電力電子導論_郭政謙_電流型換流電路_單相電流型換流器電路解析

各位同學大家好,在這個單元當中我們將為各位介紹電流型換流電路的單向電流型換流器的電路解析 在這個單元當中我們將為各位探討一下在單向的電流型的換流器 它的電路的一個拓撫狀況以及伴隨著波形我們來看看在不同的開關導通跟截止的條件之下 它應該有的電流波形是怎麼樣?如何能夠從一個單向的電流源變成一個交流的單向電源 我們把單向的直流變成一個單向的交流的過程 這是一個單向電流型換流電路的一個基本的結構 在這個結構當中我們可以看見從最左手邊是我們的輸入電源 輸入電源可能是一個電流源 那麼在這個電流源經過了一個LD 這個LD是一個儲能電感 也可以當作是一個讓電流更為穩定的一個電感器 這個電感器的目的是要讓我們的輸入直流電源能夠穩定的供應給後半段在做交流變化過程之中的用途 所以這個LD某些程度是一個讓輸入的電流源更為穩定 那右手邊我們看到了四個開關切換元件 它可能可以是SCR類的雜流體半控型的 可以看到這四個分別是VT1、VT2 這是在同一個導通壁當中 這VT1跟VT2在左手邊的這個分支也就是電路圖的分支A到B之間 在這個分支的VT1跟VT2是不會同時導通的 因為若他們同時導通的話很可能就會有短路 不過待會在我們的分析過程會有一個階段是很有趣的 他們同時導通但是它並不是一個短路現象 待會我們會為各位再做一個細部的說明 所以VT1跟VT2是一個開關元件在一個橋壁當中 右邊呢VT3跟VT4是另外一個橋壁 開關切換元件 我們會巧妙的利用這四個切換元件做一些些的把直流變成交流的過程 其實各位看著這個圖呢你可能可以有一些些的感覺 如果我讓1跟4先導通 那麼電流呢對於負載來說就是從左邊流到右邊 如果我切換到2跟3的導通呢 這個時候電流就會從右邊流到左邊 所以它的電流就會左右右左又回到左右又右左 所以電流就會換來換去正正負負 所以它就會是一個交流電的現象 所以基本的概念我們就是利用1、4導通 2、3導通這樣交互的過程 但中間還有一些些的細節值得我們探討跟注意 那麼中間的C跟R跟L呢 這個串並聯路徑呢就是我們的輸出 我們假設呢我們的負載呢是一個兼具RLC的一個訊號 或者各位你也可以簡單的認為我們的負載呢 就是一個RL的元件 那個C呢是我們在這個單向電流型換流電路當中 所裝上去的一個電容的一個濾波器 也是可以的 各位在上一個單元當中的拓撲我們有為各位分析 在電流型的換流器在輸出端 有時候為了濾波 有時候為了穩定電壓儲能 我們也會有一個電容器 各位也可以把這裡的電容C 想成是濾波的電容 當然你也可以認為它是負載電容的一部分都可以 RL呢就是負載的部分了 所以在這個輸出的部分 我們的電壓就稱為Uo 而流過去這個負載的電流 我們就稱為IoO泛指著output輸出的意思 我們看到這樣的一個電路是由四個橋壁組成 每個橋壁的閘流體呢都有一個電抗器 各位我們再看到右手邊的圖來看看 在VT1、VT2、VT3、VT4的中間 都有一個電抗器LT1、LT2、LT3、LT4 這四個電抗器呢 是我們電流型換流器的一個很重要的一個 線流或者是續流的一個電抗器 它的目的是要讓我們的電流型換流器 在換流的過程中能夠更為的順利 此外它也可以限制我們的電流不要有太大的變化 因為各位在電感器呢 它的兩端的電壓是等於LdIdt 在我們過去的探討中曾經跟各位說明過 電感器兩端的V呢是等於LdIdt 我們不希望dIdt變化的太大 我們在過去的探討經驗中知道 只要任何地方你裝了電感器啊 它的電流都不太容易變動 只要任何地方你裝了電容器啊 它的電壓就不太容易變動 不代表全然不變動 而代表它比較不會變動 所以電感器對於電流的變化來說 是有平緩的作用 