3-1-2 直流变换电路工作原理.降压

《电力电子变流技术》教案第三章直流变换电路2•将直流电能转换为另一固定电压或可调电压的直流电能的电路称为直流变换电路。它利用电力开关器件周期性的导通与关断来改变输出电压的大小，因此也称为开关型DC／DC变换电路或直流斩波器、也叫做直流断续器或直流调压器，亦称直流一直流变换器：•它是能把恒定的直流电压变成平均直流电压大小可调的直流电源。•它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点。•目前，斩波器广泛用在电力牵引上，例如地铁、电力机车、无轨电车和电瓶搬运车等直流电动机的无级调速上。与传统的在电路中串电阻调压的方法比较，不仅有较好的起、制动特性，而且省去体积大的直流接触器及耗电大的电阻器，电能损耗也大大减少。3•一、直流变换电路开关器件•主要为：GTO、GTR、VDMOS和IGBT•等全控型电力器件•通过变换电路控制输出电压的大小。•开关频率越高，越容易用滤波器抑制输出电压的纹波，减小“电力公害”。•近年来，功率器件以及各种控制技术的涌现极大地促进了直流变换技术的发展。以实现硬开关或软开关(ZCS、ZVS)为目标的各类新型变换电路不断出现，为进一步提高直流变换电路的动态性能，降低开关损耗，减小电磁干扰开辟了有效的新途径。4•二、斩波器的分类•1.按不同的改变负载两端的直流平均电压分•按不同的改变负载两端的直流平均电压U0=t1E/T的调制方法分，斩波器有三种工作情况：•(1)开关通断的周期T保持不变，而每次通电时间t1可变，称为脉冲调宽。•(2)通电时间t1不变，而通断周期T可变，称为调频。•(3)t1与T均可变，亦可称为混合调制。5•2．按直流电源与负载进行能量交换的形式分•从原理上可分以下三类：•(1)A型斩波器．它只能在单象限内工作，此时输出的直流电压极性不变．电流平均值也只能维持在一个方向。•(2)B型斩波器，能在双象限内工作，这里指输出直流电压的极性不变，电流平均值的极性可变，既有电源向负载输送能量，又有负载向电源反送能量的能力。•(3)C型(复合)斩波器，在B型斩波器的基础上，若输出电压和电流平均值的极性均可改变，即能在四个象限内工作，如负载电动机能正反转地在电动和发电的情况下工作。6•3按输出电压的总值分•比较直观科学的方法是按输出电压的量值分为降压斩波器、升压斩波器和复合斩波器，因为A型斩波器中能在第一象限工作的即为降压斩波器，能在第二象限工作即为升压斩波器。将上述两个A型斩波器组合在一起构成B型斩波器，两个B型斩波器组合在一起构成C型斩波器，故降压、升压斩波器是基础。73.1直流变换电路的工作原理8•最基本的直流变换电路如图3.1．1(a)所示。•当开关T在ton时间内接通时，电流id经负载电阻R流过，R两端就有电压u。；•开关T在toff时间内断开时，R中电流i0为零，电压u。也就变为零。•直流变换电路的负载上电压、电流的波形如图3.1.1(b)所示。910•式中，Ud为输人直流电压•因为D是0～1之间变化的系数，因此在D的变化范围内，输出电压平均值u。总是小于输入直流电压Ud，改变D值就可以改变输出电压平均值的大小。而占空比的改变可以通过改变ton或Ts来实现。11•通常直流变换电路的工作方式有两种：•①在脉冲频率调制(PFM)工作方式下，即维持不变，改变Ts在这种调压方式中，由于输出电压波形的周期是变化的，因此输出谐波的频率也是变化的，这使得滤渡器的设计比较困难，输出谐波干扰严重，一般很少采用。•②在脉冲宽度调制(PWM)工作方式下，即维持Ts不变，改变ton。在这种调压方式中，输出电压波形的周期是不变的，因此输出谐波的频率也不变，这使得滤波器的设计变得较为容易。nt0123.2降压变换电路•降压变换电路是一种输出电压的平均值低于输入直流电压的变换电路，又称为Buck型变换器。13•图中•开关T—_全控型电力器件，•D—续流二极管，其开关速度应与开关T同等级，常用快恢复二极管。