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成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 直流斩波电路的分析与仿真研究直流斩波电路的分析与仿真研究 作者姓名：李 涛 专业名称：电气工程及其自动化 指导教师：许 丽 讲师 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 摘要摘要 直流斩波电路（dc chopper）功能是将直流电变为另一固定电压或调电压的直流电，也称 为直接直流直流变换器（dc/dc converter）。 直流斩波电路的种类较多，包括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z eta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。一方面，这两种电路应用 最为广泛，另一方面，理解了这两种电路可为理解其他的电路打下基 础，因此本文对这两种电路作了着重介绍并利用matlab/simulink进行 了仿真。 在此基础上对其余几种电路作了简单介绍。 利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电 流可逆斩波电路、桥式可逆斩波电路等。利用相同结构的基本斩波电 路进行组合，可构成多相多重斩波电路。本文对以上两种形式的电路 也进行了简单的介绍和仿真。 关键词关键词： 直流斩波 分析 matlab 仿真 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 ii abstractabstract dc chopper (dc chopper) function is to change dc to another fixed voltage or adjustable voltage dc, also known as direct dc - dc converter (dc/dc converter). the kinds of dc chopper are more, including six basic choppers: buck chopper, boost chopper, boost-buck chopper, cuk chopper, sepic chopper and zeta chopper, among them the former two are the most basic circuits. on the one hand, the applications of the two circuits are the most widely, on the other hand, understanding the two circuits is the foundation of understanding the other circuits, so this thesis introduces emphatically the two circuits and simulates by matlab/simulink. on the basis, the rest several circuits are introduced. using different basic chopper combination can form composite chopper, such as current reversible chopper, bridge type reversible chopper, etc. using the same structural basic chopper combination can form multiphase multiple chopper. the above two kinds of circuits are also introduced and simulated. key words: dc chopper, analysis, matlab, simulation 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 iii 目录 摘要摘要i abstractabstractii 目录目录iii 前言前言1 1 1 直流斩波电路的理论分析直流斩波电路的理论分析3 1.1 基本斩波电路3 1.1.1 降压斩波电路.3 1.1.2升压斩波电路.8 1.1.3 升降压斩波电路和cuk斩波电路.12 1.1.4 sepic斩波电路和zeta斩波电路.15 1.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路16 1.2.1 电流可逆斩波电路17 1.2.2 桥式可逆斩波电路18 1.2.3 多重多相斩波电路18 1.3本章小结20 2 2 直流斩波电路的直流斩波电路的matlabmatlab仿真仿真.21 2.1 matlab简介21 2.2 降压斩波电路的仿真24 2.3升压斩波电路的仿真研究26 2.4升降压斩波电路的仿真.27 2.5 cuk斩波电路的防真29 2.6 三相三重斩波电路的仿真31 2.7本章小结32 总结总结34 致谢致谢35 参考文献参考文献36 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 1 前言前言 电力电子学，又称功率电子学(power electronics)。它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器 件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。 它既是电子学在强电(高电压、大电流)或电工领域的一个分支，又 是电工学在弱电(低电压、小电流)或电子领域的一个分支，或者说是强 弱电相结合的新科学。电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个 领域的一个新兴工程技术学科。 电有直流(dc)和交流(ac)两大类。前者有电压幅值和极性的不同 ，后者除电压幅值和极性外，还有频率和相位的差别。 实际应用中，常常需要在两种电能之间，或对同种电能的一个或多个 参数(如电压，电流，频率和功率因数等)进行变换。 交流-直流(ac-dc)变换：将交流电转换为直流电。 直流-交流(dc- ac)变换：将直流电转换为交流电。这是与整流相反的变换，也称为 逆变。当输出接电网时，称之为有源逆变；当输出接负载时，称之为 无源逆变。 交-交(ac- ac)变换，将交流电能的参数(幅值或频率)加以变换。其中：改变交流 电压有效值称为交流调压；将工频交流电直接转换成其他频率的交流 电，称为交-交变频。 直流-直流(dc- dc)变换，将恒定直流变成断续脉冲输出，以改变其平均值。 1957年第一只晶闸管 也称可控硅(scr)问世后，因此,自20世纪60年代开始进入了晶闸管时 代。 