電力電子技術(shù)-第五章

第五章直流斬波電路5．1直流斬波電路工作原理5．2直流斬波器基本電路5．3直流斬波電路應(yīng)用實(shí)例5．4多重?cái)夭娐?．5間接直流變流電路第五章直流斬波電路將直流電源的恒定直流電壓，通過電力電子器件的開關(guān)作用，變換為可調(diào)直流電壓的裝置稱為直流斬波器。早期的直流斬波器采用晶閘管作為開關(guān)元件，稱為晶閘管直流斬波器。由于普通晶閘管沒有自關(guān)斷能力，所以，如何使已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管可靠關(guān)斷，是晶閘管斬波電路能否正常工作的關(guān)鍵。現(xiàn)代的直流斬波器都采用全控型電力電子器件，既省去了換流關(guān)斷電路，又可提高斬波器的頻率。第五章直流斬波電路5.1直流斬波電路的工作原理圖5-1直流斬波器原理電路最基本的直流斬波器原理電路如圖5-1所示，控制開關(guān)器件的通斷時(shí)間比就可以在輸出端得到不同電壓的直流電。第五章直流斬波電路5.1直流斬波電路的工作原理直流斬波器的控制方式：

5.1.1時(shí)間比控制方式1、脈沖寬度控制（也稱定頻調(diào)寬式PWM）2、脈沖頻率控制（也稱定寬調(diào)頻式PFM）3、脈沖混合控制（即同時(shí)改變?chǔ)雍蚮）5.1.2瞬時(shí)值和平均值控制4、瞬時(shí)值控制5、平均值控制第五章直流斬波電路5.1直流斬波電路的工作原理（a）定頻調(diào)寬式（PWM）（b）定寬調(diào)頻式（PFM）圖5-2時(shí)間比控制方式1、脈沖寬度控制（也稱定頻調(diào)寬式PWM）2、脈沖頻率控制（也稱定寬調(diào)頻式PFM）第五章直流斬波電路5.1直流斬波電路的工作原理圖5-3瞬時(shí)值控制方式第五章直流斬波電路5.1直流斬波電路的工作原理圖5-4平均值控制方式第五章直流斬波電路5.2直流斬波器的基本電路常用的直流斬波器有：降壓斬波器升壓斬波器升降壓斬波器雙象限斬波器四象限斬波器第五章直流斬波電路5.2.1降壓斬波器圖5-5（a）所示為降壓斬波器電路，CH為斬波器件，VD為續(xù)流二極管。第五章直流斬波電路5.2.1降壓斬波器工作模式一工作模式二第五章直流斬波電路5.2.1降壓斬波器工作模式1

電感Ld是一個(gè)儲(chǔ)能的過程，電感中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)的方向與電流方向相反。

工作模式2

電感Ld中所儲(chǔ)存的能量向負(fù)載釋放，電感中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)的方向與電流方向相同，電動(dòng)機(jī)兩端得到的電壓Ud就是電感產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)。

第五章直流斬波電路5.2.2升壓斬波器圖5-6（a）所示為升壓斬波器電路，其輸出電壓平均值Ud將超過電源電壓U第五章直流斬波電路5.2.2升壓斬波器工作模式1工作模式2第五章直流斬波電路5.2.2升壓斬波器工作模式1在t=0～DT時(shí)間內(nèi)，電感L中的電流按線性規(guī)律上升，從最小值增加到最大值，電源U在電感中儲(chǔ)存能量；同時(shí)電容器C向負(fù)載放電，負(fù)載兩端的電壓ud是衰減的。在t=DT～T時(shí)間內(nèi)，由于負(fù)載電壓ud的原因，電感L中的電流按線性規(guī)律減小，從最大值減小到最小值，自感電動(dòng)勢(shì)eL的極性與電源電壓U的方向一致，兩者疊加后加到負(fù)載兩端，其值比電源電壓高，故稱之為升壓式斬波器。工作模式2第五章直流斬波電路5.2.2升壓斬波器在降壓式斬波器中，將電壓降低的同時(shí)，把電流增大了，相當(dāng)于一臺(tái)降壓的直流變壓器。升壓斬波器在提高輸出電壓的同時(shí)，減小了輸出電流，相當(dāng)于一臺(tái)升壓的直流變壓器。第五章直流斬波電路5.2.3升降壓斬波器圖5-7（a）所示為降壓——升壓混合電路，其輸出電壓可以小于輸入電壓，也可以大于輸入電壓，而輸出電壓的極性與輸入電壓相反。

