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1、1,第3章 直流斩波电路与 交流电力控制电路,3.1 DCDC变换电路概述 3.2 非隔离型DCDC变换电路 3.3 隔离型DCDC变换电路* 3.4 交流电力控制电路,2,3.1 DCDC变换电路概述,3.1.1 DCDC变换电路的功能及其应用 3.1.2 DCDC变换电路的分类 3.1.3 DCDC电路开关器件的选用 3.1.4 DCDC电路开关器件的控制方式,3,3.1.1 DCDC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,DCDC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
2、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DCACDC电路。,（2）应用,4,3.1.2 DCDC变换电路的分类,非隔离型DCDC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DCDC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DCDC变换电路,5,3.1.3 DCDC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
3、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。,6,3.1.4 DCDC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 = 1T 导通比（占空比）：D = tonT,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,7,3.2 非隔离型DC
4、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,8,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,9,3.2.1 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0tt1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 。
5、 t = t1时刻控制S关断，续流二极管VD开始续流。 在t1tt2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 。,10,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。,11,3.2.2 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？,12,3.2.2 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
6、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=UiUo 。 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”。,13,3.2.2 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。,14,3.2.3 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
7、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。,15,3.2.3 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。,16,3.2.3 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
8、变压器。,17,3.2.4 其他升降压斩波电路（自学）,18,3.3 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,19,本节主要讲述： ACAC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
9、,将在第四章讨论,20,3.4 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*,21,两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,22,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
10、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,23,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0a 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,24,3.4.1 单相交
11、流调压电路,（4）单相纯电阻负载,数值分析,25,3.4.1 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,26,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aj ，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RL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
12、相交流调压电路,简述 负载阻抗角为：,（5）单相阻感负载,27,3.4.1 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。,28,3.4.1 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：,29,3.4.1 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。,30,3.4.1 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
13、能。,此时对触发脉冲有特殊要求，如右图所示。,31,3.4.1 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。,32,3.4.1 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 。,33,3.4.1 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
14、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。,34,3.4.1 单相交流调压电路,数值分析（ a j ）,（5）单相阻感负载,35,3.4.1 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 的关系。,（5）单相阻感负载,由图可见： 当a =j 时， = p 。 当a j 时， p 。 当j 角一定时，a 角越大， 角越小。,36,3.4.1 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,其中：,37,3.4.1 单相交流调压电路,纯电阻负载
15、,（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。,由图可见a = 90时三次谐波幅值最大。,38,3.4.1 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
16、，谐波含量有所减小。,39,（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,40,续流,导通,截止,得电,截止,导通,续流,导通,截止,得电,截止,导通,负载情况,V4,V3,V2,V1,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*,41,续流,常通,常止,截止,截止,得电,常通,常止,导通,导通,续流,常止,常通,截止,截止,得电,常止,常通,导通,导通,负载情况,V4,V3,V2,V1,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*,42,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
