直流斩波与交流电力控制电路

第3章直流斩波电路与

交流电力控制电路3.1

DC–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13.1

DC–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

23.1.1DC–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33.1.2DC–DC变换电路的分类非隔离型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43.1.3DC–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。53.1.4DC–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63.2

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7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83.2.1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0<t<t1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t1<t<t2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

。9称为占空比3.2.1降压斩波电路（3）数值分析（电流连续）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：其中：即：根据功率平衡可得电流关系。103.2.2升压斩波电路（1）电路结构储存电能维持电压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？113.2.2升压斩波电路（2）工作原理（电流连续）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”。123.2.2升压斩波电路（3）数值分析（电流连续）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：即：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。133.2.3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

）看图仅需注意开关器件、电感以及二极管三者所处的位置。143.2.3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。显然，当：降压；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。153.2.3升降压斩波电路（3）数值分析（电流连续）电流关系功率关系可见：升降压斩波器可看成输出电压可升可降的直流变压器。163.2.4其他升降压斩波电路（自学）（1）Cuk

斩波电路（3）Zeta斩波电路（2）Sepic

斩波电路173.3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18

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193.4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*20两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单相交流调压电路等效21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22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233.4.1单相交流调压电路（4）单相纯电阻负载数值分析243.4.1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流过晶闸管电流的有效值25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：（5）单相阻感负载

263.4.1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观察电流暂态分量有三种可能请同学回答。273.4.1单相交流调压电路波形分析（5）单相阻感负载

其一：此时电流直接进入稳态，电路没有调压作用。观察电流暂态分量存在三种可能。由：得：283.4.1单相交流调压电路波形分析（5）单相阻感负载

其二：此时具有调压作用。观察电流暂态分量存在三种可能。293.4.1单相交流调压电路波形分析（5）单相阻感负载

其三：观察电流暂态分量存在三种可能。此时对触发脉冲有特殊要求，如右图所示。303.4.1单相交流调压电路波形分析（5）单相阻感负载

当a<j

时电路工作情况进一步说明

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

。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。313.4.1单相交流调压电路波形分析（5）单相阻感负载

当a<j

时电路工作情况进一步说明

当电流过零后，在有触发的情况下VT2才能开通，结果使VT2的导通角小于p

。323.4.1单相交流调压电路波形分析（5）单相阻感负载

当a<j

时电路工作情况进一步说明

随着电流中暂态分量的衰减，VT1导通时间渐渐缩短，VT2导通时间渐渐延长。最终结果，相当于a

=j

时的情况，电路失去调压作用。333.4.1单相交流调压电路数值分析（a

>j

）（5）单相阻感负载

343.4.1单相交流调压电路以负载阻抗角j为参变量，移相触发角a与导通角θ

的关系。（5）单相阻感负载

2010060180140j=90°75°60°45°30°15°0°02060100140180θ(°)a(°)由图可见：当a=j

时，θ=p。当a>j

时，θ<p。当j角一定时，a角越大，θ角越小。353.4.1单相交流调压电路单相交流调压电路以j角为参变量时，流过晶闸管的电流有效值与a角间的关系。（5）单相阻感负载

j

=90°0.10.20.30.40.516018004012080

75°

60°45°j

=0a/(°)IVTN其中：363.4.1单相交流调压电路纯电阻负载（6）移相控制单相交流调压电路的谐波分析由于输出电压（或电流）波形关于横坐标对称，所以不含直流分量和偶次谐波。即仅含奇次谐波。电流基波和各次谐波的标幺值随a角变化的曲线（基准电流为a=0°时电流的有效值）如右图所示。060120180基波3次5次7次a/(°)In/I*/%20406080100由图可见a=90°时三次谐波幅值最大。373.4.1单相交流调压电路阻感负载（6）移相控制单相交流调压电路的谐波分析电流所含的谐波次数与电阻负载时相同，只含3、5、7、9……等奇次谐波分量。随着谐波次数的增加，谐波幅值相应减小。在谐波电压一定时，与电阻负载相比，阻感负载时的谐波电流含量较小。在a角一定时，阻感负载与电阻负载时相比，随着阻抗角j的增大，谐波含量有所减小。38（7）斩波控制单相交流调压电路*

