复合斩波电路的设计与应用

复合斩波电路是由基本斩波电路组合而成,常见的复合斩波电路有电流可逆斩波电路、桥式可逆斩波电路和多相多重斩波电路。

1.电流可逆斩波电路

电流可逆斩波电路常用于直流电动机的电动和制动运行控制,即当需要直流电动机主动运转时,让直流电源为电动机提供电压,当需要对运转的直流电动机制动时,让惯性运转的电动机(相当于直流发电机)产生的电压对直流电源充电,消耗电动机的能量进行制动(再生制动)。

电流可逆斩波电路如图7-14所示,其中VT₁、VD₂构成降压斩波电路,VT₂、VD₁构成升压斩波电路。

电流可逆斩波电路有三种工作方式:降压斩波方式、升压斩波方式和降升压斩波方式。

图7-14 电流可逆斩波电路

(1)降压斩波方式

电流可逆斩波电路工作在降压斩波方式时,直流电源通过降压斩波电路为直流电动机供电使之运行。降压斩波方式的工作过程说明如下:电路工作在降压斩波方式时,VT₂基极无控制脉冲,VT₂、VD₁均处于关断状态,而VT₁基极加有控制脉冲U_b1。当VT₁基极的控制脉冲为高电平时,VT₁导通,有电流经VT₁、L、R流过电动机M,电动机运转,同时电感L储存能量;当控制脉冲为低电平时,VT₁关断,流过L的电流突然减小,L马上产生左负右正电动势,它产生电流流过电动机(经R、VD₂),继续为电动机供电。控制脉冲高电平持续时间越长,输出电压U_o平均值越高,电动机运转速度越快。

(2)升压斩波方式

电流可逆斩波电路工作在升压斩波方式时,直流电动机无供电,它在惯性运转时产生电动势对直流电源E进行充电。升压斩波方式的工作过程说明如下:电路工作在升压斩波方式时,VT₁基极无控制脉冲,VT₁、VD₂均处于关断状态,VT₂基极加有控制脉冲U_b2。当VT₂基极的控制脉冲为高电平时,VT₂导通,电动机M惯性运转产生的电动势为上正下负,它形成的电流经R、L、VT₂构成回路,电动机的能量转移到L中;当VT₂基极的控制脉冲为低电平时,VT₂关断,流过L的电流突然减小,L马上产生左正右负的电动势,它与电动机两端的反电动势(上正下负)叠加使VD₁导通,对电源E充电,电动机惯性运转产生的电能就被转移给电源E。当电动机转速很低时,产生的电动势下降,同时L的能量也减小,产生的电动势低,叠加电动势低于电源E,VD₁关断,无法继续对电源E充电。

(3)降升压斩波方式

电流可逆斩波电路工作在降升压斩波方式时,VT₁、VT₂基极都加有控制脉冲,它们交替导通关断,具体工作过程说明如下:当VT₁基极控制脉冲U_b1为高电平(此时U_b2为低电平)时,电源E经VT₁、L、R为直流电动机M供电,电动机运转;当U_b1变为低电平后,VT₁关断,流过L的电流突然减小,L产生左负右正的电动势,经R、VD₂为电动机继续提供电流;当L的能量释放完毕,电动势减小为0时,让VT₂基极的控制脉冲U_b2为高电平,VT₂导通,惯性运转的电动机两端的反电动势(上正下负)经R、L、VT₂回路产生电流,L因电流通过而存储能量;当VT₂的控制脉冲为低电平时,VT₂关断,流过L的电流突然减小,L产生左正右负电动势,它与电动机产生的上正下负的反电动势叠加,通过VD₁对电源E充电;当L与电动机叠加电动势低于电源E时,VD₁关断,这时如果又让VT₁基极脉冲变为高电平,电源E又经VT₁为电动机提供电压。以后重复上述过程。

电流可逆斩波电路工作在降升压斩波方式,实际就是让直流电动机工作在运行和制动状态,当降压斩波时间长、升压斩波时间短时,电动机平均供电电压高、再生制动时间短,电动机运转速度快;反之,电动机运转速度慢。

