电力电子技术-第五章

第五章直流斩波电路5．1直流斩波电路工作原理5．2直流斩波器基本电路5．3直流斩波电路应用实例5．4多重斩波电路5．5间接直流变流电路第五章直流斩波电路将直流电源的恒定直流电压，通过电力电子器件的开关作用，变换为可调直流电压的装置称为直流斩波器。早期的直流斩波器采用晶闸管作为开关元件，称为晶闸管直流斩波器。由于普通晶闸管没有自关断能力，所以，如何使已经导通的晶闸管可靠关断，是晶闸管斩波电路能否正常工作的关键。现代的直流斩波器都采用全控型电力电子器件，既省去了换流关断电路，又可提高斩波器的频率。第五章直流斩波电路5.1直流斩波电路的工作原理图5-1直流斩波器原理电路最基本的直流斩波器原理电路如图5-1所示，控制开关器件的通断时间比就可以在输出端得到不同电压的直流电。第五章直流斩波电路5.1直流斩波电路的工作原理直流斩波器的控制方式：

5.1.1时间比控制方式1、脉冲宽度控制（也称定频调宽式PWM）2、脉冲频率控制（也称定宽调频式PFM）3、脉冲混合控制（即同时改变τ和f）5.1.2瞬时值和平均值控制4、瞬时值控制5、平均值控制第五章直流斩波电路5.1直流斩波电路的工作原理（a）定频调宽式（PWM）（b）定宽调频式（PFM）图5-2时间比控制方式1、脉冲宽度控制（也称定频调宽式PWM）2、脉冲频率控制（也称定宽调频式PFM）第五章直流斩波电路5.1直流斩波电路的工作原理图5-3瞬时值控制方式第五章直流斩波电路5.1直流斩波电路的工作原理图5-4平均值控制方式第五章直流斩波电路5.2直流斩波器的基本电路常用的直流斩波器有：降压斩波器升压斩波器升降压斩波器双象限斩波器四象限斩波器第五章直流斩波电路5.2.1降压斩波器图5-5（a）所示为降压斩波器电路，CH为斩波器件，VD为续流二极管。第五章直流斩波电路5.2.1降压斩波器工作模式一工作模式二第五章直流斩波电路5.2.1降压斩波器工作模式1

电感Ld是一个储能的过程，电感中产生的自感电动势的方向与电流方向相反。

工作模式2

电感Ld中所储存的能量向负载释放，电感中产生的自感电动势的方向与电流方向相同，电动机两端得到的电压Ud就是电感产生的自感电动势。

第五章直流斩波电路5.2.2升压斩波器图5-6（a）所示为升压斩波器电路，其输出电压平均值Ud将超过电源电压U第五章直流斩波电路5.2.2升压斩波器工作模式1工作模式2第五章直流斩波电路5.2.2升压斩波器工作模式1在t=0～DT时间内，电感L中的电流按线性规律上升，从最小值增加到最大值，电源U在电感中储存能量；同时电容器C向负载放电，负载两端的电压ud是衰减的。在t=DT～T时间内，由于负载电压ud的原因，电感L中的电流按线性规律减小，从最大值减小到最小值，自感电动势eL的极性与电源电压U的方向一致，两者叠加后加到负载两端，其值比电源电压高，故称之为升压式斩波器。工作模式2第五章直流斩波电路5.2.2升压斩波器在降压式斩波器中，将电压降低的同时，把电流增大了，相当于一台降压的直流变压器。升压斩波器在提高输出电压的同时，减小了输出电流，相当于一台升压的直流变压器。第五章直流斩波电路5.2.3升降压斩波器图5-7（a）所示为降压——升压混合电路，其输出电压可以小于输入电压，也可以大于输入电压，而输出电压的极性与输入电压相反。

