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摘 要: 将简单电路中电位的计算方法应用于变流技术中电量的随时间变化波形分析过程中。根据功率变流元件在不同工作状态时表现出来的电路特点,总结了实用的“电位平移”电路分析法,其可以大大提高变流电路波形分析的准确率和效率。
关键词: 变流技术 电力电子 大功率元件 电位平移
中图分类号: TM1 文献标识码: A文章编号: 1007-3973 (2010) 04-030-02
“电位平移”电路分析方法,即在电路的电位计算和电量随时间变化曲线的分析中,判断开关元件的工作状态,运用从已知电位通过计算推导“平移”至被测电量的规律分析过程。
变流技术又称电力电子技术,是对电能(电压、电流和频率)进行变幻的技术,根据变幻结果可分为:整流、逆变、调压、斩波等技术。变流电路对其变流前后的电量随时间变化的波形分析是变流电路中必不可少的分析过程,只有对比变流前后电量随时间的大小、方向变化情况,才能确定变幻过程是否达到生产负载要求,但变流电路中元件类型众多,电量随时间和元件状态有着多种复杂的变化,因此分析过程往往较繁琐和易混淆。用“电位平移”的分析方法,从电位和电位差的基本概念入手,巧妙运用从已知点电位向未知点“平移”推导的方法,可以使分析过程明朗化和清晰化,减少错误的机率。而且变流技术多用于电源、输/配电、工业控制等强电领域,采用的变流元件也多为大功率电子器件,如大功率二极管、晶闸管、GTO等,这类大功率元件的典型特点是在通/断的理想情况下,可忽略元件本身的管压降和漏电流,视为完全导通(内阻为零)和完全关断(电流为零),这样的电路特点也为实施“电位平移”提供了方便。“平移”并不是真正意义上的同水平相同移动,在移动过程中要考虑到电位差进行对应的“升降”移动,就如人走路一样,有平地,也有上坡下坎。
1 “电位平移”分析法的基础概念
要熟练掌握“电位平移”分析方法,对电路中电位、电压和电动势的这几个最普遍的基本概念,不能仅限于能运用公式定律计算就行,对它们的含义、方向和关系必须理解透彻,才能在各类强弱电的复杂电路中灵活运用“电位平移”分析方法。
电位:电路中单位正电荷从某点A移动到零电位点(参考点)电场力所做的功,记为UA。零电位(参考点)位置可以任意选择,但只能确定一个,零电位(参考点)选取不同,电位值不同。
电压(电位降): 电路中单位正电荷从A点移动到B点电场力所做的功。随着做功的进行必然做功本领不断降低,故电压的参考正向是电位下降的方向,即UA>UB,否则值为负。对比电位定义,可见电压即起始点A到结束点B的电位差,即UAB=UA-UB,其大小与零电位选取无关。
电动势(电位升):电路中单位正电荷从B点搬移到A点非电场力所做的功。非电场力做功与电场力做功方向刚好相反,故电动势的参考正向是电位上升的方向,即UA 2 “电位平移”分析法的一般步骤
2.1 确定电路工作状态
一般电路有三种工作状态:通路、断路、和短路,短路是不正常状态,不予分析;断路和通路是变流技术中最常见的情况,这两种状态“电位平移”分析的过程有很大差别,故分析前必须判断电路此时的工作状态。
2.2 指定电量参考方向
电路中所有的公式计算和电量分析都是以规定了参考方向为前提,没有电量的参考方向,所有的结论都是不确定的事物。参考方向可以任意规定,一般推荐规定关联参考方向。
2.3 分析已知和待求电量,运算电路中各元件的电压或电动势
在电路“电位平移”过程中所经过的“上坡下坎”即电位升降,就是通过加减电压或电动势来实现的,电压相当于“下坡”,为正应该“加”;电动势相当于“上坎”,为负应该“减”。
2.4 选定电位“平移”分析路径
确定从起点到终点的路径,只要起始点不变,任选一条路径进行“电位平移”分析,都能得出一致的结果。复杂电路中选择这条路径至关重要,好的选择可以大大减少分析的难度及减少错误率。选定一般经验是:(1)元件和分支少的路径。(2)有开关元件的路径。这里的开关元件指广义的具有通、断特性的元件如:二/三极管、晶闸管等,因为大功率变流开关元件在变流电路的分析可视为理想情况,即通态无管压降,断态无电流。(3)存在线性元件多的路径。线性元件可根据欧姆定律简化“平移”运算过程。
2.5 实施“电位平移”分析过程
