直流斩波电路教学课件PPT1.ppt
电力电子技术电子教案,第3章 直流斩波电路,2023/2/27,2,目 录,3.1基本斩波电路3.1.1 降压斩波电路3.1.2 升压斩波电路3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路3.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 3.2复合斩波电路和多相多重斩波电路3.2.1 电流可逆斩波电路 3.2.2 桥式可逆斩波电路3.2.3 多相多重斩波电路本章小结,返回,2023/2/27,3,第三章 直流斩波电路(DC Chopper,DC/DC Converter）,功能：DC DC,U=固定值 或 U,2023/2/27,4,第三章 直流斩波电路,如何改变直流电压？,3、用大功率开关器件（SCR、GTO、GTR、IGBT、MOSFET）实现低损耗的DC/DC变换，并能连续调节。应用：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,2023/2/27,5,第三章 直流斩波电路,负载RL为理想电阻，Q为开关；,分析：,波形：,ton-导通时间toff-关断时间,直流斩波电路采用斩控方式，比相控方式性能更佳，因而应用广泛。,2023/2/27,6,第三章 直流斩波电路,直流斩波电路的种类6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、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路,返回,复合斩波电路不同基本斩波电路组合,多相多重斩波电路相同结构基本斩波 电路组合,2023/2/27,7,3.1 基本斩波电路,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,2023/2/27,8,斩波电路的典型用途：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EM所示,3.1.1 降压斩波电路(Buck Chopper),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,2023/2/27,9,3.1.1 降压斩波电路,数量关系电流连续时，负载电压平均值：（3-1）tonV通的时间 toffV断的时间 a 导通占空比(duty factor),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,负载电流平均值：（3-2）电流断续时，Uo被抬高（一般不希望出现）,2023/2/27,10,3.1.1 降压斩波电路,例：降压斩波电路（见图3-1），已知：E=200V,R=10,L值极大，EM=30V，T=50s,ton=20 s,计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io,解：由于L值极大，故负载电流连续，则,输出电压平均值,输出电流平均值,2023/2/27,11,3.1.1 降压斩波电路,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：当平波电抗器L为无穷大，则电流连续1）负载电流完全平直；2）V导通时，电源提供能量为：EI0ton负载消耗的能量为：RI02T+EMI0T在一个周期中，忽略电路中的损耗，则电源的输出功率等于输入功率：EI0ton=RI02T+EMI0T 电源电流的平均值为：I1=（ton/T）I0=I0 即：EI1=EI0=U0I0,2023/2/27,12,3.1.1 降压斩波电路,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 不变，变ton 脉冲宽度调制（PWM）ton不变，变T 频率调制（调频型）ton 和T 都可调混合型,上面三种控制方式中第一种PWM方式应用最多,2023/2/27,13,PWM,保持开关周期T不变，调节开关导通时间,称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，缩写为PWM。,返回,2023/2/27,14,3.1.1 降压斩波电路,直流电机斩波调速系统示意图,2023/2/27,15,2023/2/27,16,3.1.2 升压斩波电路（Boost Chopper),1.升压斩波电路的基本原理工作原理 假设L 值很大，C 值也很大V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C 值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为,图3-2 升压斩波电路及其工作波形a）电路图 b）波形,2023/2/27,17,3.1.2 升压斩波电路（Boost Chopper),1.升压斩波电路的基本原理工作原理V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为toff，则此期间电感L释放能量为:稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等,即：,图3-2 升压斩波电路及其工作波形a）电路图 b）波形,（3-20）,2023/2/27,18,化简得：（3-21）上式中的（T/toff）1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。升压比，调节其大小即可改变Uo大小，调节方法与导通比的方法类似。将升压比的倒数记作,即：。则和有如下关系：（3-22）因此，式（3-21）可表示为（3-23）,3.1.2 升压斩波电路,2023/2/27,19,升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用；二是电容C可将输出电压保持住。以上分析中，认为V通态期间因电容C 的作用使得输出电压Uo不变，但实际C 值不可能无穷大，在此阶段其向负载放电，Uo必然会有所下降，故实际输出电压会略低于式 的结果。,3.1.2 升压斩波电路,2023/2/27,20,如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R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成是直流变压器。根据电路结构并结合式（3-23）得出输出电流的平均值Io为（3-25)由式（3-24）即可得出电源电流I1为：（3-26）,3.1.2 升压斩波电路,2023/2/27,21,2.升压斩波电路的典型应用一是用于直流电动机传动二是用作单相功率因数校正（PFC）电路 三是用于其他交直流电源中,图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形a）电路图 b）电流连续时c）电流断续时,3.1.2 升压斩波电路,2023/2/27,22,用于直流电动机传动时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实际电路中电感L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此时电机的反电动势相当于图3-2电路中的电源，而此时的直流电源相当于图3-2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。,3.1.2 升压斩波电路,2023/2/27,23,3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路,1.升降压斩波电路设L值很大，C值也很大。使电感电流iL和电容电压即负载电压uo基本为恒值。基本工作原理V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。,图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形,2023/2/27,24,1、升降压斩波电路,V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即：（3-39）当V处于通态期间，uL=E；而当V处于断态期间，uL=-uo。