第五章直流斬波電路5.2.3升降壓斬波器工作模式1工作模式2第五章直流斬波電路5.2.3升降壓斬波器工作模式1在t=0時(shí)刻，斬波器件CH導(dǎo)通后，二極管VD承受反向電壓而關(guān)斷，i=iL，電容器C對(duì)負(fù)載放電。輸入電流i流過電感L，并在這個(gè)期間按線性規(guī)律從最小值增加到最大值，電源在電感中儲(chǔ)存能量。第五章直流斬波電路5.2.3升降壓斬波器工作模式2在t=DT時(shí)刻，斬波器件CH關(guān)斷，電感中的電流通過負(fù)載和電容器C以及二極管VD形成回路，iD=iL，電感L中儲(chǔ)存的能量，全部釋放給負(fù)載和電容C，假設(shè)在這個(gè)期間，電感電流按線性規(guī)律從最大值減小到最小值。輸出回路的電壓關(guān)系為：（5-8）（5-10）

A型雙象限斬波器是指輸出電流的方向可變，但輸出電壓極性始終為正，即電路工作在第一和第二象限，斬波器電路如圖5-8（a）所示。此電路可看作是降壓斬波器電路和升壓斬波器電路的結(jié)合，如圖5-8（b）和圖5-8（c）所示，C為濾波電容。在圖5-8（b）中，斬波器件CH1和二極管VD1輪流工作，電路工作在第一象限，能量從電源流向負(fù)載電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)工作于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。在圖5-8（c）中，斬波器件CH2和二極管VD2輪流工作，id<0，電路工作在第二象限。第五章直流斬波電路5.2.4雙象限斬波器1、A型雙象限斬波器

第五章直流斬波電路5.2.4雙象限斬波器第五章直流斬波電路5.2.4雙象限斬波器由圖5-8（d）可以看出，在任何時(shí)刻，輸出電壓波形ud始終在時(shí)間軸的上方，即ud

>0，而電流id

可正可負(fù)，當(dāng)DU>E時(shí)，電流id>0；當(dāng)DU<E時(shí)，電流id<0。2、B型雙象限斬波器

B型雙象限斬波器是指輸出電壓極性可變，但輸出電流平均值始終為正，電路工作在第一和第四象限。第五章直流斬波電路5.2.4雙象限斬波器圖5-9B型雙象限斬波器第五章直流斬波電路5.2.4雙象限斬波器（1）工作在第一象限斬波器件CH2和二極管VD2輪流導(dǎo)通，輸出電壓時(shí)有時(shí)無(wú)，故輸出平均電壓受占空比D的控制；電壓、電流的波形如圖5-10（a）所示。（2）工作在第四象限斬波器件CH2和二極管VD2輪流導(dǎo)通，負(fù)載向電源反饋能量也時(shí)有時(shí)無(wú)。電動(dòng)機(jī)反接制動(dòng)的電流和功率受占空比D的控制；斬波電路工作時(shí)的電壓、電流波形見圖5-10（b）所示。第五章直流斬波電路5.2.4雙象限斬波器（a）（b）圖5-10B型雙象限斬波器的電壓、電流波形第五章直流斬波電路5.2.4雙象限斬波器由上述分析可知，電路有三種工作模式：1）兩斬波器件CH1和CH2同時(shí)導(dǎo)通，且DU>E時(shí)，負(fù)載吸收能量。2）其中一個(gè)斬波器件和一個(gè)二極管同時(shí)導(dǎo)通，例如CH1和VD2同時(shí)導(dǎo)通或CH2和VD1同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，ud=0，id經(jīng)這二個(gè)導(dǎo)通的元件續(xù)流。3）兩個(gè)斬波器件CH1和CH2同時(shí)關(guān)斷，兩個(gè)二極管VD1和VD2同時(shí)導(dǎo)通，且U<E時(shí)，負(fù)載放出能量。第五章直流斬波電路5.2.5四象限斬波器圖5-11四象限斬波器

