電力電子技術(shù)-第3章

第3章直流斬波電路與交流電力控制電路直流斬波電路：DC-DC變換電路，將電壓恒定的直流電能變?yōu)榉悼烧{(diào)或另一幅值的直流電能。應(yīng)用：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速、直流電焊機(jī)等。交流電力變換電路：AC-AC變換電路，將某種參數(shù)的交流電能變?yōu)榱硪环N參數(shù)的交流電能，包括電壓或電流、頻率、相位、相數(shù)等的變換。交流電力控制電路則主要指AC-AC變換電路中的交流調(diào)壓、調(diào)功、交流電力開關(guān)等電力控制電路。第3章直流斬波電路與交流電力控制電路3.1DC-DC變換電路概述3.2非隔離型DC-DC變換電路3.3隔離型DC-DC變換電路3.4交流電力控制器3.1DC-DC變換電路概述升壓降壓隔離型非隔離型DC-DC變換電路升降壓3.1DC-DC變換電路概述理想條件：DC-DC變換電路由理想元件構(gòu)成，輸入電源內(nèi)阻為零，輸出端接有足夠大的濾波電容?；驹恚悍€(wěn)態(tài)條件下電感兩端電壓在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值為零。穩(wěn)態(tài)條件下電容電流在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值為零。3.1DC-DC變換電路概述控制方式定頻調(diào)寬

定頻指保持開關(guān)周期、工作頻率不變，即T=ton+toff恒定，調(diào)寬指改變開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton來改變占空比D，從而改變輸出直流電壓平均值。稱為脈寬調(diào)制（PWM）。

定寬調(diào)頻定寬指保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton不變，調(diào)頻指調(diào)節(jié)開關(guān)工作周期T來改變占空比D，從而改變輸出直流電壓平均值。稱為頻率調(diào)制型（PFM）。

3.1DC-DC變換電路概述控制方式調(diào)頻調(diào)寬此種方式是前兩種方式的綜合，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton與開關(guān)工作頻率f均可變，控制比較復(fù)雜。通常用于需大幅度改變輸出電壓數(shù)值的場(chǎng)合。第3章直流斬波電路與交流電力控制電路3.1DC-DC變換電路概述3.2非隔離型DC-DC變換電路3.3隔離型DC-DC變換電路3.4交流電力控制器3.2非隔離型DC-DC變換電路升壓降壓非隔離型升降壓Sepic

Cuk

Zeta3.2非隔離型DC-DC變換電路3.2.1降壓(Buck)斬波電路3.2.2升壓(Boost)斬波電路3.2.3升降壓(Buck—Boost)斬波電路3.2.4Cuk斬波電路3.2.5Sepic斬波電路3.2.6Zeta斬波電路3.2.1降壓斬波(Buck)電路平均直流輸出電壓低于直流輸入電壓的變換電路稱為降壓DC-DC變換電路。由全控型器件（如IGBT）、二極管和LC低通濾波器構(gòu)成。電感電流連續(xù)和電感電流斷續(xù)兩種工作模式。3.2.1降壓斬波(Buck)電路主開關(guān)和二極管輪流導(dǎo)通。主開關(guān)開通時(shí)，電感儲(chǔ)能，電壓為Ui-Uo，電流上升；二極管續(xù)流時(shí)，電感放電，電壓為-Uo，電流衰減。低通濾波器LC可減少輸出電壓、電流的脈動(dòng)。3.2.1降壓斬波(Buck)電路負(fù)載電壓平均值為式中，ton為S處于通態(tài)的時(shí)間；toff為S處于斷態(tài)的時(shí)間；T為開關(guān)周期；D為導(dǎo)通占空比。輸出電壓范圍：0~Ui。忽略損耗在連續(xù)電流方式下，可看作一降壓直流變壓器。3.2.1降壓斬波(Buck)電路電感電流斷續(xù)負(fù)載中L值較小，或負(fù)載電流較小時(shí)，則在S關(guān)斷后，到了t2時(shí)刻，負(fù)載電流已衰減為零，會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)。三個(gè)開關(guān)狀態(tài)電流連續(xù)條件3.2非隔離型DC-DC變換電路3.2.1降壓斬波(Buck)電路3.2.2升壓斬波(Boost)電路3.2.3升降壓斬波(Buck—Boost)電路3.2.4Cuk斬波電路3.2.5Sepic斬波電路3.2.6Zeta斬波電路3.2.2升壓斬波(Boost)電路平均直流輸出電壓高于直流輸入電壓的變換電路稱為升壓DC-DC變換電路。0<t<ton區(qū)間，S導(dǎo)通，VD截止，UL=Ui；

