第十一讲直流斩波电路分析课件.ppt
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- 第十一 直流 电路 分析 课件
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1、一讲直流斩波电路分析一讲直流斩波电路分析v 直流斩波电路()v将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电v也称为直接直流直流变换器()v一般是指直接将直流电变为另一直流电,不包括直流交流直流v习惯上,变换器包括以上两种情况,且甚至更多地指后一种情况vv直流斩波电路的种类v种基本斩波电路:降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、斩波电路、斩波电路和斩波电路,其中前两种是最基本的电路v复合斩波电路不同基本斩波电路组合v多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路组合v第十一讲第十一讲 直流斩波电路分析直流斩波电路分析 基本斩波电路基本斩波电路 降压斩波电路降压斩波电路 升压斩波电路升压斩波电路 升降压
2、斩波电路和斩波电路升降压斩波电路和斩波电路 斩波电路和斩波电路斩波电路和斩波电路 复合斩波电路和多相多重斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路多相多重斩波电路多相多重斩波电路 基本斩波电路基本斩波电路v重点介绍最基本的两种基本电路降压斩波电路和升压斩波电路v 降压斩波电路v 升压斩波电路v 升降压斩波电路和斩波电路v 斩波电路和斩波电路 降压斩波电路降压斩波电路v斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机,也可带蓄电池负载,两种情况下负载中均会出现反电动势,如图中所示 tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20
3、t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG图 降压斩波电路的原理图及波形)电路图 )电流连续时的波形 ) 电流断续时的波形v工作原理工作原理 v时刻驱动导通,电源向负载供时刻驱动导通,电源向负载供电,负载电压,负载电流按指数电,负载电压,负载电流按指数曲线上升曲线上升v时刻控制关断,负载电流经二时刻控制关断,负载电流经二极管续流,负载电压近似为零,极管续流,负载电压近似为零,负载电流呈指数曲线下降。为了负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感值较大串接的电
4、感值较大 动画 降压斩波电路降压斩波电路v数量关系数量关系v电流连续时,负载电压平均值电流连续时,负载电压平均值v v通的时间通的时间 断的时间断的时间 导通占空导通占空比比v 最大为最大为 ,减小占空比,随之减小。,减小占空比,随之减小。因此称为降压斩波电路。因此称为降压斩波电路。v 负载电流平均值负载电流平均值v电流断续时,被抬高,一般不希望出现电流断续时,被抬高,一般不希望出现 EETtEtttUonoffononoREUIMoo()() 降压斩波电路降压斩波电路v斩波电路三种控制方式(根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分)v不变,变 脉冲宽度调制()v不变,变 频率调制v和都可
5、调,改变占空比混合型v基于“分段线性”的思想,对降压斩波电路进行分析v 通态期间,设负载电流为,可列出如下方程: EERitiLM11dd()设此阶段电流初值为,解上式得 断态期间,设负载电流为,可列出如下方程:设此阶段电流初值为,解上式得:当电流连续时,有:tteREEeIi1101M0ddM22ERitiLtteREeIi1202M)(2210tiI )(1120tiI 降压斩波电路降压斩波电路()()()()()即进入通态时的电流初值就是在断态阶段结束时的电流值,反过来,进入断态时的电流初值就是在通态阶段结束时的电流值。由式()、()、()、()得出: 式中: ; ; 。由图可知,和分别
6、是负载电流瞬时值的最小值和最大值。 降压斩波电路降压斩波电路REmeeREREeeITt1111M/101REmeeREREeeITt1111M/201/ TEEm/MTTtt11/()() 降压斩波电路降压斩波电路把式()和式()用泰勒级数近似,可得 上式表示了平波电抗器为无穷大,负载电流完全平直时的负载电流平均值,此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。o2010IREmII()v从能量传递关系出发进行的推导v 由于为无穷大,故负载电流维持为不变v电源只在处于通态时提供能量,为v在整个周期中,负载一直在消耗能量,消耗的能量为v一周期中,忽略损耗,则电源提供的能量与负载消耗的能量相等,即v
7、v则v 降压斩波电路降压斩波电路onotEITIETRIoM2oTIETRItEIoM2oonoREEIMo()() 降压斩波电路降压斩波电路在上述情况中,均假设值为无穷大,负载电流平直的情况。这种情况下,假设电源电流平均值为,则有 其值小于等于负载电流,由上式得 即输出功率等于输入功率,可将降压斩波器看作直流降压变压器。 ooon1IITtIooo1IUEIEI()() 负载电流断续的情况:负载电流断续的情况: ,且时,利用式()和,且时,利用式()和式()可求出为:式()可求出为:电流断续时,电流断续时,由此得出电流断续的条件为:,由此得出电流断续的条件为: 对于电路的具体工况,可据此式判