在变流电路的“电位平移”具体分析过程中,一定要设定分析时间段,每一时间段元件工作状态相互关联,不能与其它时间段混淆,一个周期即一次完整的分析过程。
3 “电位平移”分析法在变流电路中的应用技巧与实例
3.1 单个变流元件电路的分析方法
图示晶闸管的单向半波可控整流带直流电动机负载,当直流电动机匀速稳定运行时,会在电枢两边感应产生恒定的直流电动势E,这个电动势与整流电路的直流输出电压方向相反,故称为反电动势负载。下面就运用“电位平移”分移法来分析这个电路的直流输出电压Ud和直流输出电流Id及晶闸管电压UT的波形曲线。
3.1.1 变流元件断态时
首先要根据变流元件的种类,确定其是否满足关断条件;当判定它处于断态时,最直接的影响是所处的回路电流为零i=0,根据这个影响进一步判断该回路其它元件的工作情况。
图示电路第一个周期中的0～wt1时间段:晶闸管VT的门极无触发脉冲,根据晶闸管的开通条件(阳极正向电压和门极正向触发同时满足),此时VT不能导通,则电流Id=0;
电流为0的第一影响是电阻,因为线性电阻元件Rd满足欧姆定律,则UR=IdRd=0,即电阻两端电位相等,电位可以实现“平移”即P点电位平移至N点,可见此时输出电压Ud=UMN=UMP=E,最后结论是Ud= E。
晶闸管两端电压UT =UaM,可从a点到M点实施“电位平移”。先从a平移至b时,同方向有U2的电压(相当于“下坡”,加U2),再从b点平移至M点(b、N是同一等电位点),反向有刚刚推导出的Ud的电压(相当于“上坎”,减Ud)。故就有UT = U2 -Ud=U2-E。
3.1.2 变流元件在通态时
由于在大功率电路中变流元件处于通态时的管压降对电路影响极小,通常看作零,即UT=0,根据这个影响进一步判断该回路其它元件的工作情况。
图示电路第一个周期的wt1时刻:从UT曲线看出此时晶闸管阳极电压已为正,门极施加一个正向脉冲,则满足晶闸管的导通条件,VT从断态转为通态。立即有UT =0。
由于UT =0,即a点和M点电位相等,则a点电位可以平移至M点,b和N是同一等电位点,故输出电压Ud =UMN =Uab =U2 。
线性电阻元件电压UR=UPN,可从P点到N点实施“电位平移”。先从P移到M时,同方向有E的电动势(相当于“上坎”,减E),再从M点平移至a点(UT=0),最后从a点平移至b即N点时,同方向有U2的电压(相当于“下坡”,加U2)。故有UR=U2 -E,因此根据线性电阻的欧姆定律得出输出电流Id= (U2 -E)/ Rd 。根据晶闸管的关断条件:阳级电流小于等于维持电流(视为0)可知,本电路中晶闸管导通后的关断点在Id= (U2 -E)/ Rd =0时,即U2波形递减段与E的交点,由图可见晶闸管会在U2过零变负即∏点前面关断。
3.2多个变流元件电路的分析方法
多个变流元件接不同的电源电压时,“电位平移”分析法尤其重要,主要表现在某个变流元件导通时,电位发生平移,必然影响到其它未导通的变流元件通断状态。
如图示电路两个整流元件,晶闸管VT接U相交流电源,二极管VD接V相交流电源,整流后输出给负载Rd,从图中整流输出电压Ud的波形可以看出晶闸管VT并没有导通至U相电源过零变负点,而是在与V相的交点处关断,改由二极管导通,这就是它们相互影响的结果,用“电位平移”的方法可以很清晰的分析出其中原因:
晶闸管VT在门极触发脉冲Ud的作用下导通,则U点电位平移至阴极a点,故输出电压Ud= UaN =UU ,同时二极管VD承受电压为UVU<0,处于截止状态。直至两相电压相交时,UVU=0,其后趋势是UVU >0,二极管承受正向电压而导通。同时由于二极管的导通,V点电位“平移”至a点,输出电压Ud= UaN =UV ,晶闸管VT承受电压变为UUV<0,立即关断。可见一个整流元件的导通,将会使它的阳极电位“平移”至阴极,致使另一个整流元件承受反压而关断,两个整流元件是不能同时导通的。
综上所述,“电位平移”分析方法是电路中电位、电压等基本概念,欧姆定理、元件导通特性等基本定理的综合总结,它们均是电路中最基础的知识,却能使复杂的变流电路分析过程简单、清晰,准确,充分体现了基础知识的重要性,而且“电位平移”法可以推广至信息、电子等更多复杂电路的分析过程中,学会熟练运用“电位平移”的方法,可以分时间段的将电路基础化、明朗化,电路分析不再晦涩难懂。
参考文献:
[1] 刘克旺等.电路基础[M]. 北京:国防工业出版社, 2006.