电路图3.4.1单相交流调压电路控制V3、V4为负载续流控制V1、V2进行斩波39续流导通－截止－得电－截止导通－负半波电源电压续流－导通－截止得电截止－－导通正半波电源电压负载情况V4V3V2V1电源情况

原理分析3.4.1单相交流调压电路（7）斩波控制单相交流调压电路*40续流常通常止截止截止得电常通常止导通导通负半波电源电压续流常止常通截止截止得电常止常通导通导通正半波电源电压负载情况V4V3V2V1电源情况开关器件实际工作情况3.4.1单相交流调压电路（7）斩波控制单相交流调压电路*41特点3.4.1单相交流调压电路使负载上所得电压斩成条状，其有效值的大小由控制信号的占空比调节。电流的基波分量和电源电压同相位，即位移因数等于1。电流不含低次谐波，只含有与斩控开关的开关频率相关的高次谐波，滤波器参数较小。主要优点：功率因数较高。当为纯电阻负载时，不需要V3、V4提供续流通路。（7）斩波控制单相交流调压电路*42（1）三相交流调压的电路联结形式3.4.2三相交流调压电路星形联结：线路控制三角形联结：支路控制三角形联结：中点控制三角形联结：负载星形联结线控；又分三相三线和三相四线两种接线方式。负载三角形联结线控。负载三角形联结相控。负载星形联结中点控制。最为常用43（2）星形联结电路三相四线基本原理相当于三个单相交流调压电路的组合。仅是三相依次互差120°工作。3.4.2三相交流调压电路基波电流以及6k±1(k=1，2，3，…)的各次谐波电流在三相电源与负载之间流通，并不会流过中线。44三相四线

存在问题三相中3及3的倍数次谐波电流大小相等且同相，全部流过中线。3.4.2三相交流调压电路所以中线上有很大的3及3的倍数次谐波电流。由单相交流调压电路的谐波分析可知，当a

=

90°时三次谐波电流幅值最大。此时中线电流甚至和各相电流的有效值接近。（2）星形联结电路45三相三线3.4.2三相交流调压电路仅讨论纯电阻负载时的情况。任一相的导通必须与另外一相或两相构成回路，所以在负载电流通路中至少需要有两只晶闸管同时导通。对触发脉冲要求：相位及时序与三相桥式全控整流电路完全相同，并应采用宽脉冲或双窄脉冲触发。自然换流点：为电源各相电压的过零点，此处有别于三相桥式全控整流电路。（2）星形联结电路463.4.2三相交流调压电路三相三线

换流情况当a

≤30°时，是在同一相两只管子间换流。当a

>30°时，是在不同相的两只管子间换流，且电流过零时自然关断。三相桥式整流电路仅在接于交流不同相的两只管子间换流。而三相交流调压电路：（2）星形联结电路473.4.2三相交流调压电路三相三线

负载上的电压情况三相均不导通时：负载相电压为零。三相全导通时：负载相电压即为电源相电压。三相中仅有两相导通时：导通相的负载相电压为相应线电压的一半。非导通相的负载相电压为零。不同a角时相电压的波形分析。注意：负载电流及电源侧电流波形在电阻负载时与负载相电压波形一致。（2）星形联结电路480°≤