70年代以后，出现了通和断或开和关都能控制的全控型电力电子 器件(亦称自关断型器件)，如：门极可关断晶闸管(gto)、双极型功率 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 2 晶体管(bjt/ gtr)、功率场效应晶体管(p- mosfet)、绝缘栅双极型晶体管(igbt)等。 控制电路经历了由分立元件到集成电路的发展阶段。现在已有专 为各种控制功能设计的专用集成电路，使变换器的控制电路大为简化 。 微处理器和微型计算机的引入，特别是它们的位数成倍增加，运 算速度不断提高，功能不断完善，使控制技术发生了根本的变化，使 控制不仅依赖硬件电路，而且可利用软件编程，既方便又灵活。 各种新颖、复杂的控制策略和方案得到实现，并具有自诊断功能，并 具有智能化的功能。将新的控制理论和方法应用在变换器中。 综上所述可以看出，微电子技术、电力电子器件和控制理论则是 现代电力电子技术的发展动力。 优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用 达到合理、高效和节约。例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵 引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解 等14个方面的调查，潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%， 所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施，一般节能效果可 达10%-40%，我国已许多装置列入节能的推广应用项目。 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测， 今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用 的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子 技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口， 它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算 机作用的保证和基础。 电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频 传统，向高频化方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积 减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号， 实现无噪音且具有全新的功能和用途。 能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电 子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改 革。有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 3 为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子 革命的边缘。 1 1 直流斩波电路的理论分析直流斩波电路的理论分析 1.1 基本斩波电路基本斩波电路 本节讲述了6种基本的斩波电路，对其中最基本的2种电路降压 斩波和升压斩波电路重点进行介绍。 1.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 该电路使用全控型器件,若为晶闸管，须设置使晶闸管关断的辅v 助电路,为在关断时给负载中的电感电流提供通道,设置了续流二极管v , vd 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,若负载中无反电动势 m e 时,只需另其为0,以下的分析及表达式均可适用。 时刻驱动导通，电源向负载供电，负载电压 0t ve o ue ，负载电流按指数曲线上升。时控制关断，二极管续流, o i 1 ttvvd 负载电压近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较大电感l o u 使负载电流连续且脉动小。 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 4 图1.1 降压斩波电路图 图1.2 降压斩波电路工作波形图 a)电流连续时 b）电流断续时 电流连续时负载电压平均值 (1-1) -通的时间; -断的时间; -开关周期；- on tv off tvt 导通占空比。 ee t t e tt t u on offon on o 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 5 最大为e o u ，减小占空比，则随之减小。因此称为降压斩波电路。 o u 负载电流平均值 (1-2) 若负载较小，则在关断后,到了时刻,如图1.1b所示,负载电流lv 2 t 已衰减至零,会出现负载电流断续的情况,由波形可见, 被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。 21offon i ti t 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有三种 控制方式: (1)保持开关周期t不变,调节开关导通时间 on t ,称为脉冲宽度调制(pwm调制)此种方式应用最多。 (2)保持开关导通时间 不变,改变开关周期t,称为频率调制。 on t (3) 和t都可调，改变占空比称为混合型。 on t 电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。基于“分段线性 ”的思想，对降压斩波电路进行解析。 a) 通态期间，设负载电流为 ，可列出如下方程： v 1 i (1-3) 设此阶段电流初值为，=l/r，解上式得： 10 i (1-4) b) 断态期间，设负载电流为，可列出如下方程：v 2 i (1-5) 设此阶段电流初值为，解上式得： 20 i (1-6) eeri t i l m1 1 d d tt e r ee eii1 101 m 0 d d m2 2 eri t i l tt e r e eii1 202 m r eu i mo o 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 6 当电流连续时，有 (1-7) (1-8) 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，vv 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vv 。 