•L、C—滤波电感和电容，组成低通滤波器，•R—负载，•Ud—恒压源。•为了简化分析，作如下假设：T、D是无损耗的理想开关，输入直流电源Ud内阻为零，L、C中的损耗可忽略，R为理想负载。14•15161718•1920212223•Buck变换器有两种可能的运行情况：•电感电流连续模式•电感电流断流模式•电感电流连续是指图32l(a)所示的电路中在整个开关周期T中电感的电流都连续，如图322(a)所示。•电感电流断流是指在开关T断开的toff期间后期内电感的电流已降为零，如图322(c)所示。•处于这两种工作情况之间的临界点称为电感电流临界连续状态，这时在开关管阻断期结束时。电感电流刚好降为零，如图322(b)所示。242526272829•当实际负载电流I0I0K时，电感电流连续，如图3.2.2(a)所示。•当实际负载电流I0=I0K时，电感电流处于临界连续(有断流临界点)，如图3.2.2(b)所示。•当实际负载电流I0I0K时，电感电流断流，如图3.2.2(c)所示(断流工作情况比较复杂，这里不作分析)。303132333435•这样．在斩波器的一个周期内，电枢电流沿正、反两个方向流通，电流不断，所以响应很快。图6-16(b)为折中方式下输出电压和电枢电流的波形上标出了流过各个器件的电流。36•(2)桥式可逆斩波电路•图6-17所示的斩波器可使直流电动机在正转电动、反转再生的四个象限工作。该电路由两组两象限运行的斩波器构成。设VT4在导通状态，应严防VT3导通．以免电源被短路。这时，该电路和图6-16(a)的电路一样，在第一象限和第二象限工作。•另一方面，如果已使VT2导通，就不能再让VT1导通．以防短路，此时VT2和VT4轮流参与工作，该斩波器就在第三象限和第四象限工作了。3738•(3)负载电流多重化斩波电路•这是另一种复合概念的斩波器，由于晶闸管的开关频率较低．为了减少斩波器的输人和输出电流谐波的含量，适应大功率斩波器滤波网络参数的优化，可采用在一个电源和一个负载之间接入几个相位错开的斩波器，并联组合在一起．称为多相多重斩波器。斩波器的相数是指电源侧的脉冲数，重数是指负载侧的脉冲数。39•图6-18为三相三重斩波器电路及其波形，其输出电压和输出电流均为各相电压和各相电流之和，其等效斩波器频率提高到原来的3倍，而且提高了谐波电流的最低谐波频率，使电流脉动率下降，有利于负载平稳运行。对输入滤波器和输出侧平波电抗器的要求明显降低，减小了它的体积和重量，图中晶闸管的换流电路未画出。404142•并联的相数越多，输出的电压电流的脉动程度就越小．亦使输入电流脉动率降低，感应干扰减低，只要接上简单的LC滤波器，就可以充分防止感应干扰。•多相多重斩波器还有一备用功能，万一一个斩波器件发生故障，其余各相可继续运行，因而总体可靠性提高。43•三、换流电路•目前在大功率直流斩波领域，晶闸管和逆导晶闸管还用得较多，由于它们不能自关断，须设置换流回路，其中包括辅助晶闸管、换流电容、换容电感和二极管等，它分电压换流和电流换流两种形式。•图6-19为常用的一些换流电路。4445•l.电压换流电路•将反压直接加到晶闸管上使之关断，如图6-19(a)所示。•VT1是主晶闸管，•VT2是辅助晶闸管(用来关断VT1)，•Cl是换流电容，•L1是换流电感。•先使VT2导通，经过负载给C1充电，待C1电压建立、电流为零后．VT2关断。之后如使VT1导通，电源便开始给负载供电。46•与此同时，•C1的电荷经VT1—L1—VD1谐波放电，•并使C1的极性反向．且因有VD1而保持反向极性，以后再触发VT2使其导通，电容电压即加在VT1上，使VT1关断。•这个电容电压通过负载放电，并反向充电至电源电压，以此循环。该斩波器的最小导通时间受L1C1振荡半周期的限制，因此限制了最小输出电压。换流期间的电容电压直接加到负载上，使输出电压出现一个幅值约为2E的尖峰。47•主晶闸管导通时，换流电流流经主晶闸管．增大它的负担。