電力電子技術(shù)及應(yīng)用全套教學(xué)課件

第1章電力電子元器件第2章單相整流電路第3章三相整流電路第4章

逆變電路第5章直流—直流變流電路第6章單相交流調(diào)壓電路第7章閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第8章虛擬仿真環(huán)境簡介第9章單相整流電路虛擬仿真第10章三相整流電路虛擬仿真第11章電壓型逆變電路虛擬仿真第12章直流—直流變流電路虛擬仿真第13章單相交流調(diào)壓電路虛擬仿真全套可編輯PPT課件1.1電力電子器件的分類

1.2不可控型器件——電力二極管

1.3半控型器件——晶閘管

1.4全控型器件——絕緣柵雙極晶體管1.1電力電子器件的分類電力電子元器件根據(jù)不同的方式，可以分為不同的種類。1.按控制程度分類按照電力電子器件被控制電路信號所控制的程度，電力電子元器件分為不可控型器件、半控型器件、全控型器件三種。(1)不可控型器件。不可控的定義為器件的導(dǎo)通和關(guān)斷完全由外電路的信號決定，而無法通過控制信號來控制。(2)半控型器件。半控的定義為可以通過控制端的信號來使器件導(dǎo)通，但是卻無法通過控制端的信號使器件關(guān)斷，如需關(guān)斷器件，則需要調(diào)整外部電路施加在器件上的電壓或電流。(3)全控型器件。全控的定義為可以通過控制端口施加的信號來控制器件的導(dǎo)通，也可以通過控制端口的信號使器件關(guān)斷。2.按照控制信號的類型分類按照外部控制信號施加在控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，電力電子元器件可以分為電流驅(qū)動型電力電子器件和電壓驅(qū)動型電力電子器件兩種。通過控制端口注入或抽取電流來控制導(dǎo)通、關(guān)斷的電力電子器件稱為電流驅(qū)動型，也可稱為電流控制型。典型的電流驅(qū)動型器件有晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管等。通過控制端和公共端施加正向或者反向的電壓信號來控制導(dǎo)通、關(guān)斷的電力電子器件稱為電壓驅(qū)動型，也可稱為電壓控制型或場效應(yīng)器件。典型的電壓驅(qū)動型器件有絕緣柵雙極晶體管、電力場效應(yīng)晶體管等。1.2不可控型器件——電力二極管1.2.1電力二極管的結(jié)構(gòu)圖1.1所示為電力二極管的電氣圖形符號，有陽極A和陰極K兩個(gè)端口。相較于普通信息電子電路二極管，電力二極管雖然也是PN型結(jié)構(gòu)，但有以下幾個(gè)不同之處：(1)普通信息電子電路二極管為橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)，即電流的流通方向和硅片表面平行；電力二極管則為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，即電流的流通方向和硅片表面垂直，如圖1.2所示。

(2)為使電力二極管能夠承受較大的電壓，在P區(qū)和N區(qū)之間須添加一層低摻雜的N區(qū)，如圖1.2所示。由于該低摻雜的區(qū)域摻雜濃度接近本征半導(dǎo)體，因此電力二極管的結(jié)構(gòu)也可寫為P-i-N結(jié)構(gòu)。由于N-區(qū)摻雜濃度低，不易使得載流子發(fā)生遷移，因此可以承受較高的電壓而不被擊穿，承受電壓的高低由該低摻雜區(qū)的厚度決定。1.2.2電力二極管的工作原理當(dāng)電力二極管的兩端施加正向電壓(即正向偏置)，且該正向電壓的取值超過門檻電壓UTO時(shí)，流過電力二極管的電流從陽極A端入，從陰極K端出，該電流被稱為正向電流IF，電力二極管兩端的電壓被稱為正向壓降UF。該狀態(tài)為電力二極管的正向?qū)顟B(tài),即電力二極管呈現(xiàn)“低阻態(tài)”。當(dāng)電力二極管兩端施加反向電壓(即反向偏置)時(shí)，電力二極管只有從陰極K端到陽極A端的非常小的反向漏電流IRR流過，此時(shí)電力二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，即電力二極管呈現(xiàn)“高阻態(tài)”。電力二極管的反向耐壓能力通常較強(qiáng)，但是當(dāng)施加在電力二極管兩端的反向電壓過大，超過反向擊穿電壓UB時(shí)，反向電流會急劇增大，電力二極管的反向偏置工作狀態(tài)被破壞，變?yōu)榉聪驌舸顟B(tài)。根據(jù)上述分析，可得電力二極管的伏安特性曲線，如圖1.3所示。1.2.3電力二極管的主要參數(shù)電力二極管主要有如下參數(shù)：(1)正向平均電流IF(AV)。該參數(shù)為二極管的額定電流參數(shù)，定義為電力二極管長期運(yùn)行在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。(2)正向壓降UF。該參數(shù)定義為指定溫度下，電力二極管流過穩(wěn)定的正向電流IF時(shí)二極管兩端的正向電壓，如圖1.3中標(biāo)注所示。(3)反向重復(fù)峰值電壓URRM。該參數(shù)定義為對電力二極管能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。(4)反向漏電流IRR。該參數(shù)定義為電力二極管對應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓URRM時(shí)的反向漏電流。(5)最高工作結(jié)溫TJM。該參數(shù)定義為在電力二極管中PN結(jié)不至損壞的前提下所能承受的最高平均溫度。(6)浪涌電流IFSM。該參數(shù)定義為電力二極管能承受的最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。1.3半控型器件——晶閘管1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)圖1.4所示為晶閘管的電氣圖形符號。晶閘管有三個(gè)端口，分別為陽極A、陰極K和門極G，其中門極G為控制端。晶閘管為PNPN的四層結(jié)構(gòu)，如圖1.5(a)所示。在中間截取橫斷面(如圖1.5(b)所示)，可以將晶閘管看為PNP型三極管V1和NPN型三極管V2的組合，且V1的基極和V2的集電極連接在一起(同為N1層)，V1的集電極和V2的基極連接在一起(同為P2層)。雙三極管等效模型如圖1.5(c)所示。1.3.2晶閘管的工作原理晶閘管是半控型器件，通過控制端G的信號可使器件導(dǎo)通，但無法通過控制端G的信號關(guān)斷器件。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因與晶閘管的四層結(jié)構(gòu)有關(guān)。如圖1.6所示，在晶閘管的陽極A和陰極K兩端施加正向電壓EA，同時(shí)向門極G注入電流IG。晶閘管導(dǎo)通需要滿足兩個(gè)條件：承受正向電壓和門極有觸發(fā)電流。當(dāng)晶閘管已經(jīng)導(dǎo)通后，移除門極的觸發(fā)電流IG，由于晶閘管內(nèi)部已經(jīng)形成上述的正反饋流程，因此晶閘管會繼續(xù)保持導(dǎo)通狀態(tài)。如果要關(guān)斷晶閘管，需要通過外部電路作用。半控型器件晶閘管工作特性總結(jié)如下：(1)晶閘管承受反向電壓，無論門極是否有觸發(fā)信號，晶閘管都不會導(dǎo)通。(2)晶閘管只有在承受正向電壓、門極有觸發(fā)電流兩個(gè)條件均滿足時(shí)才可導(dǎo)通。(3)一旦晶閘管導(dǎo)通，門極觸發(fā)信號對晶閘管不會產(chǎn)生影響，即使移除門極的觸發(fā)信號，晶閘管仍舊繼續(xù)保持導(dǎo)通狀態(tài)。(4)要使晶閘管關(guān)斷，需要通過外部電路的作用，使流過晶閘管的電流降低到維持電流以下。1.3.3晶閘管的主要參數(shù)晶閘管主要有如下參數(shù)：(1)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM。該參數(shù)定義為晶閘管門極G端開路且結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在晶閘管上的正向峰值電壓。國標(biāo)規(guī)定重復(fù)頻率為50?Hz，每次持續(xù)時(shí)間不超過10?ms。(2)反向重復(fù)峰值電壓URRM。該參數(shù)定義為晶閘管門極G端開路且結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在晶閘管上的反向峰值電壓。(3)額定電壓UN。取斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM中較小的值作為晶閘管的額定電壓。(4)通態(tài)平均電流IT(AV)。該參數(shù)為晶閘管的額定電流參數(shù)，定義為在規(guī)定的散熱條件和環(huán)境溫度(40℃)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫，晶閘管導(dǎo)通時(shí)允許連續(xù)流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。(5)維持電流IH。維持晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通所必需的最小電流稱為維持電流IH。在晶閘管已經(jīng)導(dǎo)通的情況下，如果流過晶閘管的正向電流小于維持電流IH，則晶閘管會轉(zhuǎn)換為關(guān)斷狀態(tài)。(6)擎住電流IL。晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除門極G端的觸發(fā)信號后，能維持晶閘管導(dǎo)通所需的最小電流稱為擎住電流。擎住電流用于維持晶閘管剛導(dǎo)通時(shí)的正反饋環(huán)節(jié)。對同一晶閘管，擎住電流IL的取值約為維持電流IH的2～4倍。(7)浪涌電流ITSM。該參數(shù)定義為由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。1.4全控型器件——絕緣柵雙極晶體管1.4.1絕緣柵雙極晶體管的結(jié)構(gòu)絕緣柵雙極晶體管有三個(gè)端口，分別為柵極(G)、集電極(C)、發(fā)射極(E)，可以分為P溝道型和N溝道型兩種，典型N溝道絕緣柵雙極晶體管的電氣圖形符號如圖1.7所示。圖1.8所示為絕緣柵雙極晶體管的等效電路圖，從圖中可以看出，絕緣柵雙極晶體管等效為電力場效應(yīng)晶體管和電力晶體管組合的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，其中電力場效應(yīng)晶體管作為驅(qū)動器件，電力晶體管作為主導(dǎo)器件。絕緣柵雙極晶體管綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，柵極G輸入為場控型且開關(guān)頻率快、高阻抗(此為電力場效應(yīng)晶體管的特點(diǎn))，輸出端口容量大(此為電力晶體管的特性)。1.4.2絕緣柵雙極晶體管的工作方式絕緣柵雙極晶體管的導(dǎo)通、關(guān)斷由柵極(G)控制，為使絕緣柵雙極晶體管導(dǎo)通，需要在柵極(G)和發(fā)射極(E)之間施加正向電壓uGE，uGE的取值需要超過開啟電壓UGE(th)，同時(shí)，集電極(C)和發(fā)射極(E)之間的電壓uCE也需為正(即uCE>0?V)才可使絕緣柵雙極晶體管導(dǎo)通；當(dāng)uGE的電壓為0?V或施加反向電壓時(shí)，絕緣柵雙極晶體管關(guān)斷。圖1.9所示為絕緣柵雙極晶體管的輸出特性曲線，又稱為伏安特性曲線，它描述的是當(dāng)柵射極電壓uGE為參考變量時(shí)，集電極電流IC和集射極電壓UCE之間的關(guān)系。該曲線分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)(這三個(gè)區(qū)可以對應(yīng)為電力晶體管的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū))。絕緣柵雙極晶體管在電力電子電路中工作于開關(guān)狀態(tài)，即在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間切換。1.4.3絕緣柵雙極晶體管的參數(shù)絕緣柵雙極晶體管主要有如下參數(shù)：(1)最大集射極電壓UCES：在規(guī)定的結(jié)溫范圍內(nèi)，截止?fàn)顟B(tài)下集電極(C)和發(fā)射極(E)之間能夠承受的最大電壓。(2)柵極—射極電壓UGES：柵極(G)與發(fā)射極(E)之間能夠承受的最大電壓。(3)集電極電流IC：在規(guī)定的結(jié)溫范圍內(nèi)，絕緣柵雙極晶體管在飽和導(dǎo)通狀態(tài)下，集射極允許持續(xù)流通的最大電流。2.1單相半波整流電路