由式（1-4）、式（1-6）、式（1-7）、式（1-8）得出： (1-9) (1-10) 式中： ； ； 。 由图1.1a可知，和分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值 10 i 20 i 。 把式（1-9）和式（1-10）用泰勒级数近似，可得 (1-11) 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l 电流平均值，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。 o i 从能量传递关系出发进行的推导。由于为无穷大，故负载电流l 维持为不变；电源只在处于通态时提供能量，为 o iv ，在整个周期中，负载一直在消耗能量，消耗的能为 t 。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 )( 2210 tii )( 1120 tii r e m e e r e r e e e i t t 1 1 1 1 m / / 10 1 r e m e e r e r e e e i t t 1 1 1 1 m / / 20 1 /teem/ m t t t t 1 1/ o2010 i r em ii onot ei tietri om 2 o 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 7 (1-12) 则 (1-13) 与式（1-11）结论一致。 在上述情况中，均假设值为无穷大，负载电流平直的情况。这l 种情况下，假设电源电流平均值为，则有 1 i (1-14) 其值小于等于负载电流，由上式得 o i (1-15) 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 。 当负载电流断续时，且时，利用式（1- 10 0i onx ttt 2 0i 7）和式（1-6）可求出为： x t (1-16) 电流断续时，由此得出电流断续的条件为 xoff tt (1-17) 对于电路的具体工况，可据此式判断负载电流是否连续。 在负载电流断续工作情况下，负载电流降到零，续流二极管vd 即关断，负载两端电压等于。输出电压平均值为： m e (1-18) tietritei om 2 oono r ee i m o oo on 1 ii t t i ooo1 iueiei m em t )1 (1 ln x 1 1 e e m em t tt t etttet u xonmxonon o 1 )( 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 8 不仅和占空比 有关，也和反电动势有关。 o u m e 此时负载电流平均值为 (1-19) 1.1.2升压斩波电路升压斩波电路 图1.2 升压斩波电路图 该电路也是使用一个全控型器件，以下来分析电路的工作原理： 首先假设电路中的电感值很大，电容值也很大，处于通态时，lcv 电源向电感充电，电流恒定，电容向负载供电，输出电压el 1 icr 恒定。处于断态时，电源e和电感同时向电容充电，并向负 o uvlc 载提供能量。 其工作的原理波形图如下所示 0 ige 0 io i1 0 ige 0 ige 0 io 0 io i1 r eu r e m t tt titi t i tt moxon 00 21o onx dd 1 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 9 图1.3 升压斩波电路工作波形 设通态的时间为，此阶段上积蓄的能量为 ：v on tl 设断态的时间为，则此期间电感释放能量为：v off tl 稳态时，一个周期中积蓄能量与释放能量相等，即tl (1-20) 化简得 (1-21) 由于上式中的，输出电压高于电源电压，故称该电路为/1 off t t 升压斩波电路。 式（1- 21）中表示升压比，调节其大小，即可改变输出电压的大小，调节 o u 方法与1.1.1中改变导通比的方法类似。将升压比的倒数记作，即, 则和关系为 (1-22) 因此式（1-21）可表示为 (1-23) 升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原 因：一是储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容可将输出电lc 压保持住。在以上分析中，认为处于通态期间因电容的作用使得vc 输出电压不变，但实际上值不可能为无穷大，在此阶段其向负载uc 放电，输出电压必然会有所下降，故实际输出电压会略低，不过在电 容足够大时，误差很小，基本可以忽略。c 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，r 即 (1-24) on tei1 off1o tieu offoon tieutei 11 )( e t t e t tt u offoff offon o oo1 iuei oo1 iuei oo1 iuei oo1 iuei oo1 iuei oo1 iuei oo1 iuei 11 1 o uee 1 off t t 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 10 该式表明与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器 。 根据电路结构并结合式（1-24）得出输出电流的平均值为 (1-25) 电源电流的平均值为 (1-26) 升压斩波电路目前的典型应用，一是用于直流电动机传动，二是 用作单相功率因数校正电路，三是用于其它交流电源中。当升压斩波 电路用于直流电动机传动时，通常是在直流电动机再生制动时把电能 回馈给直流电源，由于实际电路中电感值不可能为无穷大，因此该 l 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，由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器，此 时电路及工作波形如图所示： a) t o 10 20 10 onoff b) t t c) r e r u i 1 o o r e i e u i 2 o o 1 1 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 11 图1.4 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 当处于通态时，设电动机电枢电流为 ，电机电枢回路电阻与v 1 i 线路电阻之和为，可以得到下式r (1-27) 设 的初值 为，解上式得 1 i 10 i (1-28) 当处于断态时，设电动机电枢电流为，得下式v 2 i (1-29) 设的初始值为,解上式得 2 i 20 i (1-30) 当电流连续时，由图1.4b的电流波形可看出，时刻， on tt 120 ii 时刻，由此可得tt 210 ii (1-31) (1-32) 由以上两式得 (1-33) (1-34) eeri t i l m2 2 d d m1 1 d d eri t i l 110 (1) tt m e ii ee r 220 (1) onon t tt t m ee ii ee r 2010 (1) onon tt m e ii ee r 1020 (1) offoff tt m ee ii ee r 20 11 1 1 off t m t eeeee im rrer e 10 1 1 on tt m t eeeeeee im rrer e 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 12 与降压斩波电路一样，把上面两用泰勒级数线近似，得 (1-35) 该式表示了为无穷大时电枢电流的平均值，即 l o i (1-36) 该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作是被 降低到了。