电力电子典型电路

 

 

 

 

1、整流电路

 

 

 

 

 

 

 

2、直流斩波电路

降压斩波电路（Buck Chopper）。该电路使用一个全控型器件IGET，也可使用其他器件，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会岀现反电动势Em。
升压斩波电路（Boost Chopper）。升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容c可将输出电压保持住。在以上分析中，认为V处于通态期间因电容C的作用使得输出电压不变，但实际上C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，输出电压必然会有所下降，不过在电容C值足够大时，误差很小基本可以忽略。典型用途：1、直流电机传动，在直流电机再生制动时把电能回馈给电机；2、单相功率因数校正PFC power factor correction。

 

利用降压斩波电路和升压斩波电路的组合，即可构成复合斩波电路。此外，对相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路，可使斩波电路的整体性能得到提高。
    当斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又能再生制动，将能量回馈电源。从电动状态到再生制动的切换可通过改变电路联结方式来实现，但在要求快速响应时，就需通过对电路本身的控制来实现。降压斩波电路在拖动直流电动机时，电动机工作于第1象限。而升压斩波电路中，电动机则工作于第2象限。两种情况下，电动机的电枢电流的方向不同，但均只能单方向流动。这里介绍的电流可逆斩波电路是将降压斩波电路与升压斩波电路组合在一起，在拖动直流电动机时，电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第1象限和第2象限。

 

 

 

 

 

3、交流控制电路

  把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流电力。这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。
  在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。在供用电系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。此外，在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。如采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联；同样，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联。这都是十分不合理的。采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都不太大也不太小，在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路，前者是后者的基础。此外，对采用全控型器件的斩控式交流调压电路。
  交流调功电路。交流调功电路和交流调压电路的电路形式完全相同，只是控制方式不同。交流调功电路不是在每个交流电源周期都对输出电压波形进行控制，而是将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。这种电路常用于电炉的温度控制，因其直接调节对象是电路的平均输出功率，所以被称为交流调功电路。像电炉温度这样的控制对象，其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁的控制，只要以周波数为单位进行控制就足够了。通常控制晶闸管导通的时刻都是在电源电压过零的时刻，这样，在交流电源接通期间，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。
  如果并不着意调节输出平均功率，而只是根据需要接通或断开电路，则称串入电路中的晶闸管为交流电力电子开关。如TSC。把晶闸管反并联后串人交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用，这就是交流电力电子开关。和机械开关相比，这种开关响应速度快，没有触点，寿命长，可以频繁控制通断。交流调功电路也是控制电路的接通和断开，而交流电力电子开关并不去控制电路的平均输出功率，通常也没有明确的控制周期，而只是根据需要控制电路的接通和断开。另外，交流电力电子开关的控制频度通常比交流调功电路低得多。
  在公用电网中，交流电力电容器的投入与切断是控制无功功率的重要手段。通过对无功功率的控制，可以提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量。和用机械开关投切电容器的方式相比，晶闸管投切电容器(Thyristor Switched Capacitoi-TSC)是一种性能优良的无功补偿方式。
  采用晶闸管的交交变频电路，这种电路也称为周波变流器(Cycloconvertor)。交交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路。因为没有中间直流环节，因此属于直接变频电路。交交变频电路广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。单相输出交交变频电路是三相输出交交变频电路的基础。

 