ton<t<T區(qū)間，S截止，VD導(dǎo)通續(xù)流，

電源與電感共同給負(fù)載供電，UL=Ui-Uo。Uo3.2.2升壓斬波(Boost)電路負(fù)載電壓平均值為由于0≤D<1，升壓斬波電路輸出電壓的范圍：

Ui~∞。注意，D→1時(shí)，Uo→∞，故應(yīng)避免D過于接近1，以免造成電路損壞。電感的電壓泵升作用和電容的穩(wěn)壓作用使得輸出電壓可以高于輸入電壓。3.2.2升壓斬波(Boost)電路忽略損耗，在連續(xù)電流方式下，升壓斬波電路等效于升壓直流變壓器，可通過控制開關(guān)的占空比來連續(xù)控制。3.2.2升壓斬波(Boost)電路電感電流斷續(xù)臨界條件：輸出空載時(shí)，Uo→∞，故升壓電路不應(yīng)空載，否則會(huì)產(chǎn)生很高的電壓而造成電路中元器件的損壞。

3.2非隔離型DC-DC變換電路3.2.1降壓斬波(Buck)電路3.2.2升壓斬波(Boost)電路3.2.3升降壓斬波(Buck—Boost)電路3.2.4Cuk斬波電路3.2.5Sepic斬波電路3.2.6Zeta斬波電路3.2.3升降壓斬波(Buck-Boost)電路平均直流輸出電壓即可高于也可低于直流輸入電壓的變換電路稱為升降壓DC-DC變換電路。0<t<ton區(qū)間，S導(dǎo)通，VD截止，電感儲(chǔ)能，UL=Ui；

ton<t<T區(qū)間，S截止，VD導(dǎo)通續(xù)流，電感能量傳遞給負(fù)載，UL=-Uo。3.2.3升降壓斬波(Buck-Boost)電路負(fù)載電壓平均值為負(fù)號(hào)表示升降壓電路的輸出電壓極性與輸入電壓極性相反，輸出電壓范圍為：0~∞。常用于電池供電設(shè)備中產(chǎn)生負(fù)電源的電路，還用于各種開關(guān)穩(wěn)壓器中。3.2.3升降壓斬波(Buck-Boost)電路電感電流斷續(xù)臨界條件：3.2非隔離型DC-DC變換電路3.2.1降壓斬波(Buck)電路3.2.2升壓斬波(Boost)電路3.2.3升降壓斬波(Buck—Boost)電路3.2.4Cuk斬波電路3.2.5Sepic斬波電路3.2.6Zeta斬波電路3.2.4Cuk斬波電路可看成是由升壓型電路和降壓型電路級(jí)聯(lián)而成的。電感L和L1的電流都連續(xù)的情況下，電路在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)相繼經(jīng)歷兩個(gè)開關(guān)狀態(tài)。3.2.4Cuk斬波電路電感L和L1的電壓平均值為令UL=0，UL1=0，消去UC1，可得Cuk電路輸出電壓為3.2.4Cuk斬波電路Cuk型電路與升降壓電路異同點(diǎn)：輸出電壓相同；Cuk型電路較為復(fù)雜；輸入和輸出回路中都有電感，因此輸出電壓紋波較小。3.2非隔離型DC-DC變換電路3.2.1降壓斬波(Buck)電路3.2.2升壓斬波(Boost)電路3.2.3升降壓斬波(Buck—Boost)電路3.2.4Cuk斬波電路3.2.5Sepic斬波電路3.2.6Zeta斬波電路3.2.5Sepic斬波電路可看成是由升壓型電路和升降壓型電路級(jí)聯(lián)而成的。在電感L和L1的電流都連續(xù)的情況下，電路在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)相繼經(jīng)歷兩個(gè)開關(guān)狀態(tài)。3.2.5Sepic斬波電路按照與Cuk型電路相同的方法，可得Sepic型電路輸出電壓為其電壓比與Cuk型電路相同，差別僅在于Sepic型電路輸出電壓與輸入電壓極性相同。3.2非隔離型DC-DC變換電路3.2.1降壓斬波(Buck)電路3.2.2升壓斬波(Boost)電路3.2.3升降壓斬波(Buck—Boost)電路3.2.4Cuk斬波電路3.2.5Sepic斬波電路3.2.6Zeta斬波電路3.2.6Zeta斬波電路可看成是由升降壓型電路和降壓型電路級(jí)聯(lián)而成的。電容C1的電壓極性為左負(fù)右正。在電感L和L1的電流連續(xù)的情況下，電路在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)相繼經(jīng)歷兩個(gè)開關(guān)狀態(tài)。3.2.6Zeta斬波電路按照相同的方法，可得Zeta型電路輸出電壓為 第3章直流斬波電路與交流電力控制電路3.1DC-DC變換電路概述3.2非隔離型DC-DC變換電路3.3隔離型DC-DC變換電路3.4交流電力控制器3.4交流電力控制器結(jié)構(gòu)

