电力电子第五章课件
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电力电子技术第五章直流-直流变流电路PPT课件
(5-37) O
i
t
o
当tx<t0ff时，电路为电流断续工作状态， tx<t0ff是电流断续的条件，即
m
1 e 1 e
(5-38)
i
i
1
2
I
20
O
t
tt
t
t
on
1
x
2
t
off
T
c)
图5-3 用于直流电动机回馈能 量的升压斩波电路及其波形
c）电流断续时
16/44
5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路
◆斩波电路有三种控制方式
☞脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。 ☞频率调制：ton不变，改变T。 ☞混合型：ton和T都可调，改变占空比
5/44
5.1.1 降压斩波电路
■对降压斩波电路进行解析
◆基于分时段线性电路这一思想，按V处于通态和处于断态两个过程 来分析，初始条件分电流连续和断续。
◆电流连续时得出
3/44
5.1.1 降压斩波电路
■降压斩波电路（Buck Chopper）
◆电路分析
☞使用一个全控型器件V，若采用晶闸
管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。
☞设置了续流二极管VD，在V关断时
给负载中电感电流提供通道。
☞主要用于电子电路的供电电源，也
可拖动直流电动机或带蓄电池负载等。
◆工作原理
☞ t=0时刻驱动V导通，电源E向负载
☞输出电流的平均值Io为
EI1 U o I o
Io
Uo R
1
E R
(5-24) (5-25)
☞电源电流I1为
I1
Uo E
Io
电力电子课件—第五章—斩波技术
直流斩波电路
斩波器的原理
E
Q
+
uO
–
iO
负载RL为理想电阻，Q为开关；
分析：
RL Q接通，则uO=E，RL中流过电流iO；
Q断开，则uO=0，iO=0 。
to uO
n
toff
E
UO
波形：
ton --导通时间 toff --关断时间
直流斩波电路采用斩控方式，比相控
方式性能更佳，因而应用广泛。
5.1.1 降压斩波电路(Buck Chopper)
V D 1 u o
M E M ioiV 1 iD 1
O iD 2 iV 2
t
a )
b )
电流可逆斩波电路及其波形
a） 电路图
b） 波形
V2和VD2构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转 变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作 于第2象限
V1和VD1构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供 电，电动机为电动运行，工作于第1象限
设v通的时间为ton此阶段l上积蓄的能量为升压斩波电路及其工作波形a电路图b波形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51210v2和vd2构成升压斩波电路把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源使电动机作再生制动运行工作于第2象限v1和vd1构成降压斩波电路由电源向直流电动机供电电动机为电动运行工作于第1象限电流可逆斩波电路及其波形a电路图b波形521电流可逆斩波电路11522使v4保持通时等效为下图所示的电流可逆斩波电路向电动机提供正电压可使电动机工作于第12象限即正转电动和正转再生制动状态使v2保持通时v3vd3和v4vd4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34象限桥式可逆斩波电路12
电力电子第五章 ACDC变换器(整流和有源逆变电路)
控整流电路、相控电路、PWM整流电路
5.2 不控整流电路
• 利用电力二极管的单相导电性可以十分简单 地实现交流—直流电力变换。
• 由于二极管整流电路输出的直流电压与交流 输入电压的大小有关，不能通过电路本身控 制其数值，故称为不控整流电路。
5.2.1 单相不控整流电路
u1
u2 O ud
uVDO1 O
VD4
VD2
a)
VD3
R VD4
VD1
-
ud AC + VD2
b)
VD3 R ud
VD4
c)
a)单相桥式整流电路 b)交流输入正半周单相桥式整流电路工作图 c)交流输入负半周单相桥式整流电路工作图
5.2.1 单相不控整流电路
AC +
ud
VD3
VD2
VD2
b)
图5-2 单相全波整流电路
u2
R
c)
d)
u2
共阳极连接 VD4
2 t
5.2.1 单相不控整流电路
VD1
VD1
VD3 VD1
u2 R
AC
+ -
R
-
AC +
R
t
u2
AC + -
ud
VACD1
+
ud
VD2
VD2
u2
VD2
VbD)3
u2
c)
d)
u2
R
VD2
u2 VD4
VD4
带续流二极管的单相 半波整流电路
b)
d)
u2
u2
t1
O
2
t1
t
O
2
5.2 不控整流电路
