电力电子技术-第3章

第3章直流斩波电路与交流电力控制电路直流斩波电路：DC-DC变换电路，将电压恒定的直流电能变为幅值可调或另一幅值的直流电能。应用：直流电动机调速、直流电焊机等。交流电力变换电路：AC-AC变换电路，将某种参数的交流电能变为另一种参数的交流电能，包括电压或电流、频率、相位、相数等的变换。交流电力控制电路则主要指AC-AC变换电路中的交流调压、调功、交流电力开关等电力控制电路。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交流电力控制器3.1DC-DC变换电路概述升压降压隔离型非隔离型DC-DC变换电路升降压3.1DC-DC变换电路概述理想条件：DC-DC变换电路由理想元件构成，输入电源内阻为零，输出端接有足够大的滤波电容。基本原理：稳态条件下电感两端电压在一个开关周期内的平均值为零。稳态条件下电容电流在一个开关周期内的平均值为零。3.1DC-DC变换电路概述控制方式定频调宽

定频指保持开关周期、工作频率不变，即T=ton+toff恒定，调宽指改变开关导通时间ton来改变占空比D，从而改变输出直流电压平均值。称为脉宽调制（PWM）。

定宽调频定宽指保持开关导通时间ton不变，调频指调节开关工作周期T来改变占空比D，从而改变输出直流电压平均值。称为频率调制型（PFM）。

3.1DC-DC变换电路概述控制方式调频调宽此种方式是前两种方式的综合，开关导通时间ton与开关工作频率f均可变，控制比较复杂。通常用于需大幅度改变输出电压数值的场合。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交流电力控制器3.2非隔离型DC-DC变换电路升压降压非隔离型升降压Sepic

Cuk

Zeta3.2非隔离型DC-DC变换电路3.2.1降压(Buck)斩波电路3.2.2升压(Boost)斩波电路3.2.3升降压(Buck—Boost)斩波电路3.2.4Cuk斩波电路3.2.5Sepic斩波电路3.2.6Zeta斩波电路3.2.1降压斩波(Buck)电路平均直流输出电压低于直流输入电压的变换电路称为降压DC-DC变换电路。由全控型器件（如IGBT）、二极管和LC低通滤波器构成。电感电流连续和电感电流断续两种工作模式。3.2.1降压斩波(Buck)电路主开关和二极管轮流导通。主开关开通时，电感储能，电压为Ui-Uo，电流上升；二极管续流时，电感放电，电压为-Uo，电流衰减。低通滤波器LC可减少输出电压、电流的脉动。3.2.1降压斩波(Buck)电路负载电压平均值为式中，ton为S处于通态的时间；toff为S处于断态的时间；T为开关周期；D为导通占空比。输出电压范围：0~Ui。忽略损耗在连续电流方式下，可看作一降压直流变压器。3.2.1降压斩波(Buck)电路电感电流断续负载中L值较小，或负载电流较小时，则在S关断后，到了t2时刻，负载电流已衰减为零，会出现负载电流断续。三个开关状态电流连续条件3.2非隔离型DC-DC变换电路3.2.1降压斩波(Buck)电路3.2.2升压斩波(Boost)电路3.2.3升降压斩波(Buck—Boost)电路3.2.4Cuk斩波电路3.2.5Sepic斩波电路3.2.6Zeta斩波电路3.2.2升压斩波(Boost)电路平均直流输出电压高于直流输入电压的变换电路称为升压DC-DC变换电路。0<t<ton区间，S导通，VD截止，UL=Ui；

ton<t<T区间，S截止，VD导通续流，

电源与电感共同给负载供电，UL=Ui-Uo。Uo3.2.2升压斩波(Boost)电路负载电压平均值为由于0≤D<1，升压斩波电路输出电压的范围：

Ui~∞。注意，D→1时，Uo→∞，故应避免D过于接近1，以免造成电路损坏。电感的电压泵升作用和电容的稳压作用使得输出电压可以高于输入电压。3.2.2升压斩波(Boost)电路忽略损耗，在连续电流方式下，升压斩波电路等效于升压直流变压器，可通过控制开关的占空比来连续控制。3.2.2升压斩波(Boost)电路电感电流断续临界条件：输出空载时，Uo→∞，故升压电路不应空载，否则会产生很高的电压而造成电路中元器件的损坏。

