城辆电传动与控制城轨牵引传动3（斩波电路）=

第三章

斩波电路第三章斩波电路

与干线铁路相比，在行车距离较短的城市轨道交通体系中，高压交流到低压直流（IEC电压标准为1500

V、750V或600

V）的变压、整流是在地面变电站（牵引变电所）完成的。

城市轨道交通车辆电力牵引系统中：

主电路：进行电能的转换及传送，实现列车的牵引和电气制动；

辅助电路：为空调、压缩机等辅助设备提供所需的电源。

直流斩波器：一种把恒定直流电压变换成为负载所需的直流电压的变流装置。它通过周期性地快速通、断而把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，改变这一脉冲列的脉冲宽度或频率就可实现输出电压平均值的调节。2第三章斩波电路

第一节

斩波电路的工作原理3第三章斩波电路早期的直流调压方式：

当直流电动机由不可调的直流电源供电时，传统的方法是通过改变

串在电路中的电阻值来改变电动机的端压，从而改变电机的转速。

早期的直流传动城轨车辆即采用这种形式，主要有凸轮调阻和斩波

调阻两种控制方式。问

题：

电阻中要流过负载电流，在电阻上将消耗大量的功率。特别是电机的转速较低时，电源供出的功率大部分消耗在电阻上，显然很不经

济。4+

Ud－R1

K1R2

K2R3

K3R4K4Ld

M图4-1

直流电动机串联电阻调速电路第三章斩波电路一、工作原理

用一个理想开关取代电阻就组成了一个直流电机斩波调速电路。S为

理想电子开关，D为续流二极管，Ld为平波电抗器。

当S闭合时，负载两端的电压等于电源电压；

当S断开时，负载两端的电压等于零；续流二极管D导通；

S周期地快速接通和断

开，则在负载两端得到

一个脉冲列电压。5MSiSiAUdLdDEmuLD+－1

onton第三章一、工作原理斩波电路

T—S的切换周期，

ton—S的接通时间，

toff—S的断开时间。

脉冲列电压的幅值等于电源电

压US。只要S切换速度足够高，即T

大大小于电动机的机电时间常数，

则电机的转速不会受到电压断续的

影响，而电机的转速由电压平均值

ULD的大小决定。ULD=ton

t

∫

0

uLDdt

=

T

∫

0USdt

=

T

US

=αUS

1T

斩波器的导通比：α=ton/T=tonf6第三章斩波电路一、工作原理

若设负载为电感性，则电流是连续的。当S闭合时，负载电流iA从初

始值IAmin按指数规律上升至终了值IAmax。当S断开时续流二极管D导通，

负载电流IA从最大值IAmax按指数规律下降至IAmin。负载电流IA的表达式求

解如下：diA

dt+

iARLD

+

EmUS

=

LLD式中

LLD—负载回路总电感；RLD—负载回路总电阻；Em—电动机反电势。考虑边界条件，

当

t=0时，iA=IAmin，当t=ton时，iA=Iamax，可得：（1）当S闭合：tt−RLD

LLD−RLD

LLDUS

−

Em

RLDiA

=)+

IAmine(1−e

0≤t＜ton7−

RLDU

S

(1−

e−

RLDRLD

(1−

e−

RLDU

S

(e−

RLDRLD

(e8第三章斩波电路一、工作原理

EmLLDRLDLLDiA

=

−+diA

dt′（2）当S断开，D续流：式中

t′=t-ton，当t′=0时，iA=Iamax，当t′=T-ton时，iA=IAmin为边界条件，解得：

E

mRLDton

TLLD

LLD−))I

Amax

=

E

mRLDton

TLLD

LLD−−

1)−

1)I

Amin

=

EmRLDt′−RLD

LLDt′−RLD

LLDiA

=

−)+

I

Amaxe(1−eton＜t＜T第三章斩波电路UdD一、工作原理

图中的开关S不是普通的机械开关，而是由电力半导体器件（如晶

闸管、可关断晶闸管、电力晶体管、IGBT等）组成的电子开关。一般称

这个开关为斩波器，用符号CH表示。图中LF、CF分别为输入滤波电感和

电容。

CH

LF

+

Ld

M

－

直流斩波器的电路结构9CFton1第三章斩波电路二、控制方式

（一）时间比控制方式

时间比控制是改变斩波器输出电压的一种方法。由下式可知，斩

波器的输出电压是斩波器导通时间ton和斩波周期T的函数。无论是改变

