電力電子基礎

電力電子基礎1第1頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路2直流斬波電路直流斬波電路（DCChopper）將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{電壓的直流電。也稱為直流--直流變換器（DC/DCConverter）。一般指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，不包括直流—交流—直流。電路種類6種基本斬波電路：降壓斬波電路、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。復合斬波電路——不同結構基本斬波電路組合。多相多重斬波電路——相同結構基本斬波電路組合。第2頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路3DC-DC變換的基本控制方式1.時間占空比控制

為占空比，f=1/T為斬波頻率第3頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路4DC-DC變換的基本控制方式時間占空比控制的幾種實現方式：脈寬控制：T不變，改變ton調節(jié)變化，改變Uo斬波開關頻率固定，易于設計輸出濾波器頻率控制：ton不變，改變T調節(jié)變化，改變Uo斬波開關頻率不固定，難于設計輸出濾波器混合控制：既改變斬波頻率，又改變導通時間優(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，還可能過高第4頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路51.基本斬波電路降壓(BUCK)斬波電路升壓(BOOST)斬波電路升降壓(BUCK-BOOST)斬波電路Cuk斬波電路Sepic斬波電路Zeta斬波電路第5頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路6降壓(Buck)斬波電路全控型器件若為晶閘管，須有輔助關斷電路。續(xù)流二極管第6頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路7降壓(Buck)斬波電路變換器的工作模式基于“分段線性”的思想，對降壓斬波電路進行解析。VT處于通態(tài)和處于斷態(tài)初始條件分電流連續(xù)和斷續(xù)第7頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路8降壓(Buck)斬波電路電流連續(xù)時輸入輸出電壓關系輸入輸出電流關系第8頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路9降壓(Buck)斬波電路電流臨界連續(xù)時電流斷續(xù)時

第9頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路10降壓(Buck)斬波電路濾波器設計：依據輸出電壓U0的紋波指標估算L、C的值第10頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路11升壓斬波電路保持輸出電壓（濾波）儲存電能第11頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路12升壓斬波電路工作原理假設L和C值很大。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。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。電壓升高得原因：電感L儲能使電壓泵升的作用電容C可將輸出電壓保持住第12頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路13升壓斬波電路電流連續(xù)時輸入輸出電壓關系輸入輸出電流關系第13頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路14升壓斬波電路電流斷續(xù)時第14頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路15升壓斬波電路濾波器設計：依據電流連續(xù)時輸入電流iL的紋波輸出電壓U0的紋波指標估算L、C的值第15頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路16升降壓斬波電路第16頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路17升降壓斬波電路基本工作原理VT通時，電源E經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。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。ototiiDtontoffILIL+-第17頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路18升降壓斬波電路穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即電感電流連續(xù)時輸出電壓為：V處于通態(tài)uL=EV處于斷態(tài)uL=-uo第18頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路19升降壓斬波電路當0<

<1/2降壓，當1/2<

<1升壓，故稱作升降壓斬波電路。也有稱之為buck-boost變換器。電感電流連續(xù)時輸入輸出電流關系為：設計電感L和電容C電感電流（連續(xù)）脈動：電感電流連續(xù)時電容電壓紋波：第19頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路20Cuk斬波電路第20頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路21Cuk斬波電路L1中電流變化L2中電流變化輸入輸出關系：第21頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路22Cuk斬波電路電感電容估算與升降壓電路相比：Cuk電路的輸入電流和輸出電流均連續(xù)，且脈動很小，有利于濾波。Cuk電路借助電容傳遞能量，電容中電流脈動大，需要電容大。開關VT導通時要流過L1和L2的電流，VT的峰值電流大。第22頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路23Sepic斬波電路Speic電路原理V通態(tài)，E-L1-V和C1-V-L2兩路同時導電，L1和L2貯能。V斷態(tài)，E-L1-C1-VD-負載回路及L2-VD-負載回路同時導電，此階段E和L1既向負載供電，同時也向C1充電（C1貯存的能量在V處于通態(tài)時向L2轉移）。輸入輸出關系：第23頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路24Zeta斬波電路Zeta斬波電路原理V處于通態(tài)期間，電源E經開關V向電感L1貯能。V關斷后，L1－VD－C1構成振蕩回路，L1的能量轉移至C1，能量全部轉移至C1上之后，VD關斷，C1經L2向負載供電。輸入輸出關系：相同的輸入輸出關系。Sepic電路的電源電流和負載電流均連續(xù)，Zeta電路的輸入、輸出電流均是斷續(xù)的。兩種電路輸出電壓為正極性的。第24頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路252.復合斬波電路和多相多重斬波電路電流可逆斬波電路橋式可逆斬波電路多相多重斬波電路復合斬波電路——降壓斬波電路和升壓斬波電路組合構成

多相多重斬波電路——相同結構的基本斬波電路組合構成第25頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路26電流可逆斬波電路斬波電路用于拖動直流電動機時，常要使電動機既可電動運行，又可再生制動。降壓斬波電路能使電動機工作于第1象限。升壓斬波電路能使電動機工作于第2象限。電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合。此電路電動機的電樞電流可正可負，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。第26頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路27電流可逆斬波電路V1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V2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象限第27頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路28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只作降壓斬波器運行時，V2和VD2總處于斷態(tài)只作升壓斬波器運行時，則V1和VD1總處于斷態(tài)第3種工作方式：一個周期內交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作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。在一個周期內，電樞電流沿正、負兩個方向流通，電流不斷，所以響應很快。第28頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路29橋式可逆斬波電路電流可逆斬波電路：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，分別向電動機提供正向和反向電壓，成為橋式可逆斬波電路橋式斬波電路又有雙極性、單極性和受限單極性之分第29頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路30橋式可逆斬波電路使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)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

第30頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路31橋式可逆斬波電路1.雙極性工作方式V1與V4同時通斷，V2與V3同時通斷V1與V2通斷互補，V3與V4通斷互補輸出電壓波形中電壓有正有負，故稱雙極性。第31頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路32橋式可逆斬波電路2.單極性工作方式V1與V2不斷調制，V3與V4全通或全斷V1與V2通斷互補，V3與V4通斷互補輸出電壓波形中電壓只有正或只有負，故稱單極性。第32頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路33橋式可逆斬波電路3.受限單極性工作方式V1不斷調制，V4全通，V3與V2全斷或V2不斷調制，V3全通，V1與V4全斷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。第33頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路34多相多重斬波電路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相數——一個控制周期中電源側的電流脈波數重數——負載電流脈波數當上述電路電源公用而負載為多個獨立負載時，則為多相1重斬波電路。而當電源為多個獨立電源，向一個負載供電時，則為1相多重斬波電路。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。第34頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路353相3重降壓斬波電路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3io電路結構：相當于由3個降壓斬波電路單元并聯而成?？傒敵鲭娏鳛?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?？偟妮敵鲭娏髅}動幅值變得很小。所需平波電抗器總重量大為減輕?？傒敵鲭娏髯畲竺}動率（電流脈動幅值與電流平均值之比）與相數的平方成反比。第35頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講直流斬波電路363.晶閘管斬波器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。第36頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第四講