一種直流斬波電路和一種負(fù)載換流型逆變電路的應(yīng)用

熊小剛

[摘要]直流斬波電路常用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主電路，它能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)、能耗制動(dòng)和回饋制動(dòng)等功能，可用于城市的無軌電車等牽引設(shè)備中，在晶閘管逆變電路中，如果負(fù)載電流略超前于負(fù)載電壓，即負(fù)載略呈容性，則可采用負(fù)載換流方式，本文將將分別介紹這兩種電路的結(jié)構(gòu)與工作原理。

[關(guān)鍵詞]直流斬波電路 負(fù)載換流型 逆變電路 應(yīng)用

一、直流斬波電路

1.電路結(jié)構(gòu)

圖1是可關(guān)斷晶閘管GTO作為斬波器件的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主電路。它能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)、能耗制動(dòng)和回饋制動(dòng)等功能，可用于城市的無軌電車等牽引設(shè)備中。調(diào)速系統(tǒng)主電路的構(gòu)成主要由一只可關(guān)斷晶閘管GTO、續(xù)流二極管VD₁、制動(dòng)回路二極管VD₂和串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)M所組成。電路中HL是霍爾電流檢測(cè)裝置，R₂是能耗制動(dòng)電阻，VT₁是能耗制動(dòng)用的快速晶閘管，CF是濾波電容，LF是濾波電感，L是勵(lì)磁繞組。

2.電路應(yīng)用

下面分牽引工況、牽引一制動(dòng)轉(zhuǎn)換和電氣制動(dòng)三種情況說明其工作過程。

1.牽引工況接觸器觸頭KM₁、KM₂、KM₃、KM_4-1、KM_4-2閉合。當(dāng)GTO導(dǎo)通時(shí)，電源U通過U⁺→KM₁→KM₂→KM₃→KM_4-1→M→KM_4-2→L→HL→GTO→U^-回路向電動(dòng)機(jī)M供電，極性為左正右負(fù)，電動(dòng)機(jī)兩端電壓Uab=U。當(dāng)GTO關(guān)斷時(shí)，電流續(xù)流回路為M→KM_4-2→L→HL→VD₁→KM₃→KM_4-1→M，二極管VD₁導(dǎo)通，所以電動(dòng)機(jī)兩端電壓Uab=0。控制GTO的導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比，就可控制電動(dòng)機(jī)兩端的平均電壓，其平均電壓為U_AB=DU，從而改變電動(dòng)機(jī)的速度，達(dá)到斬波調(diào)速的目的。觸發(fā)快速晶閘管VT₂導(dǎo)通可以使直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于弱磁升速的工作狀態(tài)。在牽引工作時(shí)采用恒流控制方式可以獲得恒加速度起動(dòng)過程。

2.牽引一制動(dòng)轉(zhuǎn)換GTO關(guān)斷時(shí)，電樞電流通過M→KM_4-2→L→HL→VD₁→KM₃→KM_4-1-'M回路續(xù)流，由于回路中存在電阻，電感L中儲(chǔ)存的能量快速釋放，電樞電流很快衰減到零，當(dāng)HL檢測(cè)到電樞電流為零時(shí)，接觸器進(jìn)行切換，這時(shí)KM3、KM4斷開，KM3閉合，為形成制動(dòng)回路作好準(zhǔn)備，同時(shí)KM6閉合，投入預(yù)勵(lì)磁，加快反電動(dòng)勢(shì)電壓的產(chǎn)生，一旦反電動(dòng)勢(shì)電壓建立后，KMs會(huì)自動(dòng)斷開。

3.電氣制動(dòng)電氣制動(dòng)可分能耗制動(dòng)和回饋制動(dòng)兩類，主要根據(jù)負(fù)載性質(zhì)而定。對(duì)于反抗性負(fù)載，采用能耗制動(dòng)來實(shí)現(xiàn)快速停車。對(duì)于位能性負(fù)載，采用回饋制動(dòng)來達(dá)到限速的目的。

