波電路與降壓斬波電路組合在一起，此電路可使電動(dòng)機(jī)正向運(yùn)行及制動(dòng)停車，但不能反向運(yùn)行，若需要可逆運(yùn)行，需使用下面的橋式電路。 322 橋式可逆斬波電路 該電路可使電動(dòng)機(jī)正反向可逆運(yùn)行。工作原理：當(dāng)V1 V4導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，進(jìn)行正向電動(dòng)運(yùn)行；當(dāng)V1 V4關(guān)斷時(shí)，電樞電流需經(jīng)過(guò)VD4 VD1續(xù)流，同時(shí)將機(jī)械能回饋電源；當(dāng)電流降

9、為零后，使V2 V3導(dǎo)通，為電動(dòng)機(jī)提供反向電壓電機(jī)反轉(zhuǎn)，為反向電動(dòng)運(yùn)行；當(dāng)V2 V3關(guān)斷時(shí)，電樞電流需經(jīng)過(guò)VD2 VD3續(xù)流，同時(shí)將機(jī)械能回饋電源； 此電路應(yīng)防止V1 V2或V3 V4同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象。 323 多相多重?cái)夭娐?多相多重?cái)夭娐肥窃陔娫春拓?fù)載之間接入多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路而構(gòu)成的如圖。 圖示電路是三相三重?cái)夭娐?，由三個(gè)降壓斬波電路并聯(lián)構(gòu)成，總輸出電流為三路電流之和。三個(gè)單元電流的脈動(dòng)幅值互相抵消，使總的輸出電流脈動(dòng)幅值變的很小。所需平衡電抗器的重量減小。 此外采用多重多相電路還可使電路的可靠性提高，當(dāng)一路出現(xiàn)故障時(shí)，其余單元可繼續(xù)運(yùn)行。 第四章 交流控制電路

10、和交交變頻電路 本章研究對(duì)交流電的調(diào)節(jié)電路。 交流控制電路是指改變交流電電壓、電流的電路； 交交變頻電路是指改變交流電源頻率的電路，變頻電路有交直交變頻和矩陣式變頻電路。 41 交流調(diào)壓電路 交流調(diào)壓電路廣泛用來(lái)控制燈光強(qiáng)弱，或控制異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。 411 單相交流調(diào)壓電路 把兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)串在交流電路中（相當(dāng)于雙向晶閘管） ，可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓有效值的大小，這種電路稱為交流調(diào)壓電路。 1、電阻性負(fù)載 電路如圖，在電源的正半周和負(fù)半周，控制VT1 VT2的導(dǎo)通角就可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。 當(dāng)開通角為時(shí)，負(fù)載電壓有效值、負(fù)載電流有效值、晶閘管電流有效值和電路的功率因數(shù)分別為： 的移項(xiàng)范圍為

11、0180。 2、阻感負(fù)載 若把=0點(diǎn)仍定在電源電壓的零點(diǎn)，顯然，阻感負(fù)載下穩(wěn)態(tài)時(shí)的移項(xiàng)范圍應(yīng)為=。其中負(fù)載的阻抗角為，負(fù)載電流應(yīng)滯后于電源電壓u1角度。在用晶閘管控制時(shí)，很顯然只能進(jìn)行滯后控制，使負(fù)載電流更為滯后，而無(wú)法使其超前。 電路穩(wěn)態(tài)時(shí)導(dǎo)通角為時(shí)，負(fù)載電壓有效值、 負(fù)載電流有效值、晶閘管電流有效值見(jiàn)P114。 3、 諧波分析 負(fù)載電壓和負(fù)載電流都不是正弦波，含有大量諧波。 電阻性負(fù)載，含有基波和3、5、7次諧波。 阻感性負(fù)載和上述情況也相同。 4、 斬控式交流調(diào)壓電路 斬控式交流調(diào)壓電路一般采用全控型器件，但是其輸出為同頻率的交流電。 u1正半周：V1導(dǎo)通輸出電壓，V1關(guān)斷時(shí)，V3續(xù)流；