e 当电枢电流断续时的工作波形图1.7c所示：当时刻0t 110 0ii ，令式（1- 31）中即可求出，进而可写出的表达式。另外，当时 10 0i 20 i 2 i 2 tt ，=0，可求得持续的时间，即 2 i 2 i x t (1-37) 当 时，电路为电流断续工作状态，是电流断续的条件，即 xoff tt xoff tt (1-38) 根据此式可对电路的工作状态做出判断。 1.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和cuk斩波电路斩波电路 1.升降压斩波电路 r ee r e mio m m me t t 1 1 ln on x 1020 e iim r e e m 1 1 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 13 图1.5 升降压斩波电路图 设电路中电感值很大，电容值也很大，使电感电流和电容电lc 压即负载电压基本为恒值。 导通时，电源经向供电使其贮能，此时电流为 。同时vevl 1 i ，维持输出电压恒定并向负载供电。断开时，的能量向负载crvl 释放，电流为。可见负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相 2 i 反，该电路也称作反极性斩波电路。 图1.6 升降压斩波电路波形 稳态时，一个周期内电感两端电压对时间的积分为零，即tl l u (1-39) 当处于通态时，而当处于断态时，于是v l uev lo uu t tu 0 l 0d onoff etut 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 14 (1-40) 所以输出电压为 (1-41) 可见，若改变导通比则输出电压可以比电源电压高，也可以比电 源电压低，当时为降压，当时为升压，故称作升降压01/21/21 斩波电路。也有称之为boost-buck 变换器。升降压斩波电路工作波形给出了电源电流 和负载电流的波 1 i 2 i 形，设两者的平均值分别为和，当电流脉动足够小时，有 1 i 2 i (1-42) 由上式可得： (1-43) 如果，为没有损耗的理想开关时，则 vvd (1-44) 其输出功率和输入功率相等，可将其看作直流变压器。 2.cuk斩波电路 cuk斩波电路的原理图和等效图如下 图1.7 cuk斩波电路及其行将电路 a） 电路图 b） 等效电路 ee tt t e t t u 1 on on off on o off on 2 1 t t i i 11 on off 2 1 ii t t i 2o1 iuei 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 15 当通态时回路和回路有电流。当处于v 1 vel 2 vrlcv 断态时， 1 vdelc 回路和回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反 2 vdrl 。电路相当于开关在a、b两点之间交替切换。s 在该电路中，稳态时电容的电流在一周期内的平均值应为零，c 也就是其对时间的积分为零，即 (1-45) 处于通态的时间，则电容电流和时间的乘积为。处于v on t 2 on i tv 断态的时间 off t 则电容电流和时间的乘积为。由此可得： 1 i off t (1-46) 从而可以得出： (1-47) 可以得出输出电压与电源电压的关系为： (1-48) 1.1.4 sepic斩波电路和斩波电路和zeta斩波电路斩波电路 图1.8 sepic斩波电路原理图 t ti 0 c 0d 1 on on on off 1 2 t tt t t i i dd 12 1 o 1 u k k u tt t u 21offon i ti t 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 16 sepic斩波电路的基本工作原理是：当处于通态时，v 1 vel 和回路同时导电，和贮能。v处于断态时， 12 vcl 1 l 2 l 11 vdelc 负（和）回路及负载回路同时导电，此阶段和既向 2 cr 2 vdl e 1 l 负载供电，同时也向充电（贮存的能量在v处于通态时向转移 1 c 1 c 2 l ）。 sepic斩波电路的输入输出关系由下式给出： (1-49) 图1.9 zeta斩波电路原理图 zeta斩波电路也称双sepic斩波电路，其基本工作原理是：在处v 于通态期态间，电源经开关向电感贮能。同时，和共同魔ev 1 le 1 c 法供电，并向充电。待关断后，l1vdc1构成振荡回路，r 2 cv 1 l 的能量转移至，其贮存的能量全部转移至。同时，向负载供电 1 c 1 c 2 c ，的电流则经续流。 2 lvd zeta斩波电路的输入和输出关系为 (1-50) 两种电路相比，具有相同的输入输出关系，sepic斩波电路中，电源电 ee tt t e t t u 1 on on off on o eu 1 o 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 17 流和负载电流均连续，有利于输入输出滤波，反之，zeta斩波电路的 输入和输出电流均是断续的。两种电路的输出电压为正极性的。 1.2 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 利用上节介绍的降压斩波电路和升压斩波电路的组合，即可构成 复合斩波电路。此外，对相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成 多相多重斩波电路，可使斩波电路的整体性能得到提高。 1.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使直流电动机既可电动运 行，又能再生制动，将能量回馈电源，从电动状态到再生制动的切换 可通过改变电路连接方式实现，但在要求快速响应时，就需要通过对 电路本身的控制来实现。