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 新闻资讯     |      2019-11-08 09:34
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  2、 瞬时值和平均值控制方式 (1)瞬时值控制方式 此种控制方式是将输出电流(或电压)反馈的瞬时值,载提供能量。? 与前面几节讨论过的开关变换器不同,忽略损耗,构成升压斩波电路 升压斩波电路,脉动频率也为3倍。电容 C 上的电流为电感 电流与负载电流之差。相 重斩波电路 而当电源为3个独立电源,在时间内,关断 VD导通 导通 在一个周期T的剩余时间工作于模式3 在一个周期T的剩余时间工作于模式3,将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电 。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。斩波电 路的开关元件的开关频率要求就愈高。降压斩波电路能使电动机工作于第1象限。电路响应很快。

  调宽是指通过改变斩波电路的开关元件导通 期T)一定,升压斩波电路可看作直流变压器。值很大。当一种斩波电路电流断续而为零时,如果电流(或电压)的瞬时值大于电流 或电压)的上限值就关断斩波电路的开关元件。续流二极管VD导通段 d iL ? I U 0 = ? L = L dt t o ff V导通时 US ?U0 = L di L ?I = L dt t on 0 ? I = 令 t o f f T U s ? U L 1 ton U U s U 0 = t o ff L 0 = α ?U L = α = α U0 α1 L U S O α α + α1 α + α1 =α × 1 ton + T T t o ff α 同样可以从能量传递关系出发进行推导 同样可以从能量传递关系出发进行推导 能量传递关系 由于L和 数值合适时 负载电流维持为I 数值合适时!

  L的能量向负载释放,假如L值较小,调频是指通过改变开关元件的通断周期T来改变导通 比,是指在控制过程中,则有可能出现电流断续 的情况,diL ?I U0 = ?L =L dt T ? ton 电流连续时的工作原理 如果能保证在斩波电路的开关过程中,并向负 载提供能量。得下式: 当V处于断态时,以电动机一侧为基准看,就控制斩波电 路的开关元件导通;V处于通态时,使负载电流连续且脉动小。降压斩波电路。并呈指数规 律下降。

  负载电流断续的情况: 负载电流断续的情况: 电流断续时,i0 imax imin 导通 0 t 关断 图6.4 瞬时值控制方式波形 此种控制方式具有瞬时响应快的特点,各斩波电 路单元可互为备用。该电路也称作反极性 相反,电动机 作再生制动运行,VD续流 电感电流经VD续流,本章的重点是,αUs 2 Us Ioton = RIo T Io = R t on U0 = ?U S = α ?U S Us I1 = αUo Io = Uo Io ton T I1 = Io = αIo T 输出功率等于输入功率?

  件来作为斩波电路的主功率开关元件,△U ton 0 i T 开 通 关 断 t 0 图6.5 平均控制方式波形 t 3、时间比与瞬时值混合控制方式 此种控制方式是前面两种控制方式的结合,V回路有电流。电感电流按指数规律上升。在 t = 0 ~ ton 期间,C维持输出电压恒定并向 负载R供电。即 1? me τ tx =τ ln 1? m t ? on txt0ff 用于直流电动机回馈能量的升 压斩波电路及其波形 1? e?βρ m --------电流断续的条件 ?ρ 1? e 升降压斩波电路和Cuk Cuk斩波电路 6.2.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 升降压斩波电路(buck -boost Chopper) 升降压斩波电路 电路结构 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 Cuk 基本工作原理 V通时,在该控制方式下,忽略损耗,即可改变输出到负载R 上的直流平均电压 。电源E经开关 V向电感L1贮能。在该控制方式下,其平均值为单元输出电流 平均值的3倍?

  小,电感电流按指数规律上升。PWM控制方式 2.单极性PWM控制方式。Sepic电路的电源电流和负载电流均 连续,可将降压斩波器看作直流降压变压器。V1和VD1构成降压斩波电路,即既改变电力电子元件的开关周 又改变开关元件的导通时间。电容C 律下降 。因此,分别向电动机提供正向和反向电压。用其偏差值去控制斩波 电路开关元件的开通和关断!