2.2單相橋式整流電路

2.3單相全波整流電路

2.4單相橋式半控整流電路2.1單相半波整流電路2.1.1單相半波不可控整流電路單相半波不可控整流電路的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，該電路由變壓器T、二極管VD、電阻負(fù)載R三部分組成。為方便電路分析，將該電路中的二極管看作理想二極管，即當(dāng)二極管因承受正向電壓而導(dǎo)通時(shí)，二極管阻值取值為0?Ω，當(dāng)二極管因承受反向電壓而關(guān)斷時(shí)，二極管阻值取值為無窮大。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個(gè)周期(0°～360°)的狀態(tài)進(jìn)行分析。如表2.1所示為單相半波不可控整流電路的工作情況，電阻負(fù)載兩端電壓ud與二極管兩端電壓uVD的波形如圖2.2所示。2.1.2單相半波可控整流電路(帶電阻負(fù)載)單相半波可控整流電路帶電阻負(fù)載時(shí)的結(jié)構(gòu)如圖2.3所示，該電路由變壓器T、晶閘管VT、電阻負(fù)載R三部分組成。該電路圖在結(jié)構(gòu)方面和圖2.1所示的單相半波不可控整流電路的唯一區(qū)別是將二極管替換為晶閘管。在分析電路前首先需要掌握晶閘管導(dǎo)通／關(guān)斷的特性。晶閘管導(dǎo)通需要滿足兩個(gè)條件：晶閘管承受正向電壓，同時(shí)門極有觸發(fā)脈沖。晶閘管關(guān)斷則需要利用外部電路，使得流過晶閘管的電流降低到接近于0的某一數(shù)值下(該數(shù)值為維持電流IH)。但當(dāng)負(fù)載為阻感負(fù)載時(shí)，情況有所不同，因?yàn)殡姼袝鸬绞沽鬟^晶閘管的電流持續(xù)一段時(shí)間的作用。本次仿真取晶閘管控制角α?=?90°，需要注意門極觸發(fā)脈沖α的定義是從晶閘管開始承受正向陽極電壓起，到施加觸發(fā)脈沖止的電角度。舉例說明，如圖2.4(a)所示，如晶閘管承受正向電壓的起始角度為0°，當(dāng)α?=?90°時(shí)，門極觸發(fā)脈沖施加在相位90°處。如晶閘管承受正向電壓的起始角度為-180°，當(dāng)α?=?90°時(shí)，門極觸發(fā)脈沖施加在相位-90°處，如圖2.4(b)所示，這是判斷晶閘管何時(shí)有門極觸發(fā)脈沖的重要概念。接下來分析電路工作的具體情況。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個(gè)周期(0°～360°)的狀態(tài)進(jìn)行分析，控制角α?=?90°。當(dāng)工作區(qū)間位于0°～90°時(shí)，變壓器二次側(cè)電壓u2位于正半周，晶閘管從0°開始承受正向電壓，但沒有門極觸發(fā)脈沖(觸發(fā)脈沖在區(qū)間相位到達(dá)90°時(shí)才會施加)，因此晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)，電路中沒有電流流過，電流id?=?0?A，電阻負(fù)載兩端電壓ud為0?V，晶閘管兩端電壓uVT等于u2。當(dāng)工作區(qū)間位于90°～180°時(shí)，變壓器二次側(cè)電壓u2位于正半周，晶閘管仍舊承受正向電壓，同時(shí)在剛到達(dá)90°的時(shí)候，晶閘管有門極觸發(fā)脈沖，因此晶閘管導(dǎo)通，晶閘管兩端電壓uVT等于0?V，變壓器二次側(cè)電壓u2完全施加到電阻負(fù)載上，電阻負(fù)載兩端電壓ud等于u2。流過電阻負(fù)載的電流id?=?ud/R?=?u2/R，因此電流id的波形和電壓ud的波形根據(jù)電阻R的取值不同，幅值有一定區(qū)別。當(dāng)工作區(qū)間位于180°～360°時(shí)，變壓器二次側(cè)電壓u2位于負(fù)半周，晶閘管承受反向電壓，流過晶閘管的電流取值為0?A，此刻晶閘管關(guān)斷，電路中沒有電流流過，流過負(fù)載的電流id?=?0?A，電阻負(fù)載兩端電壓ud為0?V，晶閘管兩端電壓uVT等于u2。根據(jù)上述分析，得出如表2.2所示的單相半波可控整流電路帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況，電阻負(fù)載兩端電壓ud與晶閘管兩端電壓uVT的波形如圖2.5所示。前面分析了晶閘管控制角α?=?90°時(shí)的波形情況，在電路工作中控制角α可以取其他值，但是α是有一個(gè)范圍的，不可隨意取到任意角度，原因如下：上述電路電阻負(fù)載上的功率Pd?=?udid，根據(jù)上述波形可以推導(dǎo)出當(dāng)控制角α取0°～180°中的任意角度時(shí)，ud和id均為正，因此Pd也為正，表明能量從交流輸入側(cè)傳輸至直流負(fù)載側(cè)，實(shí)現(xiàn)整流的能量傳輸。但當(dāng)控制角α剛好到達(dá)180°時(shí)，電阻負(fù)載上的電壓ud取值變?yōu)?(波形為一條平直的為0的直線)，因此輸出功率Pd取值也變?yōu)?，沒有電能從交流側(cè)傳輸至直流側(cè)，無法實(shí)現(xiàn)整流功能。綜上可知，單相半波可控整流電路(帶電阻負(fù)載)控制角α的移相范圍是0°～180°。根據(jù)圖2.5所示的電壓波形圖，可以計(jì)算出直流輸出電壓平均值為根據(jù)波形圖及計(jì)算公式可得，當(dāng)控制角α取值為0°時(shí)，輸出電壓平均值Ud取到最大值0.45U2；而當(dāng)控制角α取值為180°時(shí)，輸出電壓平均值Ud取到最小值0。2.1.3單相半波可控整流電路(帶電阻電感負(fù)載)單相半波可控整流電路帶電阻電感負(fù)載時(shí)的結(jié)構(gòu)如圖2.6所示，由變壓器T、晶閘管VT、電阻電感負(fù)載RL三部分組成。該電路和單相半波可控整流電路(帶電阻負(fù)載)的唯一區(qū)別是在電路中放置了電感，電感的存在會阻止流過晶閘管的電流發(fā)生突變，因此會對晶閘管的關(guān)斷時(shí)刻產(chǎn)生影響。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個(gè)周期(0°～360°)的狀態(tài)進(jìn)行分析，門極觸發(fā)脈沖控制角取值為α?=?90°。在0°～90°的區(qū)間(該區(qū)間尚未到達(dá)90°)內(nèi)，單相交流電壓u2位于正半周，晶閘管承受正向電壓，但由于尚未施加門極觸發(fā)脈沖，因此晶閘管關(guān)斷，電路中沒有電流，電阻電感負(fù)載兩端電壓ud取值為0?V，輸入的交流電壓u2完全施加在關(guān)斷的晶閘管上，晶閘管兩端電壓uVT的取值和u2相等。在90°～180°的區(qū)間內(nèi)，單相交流電壓u2位于正半周，晶閘管仍承受正向電壓，同時(shí)在90°的瞬間給予晶閘管門極觸發(fā)脈沖信號，晶閘管導(dǎo)通的兩個(gè)條件均得到滿足，晶閘管導(dǎo)通，輸入的交流電壓u2施加在電阻電感負(fù)載上，因此電阻電感負(fù)載兩端電壓ud取值等于u2。由于晶閘管正常導(dǎo)通，在理想情況下相當(dāng)于一條導(dǎo)通的導(dǎo)線，因此在該區(qū)間內(nèi)，晶閘管兩端電壓uVT的取值為0?V。注意：在該區(qū)間內(nèi)，電感正在吸收能量，有一部分能量被存儲在電感L內(nèi)。當(dāng)角度超過180°時(shí)，u2位于負(fù)半周，但由于電感的存在，晶閘管中繼續(xù)有電流流過，晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通，此刻晶閘管兩端電壓uVT的取值為0?V，電阻電感負(fù)載兩端電壓ud取值等于u2。上述工作情況一直持續(xù)到電感中的能量全部被釋放，電路中的電流取值為0?A，此刻晶閘管關(guān)斷，晶閘管兩端電壓uVT的取值和u2相等，電阻電感負(fù)載兩端電壓ud取值為0?V。根據(jù)上述分析，電阻電感負(fù)載兩端電壓ud與晶閘管兩端電壓uVT的波形如圖2.7所示。2.2單相橋式整流電路2.2.1單相橋式不可控整流電路單相橋式不可控整流電路結(jié)構(gòu)如圖2.8所示，由變壓器T，4個(gè)二極管VD1、VD2、VD3、VD4，電阻負(fù)載R這幾部分組成。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個(gè)周期(0°～360°)的狀態(tài)進(jìn)行分析即可。在0°～180°的區(qū)間，變壓器二次側(cè)電壓u2位于正半周，使得VD1、VD4兩個(gè)二極管承受正向電壓導(dǎo)通，電流流向?yàn)樽儔浩鞫蝹?cè)(a點(diǎn))→二極管VD1→電阻負(fù)載R→二極管VD4→變壓器二次側(cè)(b點(diǎn))，此刻電阻負(fù)載兩端電壓ud取值等于u2，流過負(fù)載的電流id取值為正，計(jì)算可得id?=?ud/R?=?u2/R。在180°～360°的區(qū)間，變壓器二次側(cè)電壓u2位于負(fù)半周，使得VD2、VD3兩個(gè)二極管承受正向電壓導(dǎo)通，電流流向?yàn)樽儔浩鞫蝹?cè)(b點(diǎn))→二極管VD3→電阻負(fù)載R→二極管VD2→變壓器二次側(cè)(a點(diǎn))，根據(jù)當(dāng)前電流流向可得，流過電阻負(fù)載的電流為自上至下，使得電阻負(fù)載兩端電壓的方向與此刻變壓器二次側(cè)輸入電壓u2的方向相反，因此電阻負(fù)載兩端電壓ud取值等于-u2。根據(jù)正方向可知，流過電阻負(fù)載的電流方向與正方向一致，因此id取值為正，計(jì)算可得id?=?ud/R?=?-u2/R。