3.2非隔离型DC-DC变换电路3.2.1降压斩波(Buck)电路3.2.2升压斩波(Boost)电路3.2.3升降压斩波(Buck—Boost)电路3.2.4Cuk斩波电路3.2.5Sepic斩波电路3.2.6Zeta斩波电路3.2.3升降压斩波(Buck-Boost)电路平均直流输出电压即可高于也可低于直流输入电压的变换电路称为升降压DC-DC变换电路。0<t<ton区间，S导通，VD截止，电感储能，UL=Ui；

ton<t<T区间，S截止，VD导通续流，电感能量传递给负载，UL=-Uo。3.2.3升降压斩波(Buck-Boost)电路负载电压平均值为负号表示升降压电路的输出电压极性与输入电压极性相反，输出电压范围为：0~∞。常用于电池供电设备中产生负电源的电路，还用于各种开关稳压器中。3.2.3升降压斩波(Buck-Boost)电路电感电流断续临界条件：3.2非隔离型DC-DC变换电路3.2.1降压斩波(Buck)电路3.2.2升压斩波(Boost)电路3.2.3升降压斩波(Buck—Boost)电路3.2.4Cuk斩波电路3.2.5Sepic斩波电路3.2.6Zeta斩波电路3.2.4Cuk斩波电路可看成是由升压型电路和降压型电路级联而成的。电感L和L1的电流都连续的情况下，电路在一个开关周期内相继经历两个开关状态。3.2.4Cuk斩波电路电感L和L1的电压平均值为令UL=0，UL1=0，消去UC1，可得Cuk电路输出电压为3.2.4Cuk斩波电路Cuk型电路与升降压电路异同点：输出电压相同；Cuk型电路较为复杂；输入和输出回路中都有电感，因此输出电压纹波较小。3.2非隔离型DC-DC变换电路3.2.1降压斩波(Buck)电路3.2.2升压斩波(Boost)电路3.2.3升降压斩波(Buck—Boost)电路3.2.4Cuk斩波电路3.2.5Sepic斩波电路3.2.6Zeta斩波电路3.2.5Sepic斩波电路可看成是由升压型电路和升降压型电路级联而成的。在电感L和L1的电流都连续的情况下，电路在一个开关周期内相继经历两个开关状态。3.2.5Sepic斩波电路按照与Cuk型电路相同的方法，可得Sepic型电路输出电压为其电压比与Cuk型电路相同，差别仅在于Sepic型电路输出电压与输入电压极性相同。3.2非隔离型DC-DC变换电路3.2.1降压斩波(Buck)电路3.2.2升压斩波(Boost)电路3.2.3升降压斩波(Buck—Boost)电路3.2.4Cuk斩波电路3.2.5Sepic斩波电路3.2.6Zeta斩波电路3.2.6Zeta斩波电路可看成是由升降压型电路和降压型电路级联而成的。电容C1的电压极性为左负右正。在电感L和L1的电流连续的情况下，电路在一个开关周期内相继经历两个开关状态。3.2.6Zeta斩波电路按照相同的方法，可得Zeta型电路输出电压为 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交流电力控制器3.4交流电力控制器结构