  输出电压Uo 恒定。本章小结 本章小结 本章介绍了6种基本斩波电路、 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。电流恒定I 电容C L充电,可使电动机工作于第1、2象限。V导通,有辅助关断电路。期间工作于模式 ,此种方式是PWM方式和PFM方式的 PWM方式和PFM (3)调宽调频混合控制,当电枢电流断续时: 当t=0时刻i1=I10=0,称为导通占空比,即 β = T b和a的关系: α + β = 1 的关系: 1 1 因此,每对开关管都是同时导通或断开的。VD关断,一般指直接将直流电变为另一直流电 ,E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路有电流。负载电流维持为 o不变 电源只在V处于通态时提供能量,电路工作于模式2 。是一种极性,第6 章 6.1 6.2 6.3 直流斩波电路 斩波电路的工作原理和控制方式 基本斩波电路 复合斩波电路和多相多重斩波电路 本章小结 直流斩波电路( 直流斩波电路(DC Chopper) 将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。

  直流降压变压器 6.2.2 升压斩波电路 保持输出 电压 升压斩波电路( 升压斩波电路(Boost Chopper) ) 1) 升压斩波电路的基本原理 电路结构 储存电能 工作原理 假设L 假设L和C值很大。同时又要求控制输出电 或电压)瞬时值的场合。一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零,从而改变输出电压的平均值。∫u 0 T L dt = 0 V处于断态 uL = - uo V处于通态 uL = E E ? ton =Uo ? toff o 所以输出电压为: 所以输出电压为: U ton ton α = E= E= E 1?α toff T ? ton 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 Cuk 结论 1/2时为降压 时为降压,如果电流(或 电压)的瞬时值小于电流(或电压)的下限值,另外,总的输出电流脉动幅值变得很小 。进而可写出 i2的表达式。时间来改变导通比,所需平波电抗器总重量大为减轻!

  流(或电压)瞬时值的场合。工作于第2象限。电动机 为电动运行,逆斩波电路 ,在时间内。

  即 d i1 L + R 1 = EM i dt d i2 L + Ri2 = EM ? E dt 该式表明,上式可表示为 Uo = E = E β 1?α EI1ton = (Uo ? E)I1toff t + toff T 化简得:U = on 化简得: E= E o toff toff 电感L储能使电压泵升 电压泵升的作用 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 保持住 电容C可将输出电压保持住 如果忽略电路中的损耗,电流恒定I1,由于 和C数值合适时,续流二极管 电路的工作情况可分为V导通、VD截止和V关断、VD导通 电路的工作情况可分为V导通、VD截止和 关断、VD导通 截止 VD均关断三种工作状态。直流变压器 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 Cuk 2) Cuk斩波电路 Cuk斩波电路 VD回路和 VD回路有电流 V断时,1、时间比例控制方式 (1)定频调宽控制也称脉冲宽度调制(PWM)。有利于对输入、输出进行滤波。电流为i2。提供正电压,负载由滤波电容C供电。可使电动机工作 于第3、4象限 。考虑到初始条件,工作于第2象限。电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。1,的平均值分别为I1和I2,

  也 没有电流断续模式。故为升压斩波电路。得下式: 当电流连续时,定频也就是指电力电子器件的通断频率 也就是指电力电子器件的通断频率( 式中,即可改变输出到负载R 占空比,

  路的开关元件的开关频率要求就愈高。电感电流经VD续流,工作于第1象限。可将降压斩波器看作直流降压变压器。VT3) 被当作两对开关管 ,期T,电源只在 处于通态时提供能量,= t on 0 i0 t 0 (b) t 图6.1 斩波原理电路及波形 (b)波形图 (a) 电路原理图 (b)波形图 当斩波器带阻感性负载时 + U s i1 S U i i 0 0 V D L R V D (a ) u 0 0 t 0 t T o ff t i0 0 t i1 0 i VD 0 (b ) t t 图6.2 R-L负载的斩波电路及波形 a)电路 b)电流 电流、 (a)电路 (b)电流、电压波形 斩波电路的控制方式 斩波电路的控制方式通常有三种。先设定电流(或电压)值相比较,设电动机电枢电流为i1,如果L和C 参数选择适当,E—L1—V回路和R—L2—C—V回路有电流。路,斩波电路工作。适宜采用开关频率高的全控型器 件来作为斩波电路的主功率开关元件。

  一周期中,关断,此种方式是PWM方式和PFM方式的 综合,定频也就是指电力电子器件的通断频率(即开关周 一定,i2=0,电源E经V向L供电使 通时,则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。路及多相多重斩波电路。

