中專院校電工教學(xué)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(xiàng)發(fā)明專利。第1項(xiàng)發(fā)明專利特征是在輸出電壓中心點(diǎn)上有1個(gè)最佳功率因數(shù)點(diǎn)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(gè)二極管;在半控橋電路中增加1個(gè)晶閘管或二極管;在橋式單晶閘管電路中增加1個(gè)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(gè)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?yàn)樗坏邪氩?、全波和橋?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(diǎn)并克服其缺點(diǎn)，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(diǎn)只能在最高輸出電壓點(diǎn)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(gè)最佳功率因數(shù)點(diǎn)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(diǎn)只能在最高輸出電壓點(diǎn)上，最大直流輸出電流隨輸出電壓調(diào)低而減少的科學(xué)規(guī)律;創(chuàng)立了中心輸出電壓點(diǎn)上有一個(gè)比最高輸出電壓點(diǎn)上輸出電流還要大1．4倍的最大輸出電流點(diǎn)，中心輸出電壓點(diǎn)上也有一個(gè)最佳功率因數(shù)點(diǎn)的新電路，并且導(dǎo)出龔氏橋全電路輸出直流電壓的2個(gè)計(jì)算公式。

該計(jì)算公式中，全波和橋式2種電路都只是其中2個(gè)特例而已，這足以說明龔氏橋全電路是比教科書上頂級(jí)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(xué)才有“經(jīng)典”和“復(fù)式”2個(gè)科學(xué)分支。龔氏橋全電路創(chuàng)造出在半壓輸出時(shí)，最大輸出電流可達(dá)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(duì)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(shí)功率因數(shù)低、諧波大、效率低等多個(gè)難以解決的世界性難題。它只比橋控電路多一個(gè)整流或可控整流器件。第2個(gè)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(diǎn)可以上、下移動(dòng)的B類龔氏橋全電路，以及中間有多個(gè)最佳功率因數(shù)點(diǎn)的AB類龔氏橋全電路。將A類龔氏橋全電路中心點(diǎn)上的1個(gè)最佳功率因數(shù)點(diǎn)向上移動(dòng)可得5個(gè)電路，向下移動(dòng)也可得5個(gè)電路，因此B類龔氏橋全電路共有10個(gè)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(gè)直流輸出端與次級(jí)繞組中心抽頭(新增加)上連接有一個(gè)整流或可控整流器件，它們?cè)陔妷褐行狞c(diǎn)上有一個(gè)最佳功率因數(shù)點(diǎn)。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(jí)中心抽頭上、下二段繞組中各增加一個(gè)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(gè)器件的一端分別連接在新增加的2個(gè)抽頭上即可獲得中間最佳功率因數(shù)點(diǎn)可上、下移動(dòng)的10個(gè)B類龔氏橋全電路。使僅比橋控多一個(gè)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(gè)最佳功率因數(shù)點(diǎn)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(gè)最佳功率因數(shù)點(diǎn)的“三重聯(lián)結(jié)電路”可節(jié)省一半數(shù)量(6個(gè))晶閘管及其降壓損耗，具有電路簡(jiǎn)單、可靠、性能也遠(yuǎn)優(yōu)于教科書上的那種電路。第3個(gè)發(fā)明專利是用1個(gè)拓?fù)潺徥蠘蛉娐穼?duì)直流電機(jī)同時(shí)實(shí)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(dòng)直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，直流電機(jī)單獨(dú)用調(diào)壓調(diào)速或者調(diào)磁調(diào)速都不能實(shí)現(xiàn)1∶10以上的寬調(diào)速。只有同時(shí)對(duì)直流電機(jī)實(shí)施調(diào)壓調(diào)速和調(diào)磁調(diào)速才能實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)1∶30的寬調(diào)速。對(duì)于電力機(jī)車和交流無軌電車用的直流電機(jī)就要求實(shí)現(xiàn)寬調(diào)速，但是現(xiàn)有的任何一個(gè)可控整流電路都沒有辦法對(duì)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)寬調(diào)速。龔氏橋全電路中增加2個(gè)晶閘管和2個(gè)二極管的拓?fù)潺徥蠘蛉娐肪涂捎靡粋€(gè)可控整流電路同時(shí)對(duì)直流電機(jī)實(shí)施調(diào)壓和調(diào)磁的寬調(diào)速。同時(shí)也發(fā)明了在現(xiàn)有單相橋式可控整流電路中增加2個(gè)晶閘管和2個(gè)二極管的拓?fù)鋯蜗鄻蚴娇煽卣鲗?duì)直流電機(jī)的寬調(diào)速電路，和在三相橋式可控整流電路中增加3個(gè)晶閘管和3個(gè)二極管的拓?fù)淙嗫煽卣鲗?duì)直流電機(jī)的寬調(diào)速電路。電工科學(xué)是自然科學(xué)中非常重要的學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)中的頂級(jí)電路。文章只在電工教科書和工具書中所示的頂級(jí)橋式可控整流電路圖上“畫”上一個(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)超越教科書上頂級(jí)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(gè)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(jí)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(gè)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(gè)全控器件V3、V4和2個(gè)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(gè)晶閘管組成的續(xù)流雙向開關(guān)的開關(guān)損耗又遠(yuǎn)比2個(gè)全控器和2個(gè)二極管組成的續(xù)流雙向開關(guān)的損耗低等原因?，F(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(huì)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(jì)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(gè)次級(jí)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(bǔ)償用壓。不論升壓還是降壓所需補(bǔ)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(dá)到輸出電壓穩(wěn)定的目的。由圖2可知:V5、V6、V7、V84個(gè)晶閘管連接成2個(gè)雙向交流轉(zhuǎn)換開關(guān)，是可使用1個(gè)單相全控橋晶閘管模塊的(只要將2個(gè)輸出端相連)。因此，整個(gè)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(gè)控制觸發(fā)塊，1個(gè)高頻變壓器，1個(gè)高頻濾波電感和1個(gè)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(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)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(duì)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(gè)次級(jí)繞組，也少用1塊晶閘管模塊，它們的結(jié)構(gòu)就變得更簡(jiǎn)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(jí)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(shí)存在功率因數(shù)低、諧波大、整流效率低等多個(gè)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(jìn)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(jì)龔氏斬控交流穩(wěn)壓電源，只要1次AC/AC變換，電路非常簡(jiǎn)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。