一種直流斬波電路和一種負載換流型逆變電路的應用

熊小剛

[摘要]直流斬波電路常用于直流電動機調速系統的主電路，它能實現電動、能耗制動和回饋制動等功能，可用于城市的無軌電車等牽引設備中，在晶閘管逆變電路中，如果負載電流略超前于負載電壓，即負載略呈容性，則可采用負載換流方式，本文將將分別介紹這兩種電路的結構與工作原理。

[關鍵詞]直流斬波電路 負載換流型 逆變電路 應用

一、直流斬波電路

1.電路結構

圖1是可關斷晶閘管GTO作為斬波器件的直流電動機調速系統的主電路。它能實現電動、能耗制動和回饋制動等功能，可用于城市的無軌電車等牽引設備中。調速系統主電路的構成主要由一只可關斷晶閘管GTO、續流二極管VD₁、制動回路二極管VD₂和串勵直流電動機M所組成。電路中HL是霍爾電流檢測裝置，R₂是能耗制動電阻，VT₁是能耗制動用的快速晶閘管，CF是濾波電容，LF是濾波電感，L是勵磁繞組。

2.電路應用

下面分牽引工況、牽引一制動轉換和電氣制動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GTO導通時，電源U通過U⁺→KM₁→KM₂→KM₃→KM_4-1→M→KM_4-2→L→HL→GTO→U^-回路向電動機M供電，極性為左正右負，電動機兩端電壓Uab=U。當GTO關斷時，電流續流回路為M→KM_4-2→L→HL→VD₁→KM₃→KM_4-1→M，二極管VD₁導通，所以電動機兩端電壓Uab=0。控制GTO的導通和關斷的時間比，就可控制電動機兩端的平均電壓，其平均電壓為U_AB=DU，從而改變電動機的速度，達到斬波調速的目的。觸發快速晶閘管VT₂導通可以使直流電動機運行于弱磁升速的工作狀態。在牽引工作時采用恒流控制方式可以獲得恒加速度起動過程。

2.牽引一制動轉換GTO關斷時，電樞電流通過M→KM_4-2→L→HL→VD₁→KM₃→KM_4-1-'M回路續流，由于回路中存在電阻，電感L中儲存的能量快速釋放，電樞電流很快衰減到零，當HL檢測到電樞電流為零時，接觸器進行切換，這時KM3、KM4斷開，KM3閉合，為形成制動回路作好準備，同時KM6閉合，投入預勵磁，加快反電動勢電壓的產生，一旦反電動勢電壓建立后，KMs會自動斷開。

3.電氣制動電氣制動可分能耗制動和回饋制動兩類，主要根據負載性質而定。對于反抗性負載，采用能耗制動來實現快速停車。對于位能性負載，采用回饋制動來達到限速的目的。

（1）能耗制動：當GTO導通時，電流通路為M→KM_5-2→L→HL→GTO→VD₂→KM_5-1→M，在電樞電動勢的作用下，這階段的電流按線性規律上升。在GTO關斷的同時觸發VT₁導通，這時電流不通過GTO，而是通過VT₁和RZ形成制動回路，將電力拖動系統的動能轉換成電能后消耗在電阻RZ上，實現了能耗制動。控制GTO工作的占空比D，就可以調節能耗制動的平均電流和轉矩，達到控制整個制動過程效果的目的。

（2）回饋制動：當GTO導通時，電流通路與能耗制動一樣，這一過程是電流按線性規律上升，在電感中儲存能量的階段。而GTO關斷時，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，電感電動勢與電樞電動勢疊加后向電源回饋能量，實現了回饋制動。控制GTO工作的占空比D，就可以調節回饋制動的強烈程度。

二、負載換流型逆變電路

1.電路結構

圖2給出了負載換流的串聯式諧振逆變電路的原理圖。圖中R、L為負載等效電阻，因負載功率數較低，再串入一個電容C進行功率因數補償，這樣就構成了負載換流型的串聯式諧振逆變電路。

逆變電路輸入端并聯濾波電容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串聯諧振能在一個周期內持續進行，反同并聯了二極管VD₁～VD₄。

2.工作原理

串聯式諧振逆變電路輸出電流、電壓的波形如圖3所示。因為是電壓型逆變電路，其輸出電壓為方波，其中包含基波和各次諧波。工作時，將逆變頻率調諧在負載諧振頻率附近，負載對基波電壓呈現低阻抗，對諧波分量呈現高阻抗，負載流過較大的基波電流，而高次諧波電流可忽略不計，即負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，使負載呈容性，負載電流超前電壓，以實現負載換流。

設晶閘管VT₁、VT₄導通，電流由A指向，UAB為左正右負。由圖可知，在0-t₁期間，電流從Cd正端經VT₁、R、L、C和VT₄回到Dd負端。當t=t₁時，電流為零。在t₁-t₂期間，電流反向，電流由Cd負端經VD₄、C、L、R和VD₁回到Cd正端。由于VT₁和VD₁、VT₄和VD₄是反向并聯，VT₁、VT₄承受反壓關斷。當t=t₂時，觸發VT₂、VT₃，負載兩端電壓極性為左負右正，VD₁、VD₄截止。在t₂-t₃期間，電流由Cd正端經VT₂、C、L、R和VT3回到Cd負端。在t₃-t₄期間，電流反向，電流由Cd負端經VD₃、R、L、C和VD2回到cd正端。VT₂、VT₃承受反向電壓。當t=t₄時，再觸發VT₁、VT₄圖2中tf為晶閘管承受反壓的時間，必須滿足t_f>t_q，晶閘管才能可靠關斷。

串聯諧振式逆變電路適用于淬火熱加工等需要頻繁啟動、負載參數變化較小的場合。