第三章 直流斬波電路

章直流斬波電路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)。2021/5/913.1基本斬波電路3．1．1降壓斬波電路斬波電路的基本用途是拖動直流電動機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載，總之負(fù)載中都有反電勢。電路如圖，使用了一個全控型器件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)斷時進(jìn)行續(xù)流的。2021/5/922021/5/93

工作原理：V導(dǎo)通時，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，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：式中：α為占空比或稱導(dǎo)通比。U0和α成正比，α小于1，所以電路成為降壓斬波電路。2021/5/94

負(fù)載電流為：

電源電流平均值為：同乘以Ｅ：EI1=αEI0=U0I0

即輸入功率等于輸出功率，因α小于1，可將降壓變壓器看作直流降壓變壓器。2021/5/95

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。

2021/5/963．1．2升壓斬波電路

1、工作原理：當(dāng)V導(dǎo)通時，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，E和L共同向C充電，并向負(fù)載提供能量。

2021/5/97

當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期中電感L上儲存的能量和釋放的能量相等，即：

EI1ton=(U0-E)I1toff

化簡得：可見輸出電壓高于輸入電壓，電路為升壓斬波電路。2021/5/98定義β=toff/T，則β和導(dǎo)通占空比α之間有如下關(guān)系：

α+β=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：一是L儲能之后有升壓的作用，二是電容能將輸出電壓保持住。2021/5/992、升壓斬波電路的應(yīng)用可用于直流電動機(jī)傳動、單相功率因數(shù)校正等。下圖為用于直流傳動電路，電路將電機(jī)電勢EM及L中電能回饋到電源E；V導(dǎo)通時，給L充電，VD關(guān)斷；V關(guān)斷時，VD導(dǎo)通，EM

和L共同給E供電（升壓），這時電源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。

2021/5/9103．1．3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儲能，電流為i1；同時，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C充電，可見負(fù)載電壓和E方向相反。

改變占空比α，輸出電壓即可上升也可下降。2021/5/911輸出電壓計算：穩(wěn)態(tài)時，L一周期內(nèi)電感充放電總量為零,當(dāng)V導(dǎo)通時，uL=E;當(dāng)V關(guān)斷時，uL=-u0，于是Eton=u0toff

輸出電壓為：改變占空比α，當(dāng)0<α<1/2時為降壓電路，當(dāng)1/2<α<1時為升壓電路。2021/5/9122、

Cuk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，電流i1給C充電。當(dāng)開關(guān)向左時，電流如圖。輸出電壓u0極性如圖，和E極性相反。

2021/5/913

可推導(dǎo)出輸出電壓U0和電源電壓E的關(guān)系：可見，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。且脈動很小。

2021/5/914

3．1．4Sepic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，E-V和V-L2回路同時導(dǎo)電，L1L2儲能。當(dāng)V關(guān)斷時，E-VD-R回路和L2-VD-R回路導(dǎo)電，此時E一方面向負(fù)載供電，一方面向電容C1充電，電容C1儲存的能量在V導(dǎo)通時向L2轉(zhuǎn)移。

2021/5/915

Zeta斬波電路如圖，工作原理：當(dāng)V導(dǎo)通時，E-L1回路導(dǎo)電，L1儲能，同時，E和C1共同向R供電，并向C2充電；當(dāng)V關(guān)斷時，L1向電容C1充電，其儲存的能量轉(zhuǎn)移到C1，以備V導(dǎo)通時向R供電。2021/5/916

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。2021/5/917

3．2復(fù)合斬波電路和多相多重斬波電路

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)成多相多重斬波電路，使斬波電路的整體性能得到提高。

2021/5/9183．2．1電流可逆斬波電路（復(fù)合斬波電路）

斬波電路用于拖動直流電動機(jī)時，電動機(jī)既要電動運行又要回饋制動。降壓斬波電路和升壓斬波電路都不能單獨實現(xiàn)制動運行。而電流可逆斬波電路中電機(jī)可在一、二兩象限運行，既可以實現(xiàn)電動運行，又可以實現(xiàn)制動運行。兩種運行時電流方向相反，所以叫做電流可逆斬波電路2021/5/919

