電力電子基礎

1、電力電子基礎電力電子基礎 Fundamental Power Electronics 第四講第四講 直流斬波電路直流斬波電路東南大學電氣工程學院2010年- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路2直流斬波電路直流斬波電路n直流斬波電路（DC Chopper）n將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。n也稱為直流-直流變換器（DC/DC Converter）。n一般指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡话ㄖ绷鹘涣髦绷?。n電路種類n6種基本斬波電路：降壓斬波電路降壓斬波電路、升壓斬波電路升壓斬波電路、 升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。n復合斬波

2、電路不同結構基本斬波電路組合。n多相多重斬波電路相同結構基本斬波電路組合。- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路3DC-DC變換的基本控制方式變換的基本控制方式1.時間占空比控制 為占空比，f=1/T為斬波頻率001TontUudtEETT- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路4DC-DC變換的基本控制方式變換的基本控制方式n時間占空比控制的幾種實現(xiàn)方式：n脈寬控制：T不變，改變ton調(diào)節(jié)變化，改變Uon斬波開關頻率固定，易于設計輸出濾波器n頻率控制： ton不變，改變T調(diào)節(jié)變化，改變Uon斬波開關頻率不固定，難于設計輸出濾波器n混合控制：既改變斬波頻率，又

3、改變導通時間n優(yōu)點是可較大幅度改變輸出電壓平均值，但同樣難于設計輸出濾波器2.瞬時值控制（滯環(huán)控制）開關頻率不固定，還可能過高- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路51.基本斬波電路基本斬波電路n降壓(BUCK)斬波電路n升壓(BOOST)斬波電路n升降壓(BUCK-BOOST)斬波電路nCuk斬波電路nSepic斬波電路nZeta斬波電路 - -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路6降壓降壓(Buck)斬波電路斬波電路 全控型器件 若為晶閘管，須有輔助關斷電路。續(xù)流二極管- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路7降壓降壓(Buck)斬波電路斬波

4、電路變換器的工作模式n基于“分段線性”的思想，對降壓斬波電路進行解析。nVT處于通態(tài)和處于斷態(tài)n初始條件分電流連續(xù)和斷續(xù)- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路8降壓降壓(Buck)斬波電路斬波電路電流連續(xù)時電流連續(xù)時n輸入輸出電壓關系n輸入輸出電流關系00001EIU IIEIU0000onoffonE U tUtUtET- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路9降壓降壓(Buck)斬波電路斬波電路n電流臨界連續(xù)時電流臨界連續(xù)時n電流斷續(xù)時電流斷續(xù)時00max111(1)22220.58onLBLpeakLBEUtETIiEUTLLLETIifL0011010

5、111m ax1201020m ax1m ax01422144LpeakLpeakLBLLLBLBEUTUTUEUiTLETiILIUEIIIL0一 周 期 內(nèi) 電 感 電 壓 積 分 為 零 ：電 感 電 流 尖 峰 為 ：電 感 電 流 平 均 值 為 ： I- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路10降壓降壓(Buck)斬波電路斬波電路n濾波器設計：依據(jù)輸出電壓U0的紋波指標估算L、C的值020181-11U8LLLoffCI TCIILLUtTUTLC LCC假 定 濾 波 后 直 流 電 流 平 直 ， 即 II半 個 周 期 內(nèi) ， 電 容 電 壓 的 變 化 ：

6、U而 關 斷 模 式 下 ：因 此 ， 根 據(jù) 紋 波 比 值 、 斬 波 周 期 以 及 導 通 比 可 以 大 致 設 計 LC濾 波 器- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路11升壓斬波電路升壓斬波電路保持輸出保持輸出電壓電壓（濾波）（濾波）儲存電能儲存電能- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路12升壓斬波電路升壓斬波電路工作原理工作原理n 假設L和C值很大。n V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，電流恒定iL，電容C向負載R供電，輸出電壓Uo恒定。n V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負載提供能量。n 電壓升高得原因：n 電感L儲能使電

7、壓泵升的作用n 電容C可將輸出電壓保持住- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路13升壓斬波電路升壓斬波電路電流連續(xù)時電流連續(xù)時n輸入輸出電壓關系n輸入輸出電流關系00011offononoffoffE U tEtttUEtL電 感 電 壓 u穩(wěn) 態(tài) 下 ： 0 00001LEI U IIIEIIU - -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路14升壓斬波電路升壓斬波電路n電流斷續(xù)時電流斷續(xù)時2001011(1)2=1/32BU TILETIL0B臨界時平均輸出電流：當時，I 取最大值。斷續(xù)時平均輸出電流：- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路15

8、升壓斬波電路升壓斬波電路n濾波器設計：依據(jù)電流連續(xù)時輸入電流iL的紋波輸出電壓U0的紋波指標估算L、C的值0000=ULCUEEIfLUUIfC 電 流 紋 波 ：其 中電 壓 紋 波 ：- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路16升降壓斬波電路升降壓斬波電路- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路17升降壓斬波電路升降壓斬波電路基本工作原理n VT通時，電源E經(jīng)VT向L供電使其貯能，此時電流為i。同時，C維持輸出電壓恒定并向負載R供電。n VT斷時，L的能量向負載釋放，電流為iD。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。otot