：將一對(duì)晶閘管反并聯(lián)或用一個(gè)雙向晶閘管與負(fù)載串聯(lián)，然后接到交流電源上，通過對(duì)晶閘管的控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的交流電壓和功率的控制。分類：交流調(diào)壓器、交流調(diào)功器和交流無觸點(diǎn)開關(guān)。應(yīng)用：在電力系統(tǒng)中主要用于交流電壓的調(diào)節(jié)、有功及無功功率的調(diào)節(jié)、以及負(fù)載短路時(shí)的電流遮斷控制等；也廣泛用于電路溫控、燈光調(diào)節(jié)、異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)和調(diào)速等領(lǐng)域。3.4交流電力控制器控制方式：相位控制、周波控制和通斷控制。交流調(diào)壓電路：每半個(gè)周波內(nèi)通過對(duì)晶閘管開通相位的控制，調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。相位控制交流調(diào)功：以交流電周期為單位控制晶閘管通斷，改變通斷周期數(shù)的比，調(diào)節(jié)輸出功率的平均值。周波控制交流無觸點(diǎn)開關(guān)：不調(diào)節(jié)輸出電壓和功率，只接通或斷開電路。通斷控制3.4交流電力控制器3.4.1交流調(diào)壓電路3.4.2交流調(diào)功電路3.4.3交流無觸點(diǎn)開關(guān)3.4.1交流調(diào)壓電路3.4.1.1單相交流調(diào)壓器3.4.1.2.三相交流調(diào)壓器3.4.1.1單相交流調(diào)壓器1．電阻負(fù)載在交流電源的正半周和負(fù)半周，分別對(duì)VT1和VT2的開通角a進(jìn)行控制來調(diào)節(jié)輸出電壓。正負(fù)半周a起始時(shí)刻（a=0）均為電壓過零時(shí)刻，正負(fù)半周的a

相等。3.4.1.1單相交流調(diào)壓器負(fù)載電壓有效值Uo、負(fù)載電流有效值Io、電路的功率因數(shù)λ分別為3.4.1.1單相交流調(diào)壓器移相范圍：0~π。

a=0時(shí)，功率因數(shù)λ=1，隨著a增大，輸入電流滯后于電壓且發(fā)生畸變，λ也逐漸降低。3.4.1.1單相交流調(diào)壓器2.阻感負(fù)載控制角α和負(fù)載阻抗角φ的關(guān)系不同，晶閘管每半周導(dǎo)通時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的過渡過程。α>φ時(shí)，電流斷續(xù)，輸出電壓可控；α≤φ時(shí)，電流連續(xù)，電壓完整、不可控，電流為滯后電壓φ的正弦波。3.4.1.1單相交流調(diào)壓器α>φ時(shí)在ωt