8、断负载电流是否对于电路的具体工况,可据此式判断负载电流是否连续。连续。 降压斩波电路降压斩波电路memt)1 (1lnx11eem()() 降压斩波电路降压斩波电路 在负载电流断续工作情况下,负载电流一降到零,续流二极管即关断,负载两端电压等于。输出电压平均值为: 不仅和占空比 有关,也和反电动势有关。 此时负载电流平均值为 EmTttTEttTEtUxonMxonono1)(REUREmTtttitiTIttmoxon0021oonxdd1()() 升压斩波电路.升压斩波电路的基本原理升压斩波电路的基本原理工作原理工作原理 假设值很大,值也很大假设值很大,值也很大通时,向充电,充电电流恒为,
9、同通时,向充电,充电电流恒为,同时的电压向负载供电,因值很大,时的电压向负载供电,因值很大,输出电压为恒值,记为。设通的输出电压为恒值,记为。设通的时间为,此阶段上积蓄的能量为时间为,此阶段上积蓄的能量为断时,和共同向充电并向负载供电。断时,和共同向充电并向负载供电。设断的时间为,则此期间电感释设断的时间为,则此期间电感释放能量为放能量为稳态时,一个周期中积蓄能量与释稳态时,一个周期中积蓄能量与释放能量相等放能量相等 EVRLVDa)Cioi1iGuob)iGioI1OOtt图 升压斩波电路及其工作波形)电路图 )波形on1tEIoff1otIEU off1oon1tIEUtEI()化简得:,
10、输出电压高于电源电压,故称该电路为升压斩波电路。也称之为变换器升压比,调节其大小即可改变大小,调节方法与节中介绍的改变导通比的方法类似。将升压比的倒数记作 ,即 。 和导通占空比有如下关系: 因此,式()可表示为EtTEtttUoffoffoffono1/offtToff/tTTtoff1EEU111o 升压斩波电路()()() 升压斩波电路v 升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因v 一是储能之后具有使电压泵升的作用一是储能之后具有使电压泵升的作用v 二是电容可将输出电压保持住二是电容可将输出电压保持住v 以上分析中,认为通态期间因电容的作用使得
11、输出以上分析中,认为通态期间因电容的作用使得输出电压不变,但实际值不可能无穷大,在此阶段其向电压不变,但实际值不可能无穷大,在此阶段其向负载放电,必然会有所下降,故实际输出电压会略负载放电,必然会有所下降,故实际输出电压会略低低 如果忽略电路中的损耗,则由电源提供的能量仅由负载消耗,即 该式表明,与降压斩波电路一样,升压斩波电路也可看成是直流变压器。 根据电路结构并结合式()得出输出电流的平均值为 由式()即可得出电源电流为: oo1IUEIRERUI1ooREIEUI2oo11 升压斩波电路()()(). 升压斩波电路的升压斩波电路的典型应用典型应用一是用于直流电一是用于直流电动机传动动机传
12、动二是用作单相功二是用作单相功率因数校正()率因数校正()电路电路 三是用于其他交三是用于其他交直流电源中直流电源中EMttTEiOOb)tOTOEtc)VDLVa)EMuoi1i2I10I20I10tontoffuoioi1i2t1t2txtontoffI20uo图 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形) 电路图 ) 电流连续时 ) 电流断续时 升压斩波电路v 用于直流电动机传动时v通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源v实际电路中电感值不可能为无穷大,因此该电路和降压斩波电路一样,也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态v此时电机的反电动势相当于 图电路 中的电源,而此
13、时的直流电源相当于图中电路中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的,因此不必并联电容器。 升压斩波电路v 电路分析v处于通态时,设电动机电枢电流为,得下式 v式中为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。v设的初值为,解上式得vv当处于断态时,设电动机电枢电流为,得下式:v v设的初值为,解上式得:v M11ddERitiLtteREeIi1M101EERitiLM22ddttteREEeIi1M202on 升压斩波电路()()()()当电流连续时,从 图的电流波形可看出,时刻,时刻,由此可得: 由以上两式求得:onon1M1020tteREeIIoffofftmteREEeII12010REeemR
14、EeeREITt1111offM10REeeemREeeeREITTt11onM20 升压斩波电路()()()()与降压斩波电路一样,把上面两式用泰勒级数线性近似,得 ()该式表示了为无穷大时电枢电流的平均值,即 ()该式表明,以电动机一侧为基准看,可将直流电源看作是被降低到了 。 REmII2010REEREmIoME 升压斩波电路当电枢电流断续时的波形如 图所示。当时刻,令式()中即可求出,进而可写出的表达式。另外,当时,可求得持续的时间,即当时,电路为电流断续工作状态,是电流断续的条件,即 根据此式可对电路的工作状态作出判断。 mmett11lnonxeem11 升压斩波电路()() 升
15、降压斩波电路和斩波电路升降压斩波电路和斩波电路. 升降压斩波电路升降压斩波电路设值很大,值也很大。设值很大,值也很大。使电感电流和电容电压即负使电感电流和电容电压即负载电压基本为恒值。载电压基本为恒值。基本工作原理基本工作原理通时,电源经向供电使通时,电源经向供电使其贮能,此时电流为。同时,其贮能,此时电流为。同时,维持输出电压恒定并向负载维持输出电压恒定并向负载供电。供电。断时,的能量向负载释断时,的能量向负载释放,电流为。负载电压极性放,电流为。负载电压极性为上负下正,与电源电压极为上负下正,与电源电压极性相反,该电路也称作反极性相反,该电路也称作反极性斩波电路性斩波电路VDotb)ERL
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