[2] 曲永印等.电力电子变流技术 [M]. 北京:冶金工业出版社, 2002.
关键词: 变流技术 电力电子 大功率元件 电位平移
中图分类号: TM1 文献标识码: A文章编号: 1007-3973 (2010) 04-030-02
“电位平移”电路分析方法,即在电路的电位计算和电量随时间变化曲线的分析中,判断开关元件的工作状态,运用从已知电位通过计算推导“平移”至被测电量的规律分析过程。
变流技术又称电力电子技术,是对电能(电压、电流和频率)进行变幻的技术,根据变幻结果可分为:整流、逆变、调压、斩波等技术。变流电路对其变流前后的电量随时间变化的波形分析是变流电路中必不可少的分析过程,只有对比变流前后电量随时间的大小、方向变化情况,才能确定变幻过程是否达到生产负载要求,但变流电路中元件类型众多,电量随时间和元件状态有着多种复杂的变化,因此分析过程往往较繁琐和易混淆。用“电位平移”的分析方法,从电位和电位差的基本概念入手,巧妙运用从已知点电位向未知点“平移”推导的方法,可以使分析过程明朗化和清晰化,减少错误的机率。而且变流技术多用于电源、输/配电、工业控制等强电领域,采用的变流元件也多为大功率电子器件,如大功率二极管、晶闸管、GTO等,这类大功率元件的典型特点是在通/断的理想情况下,可忽略元件本身的管压降和漏电流,视为完全导通(内阻为零)和完全关断(电流为零),这样的电路特点也为实施“电位平移”提供了方便。“平移”并不是真正意义上的同水平相同移动,在移动过程中要考虑到电位差进行对应的“升降”移动,就如人走路一样,有平地,也有上坡下坎。
1 “电位平移”分析法的基础概念
要熟练掌握“电位平移”分析方法,对电路中电位、电压和电动势的这几个最普遍的基本概念,不能仅限于能运用公式定律计算就行,对它们的含义、方向和关系必须理解透彻,才能在各类强弱电的复杂电路中灵活运用“电位平移”分析方法。
电位:电路中单位正电荷从某点A移动到零电位点(参考点)电场力所做的功,记为UA。零电位(参考点)位置可以任意选择,但只能确定一个,零电位(参考点)选取不同,电位值不同。
电压(电位降): 电路中单位正电荷从A点移动到B点电场力所做的功。随着做功的进行必然做功本领不断降低,故电压的参考正向是电位下降的方向,即UA>UB,否则值为负。对比电位定义,可见电压即起始点A到结束点B的电位差,即UAB=UA-UB,其大小与零电位选取无关。
电动势(电位升):电路中单位正电荷从B点搬移到A点非电场力所做的功。非电场力做功与电场力做功方向刚好相反,故电动势的参考正向是电位上升的方向,即UA
2.1 确定电路工作状态
一般电路有三种工作状态:通路、断路、和短路,短路是不正常状态,不予分析;断路和通路是变流技术中最常见的情况,这两种状态“电位平移”分析的过程有很大差别,故分析前必须判断电路此时的工作状态。
2.2 指定电量参考方向
电路中所有的公式计算和电量分析都是以规定了参考方向为前提,没有电量的参考方向,所有的结论都是不确定的事物。参考方向可以任意规定,一般推荐规定关联参考方向。
2.3 分析已知和待求电量,运算电路中各元件的电压或电动势
在电路“电位平移”过程中所经过的“上坡下坎”即电位升降,就是通过加减电压或电动势来实现的,电压相当于“下坡”,为正应该“加”;电动势相当于“上坎”,为负应该“减”。
2.4 选定电位“平移”分析路径
确定从起点到终点的路径,只要起始点不变,任选一条路径进行“电位平移”分析,都能得出一致的结果。复杂电路中选择这条路径至关重要,好的选择可以大大减少分析的难度及减少错误率。选定一般经验是:(1)元件和分支少的路径。(2)有开关元件的路径。这里的开关元件指广义的具有通、断特性的元件如:二/三极管、晶闸管等,因为大功率变流开关元件在变流电路的分析可视为理想情况,即通态无管压降,断态无电流。(3)存在线性元件多的路径。线性元件可根据欧姆定律简化“平移”运算过程。
2.5 实施“电位平移”分析过程
在变流电路的“电位平移”具体分析过程中,一定要设定分析时间段,每一时间段元件工作状态相互关联,不能与其它时间段混淆,一个周期即一次完整的分析过程。
3 “电位平移”分析法在变流电路中的应用技巧与实例
3.1 单个变流元件电路的分析方法