我們這裡裝的LT1、LT2、LT3、LT4 是希望它的電流不要有太大的變化 以免我們的雜流體呢有一些問題出現 它的工作方式呢我們是利用負載幻象 只要我們給這個雜流體一個訊號讓它導通 導通到它電流慢慢的降為0的時候 它會自然的截止下來 而不給它一個訊號截止 它跟我們過去電壓型的探討有一點不一樣 我們來看一下它的電流動作的原理 在中間依舊是電路圖的一個拓撲 在右手邊是我們的波形圖 那麼在這個波形當中 我們先來看一下右手邊的波形圖 分別由上而下 我們稍微來看一下 最上面的訊號是一個UG14 UG14就是代表在中間的電路圖的 VT1跟VT4 這兩個開關元件導通訊號 當你在這個右手邊的波形圖最上面的 如果你看到了一個藍色的脈波 代表我們在中間的電路圖的VT1跟VT4 給了它一個觸發訊號 這個時候它們就會導通了 它們就應該要導通了 所以這個回到右手邊的電路圖最上面 是E4的導通訊號 E跟4會一起 它們兩個是一對 所以它們兩個的電壓訊號 觸發的訊號是一樣的 23是一起它們會交錯的 還記得我們剛剛跟大家分析的 E4先導通換23 再回E4再回23 所以在這裡 從波形上面的最上面兩個就是E4跟23 接下來的是IT 代表流過雜流體 流過這個開關元件的電流 各位看到這個紫色的部分呢 第三個波形圖紫色的部分有寫IVT的E4 代表E4的電流 再往右邊有一個23代表E3的電流 在下面的IO也是紫色的呢 代表輸出負載的電流 輸出永遠是我們最關切的 各位從這個波形 你預先已經看到它的動作狀況 你可以發現它就是一個交流點 所以在這個地方我們知道它的輸出 隱約知道它未來會是一個交流點 在下面是U0藍色的第一個訊號 U0也是輸出的電壓 很明顯它也是一個交流電的樣式 那麼在下面藍色的還有三個 分別代表VT23的電壓 VT14的電壓 以及我們AB橋壁的電壓 那麼這三個電壓呢 提供大家參考 在第一個階段左手邊的文字 在T1到T2之間 我們看對應到右邊的圖 在T1到T2之間 VT1跟VT4是導通的 我們看到在最上面的波形 我們的VG14給了一個訊號 一個藍色的箭頭指著 告訴它我們有給了一個觸發訊號 於是呢 E4導通了 在這個時線跟虛線中間 代表T1到T2之間的時間 這段時間代表 VT1跟VT4是導通的 因為我們E4都給了一個觸發訊號了 它的電流就像我們中間的電路圖一樣 紅色的 它從直流電流過LD 流過VT1 流過我們的輸出 流過VT4 回來到我們的直流電源 特別注意這個時候的輸出呢 我們的電流是從左流到右 我們可以認為這個時候電流是正的 所以在右手邊的波形圖 Io的部分 我們看到紫色的 它是一個正的電流 這個時候由於電流的流過 我們在電路圖中間有一個電容C 它會儲存能量 因為電流是由左流向右 所以這個電容呢 在左邊會是儲存正的電壓 右手邊是負的電壓 待會它會有一些些的作用 接下來我們看到T2到T4的過程中 在T2的時候 我們會去觸發VT2跟VT3 各位看到右邊的圖 在T2的地方 我們確實給了它一個 UG23一個觸發的訊號 我們試圖想要讓 UG23開始換UG23導通了 可是我們發現啊 它並沒有那麼順利 因為各位你可以發現了 在右手邊的波形裡面的 T2到T3的過程 事實上在T2到T4的過程當中呢 它的電流啊 並不為0 在T2到T3的過程中 IO啊 各位看紫色的IO 在時間T2到T3 它並不是0 所以呢 我們要讓它在這個T2到T3的 這個緩衝時間 慢慢的把電流降為0 所以雖然我們給了2跟3 VT的2跟3的一個觸發訊號 但是這個時候23啊 雖然可以導通 但是依次並沒有立刻的停止 因為還有電流存在 所以在這個時候的電路呢 會是類似 各位你看到中間的 一個電路圖的波形 