直流斩波电路教学课件PPT.ppt

1 第3章直流斩波电路 3 1基本斩波电路3 2复合斩波电路和多相多重斩波电路本章小结 2 第3章直流斩波电路 引言 直流斩波电路 恒定直流电变成另一种恒定电压或可调电压的直流电 又称为直流 直流变换器 一般指直接dc dc 不包括dc ac dc 电路种类 6种最基本的斩波电路 降压斩波电路 升压斩波电路基本的斩波电路 升降压斩波电路 cuk斩波电路 sepic斩波电路和zeta斩波电路 复合斩波电路 不同结构的基本斩波电路组合 多相多重斩波电路 相同结构基本斩波电路组合 3 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 4sepic斩波电路和zeta斩波电路 4 3 1 1降压斩波电路 电路结构 全控型器件 若为晶闸管 须有辅助关断电路 续流二极管 负载出现的反电动势 典型用途之一 拖动直流电动机 也可带蓄电池负载 降压斩波电路 5 3 1 1降压斩波电路 工作原理 图3 1降压斩波电路得原理图及波形 t 0 v通 evlrm 负载电压uo e 负载电流io按指数曲线上升 l储能 t t1 v断 lrmvd uo近似为零 负载电流呈指数曲线下降 l放能 串接较大电感l使负载电流连续且脉动小 动画演示 6 3 1 1降压斩波电路 数量关系 电流连续 负载电压平均值 3 1 3 2 式中 ton是v通的时间 toff是v断的时间 a是导通占空比 a小于或等于1 u0小于电源电压e 电流断续 uo被抬高 一般不希望出现 负载电流平均值 t 7 3 1 1降压斩波电路 斩波电路三种控制方式 ton t1 t不变 变ton 脉冲宽度调制 pwm 2 ton不变 变t 频率调制 3 ton和t都可调 改变占空比 混合型 此种方式应用最多 a 8 3 1 1降压斩波电路 能量传递关系 负载电流io不变 1 电源只在v处于通态时提供能量 2 在整个周期t中 负载消耗的能量 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 一个周期中 不计损耗 据能量守恒 由1 2得 l无穷大 设电源平均电流为i1 9 3 1 1降压斩波电路 负载电流断续的情况 i10 0 且t tx时 i2 0 3 16 电流断续的条件 3 17 10 3 1 2升压斩波电路 升压斩波电路 保持输出电压 储存电能 电路结构 11 3 1 2升压斩波电路 工作原理 设l和c值无穷大 v导通 e l 充电 v i1恒定 l储能 c 放电 r uo恒定v断态 e l c 充电 l放能e l 放电 r l放能动态演示 图3 2升压斩波电路及工组波形 a 电路图 b 波形 12 3 1 2升压斩波电路 数量关系 1 v通态 ton l储能2 v断态 toff l放能一个周期t中l储能与放能相等 3 21 3 20 化简得 t toff 1 u0 e 故为升压斩波电路 升压比 其倒数b 即 b和a的关系 因此 式 3 21 可表示为 3 23 3 22 13 3 1 2升压斩波电路 电压升高的原因 电感l储能使电压泵升的作用 电容c可将输出电压保持住 忽略损耗 整个t 电源供能由r消耗 即 3 24 与降压斩波电路一样 升压斩波电路可看作直流变压器 输出电流的平均值io为 3 25 电源电流的平均值io为 3 26 14 3 1 2升压斩波电路 2 升压斩波电路典型应用 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 一用于直流电动机传动再生制动时把电能回馈给直流电源 电动机电枢电流连续和断续两种工作状态 直流电源的电压基本是恒定的 不必并联电容器 动画演示 15 3 1 2升压斩波电路 数量关系 结论 电动机为基准看 可将直流电源电压看作是被降低到了 16 3 1 2升压斩波电路 如图3 3c 当电枢电流断续时 t 0时 i1 i10 0 令式 3 31 中i10 0 可求出i20 得i2的表达 t t2时 i2 0 得i2持续的时间tx 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 电流断续的条件单相功率因数校正 pfc 电路三其他交直流电源中 17 3 1 3升降压斩波电路和cuk斩波电路 升降压斩波电路 电路结构 18 3 1 3升降压斩波电路和cuk斩波电路 基本工作原理 a 图3 4升降压斩波电路及其波形a 电路图b 波形 v通时 e v l 贮能 电流为i1c 放电 r u0恒定v断时 l 放电 r 电流为i2l 放电 c 贮能 u0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 