根據(jù)上述分析，得出單相橋式不可控整流電路工作情況如表2.3所示，電阻負(fù)載兩端電壓ud的波形如圖2.9所示。2.2.2單相橋式全控整流電路(帶電阻負(fù)載)單相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載時(shí)的結(jié)構(gòu)如圖2.10所示，由變壓器T，4個(gè)晶閘管VT1、VT2、VT3、VT4，電阻負(fù)載R這幾部分組成。分析該電路的關(guān)鍵是4個(gè)晶閘管分別在何時(shí)導(dǎo)通，而晶閘管導(dǎo)通需要滿足兩個(gè)條件：晶閘管承受正向電壓，同時(shí)門極有觸發(fā)脈沖。因此在分析電路前先分析4個(gè)晶閘管承受正向電壓的區(qū)間，及施加門極觸發(fā)脈沖的時(shí)刻。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個(gè)周期(0°～360°)的狀態(tài)進(jìn)行分析即可，選取控制角α?=?90°。單相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況如表2.4所示，電阻負(fù)載兩端電壓ud的波形如圖2.11所示。流過電阻負(fù)載的電流id波形與負(fù)載電壓ud波形形狀相同，幅值根據(jù)電阻R的取值不同而有所區(qū)別。單相橋式全控整流電路(帶電阻負(fù)載)的控制角α也有一個(gè)取值范圍，分析如下：電阻負(fù)載R上的功率Pd?=?udid，根據(jù)上述波形可以推導(dǎo)出控制角α取0°～180°中的任意角度時(shí)，ud＞0，id＞0，因此可以得出Pd＞0，電能能夠成功地從交流側(cè)傳輸至直流側(cè)，實(shí)現(xiàn)整流。當(dāng)控制角α剛好到達(dá)180°時(shí)，電阻負(fù)載R上的電壓ud取值變?yōu)?，由于id?=?ud/R，此刻電流id取值也為0，因此輸出功率Pd取值變?yōu)?，沒有電能從交流側(cè)傳輸至直流側(cè)，無法實(shí)現(xiàn)整流功能，因此單相橋式全控整流電路(帶電阻負(fù)載)控制角α的移相范圍是0°～180°。計(jì)算可得整流輸出電壓的平均值為向負(fù)載輸出的直流電流平均值為2.2.3單相橋式全控整流電路(帶電阻電感負(fù)載)單相橋式全控整流電路帶電阻電感負(fù)載時(shí)的結(jié)構(gòu)如圖2.12所示，由變壓器T，4個(gè)晶閘管VT1、VT2、VT3、VT4，電阻電感負(fù)載RL組成。本電路控制角選取α?=?90°，因此在第一個(gè)周期內(nèi)晶閘管VT1、VT4的門極觸發(fā)脈沖在90°相位上施加，晶閘管VT2、VT3的門極觸發(fā)脈沖在270°相位上施加。在第二個(gè)周期內(nèi)晶閘管VT1、VT4的門極觸發(fā)脈沖在450°相位上施加，晶閘管VT2、VT3的門極觸發(fā)脈沖在630°相位上施加。后續(xù)周期施加門極觸發(fā)脈沖的情況依此類推。得出當(dāng)α?=?90°時(shí)，單相橋式全控整流電路帶電阻電感負(fù)載時(shí)的工作情況如表2.5所示。根據(jù)上述分析，得出單相橋式全控整流電路帶電阻電感負(fù)載的輸出波形如圖2.13所示。由于本次分析的是從電路由關(guān)斷到順利導(dǎo)通的過程，因此在0°～90°的工作區(qū)間內(nèi)，輸出電壓ud為0?V，而電路穩(wěn)定工作后，將不斷重復(fù)90°～450°時(shí)的波形。假設(shè)電感L取值非常大，因此有平波和續(xù)流的作用，理想情況下，輸出電流id的波形為正的一條平直的直線。單相橋式全控整流電路(帶電阻電感負(fù)載)的控制角α范圍為0°～90°，分析如下：電阻電感負(fù)載RL上的功率Pd?=?udid，根據(jù)上述波形可以推導(dǎo)出當(dāng)控制角α?=?90°時(shí)，ud?=?0，id＞0，因此可以得出Pd?=?0，電能無法從交流側(cè)傳輸至直流側(cè)，因此當(dāng)α?=?90°時(shí)便為臨界取值。當(dāng)α取值為0°～90°中的任意角度時(shí)，電阻電感RL上的電壓ud正半周面積大于負(fù)半周面積，因此ud＞0，而此刻id也大于0，因此可以得出Pd＞0，電能能夠從交流側(cè)傳輸至直流側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)整流。綜上可得控制角α的移相范圍為0°～90°。計(jì)算可得整流輸出電壓的平均值為：2.3單相全波整流電路2.3.1單相全波不可控整流電路單相全波不可控整流電路結(jié)構(gòu)如圖2.14所示，電路由帶中心抽頭的變壓器T、二極管VD1和VD2、電阻負(fù)載R組成。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個(gè)周期(0°～360°)的狀態(tài)進(jìn)行分析即可。單相全波不可控整流電路的工作情況如表2.6所示，電阻負(fù)載兩端電壓ud的波形如圖2.15所示。流過負(fù)載的電流波形id和電壓波形ud形狀一致，但幅值因?yàn)殡娮鑂的取值不同而有一定的區(qū)別。2.3.2單相全波可控整流電路(帶電阻負(fù)載)單相全波可控整流電路(帶電阻負(fù)載)結(jié)構(gòu)如圖2.16所示，電路由帶中心抽頭的變壓器T、晶閘管VT1和VT2、電阻負(fù)載R組成。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個(gè)周期(0°～360°)的狀態(tài)進(jìn)行分析即可，晶閘管控制角α取90°。當(dāng)晶閘管控制角α取90°時(shí)，在第一個(gè)周期內(nèi)(0°～360°)對晶閘管VT1而言，0°～180°為承受正向電壓的區(qū)間，0°為承受正向電壓的起始時(shí)刻，因此VT1的門極觸發(fā)脈沖施加在相位90°處；對晶閘管VT2而言，180°～360°為承受正向電壓的區(qū)間，180°為承受正向電壓的起始時(shí)刻，因此VT2的門極觸發(fā)脈沖施加在相位270°處。單相全波可控整流電路(帶電阻負(fù)載)的工作情況如表2.7所示，電阻負(fù)載兩端電壓ud的波形如圖2.17所示。流過電阻負(fù)載的電流id波形和電壓的波形ud形狀一致，但幅值因負(fù)載R的取值不同而有一定區(qū)別。2.3.3單相全波可控整流電路(帶電阻電感負(fù)載)單相全波可控整流電路(帶電阻電感負(fù)載)結(jié)構(gòu)如圖2.18所示，電路由帶中心抽頭的變壓器T、晶閘管VT1和VT2、電阻電感負(fù)載RL組成?？刂平铅吝x取90°。電阻電感負(fù)載兩端電壓ud的波形如圖2.19所示。本次分析的是電路從最原始的關(guān)斷狀態(tài)至正常工作狀態(tài)，因此得到的輸出電壓ud在0°～90°的區(qū)間內(nèi)為0?V，而電路穩(wěn)定工作后，將不斷重復(fù)90°～450°時(shí)的波形。2.4單相橋式半控整流電路2.4.1單相橋式半控整流電路(帶電阻負(fù)載)單相橋式半控整流電路(帶電阻負(fù)載)結(jié)構(gòu)如圖2.20所示，由變壓器T、2個(gè)二極管VD2和VD4、2個(gè)晶閘管VT1和VT3、電阻負(fù)載R組成。本次電路觀測電阻負(fù)載R兩端電壓ud的波形。晶閘管VT1和二極管VD4在0°～180°的區(qū)間內(nèi)承受正向電壓，晶閘管VT3和二極管VD2在180°～360°的區(qū)間內(nèi)承受正向電壓。當(dāng)晶閘管的控制角取值為60°時(shí)，由于晶閘管VT1從0°開始承受正向電壓，因此VT1的門極觸發(fā)脈沖在相位60°的時(shí)刻施加；而由于晶閘管VT3從180°開始承受正向電壓，因此VT3的門極觸發(fā)脈沖在相位240°的時(shí)刻施加。0°～360°區(qū)間內(nèi)VT1門極觸發(fā)脈沖在相位60°到來，VT3門極觸發(fā)脈沖在相位240°到來，后續(xù)周期不斷重復(fù)該施加方式。根據(jù)以上分析便可推得各個(gè)管子在哪個(gè)區(qū)間內(nèi)導(dǎo)通。單相橋式半控整流電路(帶電阻負(fù)載)的工作情況如表2.8所示。2.4.2單相橋式半控整流電路(帶電阻電感負(fù)載)單相橋式半控整流電路(帶電阻電感負(fù)載)結(jié)構(gòu)如圖2.21所示，由變壓器T、2個(gè)二極管VD2和VD4、2個(gè)晶閘管VT1和VT3、電阻電感負(fù)載RL組成。本次電路觀測電阻電感負(fù)載RL兩端電壓ud的波形，由于電路帶有電感負(fù)載，因此會對工作情況產(chǎn)生一定影響。晶閘管VT1和二極管VD4在0°～180°的區(qū)間內(nèi)承受正向電壓，晶閘管VT3和二極管VD2在180°～360°的區(qū)間內(nèi)承受正向電壓。當(dāng)晶閘管的控制角取值為60°時(shí)，VT1的門極觸發(fā)脈沖在相位60°的時(shí)刻施加，VT3的門極觸發(fā)脈沖在相位240°的時(shí)刻施加。單相橋式半控整流電路(帶電阻電感負(fù)載)的波形如圖2.22所示。但該電路存在一些問題，例如，如果單相橋式半控整流電路(帶電阻電感負(fù)載)晶閘管VT1的門極觸發(fā)脈沖丟失，則會發(fā)生一個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通，而兩個(gè)二極管VD2、VD4輪流導(dǎo)通的失控情況，電阻電感負(fù)載RL兩端的輸出波形會變?yōu)檎野氩?，因此為了避免此種情況發(fā)生，需要在電阻電感負(fù)載RL兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管。3.1三相半波整流電路