（1）能耗制動(dòng)：當(dāng)GTO導(dǎo)通時(shí)，電流通路為M→KM_5-2→L→HL→GTO→VD₂→KM_5-1→M，在電樞電動(dòng)勢(shì)的作用下，這階段的電流按線性規(guī)律上升。在GTO關(guān)斷的同時(shí)觸發(fā)VT₁導(dǎo)通，這時(shí)電流不通過GTO，而是通過VT₁和RZ形成制動(dòng)回路，將電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能后消耗在電阻RZ上，實(shí)現(xiàn)了能耗制動(dòng)。控制GTO工作的占空比D，就可以調(diào)節(jié)能耗制動(dòng)的平均電流和轉(zhuǎn)矩，達(dá)到控制整個(gè)制動(dòng)過程效果的目的。

（2）回饋制動(dòng)：當(dāng)GTO導(dǎo)通時(shí)，電流通路與能耗制動(dòng)一樣，這一過程是電流按線性規(guī)律上升，在電感中儲(chǔ)存能量的階段。而GTO關(guān)斷時(shí)，立即斷開KM₃、KM₄，KM₅，電流由M→KM_5-2→L→HL→VD₁→U⁺→U^-→VD₂→KM_5-1→M形成回路，電感電動(dòng)勢(shì)與電樞電動(dòng)勢(shì)疊加后向電源回饋能量，實(shí)現(xiàn)了回饋制動(dòng)?？刂艷TO工作的占空比D，就可以調(diào)節(jié)回饋制動(dòng)的強(qiáng)烈程度。

二、負(fù)載換流型逆變電路

1.電路結(jié)構(gòu)

圖2給出了負(fù)載換流的串聯(lián)式諧振逆變電路的原理圖。圖中R、L為負(fù)載等效電阻，因負(fù)載功率數(shù)較低，再串入一個(gè)電容C進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償，這樣就構(gòu)成了負(fù)載換流型的串聯(lián)式諧振逆變電路。

逆變電路輸入端并聯(lián)濾波電容Cd，輸入端電壓視為恒定，因而屬于電壓型逆變電路。為了使RLC串聯(lián)諧振能在一個(gè)周期內(nèi)持續(xù)進(jìn)行，反同并聯(lián)了二極管VD₁～VD₄。

2.工作原理

串聯(lián)式諧振逆變電路輸出電流、電壓的波形如圖3所示。因?yàn)槭请妷盒湍孀冸娐?，其輸出電壓為方波，其中包含基波和各次諧波。工作時(shí)，將逆變頻率調(diào)諧在負(fù)載諧振頻率附近，負(fù)載對(duì)基波電壓呈現(xiàn)低阻抗，對(duì)諧波分量呈現(xiàn)高阻抗，負(fù)載流過較大的基波電流，而高次諧波電流可忽略不計(jì)，即負(fù)載端可獲得正弦的輸出電流。另外，還要求電路的工作頻率略低于電路的諧振頻率，使負(fù)載呈容性，負(fù)載電流超前電壓，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。

設(shè)晶閘管VT₁、VT₄導(dǎo)通，電流由A指向，UAB為左正右負(fù)。由圖可知，在0-t₁期間，電流從Cd正端經(jīng)VT₁、R、L、C和VT₄回到Dd負(fù)端。當(dāng)t=t₁時(shí)，電流為零。在t₁-t₂期間，電流反向，電流由Cd負(fù)端經(jīng)VD₄、C、L、R和VD₁回到Cd正端。由于VT₁和VD₁、VT₄和VD₄是反向并聯(lián)，VT₁、VT₄承受反壓關(guān)斷。當(dāng)t=t₂時(shí)，觸發(fā)VT₂、VT₃，負(fù)載兩端電壓極性為左負(fù)右正，VD₁、VD₄截止。在t₂-t₃期間，電流由Cd正端經(jīng)VT₂、C、L、R和VT3回到Cd負(fù)端。在t₃-t₄期間，電流反向，電流由Cd負(fù)端經(jīng)VD₃、R、L、C和VD2回到cd正端。VT₂、VT₃承受反向電壓。當(dāng)t=t₄時(shí)，再觸發(fā)VT₁、VT₄圖2中tf為晶閘管承受反壓的時(shí)間，必須滿足t_f>t_q，晶閘管才能可靠關(guān)斷。

串聯(lián)諧振式逆變電路適用于淬火熱加工等需要頻繁啟動(dòng)、負(fù)載參數(shù)變化較小的場(chǎng)合。