•图6－19(b)为其改进电路，多用了一个与VT1同时触发导通的辅助晶闸管VT3使换流电容的反振电流不流过主晶闸管VT1，一方面降低它的负担．还消除了换流电容的振荡半周期对最小导通时间的限制。4849•2.电流换流电路•将二极管VD1反并联在VT1两端，依靠换流电容的振荡放电关断VT1，就构成了电流换流电路，见图6-19(c)。•电源接上时，经过VD2—Cl—L1负载给Cl充电，极性左正右负。•触发VT1使其导通，给负载供电。欲关断VT1，可先使VT2导通，这时C1的电荷经VT2—L1—C1谐振，并使C1的电荷反向流动，此谐振电流逐渐增大，由于感性负载的电流基本不变，因而C1提供的电流分担了VT1通过的电流，使VT1的电流逐渐减小直到零，VT1自行关断。5051•当此谐振电流超过负载电流时，所超过的电流经C1—L1—VD1—VD2回路流通，而后谐振电流会逐渐减小，直到半周期结束时为止。•当VD1流过电流时，这期间VT1被加了反偏压，使VT1更加可靠地关断。该电路消除了负载尖峰电压，降低了最小输出电压，主晶闸管不流过换流电容电流，换流电容电压可保持较高数值．增强了换流能力。此电路突出电流，为电流换流，电路用到的元件较多。52•由于逆导晶闸管具有高压、快速等优点，适合于斩波器应用。目前的地铁、电车、电动车等斩波调速装置采用逆导晶闸管的较多，如图6-19(d)，该电路减少了换流元器件，降低了所需的换流电容和电感量，且简化了电路。为方便学习，图中的逆导管仍以反并联的晶闸管和二极管绘出。5354•电源接上后，电容Cl经VD2充电，极性为左正右负，之后触发VT1，负载得电。估算到一定脉宽后．触发VT2。L1经VT2和VT1谐振，谐振电流减小到零后VT2断开，电容Cl极性改为左负右正．C1即经VD2—VT1—L1放电，当流过VT1的放电电流达到负载电流时VT1断开，多余的放电电流经VD1流通，使VT1承受反压，恢复正向阻断特性。同时电路经VD2给C1正向再充电．完成一个循环周期。55•另外，利用自关断器件的优越性，可采用由可关断晶闸管和电力晶体管构成的直流斩波器电路。图6-20(a)和(b)示出两个典型可关断晶闸管斩波器电路。由于对可关断晶闸管的门极给以正脉冲便可导通给以负脉冲便可关断，所以不需要换流回路，从而使结构简化56•在图6-20(a)中，可关断晶闸管作为主晶闸管使用．而在图6—20(b)中可关断晶闸管作为辅助晶闸管使用，用它来关断更大功率的主晶闸管VT。当触发VT时，负载得电．为关断ＶT，应触发可关断晶闸管，与之串联的辅助电源UF给VT以反压，使VT关断。之后用门极负脉冲再关断可关断晶闸管，完成一周期。575859•图6—20(c)和(d)是两个电力晶体管直流斩波器电路。其主电路的工作过程与可关断晶闸管斩波器相似，不同的只是在控制电流方面，•对电力晶体管•有基极电流，则主电路导通；•无基极电流，主电路则关断。606162•本章小结•用改变异步电动机定子电压来实现异步电动机转速可调的控制系统称调压调速系统。用晶闸管组成的交流电压控制电路，可以方便地调节输出电压有效值。交流调压电路主要有通断控制、相住控制两种控制方式。在交流调压器中，相位控制应用较多。63•在功率较大的场合，一般采用三相交流调压。三相交流调压．主电路接法有电机绕组Y联接时的三相分支双向控制电路；电机绕组Y联接时的三相分支单向控制电路；电机绕组△联接时三相△双向控制电路等方式。三相三线交流调压电路．负载可接成星形也可接成三角形，晶闸管的触发脉冲应采用宽脉冲或双窄脉冲。64•电机绕组Y联接时的三相分支双向控制电路，阻性负栽随着α角的增大，电流的不连续程度增大，增加了三次谐波所占比重增大．但因为电路无零线，所以无三次谐波通路．减少了三次谐波叠加，每相负载上的电压巳不是正弦波．但正、负周对称。所以输出电压中只有奇次谐波对电网的影响。65•电机绕组Y联接时的三相分支双向控制电路。感性负载时，虽然总的趋势也是α越大，输出电压越低，但比纯电阻负载复杂，因为其输出电压不仅与α有关．还与负载的阻抗角φ有关