中專院校電工教學發(fā)明分析
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1龔氏橋全電路
龔氏橋全電路榮獲3項發(fā)明專利。第1項發(fā)明專利特征是在輸出電壓中心點上有1個最佳功率因數(shù)點的A類龔氏橋全電路。原有教科書上的單相半波、全波和橋式3類經(jīng)典可控整流電路中性能最好、電路數(shù)量最多、最高形式的電路是單相橋式可控整流電路，應(yīng)用極為廣泛，因此，世界各國大中專院校電工教科書中都占有很大篇幅。筆者只在教科書上的單相全控橋電路中增加1個二極管;在半控橋電路中增加1個晶閘管或二極管;在橋式單晶閘管電路中增加1個晶閘管或二極管，調(diào)整器件容量，改變晶閘管的觸發(fā)相位，就有了5個比橋式電路性能更好、電路數(shù)量更多、更高形式的A類龔氏橋全電路，因為它不但包含有半波、全波和橋式3類經(jīng)典相控電路在內(nèi)，而且能吸取全波和橋式二類相控電路優(yōu)點并克服其缺點，能輸出半波、全波、橋式、全波與橋式二者相結(jié)合的4種電壓波形;突破了經(jīng)典相控整流最大輸出電流和最高功率因數(shù)點只能在最高輸出電壓點上的傳統(tǒng);開創(chuàng)了在輸出電壓最高值和中心值各有一個最佳功率因數(shù)點的先河;突破了自有相控整流電路一百多年以來，最大輸出電流點只能在最高輸出電壓點上，最大直流輸出電流隨輸出電壓調(diào)低而減少的科學規(guī)律;創(chuàng)立了中心輸出電壓點上有一個比最高輸出電壓點上輸出電流還要大1．4倍的最大輸出電流點，中心輸出電壓點上也有一個最佳功率因數(shù)點的新電路，并且導(dǎo)出龔氏橋全電路輸出直流電壓的2個計算公式。
該計算公式中，全波和橋式2種電路都只是其中2個特例而已，這足以說明龔氏橋全電路是比教科書上頂級橋控電路更好的電路。世界單相相控整流電路才由三大類“變成”半波、全波、橋式和龔氏橋全四大類，相控科學才有“經(jīng)典”和“復(fù)式”2個科學分支。龔氏橋全電路創(chuàng)造出在半壓輸出時，最大輸出電流可達橋式電路最大允許電流的1．4倍，在半壓以下調(diào)節(jié)范圍內(nèi)輸出電流比橋控電路大2倍的奇跡，在30%～100%輸出電壓調(diào)節(jié)范圍內(nèi)輸出電流大于橋控最大輸出電流的奇跡。龔氏橋全電路在很大程度上解決了相控整流對電網(wǎng)的諧波電流污染的重大問題，使相控整流電路面目一新，解決了有史以來，相控整流電路在調(diào)低電壓(深控)時功率因數(shù)低、諧波大、效率低等多個難以解決的世界性難題。它只比橋控電路多一個整流或可控整流器件。第2個發(fā)明專利是將A類龔氏橋全電路中間的最佳功率因數(shù)點可以上、下移動的B類龔氏橋全電路，以及中間有多個最佳功率因數(shù)點的AB類龔氏橋全電路。將A類龔氏橋全電路中心點上的1個最佳功率因數(shù)點向上移動可得5個電路，向下移動也可得5個電路，因此B類龔氏橋全電路共有10個基礎(chǔ)電路，而它們所使用的器件數(shù)量和A類龔氏橋全電路相同。A類龔氏橋全電路的結(jié)構(gòu)特征是在單相橋控電路的一個直流輸出端與次級繞組中心抽頭(新增加)上連接有一個整流或可控整流器件，它們在電壓中心點上有一個最佳功率因數(shù)點。B類龔氏橋全電路只要在A類龔氏橋全電路中的變壓器次級中心抽頭上、下二段繞組中各增加一個抽頭，并將連接在A類龔氏橋全電路交流輸入端，上面或下面2個器件的一端分別連接在新增加的2個抽頭上即可獲得中間最佳功率因數(shù)點可上、下移動的10個B類龔氏橋全電路。使僅比橋控多一個器件的龔氏橋全電路增加到15種，是現(xiàn)有單相可控整流電路總數(shù)量的2倍多。
AB類龔氏橋全電路中間電壓值有2個最佳功率因數(shù)點的龔氏橋全電路，它比王兆安主編的《電力電子技術(shù)》教科書中的中間電壓值有2個最佳功率因數(shù)點的“三重聯(lián)結(jié)電路”可節(jié)省一半數(shù)量(6個)晶閘管及其降壓損耗，具有電路簡單、可靠、性能也遠優(yōu)于教科書上的那種電路。第3個發(fā)明專利是用1個拓撲龔氏橋全電路對直流電機同時實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速和調(diào)磁調(diào)速的寬調(diào)速裝置。用市電可控整流輸出拖動直流電機廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，直流電機單獨用調(diào)壓調(diào)速或者調(diào)磁調(diào)速都不能實現(xiàn)1∶10以上的寬調(diào)速。只有同時對直流電機實施調(diào)壓調(diào)速和調(diào)磁調(diào)速才能實現(xiàn)直流電機1∶30的寬調(diào)速。