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1、 专业整理 学习帮手 直流斩斩波电电路的分析与与仿真研真研究 作者姓名 李 涛 专业名称 电气工程及其自动化 指导教师 许 丽 讲师 专业整理 学习帮手 摘要 直流斩波电路 DC Chopper 功能是将直流电变为另一固定电压或调电压的直流电 也 称为直接直流 直流变换器 DC DC Converter 直流斩波电路的种类较多 包括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Z eta斩波电路 其中前两种是最基本的电路 一方面 这两种电路应用 最为广泛 另一方面 理解了这两种电路可为理解其他的电路打下基 础 因此本文对这两种电路作了着重介绍
2、并利用Matlab Simulink进行 了仿真 在此基础上对其余几种电路作了简单介绍 利用不同的基本斩波电路进行组合 可构成复合斩波电路 如电 流可逆斩波电路 桥式可逆斩波电路等 利用相同结构的基本斩波电 路进行组合 可构成多相多重斩波电路 本文对以上两种形式的电路 也进行了简单的介绍和仿真 关关键词键词 直流斩波 分析 Matlab 仿真 专业整理 学习帮手 Abstract DC Chopper DC Chopper function is to change DC to another fixed voltage or adjustable voltage DC also known
3、as direct DC DC Converter DC DC Converter The kinds of DC chopper are more including six basic choppers Buck Chopper Boost Chopper Boost Buck Chopper Cuk Chopper Sepic Chopper and Zeta Chopper among them the former two are the most basic circuits On the one hand the applications of the two circuits
4、are the most widely on the other hand understanding the two circuits is the foundation of understanding the other circuits so this thesis introduces emphatically the two circuits and simulates by Matlab simulink On the basis the rest several circuits are introduced Using different basic Chopper comb
5、ination can form composite Chopper such as Current Reversible Chopper Bridge Type Reversible Chopper etc Using the same structural basic Chopper combination can form multiphase multiple Chopper The above two kinds of circuits are also introduced and simulated Key words Dc chopper analysis Matlab sim
6、ulation 专业整理 学习帮手 目录 摘要 I ABSTRACT II 目录录 III 前言 1 1 直流斩斩波电电路的理论论分析 3 1 1 基本斩波电路 3 1 1 1 降压斩波电路 3 1 1 2升压斩波电路 8 1 1 3 升降压斩波电路和cuk斩波电路 12 1 1 4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 15 1 2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 16 1 2 1 电流可逆斩波电路 17 1 2 2 桥式可逆斩波电路 18 1 2 3 多重多相斩波电路 18 1 3本章小结 20 2 直流斩斩波电电路的MATLAB仿真真 21 2 1 MATLAB简介 21 2 2 降压斩
7、波电路的仿真 24 2 3升压斩波电路的仿真研究 26 2 4升降压斩波电路的仿真 27 2 5 CUK斩波电路的防真 29 2 6 三相三重斩波电路的仿真 31 2 7本章小结 32 总结总结 34 致谢谢 35 参参考文献献 36 专业整理 学习帮手 前言 电力电子学 又称功率电子学 Power Electronics 它主要研究各种电力电子器件 以及由这些电力电子器 件所构成的各式各样的电路或装置 以完成对电能的变换和控制 它既是电子学在强电 高电压 大电流 或电工领域的一个分支 又 是电工学在弱电 低电压 小电流 或电子领域的一个分支 或者说是强 弱电相结合的新科学 电力电子学是横跨
8、电子 电力 和 控制 三个 领域的一个新兴工程技术学科 电有直流 DC 和交流 AC 两大类 前者有电压幅值和极性的不同 后者除电压幅值和极性外 还有频率和相位的差别 实际应用中 常常需要在两种电能之间 或对同种电能的一个或多个 参数 如电压 电流 频率和功率因数等 进行变换 交流 直流 AC DC 变换 将交流电转换为直流电 直流 交流 DC AC 变换 将直流电转换为交流电 这是与整流相反的变换 也称为逆 变 当输出接电网时 称之为有源逆变 当输出接负载时 称之为无 源逆变 交 交 AC AC 变换 将交流电能的参数 幅值或频率 加以变换 其中 改变交流 电压有效值称为交流调压 将工频交流
9、电直接转换成其他频率的交流 电 称为交 交变频 直流 直流 DC DC 变换 将恒定直流变成断续脉冲输出 以改变其平均值 1957年第一只晶闸管 也称可控硅 SCR 问世后 因此 自20世纪60年代开始进入了晶闸管时 代 70年代以后 出现了通和断或开和关都能控制的全控型电力电子 器件 亦称自关断型器件 如 门极可关断晶闸管 GTO 双极型功率 专业整理 学习帮手 晶体管 BJT GTR 功率场效应晶体管 P MOSFET 绝缘栅双极型晶体管 IGBT 等 控制电路经历了由分立元件到集成电路的发展阶段 现在已有专 为各种控制功能设计的专用集成电路 使变换器的控制电路大为简化 微处理器和微型计算
