一种直流斩波电路和一种负载换流型逆变电路的应用

熊小刚

[摘要]直流斩波电路常用于直流电动机调速系统的主电路，它能实现电动、能耗制动和回馈制动等功能，可用于城市的无轨电车等牵引设备中，在晶闸管逆变电路中，如果负载电流略超前于负载电压，即负载略呈容性，则可采用负载换流方式，本文将将分别介绍这两种电路的结构与工作原理。

[关键词]直流斩波电路 负载换流型 逆变电路 应用

一、直流斩波电路

1.电路结构

图1是可关断晶闸管GTO作为斩波器件的直流电动机调速系统的主电路。它能实现电动、能耗制动和回馈制动等功能，可用于城市的无轨电车等牵引设备中。调速系统主电路的构成主要由一只可关断晶闸管GTO、续流二极管VD₁、制动回路二极管VD₂和串励直流电动机M所组成。电路中HL是霍尔电流检测装置，R₂是能耗制动电阻，VT₁是能耗制动用的快速晶闸管，CF是滤波电容，LF是滤波电感，L是励磁绕组。

2.电路应用

下面分牵引工况、牵引一制动转换和电气制动三种情况说明其工作过程。

1.牵引工况接触器触头KM₁、KM₂、KM₃、KM_4-1、KM_4-2闭合。当GTO导通时，电源U通过U⁺→KM₁→KM₂→KM₃→KM_4-1→M→KM_4-2→L→HL→GTO→U^-回路向电动机M供电，极性为左正右负，电动机两端电压Uab=U。当GTO关断时，电流续流回路为M→KM_4-2→L→HL→VD₁→KM₃→KM_4-1→M，二极管VD₁导通，所以电动机两端电压Uab=0。控制GTO的导通和关断的时间比，就可控制电动机两端的平均电压，其平均电压为U_AB=DU，从而改变电动机的速度，达到斩波调速的目的。触发快速晶闸管VT₂导通可以使直流电动机运行于弱磁升速的工作状态。在牵引工作时采用恒流控制方式可以获得恒加速度起动过程。

2.牵引一制动转换GTO关断时，电枢电流通过M→KM_4-2→L→HL→VD₁→KM₃→KM_4-1-'M回路续流，由于回路中存在电阻，电感L中储存的能量快速释放，电枢电流很快衰减到零，当HL检测到电枢电流为零时，接触器进行切换，这时KM3、KM4断开，KM3闭合，为形成制动回路作好准备，同时KM6闭合，投入预励磁，加快反电动势电压的产生，一旦反电动势电压建立后，KMs会自动断开。

3.电气制动电气制动可分能耗制动和回馈制动两类，主要根据负载性质而定。对于反抗性负载，采用能耗制动来实现快速停车。对于位能性负载，采用回馈制动来达到限速的目的。

（1）能耗制动：当GTO导通时，电流通路为M→KM_5-2→L→HL→GTO→VD₂→KM_5-1→M，在电枢电动势的作用下，这阶段的电流按线性规律上升。在GTO关断的同时触发VT₁导通，这时电流不通过GTO，而是通过VT₁和RZ形成制動回路，将电力拖动系统的动能转换成电能后消耗在电阻RZ上，实现了能耗制动。控制GTO工作的占空比D，就可以调节能耗制动的平均电流和转矩，达到控制整个制动过程效果的目的。

（2）回馈制动：当GTO导通时，电流通路与能耗制动一样，这一过程是电流按线性规律上升，在电感中储存能量的阶段。而GTO关断时，立即断开KM₃、KM₄，KM₅，电流由M→KM_5-2→L→HL→VD₁→U⁺→U^-→VD₂→KM_5-1→M形成回路，电感电动势与电枢电动势叠加后向电源回馈能量，实现了回馈制动。控制GTO工作的占空比D，就可以调节回馈制动的强烈程度。

二、负载换流型逆变电路

1.电路结构

图2给出了负载换流的串联式谐振逆变电路的原理图。图中R、L为负载等效电阻，因负载功率数较低，再串入一个电容C进行功率因数补偿，这样就构成了负载换流型的串联式谐振逆变电路。

逆变电路输入端并联滤波电容Cd，输入端电压视为恒定，因而属于电压型逆变电路。为了使RLC串联谐振能在一个周期内持续进行，反同并联了二极管VD₁～VD₄。

2.工作原理

串联式谐振逆变电路输出电流、电压的波形如图3所示。因为是电压型逆变电路，其输出电压为方波，其中包含基波和各次谐波。工作时，将逆变频率调谐在负载谐振频率附近，负载对基波电压呈现低阻抗，对谐波分量呈现高阻抗，负载流过较大的基波电流，而高次谐波电流可忽略不计，即负载端可获得正弦的输出电流。另外，还要求电路的工作频率略低于电路的谐振频率，使负载呈容性，负载电流超前电压，以实现负载换流。

设晶闸管VT₁、VT₄导通，电流由A指向，UAB为左正右负。由图可知，在0-t₁期间，电流从Cd正端经VT₁、R、L、C和VT₄回到Dd负端。当t=t₁时，电流为零。在t₁-t₂期间，电流反向，电流由Cd负端经VD₄、C、L、R和VD₁回到Cd正端。由于VT₁和VD₁、VT₄和VD₄是反向并联，VT₁、VT₄承受反压关断。当t=t₂时，触发VT₂、VT₃，负载两端电压极性为左负右正，VD₁、VD₄截止。在t₂-t₃期间，电流由Cd正端经VT₂、C、L、R和VT3回到Cd负端。在t₃-t₄期间，电流反向，电流由Cd负端经VD₃、R、L、C和VD2回到cd正端。VT₂、VT₃承受反向电压。当t=t₄时，再触发VT₁、VT₄图2中tf为晶闸管承受反压的时间，必须满足t_f>t_q，晶闸管才能可靠关断。

串联谐振式逆变电路适用于淬火热加工等需要频繁启动、负载参数变化较小的场合。