電流可逆斬波電路如圖：

其中：V1、VD1構(gòu)成降壓斬波電路，使電動機(jī)電動運行；V2VD2構(gòu)成升壓斬波電路，使電動機(jī)制動運行。

2021/5/920

電路工作原理：當(dāng)降壓電路的V1關(guān)斷后，經(jīng)VD1將L的儲能釋放完畢，電樞電流為零。這時使V2導(dǎo)通，由于電動機(jī)反電動勢EM的作用使電樞電流反方向流動，電機(jī)制動停車，電抗器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，V1再次導(dǎo)通。這樣，在一個周期中，電流不斷流，所以響應(yīng)很快。需要注意的是當(dāng)V1V2同時導(dǎo)通時，將導(dǎo)致電源短路。

2021/5/921

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，此電路可使電動機(jī)正向運行及制動停車，但不能反向運行，若需要可逆運行，需使用下面的橋式電路。2021/5/9223．2．2橋式可逆斬波電路該電路可使電動機(jī)正反向可逆運行。2021/5/923工作原理：當(dāng)V1V4導(dǎo)通時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，進(jìn)行正向電動運行；當(dāng)V1V4關(guān)斷時，電樞電流需經(jīng)過VD4VD1續(xù)流，同時將機(jī)械能回饋電源；當(dāng)電流降為零后，使V2V3導(dǎo)通，為電動機(jī)提供反向電壓電機(jī)反轉(zhuǎn)，為反向電動運行；當(dāng)V2V3關(guān)斷時，電樞電流需經(jīng)過VD2VD3續(xù)流，同時將機(jī)械能回饋電源；此電路應(yīng)防止V1V2或V3V4同時導(dǎo)通，否則會出現(xiàn)短路現(xiàn)象。2021/5/9243．2．3多相多重斬波電路

多相多重斬波電路是在電源和負(fù)載之間接入多個結(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斬波電路，由三個降壓斬波電路并聯(lián)構(gòu)成，總輸出電流為三路電流之和。三個單元電流的脈動幅值互相抵消，使總的輸出電流脈動幅值變的很小。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，其余單元可繼續(xù)運行。2021/5/9252021/5/926

第四章交流控制電路和交交變頻電路

本章研究對交流電的調(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。2021/5/9274．1交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路廣泛用來控制燈光強(qiáng)弱，或控制異步電動機(jī)調(diào)速。

4．1．1單相交流調(diào)壓電路把兩個晶閘管反并聯(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。2021/5/928

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VT1VT2的導(dǎo)通角就可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。

2021/5/929

當(dāng)開通角為α?xí)r，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：

α的移項范圍為0°——180°。

2021/5/9302、阻感負(fù)載2021/5/931

若把α=0點仍定在電源電壓的零點，顯然，阻感負(fù)載下穩(wěn)態(tài)時α的移項范圍應(yīng)為φ<=α<=π。其中負(fù)載的阻抗角為φ，負(fù)載電流應(yīng)滯后于電源電壓u1φ角度。在用晶閘管控制時，很顯然只能進(jìn)行滯后控制，使負(fù)載電流更為滯后，而無法使其超前。電路穩(wěn)態(tài)時導(dǎo)通角為α?xí)r，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P114。2021/5/9323、

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。2021/5/933

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。

2021/5/934u1正半周：V1導(dǎo)通輸出電壓，V1關(guān)斷時，V3續(xù)流；

u1負(fù)半周：V2導(dǎo)通；V2關(guān)斷時，V4續(xù)流?？赏ㄟ^改變占空比α調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。通過諧波分析可知，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。

2021/5/9354．1．2三相交流調(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。2021/5/936負(fù)載2021/5/9371、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，工作時三相互相錯開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，不能在各相之間流動，全部流過零線，因此零線中會有很大的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)線和變壓器時要特別注意。

2021/5/938

三相三線聯(lián)結(jié)時，我們主要分析電阻負(fù)載的情況。管子導(dǎo)通時是在線電壓為正才能導(dǎo)通，而線電壓超前相電壓30°，因此α的移項范圍為150°。系統(tǒng)工作時，不同時刻導(dǎo)通晶閘管的個數(shù)不同，據(jù)此，將其工作情況分為三段，見P116，分別研究其輸出電壓波形：2021/5/939

1）0°<=α<=60°范圍內(nèi)，電路處于三個晶閘管導(dǎo)通和兩個晶閘管導(dǎo)通的交替狀態(tài)。每個晶閘管導(dǎo)通180°-α，但α=0°時，一直是三個晶閘管導(dǎo)通。輸出電壓波形如圖。

