第4章_斬控調(diào)壓電路.ppt

1、第五章 斬控調(diào)壓電路,二. 斬波器的工作原理,一. 概述,三. 直流斬波器的主要類(lèi)型 及電量分析,四. 復(fù)合斬波電路和多重多相斬波電路,直流斬波電路(DC Chopper),用于將不可控直流電源變換成適合于負(fù)載要求的 可控直流電源。,也稱(chēng)為直流電壓變換器(DC/DC Converter),一般指直接將直流電直接變?yōu)榱硪恢绷麟姡?不包括直流交流直流(輸入輸出用 脈沖變壓器隔離),一. 概述,二. 斬波器的工作原理,二. 斬波器的工作原理,將固定直流變成脈沖輸出,調(diào)節(jié)脈沖寬度即可調(diào)節(jié)輸出平均電壓.,斬波器的工作原理,斬波電路的電能轉(zhuǎn)換與傳遞由電力電子開(kāi)關(guān)控制， 控制的主要方式為：,U,脈沖寬度調(diào)制

2、PWM,開(kāi)關(guān)元件具有理想的開(kāi)關(guān)特性，儲(chǔ)能元件足夠大。 斬波器為無(wú)損電能變換器。 負(fù)載為RC并聯(lián)模型，時(shí)間常數(shù) 即穩(wěn)態(tài)時(shí)端電壓不變 (4) 采用定頻調(diào)寬方式實(shí)現(xiàn)占空比調(diào)節(jié),三. 直流斬波器的主要類(lèi)型及電量分析,1.主要類(lèi)型,按電能變換功能分為：,2.電量分析,為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)：,升降壓型,1.降壓型直流斬波器(Buck Chopper),a.主電路,(1)為了降低輸出紋波，加入電感L和電容C濾波。VD為續(xù)流二極管。 (2)電路工作中通過(guò)電感的電流iL是否連續(xù)取決于S的開(kāi)關(guān)頻率和L,C的數(shù)值. (3)假設(shè)開(kāi)關(guān)頻率和L、C的數(shù)值都很大，電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)iL連續(xù)，Ud值為定值,1.降壓型直流斬波器(B

3、uck Chopper),b.工作過(guò)程分析,降壓型直流斬波器(Buck電路),c. 數(shù)量關(guān)系,降壓型直流斬波器(Buck電路),c. 數(shù)量關(guān)系,對(duì)于降壓型斬波器而言，電源電流為脈動(dòng)斷續(xù)電流，供電方式為脈沖供電方式，但負(fù)載電流可以是連續(xù)且平穩(wěn)的。,降壓型直流斬波器在直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用,2.升壓型直流斬波器(Boost Chopper),a 主電路,保持輸出電壓,儲(chǔ)存電能,為了實(shí)現(xiàn)升壓變換和能量傳遞，在脈沖升幅斬波電路和 負(fù)載之間接一逆止二極管VD。,假設(shè)L和C值很大。 V導(dǎo)通時(shí)，電源E向電感L充電，電流恒定I1，電容C向負(fù)載R供電，輸出電壓Uo恒定。 V處于關(guān)斷時(shí)，電源E和電感L同時(shí)向電

4、容C充電，并向負(fù)載提供能量。,2.升壓型直流斬波器(Boost Chopper),b 工作原理,升壓型直流斬波器(Boost Chopper),升壓型直流斬波器(Boost Chopper),V通時(shí)，E向L充電，充電電流恒為I1，同時(shí)C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設(shè)V通的時(shí)間為ton，此階段L上積蓄的能量為：,V斷時(shí)，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供 電。設(shè)V斷的時(shí)間為toff，則此期間電感L釋 放能量為：,c 數(shù)量關(guān)系,升壓型直流斬波器(Boost Chopper),穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：,化簡(jiǎn)得：,數(shù)量關(guān)系,=,升壓型直流斬波器(Boo