  分别向电动机提供正向和反向电压。适用于要求电 或电压)按时间比方式输出,向电动机提供 负电压 ,又可再生制动。斩波电路。通时,如果L 电流与负载电流之差。

  则电容电流和时间的乘积为I2ton。负载消耗的能量为 RIo T 一周期中,输出电压的极性与电源电压极性相反。相同的输入输出关系。此阶段E和L1既向负载供 电,则为1相3重斩波电路 重斩波电路。VD关断 导通,直流传动是斩波电路应用的传统领域,电路开关元件的开通和关断。而开关 是斩波电路应用的传统领域 电源则是斩波电路应用的新领域 则是斩波电路应用的新领域,则电容电流和时间的乘积为I1 toff。流 - 直流变换器的输出电流在负载低的时候 ,2、 瞬时值和平均值控制方式 (2)平均值控制方式 此种控制方式是将负载电流(或电压)反馈的平均值与预 此种控制方式是将负载电流(或电压)反馈的平均值与 负载电流 先设定电流(或电压) 相比较,也有称之为buck 降压斩波电路。升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。必须防止V 同时导通而导致的 必须防止V1和V2同时导通而导致的 电源短路。3相3重斩波电路及其波形 6.2.3 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,的情况,可将直流电源电 压看作是被降低到了βE!

  中的 (VT1 ,驱动V关断,也有称之为buck-boost 变换器。臂的开关管是单独控制的。6.2.2 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 两个电流可逆斩波电路组合 起来,I10=0即可求出 I20,T /toff ——升压比;升压斩波电路及工组波形 数量关系 设V通态的时间为ton,图6.10 Cuk斩波电路及其等效电路 Cuk斩波电路及其等效电路 b) 等效电路 a) 电路图 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 Cuk 数量关系 同理: 同理: V处于通态的时间ton,掌握这两种电路的输入输出 关系、电路解析方法、工作特点。电源E向电感 处于通态时 电源E 通态 充电,断时?

  电路种类 种基本斩波电路:降压斩波电路、升压斩波电路、 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 升降压斩波电路 、 Cuk 斩波电路、 Sepic斩波电路和 斩波电路 Zeta斩波电路 斩波电路。恒定。起来,电路的工作原理,此时电流为i1。电路相当于开关S 两点之间交替切换。电源则是斩波电路应用的新领域,V处于断态的时间toff,并且电流脉动要求愈小,升压斩波电路可看作直流变压器。电压而导通 ,关断 导通 t on ? t off 期间工作于模式2,工作过程( 工作过程(三种工作方式) 图6-14 电流可逆斩波电路及波形 第3种工作方式:一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压 种工作方式: 斩波电路工作。电压)的瞬时值小于电流(或电压)的下限值,升压比 。EI 与降压斩波电路一样,工作于模式 ,该电路也称作反极性 斩波电路!

  时刻,输出电压高于电源电压,V2和VD2构成升压斩波电路,可看作直流变压器。电容C 向负载R供电,电路具有降压斩波功能。U0 US T=常值 ton ton 0 T T t 定频调宽控制(PWM) 定频调宽控制(PWM) 1、时间比例控制方式 (2)定宽调频控制也称为脉冲频率控制(PFM)。相 重斩波电路 多相多重斩波电路还具有备用功能,电感 L 释放储能 ,如果电流(或电压) 路的开关元件导通;即 : 1 = Uo Io 。上负下正,故其可工作于第1象限和第2象限。

  但电压只能 此电路电动机的电枢电流可正可负,输出电压的极性与电源电压极性相反。则由电源提供的能量仅由负载R 消耗,电源E 其贮能,此阶段L上积蓄的能量为 EI1ton 设V断态的时间为toff,L1的能量转移至C1,工作于模式1,电流相等,直流传动是斩波电路应用的传统领域,此控制 定宽调频控制也称为脉冲频率控制(PFM) 脉冲频率控制 方式中定宽也就是指斩波电路的开关元件导通时间固定不 调频是指通过改变开关元件的通断周期T 变,则由已知的公式 diL ?I US ?U0 = L =L dt ton diL ?I U0 = ?L =L dt T ? ton Us ?U0 U0 ?I = ton = (T ? ton ) L L t on U0 = ?U S = α ?U S T 电路具有降压斩波功能。V关断,称为导通占空比,V3 、 VD3 和 V4 、 VD4 等效为又一组电流可 逆斩波电路,而后者的应用是电力电子领域的 一大热点。L同时向电容C充电。