图示晶闸管的单向半波可控整流带直流电动机负载,当直流电动机匀速稳定运行时,会在电枢两边感应产生恒定的直流电动势E,这个电动势与整流电路的直流输出电压方向相反,故称为反电动势负载。下面就运用“电位平移”分移法来分析这个电路的直流输出电压Ud和直流输出电流Id及晶闸管电压UT的波形曲线。
3.1.1 变流元件断态时
首先要根据变流元件的种类,确定其是否满足关断条件;当判定它处于断态时,最直接的影响是所处的回路电流为零i=0,根据这个影响进一步判断该回路其它元件的工作情况。
图示电路第一个周期中的0～wt1时间段:晶闸管VT的门极无触发脉冲,根据晶闸管的开通条件(阳极正向电压和门极正向触发同时满足),此时VT不能导通,则电流Id=0;
电流为0的第一影响是电阻,因为线性电阻元件Rd满足欧姆定律,则UR=IdRd=0,即电阻两端电位相等,电位可以实现“平移”即P点电位平移至N点,可见此时输出电压Ud=UMN=UMP=E,最后结论是Ud= E。
晶闸管两端电压UT =UaM,可从a点到M点实施“电位平移”。先从a平移至b时,同方向有U2的电压(相当于“下坡”,加U2),再从b点平移至M点(b、N是同一等电位点),反向有刚刚推导出的Ud的电压(相当于“上坎”,减Ud)。故就有UT = U2 -Ud=U2-E。
3.1.2 变流元件在通态时
由于在大功率电路中变流元件处于通态时的管压降对电路影响极小,通常看作零,即UT=0,根据这个影响进一步判断该回路其它元件的工作情况。
图示电路第一个周期的wt1时刻:从UT曲线看出此时晶闸管阳极电压已为正,门极施加一个正向脉冲,则满足晶闸管的导通条件,VT从断态转为通态。立即有UT =0。
由于UT =0,即a点和M点电位相等,则a点电位可以平移至M点,b和N是同一等电位点,故输出电压Ud =UMN =Uab =U2 。
线性电阻元件电压UR=UPN,可从P点到N点实施“电位平移”。先从P移到M时,同方向有E的电动势(相当于“上坎”,减E),再从M点平移至a点(UT=0),最后从a点平移至b即N点时,同方向有U2的电压(相当于“下坡”,加U2)。故有UR=U2 -E,因此根据线性电阻的欧姆定律得出输出电流Id= (U2 -E)/ Rd 。根据晶闸管的关断条件:阳级电流小于等于维持电流(视为0)可知,本电路中晶闸管导通后的关断点在Id= (U2 -E)/ Rd =0时,即U2波形递减段与E的交点,由图可见晶闸管会在U2过零变负即∏点前面关断。
3.2多个变流元件电路的分析方法
多个变流元件接不同的电源电压时,“电位平移”分析法尤其重要,主要表现在某个变流元件导通时,电位发生平移,必然影响到其它未导通的变流元件通断状态。
如图示电路两个整流元件,晶闸管VT接U相交流电源,二极管VD接V相交流电源,整流后输出给负载Rd,从图中整流输出电压Ud的波形可以看出晶闸管VT并没有导通至U相电源过零变负点,而是在与V相的交点处关断,改由二极管导通,这就是它们相互影响的结果,用“电位平移”的方法可以很清晰的分析出其中原因:
晶闸管VT在门极触发脉冲Ud的作用下导通,则U点电位平移至阴极a点,故输出电压Ud= UaN =UU ,同时二极管VD承受电压为UVU<0,处于截止状态。直至两相电压相交时,UVU=0,其后趋势是UVU >0,二极管承受正向电压而导通。同时由于二极管的导通,V点电位“平移”至a点,输出电压Ud= UaN =UV ,晶闸管VT承受电压变为UUV<0,立即关断。可见一个整流元件的导通,将会使它的阳极电位“平移”至阴极,致使另一个整流元件承受反压而关断,两个整流元件是不能同时导通的。
综上所述,“电位平移”分析方法是电路中电位、电压等基本概念,欧姆定理、元件导通特性等基本定理的综合总结,它们均是电路中最基础的知识,却能使复杂的变流电路分析过程简单、清晰,准确,充分体现了基础知识的重要性,而且“电位平移”法可以推广至信息、电子等更多复杂电路的分析过程中,学会熟练运用“电位平移”的方法,可以分时间段的将电路基础化、明朗化,电路分析不再晦涩难懂。
参考文献:
[1] 刘克旺等.电路基础[M]. 北京:国防工业出版社, 2006.
[2] 曲永印等.电力电子变流技术 [M]. 北京:冶金工业出版社, 2002.