第三章-斩波电路课件.ppt
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1、电力电子技术电力电子技术电子教案电子教案第第3 3章章 直流斩波电路直流斩波电路2022-8-52目目 录录3.13.1基本斩波电路基本斩波电路3.1.1 3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路3.1.2 3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路3.1.3 3.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和CukCuk斩波电路斩波电路3.1.4 3.1.4 SepicSepic斩波电路和斩波电路和ZetaZeta斩波电路斩波电路 3.23.2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3.2.1 3.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 3.2.2 3.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆
2、斩波电路3.2.3 3.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路本章小结本章小结 返回返回 2022-8-53第三章第三章 直流斩波电路直流斩波电路(DC Chopper,DC/DC ConverterDC Chopper,DC/DC Converter)功能功能:DC DC U=固定值固定值 或或 U如何改变直流电压?如何改变直流电压?1、干电池、蓄电池串联使用;、干电池、蓄电池串联使用;(低电压、小容量且不连续改变)E ERRLVL+EVRRRLLL应用:电力机车等应用:电力机车等缺点:串电阻损耗大。缺点:串电阻损耗大。2 2、串入可变电阻调节;、串入可变电阻调节;2022-8-54第三章
3、第三章 直流斩波电路直流斩波电路如何改变直流电压?如何改变直流电压?3、用大功率开关器件、用大功率开关器件(SCR、GTO、GTR、IGBT、MOSFET)实现低损耗的实现低损耗的DC/DC变换,并能连续调变换,并能连续调节。节。应用:应用:控制直流电机的电枢电流或励磁电流调速。控制直流电机的电枢电流或励磁电流调速。如:电力机车、电动汽车、电梯、机器人的伺服电动机如:电力机车、电动汽车、电梯、机器人的伺服电动机 斩波电路斩波电路(DC-DC变换器)变换器)直接斩波电路直接斩波电路(DC/DC)间接斩波电路间接斩波电路(DC-AC-DC)2022-8-55斩波器的原理斩波器的原理 第三章第三章
4、直流斩波电路直流斩波电路负载负载RL为理想电阻,为理想电阻,Q为开关;为开关;E ERLu uO O+i iO OQ Q分析:分析:Q Q断开,则断开,则u uO O=0=0,i iO O=0 =0 。Q Q接通,则接通,则u uO O=E E,RL中流过电流中流过电流i iO O;波形:波形:tonontoffoffu uO OU UO OE Eton on-导通时间导通时间toff off-关断时间关断时间直流斩波电路采用直流斩波电路采用斩控方式斩控方式,比相控,比相控方式性能更佳,因而应用广泛。方式性能更佳,因而应用广泛。2022-8-56第三章第三章 直流斩波电路直流斩波电路直流斩波电
5、路的直流斩波电路的种类种类6 6种基本斩波电路:种基本斩波电路:降压降压斩波电路、斩波电路、升压升压斩波电路、斩波电路、升降压升降压斩波电路斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,其中前两种前两种是最基本的电路 返回返回 复合复合斩波电路斩波电路不同不同基本斩波电路组合基本斩波电路组合多相多重多相多重斩波电路斩波电路相同相同结构基本斩波 电路组合2022-8-573.1 3.1 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降压斩波电路和升压斩波电路2022-8-58v斩波电路的典型用途:斩波电路的典型用途
6、:拖动直流电拖动直流电动机,也可带蓄电池负载,两种情况下动机,也可带蓄电池负载,两种情况下负载中均会出现反电动势,如图中负载中均会出现反电动势,如图中E EM M所示所示3.1.13.1.1 降压斩波电路降压斩波电路(Buck Chopper)tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG图图3-1 3-1 降压斩波电路的原理图及波形降压斩波电路的原理图及波形a)电路图电路图 b)电流连续时的波形电流连续时的波形 c)电流断续时的波形电流断续时的波形v
