電力電子基礎(chǔ)

1、電力電子基礎(chǔ)電力電子基礎(chǔ) 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(xué)電氣工程學(xué)院2010年- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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?，不包括直流交流直流。n電路種類(lèi)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(fù)合斬波

2、電路不同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。n多相多重?cái)夭娐废嗤Y(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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(shí)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(shù)電力電子技術(shù)- -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(shí)間占空比控制的幾種實(shí)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(kāi)關(guān)頻率固定，易于設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)頻率不固定，難于設(shè)計(jì)輸出濾波器n混合控制：既改變斬波頻率，又

3、改變導(dǎo)通時(shí)間n優(yōu)點(diǎn)是可較大幅度改變輸出電壓平均值，但同樣難于設(shè)計(jì)輸出濾波器2.瞬時(shí)值控制（滯環(huán)控制）開(kāi)關(guān)頻率不固定，還可能過(guò)高- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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(shù)電力電子技術(shù)- -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(guān)斷電路。續(xù)流二極管- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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(duì)降壓斬波電路進(jìn)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(shù)電力電子技術(shù)- -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(shí)電流連續(xù)時(shí)n輸入輸出電壓關(guān)系n輸入輸出電流關(guān)系00001EIU IIEIU0000onoffonE U tUtUtET- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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(shí)電流臨界連續(xù)時(shí)n電流斷續(xù)時(shí)電流斷續(xù)時(shí)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(shù)電力電子技術(shù)- -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(shè)計(jì)：依據(jù)輸出電壓U0的紋波指標(biāo)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(gè) 周 期 內(nèi) ， 電 容 電 壓 的 變 化 ：

6、U而 關(guān) 斷 模 式 下 ：因 此 ， 根 據(jù) 紋 波 比 值 、 斬 波 周 期 以 及 導(dǎo) 通 比 可 以 大 致 設(shè) 計(jì) LC濾 波 器- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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(chǔ)存電能儲(chǔ)存電能- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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(shè)L和C值很大。n V處于通態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，電流恒定iL，電容C向負(fù)載R供電，輸出電壓Uo恒定。n V處于斷態(tài)時(shí)，電源E和電感L同時(shí)向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。n 電壓升高得原因：n 電感L儲(chǔ)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(shù)電力電子技術(shù)- -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(shí)電流連續(xù)時(shí)n輸入輸出電壓關(guān)系n輸入輸出電流關(guān)系00011offononoffoffE U tEtttUEtL電 感 電 壓 u穩(wěn) 態(tài) 下 ： 0 00001LEI U IIIEIIU - -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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(shí)電流斷續(xù)時(shí)2001011(1)2=1/32BU TILETIL0B臨界時(shí)平均輸出電流：當(dāng)時(shí)，I 取最大值。斷續(xù)時(shí)平均輸出電流：- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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(shè)計(jì)：依據(jù)電流連續(xù)時(shí)輸入電流iL的紋波輸出電壓U0的紋波指標(biāo)估算L、C的值0000=ULCUEEIfLUUIfC 電 流 紋 波 ：其 中電 壓 紋 波 ：- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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(shù)電力電子技術(shù)- -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(shí)，電源E經(jīng)VT向L供電使其貯能，此時(shí)電流為i。同時(shí)，C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。n VT斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，電流為iD。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。otot

9、iiDtontoffILIL+- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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(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Ttu0L0d電感電流連續(xù)時(shí)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(shù)電力電子技術(shù)- -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(dāng)01/2降壓，當(dāng)1/2Ea時(shí)時(shí)10tt VT1、VT4導(dǎo)通，導(dǎo)通，VT2、VT3關(guān)斷關(guān)斷1ttT VT4、VD2導(dǎo)通導(dǎo)通2ttT VT2、VD4導(dǎo)通，能耗制動(dòng)狀態(tài)導(dǎo)通，能耗制動(dòng)狀態(tài)Uc0 VT1、

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

11、10tt UAB總等于總等于-E1ttT UAB總等于總等于+E- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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(gòu)成降壓斬波電路，由電源向直流電動(dòng)機(jī)供電，電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)運(yùn)行，工作于第1象限nV2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，把直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊答伒诫娫?，使電?dòng)機(jī)作再生制動(dòng)運(yùn)行，工作于第2象限tta)OOb)ELV1VD1uoioV2VD2EMuoioiV1iD1iV2iD2MR- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路n 只作降壓斬波器運(yùn)行時(shí)

12、，V2和VD2總處于斷態(tài)n 只作升壓斬波器運(yùn)行時(shí)，則V1和VD1總處于斷態(tài)n 第3種工作方式：一個(gè)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(dāng)降壓斬波電路或升壓斬波電路的電流斷續(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)。n 在一個(gè)周期內(nèi)，電樞電流沿正、負(fù)兩個(gè)方向流通，電流不斷，所以響應(yīng)很快。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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(yùn)行，但電壓極性是單向的n 當(dāng)需要電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)以及可電動(dòng)又可制動(dòng)的場(chǎng)合，須將兩個(gè)電流可逆斬波電路組合起來(lái)，分別向電動(dòng)機(jī)提

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(shù)電力電子技術(shù)- -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(shí)，電流可逆斬波電路向電動(dòng)機(jī)提供正電壓，可使電動(dòng)機(jī)工作于第1、2象限，即正轉(zhuǎn)電動(dòng)和正轉(zhuǎn)再生制動(dòng)狀態(tài)n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 ELR+ -V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4M- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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(shí)通斷， V2與V3同時(shí)通斷nV1與V2通斷互補(bǔ)， V3與V4通斷互補(bǔ)n輸出電壓波形中電壓有正有負(fù)，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(shù)電力電子技術(shù)- -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(bǔ)， V3與V4通斷互補(bǔ)n輸出電壓波形中電壓只有正或只有負(fù)，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(shù)電力電子技術(shù)- -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(fù)，且輕載時(shí)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(shù)電力電子技術(shù)- -第四講 直流斬波電路40多相

16、多重?cái)夭娐范嘞喽嘀財(cái)夭娐穘 多相多重?cái)夭娐肥窃陔娫春拓?fù)載之間接入多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路而構(gòu)成的p 相數(shù) 一個(gè)控制周期中電源側(cè)的電流脈波數(shù)p 重?cái)?shù) 負(fù)載電流脈波數(shù)n 當(dāng)上述電路電源公用而負(fù)載為多個(gè)獨(dú)立負(fù)載時(shí)，則為多多相相1重?cái)夭娐分財(cái)夭娐?。n 而當(dāng)電源為多個(gè)獨(dú)立電源，向一個(gè)負(fù)載供電時(shí)，則為1相相多多重?cái)夭娐分財(cái)夭娐?。n 多相多重?cái)夭娐愤€具有備用功能，各斬波電路單元可互為備用。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -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(jié)構(gòu)：相當(dāng)于由3個(gè)降壓斬波電路單元并聯(lián)而成。n 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。n 總的輸出電流脈動(dòng)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(dòng)率（電流脈動(dòng)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(shù)電力電子技術(shù)- -第四講 直流斬波電路423.晶閘管斬波器晶閘管斬波器n強(qiáng)制換流電路幫助晶閘管關(guān)斷:VT2,C,VD1, VD2, L1, L2。改變VT2的觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)刻，也就改變了輸出電壓的脈寬。- -電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)- -第四講 直流斬波電路434.斬波變阻斬