动态演示 19 3 1 3升降压斩波电路和cuk斩波电路 数量关系 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 v处于通态ul e v处于断态ul uo 20 3 1 3升降压斩波电路和cuk斩波电路 2 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 由上式得 3 43 结论 1 当0 a 1 2时为降压 当1 2 a 1时为升压 故称作升降压斩波电路 3 输出功率和输入功率相等 可看作直流变压器 3 44 21 3 1 3升降压斩波电路和cuk斩波电路 2 cuk斩波电路 v通时 e l1 v r l2 c v l1 l2储能 c放能v断时 e l1 c vd r l2 vd c储能 l1 l2放能输出电压的极性与电源电压极性相反 电路相当于开关s在a b两点之间交替切换 图3 5cuk斩波电路及其等效电路a 电路图b 等效电路 22 3 1 3升降压斩波电路和cuk斩波电路 同理 数量关系 3 45 3 46 3 48 与升降压斩波电路相比的优点 电源电流和负载电流连续 脉动很小 有利于对输入 输出进行滤波 23 b zeta斩波电路 3 1 4sepic斩波电路和zeta斩波电路 a sepic斩波电路 图3 6sepic斩波电路和zeta斩波电路 电路结构 speic电路原理v通态 e l1 v c1 v l2 c2 r l1和l2贮能 c1放能 c2放能 v断态 e l1 c1 vd r c2 l2 vd r c2 e和l1向负载供电 同时向c1充电 c1贮能在v通时向l2转移 输入输出关系 3 49 24 3 1 4sepic斩波电路和zeta斩波电路 zeta斩波电路原理 v通态 e v l1 贮能 e c1 r c2 c1放 c2储v关断 l1 vd c1 c2 r l1放 c1充 能量全部转移至c1上之后 vd关断 c1经l2向负载供电 输入输出关系 图3 6sepic斩波电路和zeta斩波电路 3 50 与speic输入输出关系相同 不同 sepic电源电流和负载电流均连续 zeta电路是断续的 两种电路输出电压为正极性的 b zeta斩波电路 25 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 26 3 2 1电流可逆斩波电路 复合斩波电路 降压 升压斩波电路组合构成多相多重斩波电路 相同结构的基本斩波电路组合构成 1 斩波电路拖动直流电动机 电动机可电动也可制动运行 2 降压斩波电路使电动机工作于第1象限 电动运行 3 升压斩波电路使电动机工作于第2象限 再生制动运行 4 电流可逆斩波电路 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 电流可逆斩波电路 27 3 2 1电流可逆斩波电路 电路结构 a 电路图 v1和vd1构成降压斩波电路 电动运行 工作于第1象限 v2和vd2构成升压斩波电路 再生制动运行 工作于第2象限 防止v1和v2同时导通导致电源短路 工作过程 工作方式 降压斩波电路和升压斩波电路一个周期内交替工作 一个斩波电路电流断续为零时 另一个斩波电路工作 电流反方向流过 这样电动机电枢回路总有电流流过 电路响应很快 图3 7电流可逆斩波电路及波形 28 3 2 2桥式可逆斩波电路 桥式可逆斩波电路 两个电流可逆斩波电路组合 向电动机提供正向和反向电压 图3 8桥式可逆斩波电路 1 v4通 等效为图3 7a 提供正电压 可使电动机工作于第1 2象限 2 v2通 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 29 3 2 3多相多重斩波电路 基本概念 多相多重斩波电路 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 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 30 3 2 3多相多重斩波电路 3相3重降压斩波电路 电路结构 3个降压斩波电路单元并联而成 总输出电流 3个斩波电路输出电流之和 平均值为单元输出电流平均值的3倍 脉动频率也为3倍 总的输出电流脉动幅值变得很小 所需平波电抗器总重量大为减轻 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 图3 93相3重斩波电路及其波形 31 3 2 3多相多重斩波电路 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