导通时间ton，还是改变斩波周期T都可改变输出电压。ULD

=

1T

改变导通比α有如下三种方法：

1、定频调宽控制；2、定宽调频控制；3、调频调宽混合控制。10ton

ton

∫

0uLDdt

=

T

∫

0USdt

=

T

US

=tonfUS

=αUS斩波器的导通比：α=ton/T

=tonf第三章斩波电路

1．定频调宽控制（脉冲宽度调制）

T=常数，ton=变数。脉冲宽度ton越宽，ULD越高。其特点为：斩波

器的基本频率固定，所以滤除高次谐波的滤波器设计比较容易。

2．定宽调频（脉冲频率调制）

ton=常数，T=变数。改变T就可改变ULD。其特点为：斩波回路和

控制电路较简单，但频率是变化的，使得设计滤波器较困难。

3．调频调宽混合控制

ton=变数，T=变数。其特点为：可以大幅度地变化输出，但也存在

着由于频率变化所引起的设计滤波器较难的问题。11第三章斩波电路不同控制方式的负载电压波形：

uLDULDt0UdULDtT0

（a）uLDULDtTUd

（b）12uLD

（a）定频调宽方式（b）定宽调频方式

0uLDULDtT0ton第三章斩波电路（二）瞬时值控制和平均值控制

对于采用直流斩波器进行调速的车辆或其他电力电子装置在加速

时，为使其加速度恒定，需要进行恒流控制。

1、瞬时值控制

预先给定电流脉动的上限值和下限值，将其与电流瞬时值比较，在

电流达到上限值或下限值时，关断或开通斩波器。

这种直接控制电流脉冲值的方式，具有脉动率始终保持恒定的优

点。另外，控制系统本身具有瞬时响应特性。

但是，由于电流的脉动幅度△IM=Imax-Imin固定，所以斩波器工作频

率随导通比α的变化而发生大幅度的变化。

13斩波电路

第三章瞬时值控制方式原理图

14第三章斩波电路2．平均值控制

电路中设置了给定斩波器工作频率的振荡器和控制导通比的移相器，

根据电流给定值和负载电流平均值的偏差，控制移相器的输出。该方式与

瞬时值控制相比，响应速度稍差，但工作频率是稳定的。一般都采用这种

平均值控制方式。

15第三章斩波电路

第二节

直流斩波基本电路16斩波电路

第三章一、降压斩波器

该电路的输出电压平均值：ULD=αUS由于α＜

l，所以ULD

＜US。负载电动机的调速范围一般是在零到额定转速。因此，一般情况下电动机直流调速系统均采用降压斩波器。

17IAmaxIAminΔI第三章斩波电路一、降压斩波器

为了确定电路平波电抗器的电感量Ld、输入滤波器的电

容量CF和电感量LF，做以下假定：

（1）当确定斩波器输出端参数时——假定CF两端电压

UC没有脉动；

（2）当确定斩波器输入端参数时——假定电机的电枢

电流iA没有脉动。

1819第三章斩波电路（一）确定斩波器CH的输出参数：LLD

过大的电流脉动或不连续的iA对电机工作不利，因而应选择适当的

Ld，以保证在电动机的工作范围内较小的脉动值并维持iA连续。如果忽

略回路的电阻，在UC无脉动的假设条件下，则有US=UC。当CH导通

时，电压方程为：diA

dtLLD=

US

−

Em

=

(1−α)US

式中

LLD—负载回路的总电感；Em—电动机反电势。对上式积分，得电枢电流iA的脉动量为：USLLD(1−α)αT

=

f

(α,T)=∆I

A

=

I

Amax

−

I

Amin20斩波电路

第三章1、定频调宽控制方式T=C1，对前式的

求导求极值，最大脉动量发生在=0.5

时，UST4LLDC1US

4LLD==∆IA

=

∆IAmax2、定宽调频控制方式(1−αmin)=C2US

LLDT=ton=C2，则：

∆I

Amax说明△Iaman随着min而变化：min↓→I

aman

↑21第三章斩波电路电流脉动系数：

US2LLDI

A(1−α)αT=0.5∆I

A

I

AK

=如果在某一定IA值，要求其电流脉动系数不大于某定值K，则所需回路电感值为：

US2KI

A(1−α)αT[LLD]K

≥（1）定频调宽方式（

T=C1

，最大脉动量时

=0.5

）：C1US8KI

A（2）定宽调频方式（

[LLD]K

≥T=ton=C2

）：(1−αmin)C2US2KI

A[LLD]K

≥I

