直流斩波器在电力传动中的应用

直流斩波器在电力传动中的应用直流电动机是通过调节其电枢或励磁绕组的电压来达到调速目的的，前者一般叫调压调速，后者叫调磁调速。直流电机所需的电能一般都来自交流电网，对其进行调速大致有两种方案：其一是用可控整流电路（如晶闸管整流电路）得到可以调节的直流电压供给电动机；另一种则是先用不可控整流电路对交流电进行整流，输出不可调的直流电压，然后通过直流斩波器进行直流调压。4.3.1降压型斩波器供电的直流电力拖动降压型斩波器的电源端接不可调的直流电源，负载端接直流电动机，构成简单的直流调速系统，如图4-23所示。图4-23降压型斩波器组成的电力传动系统在图4-23（a）中电子开关S、续流二极管VD、电感L组成降压型（Buck）斩波器，与第4.1节中的降压型斩波器原理图相比较，图4-23（a）中没有滤波电容C，这是因为，电动机两端的电压Ud基本上等于电动机的旋转电动势E，而旋转电动势正比于电动机的转速，电动机的转子部分有很大的惯性，机械时间常数比斩波器电子开关的工作周期要大得多，在若干个斩波周期中转速不会产生明显的变化，所以转子的惯性本身就有良好的滤波作用，不必再加滤波电容。电感周围的虚线框的意思是电动机的转子本身就有很大的电感，实际电路中是不是再外接电感要根据具体需要而定。电动机的转子电路相当于一个电感、一个电阻和一个旋转电动势的串联，因此图4-23（a）的等效电路如图图4-23（b）所示。如果D为占空比，斩波器的输出电压Ud应满足Ud=DU可以得出电动机的转子电流Id为电动机稳定运行时，电子开关在一定的占空比下工作，Ud、E和Id均保持不变，转子电流产生的转矩恰好抵消负载的阻力矩。在加速过程中，占空比增大，使得Ud增大，转子电流也随之增大，电动力矩大于阻力矩，电机加速运行，随着速度的上升，旋转电动势E也在增大，转子电流和电动力矩因之而减小，当电动力矩减小到又与负载的阻力矩相等时，电动机停止加速。但是，这种电路不能控制电动机的减速。如果欲使电动机减速，只能做以下处理。减小占空比使Ud减小，转子电流Id也随之减小，电动力矩小于负载的阻力矩产生负的加速度；或者Ud干脆小于E，电机在负载力矩的作用下减速。由此可见，要想快速地制动只能采取能耗制动或摩擦制动等措施，使电机在较短的时间减速或停机。并且，电机的制动能量也不可能回馈到电网。4.3.2由降压型和升压型斩波器组合供电的直流电力拖动用一个降压型斩波器（Buck）和一个升压型斩波器（Boost）组合起来，共同驱动一台直流电动机，可以作到既能在电动状态为电动机调速又能为电动机施加制动力矩，并且可以将制动能量回馈到电源，电路的原理图如图4-24。4-24二象限运行的斩波器控制电力拖动系统电路中有两个电力电子开关S1、S2和两个续流二极管VD1、VD2。其中S1、VD2、电感、直流电源和负载组成降压型斩波器；S2、VD1、电感、直流电源和负载组成升压型斩波器。在电动状态，S2保持关断状态，S1按占空比的要求周期性地通断。在S1接通时，电源通过S1向电机供电，并向电感补充能量，此时2个二极管都不导通，ud=U。在S1关断后，电源与负载之间的通路被断开，在电感的作用下，电流iL经VD2形成回路。此时VD2两端的电压ud=0。不难看出，这种状态电动机的端电压与电源电压之间的关系为Ud=DU再生制动状态电子开关S1保持关断，S2周期性地通断。这是的电路为一个升压型斩波器，电动机的反电势相当于直流电源（图中的Ud近似等于旋转电动势E），直流电源相当于升压斩波器的负载。能量由电动机供出，被直流电源吸收，所以电感电流iL为负值。S2导通时，电机、电感和S2形成回路，电流逆时针方向流动，电机输出电能被电感储存。当S2关断时，由于电感中的电流不能突变，电流只能通过二极管VD2流向电源，此时电流的途径为（实际方向）：电动机上端→电感→VD2→直流电源正极→直流电源负极→电动机下端。电感储存的电能被电源吸收。