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，前兩種電路應用廣泛，而且是其他斬波電路的基礎。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，也可帶蓄電池負載，總之負載中都有反電勢。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關斷時進行續(xù)流的。2021/5/922021/5/93

工作原理：V導通時，電源向負載供電，u0=E，負載電流按指數(shù)曲線上升。V關斷時，負載電流經(jīng)VD續(xù)流，u0=0，負載電流按指數(shù)曲線下降。通常接較大電感。負載電壓為：式中：α為占空比或稱導通比。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V導通時，E向L補充電能，充電電流為I1，C向負載R供電，u0基本恒定。當V阻斷時，E和L共同向C充電，并向負載提供能量。

2021/5/97

當電路工作于穩(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和導通占空比α之間有如下關系：

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、升壓斬波電路的應用可用于直流電動機傳動、單相功率因數(shù)校正等。下圖為用于直流傳動電路，電路將電機電勢EM及L中電能回饋到電源E；V導通時，給L充電，VD關斷；V關斷時，VD導通，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導通，E向L儲能，電流為i1；同時，C向負載供電；

V關斷，電感向負載釋放能量，電流為i2，同時C充電，可見負載電壓和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V導通時，uL=E;當V關斷時，uL=-u0，于是Eton=u0toff

輸出電壓為：改變占空比α，當0<α<1/2時為降壓電路，當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。當開關向右時，電流i1給C充電。當開關向左時，電流如圖。輸出電壓u0極性如圖，和E極性相反。

2021/5/913

可推導出輸出電壓U0和電源電壓E的關系：可見，這一關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V導通時，E-V和V-L2回路同時導電，L1L2儲能。當V關斷時，E-VD-R回路和L2-VD-R回路導電，此時E一方面向負載供電，一方面向電容C1充電，電容C1儲存的能量在V導通時向L2轉(zhuǎn)移。

2021/5/915

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

兩種電路的輸入輸出關系均為：

Sepic斬波電路中，電源電流和負載電流均連續(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。而輸入輸出關系相同。2021/5/917

3．2復合斬波電路和多相多重斬波電路

升壓和降壓斬波電路進行組合，可構成復合斬波電路；另外，利用同一種斬波電路進行組合，可構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（復合斬波電路）

斬波電路用于拖動直流電動機時，電動機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構成降壓斬波電路，使電動機電動運行；V2VD2構成升壓斬波電路，使電動機制動運行。

2021/5/920

電路工作原理：當降壓電路的V1關斷后，經(jīng)VD1將L的儲能釋放完畢，電樞電流為零。這時使V2導通，由于電動機反電動勢EM的作用使電樞電流反方向流動，電機制動停車，電抗器L積蓄能量。待V2關斷后，由于L積蓄的能量和EM共同作用使VD2導通，向電源反送能量。當反向電流變?yōu)榱?，即L積蓄的能量釋放完畢時，V1再次導通。這樣，在一個周期中，電流不斷流，所以響應很快。需要注意的是當V1V2同時導通時，將導致電源短路。

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正反向可逆運行。2021/5/923工作原理：當V1V4導通時，電機正轉(zhuǎn)，進行正向電動運行；當V1V4關斷時，電樞電流需經(jīng)過VD4VD1續(xù)流，同時將機械能回饋電源；當電流降為零后，使V2V3導通，為電動機提供反向電壓電機反轉(zhuǎn)，為反向電動運行；當V2V3關斷時，電樞電流需經(jīng)過VD2VD3續(xù)流，同時將機械能回饋電源；此電路應防止V1V2或V3V4同時導通，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載之間接入多個結構相同的基本斬波電路而構成的如圖。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弱，或控制異步電動機調(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、電阻性負載電路如圖，在電源的正半周和負半周，控制VT1VT2的導通角就可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。

2021/5/929

當開通角為α時，負載電壓有效值、負載電流有效值、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、阻感負載2021/5/931

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

諧波分析負載電壓和負載電流都不是正弦波，含有大量諧波。電阻性負載，含有基波和3、5、7…次諧波。阻感性負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導通輸出電壓，V1關斷時，V3續(xù)流；

u1負半周：V2導通；V2關斷時，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，負載三角形聯(lián)結支路三角形聯(lián)結器件三角形聯(lián)結。其中a、c種最常用。2021/5/936負載2021/5/9371、星型聯(lián)結電路可分為三相三線和三相四線兩種。

三相四線聯(lián)結時，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]最嚴重的情況，零線電流甚至和相電流的有效值接近，在選擇導線和變壓器時要特別注意。

2021/5/938

三相三線聯(lián)結時，我們主要分析電阻負載的情況。管子導通時是在線電壓為正才能導通，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通和兩個晶閘管導通的交替狀態(tài)。每個晶閘管導通180°-α，但α=0°時，一直是三個晶閘管導通。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通，每個晶閘管的導通角度為120°。

3）90°<=α<=150°電路處于兩個晶閘管導通和無晶閘管導通的交替狀態(tài)，每個晶閘管的導通角度為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；

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

設控制周期為M，晶閘管在前N個周期導通，后M-N個周期關斷。當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)很大的負載中，以周期為單位進行控制足夠了。當晶閘管導通時刻是正弦波的起始點時，在電源電壓接通期間，負載電壓是正弦波，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。其作用是代替電路中的機械開關。與機械開關比較，這種開關沒有觸點，壽命長，可以頻繁控制通斷，響應速度快。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。和機械開關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)良的無功補償方式。2021/5/946

電路工作原理是：兩個晶閘管輪流導通，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，應使電容預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、電路結構和工作原理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)。以應用最多的感性負載為例分析。當電流i0為正時：在電壓u0也為正區(qū)間，P組整流，在電壓u0為負區(qū)間，P組逆變。當電流i0為負時：在電壓u0也為負區(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的橫軸值即為α角。實際控制中常用微機實現(xiàn)上述運算，計算出α角對系統(tǒng)進行實時控制。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，其結構是由相差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，負載電動機繞組也是星型聯(lián)結。因為三組單相變頻電路的輸出有一端聯(lián)結在一起，其電源進線就必須隔離，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