Amin22第三章斩波电路（2）定宽调频方式：(1−αmin)≥

C2US2I

Amin[LLD]min（1）定频调宽方式：

C1US8IAmin[LLD]min≥∆IA

2=此时，平均电流为最小连续电流：代入可得到维持iA连续所需回路电感最小值：

US2I

Amin[LLD]min(1−α)αT≥电流iA连续的临界状态：IAmin=0

iA

t第三章斩波电路选择LLD的要求：

（1）保证电流脉动系数K满足电机工作要求；

（2）保证在IA＞IAmin的条件下，IA连续。

根据前4个公式计算所需的[LLD]K、[LLD]min，取两者中

较大电感值为LLD。平波电感值：Ld=LLD－LM

LM—电机电枢回路中各绕组电感总和23第三章斩波电路t（二）确定斩波器CH的输入参数：LF，CF

假设电枢电流iA无脉动，则流过斩波器CH的电流iCH波形如下所示：

iCH

IAαT

T0

对iCH进行付氏级数分解：

∞

n=1

式中

ICH0—直流分量；ICHn—n次谐波的电流有效值。

斩波器电流的直流分量ICH0完全由电源供给，而谐波分量ICHn分别

由电源和滤波电容CF供给。244π

n

f

LFCF

−1ICHn(n

CH

)2

−125第三章斩波电路式中：XL=2πfCHLF；XC=

1/（2πfCHCF）

；

fCH—斩波器工作频率；

fF=1/（

2π

LFCF

）—谐振频率。1、谐波电流分析

如果将斩波器电流的谐波分量看作一个电流源，可得求解电源谐ICHnCFISn

ICnXC/n

LFnXL波电流的等效电路：由等效电路可得：ICn=ICHn+ISnICn(XC/n)=

ISnnXL求解得：ICHnICHn

1CH2

2

2

1

f

fF==

X

C

/n(nX

L)−(X

C

/n)ISn

=)

ICHn第三章斩波电路

fFnfCHISn2≈

(

由上式可得减小电源谐波电流Isn的三种方法：

（1）在滤波元件不变时，提高斩波器频率fCH；

（2）在fCH不变时，降低fF（即增加LF或CF的数值）；

（3）降低斩波器电流的脉动幅度，即减小了ICHn。261、谐波电流分析

fCH和fF不应相等，否则会发生谐振，引起电源电压大幅度振荡。

为此，通常使fCH≈（2~3）fF，则电源谐波电流可近似按下式计算：LFISmax

=CFUCmax

−

CFUC

20UCmax

=

UC0

+第三章斩波电路2

222

1

21212IS

2max

LFCF

式中

UCmax—

CF上的最大电压；

UC0—

CF上的初始电压；

ISmax—

CH断开前的电流。272、电容电压分析

当斩波器断开时，储存在LF中的能量全部交换给CF，使得CF的电压

上升，根据能量平衡方程式可计算CF上的最大电压：第三章斩波电路3、确定滤波元件的原则

在确定滤波元件LF和CF的参数时，应考虑下面三个条件：

（1）避免谐振，fF/fCH=1/2~1/3；

（2）流经电源的谐波电流应小于规定值，一般要求基

波IS1不超过直流I0的10%，即IS1≤0.1I0；

（3）CF上的最大电压Ucmax应小于（1.2~1.5）US。

28第三章斩波电路二、升压斩波电路

当斩波器导通时，电源电压US加于

电感LF上，电感储能。与此同时电容CF

向负载放电，而隔离二极管D因受电容

CF施加的反向电压而关断。

当斩波器关断时，电感LF中的电流

维持原来的流通方向不变，其自感电势

改变极性并和电源电压正加，强制电流

进入负载和给电容CF充电。这样斩波器

导通时储存在电感器中的电能释放到负

载和电容CF上，使UC上升。

29第三章斩波电路假设不计iS的脉动，则在斩波器导通期间由电源输入到电感器的电能为：Win=USISton在斩波器关断期间，电感L释放的电能为：

Wout=（ULD－US）IStoff对于无损耗系统在稳定时这两项电能应是相等的，故有：

USISton=（ULD－US）IStoff

TtoffU

S

>U

SU

S

=U

S

=ton

+

toff

toffU

LD

=

11−α

无论降压斩波器或升压斩彼器，其功率流向都是从电源到负载，因此负载的平均电压ULD和电流IA都是正的，均位于ULD－IA直角坐标系的第一象限，故又称为第一象限斩波器。30第三章斩波电路