• 利用电力二极管的单相导电性可以十分简单 地实现交流—直流电力变换。
• 由于二极管整流电路输出的直流电压与交流 输入电压的大小有关，不能通过电路本身控 制其数值，故称为不控整流电路。
5.2.1 单相不控整流电路
u1
u2 O ud
uVDO1 O
VD4
VD2
a)
VD3
R VD4
VD1
-
ud AC + VD2
b)
VD3 R ud
VD4
c)
a)单相桥式整流电路 b)交流输入正半周单相桥式整流电路工作图 c)交流输入负半周单相桥式整流电路工作图
5.2.1 单相不控整流电路
AC +
ud
VD3
VD2
VD2
b)
图5-2 单相全波整流电路
u2
R
c)
d)
u2
共阳极连接 VD4
2 t
5.2.1 单相不控整流电路
VD1
VD1
VD3 VD1
u2 R
AC
+ -
R
-
AC +
R
t
u2
AC + -
ud
VACD1
+
ud
VD2
VD2
u2
VD2
VbD)3
u2
c)
d)
u2
R
VD2
u2 VD4
VD4
带续流二极管的单相 半波整流电路
b)
d)
u2
u2
t1
O
2
t1
t
O
2
最新文档-电力电子技术第5章-PPT精品文档
VD 3 V5
VD 5
N'
B
N
Ud 2
+ V4 C
VD4 V6
VD 6
V
C
2
VD 2
–
依次相差120°。 当urA>uc时，V4关断，V1或
uuuurrrUVWc
VD1导通，则uAN’=Ud/2
调制 电路
三相桥逆变电路
– 当urA<uc时， V1关断，V4 或VD4导通，则uUN’=-Ud/2
要它们的冲量即变量对时间
f (t)
f (t)
的积分相等，其作用效果基
d (t)
本相同。
– 图a-d四种激励分别加在具 有惯性的阻感负载时，其输 出响应基本相同。
O
t
O
t
c)
d)
图a、b、c、d分别为方波、三角波、正 弦半波窄脉冲、单位冲击函数δ（t） ， 面积都等于1。
-4-
电力工程系
5.1 概述
单相桥逆变桥阻感负载
V2保持导通，V1断开，
V3和V4交替通断；
uo可得-Ud和0两种电平
-13-
电力工程系
5.2.1 计算法和调制法
• 双极性PWM控制方式
u
ur uc
– 在ur的一个周期内，输出
的PWM波只有±Ud两种
O
t
电平
– ur正负半周，对各开关器
uo Ud
件的控制规律相同
uof uo
第5章 PWM控制技术
• PWM（Pulse Width Modulation）控制
– 对脉冲的宽度进行调制的技术，通过对一系列脉冲的宽度 进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。
《电力电子技术》电子课件(高职高专第5版) 5.1 交流调压电路
一些； 4） 角相同时，随着阻抗角的增大，谐波含量有所
减少；
5.1.2 三相交流调压电路
1、三相四线制调压电路特点：
1）相当于三个独立的单相交流调压 电路组合而成的；
2）存在中性线，但是3次谐波在中 线中的电流大，故中线的导线截面要求 与相线一致；
3）晶闸管的门极触发脉冲信号，同 相间两管的触发脉冲要互差180°。
)e tan
]dt
IT
1
(
2U
) 2 [s in(t
)
sin(
t
)e tan
]2
dt
2 Z
U sin cos(2 )
Z
cos
(5.1.9) (5.1.10)
(5.1.11)
IO 2IT
(5.1.12)
5.1.1 单相交流调压电路
调压电路在不同α时的工作情况
2、α =ф
由
式中 n=1为基波，n=3,5,7,…为奇次谐波。随着谐波次数n的增加，谐 波含量减少。
5.1.1 单相交流调压电路
2、阻感性负载 （R-L负载）
单相交流电压器带阻感负载时， 工作情况同可控整流电路带电感负 载相似；
当电源电压反向过零时，负载 电感产生感应电动势阻止电流的变 化，故电流不能立即为零；
1、α>ф，导通角θ≺1800，正负半波电流断续。α愈大，θ愈小， 波形断续愈严重。
负载电压的有效值UO、晶闸管电流平均值IdT、电流有效值IT以及负 载电流有效值IO分别为：
U 0
1
(
2U
sint)2 dt U
sin2 sin2( )
I dT
1 2
[sin(t
)
sin(
减少；
5.1.2 三相交流调压电路
1、三相四线制调压电路特点：
1）相当于三个独立的单相交流调压 电路组合而成的；
2）存在中性线，但是3次谐波在中 线中的电流大，故中线的导线截面要求 与相线一致；
3）晶闸管的门极触发脉冲信号，同 相间两管的触发脉冲要互差180°。
)e tan
]dt
IT
1
(
2U
) 2 [s in(t
)
sin(
t
)e tan
]2
dt
2 Z
U sin cos(2 )
Z
cos
(5.1.9) (5.1.10)
(5.1.11)
IO 2IT
(5.1.12)
5.1.1 单相交流调压电路
调压电路在不同α时的工作情况
2、α =ф
由
式中 n=1为基波，n=3,5,7,…为奇次谐波。随着谐波次数n的增加，谐 波含量减少。
5.1.1 单相交流调压电路
2、阻感性负载 （R-L负载）
单相交流电压器带阻感负载时， 工作情况同可控整流电路带电感负 载相似；
当电源电压反向过零时，负载 电感产生感应电动势阻止电流的变 化，故电流不能立即为零；