第五章直流斩波电路5.2.3升降压斩波器工作模式1工作模式2第五章直流斩波电路5.2.3升降压斩波器工作模式1在t=0时刻，斩波器件CH导通后，二极管VD承受反向电压而关断，i=iL，电容器C对负载放电。输入电流i流过电感L，并在这个期间按线性规律从最小值增加到最大值，电源在电感中储存能量。第五章直流斩波电路5.2.3升降压斩波器工作模式2在t=DT时刻，斩波器件CH关断，电感中的电流通过负载和电容器C以及二极管VD形成回路，iD=iL，电感L中储存的能量，全部释放给负载和电容C，假设在这个期间，电感电流按线性规律从最大值减小到最小值。输出回路的电压关系为：（5-8）（5-10）

A型双象限斩波器是指输出电流的方向可变，但输出电压极性始终为正，即电路工作在第一和第二象限，斩波器电路如图5-8（a）所示。此电路可看作是降压斩波器电路和升压斩波器电路的结合，如图5-8（b）和图5-8（c）所示，C为滤波电容。在图5-8（b）中，斩波器件CH1和二极管VD1轮流工作，电路工作在第一象限，能量从电源流向负载电动机，电动机工作于电动运行状态。在图5-8（c）中，斩波器件CH2和二极管VD2轮流工作，id<0，电路工作在第二象限。第五章直流斩波电路5.2.4双象限斩波器1、A型双象限斩波器

第五章直流斩波电路5.2.4双象限斩波器第五章直流斩波电路5.2.4双象限斩波器由图5-8（d）可以看出，在任何时刻，输出电压波形ud始终在时间轴的上方，即ud

>0，而电流id

可正可负，当DU>E时，电流id>0；当DU<E时，电流id<0。2、B型双象限斩波器

B型双象限斩波器是指输出电压极性可变，但输出电流平均值始终为正，电路工作在第一和第四象限。第五章直流斩波电路5.2.4双象限斩波器图5-9B型双象限斩波器第五章直流斩波电路5.2.4双象限斩波器（1）工作在第一象限斩波器件CH2和二极管VD2轮流导通，输出电压时有时无，故输出平均电压受占空比D的控制；电压、电流的波形如图5-10（a）所示。（2）工作在第四象限斩波器件CH2和二极管VD2轮流导通，负载向电源反馈能量也时有时无。电动机反接制动的电流和功率受占空比D的控制；斩波电路工作时的电压、电流波形见图5-10（b）所示。第五章直流斩波电路5.2.4双象限斩波器（a）（b）图5-10B型双象限斩波器的电压、电流波形第五章直流斩波电路5.2.4双象限斩波器由上述分析可知，电路有三种工作模式：1）两斩波器件CH1和CH2同时导通，且DU>E时，负载吸收能量。2）其中一个斩波器件和一个二极管同时导通，例如CH1和VD2同时导通或CH2和VD1同时导通时，ud=0，id经这二个导通的元件续流。3）两个斩波器件CH1和CH2同时关断，两个二极管VD1和VD2同时导通，且U<E时，负载放出能量。第五章直流斩波电路5.2.5四象限斩波器图5-11四象限斩波器

第五章直流斩波电路5.2.5四象限斩波器图5-12四象限斩波器等效电路第五章直流斩波电路5.3直流斩波电路应用实例图5-13GTO斩波调速系统主电路图5-13是可关断晶闸管GTO作为斩波器件的直流电动机调速系统的主电路。它能实现电动、能耗制动和回馈制动等功能，可用于城市的无轨电车等牵引设备中。调速系统主电路的构成主要由一只可关断晶闸管GTO、续流二极管VD1、制动回路二极管VD2和串励直流电动机M所组成。电路中HL是霍尔电流检测装置，RZ是能耗制动电阻，VTl是能耗制动用的快速晶闸管，CF是滤波电容，LF是滤波电感，L是励磁绕组。第五章直流斩波电路5.3直流斩波电路应用实例第五章直流斩波电路5.3直流斩波电路应用实例1、牵引工况控制GTO的导通和关断的时间比，就可控制电动机两端的平均电压，其平均电压为UAB=DU，从而改变电动机的速度，达到斩波调速的目的。2、牵引—制动转换