4、无源逆变电路

  与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。逆变电路一般多指无源逆变电路。逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。
  逆变电路可以从不同的角度进行分类。如可以按换流方式分，按输出的相数分，也可按直流电源的性质分。若按直流电源的性质分，可分为电压型和电流型两大类。变流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个支路的转移，这就是换流。换流方式在逆变电路中占有突出的地位。
  电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，换流也常被称为换相。在换流过程中，有的支路要从通态转移到断态，有的支路要从断态转移到通态。从断态向通态转移时，无论支路是由全控型还是半控型电力电子器件组成，只要给门极适当的驱动信号，就可以使其开通。但从通态向断态转移的情况就不同。全控型器件可以通过对门极的控制使其关断，而对于半控型器件的晶闸管来说，就不能通过对门极的控制使其关断，必须利用外部条件或采取其他措施才能使其关断。一般来说，要在晶闸管电流过零后再施加一定时间的反向电压，才能使其关断。因为使器件关断，主要是使晶闸管关断要比使其开通复杂得多，因此，研究换流方式主要是研究如何使器件关断。
  应该指出，换流并不是只在逆变电路中才有的概念，在前面各章的电路中都涉及到换流问题。但在逆变电路中，换流及换流方式问题反映得最为全面和集中。一般来说，换流方式可分为以下几种：
  1. 器件换流
  利用全控型器件的自关断能力进行换流称为器件换流(Device Commutation)。在采用IGRT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的电路中，其换流方式即为器件换流。
  2. 电网换流
  由电网提供换流电压称为电网换流(Line Commutation)。对于可控整流电路，无论其工作在整流状态还是有源逆变状态，都是借助于电网电压实现换流的，都属于电网换流。三相交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路中的换流方式也都是电网换流。在换流时，只要把负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。这种换流方式不需要器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加任何元件，但是不适用于没有交流电网的无源逆变电路。
  3. 负载换流
  由负载提供换流电压称为负载换流(Load Commutation)。凡是负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可以实现负载换流。当负载为电容性负载时，即可实现负载换流。另外，当负载为同步电动机时，由于可以控制励磁电流使负载呈现为容性，因而也可以实现负载换流。

                 

 

                                      

5、PWM

 PWM (Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。
  直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制，这是PWM控制中最为简单的一种情况。
  斩控式交流调压电路，矩阵式变频电路。斩控式交流调压电路的输入电压和输出电压都是正弦波交流电压，且二者频率相同，只是输出电压的幅值要根据需要来调节。因此，斩控后得到的PWM脉冲的幅值是按正弦波规律变化的，而各脉冲的宽度是相等的，脉冲的占空比根据所需要的输出输人电压比来调节。矩阵式变频电路的情况更为复杂，其输人电压和输出电压也都是正弦波交流，但二者频率不等，且输出电压是由不同的输入线电压组合面成的，因此PWM脉冲既不等幅，也不等宽。
  PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。近年来，PWM技术在整流电路中也开始应用，并显示了突出的优越性。

 

5、单端及双端变换器

单端，双端，意义？

如果磁芯只工作在第一象限，如图5所示，这样的变换器称为单端变换器，如：Buck，Boost，Buck-Boost，Cuk，Sepic，反激Flyback，正激Forward变换器等。

每一个开关周期从激磁到去磁，当开关周期结束时，工作点必须回到起始位置，否则工作点会偏入到右上部分饱和区域，磁导率急剧下降，磁芯饱和。每个开关周期结束时磁芯工作点必须回到起始点的特性，称为磁通复位：

△Φ激磁 = △Φ去磁‍

‍ V = N·dΦ/dt

△Φ = △B·Ae

由以上公式得到：V激磁·△T激磁 = V去磁·△T去磁，这就是所谓的伏秒值平衡。工作于连续模式BUCK变换器：(Vin-Vo)·△Ton = Vo‍·△Toff，本质上，磁通复位和伏秒值平衡的概念是一致的。

 

如果磁芯只工作在第一、三象限，如图6左图所示，正向和负向激磁是对称的，这样的变换器称为双端变换器，如推挽Push-Pull，半桥Half-Bridge，全桥Full-Bridge变换器等。磁芯在正、负二个方向工作，磁通可以自行复位。

有源钳位反激变换器、有源钳位正激变换器，磁芯工作在正向、负向激磁不对称状态，如图6右图所示。

 

 

6、电力电子+matlab仿真

系统仿真、模型校准、控制调参、仿真分析、代码实现、实时仿真

同一个器件多种形式的模型如何选择，以IGBT器件为例，四种类型，1、electronics精确模型，2、ideal switching理想型开关，3、switching function模块化，4、平均模型（用占空比控制）

或者直接用实际测量数据，通过查找表方式建模。

 

 

 

 

 

参考文献

1、《电力电子技术》 王兆安

2、小迈步之系统仿真（一）— 电力电子系统仿真与分析 Video - MATLAB & Simulink  https://ww2.mathworks.cn/videos/electric-system-simulation-1601321600198.html?s_eid=PEP_webinarfromILM

3、

4、轻松入门学电源（3）：从磁性材料、磁芯到电感及变压器，理解磁滞回线 - 技术解析 - 21IC电源网  http://power.21ic.com/ldo/technical/201806/63878.html