2.桥式可逆斩波电路

电流可逆斩波电路只能让直流电动机工作在正转和正转再生制动状态，而桥式可逆转波电路可以让直流电动机工作在正转、正转再生制动和反转、反转再生制动状态。

桥式可逆斩波电路如图7-15所示。(www.xing528.com)

图7-15 桥式可逆斩波电路

桥式可逆斩波电路有4种工作状态:正转降压斩波、正转升压斩波再生制动和反转降压斩波、反转升压斩波再生制动。

(1)正转降压斩波和正转升压斩波再生制动

当晶体管VT₄始终处于导通时,VT₁、VD₂组成正转降压斩波电路,VT₂、VD₁组成正转升压斩波再生制动电路。

在VT₄始终处于导通状态时。当VT₁基极控制脉冲U_b1为高电平(此时U_b2为低电平)时,电源E经VT₁、L、R、VT₄为直流电动机M供电,电动机正向运转;当U_b1变为低电平后,VT₁关断,流过L的电流突然减小,L产生左负右正的电动势,经R、VT₄、VD₂为电动机继续提供电流,维持电动机正转;当L的能量释放完毕,电动势减小为0时,让VT₂基极的控制脉冲U_b2为高电平,VT₂导通,惯性运转的电动机两端的反电动势(左正右负)经R、L、VT₂、VD₄回路产生电流,L因电流通过而存储能量;当VT₂的控制脉冲为低电平时,VT₂关断,流过L的电流突然减小,L产生左正右负电动势,它与电动机产生的左正右负的反电动势叠加,通过VD₁对电源E充电,此时电动机进行正转再生制动;当L与电动机的叠加电动势低于电源E时,VD₁关断,这时如果又让VT₁基极脉冲变为高电平,电路又会重复上述工作过程。

(2)反转降压斩波和反转升压斩波再生制动

当晶体管VT₂始终处于导通时,VT₃、VD₄组成反转降压斩波电路,VT₄、VD₂组成反转升压斩波再生制动电路。反转降压斩波、反转升压斩波再生制动与正转降压斩波、正转升压斩波再生制动工作过程相似,读者可自行分析,这里不再叙述。

3.多相多重斩波电路

前面介绍的复合斩波电路是由几种不同的单一斩波电路组成，而多相多重斩波电路是由多个相同的斩波电路组成。图7-16所示是一种三相三重斩波电路,它在电源和负载之间接入3个结构相同的降压斩波电路。

三相三重斩波电路工作原理说明如下:当晶体管VT₁基极的控制脉冲U_b1为高电平时,VT₁导通,电源E通过VT₁加到L₁的一端,L₁左端的电压如图7-16bU₁波形所示,有电流I₁经L₁流过电动机;当控制脉冲U_b1为低电平时,VT₁关断,流过L₁的电流突然变小,L₁马上产生左负右正的电动势,该电动势产生电流I₁通过VD₁构成回路继续流过电动机,I₁电流变化如图7-16bI₁曲线所示,从波形可以看出,一个周期内I₁有上升和下降的脉动过程,起伏波动较大。

同样地,当晶体管VT₂基极加有控制脉冲U_b2时,在L₂左端得到图7-16b所示的U₂电压,流过L₂的电流为I₂;当晶体管VT₃基极加有控制脉冲U_b3时,在L₃左端得到图7_-16b所示的U₃电压,流过L₃的电流为I₃。

当三个斩波电路都工作时,流过电动机的总电流I_o=I₁+I₂+I₃,从图7-16b还可以看出,总电流I_o的脉冲频率是单相电流脉动频率的3倍,但脉冲幅明显变小,即三相三重斩波电路提供给电动机的电流波动更小,使电动机工作更稳定。另外,多相多重斩波电路还具有备用功能,当某一个斩波电路出现故障,可以依靠其他的斩波电路继续工作。

图7-16 一种三相三重斩波电路

a)电路 b)波形