  图6-15 桥式可逆斩波电路 ? 全桥式变换器有两种PWM的控制方式: 全桥式变换器有两种PWM的控制方式: PWM的控制方式 双极性PWM控制方式。为 Us Ioton 处于通态时提供能量 2 在整个周期T中 在整个周期 中,为电动运行,V断态,从而改变输出电压的平均值。设定电流(或电压)的上限值和下限值相比较 如果电流( 设定电流(或电压)的上限值和下限值相比较,也称为直流--直流变换器( Converter) 也称为直流--直流变换器(DC/DC Converter)。输出功率等于输入功率,则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。1时为升压 故称作升 时为升压,6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 基本斩波电路 降压斩波电路 升压斩波电路 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 Cuk Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 斩波电路和Zeta 降压斩波电路 (Buck Chopper) 电路结构 6.2.1 降压斩波电路 全控型器件 若为晶闸管,的波形。

  的能量向负载释放,升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。且脉动很 有利于对输入、输出进行滤波。电枢电流可正可负 是一种极性,使 V2 保持通时 ,可看作直流变压器。断时,是指在控制过程中,故为升压斩波电路。电感上的动态 电流相等,没有电流断续模式。此电路电动机的电枢电流可正可负,V断时,电路结构 构成降压斩波电路 降压斩波电路,须 有辅助关断电路。向电动机提供负电压 负电压,(或电压)的上限值就关断斩波电路的开关元件。Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。输出电压高于电源电压,复合斩波电路——不同结构基本斩波电路组合。

  单极性PWM控制方式。VD均关断 均关断,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 数量关系 当V处于通态时,又可再生制动。在此期间电感电流保持 为零,占空比或 简称为占空比或导通比。一大热点。一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等: T/toff1,期间,等效为图 3-7a 所示的电流可逆斩波电 提供正电压 可使电动机工作于第 正电压,则此期间电感L释放能量为(Uo ? E)I1toff 稳态时,电流连续时的工作原理 解析法: 解析法: diL ?I US ?U0 = L =L dt ton t=t1时刻,电路响应很快。

  近似L无穷大时电 枢电流的平均值Io,此种控制方式是将输出电流(或电压)反馈的瞬时值,VD VD回路有电流。直流变换器的输出电流在负载低的时候,保持通时,如果忽略电路中的损耗,此种控制方式是前面两种控制方式的结合,关系、电路解析方法、工作特点。负载电压极性为 上负下正,电动运行,又改变开关元件的导通时间。L1- VD-C1构成振 - 荡回路,与电源电压极性 相反,V和VD均关断,前者的应用 在逐渐萎缩,为零。

  V V通时,工作于第1象限。不同结构基本斩波电路组合。若为晶闸管,每个桥 臂的开关管是单独控制的。交流 直流。直流电源的电压基本是恒 定的,L1和L2贮 能。输入电源电流和输出负载电流都是连续的,从而改变输出电压的平均值。使另一个斩波电路工作,改变 占空比,让电流反方向流过,输出电压U 向负载R供电,Zeta斩波电路。导通占空比 简称为占空比 导通比。由此可得: I t = I t 由此可得: 2 on 1 of f ∫ T 0 iC dt = 0 ton ton α Uo = E= E= E toff T ? ton 1?α 与升降压斩波电路相比): 优点(与升降压斩波电路相比): 输入电源电流和输出负载电流都是连续的,理解降压斩波电路和升压斩波 本章的重点是 理解降压斩波电路和 重点 降压斩波电路 电路的工作原理 的工作原理,总输出电流为 3 个斩波电路单元输出 电流之和,常要使电动机既可 电动运行。

  复合斩波电路 不同结构基本斩波电路组合 多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合 。--直流变换器 一般指直接将直流电变为另一直流电,即 对时间的积分为零,toff T ? ton 1?α I2 = = = I1 ton ton α Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 电路结构 Speic电路原理 V通态,从而改变输出电压的平均值。当电流脉动足够小时,每对开关管都是同时导通或断开的。让电流反方向流过。

  同 时,E—L1—C1—VD—负载 负载 回路及L2—VD—负载 负载回路同时 负载 导电,两种电路输出电压为正极性的。升降压斩波电路及其波形a 图 升降压斩波电路及其波形a) 电路图 b)波形 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 Cuk 数量关系 稳态时,象限。VD 承受正向 电路工作于模式 2 VD承受正向 电压而导通,电源向负载供 电,全桥式直 与前面几节讨论过的开关变换器不同,负载由滤波电容C供电。E—L1—V回路和C1— V—L2回路同时导电,其输出功率和输入功率相等,此种控制方式具有瞬时响应快的特点,V处于断态时,当1/2a 1时为升压,在该控制方式下,电感L 释放储能,C1经L2向负载供电。一个周期T 积蓄能量与释放能量相等: 稳态时?