降压斩波电路能使电动机工作于第1象限，升 压斩波电路能使电动机工作于第2象限，电流可逆斩波电路是降压斩波 电路与升压斩波电路组合。此电路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。 图1.10 电流可逆斩波电路及其波形 a) 电路图 b) 波形图 和构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第1象限 1 v 1 vd ，和构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第2 2 v 2 vd 象限，要注意的是必须防止和同时导通而导致的电源短路。当电 1 v 2 v 路只作降压斩波器运行时，和总处于断态，只作升压斩波器运 2 v 2 vd 行时，和总处于断态。两种工作情况与前面讨论过的完全一样 1 v 1 vd 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 18 ，此外该电路还有第三种工作方式，即在一个周期内交替的作为降压 斩波电路和升压斩波电路工作。在这种工作方式下，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。 这样，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。 1.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路 电流可逆斩波电路虽可使电动机的电枢电流可逆，实现电动机的 两象限运行，但其所能提供的电压极性是单向的。当需要电动机进行 正，反转以及可电动又可制动的场合，就必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，即成为桥式可逆斩 波电路。 图1.11 桥式可逆斩波电路 使保持通时，等效为电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电 4 v 动机工作于第1、2象限。 使保持通时，、和、等效为又一组电流可逆斩 2 v 3 v 3 vd 4 v 4 vd 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 1.2.3 多重多相斩波电路多重多相斩波电路 多相多重斩波电路 是另一种复合概念的斩波器。前面介绍的两种复合斩波电路是由不同 的基本斩波电路组合而成的。与此不同，多相多重斩波电路是在电源 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 19 和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的。一个控制周 期中电源侧的电流脉波数称为斩波电路的相数，负载电流脉波数称为 斩波电路的重数。 图1.12所示为三相三重降压斩波电路 及其波形。该电路相当于由三个降压斩波电路单元并联而成，总输出 电流为三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 均值的三倍。而三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。多相多重斩波电路 的总输出电流最大脉动率（即电流脉动幅值与电流平均值之比）与相 数的平方成反比，且输出电流脉动频率提高，因此多相多重斩波电路 和单相斩波电路相比，在输出电流最大脉动率一定时，所需平波电抗 器的总重量大为减轻。 当上述电路电源公用而负载为三个独立负载时，则为三相一重斩 波电路，而当电源为三个独立电源，向一个负载供电时，则为一相三 重斩波电路。 此时，电源电流为合可控开关的电流之和，其脉动频率为单个斩 波电路时的三倍，谐波分量比单个斩波电路时显著减小，且电源电流 的最大脉动率也是与相数的平方成反比。这使得由电源电流引起的感 应干扰大大减小，若需滤波，只需接上简单的lc滤波器就可充分防止 感应干扰。 多相多重斩波电路还且有备用功能，各斩波电路单元可互为备用 ，万一斩波单元发生故障，其余各单元可以继续运行，使得总体的可 靠性提高。 三相三重斩波电路的原理图 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 20 图1.12 三重三相斩波电路图 三相三重斩波电路的理想工作波形： 图1.13 三重三相斩波电路波形图 1.3本章小结本章小结 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 。 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 21 直流传动是斩波电路应用的传统储，而开关电源则是斩波电路应 用的新领域，前者应用在逐渐萎缩，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。 2 2 直流斩波电路的直流斩波电路的matlabmatlab仿真仿真 2.1 matlab简介简介 matlab是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视 化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算 、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能 集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须 进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在 很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如c、fortran）的编辑 模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 matlab和mathematica、maple并称为三大数学软件。它在数学 类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。matlab可以进行矩阵 运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语 言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图 像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 matlab的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程 中常用的形式十分相似，故用matlab来解算问题要比用c，fortr 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 22 an等语言完成相同的事情简捷得多，并且matlab也吸收了像maple 等软件的优点,使matlab成为一个强大的数学软件。