第3章直流斬波電路

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王兆安第五版機(jī)械工業(yè)出版社

第3章直流斬波電路

1．簡述圖3-la所示的降壓斬波電路工作原理。

答：降壓斬波器的原理是：在一個(gè)控制周期中，讓V導(dǎo)通一段時(shí)間M供電，在此期間，Uo=E。然后使V關(guān)斷一段時(shí)間供電，Uo=0。一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓用。

2．在圖3-1a所示的降壓斬波電路中，已知E=200V，R=10Ω，L值微大，E=30V，T=50μs，ton=20μs，計(jì)算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。解：由于L值極大，故負(fù)載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為

ton。

，由電源E向L、R、

toff

，此時(shí)電感L通過二極管VD向R和M輸出電壓小于電源電壓,起到降壓的作

EtonU0toff

U0

輸出電流平均值為

ton20200E80(V)T50

I0

U0EM8030

5(A)R10

3．在圖3-la所示的降壓斬波電路中，E=100V，L=lmH，R=0．5Ω，制控制方式，T=20μs，當(dāng)

EM=10V，采用脈寬調(diào)

ton=5μs時(shí)，計(jì)算輸出電壓平均值U0，輸出電流平均值I0，計(jì)

ton=3μs時(shí)，重新進(jìn)行上

算輸出電流的最大和最小值瞬時(shí)值并判斷負(fù)載電流是否連續(xù)。當(dāng)述計(jì)算。

解：由題目已知條件可得：

EI1ton(U0E)I1toff

當(dāng)

L0.0010.002R0.5

t

ton5s時(shí)，有

0.01

由于

ton

0.0025

e1e0.002510.010.249m

e1e1

所以輸出電流連續(xù)。

4．簡述圖3-2a所示升壓斬波電路的基本工作原理。

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答：假設(shè)電路中電感L值很大，電容C值也很大。當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為壓為恒值

I1,同時(shí)電容C上的電壓向負(fù)載R供電，因C值很大，基本保持輸出電

U0。設(shè)V處于通態(tài)的時(shí)間為ton，此階段電感L上積蓄的能量為EI1ton。當(dāng)V處于

toff

，則在此

斷態(tài)時(shí)E和己共同向電容C充電并向負(fù)載R提供能量。設(shè)V處于斷態(tài)的時(shí)間為期間電感L釋放的能量為

(U0E)I1toff；當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中電感L積蓄

EI1ton(U0E)I1toff

的能量與釋放的能量相等，即：

化簡得：

U0

式中的T／

tontoff

toff

E

TEtoff

toff1，輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。

5．在圖3-2a所示的升壓斬波電路中，已知E=50V，L值和C值極大，R=20Ω，采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng)T=40μs，解：輸出電壓平均值為：

ton=25μs時(shí)，計(jì)算輸出電壓平均值U0，輸出電流平均值I0。

U0

輸出電流平均值為：

T40

E50133.3(V)toff4025

U0133.3

6.667(A)R20

I0

6．試分別簡述升降壓斬波電路和Cuk斬波電路的基本原理，并比較其異同點(diǎn)。

答：升降壓斬波電路的基本原理：當(dāng)可控開關(guān)V處于通態(tài)時(shí)，電源E經(jīng)V向電感L供電使其貯存能量，此時(shí)電流為1，方向如圖。3-4中所示。同時(shí)，電容C維持輸出電壓基本恒定并向負(fù)載R供電。此后，使V關(guān)斷，電感L中貯存的能量向負(fù)載釋放，電流為i2，方向如圖3-4所示?？梢姡?fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓

i

uL對時(shí)間的積分為零，即

當(dāng)V處于通態(tài)期間，改變導(dǎo)通比

T

uLdt0

uL=E：而當(dāng)V處于斷態(tài)期間uLu0。于是：

EtonU0toff

，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0l／2

時(shí)為降壓，當(dāng)l／2l時(shí)為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。

Cuk斬波電路的基本原理：當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)，E—流過電流。當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)，