7、工作原理:工作原理:t=0时刻驱动时刻驱动V导通,电源导通,电源E向负载供向负载供电,负载电压电,负载电压uo=E,负载电流负载电流io按指数按指数曲线上升曲线上升t=t1时刻控制时刻控制V关断,负载电流经二极管关断,负载电流经二极管VD续流,负载电压续流,负载电压uo近似为零,负载电近似为零,负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小,通常使串接的电感且脉动小,通常使串接的电感L值较大。值较大。2022-8-59EETtEtttUonoffonono3.1.1 3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路v数量关系数量关系电流连续时电流连续时,负载电压平均
8、值:负载电压平均值:(3-1)tonV通的时间 toffV断的时间 导通占空比占空比(duty factor)duty factor)tttOOOb)TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEc)iGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMEV+-MRLVDa)ioEMuoiG图3-1 降压斩波电路的原理图及波形a)电路图 b)电流连续时的波形 c)电流断续时的波形REUIMoo-负载电流平均值:负载电流平均值:(3-2)电流断续时,电流断续时,U Uo o被抬高(一般不希望出现)=1=1 时,时,Uo最大为E E;若若 Uo0 0 时,时,Uo
9、00 。因此称为降压斩波电路。2022-8-5103.1.1 3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路例:降压斩波电路(例:降压斩波电路(见图见图3-13-1),),已知:已知:E=200V,R=10E=200V,R=10,L,L值极大,值极大,E EM=30V=30V,T=50T=50 s,ts,tonon=20=20 s,s,计算输出电压平均值计算输出电压平均值U Uo o,输出电流平均值输出电流平均值I Io o )(5103080AREUI-Moo解:解:由于L值极大,故负载电流连续,则输出电压平均值输出电压平均值输出电流平均值输出电流平均值)(805020020VETtUono2022-
10、8-5113.1.1 3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路v 根据电力电子电路分时段线性化的思想,通过列根据电力电子电路分时段线性化的思想,通过列解析式对降压斩波电路进行分析,得到结论:解析式对降压斩波电路进行分析,得到结论:当平波电抗器当平波电抗器L为无穷大为无穷大,则电流连续,则电流连续1)负载电流完全平直;)负载电流完全平直;2)V导通时,电源提供能量为:导通时,电源提供能量为:EI0ton负载消耗的能量为:负载消耗的能量为:RI02T+EMI0T在一个周期中,忽略电路中的损耗,则电源的输在一个周期中,忽略电路中的损耗,则电源的输出功率等于输入功率:出功率等于输入功率:EI0ton=RI
11、02T+EMI0T 电源电流的平均值为:电源电流的平均值为:I1=(ton/T)I0=I0 即:即:EI1=EI0=U0I02022-8-5123.1.1 3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路v 斩波电路三种控制方式(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)T T 不变,变不变,变t tonon 脉冲宽度调制(脉冲宽度调制(PWMPWM)t tonon不变,变不变,变T T 频率调制(频率调制(调频型调频型)t tonon 和和T T 都可调都可调混合型混合型上面三种控制方式中上面三种控制方式中第一种第一种PWMPWM方式应用最多方式应用最多tonontoffoff
12、u uO OU UO OE ET T2022-8-513PWM 保持开关周期保持开关周期T不变,调节开关导通时不变,调节开关导通时间间 ,称为脉冲宽度调制(称为脉冲宽度调制(Pulse Width Pulse Width ModulationModulation,缩写为,缩写为PWMPWM。ont返回2022-8-5143.1.1 3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路v 直流电机斩波调速系统示意图直流电机斩波调速系统示意图u uO OR RE EMM+L LP P 220V+i iG Gi iO O驱动电路驱动电路2022-8-5152022-8-5163.1.2 3.1.2 升压斩波电路升压