12、 u1負(fù)半周：V2導(dǎo)通；V2關(guān)斷 時(shí)，V4續(xù)流。 可通過(guò)改變占空比調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。 通過(guò)諧波分析可知，電源電流中不含有低次諧波，只含有和開關(guān)周期T成反比的高次諧波，這些高次諧波用很小的濾波器即可濾除。電路的功率因數(shù)接近1。 412 三相交流調(diào)壓電路 根據(jù)三相聯(lián)結(jié)形式的不同，三相交流調(diào)壓電路具有四種形式，分別為：星型聯(lián)結(jié)，負(fù)載三角形聯(lián)結(jié)支路三角形聯(lián)結(jié)器件三角形聯(lián)結(jié)。 其中a、c種最常用。負(fù)載 1、星型聯(lián)結(jié)電路 可分為三相三線和三相四線兩種。 三相四線聯(lián)結(jié)時(shí)，工作時(shí)三相互相錯(cuò)開120； 單相交流調(diào)壓電路的電流中含有基波和各奇次諧波；組成三相電路后，基波的3的整數(shù)倍次諧波是同相位的，不能在各相之

13、間流動(dòng)，全部流過(guò)零線，因此零線中會(huì)有很大的3次諧波電流及3的整數(shù)倍次諧波電流?？紤]最嚴(yán)重的情況，零線電流甚至和相電流的有效值接近，在選擇導(dǎo)線和變壓器時(shí)要特別注意。 三相三線聯(lián)結(jié)時(shí)，我們主要分析電阻負(fù)載的情況。管子導(dǎo)通時(shí)是在線電壓為正才能導(dǎo)通，而線電壓超前相電壓30，因此的移項(xiàng)范圍為150。系統(tǒng)工作時(shí)，不同時(shí)刻導(dǎo)通晶閘管的個(gè)數(shù)不同，據(jù)此，將其工作情況分為三段，見(jiàn)P116，分別研究其輸出電壓波形： 1）0=60范圍內(nèi)，電路處于三個(gè)晶閘管導(dǎo)通和兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通的交替狀態(tài)。每個(gè)晶閘管導(dǎo)通180-，但=0時(shí)，一直是三個(gè)晶閘管導(dǎo)通。輸出電壓波形如圖。 2）60=90范圍內(nèi)，任一時(shí)刻都是兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通，每個(gè)晶

14、閘管的導(dǎo)通角度為120。 3）90=150電路處于兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通和無(wú)晶閘管導(dǎo)通的交替狀態(tài)，每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角度為300-2。 電流波形和電壓波形一致，可見(jiàn)電流中也含有諧波，諧波次數(shù)為（6k1）k=1，2，3，和三相橋式整流電路交流側(cè)所含的諧波次數(shù)相同。但它不含有3的整數(shù)倍次諧波。 2、支路三角形聯(lián)結(jié)電路 電路中三個(gè)單相支路分別在線電壓的作用下單獨(dú)工作。因此其分析方法同單相交流調(diào)壓電路。 在三相負(fù)載對(duì)稱時(shí)，相電流中的3 的整數(shù)倍次諧波的相位和大小都相同，所以它們?cè)谌切位芈分辛鲃?dòng)，而不出現(xiàn)在線電流中。因此，諧波幅值要小得多。 42 其它交流電力控制電路 包括交流調(diào)功和交流電力電子開關(guān)； 421

15、交流調(diào)功電路 以交流電的周期（2）為單位來(lái)控制晶閘管的通斷，從而調(diào)節(jié)輸出平均功率的電路，稱為交流調(diào)功電路。 設(shè)控制周期為M，晶閘管在前N個(gè)周期導(dǎo)通，后M-N個(gè)周期關(guān)斷。 當(dāng)M=3、N=2時(shí)的電路波形如圖4-13所示。調(diào)功電路和調(diào)壓電路的電路形式完全相同，只是控制方式不同。因其直接調(diào)節(jié)對(duì)象是電路的平均輸出功率，所以被稱作交流調(diào)功電路。這種電路常用于電爐的溫度控制等時(shí)間常數(shù)很大的負(fù)載中，以周期為單位進(jìn)行控制足夠了。當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻是正弦波的起始點(diǎn)時(shí)，在電源電壓接通期間，負(fù)載電壓是正弦波，沒(méi)有諧波污染。 422 交流電力電子開關(guān) 把反并聯(lián)的晶閘管串入交流電路中起接通和斷開電路的作用，這就是交流電力電