于是：（3-40）所以输出电压为：（3-41）,3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路,2023/2/27,25,1、升降压斩波电路,3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路,改变导通比，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当01/2时为降压，当1/21时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。也有文献直接按英文称之为buck-boost 变换器（Buck-Boost Converter）图3-4b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有（3-42）,图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形,2023/2/27,26,1、升降压斩波电路,3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路,由上式可得：（3-43）如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则（3-44）其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。,2023/2/27,27,2.Cuk斩波电路图3-5所示为Cuk斩波电路的原理图及其等效电路。V通时，EL1V回路和RL2CV回路分别流过电流V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路分别流过电流输出电压的极性与电源电压极性相反等效电路如图3-5b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换,图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图 b）等效电路,3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路,2023/2/27,28,稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即（3-45）在图3-5b的等效电路中，开关S合向B点时间即V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。开关S合向A点的时间为V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由此可得（3-46）从而可得（3-47）,3.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路,2.Cuk斩波电路,2023/2/27,29,3.2.1 电流可逆斩波电路,斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动降压斩波电路拖动直流电动机时，如图3-1所示，电动机工作于第1象限图3-3所示升压斩波电路中，电动机工作于第2象限电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合，拖动直流电动机时，电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第1象限和第2象限,2023/2/27,30,V1和VD1构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第1象限V2和VD2构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于第2象限,图3-7 电流可逆斩波电路及其波形a）电路图 b）波形,3.2.1 电流可逆斩波电路,2023/2/27,31,必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路只作降压斩波器运行时，V2和VD2总处于断态只作升压斩波器运行时，则V1和VD1总处于断态第3种工作方式：一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作当降压斩波电路或升压斩波电路的电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。以图3-7b为例说明。在一个周期内，电枢电流沿正、负两个方向流通，电流不断，所以响应很快。,3.2.1 电流可逆斩波电路,2023/2/27,32,3.2.2 桥式可逆斩波电路,电流可逆斩波电路：电枢电流可逆，两象限运行，但电压极性是单向的当需要电动机进行正、反转以及可电动又可制动的场合，须将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，成为桥式可逆斩波电路,2023/2/27,33,3.2.2 桥式可逆斩波电路,使V4保持通时，等效为图3-7a所示的电流可逆斩波电路，向电动机提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限，即正转电动和正转再生制动状态使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限,图3-8 桥式可逆斩波电路,2023/2/27,34,多相多重斩波电路是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的相数 一个控制周期中电源侧的电流脉波数重数 负载电流脉波数示例：图3-9，3相3重降压斩波电路相当于由3个降压斩波电路单元并联而成，总输出电流为3个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍由于3个单元电流的脉动幅值互相抵消，使总的输出电流脉动幅值变得很小,3.2.3 多相多重斩波电路,2023/2/27,35,总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比和单相时相比，设输出电流最大脉动率一定时，所需平波电抗器总重量大为减轻当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3相1重斩波电路而当电源为3个独立电源，向一个负载供电时，则为1相3重斩波电路多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用,3.2.3 多相多重斩波电路,2023/2/27,36,图3-9 多相多重斩波电路及其波形a）电路图 b）波形,3.2.3多相多重斩波电路,2023/2/27,37,本章小结,本章介绍了6种基本斩波电路、2种复合斩波电路及多相多重斩波电路，其中最基本的是降压斩波电路和升压斩波电路两种，对这两种电路的理解和掌握是学习本章的关键和核心，也是学习其他斩波电路的基础。因此，本章的重点是：理解降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理，掌握这两种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点,直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则是斩波电路应用的新领域，前者的应用在逐渐萎缩，而后者的应用方兴未艾、欣欣向荣，是电力电子领域的一大热点。针对这样的应用趋势，应将本章与第8章的间接直流变流电路部分的学习紧密结合起来，牢固建立起关于开关电源的概念。,2023/2/27,38,作业：,P111 题1、2、4、5,2023/2/27,39,图3-1 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,返回,U0,I0,2023/2/27,40,图3-2 升压斩波电路及其工作波形,电路图,波形,返回,2023/2/27,41,图3-3 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,返 回,2023/2/27,42,图3-4 升降压斩波电路及其波形,电路图,波形,返 回,2023/2/27,43,图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路,返回,2023/2/27,44,图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,返回,2023/2/27,45,图3-7 电流可逆斩波电路及其波形,返回,2023/2/27,46,图3-8 桥式可逆斩波电路,返回,2023/2/27,47,图3-9 多相多重斩波电路及其波形,返回,
