中专院校电工教学发明分析

1龚氏桥全电路

龚氏桥全电路荣获3项发明专利。第1项发明专利特征是在输出电压中心点上有1个最佳功率因数点的A类龚氏桥全电路。原有教科书上的单相半波、全波和桥式3类经典可控整流电路中性能最好、电路数量最多、最高形式的电路是单相桥式可控整流电路，应用极为广泛，因此，世界各国大中专院校电工教科书中都占有很大篇幅。笔者只在教科书上的单相全控桥电路中增加1个二极管;在半控桥电路中增加1个晶闸管或二极管;在桥式单晶闸管电路中增加1个晶闸管或二极管，调整器件容量，改变晶闸管的触发相位，就有了5个比桥式电路性能更好、电路数量更多、更高形式的A类龚氏桥全电路，因为它不但包含有半波、全波和桥式3类经典相控电路在内，而且能吸取全波和桥式二类相控电路优点并克服其缺点，能输出半波、全波、桥式、全波与桥式二者相结合的4种电压波形;突破了经典相控整流最大输出电流和最高功率因数点只能在最高输出电压点上的传统;开创了在输出电压最高值和中心值各有一个最佳功率因数点的先河;突破了自有相控整流电路一百多年以来，最大输出电流点只能在最高输出电压点上，最大直流输出电流随输出电压调低而减少的科学规律;创立了中心输出电压点上有一个比最高输出电压点上输出电流还要大1．4倍的最大输出电流点，中心输出电压点上也有一个最佳功率因数点的新电路，并且导出龚氏桥全电路输出直流电压的2个计算公式。

该计算公式中，全波和桥式2种电路都只是其中2个特例而已，这足以说明龚氏桥全电路是比教科书上顶级桥控电路更好的电路。世界单相相控整流电路才由三大类“变成”半波、全波、桥式和龚氏桥全四大类，相控科学才有“经典”和“复式”2个科学分支。龚氏桥全电路创造出在半压输出时，最大输出电流可达桥式电路最大允许电流的1．4倍，在半压以下调节范围内输出电流比桥控电路大2倍的奇迹，在30%～100%输出电压调节范围内输出电流大于桥控最大输出电流的奇迹。龚氏桥全电路在很大程度上解决了相控整流对电网的谐波电流污染的重大问题，使相控整流电路面目一新，解决了有史以来，相控整流电路在调低电压(深控)时功率因数低、谐波大、效率低等多个难以解决的世界性难题。它只比桥控电路多一个整流或可控整流器件。第2个发明专利是将A类龚氏桥全电路中间的最佳功率因数点可以上、下移动的B类龚氏桥全电路，以及中间有多个最佳功率因数点的AB类龚氏桥全电路。将A类龚氏桥全电路中心点上的1个最佳功率因数点向上移动可得5个电路，向下移动也可得5个电路，因此B类龚氏桥全电路共有10个基础电路，而它们所使用的器件数量和A类龚氏桥全电路相同。A类龚氏桥全电路的结构特征是在单相桥控电路的一个直流输出端与次级绕组中心抽头(新增加)上连接有一个整流或可控整流器件，它们在电压中心点上有一个最佳功率因数点。B类龚氏桥全电路只要在A类龚氏桥全电路中的变压器次级中心抽头上、下二段绕组中各增加一个抽头，并将连接在A类龚氏桥全电路交流输入端，上面或下面2个器件的一端分别连接在新增加的2个抽头上即可获得中间最佳功率因数点可上、下移动的10个B类龚氏桥全电路。使仅比桥控多一个器件的龚氏桥全电路增加到15种，是现有单相可控整流电路总数量的2倍多。