3.2三相橋式整流電路3.1三相半波整流電路3.1.1三相半波不可控整流電路三相半波不可控整流電路由3個(gè)二極管VD1、VD2、VD3，變壓器，電阻負(fù)載R構(gòu)成，如圖3.1所示，變壓器一次側(cè)為三角形接法，二次側(cè)為星形接法，圖中僅畫出變壓器二次側(cè)，二極管的接法為共陰極接法，二極管的陰極連接在一起，在這種情況下，若a、b、c三相電中哪一相電壓最大，則該相所對應(yīng)的二極管導(dǎo)通。本電路將分析電阻負(fù)載R兩端電壓ud，流過電阻負(fù)載R的電流id，流過二極管VD1、VD2、VD3的電流iVD1、iVD2、iVD3以及二極管VD1兩端的電壓uVD1的情況。30°～390°之間的波形，后續(xù)電路重復(fù)該區(qū)間的工作狀態(tài)及波形，最終得出的電阻負(fù)載R兩端電壓ud、流過電阻負(fù)載R的電流id、流過二極管VD1的電流iVD1、二極管兩端電壓uVD1的波形如圖3.2所示，圖中所示為電路已經(jīng)穩(wěn)定工作一段時(shí)間后的波形圖，因此在相位0°～30°之間也有相應(yīng)波形。與共陰極接法相對應(yīng)的還有共陽極接法，如圖3.3所示，圖中標(biāo)注的電壓、電流方向?yàn)檎较?，并不是電壓和電流?shí)際的工作方向。三個(gè)二極管的陽極端連接在一起，此刻，a、b、c三相電中哪一相電壓最小，該相所對應(yīng)的二極管導(dǎo)通，因?yàn)榇丝淘撓嗟亩O管承受正向電壓，另外兩相中的二極管承受反向電壓，處于關(guān)斷狀態(tài)。三相半波不可控整流電路(共陽極接法)電阻負(fù)載上的電壓ud、流過二極管VD1的電流iVD1波形如圖3.4所示。3.1.2三相半波可控整流電路(帶電阻負(fù)載)將三相半波不可控整流電路(共陰極接法)中的3個(gè)二極管替換為3個(gè)晶閘管VT1、VT2、VT3即可得到三相半波可控整流電路(帶電阻負(fù)載)，如圖3.5所示。在三相半波不可控整流電路(共陰極接法)中，二極管VD1在30°～150°的區(qū)間內(nèi)承受正向電壓，VD2在150°～270°的區(qū)間內(nèi)承受正向電壓，VD3在270°～390°的區(qū)間內(nèi)承受正向電壓。當(dāng)將二極管替換為晶閘管時(shí)，可推得，晶閘管VT1承受正向電壓的起始時(shí)刻是30°，晶閘管VT2承受正向電壓的起始時(shí)刻是150°，晶閘管VT3承受正向電壓的起始時(shí)刻是270°。因此，當(dāng)晶閘管控制角α取值為30°時(shí)，VT1管的門極觸發(fā)脈沖施加在相位60°處，VT2管的門極觸發(fā)脈沖施加在相位180°處，VT3管的門極觸發(fā)脈沖施加在相位300°處。本次電路分析相位上60°～420°(即一個(gè)周期)中電阻負(fù)載R兩端電壓ud、流過晶閘管VT1的電流iVT1以及晶閘管VT1兩端的電壓uVT1的波形，控制角α取值為30°。電阻負(fù)載R兩端電壓ud、流過晶閘管VT1的電流iVT1波形如圖3.6所示。本次分析的是電路從原始關(guān)斷狀態(tài)到正常工作狀態(tài)，因此0°～60°的區(qū)間中無電壓、電流波形顯示。三相半波可控整流電路(帶電阻負(fù)載)控制角α取值范圍為0°～150°。當(dāng)控制角α取值范圍在0°～30°時(shí)，整流輸出電壓ud的波形連續(xù)；當(dāng)控制角α取值范圍在30°～150°時(shí)，整流輸出電壓ud的波形斷續(xù)。因此計(jì)算整流輸出電壓平均值分為兩種情況。(1)當(dāng)α取值范圍在0°～30°時(shí)：(2)當(dāng)α取值范圍在30°～150°時(shí)：3.1.3三相半波可控整流電路(帶電阻電感負(fù)載)三相半波可控整流電路(帶電阻電感負(fù)載)由變壓器、晶閘管、電阻電感負(fù)載組成，如圖3.7所示。該電路由于帶電阻電感負(fù)載RL，所以工作時(shí)輸出的波形和僅僅帶電阻負(fù)載時(shí)有區(qū)別，本次電路將分析一個(gè)周期內(nèi)(90°～450°)，控制角α取值為60°時(shí)，電阻電感負(fù)載兩端電壓ud的波形情況。VT1、VT2、VT3承受正向電壓的起始時(shí)刻分別為30°、150°、270°，因此當(dāng)α取值為60°時(shí)，三個(gè)晶閘管的門極觸發(fā)脈沖分別施加在90°、210°、330°。三相半波可控整流電路(帶電阻電感負(fù)載)輸出的波形如圖3.8所示。本次分析的是電路從原始關(guān)斷狀態(tài)到正常工作狀態(tài)，因此0°～90°的區(qū)間中無電壓、電流波形顯示。當(dāng)晶閘管的控制角α取值為90°時(shí)，電阻電感負(fù)載兩端電壓ud波形中，正半周的面積和負(fù)半周的面積相等，即輸出電壓ud平均值為0?V，因此，可得三相半波可控整流電路(帶電阻電感負(fù)載)控制角α的取值范圍為0°～90°。由于該帶電阻電感負(fù)載電路工作時(shí)，輸出電壓ud的波形一直連續(xù)，因此可以計(jì)算得出輸出電壓的平均值公式為：3.2三相橋式整流電路3.2.1三相橋式不可控整流電路三相橋式不可控整流電路由變壓器、6個(gè)二極管VD1～VD6、電阻負(fù)載R組成，如圖3.9所示，圖中僅標(biāo)出變壓器二次側(cè)。在該電路中VD1、VD3、VD5組成共陰極組，這3個(gè)二極管的陽極分別接至a相、b相、c相，在運(yùn)行過程中，哪一相的電壓最大，則該相所對應(yīng)的二極管導(dǎo)通；VD4、VD6、VD2組成共陽極組，而這3個(gè)二極管的陰極分別接至a相、b相、c相，哪一相的電壓最小，哪一相就導(dǎo)通。由圖3.6中三相電的波形u2可得在0°～30°的區(qū)間內(nèi)，c相電壓最大；在30°～150°的區(qū)間內(nèi)，a相電壓最大；在150°～270°的區(qū)間內(nèi)，b相電壓最大；在270°～390°的區(qū)間內(nèi)，c相電壓最大；后續(xù)相位區(qū)間可繼續(xù)判斷觀測哪一相位電壓最大。接著觀察相位電壓最小的區(qū)間，在0°～90°的區(qū)間內(nèi)，b相電壓最小；在90°～210°的區(qū)間內(nèi)，c相電壓最?。辉?10°～330°的區(qū)間內(nèi)，a相電壓最??；330°～450°的區(qū)間內(nèi)，b相電壓最小。根據(jù)上述分析可以觀測不同區(qū)間哪一相電壓最大，哪一相電壓最小，并由此判斷各個(gè)二極管的通斷情況，分析電阻負(fù)載R兩端的電壓ud、流過VD1的電流iVD1、VD1兩端的電壓uVD1。三相橋式不可控整流電路電阻負(fù)載R兩端的電壓ud、流過VD1的電流iVD1、VD1兩端的電壓uVD1的波形如圖3.10所示。3.2.2三相橋式全控整流電路(帶電阻負(fù)載)三相橋式全控整流電路(帶電阻負(fù)載)由變壓器、6個(gè)晶閘管VT1～VT6、電阻負(fù)載R構(gòu)成，如圖3.11所示。二極管VD1在區(qū)間30°～150°承受正向電壓、VD2在區(qū)間90°～210°承受正向電壓、VD3在區(qū)間150°～270°承受正向電壓、VD4在區(qū)間210°～330°承受正向電壓、VD5在區(qū)間270°～390°承受正向電壓、VD6在區(qū)間?-30°～90°承受正向電壓。當(dāng)將圖3.9中二極管都替換為晶閘管時(shí)，便組成三相橋式全控整流電路(帶電阻負(fù)載)，由此可以推得晶閘管VT1從30°開始承受正向電壓，VT2從90°開始承受正向電壓，VT3從150°開始承受正向電壓，VT4從210°開始承受正向電壓，VT5從270°開始承受正向電壓，VT6從?-30°開始承受正向電壓。當(dāng)控制角α的取值為30°時(shí)，VT1的脈沖施加時(shí)刻為60°、VT2的脈沖施加時(shí)刻為120°、VT3的脈沖施加時(shí)刻為180°、VT4的脈沖施加時(shí)刻為240°、VT5的脈沖施加時(shí)刻為300°、VT6的脈沖施加時(shí)刻為0°。由以上分析便可得出每個(gè)晶閘管導(dǎo)通的區(qū)間，該電路將分析電阻負(fù)載兩端電壓ud、流過晶閘管VT1的電流iVT1、晶閘管VT1兩端電壓uVT1的波形。共陰極組晶閘管VT1、VT3、VT5的導(dǎo)通情況總結(jié)如表3.1所示，后續(xù)周期共陰極組重復(fù)上述區(qū)間內(nèi)的工作情況。對共陽極組VT2、VT4、VT6而言，控制角的取值為30°時(shí)，共陽極組晶閘管VT2、VT4、VT6的導(dǎo)通情況總結(jié)如表3.2所示，后續(xù)周期共陽極組重復(fù)上述區(qū)間內(nèi)的工作情況。根據(jù)上述分析，VT1～VT6每個(gè)晶閘管導(dǎo)通的區(qū)間確定，結(jié)合表3.1和表3.2可分析電路中電流的流通情況，得到電阻負(fù)載兩端電壓ud、流過晶閘管VT1的電流iVT1、晶閘管VT1兩端電壓uVT1的波形。本次電路分析60°～420°區(qū)間內(nèi)的波形情況(即一個(gè)周期)，門極觸發(fā)脈沖控制角的取值為30°。三相橋式全控整流電路(帶電阻負(fù)載)工作情況如表3.3所示和輸出波形如圖3.12所示。當(dāng)門極觸發(fā)脈沖控制角α取值為120°時(shí)，電阻負(fù)載兩端電壓ud波形變?yōu)?。由此可得，三相橋式全控整流電路(帶電阻負(fù)載)控制角α的移相范圍是0°～120°。當(dāng)控制角α取值范圍在0°～60°時(shí)，輸出電壓ud波形連續(xù)；當(dāng)控制角α取值范圍在60°～120°時(shí)，輸出電壓ud波形斷續(xù)。因此輸出電壓ud的計(jì)算方式有兩種。(1)當(dāng)控制角α取值范圍在0°～60°時(shí)：(2)當(dāng)控制角α取值范圍在60°～120°時(shí)：3.2.3三相橋式全控整流電路(帶電阻電感負(fù)載)三相橋式全控整流電路(帶電阻電感負(fù)載)的結(jié)構(gòu)如圖3.13所示，由變壓器、晶閘管、電阻電感負(fù)載組成。該電路中由于存在電感L，起到續(xù)流的作用，因此會一定程度上影響晶閘管關(guān)斷的時(shí)刻，對電路的工作情況造成改變。當(dāng)控制角的取值小于等于60°時(shí)，電阻負(fù)載兩端電壓波形ud連續(xù)，如果此刻將R負(fù)載替換為RL負(fù)載，電感L不會起到改變ud波形的作用。因此當(dāng)α≤60°時(shí)，三相橋式全控整流電路帶R負(fù)載和RL負(fù)載的輸出電壓ud的波形一致；當(dāng)α＞60°時(shí)，電感L起到續(xù)流導(dǎo)通的作用，改變ud波形，輸出電壓ud波形如圖3.14所示，出現(xiàn)負(fù)半周，圖3.14為控制角取值為90°時(shí)的輸出負(fù)載電壓、負(fù)載電流波形。由上述分析推導(dǎo)可得，當(dāng)控制角α的取值為90°時(shí)，電阻電感負(fù)載的電壓ud正半周面積等于負(fù)半周面積，輸出電壓平均值為0。因此，三相橋式全控整流電路(帶電阻電感負(fù)載)控制角α的移相范圍是0°～90°。當(dāng)三相橋式全控整流電路帶電阻電感負(fù)載時(shí)，輸出電壓ud的波形連續(xù)，因此輸出電壓平均值的計(jì)算公式為：4.1有源逆變電路