三、再生斩波电路

如果由于动能或势能使电机作发电机运行，利用升压斩波器的原理，可构成第二象限斩波器电路。

通过适当调节导通比便可把电机的电压升到大于电源电压US，从而把电机产生的能量反馈到电源中去。此时电压ULD跟电动机状态运行时的极性一致（为正值），但电枢电流iA改变了流向而成为负值，电机工作于第二象限，故称第二象限斩波器。

因为功率流向是从电机到电源，直流电动机工作于再生制动工况，这种电路亦称为再生斩波器。31第三章斩波电路（一）再生状态的能量关系

在0＜t＜ton时CH闭合，电动机回路的平衡方程式：diA

dt

Em

=

Ceφn

=

LLD对上式两边同乘以iA并整理得：

1

2

即：电机的机械能转换为电能

W=电感储存的磁场能△W

在ton＜t＜T时CH关断，电动机回路的平衡方程式：

diA

dt

1

Ce

A

LD

A

C

Adt

2

即：机械能转换为电能△W+磁场能

W=再生能量△W3233第三章斩波电路（二）再生制动的的稳定性

串励发电机的外特性Em=f（iA）

和电网的负载特性US=

f（iA），如a点是电路的工作点，当再生状态时，能够稳定工作的条件是：dUS

diAdEm

diA<Em

USiA0IbIaUCH

a

uUbb显然a点是不稳定的，即电机直接联接电网是不能稳定进行再生制动的。

因此，如果在电机与电网之间加斩波器，使斩波器的负载电压曲线UCH=f（iA）满足稳定工作的条件（如b点工作）：IbIbdUCH

diAdEm

diA<uCH

=

⎨第三章斩波电路（二）再生制动的的稳定性

斩波器的电压特性UCH=f（iA）可表示为：

UCH=Ub+C（iA－Ib）斩波器CH的电压UCH的数值为：式中

C—直线斜率

⎧0……CH导通时

⎩US……CH断开时平均值：

U

CH

1TU

S

=

(1

−

α

)U

ST

−

ton

T=

T

∫U

Sdt

=ton令：（1－a）US=

Ub+C（iA－Ib）

CU

S(iA

−

Ib)−U

S

−Ub

U

Sα

=设：a

=ab

时，Ub=（1－

ab）USab=（US－Ub）/US代入后得：

CU

S(iA

−

Ib)α

=αb

−

的变化规律：当iA↑→

a↓

→

UCH↑

→（Em－UCH）↓

→

iA↓

当iA↓

→

a

↑

→

UCH↓

→（Em－UCH）↑

→

iA↑34第三章斩波电路

四、多象限斩波器

（一）A型二象限斩波器（一、二象限）

（1）降压斩波器CHl和二极管D1在电动机运行状态下工作，将电源功率传递给电机，控制CHl的导通比可以调节电机的转速。

（2）升压斩波器CH2与D2则在再生制动运行时工作，将电机的功率传递给电源。控制CH2的导通比可以调节电机的制动功率。

二种方式的特点：Em的方向总是为正，而电枢电流iA的方向可正可负，取决于；若CHl

工作，αUS＞Em，则iA的方向为正；若CH2工作，(1－α)

US＜Em，则iA的方向为负。——分别工作在一、二象限

3536第三章斩波电路（二）B型二象限斩波器（一、四象限）（1）CHl斩波工作，CH2全导通，D1续流，这时Em为正，且αUS＞Em功率流向从电源到负载，iA为正，电机吸收功率。（第一象限）