1、α>ф，导通角θ≺1800，正负半波电流断续。α愈大，θ愈小， 波形断续愈严重。
负载电压的有效值UO、晶闸管电流平均值IdT、电流有效值IT以及负 载电流有效值IO分别为：
U 0
1
(
2U
sint)2 dt U
sin2 sin2( )
I dT
1 2
[sin(t
)
sin(
电力电子技术第5章 直流斩波电路
V处于断态时 UL = -U0
（b）一种实用正激电路 要求断态时要保证去磁电流降为零，使变压器磁芯可靠复 44 位。
5.3.1正激电路
一种实用正激电路分析：
（b）一种实用正激电路
45
5.3.1正激电路
一种实用正激电路分析：
T2时刻磁芯复位
（b）一种实用正激电路 要求断态时要保证去磁电流降为零，使变压器磁芯可靠复 46 位。
（3-40）
V处于断态 uL = - uo
5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
所以输出电压为：
ton ton （5-41） Uo E E E toff T ton 1
结论 当0< <1/2时为降压，当1/2< <1时为升压， 故称作升降压斩波电路。也有称之为buckboost 变换器。
（a）降压斩波电路
(b)正激电路
35
5.3.1正激电路
正激电路分析：
V处于通态时 UL = （N2/N1）Us-U0
（a）当T导通时，正激电路
36
5.3.1正激电路
正激电路分析：
V处于断态时 UL = -U0
（b）当T断开时，正激电路
37
5.3.1正激电路
正激电路分析：
（a）当T导通时，正激电路
39
5.3.1正激电路
此正激电路缺点：变压器原边通过单相脉动电流，变 压器铁芯极易饱和。
（a）正激电路
40
5.3.1正激电路
此正激电路缺点：变压器原边通过单相脉动电流，变 压器铁芯极易饱和。 解决措施：在隔离变压器中增加一个去磁绕组，将变 压器中存储的激磁能量反激到电源中。 去磁绕组
（a）正激电路
电子电工学第五章知识点PPT课件
IN I1 I2 I3 0 结论：负载对称时,中性线无电流,可省掉中性线。 例1：一星形联结的三相电路，电源电压对称。设电源线电压 u12 380 2sin(314 t 30)V
负载为电灯组，若R1=R2= R3 = 5 ，求线电流及中性线电流 IN ;
若R1=5 , R2=10 , R3=20 ,求线电流及中性线电流 IN 。
2. 负载三相不对称，必须采用三相四线制供电方式，且中性线上不允许接刀闸和熔断器。
习题:求例1电路的中性线断开时负载的相电压及相电流。
U1 1440 V I1 28.80A
U 2 2490 V
U 3 288131V
I2 24.94 139A I3 14.4131A
5.3 负载三角形联结的三相电路
(2) L1相断路
1) 中性线未断： L2、L3相灯仍承受220V电压, 正常工作。 2) 中性线断开： 变为单相电路，由图可求得
I U23 380 12 .7 A U2 IR 2 12 .7 10 127 V
R2 R3 10 20
U3 IR 3 12 .7 20 254 V
结论： 1. 不对称三相负载做星形联结且无中性线时, 三相负载的相电压不对称。
L1
+–
U12
–
U 31
L2
UU+2B3C
–
+
5.2 负载星形联结的三相电路
1. 三相负载
负载
三相负载：需三相电源同时供电 (三相电动机等) 单相负载：只需一相电源供电 (照明负载、家用电器等)
三相负载
对称三相负载：Z1 = Z2 = Z3 （如三相电动机） 不对称三相负载： 不满足 Z1 = Z2 = Z3 （如由单相负载组成的三相负载）
电力电子5-10
三、单相交流调压电路的谐波情况
• 我们从分析中知 道，负载电压和 负载电流都不是 正弦波，含有大 量的谐波成份。 为了了解其谐波 成份，以采用不 同的对策，我们 以电阻负载为例 ，对负载电压进 行付里叶变换来 分析其谐波情况 。
• 从图5-3我们知道 ，输出电压曲线 关于横轴正负半 周对称，所以输 出电压不含直流 分量和偶次谐波 ，其付里叶级数 表达式如下：
第20讲
第五章 交流调压电路分析
电 力
电 第五章 交流调压与斩波电路
子
• 我们知道，晶闸管可以在交流电的正半周导通 ，而且可以控制其以α角的延迟后导通。在交 流电过零时自然关断。这样就可以很方便的用 SCR组成晶闸管交流电压控制电路，很方便的 实现交流电压有效值的调节。
• 同样，我们可以利用晶闸管或其它通断控制。 将直流电流电压断续的加在负载上。通过通断 的时间变化来改变负载电压平均值。我们也称 直流—直流变换器。
• 当α=0时，u2=u1；当α=π时，u2=0。 • 电压调节范围：0~u1； • α角的范围：0≤α≤π。 •
负载电流有效值：
I2
U2 R
功率因素：
cosU2 sin2 U1 2
电阻-电感负载的交流调压电路
• 设负载的阻抗角为：
• 如果短路晶闸管，稳态 时负载电流是正弦波， 其相位滞后于电源电压 u1的角度为 ，在用晶 闸管控制时，只能进行 滞后控制，使负载电流 更为滞后，而无法使其 超前。
流过晶闸管的电流有效值：
1
IT 2
(
2U1si n t)2dt
R
U1 1(1sin2) R 2 2
负载电压有效值
U 2 1(2 U 1 s in t2d ) t U 1 s2 2 i n