a

≤60°三管导通与两管导通交替，每管导通角为180°－a

。各晶闸管导通区间开始点当a=0°三管一直导通三相三线星形联结负载相电压波形

（a=30°）4960°≤a

≤90°晶闸管依次两两交替导通，每管导通角为120°。各晶闸管导通区间三相三线星形联结负载相电压波形

（a=60°）开始点自测题：当a=90°时，负载相电压波形分析。5090°<a≤150°两管导通与无管导通交替，负载电压断续，每个波头宽度为150°－a

。各晶闸管导通区间开始点三相三线星形联结负载相电压波形

（a=120°）当a=150°输出电压为零51（2）星形联结电路3.4.2三相交流调压电路三相三线

电流谐波情况电流谐波次数为6k±1（k=1，2，3，…），与三相全控桥式整流电路交流侧电流谐波次数完全相同。谐波次数越低，含量越大，故应对低次谐波予以足够重视。三相三线交流调压与单相交流调压（或三相四线）相比，不含3及3的倍数次谐波，因为3及3的倍数次谐波电流在三相三线电路中无法流通。52（3）支路控制三角形联结电路3.4.2三相交流调压电路电路特点由三个单相交流调压电路呈三角形联结组成，每相分别是在互差120°的线电压作用下工作。单相交流调压电路的分析方法和结论完全适用。输入线电流（即电源电流）应为与该线相联的两个负载相电流之和。533.4.2三相交流调压电路谐波情况3及3的倍数次谐波大小和相位相同，只能在三角形回路的内部流通，而不会出现在线电流之中。线电流中所含谐波次数为6k±1次（k为正整数）。在相同负载和移相触发角时，线电流中谐波含量少于三相三线负载星形联接电路。（3）支路控制三角形联结电路543.4.2三相交流调压电路典型应用晶闸管控制电抗器（简称TCR）。电抗器可视为纯电感负载，因此a角的移相范围为90°~180°。控制a角可连续调节流过电抗器的电流，从而连续调节无功功率的大小。当a=90°晶闸管全导通，此时吸收的无功最大。当a增大晶闸管导通角减小，吸收无功相应减少。原因为何（3）支路控制三角形联结电路553.4.2三相交流调压电路典型应用TCR配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续调节无功功率。整体称为静止无功补偿装置（SVC），用来对电力系统的无功功率进行动态补偿，削弱电压的波动或闪变。可投切电容器MSC或TSCTCR固定电容器FC可兼作无源滤波器（3）支路控制三角形联结电路56（1）工作原理电路与单相交流调压完全相同。控制方式有所不同。3.4.3交流调功电路交流调压电路是在每个电源周期内都通过移相控制对输入电压波形进行“裁剪”。交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周波后，再断开几个周波，通过通断周波数的比例来调节负载上所消耗的平均功率。具体方法可采用晶闸管通断控制及过零触发。57（1）工作原理仅讨论纯电阻负载时的情况。有关名词：3.4.3交流调功电路电源周期：T（50Hz时，T=20ms）。控制周期：Tc

=MT（注意：M为整数）。控制周期内导通的周波数：N（为整数）

。58（2）数值分析（电阻负载）输出电压有效值3.4.3交流调功电路输出功率其中:U1

与Pmax

为控制周期内全部周波均导通时的负载电压有效值及有功功率。59（3）优缺点优点：谐波含量小。3.4.3交流调功电路从以电源周期为基准的电流频谱图中可见：相对于电源频率倍数的谐波次数In为n次谐波电流的有效值，Iom为导通时电流的幅值。缺点：电压与电流均不连续，仅适用于以平均功率为调节对象的场合，例如温度控制。电流中不含电源频率整数倍次谐波。仅含电源频率非整数倍频率次谐波。在电源频率附近，非整数倍频率的谐波含量较大。60（1）基本概念将晶闸管反并联后接入交流电路中，代替电路中原有的机械开关或交流接触器，仅起接通或断开电路的作用。（小功率时又称之为固体继电器）3.4.4交流无触点开关与交流调功电路的区别不以调节平均输出功率为控制目标。通常没有明确的控制周期。只是根据实际需要，控制实现电路的接通或断开。交流无触点开关的控制频繁程度（简称频度），通常比交流调功电路低很多。61（2）优缺点优点3.4.4交流无触点开关缺点接通时存在管压降。断开后存在漏电流。毕竟存在开通延迟及关断滞后。响应速度快，无噪音（包括电磁噪音及离合机械噪音）。不会产生火花及拉弧现象。使用寿命长，可以频繁控制其通断。免维护且容易实现微机控制62（3）典型应用──晶闸管投切电容器（简称TSC）3.4.4交流无触点开关作用单相原理图抑制冲击电流的小电感晶闸管反并联后串联电容接入交流电路。实际常用三相接线，又分三角形联结和星形联结。结构对无功功率进行控制，提高系统的功率因数。稳定电网电压，提高供电质量。63（3）典型应用──晶闸管投切电容器（简称TSC）3.4.4交流无触点开关晶闸管开通时刻的选取希望电容预充电电压为电源电压峰值，此时电源电压变化率为零，电容投入过程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化。理想状态在交流电源电压和电容预充电电压相等时投入，此时电容电压不会产生跃变，也就不会产生冲击电流。64分析采用晶闸管构成的交—交变频电路，又称为周波变流器。该电路的作用是将公共电网额定频率的交流电直接变换成频率可调的交流，属于直接变频电路，有别于间接的交—直—交变频电路。广泛用于大功率同步电动机调速系统。包括两大内容：单相交—交变频电路与三相交—交变频电路。实际应用最多的还是三相交—交变频电路，但是单相交—交变频电路是学习的基础。3.4.5交—交变频电路65（1）单相交─交变频电路的构成和基本工作原理电路构成由P组变流器和N组变流器反并联接负载构成。P组和N组变流器均为晶闸管组成的相控整流电路。ZPNuo基本工作原理两组变流器交替工作，若设P组工作负载电压为正，则N组工作负载电压为负，负载电压为交流。两组变流器的切换频率决定了输出电压的频率。两组变流器的移相触发角决定了输出电压的大小。3.4.5交—交变频电路66为使输出得到正弦电压的方法在每组工作时让a角按正弦规律从90°减到0°，再由0°增加到90°变化，则平均输出电压就按正弦规律变化。以三相半波为例，结果输出电压由若干段电源电压拼凑而成。3.4.5交—交变频电路显然，在uo的一个周期内所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近于正弦。（1）单相交─交变频电路的构成和基本工作原理67（2）单相阻感负载时的工作状态理想化模型分析过程中忽略变流电路在换相时造成输出电压的脉动。3.4.5交—交变频电路二极管体现了变流电路中电流的单向性，uP