4.2無源逆變電路4.1有源逆變電路逆變電路的交流側(cè)和電網(wǎng)連接時(shí)，稱為有源逆變電路。整流電路的作用是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電(即AC→DC)，而逆變電路的作用是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電(即DC→AC)，二者的能量轉(zhuǎn)換方向相反。因此，當(dāng)可控整流電路滿足某些特定條件時(shí)，可實(shí)現(xiàn)能量的反向傳輸，在不改變電路結(jié)構(gòu)的情況下，即可將整流模式轉(zhuǎn)換為有源逆變模式。以單相橋式全控電路的工作情況為例，分析如何將整流電路切換為有源逆變電路。如圖4.1所示為單相橋式全控電路圖。1.整流工作模式控制角α在0°～90°范圍內(nèi)。由于電流的流向只有兩種方式，即a點(diǎn)→VT1→RL與直流電機(jī)負(fù)載→VT4→b點(diǎn)和b點(diǎn)→VT3→RL與直流電機(jī)負(fù)載→VT2→a點(diǎn)，無論哪種工作方式，電路中電流id流向和圖中標(biāo)出的正方向一直保持一致，因此流過電阻電感負(fù)載的電流id一直保持大于0的狀態(tài)，且由于負(fù)載中有電感的存在可以起到平波的作用，因此電流為一條正的平直的直線。綜上可以得出負(fù)載兩端電壓ud和電流id的波形圖如圖4.2所示。由于本次分析的是電路從原始停止?fàn)顟B(tài)到正常工作狀態(tài)，因此0°～45°的相位區(qū)間內(nèi)沒有輸出波形，后續(xù)電路正常工作后，將不斷重復(fù)45°～405°區(qū)間內(nèi)的波形。此刻，電能從交流側(cè)傳輸至直流側(cè)，即交流電網(wǎng)通過4個(gè)晶閘管整流后，輸出直流電壓ud傳至直流電機(jī)負(fù)載側(cè)使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，是整流工作模式。由圖4.2可以推廣至控制角α位于0°～90°區(qū)間內(nèi)的任意取值。從輸出功率的角度來看，可以得出該工作在整流模式下的電路的輸出功率Pd?=?udid，根據(jù)圖4.2波形可得，輸出電壓ud正半周的面積大于負(fù)半周的面積，因此ud＞0，而電流id一直為正，因此可得輸出功率Pd在控制角位于0°～90°范圍內(nèi)，一直為正。如想實(shí)現(xiàn)電能的反向傳輸，即切換到有源逆變工作模式，則輸出功率Pd的取值就需要變?yōu)樨?fù)。2.有源逆變工作模式無論控制角α如何變化，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，電路中的電流流向仍舊只可能有兩種方式，即α點(diǎn)→VT1→RL與直流電機(jī)負(fù)載→VT4→b點(diǎn)和b點(diǎn)→VT3→RL與直流電機(jī)負(fù)載→VT2→a點(diǎn)，如果逆著這個(gè)方向流通，則電路中的晶閘管會被擊穿，因此無論控制角α取值多少，負(fù)載中的電流id方向均與圖中標(biāo)注的正方向一致，電流id的取值一直為正，假設(shè)負(fù)載中的電感很大，具有良好的平波作用，可得出流過負(fù)載的電流id的波形為一條正的平直的直線。假設(shè)此刻直流電機(jī)工作在再生制動狀態(tài)，即作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，由于電流的方向一直為正，如想實(shí)現(xiàn)電能的逆向傳輸，只有改變電機(jī)的輸出電壓E的極性才可實(shí)現(xiàn)，如圖4.3所示。而為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的再生制動，左側(cè)的整流電路必須吸收電機(jī)發(fā)出的電能反饋給電網(wǎng)，因此整流電路的輸出電壓ud的極性也必須反向，即輸出電壓平均值Ud取值為負(fù)才可吸收電機(jī)發(fā)出的能量，即圖4.3中ud上下標(biāo)注的上負(fù)下正(和圖中正方向相反)。而通過控制角度α位于90°～180°的區(qū)間內(nèi)，便可使得Ud取值為負(fù)。以α?=?135°為例，電路的輸出電壓ud和電流id的波形圖如圖4.4所示。由于本次分析的是電路從原始停止?fàn)顟B(tài)到正常工作狀態(tài)，因此0°～135°的相位區(qū)間內(nèi)沒有輸出波形，后續(xù)電路正常工作后，將不斷重復(fù)135°～495°區(qū)間內(nèi)的波形。由圖4.4可以得出當(dāng)α?=?135°時(shí)，單相橋式全控電路輸出電壓ud正半周的面積小于負(fù)半周的面積，因此電壓ud取值為負(fù)，而電流id一直為正的取值，因此輸出的功率Pd為負(fù)，此刻電能傳輸方向和0°＜α＜90°時(shí)相反。此控制方式的關(guān)鍵便是輸出電壓ud取值為負(fù)，推導(dǎo)可得α取90°～180°范圍內(nèi)的任意值，均可使輸出電壓ud取值為負(fù)，即當(dāng)90°＜α＜180°時(shí)電能從直流側(cè)傳輸至交流側(cè)，電路處于有源逆變模式?？偨Y(jié)0°＜α＜90°和90°＜α＜180°的兩種工作方式，可得實(shí)現(xiàn)有源逆變的兩個(gè)條件：(1)電路中要有能提供逆變能量的直流電源，而且該直流電源的電壓取值必須大于變流器輸出的平均電壓Ud的值。(2)控制角α的取值范圍要在90°～180°內(nèi)。4.2無源逆變電路圖4.5(a)所示為典型的單相橋式無源逆變電路(帶電阻負(fù)載)結(jié)構(gòu)，該逆變電路由直流輸入側(cè)(直流電壓取值為Ud)、交流輸出側(cè)(電阻負(fù)載R)、四個(gè)開關(guān)器件組成，從圖中可以觀測到交流輸出側(cè)連接的是電阻負(fù)載，因此稱為無源逆變電路。該電路的功能為將輸入的直流電Ud轉(zhuǎn)換為負(fù)載輸出側(cè)的交流電壓uo，電路具體分析如下：在0～t1區(qū)間中，閉合開關(guān)S1和S4，斷開開關(guān)S2和S3，此刻電流從直流輸入側(cè)Ud的陽極出發(fā)，流經(jīng)開關(guān)S1→電阻負(fù)載R→開關(guān)S4，最終回到直流輸入側(cè)Ud的陰極。此刻a點(diǎn)電壓取值為Ud的正端電壓，b點(diǎn)電壓取值為Ud的負(fù)端電壓，根據(jù)圖中所標(biāo)出的正方向，輸出電壓uo在該區(qū)間內(nèi)取值為a點(diǎn)電壓減去b點(diǎn)，即等于Ud。而流過電阻負(fù)載的電流io取值等于Ud/R，即電流io的波形形狀與uo相同，只是幅值有區(qū)別。在t1～t2區(qū)間中，斷開開關(guān)S1和S4，閉合開關(guān)S2和S3，此刻電路中的電流從直流輸入側(cè)Ud的陽極出發(fā)，流過開關(guān)S3→電阻負(fù)載→開關(guān)S2，再返回直流輸入側(cè)Ud的陰極。此刻a點(diǎn)電壓取值為Ud的負(fù)端電壓，b點(diǎn)電壓取值為Ud的正端電壓，根據(jù)圖中的正方向，輸出電壓uo在t1～t2區(qū)間中取值為a點(diǎn)電壓減去b點(diǎn)，即?-?Ud。流過電阻負(fù)載的電流方向和正方向相反，取值為?-Ud/R。最終負(fù)載側(cè)電壓uo和電流io波形如圖4.5(b)所示，是一個(gè)有規(guī)律性正負(fù)方向變化的交流電，表示該電路成功將直流輸入電Ud轉(zhuǎn)換為交流電uo，實(shí)現(xiàn)了逆變。圖4.6(a)所示為替換負(fù)載后的單相橋式無源逆變電路，該逆變電路由直流輸入側(cè)Ud、交流輸出側(cè)(電阻電感負(fù)載)、四個(gè)開關(guān)S1～S4組成。電路的工作方式和上文中僅帶電阻負(fù)載有一定的區(qū)別，分析如下：在0～t1區(qū)間中，閉合開關(guān)S1、S4，而開關(guān)S2、S3保持?jǐn)嚅_，電流的流向?yàn)橹绷鬏斎雮?cè)Ud的陽極→開關(guān)S1→電阻電感負(fù)載RL→開關(guān)S4→直流輸入側(cè)Ud的陰極，負(fù)載RL上電流流向?yàn)閺腶點(diǎn)流向b點(diǎn)，a點(diǎn)電壓取值等于直流輸入側(cè)Ud的陽極電壓，b點(diǎn)電壓取值等于直流輸入側(cè)Ud的陰極電壓，根據(jù)圖中標(biāo)注的正方向，可得輸出電壓uo的取值為Ud，由于存在電感，輸出電流io無法迅速跳變，因此從0?A開始慢慢增大。在t1～t2區(qū)間中，斷開開關(guān)S1、S4，閉合開關(guān)S2、S3，由于存在電感儲能，因此此刻電路的負(fù)載RL中仍舊保留有從a點(diǎn)流向b點(diǎn)的電流，電路中電流方向?yàn)殡娮桦姼胸?fù)載RL→開關(guān)S3→直流輸入側(cè)Ud的陽極→直流輸入側(cè)Ud的陰極→開關(guān)S2，即此刻為電阻電感負(fù)載RL向直流輸入側(cè)Ud反向充電，電阻電感負(fù)載RL處于發(fā)出電能的放電狀態(tài)，因此流過電阻電感負(fù)載的電流io慢慢下降，直至降低為0?A。