第五章直流斬波電路5.2.5四象限斬波器圖5-12四象限斬波器等效電路第五章直流斬波電路5.3直流斬波電路應(yīng)用實(shí)例圖5-13GTO斬波調(diào)速系統(tǒng)主電路圖5-13是可關(guān)斷晶閘管GTO作為斬波器件的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主電路。它能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)、能耗制動(dòng)和回饋制動(dòng)等功能，可用于城市的無(wú)軌電車等牽引設(shè)備中。調(diào)速系統(tǒng)主電路的構(gòu)成主要由一只可關(guān)斷晶閘管GTO、續(xù)流二極管VD1、制動(dòng)回路二極管VD2和串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)M所組成。電路中HL是霍爾電流檢測(cè)裝置，RZ是能耗制動(dòng)電阻，VTl是能耗制動(dòng)用的快速晶閘管，CF是濾波電容，LF是濾波電感，L是勵(lì)磁繞組。第五章直流斬波電路5.3直流斬波電路應(yīng)用實(shí)例第五章直流斬波電路5.3直流斬波電路應(yīng)用實(shí)例1、牽引工況控制GTO的導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比，就可控制電動(dòng)機(jī)兩端的平均電壓，其平均電壓為UAB=DU，從而改變電動(dòng)機(jī)的速度，達(dá)到斬波調(diào)速的目的。2、牽引—制動(dòng)轉(zhuǎn)換

GTO關(guān)斷時(shí)，由于續(xù)流回路中存在電阻，電感L中儲(chǔ)存的能量快速釋放，電樞電流很快衰減到零，當(dāng)HL檢測(cè)到電樞電流為零時(shí)，接觸器進(jìn)行切換，這時(shí)KM3、KM4斷開，KM5閉合，為形成制動(dòng)回路作好準(zhǔn)備，同時(shí)KM6閉合，投入預(yù)勵(lì)磁，加快反電動(dòng)勢(shì)電壓的產(chǎn)生，一旦反電動(dòng)勢(shì)電壓建立后，KM6自動(dòng)斷開。第五章直流斬波電路5.3直流斬波電路應(yīng)用實(shí)例3、電氣制動(dòng)電氣制動(dòng)可分能耗制動(dòng)和回饋制動(dòng)兩類，主要根據(jù)負(fù)載性質(zhì)而定。對(duì)于反抗性負(fù)載，采用能耗制動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速停車。對(duì)于位能性負(fù)載，采用回饋制動(dòng)來(lái)達(dá)到限速的目的。第五章直流斬波電路5.4多相多重?cái)夭娐吩谝粋€(gè)電源和一個(gè)負(fù)載之間接入多個(gè)基本斬波電路而組成的電路稱為多相多重?cái)夭娐?。這里的相數(shù)是從電源端看進(jìn)去的不同相位的斬波回路數(shù)，重?cái)?shù)是從負(fù)載端看進(jìn)去的不同相位的斬波回路數(shù)。在分析m相m重?cái)夭娐窌r(shí)，可把該電路看成是由m個(gè)降壓斬波電路[見圖5-5（a）]并聯(lián)后和一個(gè)負(fù)載相連而構(gòu)成的電路。

第五章直流斬波電路5.4多相多重?cái)夭娐穲D5-14二相二重?cái)夭娐返谖逭轮绷鲾夭娐?.4多相多重?cái)夭娐?、占空比D<0.5的工作情況（a）工作模式0（b）工作模式1圖5-15工作模式0和1的等效電路第五章直流斬波電路5.4多相多重?cái)夭娐?、工作模式0

兩個(gè)斬波器件CH1和CH2都不導(dǎo)通，兩個(gè)二極管VD1和VD2均導(dǎo)通。電感中的能量通過兩個(gè)二極管進(jìn)行續(xù)流，負(fù)載電流減小。2、工作模式1