GTO关断时，由于续流回路中存在电阻，电感L中储存的能量快速释放，电枢电流很快衰减到零，当HL检测到电枢电流为零时，接触器进行切换，这时KM3、KM4断开，KM5闭合，为形成制动回路作好准备，同时KM6闭合，投入预励磁，加快反电动势电压的产生，一旦反电动势电压建立后，KM6自动断开。第五章直流斩波电路5.3直流斩波电路应用实例3、电气制动电气制动可分能耗制动和回馈制动两类，主要根据负载性质而定。对于反抗性负载，采用能耗制动来实现快速停车。对于位能性负载，采用回馈制动来达到限速的目的。第五章直流斩波电路5.4多相多重斩波电路在一个电源和一个负载之间接入多个基本斩波电路而组成的电路称为多相多重斩波电路。这里的相数是从电源端看进去的不同相位的斩波回路数，重数是从负载端看进去的不同相位的斩波回路数。在分析m相m重斩波电路时，可把该电路看成是由m个降压斩波电路[见图5-5（a）]并联后和一个负载相连而构成的电路。

第五章直流斩波电路5.4多相多重斩波电路图5-14二相二重斩波电路第五章直流斩波电路5.4多相多重斩波电路1、占空比D<0.5的工作情况（a）工作模式0（b）工作模式1图5-15工作模式0和1的等效电路第五章直流斩波电路5.4多相多重斩波电路1、工作模式0

两个斩波器件CH1和CH2都不导通，两个二极管VD1和VD2均导通。电感中的能量通过两个二极管进行续流，负载电流减小。2、工作模式1

其中一个斩波器件CH1或CH2导通，一个二极管VD2或VD1导通。电源给负载供电，并增加电感中的储能，输出电流增大。第五章直流斩波电路图5-17二相二重斩波电路的电压、电流波形（a）D<0.5时（b）D>0.5时第五章直流斩波电路5.4多相多重斩波电路斩波器交替运行在工作模式0和工作模式1时，整个电路以2倍于单个斩波电路的频率工作，输出电流id为各相电流id1和id2之和，其平均值为一相的2倍，其频率是id1和id2频率的2倍。电路中各电压、电流的波形如图5-17（a）所示。2、占空比D>0.5的工作情况当两个斩波器件CH1和CH2的占空比都是D>0.5时，将出现两个斩波器件CH1和CH2同时导通的工作模式2。第五章直流斩波电路5.4多相多重斩波电路多相多重斩波电路的特点根据以上分析，多相多重斩波电路具有以下特点：1、斩波器输出电流的脉动程度减小，有利于电动机的平稳运行。2、输出电流频率提高后，平波电抗器的重量和体积可明显降低。3、滤波器的效果可以得到明显改善。4、斩波器的线路较单个斩波电路复杂，尤其是控制电路更复杂。5、由多个斩波电路并联构成的斩波器，工作的可靠性较高。第五章直流斩波电路5.5间接直流变流电路用电力电子器件将一种直流电压先变为交流电压，再变为极性、电压值不同的另一种直流电压的变流电路，称为间接直流变流电路(亦称间接DC—DC变流器)。在间接直流变流电路中，可以利用变压器来灵活地改变输出电压的大小范围，采用PWM或移相多重控制方式，用全控型器件来控制输入输出的波形第五章直流斩波电路5.5.1单管传输型变流电路图5-18单管传输型变流电路和部分波形当开关器件V接通时，电源E加到整流变压器TR的一次线圈N1上，二次线圈N2中感应的电压U2通过二极管VD1加以整流，经过输出滤波器LC后向负载RL供电。在开关器件V断开时，电感L中的储能通过续流二极管VD2供给负载。

在0-DT期间，开关器件V导通，反馈二极管VD截止，电源E加在整流变压器TR的一次线圈N1上，在二次线圈N2上感应出的电压数值U2为：第五章直流斩波电路5.5.1单管传输型变流电路