：将一对晶闸管反并联或用一个双向晶闸管与负载串联，然后接到交流电源上，通过对晶闸管的控制可实现对负载的交流电压和功率的控制。分类：交流调压器、交流调功器和交流无触点开关。应用：在电力系统中主要用于交流电压的调节、有功及无功功率的调节、以及负载短路时的电流遮断控制等；也广泛用于电路温控、灯光调节、异步电动机软启动和调速等领域。3.4交流电力控制器控制方式：相位控制、周波控制和通断控制。交流调压电路：每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节输出电压有效值。相位控制交流调功：以交流电周期为单位控制晶闸管通断，改变通断周期数的比，调节输出功率的平均值。周波控制交流无触点开关：不调节输出电压和功率，只接通或断开电路。通断控制3.4交流电力控制器3.4.1交流调压电路3.4.2交流调功电路3.4.3交流无触点开关3.4.1交流调压电路3.4.1.1单相交流调压器3.4.1.2.三相交流调压器3.4.1.1单相交流调压器1．电阻负载在交流电源的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角a进行控制来调节输出电压。正负半周a起始时刻（a=0）均为电压过零时刻，正负半周的a

相等。3.4.1.1单相交流调压器负载电压有效值Uo、负载电流有效值Io、电路的功率因数λ分别为3.4.1.1单相交流调压器移相范围：0~π。

a=0时，功率因数λ=1，随着a增大，输入电流滞后于电压且发生畸变，λ也逐渐降低。3.4.1.1单相交流调压器2.阻感负载控制角α和负载阻抗角φ的关系不同，晶闸管每半周导通时会产生不同的过渡过程。α>φ时，电流断续，输出电压可控；α≤φ时，电流连续，电压完整、不可控，电流为滞后电压φ的正弦波。3.4.1.1单相交流调压器α>φ时在ωt

=a时刻开通VT1，负载电流应满足如下方程和初始条件解方程得式中,θ为晶闸管导通角。输出电流中含有正弦稳态分量与按指数规律衰减的自由分量。3.4.1.1单相交流调压器α>φ时利用边界条件：ωt

=a+θ时io=0,可求得θ以φ为参变量，可将a和θ的关系用右图曲线表示。移相范围：φ～π3.4.1.1单相交流调压器α>φ时负载电压有效值Uo为α=φ时自由分量iS=0，导通角θ=180°，正负半周电流处于临界状态；相当于晶闸管失去控制作用，电路失去调压作用。3.4.1.1单相交流调压器α<φ时VT1提前导通，负载L被过充电，其放电时间将延长，VT1结束导电时刻大于π+φ，使VT2推迟开通，VT2的导通角小于π。io由两个分量组成，正弦稳态分量、指数衰减分量。3.4.1.1单相交流调压器带电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流电路交流侧电流波形一致，改变α可以改变负载电压有效值，移相范围为0°~180°。带电感性负载时，最小控制角α=φ，同时不能用窄脉冲触发，否则当α<φ时会发生一个晶闸管无法导通的现象。3.4.1交流调压电路3.4.1.1单相交流调压器3.4.1.2.三相交流调压器3.4.1.2三相交流调压电路星形联结b)线路控制三角形联结c)支路控制三角形联结d)中点控制三角形联结3.4.1.2三相交流调压电路星形联结电路三相四线时可看作三个单相的交流调压电路。零线中有很大的3次谐波电流及其它3的整数倍次谐波电流。当a=90°时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。3.4.1.2三相交流调压电路星形联结电路三相三线时至少有两个晶闸管导通才能构成回路，应采用双脉冲或宽脉冲触发。和三相桥式全控整流电路的触发电路特点一样，触发脉冲顺序为VT1~VT6，依次相差60°。相电压过零点定为a的起点。移相范围是0°~150°。3.4.1.2三相交流调压电路a)α=30°3.4.1.2三相交流调压电路b)α=60°3.4.1.2三相交流调压电路b)α=120°3.4交流电力控制器3.4.1交流调压电路3.4.2交流调功电路3.4.3交流无触点开关3.4.2交流调功电路交流调功电路与交流调压电路电路形式完全相同，调节对象不同——调节输出功率；控制方法不同——周波控制。周波控制：将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周波，通过改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。在交流电源接通期间，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成谐波污染。3.4.2交流调功电路设控制周期