其中一個(gè)斬波器件CH1或CH2導(dǎo)通，一個(gè)二極管VD2或VD1導(dǎo)通。電源給負(fù)載供電，并增加電感中的儲(chǔ)能，輸出電流增大。第五章直流斬波電路圖5-17二相二重?cái)夭娐返碾妷?、電流波形（a）D<0.5時(shí)（b）D>0.5時(shí)第五章直流斬波電路5.4多相多重?cái)夭娐窋夭ㄆ鹘惶孢\(yùn)行在工作模式0和工作模式1時(shí)，整個(gè)電路以2倍于單個(gè)斬波電路的頻率工作，輸出電流id為各相電流id1和id2之和，其平均值為一相的2倍，其頻率是id1和id2頻率的2倍。電路中各電壓、電流的波形如圖5-17（a）所示。2、占空比D>0.5的工作情況當(dāng)兩個(gè)斬波器件CH1和CH2的占空比都是D>0.5時(shí)，將出現(xiàn)兩個(gè)斬波器件CH1和CH2同時(shí)導(dǎo)通的工作模式2。第五章直流斬波電路5.4多相多重?cái)夭娐范嘞喽嘀財(cái)夭娐返奶攸c(diǎn)根據(jù)以上分析，多相多重?cái)夭娐肪哂幸韵绿攸c(diǎn)：1、斬波器輸出電流的脈動(dòng)程度減小，有利于電動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。2、輸出電流頻率提高后，平波電抗器的重量和體積可明顯降低。3、濾波器的效果可以得到明顯改善。4、斬波器的線路較單個(gè)斬波電路復(fù)雜，尤其是控制電路更復(fù)雜。5、由多個(gè)斬波電路并聯(lián)構(gòu)成的斬波器，工作的可靠性較高。第五章直流斬波電路5.5間接直流變流電路用電力電子器件將一種直流電壓先變?yōu)榻涣麟妷?，再變?yōu)闃O性、電壓值不同的另一種直流電壓的變流電路，稱為間接直流變流電路(亦稱間接DC—DC變流器)。在間接直流變流電路中，可以利用變壓器來(lái)靈活地改變輸出電壓的大小范圍，采用PWM或移相多重控制方式，用全控型器件來(lái)控制輸入輸出的波形第五章直流斬波電路5.5.1單管傳輸型變流電路圖5-18單管傳輸型變流電路和部分波形當(dāng)開關(guān)器件V接通時(shí)，電源E加到整流變壓器TR的一次線圈N1上，二次線圈N2中感應(yīng)的電壓U2通過二極管VD1加以整流，經(jīng)過輸出濾波器LC后向負(fù)載RL供電。在開關(guān)器件V斷開時(shí)，電感L中的儲(chǔ)能通過續(xù)流二極管VD2供給負(fù)載。

在0-DT期間，開關(guān)器件V導(dǎo)通，反饋二極管VD截止，電源E加在整流變壓器TR的一次線圈N1上，在二次線圈N2上感應(yīng)出的電壓數(shù)值U2為：第五章直流斬波電路5.5.1單管傳輸型變流電路

