06第3章 直流斩波与交流电力控制电路概述

1第3章直流斩波电路与交流电力控制电路3.1DC–DC变换电路概述3.2非隔离型DC–DC变换电路3.3隔离型DC–DC变换电路*3.4交流电力控制电路23.1DC–DC变换电路概述3.1.1DC–DC变换电路的功能及其应用3.1.2DC–DC变换电路的分类3.1.3DC–DC电路开关器件的选用3.1.4DC–DC电路开关器件的控制方式33.1.1DC–DC变换电路的功能及其应用城市无轨电车、轨道交通中的地铁直流电动机的调速。工厂厂区内以及旅游景区中的电瓶车驱动用直流电动机的调速。（1）功能DC－DC变换电路是利用开关器件的通断控制，直接实现直流电压平均值的改变（降低或升高）。由于控制方式为通断控制，故又被称为直流斩波电路。间接的直流变换电路一般是指DC－AC－DC电路。（2）应用43.1.2DC–DC变换电路的分类①非隔离型DC－DC变换电路降压型斩波电路升压型斩波电路混合型（即可升压又可降压）斩波电路②隔离型DC－DC变换电路（1）根据输入与输出间的联系不同分为两大类其中最为基本的是降压型与升压型斩波电路。正激型斩波电路反激型斩波电路推挽型斩波电路半桥型斩波电路全桥型斩波电路（2）重点掌握非隔离型DC－DC变换电路53.1.3DC–DC电路开关器件的选用早年均采用晶闸管作为开关器件。但是晶闸管需要专门为其设置关断的辅助电路，控制相对复杂且开关频率较低。目前较多采用开关频率较高的全控型器件，如IGBT。提高器件的开关频率对减少低频谐波分量十分有益。另外高频化还可缩小装置体积，减小装置重量。63.1.4DC–DC电路开关器件的控制方式开通时间：ton关断时间：toff开关周期：T=ton+toff开关频率：f=1⁄T导通比（占空比）：D=ton⁄T定频调宽：T不变而ton改变，又称为脉宽调制。定宽调频：ton不变而T改变，又称为频率调制。调宽调频：T与ton均改变，因控制相对复杂，故一般较少采用。（1）相关名词（2）控制方式t0GEuTontofft73.2非隔离型DC–DC变换电路3.2.1降压斩波电路3.2.2升压斩波电路3.2.3升降压斩波电路3.2.4其他升降压斩波电路8强调注意四点电感的作用：可减小电流的波动。稳态时电感两端的电压，在一个开关周期内的平均值为零。电容的作用：可减小电压的脉动。稳态时电容充放电电流，在一个开关周期内的平均值为零。3.2.1降压斩波电路（1）电路结构由全控型器件构成的电子开关续流二极管iUVDCRoUsuLLiSSiLu93.2.1降压斩波电路（2）工作原理（电流连续）t=0时刻驱动S导通，电源通过电感开始向负载供电。在0tt1区段负载电流（电感电流）按指数规律上升，且电感两端电压uL=Ui−Uo。t=t1时刻控制S关断，续流二极管VD开始续流。在t1tt2区段，负载电流通过二极管按指数规律下降，且电感两端电压uL=−Uo。iUVDCRoUsuLLiSSiLu2t1tt0GEuontofftt0Lit0LuSut0iUiouuou10称为占空比3.2.1降压斩波电路（3）数值分析（电流连续）iUVDCRoUsuLLiSSiLu根据稳态时（脉冲宽度一定）电感两端电压在一个开关周期内的平均值等于零，可得：()()0ioonooffUUtUtonoionofftUUtt其中：ontDT即：oniitUDUT2t1tt0GEuontofftt0Lit0LuSut0iUiouuou根据功率平衡可得电流关系。113.2.2升压斩波电路（1）电路结构储存电能维持电压iUVDCRoUsuLLiSSiLu斩波升压原理先由电感将电源电压泵升。再由电容将泵升电压维持住。关键问题在于：电感是如何将电源电压泵升的？123.2.2升压斩波电路（2）工作原理（电流连续）iUVDCRoUsuLLiSSiLu分析假设：L足够大可使电流恒定，C足够大可使电压恒定。S通态，电源向电感储能，电容向负载R供电，输出电压Uo恒定。电感两端电压uL=Ui。S断态，电源和电感同时向电容充电，并向负载R提供能量。电感两端电压uL=Ui−Uo。S断态时自感电动势与电源叠加，使电容上电压高于电源电压，这一现象称为“电压泵升”。2t1tt0GEuontofftt0Lit0LuSut0oUiuiouu133.2.2升压斩波电路（3）数值分析（电流连续）iUVDCRoUsuLLiSSiLu根据稳态时电感两端电压在一个开关周期内的平均值为零，可得：()0ioniooffUtUUt即：onoffoioffttUUtionTUTt11iUD当D趋近于1时，输出电压趋近于无穷大，应用中应注意避免。根据功率平衡可得电流关系。2t1tt0GEuontofftt0Lit0LuSut0oUiuiouu143.2.3升降压斩波电路（1）电路结构（2）工作原理（电流连续）S通态，自感电动势“上正下负”，VD反偏截至，电源向电感储能，此时uL=Ui。S断态，自感电动势“上负下正”，VD正偏导通，电感向负载释能，此时uL=Uo。（或：−uL=−Uo）iUVDCRoUsuLLiSSiLu看图仅需注意开关器件、电感以及二极管三者所处的位置。153.2.3升降压斩波电路（3）数值分析（电流连续）仍考虑稳态时电感两端电压在一个开关周期内的平均值为零。0ionooffUtUtonoiofftUUt()oniontTUTtT1iDUD显然，当：102D降压；112D升压。电压关系得：则：当：特别须注意，此种升降压斩波电路的输入电压与输出电压的极性相反。iUVDCRoUsuLLiSSiLu163.2.3升降压斩波电路（3）数值分析（电流连续）电流关系iUVDCRoUsuLLiSSiLuontiIofftoIoffoiontIItoffoiontIIt1iDID功率关系1()()1ooiiiiDDUIUIUIDD可见：升降压斩波器可看成输出电压可升可降的直流变压器。