=a時(shí)刻開通VT1，負(fù)載電流應(yīng)滿足如下方程和初始條件解方程得式中,θ為晶閘管導(dǎo)通角。輸出電流中含有正弦穩(wěn)態(tài)分量與按指數(shù)規(guī)律衰減的自由分量。3.4.1.1單相交流調(diào)壓器α>φ時(shí)利用邊界條件：ωt

=a+θ時(shí)io=0,可求得θ以φ為參變量，可將a和θ的關(guān)系用右圖曲線表示。移相范圍：φ～π3.4.1.1單相交流調(diào)壓器α>φ時(shí)負(fù)載電壓有效值Uo為α=φ時(shí)自由分量iS=0，導(dǎo)通角θ=180°，正負(fù)半周電流處于臨界狀態(tài)；相當(dāng)于晶閘管失去控制作用，電路失去調(diào)壓作用。3.4.1.1單相交流調(diào)壓器α<φ時(shí)VT1提前導(dǎo)通，負(fù)載L被過充電，其放電時(shí)間將延長(zhǎng)，VT1結(jié)束導(dǎo)電時(shí)刻大于π+φ，使VT2推遲開通，VT2的導(dǎo)通角小于π。io由兩個(gè)分量組成，正弦穩(wěn)態(tài)分量、指數(shù)衰減分量。3.4.1.1單相交流調(diào)壓器帶電阻性負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流波形與單相橋式可控整流電路交流側(cè)電流波形一致，改變?chǔ)量梢愿淖冐?fù)載電壓有效值，移相范圍為0°~180°。帶電感性負(fù)載時(shí)，最小控制角α=φ，同時(shí)不能用窄脈沖觸發(fā)，否則當(dāng)α<φ時(shí)會(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管無法導(dǎo)通的現(xiàn)象。3.4.1交流調(diào)壓電路3.4.1.1單相交流調(diào)壓器3.4.1.2.三相交流調(diào)壓器3.4.1.2三相交流調(diào)壓電路星形聯(lián)結(jié)b)線路控制三角形聯(lián)結(jié)c)支路控制三角形聯(lián)結(jié)d)中點(diǎn)控制三角形聯(lián)結(jié)3.4.1.2三相交流調(diào)壓電路星形聯(lián)結(jié)電路三相四線時(shí)可看作三個(gè)單相的交流調(diào)壓電路。零線中有很大的3次諧波電流及其它3的整數(shù)倍次諧波電流。當(dāng)a=90°時(shí)，零線電流甚至和各相電流的有效值接近。3.4.1.2三相交流調(diào)壓電路星形聯(lián)結(jié)電路三相三線時(shí)至少有兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通才能構(gòu)成回路，應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)。和三相橋式全控整流電路的觸發(fā)電路特點(diǎn)一樣，觸發(fā)脈沖順序?yàn)閂T1~VT6，依次相差60°。相電壓過零點(diǎn)定為a的起點(diǎn)。移相范圍是0°~150°。3.4.1.2三相交流調(diào)壓電路a)α=30°3.4.1.2三相交流調(diào)壓電路b)α=60°3.4.1.2三相交流調(diào)壓電路b)α=120°3.4交流電力控制器3.4.1交流調(diào)壓電路3.4.2交流調(diào)功電路3.4.3交流無觸點(diǎn)開關(guān)3.4.2交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路電路形式完全相同，調(diào)節(jié)對(duì)象不同——調(diào)節(jié)輸出功率；控制方法不同——周波控制。周波控制：將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)整周波，再斷開幾個(gè)整周波，通過改變通斷周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。在交流電源接通期間，負(fù)載電壓電流都是正弦波，不對(duì)電網(wǎng)電壓電流造成諧波污染。3.4.2交流調(diào)功電路設(shè)控制周期