第五章直流斩波电路5.5.1单管传输型变流电路

在DT-T期间，开关器件V关断，各线圈电压极性变反，VDl截止，电感L中的电流经过VD2进行续流。变压器中储存的磁场能量由线圈N1转移到线圈N3，线圈N1中的电流转移到线圈N3中进行续流，通过反馈二极管VD把能量反馈给直流电源E，电流通路为N3→E→VD→N3。这阶段，线圈N3上的电压为E，而在线圈N1上感应出来的电压数值U1为：第五章直流斩波电路5.5.1单管传输型变流电路（5-11）选择合适的变压器变比K，控制开关管的占空比D，就可以得到所需范围的输出直流电压值。单管传输型变流电路结构简单，控制方便，可以把电路的工作频率做得较高，减小变压器的体积和重量。缺点是整流变压器TR只能外加单方向的电压，铁心只能单方向磁化，因此变压器的利用率较低；另外输出电流脉动较大，使得滤波器容量也较大。所以单管传输型变流电路只能用于容量较小的间接直流变流电路中。在变流电路工作的一个周期中，输出电压U0的平均值为：第五章直流斩波电路5.5.2推挽式变流电路图5-19推挽式变流电路和部分波形第五章直流斩波电路5.5.2推挽式变流电路跟单管传输型变流电路不同的是电路中接入了两个开关管V1和V2，变压器一次侧线圈有中间抽头，且上下两部分对称。用开关管V1和V2来控制上下两部分线圈对称地工作，Vl和V2两管交替导通和关断将电源E的直流电先变成高频方波交流电，经整流变压器TR交流变压后进行全波整流获得所需的直流电，经过输出滤波器LC后向负载RL供电。第五章直流斩波电路5.5.2推挽式变流电路在t=DTT/2期间，开关管V1和V2都关断，电感L中的能量经二极管VD1和VD2续流，每个二极管各承担一半电流，即I1=I2=I0/2。在t=T/2-T/2+DT期间，开关管V2导通，V1关断；整流变压器TR的输入和输出电压均是上负下正；整流二极管VD2导通，VD1截止；输出电流I0=I2；变流电路又向负载供电。在t=T/2+DT-T期间，电路工作情况与DT-T/2期间相同。从波形图可知，变流电路的平均输出电压为：

（5-12）第五章直流斩波电路5.5.3半桥式和全桥式变流电路1、半桥式变流电路图5-20半桥式变流电路第五章直流斩波电路5.5.3半桥式和全桥式变流电路半桥式变流电路用两个完全相同的电容器C1和C2将输入电压两等分。当开关管Vl导通，V2截止时，电流从V1流入变压器TR，电容器C1放电，C2充电；整流二极管VD1导通，VD2截止；变压器一次侧线圈被施加了电源电压的一半，极性为上正下负。当开关管V2导通，Vl截止时，电流经TR向V2流出，电容器C2放电，C1充电；整流二极管VD2导通，VD1截止；变压器一次侧线圈同样被施加了电源电压的一半，极性为上负下正。这样每个周期对变压器外加一次正负交变的电压，二次侧电压经过全波整流并且滤波后向负载供电。输出电压的平均值为：（5-13）第五章直流斩波电路5.5.3半桥式和全桥式变流电路2、全桥式变流电路图5-21全桥式变流电路第五章直流斩波电路5.5.3半桥式和全桥式变流电路全桥式变流电路如图5-21所示，用四个全控型器件构成全桥电路，控制开关管V1、V4和V2、V3交替导通，将电源的直流电变为高频交流电后加到变压器的一次侧线圈N1。其基本工作原理和电压、电流波形与推挽式变流电路完全相同，输出电压是半桥式变流电路的两倍。全桥式变流电路一般用于大功率的DC/DC变流电路中。本章小结将直流电源的恒定直流电压，通过电力电子器件的开关作用，变换为可调直流电压的装置称为直流斩波器。它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现在广泛应用于直流牵引变速拖动中，如由直流电网供电的电