无论是在降压状态还是在升压状态，电感电流iL都是波动的。在iL的平均值较大时，电流尽管波动但可以保证方向不变，即iLmax和iLmin同时大于0或小于0。但在电流平均值较小时，如果电流波动的幅度较大，就可能出现iLmax和iLmin符号不同的现象，此时在一个工作周期中电感电流的方向改变2次，如图4-25所示。图4-25电感电流的波形在这种状态下的一个周期中，S1、S2、VD1、VD2这4个开关器件是交替配合工作的，其控制规律如下：在电感电流iL的上升阶段，为电子开关S1加导通控制信号uK1；在电感电流iL的下降阶段，为电子开关S2加导通控制信号uK2。由于电子开关实际上都是单向导电的全控型电力电子器件，对其施加开通驱动信号它未必就能够导通，还必须要求电感电流的实际方向与电子开关的导通方向一致。因此可能出现两个电子开关都不导通的现象，在这种情况下电感电流就要通过两个二极管中的一个形成回路。下面分析一个开关周期中各阶段电路的工作情况。设两个电子开关的导通方向均是从上到下。在负载电流（也就是电感电流）为最小值即iL=iLmin时为S1发开通驱动信号，但此时电感电流的方向为负，S1不能导通，电感电流只能通过二极管VD1流向电源正极。负载电流从最小值上升，电感储存的能量传送到电源。当负载电流上升到0后，继续向正的方向上升，此时电感电流方向与S1的导通方向一致，S1导通，电流有电源正极流出向负载供电。当负载电流增大到最大值后，为S2发开通驱动信号，但此时电感电流的方向为正，与S2的导通方向相反，S2不能导通。电流只有通过二极管VD2形成回路，其导电路径为：电感→电动机→VD2→电感。此阶段电源与负载没有能量交换。电感电流从最大值逐渐下降，下降到0后继续向负的方向增长，但此时电感电流的方向与S2导通方向一致，S2导通，形成以下回路：电动机→电感→S2→电动机。电动机发出的电能被电感吸收储存。当电流下降到最小值时，一个工作周期结束。由前面的分析可以看出，图4-24所示的调速系统负载电流的平均值可以为正，也可以为负。但是负载端的电压平均值的方向不能变化，即只能Ud≥0。因为对于直流电动机电枢电流Id与力矩M成正比，电枢旋转电动势E与转速n成正比，而一般情况下旋转电动势近似等于电枢两端的电压Ud。这说明，这种电力拖动系统电动机的转速不能反向，但其力矩可以反向，可以是电动力矩也可以是制动力矩。在描述机械特性的M-n平面上，本系统可以工作在第1和第4象限。在第一象限，电动机处于电动状态，电源通过由S1、VD2组成的降压型斩波器向电机供给电能，转换成机械能。工作在第4象限时，电机处于发电状态，把由机械能转换成的电能输出给由S2、VD1组成的升压型斩波器，斩波其又将其传递给直流电源，形成再生制动。在不同象限系统的等效电路如图4-26。图4-26二象限斩波电路的机械特性4.3.4升压型斩波器在串级调速中的应用串级调速是将绕线式交流异步电动机的三相转子电流通过汇流环引出，作为电源进入三相不可控整流电路进行整流，整流器的输出端与晶闸管有源逆变电路的直流侧相连接，作为有源逆变的直流电源。逆变后得到的交流电经变压器耦合又回送到电网，既达到了调速的目的，又充分利用了电能。但是，在电动机转速较低时，由于转子电压降低，整流器输出直流电压也降低。这个电压就是逆变器的直流电源电压，因为它的降低，要想不影响逆变电路的工作，就必须增大逆变角β。由第二章可知，逆变角越大，逆变电路交流侧的功率因数就越低。如果在整流器的输出和逆变器的直流输入端之间加入一个升压型斩波器，可以提高功率因数，电路如图4-29所示图4-29升压型斩波器在串级调速系统中的应用从图中可看出，升压型斩波器由电子开关S、二极管VD和电感L构成，将不可控整流器的输出电压进行升压，然后送至晶闸管逆变电路的直流侧。调节电子开关的占空比，可以在整流电路输出不同电压的情况下使逆变器得到相对稳定的直流电压，使逆变器的逆变角保持较小的数值，从而达到提高功率因数的目的