而在該區(qū)間內(nèi)，a點(diǎn)電壓取值等于直流輸入側(cè)Ud的陰極電壓，b點(diǎn)電壓取值為直流輸入側(cè)Ud的陽極電壓，根據(jù)正方向，電阻電感負(fù)載兩端電壓等于a點(diǎn)電壓減去b點(diǎn)電壓，即?-?Ud。在t2～t3區(qū)間中，繼續(xù)保持?jǐn)嚅_開關(guān)S1、S4，閉合開關(guān)S2、S3的狀態(tài)，此刻由于電感中的電能在上一個(gè)區(qū)間全部被放完，因此在本區(qū)間中電感中無儲能，電流的流向切換為直流輸入側(cè)Ud的陽極→開關(guān)S3→電阻電感負(fù)載RL→開關(guān)S2→直流輸入側(cè)Ud的陰極，流過電阻電感負(fù)載的電流io方向與正方向相反，因此取值為負(fù)，而且此刻為直流輸入側(cè)Ud向電阻電感負(fù)載RL傳輸電能，因此流過電阻電感負(fù)載的電流io在負(fù)半周從0?A開始慢慢增大。在該區(qū)間內(nèi)，a點(diǎn)電壓取值等于直流輸入側(cè)Ud的陰極電壓，b點(diǎn)電壓取值為直流輸入側(cè)Ud的陽極電壓，根據(jù)正方向，電阻電感負(fù)載兩端電壓等于a點(diǎn)電壓減去b點(diǎn)電壓，即?-Ud。在t3～t4區(qū)間中，斷開開關(guān)S2、S3，閉合開關(guān)S1、S4，由于在上一個(gè)區(qū)間中電阻電感負(fù)載儲存了能量，因此電感中會維持一個(gè)從b點(diǎn)流向a點(diǎn)的電流，在本區(qū)間中電流的流向?yàn)殡娮桦姼胸?fù)載RL→開關(guān)S1→直流輸入側(cè)Ud的陽極→直流輸入側(cè)Ud的陰極→開關(guān)S4，此時(shí)電阻電感負(fù)載RL在向直流輸入側(cè)Ud反向充電，因此RL中的電流在負(fù)半周慢慢降低直至0?A。在該區(qū)間中，a點(diǎn)電壓取值為直流輸入側(cè)Ud的陽極電壓，b點(diǎn)電壓取值為直流輸入側(cè)Ud的陰極電壓，根據(jù)正方向，電阻電感負(fù)載兩端電壓等于a點(diǎn)電壓減去b點(diǎn)電壓，即Ud。最終負(fù)載側(cè)電壓uo和電流io波形如圖4.6(b)所示。無源逆變電路又可以分為電壓型和電流型。電壓型逆變電路主要有3個(gè)特點(diǎn)：(1)直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。(2)由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。(3)當(dāng)交流側(cè)為電阻電感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。電流型逆變電路主要有3個(gè)特點(diǎn)：(1)直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當(dāng)于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。(2)電路中開關(guān)器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出的電流為矩形波，并且與負(fù)載的阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。(3)當(dāng)交流側(cè)為電阻電感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用。因?yàn)榉答仧o功能量時(shí)直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。4.2.1電壓型單相半橋逆變電路圖4.7所示為電壓型單相半橋逆變電路，屬于無源逆變電路，電路由2個(gè)參數(shù)一致的電容、2個(gè)絕緣柵雙極型晶體管V1和V2、2個(gè)二極管VD1和VD2、電阻電感負(fù)載RL組成，該電路的作用是將輸入側(cè)的直流電Ud轉(zhuǎn)換為輸出負(fù)載RL側(cè)的交流電。在正式分析電路前，需要注意以下幾點(diǎn)：由于兩個(gè)電容的參數(shù)一致，因此兩個(gè)電容的連接點(diǎn)b點(diǎn)便是輸入側(cè)直流電源Ud的中點(diǎn)，可以推出a點(diǎn)電壓為Ud，b點(diǎn)電壓為Ud/2，c點(diǎn)電壓為0?V，標(biāo)出這幾個(gè)點(diǎn)的電壓便于后續(xù)判斷電阻電感負(fù)載RL側(cè)的輸出電壓。在電路正常工作時(shí)，絕緣柵雙極型晶體管V1和V2不能同時(shí)施加導(dǎo)通信號，否則V1和V2同時(shí)導(dǎo)通，會導(dǎo)致輸入側(cè)直流電源Ud短路，因此V1、V2的導(dǎo)通信號必須是互補(bǔ)的。同時(shí)，為了方便判斷電阻電感負(fù)載RL側(cè)輸出電壓的正負(fù)情況，規(guī)定負(fù)載RL側(cè)電壓、電流的正方向均為從右側(cè)流向左側(cè)。將電路分為4個(gè)區(qū)間來分析，分別是t1～t2區(qū)間、t2～t3區(qū)間、t3～t4區(qū)間、t4～t5區(qū)間，在這幾個(gè)區(qū)間內(nèi)通過控制絕緣柵雙極型晶體管V1和V2的通斷，將輸入側(cè)的直流電壓Ud轉(zhuǎn)換為輸出負(fù)載側(cè)的交流電壓uo。電壓型單相半橋逆變電路的工作情況分析可總結(jié)至表4.1中。圖4.8所示是電壓型單相半橋逆變電路穩(wěn)定工作后的波形圖，可見t1～t2區(qū)間、t2～t3區(qū)間、t3～t4區(qū)間、t4～t5區(qū)間中，輸出負(fù)載RL側(cè)的交流電壓uo和電流io的波形。半橋逆變電路的優(yōu)點(diǎn)是使用的器件少，只需要使用2個(gè)絕緣柵雙極型晶體管V1、V2以及2個(gè)二極管VD1、VD2，但在電路工作時(shí)需要保持2個(gè)電容器電壓均衡，同時(shí)電阻電感負(fù)載RL兩端電壓uo的幅值僅為Ud/2，輸入直流電源電壓利用率偏低，適用于小功率逆變器。4.2.2電壓型單相全橋逆變電路電壓型單相全橋逆變電路的結(jié)構(gòu)如圖4.9所示，屬于無源逆變。在該電路中，絕緣柵雙極型晶體管V1、V4組成一個(gè)橋臂，V2、V3組成另外一個(gè)橋臂，V1和V2不能同時(shí)導(dǎo)通，否則會造成輸入側(cè)直流電壓源短路，同理V3和V4也不能同時(shí)導(dǎo)通。為便于判斷輸出電阻電感負(fù)載RL側(cè)電壓的正負(fù)情況，本電路中規(guī)定負(fù)載RL側(cè)電壓、電流的正方向均為從左側(cè)向右側(cè)。電壓型單相全橋逆變電路的工作情況分析可總結(jié)至表4.2中。圖4.10所示是電壓型單相全橋逆變電路穩(wěn)定工作后的波形圖，可見t1～t2區(qū)間、t2～t3區(qū)間、t3～t4區(qū)間、t4～t5區(qū)間中，輸出負(fù)載RL側(cè)的交流電壓uo和電流io的波形。4.2.3電壓型單相全橋逆變電路移相調(diào)壓電壓型單相全橋逆變電路移相調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)如圖4.11所示，屬于無源逆變，該電路和電壓型單相全橋逆變電路一致，但在控制4個(gè)絕緣柵雙極型晶體管通斷的時(shí)間上有所區(qū)別，該電路的作用是將輸入側(cè)的直流電Ud轉(zhuǎn)換為輸出負(fù)載RL側(cè)的交流電uo，且能夠通過移相調(diào)壓方式調(diào)節(jié)該輸出交流電壓uo的取值。在移相調(diào)壓的電路中，V1和V4的導(dǎo)通時(shí)刻有一定的相位差，V2和V3的導(dǎo)通時(shí)刻也有一定的相位差，且為保證輸出電壓、電流波形規(guī)律，這兩組管的相位差相等。需要注意的是，在設(shè)置相位差的時(shí)候，V1和V2不能同時(shí)導(dǎo)通，V3和V4也不能同時(shí)導(dǎo)通，否則會造成直流輸入側(cè)Ud短路。為便于判斷輸出電阻電感負(fù)載RL側(cè)電壓的正負(fù)情況，本電路中規(guī)定負(fù)載RL側(cè)電壓、電流的正方向均為從左側(cè)向右側(cè)。電壓型單相全橋逆變電路移相調(diào)壓的工作情況分析可總結(jié)至表4.3中。由以上分析可得，在t0～t1區(qū)間、t1～t2區(qū)間、t2～t3區(qū)間、t3～t4區(qū)間、t4～t5區(qū)間、t5～t6區(qū)間中負(fù)載RL側(cè)的電壓uo、電流io的波形如圖4.12所示。5.1降壓斬波電路