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7
第五章-直流-直流变流电路-基本斩波电路 ■降压斩波电路（Buck Chopper） ◆电路分析 ☞使用一个全控型器件V， 图中为IGBT，若采用晶闸管，需设 置使晶闸管关断的辅助电路。 ☞设置了续流二极管VD， 在V关断时给负载中电感电流提供 通道。 ☞主要用于电子电路的供 电电源，也可拖动直流电动机或带 蓄电池负载等，后两种情况下负载 中均会出现反电动势，如图中Em 所 示。 8
I 10 e t1 / 1 E E m e 1 E T / m R R 1 R e 1 e
1 e t1 / 1 e T / E E m 1 e E m R R R 1 e
L/ R
T /
I 20
m Em / E
t T t1 / 1 T
12
I10和I20分别是负载电流瞬时值 的最小值和最大值。
第五章-直流-直流变流电路-基本斩波电路 把式（5-9）和式（5-10）用泰勒级数近似，可得
图5-1 降压斩波电路的原理图及波形 a）电路图 b）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形
9
第五章-直流-直流变流电路-基本斩波电路 ◆基本的数量关系 ☞电流连续时 √负载电压的平均值为 t on t on Uo E E E t on t off T 式中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时 间，T为开关周期，为导通占空比，简称占空比或 导通比。 √负载电流平均值为 U o Em Io R ☞电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希 望出现电流断续的情况。
I10 I 20
mE I
R
o
平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最 小值均等于平均值。
13
第五章-直流-直流变流电路-基本斩波电路 ◆(3-11)所示的关系还可从能量传递关系简单地推得，一 个周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载 消耗的能量相等，即 EI t RI 2 T E I T
负载电流平均值为
t on t x 1 t on t t E U Em I o i1 d t i2 d t on x m o t on T 0 T R R
15
第五章-直流-直流变流电路-基本斩波电路 ■例5-1 在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知E=200V， R=10Ω，L值极大，Em=30V，T=50μs，ton=20s,计 算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。 解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平 均值为
I min
E e0.0025 1 100 e 1 e 1 m R e0.01 1 0.1 0.5 29.81( A)
18
第五章-直流-直流变流电路-基本斩波电路
■升压斩波电路 ◆工作原理 ☞假设L和C值很大。 ☞ V处于通态时，电源E向电感L充电， 电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压 Uo恒定。 ☞ V处于断态时，电源E和电感L同时向 iGE 电容C充电，并向负载提供能量。 ◆基本的数量关系 0 ☞当电路工作于稳态时，一个周期T中电 io 感L积蓄的能量与释放的能量相等，即
输出
直流
输入
交流
交流
整流
交流电力控制 变频、变相 逆变
直流
直流斩波
2
Power Electronics-直流-直流变流电路
本章主要内容：
5.1 基本斩波电路 5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 5.3 带隔离的直流-直流变流电路
3
第五章-直流-直流变流电路-引言
电压幅值
电压幅值
4
第五章-直流-直流变流电路-引言 ■直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接直流变 流电路和间接直流变流电路。 ■直接直流变流电路 ◆也称斩波电路（DC Chopper）。 ◆功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。 ◆一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入 与输出之间不隔离。 ■间接直流变流电路 ◆在直流变流电路中增加了交流环节。 ◆在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因 此也称为直—交—直电路。
Power Electronics
电力电子技术教案
Power Electronics Technology
第五章 直流-直流变流电路
The fifth chapter dc-dc converter Lecturer Dr. Zhu