在新的版本中也 加入了对c，fortran，c+ ，java的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导 入到matlab函数库中方便自己以后调用，此外许多的matlab爱好 者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。 (1)matlab的应用 matlab 产品族可以用来进行以下各种工作： 数值分析 数值和符号计算 工程与科学绘图 控制系统的设计与仿真 数字图像处理 技术 数字信号处理 技术 通讯系统设计与仿真 财务与金融工程 matlab 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测 试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的 工具箱（单独提供的专用 matlab 函数集）扩展了 matlab 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。 （2）matlab的特点 1) 高效的数值计算及符号计算功能,能使用户从繁杂的数学运算分析中解 脱出来; 2) 具有完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化; 3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言,使学者易于学习和掌 握; 4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ,为用户提供了大量方便实用的处理工具. 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 23 （3）matlab优势 1）友好的工作平台和编程环境 matlab由一系列工具组成。这些工具方便用户使用matlab的 函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括matlab桌 面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用 户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着matlab的商业化以及 软件本身的不断升级，matlab的用户界面也越来越精致，更加接近 windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的 matlab提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使 用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译 就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分 析。 2）简单易用的程序语言 matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数 据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将 输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程 序（m文件）后再一起运行。新版本的matlab语言是基于最为流行 的c语言基础上的，因此语法特征与c语言极为相似，而且更 加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非 计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极 强，这也是matlab能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要 原因。 3）强大的科学计算机数据处理能力 matlab是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程 中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能 。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前 经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编 程语言，如c和c+ 。在计算要求相同的情况下，使用matlab的编程工作量会大大减少 。matlab的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特 征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包 括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 24 、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀 疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维 数组操作以及建模动态仿真等。 4）出色的图形处理功能 matlab自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量 和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的 作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用 于科学计算和工程绘图。新版本的matlab对整个图形处理功能作了 很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（ 例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于 一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四 维数据的表现等），matlab同样表现了出色的处理能力。同时对一 些特殊的可视化要求，例如图形对话等，matlab也有相应的功能函 数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的matlab还着重在图 形用户界面（gui）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求 的用户也可以得到满足。 5）应用广泛的模块集合工具箱 matlab对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱 。