第三章 直流斩波电路

第三章直流斩波电路将电压恒定不变的直流电变为电压大小可调的直流电称为直流斩波。常用的直流斩波电路包括：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路等，前两种电路应用广泛，而且是其他斩波电路的基础。3.1基本斩波电路3．1．1降压斩波电路斩波电路的基本用途是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，总之负载中都有反电势。电路如图，使用了一个全控型器件V，V采用的是绝缘栅双极晶体管IGBT，二极管VD的作用是V关断时进行续流的。工作原理：V导通时，电源向负载供电，u0=E，负载电流按指数曲线上升。V关断时，负载电流经VD续流，u0=0，负载电流按指数曲线下降。通常接较大电感。负载电压为：式中：α为占空比或称导通比。U0和α成正比，α小于1，所以电路成为降压斩波电路。EETtEtttUonoffonon0负载电流为：电源电流平均值为：同乘以Ｅ：EI1=αEI0=U0I0即输入功率等于输出功率，因α小于1，可将降压变压器看作直流降压变压器。REEREUIMM00001IITtIon根据输出电压调制方式的不同，斩波电路有三种控制方式：1）T不变，调节ton，称为脉冲宽度调制，简称PWM；2）ton不变，改变T，称为频率调制或调频型；3）ton和T都调节，称为混合型。其中第一种方式使用最多。3．1．2升压斩波电路1、工作原理：当V导通时，E向L补充电能，充电电流为I1，C向负载R供电，u0基本恒定。当V阻断时，E和L共同向C充电，并向负载提供能量。当电路工作于稳态时，一个周期中电感L上储存的能量和释放的能量相等，即：EI1ton=(U0-E)I1toff化简得：可见输出电压高于输入电压，电路为升压斩波电路。EtTEftttUoffofoffon0定义β=toff/T，则β和导通占空比α之间有如下关系：α+β=1因此，U0可表示为：若忽略电路中损耗，有：EI1=U0I0，电流为：升压斩波电路能升压的主要原因有两个：一是L储能之后有升压的作用，二是电容能将输出电压保持住。EEU1110REIEUIRERUI200100112、升压斩波电路的应用可用于直流电动机传动、单相功率因数校正等。下图为用于直流传动电路，电路将电机电势EM及L中电能回馈到电源E；V导通时，给L充电，VD关断；V关断时，VD导通，EM和L共同给E供电（升压），这时电源E为吸收电能，可以将EM电能回馈给电源E；电路中由于直流电源为恒定的，所以不用并联电容器。3．1．3升降压斩波电路和Cuk斩波电路1、升降压斩波电路工作原理：V导通，E向L储能，电流为i1；同时，C向负载供电；V关断，电感向负载释放能量，电流为i2，同时C充电，可见负载电压和E方向相反。改变占空比α，输出电压即可上升也可下降。输出电压计算：稳态时，L一周期内电感充放电总量为零,当V导通时，uL=E;当V关断时，uL=-u0，于是Eton=u0toff输出电压为：改变占空比α，当0α1/2时为降压电路，当1/2α1时为升压电路。00TdtuLEEtTtEttUononoffon102、Cuk斩波电路电路如图，其工作原理可用右面的等效电路分析。当开关向右时，电流i1给C充电。当开关向左时，电流如图。输出电压u0极性如图，和E极性相反。可推导出输出电压U0和电源电压E的关系：可见，这一关系与升降压斩波电路相同。与升降压斩波电路相比较，Cuk电路的优点为，其输入电源电流和输出负载电流都是连续的。且脉动很小。EEtTtEttUononoffon103．2复合斩波电路和多相多重斩波电路升压和降压斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路；另外，利用同一种斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路，使斩波电路的整体性能得到提高。3．2．1电流可逆斩波电路（复合斩波电路）斩波电路用于拖动直流电动机时，电动机既要电动运行又要回馈制动。降压斩波电路和升压斩波电路都不能单独实现制动运行。