5、st Chopper),數(shù)量關(guān)系,升壓型直流斬波器(Boost Chopper),數(shù)量關(guān)系,升壓型斬波器電源電流為脈動(dòng)電流，以上討論中假定電流是連續(xù)的。由于逆止二極管VD的作用，電流斷續(xù)時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)電能變換功能。 對(duì)于RC并聯(lián)負(fù)載，負(fù)載電流也是脈動(dòng)直流，是斷續(xù)受電狀態(tài)，電流中的交流成分通過(guò)電容C，直流成分通過(guò)電阻R。,結(jié)論,以上分析中，認(rèn)為V通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓Uo不變，但實(shí)際C值不可能無(wú)窮大，在此階段其向負(fù)載放電，Uo必然會(huì)有所下降，故實(shí)際輸出電壓會(huì)略低。,升壓型直流斬波器(Boost Chopper),升壓型直流斬波器在直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用,3.極性反轉(zhuǎn)型斬波器(Buck

6、-Boost電路),a 主電路,又稱(chēng)為升降壓型斬波器,極性反轉(zhuǎn)型斬波器(Buck-Boost電路),b 基本工作原理,V通時(shí)，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時(shí)電流為i1。同時(shí)，C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。,V斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，電流為i2。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱(chēng)作反極性斬波電路。,uL = E,uL = - uo,極性反轉(zhuǎn)型斬波器(Buck-Boost電路),極性反轉(zhuǎn)型斬波器(Buck-Boost電路),穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對(duì)時(shí)間的積分為零，即,所以輸出電壓為：,數(shù)量關(guān)系,V處于通態(tài)期間 uL = E,V處于斷態(tài)期間 uL = -

7、uo,極性反轉(zhuǎn)型斬波器(Buck-Boost電路),結(jié)論,改變占空比D,輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。 當(dāng)0 D 1/2時(shí)為降壓， 當(dāng)1/2 D 1時(shí)為升壓， 因此將該電路稱(chēng)作升降壓斬波電路。,極性反轉(zhuǎn)型斬波器(Buck-Boost電路),圖中給出了電源電流i1和負(fù)載電流i2的波形，設(shè)兩者的平均值 分別為I1和I2，當(dāng)電流脈動(dòng)足夠小時(shí)，有,由上兩式可得：,結(jié)論,其輸出功率和輸入功率相等，可看作直流變壓器。,降壓斬波器,升壓斬波器,升降壓斬波器,4. 丘克電路(Cuk電路),Cuk斬波電路,電容為電場(chǎng)儲(chǔ)能元件，也可以構(gòu)成直流斬波器，實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存與傳遞，實(shí)現(xiàn)直流電能的斬波變換。

8、這種電路稱(chēng)為丘克電路，可以獲得穩(wěn)定的輸出電流。,4. 丘克電路(Cuk電路),圖 Cuk斬波電路及其等效電路 a） 電路圖 b） 等效電路,V通時(shí)，EL1V回路和RL2CV回路分別流過(guò)電流。,V斷時(shí)，EL1CVD回路和RL2VD回路分別流過(guò)電流 輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。,等效電路如圖(b)所示，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)S在A(yíng)、B兩點(diǎn)之間交替切換。,丘克電路(Cuk電路),穩(wěn)態(tài)時(shí)電容C的電流在一周期內(nèi)的平均值應(yīng)為零，也就是其對(duì)時(shí)間的積分為零，即:,在圖(b)的等效電路中，開(kāi)關(guān)S合向B點(diǎn)時(shí)間即V處于通態(tài)的時(shí)間ton，則電容電流和時(shí)間的乘積為I2ton。開(kāi)關(guān)S合向A點(diǎn)的時(shí)間為V處于斷態(tài)的時(shí)間toff，則