10、机的引入 特别是它们的位数成倍增加 运 算速度不断提高 功能不断完善 使控制技术发生了根本的变化 使 控制不仅依赖硬件电路 而且可利用软件编程 既方便又灵活 各种新颖 复杂的控制策略和方案得到实现 并具有自诊断功能 并 具有智能化的功能 将新的控制理论和方法应用在变换器中 综上所述可以看出 微电子技术 电力电子器件和控制理论则是 现代电力电子技术的发展动力 优化电能使用 通过电力电子技术对电能的处理 使电能的使用 达到合理 高效和节约 例如 在节电方面 针对风机水泵 电力牵 引 轧机冶炼 轻工造纸 工业窑炉 感应加热 电焊 化工 电解 等14个方面的调查 潜在节电总量相当于1990年全国发电量
11、的16 所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施 一般节能效果可 达10 40 我国已许多装置列入节能的推广应用项目 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业 据发达国家预测 今后将有95 的电能要经电力电子技术处理后再使用 即工业和民用 的各种机电设备中 有95 与电力电子产业有关 特别是 电力电子 技术是弱电控制强电的媒体 是机电设备与计算机之间的重要接口 它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件 成为发挥计算 机作用的保证和基础 电力电子技术高频化和变频技术的发展 将使机电设备突破工频 传统 向高频化方向发展 实现最佳工作效率 将使机电设备的体积 减小几倍 几十倍 响应速度达到高
12、速化 并能适应任何基准信号 实现无噪音且具有全新的功能和用途 能化的进展 在一定程度上将信息处理与功率处理合一 使微电 子技术与电力电子技术一体化 其发展有可能引起电子技术的重大改 革 有人甚至提出 电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网 专业整理 学习帮手 为对象的电子技术应用领域 电力电子技术将把人们带到第二次电子 革命的边缘 1 直流斩斩波电电路的理论论分析 1 1 基本斩斩波电电路 本节讲述了6种基本的斩波电路 对其中最基本的2种电路 降压 斩波和升压斩波电路重点进行介绍 1 1 1 降压斩压斩波电电路 该电路使用全控型器件 若为晶闸管 须设置使晶闸管关断的辅V 助电路 为在关断时
13、给负载中的电感电流提供通道 设置了续流二极管V VD 斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机 也可带蓄电池负载 两种 情况下负载中均会出现反电动势 如图中所示 若负载中无反电动势 M E 时 只需另其为0 以下的分析及表达式均可适用 时刻驱动导通 电源向负载供电 负载电压 0t VE o uE 负载电流按指数曲线上升 时控制关断 二极管续流 o i 1 tt VVD 负载电压近似为零 负载电流呈指数曲线下降 通常串接较大电感L o u 使负载电流连续且脉动小 专业整理 学习帮手 图1 1 降压斩波电路图 图1 2 降压斩波电路工作波形图 a 电流连续时 b 电流断续时 电流连续时负载电压平均值
14、 1 1 通的时间 断的时间 开关周期 导通占空比 on tV off tVT EE T t E tt t U on offon on o 专业整理 学习帮手 最大为E O U 减小占空比 则随之减小 因此称为降压斩波电路 O U 负载电流平均值 1 2 若负载较小 则在关断后 到了时刻 如图1 1b所示 负载电流LV 2 t 已衰减至零 会出现负载电流断续的情况 由波形可见 被抬高 一般不希望出现电流断续的情况 21offon I tI t 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同 斩波电路可有三种 控制方式 1 保持开关周期T不变 调节开关导通时间 on t 称为脉冲宽度调制 PWM调制 此
15、种方式应用最多 2 保持开关导通时间 不变 改变开关周期T 称为频率调制 on t 3 和T都可调 改变占空比称为混合型 on t 电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想 基于 分段线性 的思想 对降压斩波电路进行解析 a 通态期间 设负载电流为 可列出如下方程 V 1 i 1 3 设此阶段电流初值为 L R 解上式得 10 I 1 4 b 断态期间 设负载电流为 可列出如下方程 V 2 i 1 5 设此阶段电流初值为 解上式得 20 I 1 6 EERi t i L M1 1 d d tt e R EE eIi1 101 M 0 d d M2 2 ERi t i L tt e R E e
16、Ii1 202 M R EU I Mo o 专业整理 学习帮手 当电流连续时 有 1 7 1 8 即进入通态时的电流初值就是在断态阶段结束时的电流值 VV 反过来 进入断态时的电流初值就是在通态阶段结束时的电流值VV 由式 1 4 式 1 6 式 1 7 式 1 8 得出 1 9 1 10 式中 由图1 1a可知 和分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值 10 I 20 I 把式 1 9 和式 1 10 用泰勒级数近似 可得 1 11 上式表示了平波电抗器为无穷大 负载电流完全平直时的负载L 电流平均值 此时负载电流最大值 最小值均等于平均值 o I 从能量传递关系出发进行的推导 由于为无穷大 故负载电流L 维持为不变 电源只在处于通态时提供能量 为 o IV 在整个周期中 负载一直在消耗能量 消耗的能为 T 一周期中 忽略损耗 则电源提供的能量与负载消耗的能量相等 即 2210 tiI 1120 tiI R E m e e R E R E e e I T t 1 1 1 1 M 10 1 R E m e e R E R E e e I T t 1 1 1 1 M 20 1 T EEm