而电流可逆斩波电路中电机可在一、二两象限运行，既可以实现电动运行，又可以实现制动运行。两种运行时电流方向相反，所以叫做电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路如图：其中：V1、VD1构成降压斩波电路，使电动机电动运行；V2VD2构成升压斩波电路，使电动机制动运行。电路工作原理：当降压电路的V1关断后，经VD1将L的储能释放完毕，电枢电流为零。这时使V2导通，由于电动机反电动势EM的作用使电枢电流反方向流动，电机制动停车，电抗器L积蓄能量。待V2关断后，由于L积蓄的能量和EM共同作用使VD2导通，向电源反送能量。当反向电流变为零，即L积蓄的能量释放完毕时，V1再次导通。这样，在一个周期中，电流不断流，所以响应很快。需要注意的是当V1V2同时导通时，将导致电源短路。上面介绍的电路是将升压斩波电路与降压斩波电路组合在一起，此电路可使电动机正向运行及制动停车，但不能反向运行，若需要可逆运行，需使用下面的桥式电路。3．2．2桥式可逆斩波电路该电路可使电动机正反向可逆运行。工作原理：当V1V4导通时，电机正转，进行正向电动运行；当V1V4关断时，电枢电流需经过VD4VD1续流，同时将机械能回馈电源；当电流降为零后，使V2V3导通，为电动机提供反向电压电机反转，为反向电动运行；当V2V3关断时，电枢电流需经过VD2VD3续流，同时将机械能回馈电源；此电路应防止V1V2或V3V4同时导通，否则会出现短路现象。3．2．3多相多重斩波电路多相多重斩波电路是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的如图。图示电路是三相三重斩波电路，由三个降压斩波电路并联构成，总输出电流为三路电流之和。三个单元电流的脉动幅值互相抵消，使总的输出电流脉动幅值变的很小。所需平衡电抗器的重量减小。此外采用多重多相电路还可使电路的可靠性提高，当一路出现故障时，其余单元可继续运行。第四章交流控制电路和交交变频电路本章研究对交流电的调节电路。交流控制电路是指改变交流电电压、电流的电路；交交变频电路是指改变交流电源频率的电路，变频电路有交直交变频和矩阵式变频电路。4．1交流调压电路交流调压电路广泛用来控制灯光强弱，或控制异步电动机调速。4．1．1单相交流调压电路把两个晶闸管反并联串在交流电路中（相当于双向晶闸管），可以方便地调节输出电压有效值的大小，这种电路称为交流调压电路。1、电阻性负载电路如图，在电源的正半周和负半周，控制VT1VT2的导通角就可以调节输出电压的大小。当开通角为α时，负载电压有效值、负载电流有效值、晶闸管电流有效值和电路的功率因数分别为：α的移项范围为0°——180°。2sin212sin212)sin12(12sin21)sin12(11001001200120UUIUIUSPRUdwtRwtUIRUIUdwtwtUUVT2、阻感负载若把α=0点仍定在电源电压的零点，显然，阻感负载下稳态时α的移项范围应为φ=α=π。其中负载的阻抗角为φ，负载电流应滞后于电源电压u1φ角度。在用晶闸管控制时，很显然只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后，而无法使其超前。电路稳态时导通角为α时，负载电压有效值、负载电流有效值、晶闸管电流有效值见P114。3、谐波分析负载电压和负载电流都不是正弦波，含有大量谐波。电阻性负载，含有基波和3、5、7…次谐波。阻感性负载和上述情况也相同。4、斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路一般采用全控型器件，但是其输出为同频率的交流电。u1正半周：V1导通输出电压，V1关断时，V3续流；u1负半周：V2导通；V2关断时，V4续流。可通过改变占空比α调节输出电压的大小。通过谐波分析可知，电源电流中不含有低次谐波，只含有和开关周期T成反比的高次谐波，这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除。电路的功率因数接近1。4．1．