13、斩波电路(Boost Chopper)1.1.升压斩波电路的基本原理升压斩波电路的基本原理v 工作原理工作原理 假设假设L L 值很大,值很大,C C 值也很大值也很大 V V通时,通时,E E向向L L充电,充电电流恒充电,充电电流恒为为I I1 1,同时同时C C的电压向负载供电,的电压向负载供电,因因C C 值很大,输出电压值很大,输出电压u uo o为恒为恒值,记为值,记为U Uo o 。设设V V通的时间为通的时间为t tonon,此阶段此阶段L L上积蓄的能量为上积蓄的能量为 EVRLVDa)Cioi1iGuob)iGioI1OOtt图图3-2 升压斩波电路及其升压斩波电路及其工作
14、波形工作波形a)电路图电路图 b)波形波形on1tEI2022-8-5173.1.2 3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路(Boost Chopper)1.1.升压斩波电路的基本原理升压斩波电路的基本原理v 工作原理工作原理 V V断时,断时,E E和和L L共同向共同向C C充电并向负充电并向负载载R R供电。设供电。设V V断的时间为断的时间为t toffoff,则此期间电感则此期间电感L L释放能量为释放能量为:稳态时,一个周期稳态时,一个周期T T中中L L积蓄能量积蓄能量与释放能量相等与释放能量相等,即:即:EVRLVDa)Cioi1iGuob)iGioI1OOtt图图3-2 升压斩
15、波电路及其升压斩波电路及其工作波形工作波形a)电路图电路图 b)波形波形(off1otIEU-(off1oon1tIEUtEI-(3-203-20)2022-8-518化简得化简得:(3-21)上式中的(上式中的(T/T/t toffoff)1,1,输出电压高于电源电压,输出电压高于电源电压,故称该电路为升压斩波电路。故称该电路为升压斩波电路。升压比,升压比,调节其大小即可改变调节其大小即可改变U Uo o大小,调节方法与导通比大小,调节方法与导通比 的方法类似。将升压比的倒数记作的方法类似。将升压比的倒数记作,即:即:。则则 和和 有如下关系:有如下关系:(3-223-22)因此,式(因此,
16、式(3-213-21)可表示为)可表示为 (3-233-23)EtTEtttUoffoffoffonooff/tTTtoff1EEU-111o3.1.2 3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路2022-8-519v升压斩波电路能使输出电压高于电源升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因:电压的原因:一是一是L L储能之后具有使电压泵升的作用;储能之后具有使电压泵升的作用;二是电容二是电容C C可将输出电压保持住。可将输出电压保持住。以上分析中,认为以上分析中,认为V V通态期间因电容通态期间因电容C C 的作用使得输出的作用使得输出电压电压U Uo o不变,但实际不变,但实际C C 值不可能无
17、穷大,在此阶段其向值不可能无穷大,在此阶段其向负载放电,负载放电,U Uo o必然会有所下降,故实际输出电压会略低必然会有所下降,故实际输出电压会略低于式于式 的结果。的结果。3.1.2 3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路EEU-111o2022-8-520 如果忽略电路中的损耗,则由电源提供的能量仅由负载如果忽略电路中的损耗,则由电源提供的能量仅由负载R R消耗,即消耗,即 (3-24)该式表明,与降压斩波电路一样,升压斩波电路也可看该式表明,与降压斩波电路一样,升压斩波电路也可看成是成是直流变压器直流变压器。根据电路结构并结合式(根据电路结构并结合式(3-233-23)得出输出电流的平均
18、)得出输出电流的平均值值I Io o为为 (3-25)由式(由式(3-243-24)即可得出电源电流)即可得出电源电流I I1 1为:为:(3-26)oo1IUEI RERUI1ooREIEUI2oo113.1.2 3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路2022-8-5212.2.升压斩波电路的典型应用升压斩波电路的典型应用一是用于直流电动机传动一是用于直流电动机传动二是用作单相功率因数校正(二是用作单相功率因数校正(PFCPFC)电路电路 三是用于其他交直流电源中三是用于其他交直流电源中EMttTEiOOb)tOTOEtc)VDLVa)EMuoi1i2I10I20I10tontoffuoioi
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