5.2升壓斬波電路

5.3升降壓斬波電路

5.4Cuk斬波電路

5.5Zeta斬波電路

5.6

Sepic斬波電路

5.7多相多重?cái)夭娐?.1降壓斬波電路降壓斬波電路的結(jié)構(gòu)如圖5.1所示，該電路由輸入側(cè)直流電壓源Ｅ、全控型器件絕緣柵雙極型晶體管Ｖ、續(xù)流二極管VD、電阻電感負(fù)載RL組成?？刂圃撾娐穼?dǎo)通的關(guān)鍵器件為絕緣柵雙極型晶體管，將該器件看作理想元器件，即關(guān)斷的時(shí)候器件阻值為無窮大，導(dǎo)通的時(shí)候器件阻值為0?Ω，將絕緣柵雙極型晶體管導(dǎo)通的區(qū)間標(biāo)注為ton，關(guān)斷的區(qū)間標(biāo)注為toff，一個(gè)周期看作T?=?ton?+?toff。在第一個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)絕緣柵雙極型晶體管導(dǎo)通時(shí)，二極管VD承受反向電壓處于關(guān)斷狀態(tài)，電路中電流的流向?yàn)檩斎雮?cè)直流電壓源E的正極→絕緣柵雙極型晶體管→電阻電感負(fù)載RL→輸入側(cè)直流電壓源的負(fù)極，電阻電感負(fù)載RL兩端的電壓等于輸入側(cè)直流電壓源的電壓，即uo?=?E。當(dāng)絕緣柵雙極型晶體管關(guān)斷時(shí)，電阻電感負(fù)載中的電感發(fā)出能量，起到阻止電流突變的作用，電流流通方向?yàn)殡娮桦姼胸?fù)載RL→二極管VD→電阻電感負(fù)載RL，即二極管VD起到續(xù)流的作用，此刻電阻電感負(fù)載RL兩端的電壓uo?=?0?V。根據(jù)上述分析，可以得出降壓斬波電路的輸出電壓波形如圖5.2所示。根據(jù)波形圖可計(jì)算得出輸出電壓uo的平均值為其中，α為占空比，α?=?ton?/?T。5.2升壓斬波電路升壓斬波電路的結(jié)構(gòu)如圖5.3所示，該電路由輸入側(cè)直流電壓源E、電感L、全控型器件絕緣柵雙極型晶體管V、二極管VD、電容C、電阻R組成。將絕緣柵雙極型晶體管導(dǎo)通的區(qū)間標(biāo)注為ton，關(guān)斷的區(qū)間標(biāo)注為toff，一個(gè)周期看作T?=?ton?+?toff。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需對其一個(gè)周期的狀態(tài)進(jìn)行分析，且電感L、電容C的取值很大。當(dāng)絕緣柵雙極型晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電流有兩路，第一路電流流向?yàn)檩斎雮?cè)直流電壓源E正極→電感L→絕緣柵雙極型晶體管→輸入側(cè)直流電壓源E負(fù)極，電壓源E向電感L充電，由于電感取值較大，可以將流過電感L的電流看作基本無波動的恒定取值I1，在該區(qū)間內(nèi)電感L吸收的電能為P1?=?EI1ton。第二路電流流向?yàn)殡娙軨→電阻R的回路，由于電容C取值較大，可將負(fù)載輸出電壓看作恒定值Uo。當(dāng)絕緣柵雙極型晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，電流的流向?yàn)檩斎雮?cè)直流電壓源E正極→電感L→二極管VD→電容C、電阻R→輸入側(cè)直流電壓源E負(fù)極，此刻輸入側(cè)直流電壓源E和電感L發(fā)出能量，由于電感L取值較大，電路中的電流仍可取為先前的電流值I1，在該區(qū)間內(nèi)電感L所放出的能量P2?=?(Uo?-?E)I1toff，由于電容C取值較大，負(fù)載輸出電壓仍為恒定值Uo。根據(jù)上述分析，可以得出升壓斬波電路的輸出電壓波形如圖5.4所示。根據(jù)一個(gè)周期內(nèi)電感L吸收和放出的能量相等的原理(P1?=?P2)，可計(jì)算得出輸出電壓uo的平均值為5.3升降壓斬波電路升降壓斬波電路的功能是，在滿足某一條件下可以實(shí)現(xiàn)升壓功能，在滿足另一條件下可以實(shí)現(xiàn)降壓功能，具體條件將在下文中進(jìn)行介紹。升降壓斬波電路由以下幾個(gè)部分組成：輸入側(cè)直流電壓源E、全控型器件絕緣柵雙極型晶體管V、電感L、二極管VD、電容C、電阻R。電路結(jié)構(gòu)如圖5.5所示，圖中電阻電容RC儲存的電壓方向?yàn)樯县?fù)下正(即負(fù)載電壓和電源電壓的方向相反)，該電路又稱為反極性斬波電路。在分析該電路的工作原理時(shí)，將絕緣柵雙極型晶體管導(dǎo)通的區(qū)間標(biāo)注為ton，關(guān)斷的區(qū)間標(biāo)注為toff，一個(gè)周期為兩者之和。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需分析一個(gè)周期的工作狀態(tài)，且電感L、電容C的取值很大。本次電路觀測圖5.5中標(biāo)注的i1和i2的波形情況。當(dāng)絕緣柵雙極型晶體管導(dǎo)通時(shí)，即在ton的區(qū)間內(nèi)，電路中的電流流向?yàn)椋狠斎雮?cè)直流電壓源E正極→絕緣柵雙極型晶體管→電感L→輸入側(cè)直流電壓源E負(fù)極。此刻電感L正在吸收能量，假定L的取值較大，此刻電路中的電流i1可以看為一個(gè)恒定的數(shù)值，假定為I，在波形圖中即可在ton的區(qū)間內(nèi)將i1波形畫為一條直線，而此刻i2的取值為0?A。當(dāng)絕緣柵雙極型晶體管關(guān)斷時(shí)，即在toff的區(qū)間內(nèi)，電路中的電流流向?yàn)椋弘姼蠰→電容C、電阻R→二極管VD→電感L。根據(jù)該通路可得到此刻i1的取值為0?A，而由于電感取值較大，阻止電流突變，因此電路中的電流可看成和剛才的電流一致，取值為I，因此在波形圖中可在toff的區(qū)間內(nèi)將i1畫為0?A，i2畫為取值等于I的一條直線。根據(jù)上述分析，可得升降壓斬波電路的輸出電流波形如圖5.6所示。根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)電感L在一個(gè)周期內(nèi)兩端電壓對時(shí)間的積分為0，推導(dǎo)可得升降壓斬波電路的輸出電壓公式為其中，占空比α?=?ton/T，當(dāng)α的取值在0～0.5時(shí)，可計(jì)算得出Uo＜E，此刻電路實(shí)現(xiàn)降壓功能；當(dāng)α的取值在0.5～1時(shí)，可計(jì)算得出Uo＞E，此刻電路實(shí)現(xiàn)升壓功能。所以該電路被稱為升降壓斬波電路，只需要調(diào)整占空比α的取值，便可選擇實(shí)現(xiàn)升壓或者降壓的功能。5.4Cuk斬波電路Cuk斬波電路的結(jié)構(gòu)如圖5.7所示，由以下幾個(gè)部分組成：輸入側(cè)直流電壓源E、全控型器件絕緣柵雙極型晶體管V、電感L1和L2、二極管VD、電容C、電阻負(fù)載R。電容儲存能量的電壓方向?yàn)樽笳邑?fù)。當(dāng)絕緣柵雙極型晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電流的流向有兩條通路，分別為：輸入側(cè)直流電壓源E正極→電感L1→絕緣柵雙極型晶體管V→輸入側(cè)直流電壓源E負(fù)極；電容C→絕緣柵雙極型晶體管V→電阻R→電感L2。當(dāng)絕緣柵雙極型晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，電流也有兩條通路，分別為：輸入側(cè)直流電壓源E正極→電感L1→電容C→二極管VD→輸入側(cè)直流電壓源E負(fù)極；電感L2→二極管VD→電阻R。根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)電容C的電流在一周期內(nèi)平均值為0，推導(dǎo)可得Cuk斬波電路的輸出電壓公式為5.5Zeta斬波電路Zeta斬波電路的結(jié)構(gòu)如圖5.8所示，該電路由輸入側(cè)直流電壓源E、全控型器件絕緣柵雙極型晶體管V、2個(gè)電感L1和L2、二極管VD、2個(gè)電容C1和C2、電阻負(fù)載R組成。當(dāng)絕緣柵雙極型晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電流有兩個(gè)通路，分別為：輸入側(cè)直流電壓源E經(jīng)過絕緣柵雙極型晶體管向電感L1供電；輸入側(cè)直流電壓源E、電容C1經(jīng)過電感L2向電容C2和電阻負(fù)載R供電。當(dāng)絕緣柵雙極型晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，電流也有兩個(gè)通路，分別為：電感L1通過二極管VD向電容C1供電；電感L2經(jīng)過二極管VD續(xù)流。推導(dǎo)可得Zeta斬波電路的輸出電壓公式為5.6Sepic斬波電路Sepic斬波電路的結(jié)構(gòu)如圖5.9所示，該電路由輸入側(cè)直流電壓源E、2個(gè)電感L1和L2、全控型器件絕緣柵雙極型晶體管V、二極管VD、2個(gè)電容C1和C2、電阻負(fù)載R組成。當(dāng)絕緣柵雙極型晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電流有兩個(gè)通路，流向?yàn)椋狠斎雮?cè)直流電壓源E正極→電感L1→絕緣柵雙極型晶體管V→直流電壓源E負(fù)極；電容C1→絕緣柵雙極型晶體管V→電感L2。當(dāng)絕緣柵雙極型晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，電流也有兩個(gè)通路，流向?yàn)椋狠斎雮?cè)直流電壓源E正極→電感L1→電容C1→二極管VD→電容C2、電阻R→直流電壓源E負(fù)極；電感L2→二極管VD→電容C2、電阻R。推導(dǎo)可得Sepic斬波電路的輸出電壓公式為5.7多相多重?cái)夭娐范嘞喽嘀財(cái)夭娐肥菍讉€(gè)相同的基本斬波電路通過一定方式組合而成的。如圖5.10所示，E、V1、VD1、L1、R；E、V2、VD2、L2、R；E、V3、VD3、L3、R分別為3個(gè)降壓斬波電路，將其組合便可構(gòu)成三相三重?cái)夭娐?。為輸出?guī)律的電流波形，在一個(gè)周期內(nèi)V1、V2、V3的導(dǎo)通相位依次相差1/3個(gè)周期，例如一個(gè)周期為360°，則V1在0°時(shí)開始給導(dǎo)通信號，V2在120°時(shí)開始給導(dǎo)通信號，V3在240°時(shí)開始給導(dǎo)通信號。由于V1、V2、V3為絕緣柵雙極型晶體管，屬于全控型器件，因此可以通過其柵極G端控制通斷。流過電阻R的電流io為電流i1、i2、i3之和，電流i1、i2、i3的脈動互相抵消，因此得到的電流io脈動幅度會平緩很多。6.1

單相交流調(diào)壓電路(帶電阻負(fù)載)

6.2單相交流調(diào)壓電路(帶電阻電感負(fù)載)6.1單相交流調(diào)壓電路(帶電阻負(fù)載)單相交流調(diào)壓電路(帶電阻負(fù)載)結(jié)構(gòu)如圖6.1所示，由交流電壓源u1、反向并聯(lián)的晶閘管VT1和VT2、電阻負(fù)載R組成。由于本電路的波形是周期性變化的，故只需分析一個(gè)周期的工作情況(即0°～360°)，觀測電阻負(fù)載兩端輸出電壓uo、流過電阻負(fù)載R的電流io及并聯(lián)晶閘管兩端電壓uVT的波形，本電路控制角α的取值為90°。由圖形連接方式可知晶閘管VT1在0°～180°的區(qū)間內(nèi)承受正向電壓，晶閘管VT2在180°～360°的區(qū)間內(nèi)承受正向電壓，因此，當(dāng)晶閘管的控制角α取值為90°時(shí)，VT1的門極觸發(fā)脈沖在相位90°的時(shí)候施加，VT2的門極觸發(fā)脈沖在270°的時(shí)候施加。由此便可確定2個(gè)晶閘管在何區(qū)間導(dǎo)通。單相交流調(diào)壓電路(帶電阻負(fù)載)的工作情況如表6.1所示。單相交流調(diào)壓電路(帶電阻負(fù)載)電阻負(fù)載兩端輸出電壓uo、流過電阻負(fù)載R的電流io、晶閘管兩端電壓uVT的波形如圖6.2所示。當(dāng)單相交流調(diào)壓電路穩(wěn)定工作后，將不斷重復(fù)圖6.2所示的波形。6.2單相交流調(diào)壓電路(帶電阻電感負(fù)載)單相交流調(diào)壓電路(帶電阻電感負(fù)載)結(jié)構(gòu)如圖6.3所示，由交流電壓源u1、反向并聯(lián)的晶閘管VT1和VT2、電阻電感負(fù)載RL組成。本電路分析0°～360°的工作情況，即觀測一個(gè)周期中電阻電感負(fù)載兩端輸出電壓uo、流過電阻電感負(fù)載RL電流io及并聯(lián)晶閘管兩端電壓uVT的波形，本電路門極觸發(fā)脈沖控制角α的取值為90°。在該電路中，0°～180°內(nèi)晶閘管VT1承受正向電壓，180°～360°內(nèi)晶閘管VT2承受正向電壓，當(dāng)控制角α取值為90°時(shí)，VT1的門極觸發(fā)脈沖在相位90°施加，VT2的門極觸發(fā)脈沖在270°施加。該電路與6.1節(jié)帶電阻負(fù)載的單相交流調(diào)壓電路的不同之處是負(fù)載由電阻R變?yōu)殡娮桦姼蠷L，由于電感的存在會使得流過晶閘管的電流無法突變?yōu)??A，延后晶閘管關(guān)斷的時(shí)刻。單相交流調(diào)壓電路(帶電阻電感負(fù)載)的工作情況如表6.2所示。單相交流調(diào)壓電路(帶電阻電感負(fù)載)電阻電感負(fù)載兩端輸出電壓uo、流過電阻電感負(fù)載RL的電流io、晶閘管兩端電壓uVT的波形如圖6.4所示。7.1單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