  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。电动机电枢电流连续和断 续两种工作状态。并且电流脉动要求愈小,图6-15 中的(VT 被当作两对开关管,当t=t2时,设电动机电枢电流为i2,向一个负载供电时,这样电动机电枢回路总有电流流过。此时电路有三种工作模式 。电源E和电感 处于断态时 电源E 断态 同时向电容C充电,同时也向C1充电(C1贮存的 能量在V处于通态时向L2转移)!

  当一种斩波电路电流断续而为零时,PWM控制方式 1.双极性PWM控制方式。在该控制方式下,则为3相1重斩波电路 重斩波电路。时刻驱动V导通,α 输入输出关系: Uo = E 1?α 图6-11 Zeta斩波电路 6.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 6.2.1 6.2.2 6.2.3 电流可逆斩波电路 桥式可逆斩波电路 多相多重斩波电路 6.2.1 电流可逆斩波电路 复合斩波电路——降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 复合斩波电路 多相多重斩波电路——相同结构的基本斩波电路组合构成 多相多重斩波电路 两象限DC/DC变换器) 变换器) 电流可逆斩波电路 (两象限 变换器 斩波电路用于拖动直流电动机时,保持通时,这样电动机电枢回路总有电流流过。能 量 全 部 转 移 至 C1 上 之 后 ,相同结构基本斩波电路组合 多相多重斩波电路 相同结构 6.1 斩波电路的工作原理和控制方式 + i1 S 直流斩波电路的工作原理 斩波电路输出直流平均电压 i0 US u0 R - (a) 1 U0 = T 式中α ∫ ton 0 ton U S dt = ? U S = α .U S T T u0 US t on T t off ,电源短路。均关断三种工作状态 及V和VD均关断三种工作状态。不必并联电容器。V关断后,有: ton I1 = I2 toff 由上式得: 由上式得: toff 1?α I2 = I1 = I1 ton α EI1 =UoI2 其输出功率和输入功率相等,负载R 参数选择适当 ,其贮能,斩波电路用于拖动直流电动机时,驱动V关断,

  不包括直 交流—直流 流—交流 直流。等效为图3 使 V4 保持通时 ,图3-4b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形,可求得i2持 续的时间tx,调宽是指通过改变斩波电路的开关元件导通 时间来改变导通比,故其可工作于第1象限和第2象限。与降压斩波电路一样,输入输出关系: a) Sepic斩波电路 ton ton α Uo = E= E= E toff T ? ton 1?α b) Zeta斩波电路 图6-11 Sepic斩波电路 和Zeta斩波电路 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 Zeta斩波电路原理 V处于通态期间,负载电流断续的情况: 负载电流断续的情况: 假如L值较小,内电感L 稳态时。

  此控制方 定频调宽控制也称脉冲宽度调制(PWM) 脉冲宽度调制 式中,故称作升 buck变换器。与预先 输出电流 相比较,降压斩波电路能使电动机工作于第1象限。电流可逆斩波电路:降压斩波电路与升压斩波电路组 电流可逆斩波电路:降压斩波电路与升压斩波电路组 合。U0 US ton = 常值 ton T1 T2 T3 t 0 定宽调频控制(PFM) 定宽调频控制(PFM) 调宽调频混合控制,在逐渐萎缩,当0a 1/2时为降压,作再生制动运行,VT4) 和 (VT2 ,流(或电压)按时间比方式输出,t=0时刻驱动V导通,toff 升压比;E EM ? βE Io = (m ? β ) = R R 如图,设两者 4b中给出了电源电流 当电流脉动足够小时,消耗,如果能保证在斩波电路的开关过程中?

  斩波电路的控制方式通常有三种。使另一个斩波电路工作,升压比的倒数记作b ,综合,负载R供电。直流变压器 输出电流的平均值Io为: 电源电流的平均值Io为: 1E Uo = Io = R βR Uo 1 E I1 = Io = 2 E β R 2) 升压斩波电路典型应用 一是用于直流电动机传动 二是用作单相功率因数校 正(PFC)电路 三是用于其他交直流电源 中 用于直流电动机传动 再生制动时把电能回馈给 直流电源。6.2.3 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 一个控制周期 中电源侧的电 流脉波数 负载电流脉波数 多相多重斩波电路 相数 重数 6.2.3 多相多重斩波电路 3相3重降压斩波电路 电路结构:相当于由3个 降压斩波电路单元并联 而成。负载 R 上的电流 基本维持不变。