它是從紫色的 這個時候很有趣的 它四個 SCR四個開關元件雜流體 都是導通的 但是這個時候呢 它是在一個環流的狀況 環流的目的呢 是要把原來的大電流 變成小電流 原來要增長的電流 開始往上成長 我這樣講的意思呢 是各位你看一下 右手邊的電路圖 右手邊電路圖的第三個 IT的部分 我們看到IT的E4呢 在T2的時候 開始緩慢的下降到 T4的時候它為0了 反之呢 IVT的23 也就是雜流體23呢 因為你給它的導通訊號 所以在T2的時候它導通了 電流就開始慢慢的增加 所以在這一段T2到T4的過程呢 兩個雜流體 其中有一個是想要截止了 慢慢的降低 另外有一個是它給了觸發訊號了 所以它慢慢的升高 所以在這個是一個 交換 換流的過程 所謂換流 就是電流換向的過程 在這個過程中你可以發現 我們看到右手邊波形圖的第四個 也是我們最關心的IO的電流 你可以發現在T2到T4之間 它從開始從正的電流開始流到0 在T3的時候 開始變到負的 換向成功到T4的部分 所以在這個部分呢 四個雜流體都導通 電流換向的一個過程 四個雜流體通通導通 這是我們這一段的過程 到了T3在這裡 我們特別標示這個紅色的虛線T3的部分 就是正常的換向程序 在這個T3的部分電流跨過零點 從正的跨過零點到負的 就是一個換向的一個過程了 當換向正常結束之後呢 我們就會進到下一個階段 也就是 我們看到在這個階段是從T4開始 一直到T6的這個階段 這個時候就換2、3來導通了 2、3的導通電流的路徑 就像我們剛剛一開始給它的2、3的 這個SCR一個觸發訊號一樣 經過了換向的時間 大家電流一個下降一個上升 輸出電流經過零點變到負的 在這裡穩定在負的電流 它的電流流向就像中間的紅色線路一樣 一樣從直流的電流 由左手邊經過LD 經過了VT3 經過了輸出 經過了VT2 回到了直流電源 這個時候我們看到它的輸出呢 電流是由右流向左 跟剛剛從左流向右不一樣了 所以它換方向流了 由正方向變成了負方向 我們從右手邊的波形圖的IO 也看到了類似的現象 這個時候的電流確實 從剛剛的正的電流 變成了一個換向過程 從正到零 再從零到負 再從這個階段維持在一個負的電流 這個時候電容器兩端的電壓 會變成反向的充電 右手邊為正 左手邊為負 一樣我們在下一個階段繼續去觸發 VT1跟VT4要回到VT1、VT4來導通了 所以我們在T6的時候去觸發它 我們看到右手邊的圖形 在T6這裡 時間點T6的時候 我們給E4一個觸發訊號 跟剛剛的過程一樣 在這裡電流還沒有降為零 所以它需要一些換流的過程 這個時候一樣 E2、E3、E4的開關元件都會導通 一部分的電流往下降 一部分的電流往上升 我們看到I0的部分 在這個右邊的波形圖 第四個紫色的I0的部分 它的電流從T6開始是負的 因為你給了它一個觸發訊號 UG的E4給了觸發訊號 它的電流開始要換向了 它從T6到T7變為零 再從T7繼續往後延伸到變成正的 所以這樣的過程 慢慢的又做到換向去 又回到了E4的導通過程 回到我們剛剛討論的一個狀態 所以在這樣的過程當中 持續性的演變下去 我們就這樣週期性的去動作這些開關 我們就能夠把一個單向的 直流的一個電流源 藉由我們四個開關元件 變成一個交流的電源 一樣的在這樣的過程當中 我們忽略了這些換向的過程 I0其實是一個矩形波 它展開成負力液函數 它其實是一個交流的特質 但是有一些斜波的成分 它的有效值就如同紅色的框框所示的 如果我們忽略損耗 它的輸出可以是一個這樣的結果 在這個單元當中 我們看到了單向的電流型 換流電路的基本特性 看到了它電流藉由開關元件的導通 在切換的過程的一個換流現象 也看見了它的一個工作原理 如何從一個直流變成一個交流的環節