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用 工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前， matlab已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸 如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分 方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、 控制系统设计、lmi控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分 析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入 式系统开发、定点仿真、dsp与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱 （toolbox）家族中有了自己的一席之地。 6）实用的程序接口和发布平台 新版本的matlab可以利用matlab编译器和c/c+数学库和图 形库，将自己的matlab程序自动转换为独立于matlab运行的c和 c+代码。允许用户编写可以和matlab进行交互的c或c+语言程序 。另外，matlab网页服务程序还容许在web应用中使用自己的mat 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 25 lab数学和图形程序。matlab的一个重要特色就是具有一套程序扩 展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是matlab函 数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的 ，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和 系统仿真等方面的应用。 7）应用软件开发（包括用户界面） 在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编 程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大 的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面 ，可以直接向excel和hdf5进行连接。 2.2 降压斩波电路的仿真降压斩波电路的仿真 降压变流器主电路的设计除要选择器件和二极管外，还需要确定 电感l的参数，电感参数的计算是复杂的，但是采用仿真却很方便。仿 真的模型线路如图（2- 3）所示。在模型中开关器件采用了igbt，igbt的驱动信号由脉冲发 生器pulse产生，设定脉冲发生器的脉冲周期和脉冲宽度可以调节脉冲 占空比。模型中连接了示波器，用于观察线路中各部分电压和电流波 形。 图2.1 降压斩波电路仿真模型 仿真参数设置：直流降压变器电源电压100v，电阻的阻值er 20脉冲发生器脉冲周期0.2ms,脉冲宽度为50%，电感2mhtl 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 26 ,igbt和二极管的参数可以保持默认值，仿真时间为0.001s,算法采用od e15s。 图2.2 电流连续时的仿真波形图 图2.3 电流断续时的仿真波形图 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 27 2.3升压斩波电路的仿真研究升压斩波电路的仿真研究 图2.4 升压斩波电路的仿真模型 仿真参数：脉冲发生器脉冲周期为0.2ms，脉冲宽度为50%，直流 电源设为100v，igbt和二极管参数保持默认，初选的值为1mh， el 的值为100f。取仿真时间5ms.仿真算法采用ode45s。c 图2.5 升压斩波电路的仿真波形图 观察仿真结果，从图中可以看输出电压在200v左右，满足关系式 。如果压根进一步减少输出电压波动，可以提高 onoff o offoff tt t uee tt 脉冲发生器产生脉冲的周期，并选择多组lc参数比较以得到更满意的 结果。 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 28 2.4升降压斩波电路的仿真升降压斩波电路的仿真 图2.6 升降压斩波电路仿真模型 仿真电路参数：直流电源为200v，脉冲发生器脉冲周期为0.2mse ,电感为1mh，电容为100s，电阻为5，igbt和二极管参数保lcr 持默认值。 当把脉冲发生器的脉冲宽度设为33.3%时，导通比为1/3，因此该 电路作降压斩波电路，输出电压应为100v,设置仿真时间为0.006s, o u 算法采用ode45s。启动仿真，仿真波形如下图所示： 图2.7 1/3的仿真波形图 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 29 当把脉冲发生器的脉冲宽度设为60%时，导通比为3/5,因此该电 路作升压斩波电路，输出电压应为300v，设置仿真时间为0.006s,算 o u 法采用ode45s。启动仿真，仿真波形如下图所示： 图2.8 3/5的仿真波形图 2.5 cuk斩波电路的防真斩波电路的防真 图2.9 cuk斩波电路的仿真模型 仿真电路参数：直流电源为200v，脉冲发生器脉冲周期为0.1mse ,电感l为2mh，电容为10s，电阻为5，igbt和二极管参数保持cr 默认值。 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 30 当把脉冲发生器的脉冲宽度设为33.3%时，导通比为1/3，因此该电路 作降压斩波电路，输出电压应为100v,设置仿真时间为0.006s,算法 o u 采用ode45s。启动仿真，仿真波形如下图所示: 图2.10 cuk斩波电路的仿真波形图 当把脉冲发生器的脉冲宽度设为60%时，导通比为1/3，因此该 电路作降压斩波电路，输出电压应为300v,设置仿真时间为0.006s, o u 算法采用ode45s。启动仿真，仿真波形如下图所示: 图2.11 cuk斩波电路的仿真波形图 成都理工大学工程技术学院本科毕业论文 31 通过cuk斩波电路与升降压斩波电路相比较，我们不难发现输出电压的 表达式都是相同的，只不过cuk斩波电路的输入电源电流和输出负载电 流都是连续的而升压斩波电路的输入电源电流和负载电流都是断续的 ，并且cuk斩波电路的输出电压脉动很小，有利于对输入、输出进行滤 波。 2.6 三相三重斩波电路的仿真三相三重斩波电路的仿真 图2.12 三重三相斩波电路仿真模型 仿真参数：直流电源设为200v，三个脉冲信号发生器的脉冲周e 期均为30s，脉冲宽度为20%，pulse1的延迟时间为0，pulse2延迟时 间为10s,pulse3的延迟时间为20s。电感为0.1mh，、均 1 l 2 l 3 l 4 l 为20mh，电容为10f，电阻为10