第五章直流斬波電路5.5.1單管傳輸型變流電路

在DT-T期間，開關(guān)器件V關(guān)斷，各線圈電壓極性變反，VDl截止，電感L中的電流經(jīng)過VD2進(jìn)行續(xù)流。變壓器中儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量由線圈N1轉(zhuǎn)移到線圈N3，線圈N1中的電流轉(zhuǎn)移到線圈N3中進(jìn)行續(xù)流，通過反饋二極管VD把能量反饋給直流電源E，電流通路為N3→E→VD→N3。這階段，線圈N3上的電壓為E，而在線圈N1上感應(yīng)出來(lái)的電壓數(shù)值U1為：第五章直流斬波電路5.5.1單管傳輸型變流電路（5-11）選擇合適的變壓器變比K，控制開關(guān)管的占空比D，就可以得到所需范圍的輸出直流電壓值。單管傳輸型變流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，可以把電路的工作頻率做得較高，減小變壓器的體積和重量。缺點(diǎn)是整流變壓器TR只能外加單方向的電壓，鐵心只能單方向磁化，因此變壓器的利用率較低；另外輸出電流脈動(dòng)較大，使得濾波器容量也較大。所以單管傳輸型變流電路只能用于容量較小的間接直流變流電路中。在變流電路工作的一個(gè)周期中，輸出電壓U0的平均值為：第五章直流斬波電路5.5.2推挽式變流電路圖5-19推挽式變流電路和部分波形第五章直流斬波電路5.5.2推挽式變流電路跟單管傳輸型變流電路不同的是電路中接入了兩個(gè)開關(guān)管V1和V2，變壓器一次側(cè)線圈有中間抽頭，且上下兩部分對(duì)稱。用開關(guān)管V1和V2來(lái)控制上下兩部分線圈對(duì)稱地工作，Vl和V2兩管交替導(dǎo)通和關(guān)斷將電源E的直流電先變成高頻方波交流電，經(jīng)整流變壓器TR交流變壓后進(jìn)行全波整流獲得所需的直流電，經(jīng)過輸出濾波器LC后向負(fù)載RL供電。第五章直流斬波電路5.5.2推挽式變流電路在t=DTT/2期間，開關(guān)管V1和V2都關(guān)斷，電感L中的能量經(jīng)二極管VD1和VD2續(xù)流，每個(gè)二極管各承擔(dān)一半電流，即I1=I2=I0/2。在t=T/2-T/2+DT期間，開關(guān)管V2導(dǎo)通，V1關(guān)斷；整流變壓器TR的輸入和輸出電壓均是上負(fù)下正；整流二極管VD2導(dǎo)通，VD1截止；輸出電流I0=I2；變流電路又向負(fù)載供電。在t=T/2+DT-T期間，電路工作情況與DT-T/2期間相同。從波形圖可知，變流電路的平均輸出電壓為：

（5-12）第五章直流斬波電路5.5.3半橋式和全橋式變流電路1、半橋式變流電路圖5-20半橋式變流電路第五章直流斬波電路5.5.3半橋式和全橋式變流電路半橋式變流電路用兩個(gè)完全相同的電容器C1和C2將輸入電壓兩等分。當(dāng)開關(guān)管Vl導(dǎo)通，V2截止時(shí)，電流從V1流入變壓器TR，電容器C1放電，C2充電；整流二極管VD1導(dǎo)通，VD2截止；變壓器一次側(cè)線圈被施加了電源電壓的一半，極性為上正下負(fù)。當(dāng)開關(guān)管V2導(dǎo)通，Vl截止時(shí)，電流經(jīng)TR向V2流出，電容器C2放電，C1充電；整流二極管VD2導(dǎo)通，VD1截止；變壓器一次側(cè)線圈同樣被施加了電源電壓的一半，極性為上負(fù)下正。這樣每個(gè)周期對(duì)變壓器外加一次正負(fù)交變的電壓，二次側(cè)電壓經(jīng)過全波整流并且濾波后向負(fù)載供電。輸出電壓的平均值為：（5-13）第五章直流斬波電路5.5.3半橋式和全橋式變流電路2、全橋式變流電路圖5-21全橋式變流電路第五章直流斬波電路5.5.3半橋式和全橋式變流電路全橋式變流電路如圖5-21所示，用四個(gè)全控型器件構(gòu)成全橋電路，控制開關(guān)管V1、V4和V2、V3交替導(dǎo)通，將電源的直流電變?yōu)楦哳l交流電后加到變壓器的一次側(cè)線圈N1。其基本工作原理和電壓、電流波形與推挽式變流電路完全相同，輸出電壓是半橋式變流電路的兩倍。全橋式變流電路一般用于大功率的DC/DC變流電路中。本章小結(jié)將直流電源的恒定直流電壓，通過電力電子器件的開關(guān)作用，變換為可調(diào)直流電壓的裝置稱為直流斬波器。它具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于直流牽引變速拖動(dòng)中，如由直流電網(wǎng)供電的電