L1—V回路和R—L2-C—V回路分別

EL1CVD回路和R-L2-VD回路分別流過電流。輸出電

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壓的極性與電源電壓極性相反。該電路的等效電路如圖3-5b所示，相當(dāng)于開關(guān)S在A、B兩點(diǎn)之間交替切換。

假設(shè)電容C很大使電容電壓

uc的脈動足夠小時(shí)。u當(dāng)開關(guān)S合到B點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)電壓B=0，

Ui

N1

U0

N3。因此，B點(diǎn)電

A點(diǎn)電壓

uAuC；相反，當(dāng)S合到A點(diǎn)時(shí)，uBuC，uA0

uBtoffTtoffTUc

Uc

u壓B的平均值為

零，所以

(Uc為電容電壓“c的平均值)，又因電感Ll的電壓平均值為

EUB

。另一方面，A點(diǎn)的電壓平均值為

UA

ton

Uc

LT，且2的電壓平

均值為零，按圖3—5b中輸出電壓Uo的極性，有電源電壓E的關(guān)系：

U0

ton

UcT。于是可得出輸出電壓Uo與

U0

tont

EonEEtoffTton1

兩個(gè)電路實(shí)現(xiàn)的功能是一致的，均可便利的實(shí)現(xiàn)升降壓斬波。與升降壓斬波電路相比，Cuk斬波電路有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，其輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動很小，有利于對輸入、輸出進(jìn)行濾波。

7．試?yán)L制Speic斬波電路和Zeta斬波電路的原理圖，并推導(dǎo)其輸入輸出關(guān)系。解：Sepic電路的原理圖如下：

在V導(dǎo)通

ton期間，UL1E

UL2UC1

左V關(guān)斷

toff

期間

uL1Eu0uC1

uL2u0

當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感L、L的電壓平均值均為零，則下面的式子成立

Eton(Eu0uC1)toff0

uC1tonu0toff0

由以上兩式即可得出

U0

Zeta電路的原理圖如下：

ton

Etoff

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在V導(dǎo)通

ton期間

uL1EuL2EuC1u0

toff

在V關(guān)斷期間

uL1uC1uL2u0

當(dāng)電路工作穩(wěn)定時(shí)，電感

L1、L2的電壓平均值為零，則下面的式子成立

EtonuC1toff0

(Eu0uC1)tonu0toff0

由以上兩式即可得出

U0

ton

Etoff

8．分析圖3-7a所示的電流可逆斬波電路，并結(jié)合圖3-7b的波形，繪制出各個(gè)階段電流流通的路徑并標(biāo)明電流方向。

解：電流可逆斬波電路中，Vl和VDl構(gòu)成降壓斬波電路，由電源向直流電動機(jī)供電，電動機(jī)為電動運(yùn)行，工作于第l象限：V2和

VD2構(gòu)成升壓斬波電路，把直流電動機(jī)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

電能反饋到電源，使電動機(jī)作再生制動運(yùn)行，工作于第2象限。圖3-7b中，各階段器件導(dǎo)通狀況及電流路徑等如下：

V1導(dǎo)通，電源向負(fù)載供電：

V1關(guān)斷，VD，續(xù)流：

V2也導(dǎo)通，L上蓄能:

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V2關(guān)斷，VD2導(dǎo)通，向電源回饋能量

9.對于圖3-8所示的橋式可逆斬波電路，若需使電動機(jī)工作于反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，試分析此時(shí)電路的工作狀況，并繪制相應(yīng)的電流流通路徑圖，同時(shí)標(biāo)明電流流向。

解：需使電動機(jī)工作于反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)時(shí)，由V3和VD3構(gòu)成的降壓斬波電路工作，此時(shí)需要V2保持導(dǎo)通，與V3和VD3構(gòu)成的降壓斬波電路相協(xié)同。

當(dāng)V3導(dǎo)通時(shí)，電源向M供電，使其反轉(zhuǎn)電動，電流路徑如下圖：

當(dāng)V3關(guān)斷時(shí)，負(fù)載