16、子開關(guān)。其作用是代替電路中的機(jī)械開關(guān)。 與機(jī)械開關(guān)比較，這種開關(guān)沒(méi)有觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，可以頻繁控制通斷，響應(yīng)速度快。在公用電網(wǎng)中，為提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改善供電質(zhì)量，常使用并聯(lián)電容器來(lái)控制無(wú)功功率。和機(jī)械開關(guān)投切電容器方式比較，晶閘管投切電容器（TSC）是一種性能優(yōu)良的無(wú)功補(bǔ)償方式。 電路工作原理是：兩個(gè)晶閘管輪流導(dǎo)通，使電容上電壓和電源電壓同相，電容上電流滯后電壓90，因此，可以提高電路的功率因數(shù)。 為減少電容投入過(guò)程中的沖擊電流，應(yīng)使電容預(yù)先充電至電源電壓峰值，然后在電源電壓峰值時(shí)將電容投入，這時(shí)電流為零。如圖所示。 43 交交變頻電路 交交變頻電路是把交流電直接變換為頻率可調(diào)的交流電

17、。 431 單相交交變頻電路 1、電路結(jié)構(gòu)和工作原理 若使其輸出交流電，只需使角改變（90090） ，如圖，在負(fù)載上得到的電壓可等效看作為正弦波，若對(duì)N組實(shí)行同樣的控制即可得到正弦波的負(fù)半波。在一個(gè)周期內(nèi)所包含的電源波頭越多，波形就越接近正弦波。 由此可見(jiàn)電路的輸出交流電頻率應(yīng)小于輸入交流電頻率，一般不高于輸入電源頻率的1/3。 2、整流與逆變工作狀態(tài) 電路等效為正弦波交流電源和二極管的串聯(lián)。以應(yīng)用最多的感性負(fù)載為例分析。 當(dāng)電流i0為正時(shí)：在電壓u0也為正區(qū)間，P組整流，在電壓u0為負(fù)區(qū)間，P組逆變。 當(dāng)電流i0為負(fù)時(shí)：在電壓u0也為負(fù)區(qū)間，N組整流，在電壓u0為正區(qū)間，N組逆變。 3、輸出

18、正弦波的調(diào)制方式 根據(jù)上面介紹的方法，改變角（90090）就可以使輸出為正弦波。 但使用人工控制角是行不通的，不可能得到理想的正弦波。角的具體控制方式有多種，這里主要介紹使用廣泛的余弦交點(diǎn)法。 交交變頻電路的輸出為正弦交流電壓： u0= U 0msinw0t 根據(jù)前面學(xué)過(guò)的整流電路平均電壓計(jì)算公式U 0= U d0cos，這就是晶閘管電路每個(gè)控制角間隔內(nèi)輸出的平均電壓。若一個(gè)周期內(nèi)輸入正弦電壓波頭足夠多時(shí)，可將其看作輸出正弦波的瞬時(shí)值。即：u0 = U 0 兩式整理得： 此式就是用余弦交點(diǎn)法對(duì)交交變頻電路角進(jìn)行控制的理論依據(jù)公式。 余弦交點(diǎn)法的實(shí)現(xiàn)方法如下： 電源電壓為u1 u6，以u(píng)1 u6

19、的交叉點(diǎn)即=0點(diǎn)為縱軸。取us1 us6電壓分別比u1 u6超前30，us1 us6的最大值恰好在縱軸上則 則us1 us6為余弦信號(hào)。 上式中輸出正弦交流電壓U 0msinw0t和余弦值U d0cos相等，兩波形交叉點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫軸值即為角。 實(shí)際控制中常用微機(jī)實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)算，計(jì)算出角對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 交交變頻電路特點(diǎn)： 1）直接由交流電可變頻，電路簡(jiǎn)單； 2）輸出頻率僅為輸入頻率的1/2到1/3。 3）輸入功率因數(shù)較低： 4）輸出電壓諧波：和整流電路相比，但各次諧波的幅值相對(duì)較小。 432 三相交交變頻電路 三相電路使用較多，其結(jié)構(gòu)是由相差120的單相交交變頻電路組合而成，可接成公共母線接線方式和輸出星型接線方式。 1、公共母線接線方式 它由三電路組成P125圖424。電路中電源進(jìn)線通過(guò)電抗器接在母線上，故不同組的同一相是連在一起的，因交交變頻電路的輸出是由輸入電源分段組成的，所以三組的輸出端必須相互隔離接為三角型如圖，否則會(huì)造成電源短路。 2、輸出星型連接方