正半波负载得电，uN

负半波负载得电。仅仅只有一组变流器工作，即一组工作时另一组脉冲闭锁。这一工作方式称为无环流工作方式。阻感负载的分析结果同样适用于交流电动机。设负载阻抗角为j

，即为输出电流滞后于输出电压的角度为。68（2）单相阻感负载时的工作状态工作状态分析3.4.5交—交变频电路t1~t3期间：i0为正半周，正组工作，反组闭锁。其中：t1~t2：u0和i0均为正，正组整流，换流器输出功率为正。t2~t3：u0反相为负，i0仍为正，正组逆变，换流器输出功率为负。

69（2）单相阻感负载时的工作状态工作状态分析3.4.5交—交变频电路t3~t5期间：i0为负半周，正组闭锁，反组工作。其中：t3~t4：u0和i0均为负，反组整流，换流器输出功率为正。t4~t5：u0反相为正，i0仍为负，反组逆变，换流器输出功率为负。

70（3）移相触发角的调制方法──

余弦交点法3.4.5交—交变频电路整流输出电压：对于三相全控桥：交-交变频输出电压：令两者相等：得：则有：其中：称为输出电压比。71（4）其它相关说明3.4.5交—交变频电路有关输出频率的问题输出频率增高时，输出电压在一周期内所含电网电压波形段数减少，输出波形畸变严重。当采用6脉波三相全控桥式电路时，一般要求输出上限频率不应高于电网频率的1/3～1/2。当电网频率为50Hz时，交─交变频电路的输出频率上限约为20Hz左右。增多脉波可增加输出上限频率，但装置变得复杂。所以，交─交变频一般适用于大型同步电动机低转速情况下的调速运行。72（4）其它相关说明3.4.5交—交变频电路有关输入功率因数问题因采用移相控制方式，输入电流相位总是滞后于输入电压，与负载的性质无关。即需要电网提供无功功率。因为：所以，当输出电压较低时，移相触发角越接近于90°；然而移相深度越大，输入功率因数则越低。73（4）其它相关说明3.4.5交—交变频电路有关输出电压谐波成分问题输出电压的谐波频谱非常复杂，既与电网频率以及变流电路的脉波数有关，又与输出频率有关。当采用6脉动三相全控桥式电路时，输出电压所含主要谐波的频率为：采用无环流控制方式时，由于电流改变方向时死区的影响，还会增加5fo、7fo等次谐波。74（4）其它相关说明3.4.5交—交变频电路有关输入电流谐波成分问题输入电流波形与可控整流电路的输入电流波形相类似，但其幅值和相位均按正弦规律被调制。当采用6脉动三相全控桥式电路时，输入电流所含主要谐波的频率为：75是由输出电压相位互差120°的三组单相交─交变频电路组合而成。具体方式接线方式公共交流母线进线方式输出星形联结方式3.4.5交—交变频电路（5）三相交─交变频电路763.4.4交—交变频电路（5）三相交─交变频电路公共交流母线进线方式由三组彼此独立、输出电压相位相互差120°的单相交─交变频电路构成。电源进线通