對于電力機車和交流無軌電車用的直流電機就要求實現(xiàn)寬調(diào)速，但是現(xiàn)有的任何一個可控整流電路都沒有辦法對直流電機實現(xiàn)寬調(diào)速。龔氏橋全電路中增加2個晶閘管和2個二極管的拓撲龔氏橋全電路就可用一個可控整流電路同時對直流電機實施調(diào)壓和調(diào)磁的寬調(diào)速。同時也發(fā)明了在現(xiàn)有單相橋式可控整流電路中增加2個晶閘管和2個二極管的拓撲單相橋式可控整流對直流電機的寬調(diào)速電路，和在三相橋式可控整流電路中增加3個晶閘管和3個二極管的拓撲三相可控整流對直流電機的寬調(diào)速電路。電工科學是自然科學中非常重要的學科，幾乎各單位都有電工，各大中專院校都有電工教研室。在電工科學中半波、全波和橋式3類經(jīng)典基礎(chǔ)可控整流電路又是占有極其重要的地位，它們都是在大中專院校所有電工科學課堂上都要講授的最重要的基礎(chǔ)電路，這3類經(jīng)典電路中性能最好的一類電路是橋式可控整流電路，它也是經(jīng)典相控科學中的頂級電路。文章只在電工教科書和工具書中所示的頂級橋式可控整流電路圖上“畫”上一個粗線所示的二極管或晶閘管，并改變它們觸發(fā)相位，其性能遠遠超越教科書上頂級橋式可控整流電路的第4類電路———龔氏橋全整流電路(圖1中3種電路和輸出波形，將圖1中“2”和“3”中粗線所示的晶閘管換成二極管又可得2個從半壓起調(diào)的電路)。龔氏橋全電路半壓以下能輸出2倍于橋式可控整流電路的電流、4倍于橋式可控整流電路的功率、諧波減少50%以上，變壓器次級減少銅耗75%以上等優(yōu)越性能，能使可控整流裝置減少30%的容量、功率因數(shù)提高、諧波和損耗減少。
2龔氏斬控式交流調(diào)壓電路
龔氏斬控式交流調(diào)壓電路只是用2個反方向并聯(lián)的單向晶閘管V3、V4組成的雙向續(xù)流開關(guān)，替代高校電力電子技術(shù)教科書上的斬控式交流調(diào)壓電路中的由2個全控器件V3、V4和2個二極管VD3、VD4組成的續(xù)流雙向開關(guān)［1，2］。由于半控器件晶閘管的過載能力和可靠性比全控器件高，成本比全控器件低，2個晶閘管組成的續(xù)流雙向開關(guān)的開關(guān)損耗又遠比2個全控器和2個二極管組成的續(xù)流雙向開關(guān)的損耗低等原因。現(xiàn)有高校電力電子技術(shù)教科書上的斬控式交流調(diào)壓電路會被龔氏斬控式交流調(diào)壓電路所取代。應(yīng)用龔氏斬控式交流調(diào)壓電路設(shè)計的龔氏斬控式交流穩(wěn)壓電源主電路原理圖如圖2所示。它由二極管D1、D2和全控器件V1、V2組成主控雙向開關(guān)，由晶閘管V3、V4成續(xù)流雙向開關(guān)。主控雙向開關(guān)、續(xù)流雙向開關(guān)及其控制電路和高頻變壓器B共同構(gòu)成龔氏斬控式交流調(diào)壓電路。高頻變壓器B的2個次級繞組W1和W2分別通過V5、V6或V7、V8轉(zhuǎn)換輸出電壓是繞組W1或繞組W2的高頻電壓。再通過LC濾去高頻諧波得到的電壓與市電頻率相同，方向相同或相反的補償用壓。不論升壓還是降壓所需補償電壓的大小都由調(diào)節(jié)主控開關(guān)中的2只全控器件的通斷比來調(diào)節(jié)而達到輸出電壓穩(wěn)定的目的。由圖2可知:V5、V6、V7、V84個晶閘管連接成2個雙向交流轉(zhuǎn)換開關(guān)，是可使用1個單相全控橋晶閘管模塊的(只要將2個輸出端相連)。因此，整個交流穩(wěn)壓電源只要1塊全控器件模塊和1塊半晶閘管模塊，1個控制觸發(fā)塊，1個高頻變壓器，1個高頻濾波電感和1個高頻濾波電容。由圖2可知龔氏斬控交流穩(wěn)壓電源是只經(jīng)過一次高頻斬控變換的交流穩(wěn)壓電源，它比現(xiàn)在所有至少通過3次高頻變換的補償式交流穩(wěn)壓電源簡單、成本低、可靠性好，是一種很有發(fā)展前景的交流穩(wěn)壓電源新品種。對于只要降壓穩(wěn)壓的路燈交流穩(wěn)壓電源來說，高頻變壓器B都只要1個次級繞組，也少用1塊晶閘管模塊，它們的結(jié)構(gòu)就變得更簡單了。
3結(jié)束語
龔氏橋整流全電路是比單相半波、全波和橋式3類經(jīng)典電路中頂級橋式相控整流電路更好的第4類電路，它一定程度上解決了百年相控整流電路在調(diào)低電壓時存在功率因數(shù)低、諧波大、整流效率低等多個難以解決的世界難題，它在相控整流電路中是性能更好的電路，現(xiàn)已走進國內(nèi)很多所高校的電工和電力電子技術(shù)課堂。龔氏斬控式交流調(diào)壓電路，應(yīng)用它設(shè)計龔氏斬控交流穩(wěn)壓電源，只要1次AC/AC變換，電路非常簡單、可靠。電力電子技術(shù)教科書上早就有Cuk斬波電路、Boost斬波電路、Boost-Buck斬波電路、Sepic斬波電路、Zeta斬波電路等電路，電力電子技術(shù)教科書上也應(yīng)有龔氏橋全整流電路和龔氏斬控式交流調(diào)壓電路等電路。