AB类龚氏桥全电路中间电压值有2个最佳功率因数点的龚氏桥全电路，它比王兆安主编的《电力电子技术》教科书中的中间电压值有2个最佳功率因数点的“三重联结电路”可节省一半数量(6个)晶闸管及其降压损耗，具有电路简单、可靠、性能也远优于教科书上的那种电路。第3个发明专利是用1个拓扑龚氏桥全电路对直流电机同时实现调压调速和调磁调速的宽调速装置。用市电可控整流输出拖动直流电机广泛应用于各行各业，直流电机单独用调压调速或者调磁调速都不能实现1∶10以上的宽调速。只有同时对直流电机实施调压调速和调磁调速才能实现直流电机1∶30的宽调速。对于电力机车和交流无轨电车用的直流电机就要求实现宽调速，但是现有的任何一个可控整流电路都没有办法对直流电机实现宽调速。龚氏桥全电路中增加2个晶闸管和2个二极管的拓扑龚氏桥全电路就可用一个可控整流电路同时对直流电机实施调压和调磁的宽调速。同时也发明了在现有单相桥式可控整流电路中增加2个晶闸管和2个二极管的拓扑单相桥式可控整流对直流电机的宽调速电路，和在三相桥式可控整流电路中增加3个晶闸管和3个二极管的拓扑三相可控整流对直流电机的宽调速电路。电工科学是自然科学中非常重要的学科，几乎各单位都有电工，各大中专院校都有电工教研室。在电工科学中半波、全波和桥式3类经典基础可控整流电路又是占有极其重要的地位，它们都是在大中专院校所有电工科学课堂上都要讲授的最重要的基础电路，这3类经典电路中性能最好的一类电路是桥式可控整流电路，它也是经典相控科学中的顶级电路。文章只在电工教科书和工具书中所示的顶级桥式可控整流电路图上“画”上一个粗线所示的二极管或晶闸管，并改变它们触发相位，其性能远远超越教科书上顶级桥式可控整流电路的第4类电路———龚氏桥全整流电路(图1中3种电路和输出波形，将图1中“2”和“3”中粗线所示的晶闸管换成二极管又可得2个从半压起调的电路)。龚氏桥全电路半压以下能输出2倍于桥式可控整流电路的电流、4倍于桥式可控整流电路的功率、谐波减少50%以上，变压器次级减少铜耗75%以上等优越性能，能使可控整流装置减少30%的容量、功率因数提高、谐波和损耗减少。

2龚氏斩控式交流调压电路

龚氏斩控式交流调压电路只是用2个反方向并联的单向晶闸管V3、V4组成的双向续流开关，替代高校电力电子技术教科书上的斩控式交流调压电路中的由2个全控器件V3、V4和2个二极管VD3、VD4组成的续流双向开关［1，2］。由于半控器件晶闸管的过载能力和可靠性比全控器件高，成本比全控器件低，2个晶闸管组成的续流双向开关的开关损耗又远比2个全控器和2个二极管组成的续流双向开关的损耗低等原因。现有高校电力电子技术教科书上的斩控式交流调压电路会被龚氏斩控式交流调压电路所取代。应用龚氏斩控式交流调压电路设计的龚氏斩控式交流稳压电源主电路原理图如图2所示。它由二极管D1、D2和全控器件V1、V2组成主控双向开关，由晶闸管V3、V4成续流双向开关。主控双向开关、续流双向开关及其控制电路和高频变压器B共同构成龚氏斩控式交流调压电路。高频变压器B的2个次级绕组W1和W2分别通过V5、V6或V7、V8转换输出电压是绕组W1或绕组W2的高频电压。再通过LC滤去高频谐波得到的电压与市电频率相同，方向相同或相反的补偿用压。不论升压还是降压所需补偿电压的大小都由调节主控开关中的2只全控器件的通断比来调节而达到输出电压稳定的目的。由图2可知:V5、V6、V7、V84个晶闸管连接成2个双向交流转换开关，是可使用1个单相全控桥晶闸管模块的(只要将2个输出端相连)。因此，整个交流稳压电源只要1块全控器件模块和1块半晶闸管模块，1个控制触发块，1个高频变压器，1个高频滤波电感和1个高频滤波电容。由图2可知龚氏斩控交流稳压电源是只经过一次高频斩控变换的交流稳压电源，它比现在所有至少通过3次高频变换的补偿式交流稳压电源简单、成本低、可靠性好，是一种很有发展前景的交流稳压电源新品种。对于只要降压稳压的路灯交流稳压电源来说，高频变压器B都只要1个次级绕组，也少用1块晶闸管模块，它们的结构就变得更简单了。

3结束语

龚氏桥整流全电路是比单相半波、全波和桥式3类经典电路中顶级桥式相控整流电路更好的第4类电路，它一定程度上解决了百年相控整流电路在调低电压时存在功率因数低、谐波大、整流效率低等多个难以解决的世界难题，它在相控整流电路中是性能更好的电路，现已走进国内很多所高校的电工和电力电子技术课堂。龚氏斩控式交流调压电路，应用它设计龚氏斩控交流稳压电源，只要1次AC/AC变换，电路非常简单、可靠。电力电子技术教科书上早就有Cuk斩波电路、Boost斩波电路、Boost-Buck斩波电路、Sepic斩波电路、Zeta斩波电路等电路，电力电子技术教科书上也应有龚氏桥全整流电路和龚氏斩控式交流调压电路等电路。