173.2.4其他升降压斩波电路（自学）LL1C1RVDSSuCLiL1i+iUoU（1）Cuk斩波电路LL1C1RVDSSuCLiL1iiUoU（3）Zeta斩波电路LL1C1VDSSuCLiL1i+iU+-oU（2）Sepic斩波电路183.3隔离型DC-DC变换电路*3.3.1正激型电路3.3.2反激型电路3.3.3半桥型电路3.3.4全桥型电路3.3.5推挽型电路19本节主要讲述：AC－AC变换电路，即将一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。具体又分两大方面：变频电路改变交流电频率的电路，在变频时也可改变电压交－交变频：直接变频交直交变频：间接变频交流电力控制电路只改变电压、电流大小或控制电路的通断，而不改变频率的电路交流调压电路：相位控制交流调功电路：通断控制交流无触点开关：通断控制3.4交流电力控制电路将在第四章讨论203.4交流电力控制电路3.4.1单相交流调压电路3.4.2三相交流调压电路3.4.3交流调功电路3.4.4交流无触点开关3.4.5交–交变频电路*3.4.6矩阵式变频电路*21两只晶闸管反并联后串接在交流电路中。通过对晶闸管的移相控制就可实现交流电力控制。注意：当其中某一只晶闸管导通时，其管压降使另外一只晶闸管承受反向电压。两个晶闸管的反并联可用一只双向晶闸管代替。（1）基本电路单元3.4.1单相交流调压电路VT1VT2T1GT2等效22灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)。异步电动机恒流软起动装置。异步电动机调压调速装置。供用电系统对无功功率的连续调节（TCR）。在高电压小电流或低电压大电流的直流电源中，用于调节变压器的一次电压。3.4.1单相交流调压电路单相与三相分别讨论电阻负载与阻感负载分别讨论（2）典型应用（3）分析步骤23输出电压与a角的关系当a=0时，输出电压最大，Uo=U1。随a角的增大，Uo降低。当a=p时，Uo=0。所以，移相范围为0≤a≤p。功率因数l与a角的关系当a=0时，功率因数l=1。随着a角的增大，输入电流越滞后于输入电压，并且波形发生畸变，导致功率因数降低。3.4.1单相交流调压电路（4）单相纯电阻负载1VT2VTR1u0iVTu0ut01ut00ut00it0VTua243.4.1单相交流调压电路（4）单相纯电阻负载数值分析2011(2sin)()UUtdtpap11sin22Upaapp00UIR2012sin1()()22VTIUtIdtRpap000111UIUPSUIUl1VT2VTR1u0iVTu0ut01ut00ut00it0VTua1sin2()2fpaaapp253.4.1单相交流调压电路（4）单相纯电阻负载相关结论移相范围0≤a≤p。输出电压虽然为交流，但是输出电压的波形非正弦，含有谐波，与变压器降压有所不同。功率因数与移相触发角有关。输出电压与输入电压的关系1VT2VTR1u0iVTu0ut01ut00ut00it0VTua011sin22UUpaapp流过晶闸管电流的有效值02VTII26若将晶闸管视为短接，负载电流为正弦波，稳态时其相位滞后于u1的电角度为j。当采用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，即需要aj，结果使负载电流更为滞后于电源电压。晶闸管的通断相当于R−L串联电路的过渡过程。分析过程中应重点注意暂态电流的变化及影响。并且应记住电感中的电流不能突变。3.4.1单相交流调压电路简述负载阻抗角为：1LtgRj（5）单相阻感负载1VT2VTR1u0iVTu0uL273.4.1单相交流调压电路负载电流的数学描述（5）单相阻感负载导通角可由电流表达式利用边界条件求得0012sin()diLRiUtdta102200sin()2sin()()e()ttgUitRLiitajjaaajtgsin()sin()e0jajaj0000ttiiaa观察电流暂态分量有三种可能283.4.1单相交流调压电路波形分析（5）单相阻感负载1022sin(2sin)(e())ttgUitRLajajjaj其一：00ip此时电流直接进入稳态，电路没有调压作用。1u0i0tp3p2paj0tp3p2p0u观察电流暂态分量存在三种可能。由：tgsin()sin()e0jajaj得：290tp3p2p0u1u0i0i3.4.1单相交流调压电路波形分析（5）单相阻感负载10222sin()sin()e()ttgUitRLajjajta0i0p3p2pjaj其二：00ii与反相p此时具有调压作用。观察电流暂态分量存在三种可能。3010222sin()sin()e()ttgUitRLajjaj1VT3.4.1单相交流调压电路波形分析（5）单相阻感负载0i1ut0p3p2pj0aj其三：00i观察电流暂态分量存在三种可能。a0i0i0tp3p2p0tp3p2p2Gu1Gu此时对触发脉冲有特殊要求，如右图所示。2VT313.4.1单相交流调压电路波形分析（5）单相阻感负载1VT2VTR1u0iVTu0uL当aj时电路工作情况进一步说明①因电流中暂态分量的作用，VT1导通时间延长，其导通角大于p。②触发VT2时，电流未过零VT1仍导通，其正向压降使VT2反偏，故VT2不会导通。1VT0i1ut0p3p2pja0i0i0tp3p2p0tp3p2p2Gu1Gu2VT323.4.1单相交流调压电