1
Power Electronics
Power Electronics Technology
5
第五章-直流-直流变流电路-引言
应用场合： 计算机 光伏发电 燃料电池发电 海上风力发电 X光激电源
6
第五章-直流-直流变流电路-基本斩波电路
本节主要内容： 5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
1 (1 m )e t x ln m
电流断续时，tx<toff，由此得出电流断续的条件为
e 1 m e 1
m Em / E
输出电压平均值为
t on E (T t on t x )Em t on t x Uo 1 m E T T
10
第五章-直流-直流变流电路-基本斩波电路 ◆斩波电路有三种控制方式 ☞脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。
☞频率调制：ton不变，改变T。
☞混合型：ton和T都可调，改变占空比
11
第五章-直流-直流变流电路-基本斩波电路 ■对降压斩波电路进行解析 ◆基于分时段线性电路这一思 想，按V处于通态和处于断态两个 过程来分析，初始条件分电流连 续和断续。 ◆电流连续时得出
a)
EI 1t on U o E I 1t off
化简得 上式中的
I1
b)
0
Uo
ton toff toff
E
T E toff
T / toff 1
图5-2 升压斩波电路及其工 作波形 a）电路图 b）波形
19
第五章-直流-直流变流电路-基本斩波电路
☞将升压比的倒数记作β，即 下关系 1 式（5-21）可表示为
o on o m o
E E m 则 Io R 假设电源电流平均值为I1，则有
ton I1 I o I o T
其值小于等于负载电流Io，由上式得
EI 1 EI o U o I o
即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。
14
第五章-直流-直流变流电路-基本斩波电路 ◆电流断续时有I10=0，且t=ton+tx 时，i2
O i
t i
1
i I
2
I O
20
10
I t
off
10
t
on
t
T
25
第五章-直流-直流变流电路-基本斩波电路 ☞当电枢电流断续时，可求得i2 持续的时间tx，即
1 me t x ln 1 m
t on
(5-37)
u
当tx<t0ff时，电路为电流断续工作状 态，tx<t0ff是电流断续的条件，即
第五章-直流-直流变流电路-基本斩波电路 ■降压斩波电路（Buck Chopper） ◆工作原理 ☞ t=0时刻驱动V导通，电 源E向负载供电，负载电压uo=E，负 载电流io按指数曲线上升。 ☞ t=t1时控制V关断，二极 管VD续流，负载电压uo近似为零， 负载电流呈指数曲线下降，通常串 接较大电感L使负载电流连续且脉 动小。
Uo 1 E Io R R
Uo 1 E I1 Io 2 E R
20
第五章-直流-直流变流电路-基本斩波电路
■例5-3 在图5-2a所示的升压斩波电路中，已知 E=50V，L值和C值极大，R=20，采用脉宽调制 控制方式，当T=40s，ton=25s时，计算输出电 压平均值Uo，输出电流平均值Io。 解：输出电压平均值为：
■T=40s，ton=35s 时 T 40
Uo toff E 40 35
50 400.0(V )
1 1 Uo E E 1
22
第五章-直流-直流变流电路-基本斩波电路
Uo 1 E 1
23
第五章-直流-直流变流电路-基本斩波电路 ■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（Power Factor Correction—PFC）电路，三是用于其 他交直流电源中。 ◆以用于直流电动机传动为例 ☞在直流电动机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。
T 40 Uo E 50 133.3(V ) t off 40 25
输出电流平均值为：
U o 133.3 Io 6.667( A) R 20
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第五章-直流-直流变流电路-基本斩波电路
■T=40s，ton=25s时
Uo T 40 E 50 133.3(V ) t off 40 25
Uo
ton 20 200 E 80(V ) T 50
输出电流平均值为 I o
U o - Em 80 30 5( A) R 10
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第五章-直流-直流变流电路-基本斩波电路
■例5-2 在图5-1a所示的降压斩波电路中，E=100V， L=1mH， R=0.5Ω，Em=10V，采用脉宽调制控制方式，T=20s，当ton=5s时，计 算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io，计算输出电流的最大和最小 值瞬时值并判断负载电流是否连续。 解：由题目已知条件可得： m E M 10 0.1