2）60°<=α<=90°范圍內(nèi)，任一時刻都是兩個晶閘管導(dǎo)通，每個晶閘管的導(dǎo)通角度為120°。

3）90°<=α<=150°電路處于兩個晶閘管導(dǎo)通和無晶閘管導(dǎo)通的交替狀態(tài)，每個晶閘管的導(dǎo)通角度為300°-2α。電流波形和電壓波形一致，可見電流中也含有諧波，諧波次數(shù)為（6k±1）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。

2021/5/9402、支路三角形聯(lián)結(jié)電路電路中三個單相支路分別在線電壓的作用下單獨工作。因此其分析方法同單相交流調(diào)壓電路。在三相負(fù)載對稱時，相電流中的3的整數(shù)倍次諧波的相位和大小都相同，所以它們在三角形回路中流動，而不出現(xiàn)在線電流中。因此，諧波幅值要小得多。2021/5/9414．2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)；

4．2．1交流調(diào)功電路

以交流電的周期（2π）為單位來控制晶閘管的通斷，從而調(diào)節(jié)輸出平均功率的電路，稱為交流調(diào)功電路。

2021/5/942

設(shè)控制周期為M，晶閘管在前N個周期導(dǎo)通，后M-N個周期關(guān)斷。當(dāng)M=3、N=2時的電路波形如圖4-13所示。2021/5/943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)通時刻是正弦波的起始點時，在電源電壓接通期間，負(fù)載電壓是正弦波，沒有諧波污染。2021/5/9444．2．2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)沒有觸點，壽命長，可以頻繁控制通斷，響應(yīng)速度快。2021/5/945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)電容器來控制無功功率。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)良的無功補(bǔ)償方式。2021/5/946

電路工作原理是：兩個晶閘管輪流導(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)。2021/5/947

為減少電容投入過程中的沖擊電流，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將電容投入，這時電流為零。如圖所示。2021/5/9484．3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。

4．3．1單相交交變頻電路1、電路結(jié)構(gòu)和工作原理2021/5/949

若使其輸出交流電，只需使α角改變（90°——0°——90°），如圖，在負(fù)載上得到的電壓可等效看作為正弦波，若對N組實行同樣的控制即可得到正弦波的負(fù)半波。在一個周期內(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。

2021/5/9502、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：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：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。

2021/5/9513、輸出正弦波的調(diào)制方式根據(jù)上面介紹的方法，改變α角（90°——0°——90°）就可以使輸出為正弦波。但使用人工控制α角是行不通的，不可能得到理想的正弦波。α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法。

2021/5/952

交交變頻電路的輸出為正弦交流電壓：

u0=U0msinw0t

根據(jù)前面學(xué)過的整流電路平均電壓計算公式U0=Ud0cosα，這就是晶閘管電路每個控制角間隔內(nèi)輸出的平均電壓。若一個周期內(nèi)輸入正弦電壓波頭足夠多時，可將其看作輸出正弦波的瞬時值。即：u0=

U0

兩式整理得：此式就是用余弦交點法對交交變頻電路α角進(jìn)行控制的理論依據(jù)公式。2021/5/953

余弦交點法的實現(xiàn)方法如下：電源電壓為u1—u6，以u1—u6的交叉點即α=0點為縱軸。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。2021/5/954

上式中輸出正弦交流電壓U0msinw0t和余弦值Ud0cosα相等，兩波形交叉點所對應(yīng)的橫軸值即為α角。實際控制中常用微機(jī)實現(xiàn)上述運算，計算出α角對系統(tǒng)進(jìn)行實時控制。2021/5/955

交交變頻電路特點：

1）直接由交流電可變頻，電路簡單；

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較小。2021/5/9564．3．2三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4－24。電路中電源進(jìn)線通過電抗器接在母線上，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，否則會造成電源短路。2021/5/9572、輸出星型連接方式三相交交變頻電路的輸出為星型聯(lián)結(jié)，負(fù)載電動機(jī)繞組也是星型聯(lián)結(jié)。因為三組單相變頻電路的輸出有一端聯(lián)結(jié)在一起，其電源進(jìn)線就必須隔離，因此三組單相交交變頻器分別用三個變壓器進(jìn)行電氣隔離。注意圖4-25b中三組裝置的六組整流器中，至少要有不同裝置的兩組整流電路同