9、電容電流和時(shí)間的乘積為I1 toff。,丘克電路(Cuk電路),穩(wěn)態(tài)時(shí)電容C的電流在一周期內(nèi)的平均值應(yīng)為零，也就是其對(duì)時(shí)間的積分為零，即:,從而可得:,丘克電路(Cuk電路),同理可得出輸出電壓Uo與電源電壓E的關(guān)系：,上述輸入輸出關(guān)系與升降壓斬波電路時(shí)的情況相同。,優(yōu)點(diǎn): 輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動(dòng)很小，有利于對(duì)輸入、輸出進(jìn)行濾波。,直流斬波器分析幾點(diǎn)注意,L和C的值都很大，保證C兩端的電壓基本不變，過(guò)L的電流基本不變。 關(guān)系推導(dǎo)分析時(shí)將其過(guò)L電流和C兩端電壓兩者都視為常定值，實(shí)際工作時(shí)有小的脈動(dòng) 電路工作時(shí)分析的是穩(wěn)態(tài)，L與C中已經(jīng)儲(chǔ)存了一定量的能量。在一個(gè)周期內(nèi)兩者從電

10、源吸收的能量等于釋放的能量。 分析時(shí)所有的元件都是無(wú)損耗元件，電源提供的能量都被負(fù)載消耗,降壓斬波器,升壓斬波器,升降壓斬波器,升降壓斬波器,Cuk斬波電路,升降壓斬波器,PWM控制，uc載波，uk調(diào)制波ukuc時(shí)V導(dǎo)通,四. 復(fù)合斬波電路和多重多相斬波電路,1 電流可逆斬波電路 2 橋式可逆斬波電路 3 多相多重?cái)夭娐?復(fù)合斬波電路降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構(gòu)成 多相多重?cái)夭娐废嗤Y(jié)構(gòu)的基本斬波電路組合構(gòu)成,斬波電路用于拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，常要使電動(dòng)機(jī)既可電動(dòng)運(yùn)行，又可再生制動(dòng)。 降壓斬波電路能使電動(dòng)機(jī)工作于第1象限。 升壓斬波電路能使電動(dòng)機(jī)工作于第2象限。 電流可逆斬波電路：降壓斬波

11、電路與升壓斬波電路組合。此電路電動(dòng)機(jī)的電樞電流可正可負(fù)，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第1象限和第2象限。,1、電流可逆斬波電路,正向電動(dòng),反向電動(dòng),正向回饋,轉(zhuǎn)速反向,正向能耗,反向能耗,電樞反接,反向回饋,Ia/T,n,降壓斬波電路,升壓斬波電路,復(fù)合斬波電路,電路結(jié)構(gòu),a) 電路圖,V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)運(yùn)行，工作于第1象限。 V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，電動(dòng)機(jī)作再生制動(dòng)運(yùn)行，工作于第2象限。 必須防止V1和V2同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路。,電流可逆斬波電路及波形,1、電流可逆斬波電路,a) 電路圖,工作過(guò)程（三種工作方式),第3種工作方式：一個(gè)周期內(nèi)交替地作為降

12、壓斬波電路和升壓斬波電路工作。 當(dāng)一種斬波電路電流斷續(xù)而為零時(shí)，使另一個(gè)斬波電路工作，讓電流反方向流過(guò)，這樣電動(dòng)機(jī)電樞回路總有電流流過(guò)。 電路響應(yīng)很快。,電流可逆斬波電路及波形,1、電流可逆斬波電路,橋式可逆斬波電路兩個(gè)電流可逆斬波電路組合起來(lái)，分別向電動(dòng)機(jī)提供正向和反向電壓。,橋式可逆斬波電路,使V4保持通時(shí)，等效為圖所示的電流可逆斬波電路，提供正電壓，可使電動(dòng)機(jī)工作于第1、2象限。 使V2保持通時(shí)，V3、VD3和V4、VD4等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動(dòng)機(jī)提供負(fù)電壓，可使電動(dòng)機(jī)工作于第3、4象限 。,2、橋式可逆斬波電路,3 多相多重?cái)夭娐?3相3重降壓斬波電路,電路結(jié)構(gòu)：相當(dāng)于由3個(gè)降壓斬波電路單元并聯(lián)而成。,總輸出電流為 3 個(gè)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(dòng)頻率也為3倍。 總的輸出電流脈動(dòng)幅值變得很小 。 所需平波電抗器總重量大為減輕。 總輸出電流最大脈動(dòng)率（電流脈動(dòng)幅值與電流平均值之比）與