7.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.1單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖7.1所示，單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：給定電壓電路、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、觸發(fā)電路CF、三相整流橋電路、電機(jī)主回路、轉(zhuǎn)速檢測電路、反饋電路。在圖7.1中可以觀測到只有一個(gè)轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)，故該電路被稱為單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。7.1.1單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的正反饋與負(fù)反饋模式參考自動控制原理，閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)按照反饋信號處理方式，可以分為正反饋工作模式和負(fù)反饋工作模式兩種。正反饋的定義是，將輸出量與輸入量采用相加的比較方式，而后通過反饋回路回饋至輸入端口，從而影響控制系統(tǒng)；負(fù)反饋采用將輸出量與輸入量作差的方式，將作差得到的信號回饋至輸入端口，從而影響控制系統(tǒng)。在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，只有采用負(fù)反饋的工作模式才可消除轉(zhuǎn)速偏差，如果控制方式采用正反饋模式，則會導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷上升最終發(fā)生失控的現(xiàn)象。1.正反饋工作模式當(dāng)控制系統(tǒng)采用電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋電壓Un和給定電壓

“相加”的正反饋模式時(shí)，系統(tǒng)輸入端的輸入電壓為

。當(dāng)控制系統(tǒng)中的電機(jī)由于外界干擾導(dǎo)致轉(zhuǎn)速n增大，電機(jī)反饋電壓Un隨之增大，導(dǎo)致系統(tǒng)輸入端電壓

增大，下一環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出電壓Uct增大，晶閘管整流裝置輸出電壓Ud繼而增大，使得轉(zhuǎn)速n進(jìn)一步增大，而電機(jī)轉(zhuǎn)速n增大通過反饋回路又使得電機(jī)反饋電壓Un隨之增大，而后系統(tǒng)輸入端電壓ΔU又繼續(xù)增大，進(jìn)入一個(gè)和剛才敘述過程重復(fù)的正反饋循環(huán)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速在該過程中不斷增加，最終導(dǎo)致失控現(xiàn)象的發(fā)生，該反饋過程為：2.負(fù)反饋工作模式為了克服上述正反饋的缺點(diǎn)，控制系統(tǒng)需要采用負(fù)反饋，負(fù)反饋模式下給定電壓

和轉(zhuǎn)速反饋電壓Un“相減”，系統(tǒng)輸入端的輸入電壓為

?？紤]給定電壓

對系統(tǒng)的影響，轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小受轉(zhuǎn)速給定電壓

控制，當(dāng)給定電壓取值為零時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)給定電壓

增大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨之增大；當(dāng)給定電壓

減小時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨之降低。以提高轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)為例，系統(tǒng)原理分析為：當(dāng)給定電壓

增大時(shí)，會使得系統(tǒng)輸入端的輸入電壓

增大，而后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出電壓Uct增大，晶閘管整流裝置輸出電壓Ud隨之增大，最終使得轉(zhuǎn)速n上升，在有靜差的系統(tǒng)中，

趨向于一個(gè)穩(wěn)定的值，轉(zhuǎn)速在增加一定取值之后趨于穩(wěn)定。考慮轉(zhuǎn)速變化對系統(tǒng)的影響，當(dāng)系統(tǒng)受到外界的擾動，電機(jī)轉(zhuǎn)速n下降時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋電壓Un隨之減小，導(dǎo)致系統(tǒng)輸入端電壓

增大，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出電壓Uct增大，晶閘管整流裝置輸出電壓Ud繼而增大，使得轉(zhuǎn)速n增大，而轉(zhuǎn)速n的增大會使得由于外界負(fù)載變化擾動而降低的電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到一個(gè)正常區(qū)間，該過程為通過這一調(diào)節(jié)可抑制轉(zhuǎn)速的下降，雖然不能做到完全阻止轉(zhuǎn)速下降，但同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，轉(zhuǎn)速的下降程度會大大降低，從而保持了轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定。7.1.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性上文對單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的負(fù)反饋工作模式進(jìn)行了介紹，為更進(jìn)一步了解系統(tǒng)的工作原理，本節(jié)將分析單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電樞電流Id(或轉(zhuǎn)矩)之間的關(guān)系稱為閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。圖7.2為圖7.1轉(zhuǎn)換而成的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。其中，Kp為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊中的運(yùn)算放大器放大系數(shù)，Ks為功放整流模塊系數(shù)，Id為電樞電流，R為電樞電阻，Ce為額定磁通下的電動勢系數(shù)，α為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。由穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可得如下計(jì)算公式：綜合上述四個(gè)公式可以得出系統(tǒng)的靜特性方程為其中，K稱為系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，計(jì)算公式為由電機(jī)拖動原理可知開環(huán)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的公式為單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速公式即式(7-1)的靜特性方程為由此可得開環(huán)系統(tǒng)計(jì)算公式的斜率為

，單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)計(jì)算公式的斜率為

，可見單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的斜率比開環(huán)系統(tǒng)的斜率小得多，為了更加直觀地觀測二者的區(qū)別，圖7.3中使用式(7-1)、式(7-2)繪制了開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性曲線，兩者都表示電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電樞電流Id(或轉(zhuǎn)矩)之間的關(guān)系，只是開環(huán)系統(tǒng)用機(jī)械特性表示二者關(guān)系，閉環(huán)系統(tǒng)用靜特性表示二者關(guān)系。需要注意的是，閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性表示的是電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電樞電流Id(或轉(zhuǎn)矩)的靜態(tài)關(guān)系，是經(jīng)過閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)后的結(jié)果，在每條機(jī)械特性曲線上對應(yīng)一個(gè)相應(yīng)的工作點(diǎn)，是一種靜態(tài)的關(guān)系，靜特性無法體現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)動態(tài)的工作過程。如圖7.3所示，Ud1、Ud2、Ud3、Ud4線段是不同電樞電壓下的開環(huán)機(jī)械特性曲線，當(dāng)電壓取值為Ud1而電樞電流取值為Id1時(shí)，電機(jī)位于線段Ud1的A點(diǎn)上，當(dāng)電壓保持Ud1不變，負(fù)載增加時(shí)，電樞電流增大至Id2，電機(jī)轉(zhuǎn)速由A點(diǎn)沿著線段Ud1下降至E點(diǎn)。因此在開環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)受到外界環(huán)境擾動，轉(zhuǎn)速n會下降。在閉環(huán)系統(tǒng)中由于存在轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)，當(dāng)電機(jī)所帶的負(fù)載增大，電樞電流Id隨之增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速稍有下降時(shí)，在轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的作用下，系統(tǒng)輸入端電壓

即刻增大，ΔU輸入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過前向通路影響電機(jī)的最終轉(zhuǎn)速，根據(jù)靜特性的計(jì)算公式可得，電機(jī)從A點(diǎn)切換到B點(diǎn)，觀察圖7.3可知，雖然流過電機(jī)的電樞電流Id加大，但是電機(jī)的轉(zhuǎn)速幾乎不變。同理，如果電機(jī)所帶的負(fù)載繼續(xù)加大，電流逐步增加為Id3、Id4，在轉(zhuǎn)速反饋的持續(xù)調(diào)節(jié)下，電機(jī)工作點(diǎn)會位于C點(diǎn)和D點(diǎn)，對比閉環(huán)靜特性的A、B、C、D點(diǎn)與開環(huán)特性線段上的A、E點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性更硬，轉(zhuǎn)速下降的數(shù)值較少。7.1.3有靜差調(diào)速與無靜差調(diào)速依據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用的調(diào)節(jié)方式，可將單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)分為有靜差調(diào)速系統(tǒng)和無靜差調(diào)速系統(tǒng)，下文將對這兩種系統(tǒng)的概念作具體介紹。1.有靜差調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用比例調(diào)節(jié)器(P)時(shí)，此種單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)稱為有靜差調(diào)速系統(tǒng)。圖7.1中采用的便為比例調(diào)節(jié)器的工作模式，對于其工作原理本節(jié)不再贅述。從圖7.2有靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖來看，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓比較后的偏差電壓ΔU來控制的，偏差電壓ΔU取值越大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n便越高，因此，在有靜差的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速n的實(shí)際值和給定的期望轉(zhuǎn)速值總是有一定的偏差。下面所示的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降公式也證明了這點(diǎn)：根據(jù)式(7-3)可知，只有當(dāng)放大系數(shù)K取值極大時(shí)，轉(zhuǎn)速實(shí)際值和期望值之差Δnb才能趨向于0，但在實(shí)際工作中，K的取值不會是無窮大的，因此實(shí)際轉(zhuǎn)速和期望轉(zhuǎn)速值一直會存在一個(gè)偏差Δnb，這便是有靜差的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。2.無靜差調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用比例積分調(diào)節(jié)器(PI)時(shí)，此種單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)稱為無靜差調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)無靜差調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速反饋電壓Un與給定電壓的值相等，因此調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓ΔU取值為零。比例積分調(diào)節(jié)器(PI)由比例調(diào)節(jié)器(P)和積分調(diào)節(jié)器(I)組合而成，其輸入輸出特性是二者特性的疊加。在比例調(diào)節(jié)器中，輸出電壓為根據(jù)該公式可得，比例調(diào)節(jié)器的輸出跟隨輸入的變化而變化，調(diào)節(jié)的速度較快，且由于調(diào)節(jié)器的輸入偏差ΔU取值不為零，因此如果僅使用