（2）CH2斩波工作，CH1全导通，D2续流，这时Em为正，且αUS＞Em功率流向从电源到负载，iA为正，电机吸收功率。

（第一象限）

（3）CHl斩波工作，CH2全关断，D1、D2同时导通，这时Em为负而且必须Em＞UCH1，iA为正，把电机的电能反馈到电网去。

（第四象限）

（4）CH2斩波工作，CH1全关断，

D1、D2同时导通，这时Em为负而且必须Em＞UCH2，iA为正，把电机的电能反馈到电网去。

（第四象限）CH1CH2D2UsLdＭEm

iAD1uLD+-Ld第三章斩波电路CH1CH4D1D2D3D4UsＭEm

iACH2uLD（三）四象限斩波器

该电路的uLD和iA的极性都可改变，即斩波器可以在四象限运行。

+

CH3

-

（1）使CH4始终导通、CH3始终关断，则控制CH1、CH2，可使斩

波器工作在第一象限和第二象限。

（2）若CH2始终导通、CH1始终关断，则控制CH3、CH4，可使斩

波器工作在第三象限和第四象限。37第三章斩波电路

五、多相多重斩波电路

采用斩波供电时，负载电流iA、滤波电容CF的端电压UC、电源电流iS都是脉动的，其脉动量正比与1/fCH。因此提高斩波频率

fCH有利于减小脉动，但

f

CH的提高受到电力电子器件的限制。

因而常采用多相多重斩波方式来提高斩波电路的工作频率f。其优点有：

（1）电流脉动率下降，有利于牵引电机的运行；

（2）有利于减小平波电抗器（体积重量会显著下降）；

（3）有利于减小输入滤波器的电感和电容。3839斩波电路

第三章五、多相多重斩波电路

图-

多相多重斩波器电路（a）二相二重斩波器电路；

（a）二相一重斩波器电路uCH1iCH1iCH1iCH2iCH2tttttt

0uCH2

0iA1

0iA2

0

iA

0iCH0图-

a<T/2时二相二重斩波器的

电压、电流波形MUs+-CH2Ld2D1D2（a）MMUs+-（b）CH1

CH2Ld1Ld2D1D2Ld1

iA1iA2iCH1iCH2iCH

CH1iA第三章斩波电路

五、多相多重斩波电路

“相”——从电源端看，不同相位斩波回路数；

“重”——从负载端看，不同相位的斩波回路数。

二相二重斩波器有2个斩波电路并联工作，但各斩波电路的斩波器

CH1和CH2的电流iCH1和iCH2相互有一定的相位差T/2。

（1）当控制角α＜T/2时，

CH1和CH2的导通时间ton从不重叠，各

相斩波器回路的平波电抗器电流iA1和iA2合成负载电流iA的频率是iCH1和

iCH2的2倍；各相斩波器输出电流iCH1和iCH2合成多相斩波器的总输入电流

iCH，其频率也为单个斩波器iCH1或iCH2的2倍。由于频率增加使得电流脉

动减小。

（2）当控制角α＞T/2时，出现CH1和CH2的导通重叠，因此没有总

输入电流iCH为零的时刻。40第三章斩波电路

六、采用半控型电力电子器件的斩波电路

斩波器的换流电路：

普通晶闸管导通后，其门极失去控制作用，须施加反向

电压或反向电流来关断——需增加换流电路才能关断导通的

主晶闸管。

电压换流电路—提供反向电压使晶闸管关断的电路。

电流换流电路—提供反向电流使晶闸管关断的电路。41第三章斩波电路

六、采用半控型电力电子器件的斩波电路

1、电压换流原理

换流电容CC按关断极性预先充

好电，如图极性左“－”、右

“+”。

当开关S闭合时，电容上的电

压UC加到晶闸管T1两端，使T1承受

反压而关断；CC通过负载放电，UC

下降到零时；

反压结束，反压的时间应大于

T1的关断时间，以保证T1可靠关

断。42第三章斩波电路

电压换流型斩波器（反振电压关断型斩波器）

-

+43第三章斩波电路

斩波器的换流过程：

（1）开始，触发T2导通，CC充电达到电源电压：uC=US，T2电流下降到维持电流以下自然关断。

（2）t0~t1阶段：t0时刻触发T1导通，电源通过T1给负载供电；同时CC通过T1—LC—D1回路产生自由振荡放电、反向充电；此电流iC在半个周期后停止（D1阻断），使uC保持－US充电状态。

（3）t1~t2阶段：流过T1的电流由负载决定，即iT1=IA。

（4）t2~t3阶段：在t2时刻触发T2导通，uC通过T2对T1施加反压使其关断，并承受反压UC0；负载上的电压uLD=US+UC0≈2US；CC经负载反向恒流充电（iT2=IA），uC从－UC0放电到0的时间为T1承受反压的时间。

（5）t3~t4阶段：当uC=US时D导通开始续流，T2的电流下降到零时自然关断，uLD=0。44第三章斩波电路

六、采用半控型电力电子器件的斩波电路

2、电流换流原理

换流电容CC按关断极性预先充好

电，如图极性左“－”、右“+”。

当S闭合后，换流电感LC与CC通过

T1形成振荡回路：振荡电流iC与T1的电流

iT1方向相反（以抵消iT1）；

当iC=iA时，iT1=0，T1关断，D1导

通，流过大于负载电流iA的电流，并使T1

承受反压：同样要求CC提供反压的时间

应大于T1的关断时间。4546第三章斩波电路电流换流型斩波器（反振电流关断型斩波器）+

-

-

+

+

--

++

-第三章斩波电路

斩波器的换流过程：

（1）主管导通阶段，t1～t2：在此之前换流电容CC经D1已充