2三相交流调压电路根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有四种形式，分别为：星型联结，负载三角形联结支路三角形联结器件三角形联结。其中a、c种最常用。负载1、星型联结电路可分为三相三线和三相四线两种。三相四线联结时，工作时三相互相错开120°；单相交流调压电路的电流中含有基波和各奇次谐波；组成三相电路后，基波的3的整数倍次谐波是同相位的，不能在各相之间流动，全部流过零线，因此零线中会有很大的3次谐波电流及3的整数倍次谐波电流。考虑最严重的情况，零线电流甚至和相电流的有效值接近，在选择导线和变压器时要特别注意。三相三线联结时，我们主要分析电阻负载的情况。管子导通时是在线电压为正才能导通，而线电压超前相电压30°，因此α的移项范围为150°。系统工作时，不同时刻导通晶闸管的个数不同，据此，将其工作情况分为三段，见P116，分别研究其输出电压波形：1）0°=α=60°范围内，电路处于三个晶闸管导通和两个晶闸管导通的交替状态。每个晶闸管导通180°-α，但α=0°时，一直是三个晶闸管导通。输出电压波形如图。2）60°=α=90°范围内，任一时刻都是两个晶闸管导通，每个晶闸管的导通角度为120°。3）90°=α=150°电路处于两个晶闸管导通和无晶闸管导通的交替状态，每个晶闸管的导通角度为300°-2α。电流波形和电压波形一致，可见电流中也含有谐波，谐波次数为（6k±1）k=1，2，3…，和三相桥式整流电路交流侧所含的谐波次数相同。但它不含有3的整数倍次谐波。2、支路三角形联结电路电路中三个单相支路分别在线电压的作用下单独工作。因此其分析方法同单相交流调压电路。在三相负载对称时，相电流中的3的整数倍次谐波的相位和大小都相同，所以它们在三角形回路中流动，而不出现在线电流中。因此，谐波幅值要小得多。4．2其它交流电力控制电路包括交流调功和交流电力电子开关；4．2．1交流调功电路以交流电的周期（2π）为单位来控制晶闸管的通断，从而调节输出平均功率的电路，称为交流调功电路。设控制周期为M，晶闸管在前N个周期导通，后M-N个周期关断。当M=3、N=2时的电路波形如图4-13所示。调功电路和调压电路的电路形式完全相同，只是控制方式不同。因其直接调节对象是电路的平均输出功率，所以被称作交流调功电路。这种电路常用于电炉的温度控制等时间常数很大的负载中，以周期为单位进行控制足够了。当晶闸管导通时刻是正弦波的起始点时，在电源电压接通期间，负载电压是正弦波，没有谐波污染。4．2．2交流电力电子开关把反并联的晶闸管串入交流电路中起接通和断开电路的作用，这就是交流电力电子开关。其作用是代替电路中的机械开关。与机械开关比较，这种开关没有触点，寿命长，可以频繁控制通断，响应速度快。在公用电网中，为提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量，常使用并联电容器来控制无功功率。和机械开关投切电容器方式比较，晶闸管投切电容器（TSC）是一种性能优良的无功补偿方式。电路工作原理是：两个晶闸管轮流导通，使电容上电压和电源电压同相，电容上电流滞后电压90°，因此，可以提高电路的功率因数。为减少电容投入过程中的冲击电流，应使电容预先充电至电源电压峰值，然后在电源电压峰值时将电容投入，这时电流为零。如图所示。4．3交交变频电路交交变频电路是把交流电直接变换为频率可调的交流电。4．3．1单相交交变频电路1、电路结构和工作原理若使其输出交流电，只需使α角改变（90°——0°——90°），如图，在负载上得到的电压可等效看作为正弦波，若对N组实行同样的控制即可得到正弦波的负半波。在一个周期内所包含的电源波头越多，波形就越接近正弦波。由此可见电路的输出交流电频率应小于输入交流电频率，一般不高于输入电源频率的1/3。2、整流与逆变工作状态电路等效为正弦波交流电源和二极管的串联。以应用最多的感性负载为例分析。当电流i0为正时：在电压u0也为正区间，P组整流，在电压u0为负区间，P组逆变。当电流i0为负时：在电压u0也为负区间，N组整流，在电压u0为正区间，N组逆变。3、输出正弦波的调制方式根据上面介