9、iiDtontoffILIL+- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路18升降壓斬波電路升降壓斬波電路穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即Ttu0L0d電感電流連續(xù)時輸出電壓為：1tUEEtonooffV處于通態(tài)uL = EV處于斷態(tài)uL = - uooffoontUtE- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路19升降壓斬波電路升降壓斬波電路n 當01/2降壓，當1/2Ea時時10tt VT1、VT4導通，導通，VT2、VT3關斷關斷1ttT VT4、VD2導通導通2ttT VT2、VD4導通，能耗制動狀態(tài)導通，能耗制動狀態(tài)Uc0 VT1、

10、VT2交替導通，交替導通， VT4一直通，一直通，VT3不通不通Uc0 VT3、VT4交替導通，交替導通， VT2一直通，一直通，VT1不通不通- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路31（2 2）E0時時 A（），（），B（）只輸出正的脈沖電壓）只輸出正的脈沖電壓UcEa時時10tt VT1、VT4導通，導通，VT2、VT3關斷關斷1ttT VD2、VD3導通，仍電動導通，仍電動2ttT VT2、VT3導通，反接制動狀態(tài)導通，反接制動狀態(tài)VT1和和VT4，VT2和和VT3同時交替通、斷同時交替通、斷1()TtTt VD1、VD4續(xù)流，再生制動狀態(tài)續(xù)流，再生制動狀態(tài)特點：特點：

11、10tt UAB總等于總等于-E1ttT UAB總等于總等于+E- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路33電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路nV1和VD1構成降壓斬波電路，由電源向直流電動機供電，電動機為電動運行，工作于第1象限nV2和VD2構成升壓斬波電路，把直流電動機的動能轉變?yōu)殡娔芊答伒诫娫?，使電動機作再生制動運行，工作于第2象限tta)OOb)ELV1VD1uoioV2VD2EMuoioiV1iD1iV2iD2MR- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路34電流可逆斬波電路電流可逆斬波電路必須防止V1和V2同時導通而導致的電源短路n 只作降壓斬波器運行時

12、，V2和VD2總處于斷態(tài)n 只作升壓斬波器運行時，則V1和VD1總處于斷態(tài)n 第3種工作方式：一個周期內(nèi)交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作n 當降壓斬波電路或升壓斬波電路的電流斷續(xù)而為零時，使另一個斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動機電樞回路總有電流流過。n 在一個周期內(nèi)，電樞電流沿正、負兩個方向流通，電流不斷，所以響應很快。- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路35橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路n 電流可逆斬波電路：電樞電流可逆，兩象限運行，但電壓極性是單向的n 當需要電動機進行正、反轉以及可電動又可制動的場合，須將兩個電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動機提

13、供正向和反向電壓，成為橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路n 橋式斬波電路又有雙極性、單極性和受限單極性之分- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路36橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路n使V4保持通時，電流可逆斬波電路向電動機提供正電壓，可使電動機工作于第1、2象限，即正轉電動和正轉再生制動狀態(tài)n使V2 保持通時， V3、 VD3和V4、 VD4等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動機提供負電壓，可使電動機工作于第3、4象限 ELR+ -V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4M- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路37橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路1

14、.1.雙極性工作方式雙極性工作方式nV1與V4同時通斷， V2與V3同時通斷nV1與V2通斷互補， V3與V4通斷互補n輸出電壓波形中電壓有正有負，故稱雙極性。ELR+-V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4M uo io io t 0 0 0 t t 2 1 1 2 3 4 a) b) c) - -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路38橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路2.2.單極性工作方式單極性工作方式nV1與V2不斷調(diào)制， V3與V4全通或全斷nV1與V2通斷互補， V3與V4通斷互補n輸出電壓波形中電壓只有正或只有負，故稱單極性。ELR+-V1VD1uoV3

15、EMV2VD2ioV4VD3VD4M uo io io t 0 0 0 t t 2 1 1 2 3 4 a) b) c) - -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路39橋式可逆斬波電路橋式可逆斬波電路3.受限單極性工作方式nV1不斷調(diào)制， V4全通，V3與V2全斷n或V2不斷調(diào)制， V3全通，V1與V4全斷n輸出電壓波形中電壓只有正或只有負，且輕載時電流也斷續(xù)，故稱受限單極性。ELR+-V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4M uo io io t 0 0 0 t t 2 1 1 2 a) b) c) - -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路40多相

16、多重斬波電路多相多重斬波電路n 多相多重斬波電路是在電源和負載之間接入多個結構相同的基本斬波電路而構成的p 相數(shù) 一個控制周期中電源側的電流脈波數(shù)p 重數(shù) 負載電流脈波數(shù)n 當上述電路電源公用而負載為多個獨立負載時，則為多多相相1重斬波電路重斬波電路。n 而當電源為多個獨立電源，向一個負載供電時，則為1相相多多重斬波電路重斬波電路。n 多相多重斬波電路還具有備用功能，各斬波電路單元可互為備用。- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路413相相3重降壓斬波電路重降壓斬波電路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3ion 電路結構：相當于由3個降壓斬波電路單元并聯(lián)而成。n 總輸出電流為 3 個斬波電路單元輸出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的3倍，脈動頻率也為3倍。n 總的輸出電流脈動幅值變得很小 。n 所需平波電抗器總重量大為減輕。n 總輸出電流最大脈動率（電流脈動幅值與電流平均值之比）與相數(shù)的平方成反比。- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路423.晶閘管斬波器晶閘管斬波器n強制換流電路幫助晶閘管關斷:VT2,C,VD1, VD2, L1, L2。改變VT2的觸發(fā)導通時刻，也就改變了輸出電壓的脈寬。- -電力電子技術電力電子技術- -第四講 直流斬波電路434.斬波變阻斬