PWM的一種典型應(yīng)用就是直流斬波電路,所以PWM的原理同樣適合于直流斬波電路,這里通過PWM的實現(xiàn)過程來論證直流斬波電路的原理。
最簡單的PWM波形實現(xiàn)過程
最簡單直流斬波電路圖及輸出電壓波形
S是可控開關(guān),R為純電阻負(fù)載。當(dāng)S閉合時,輸出電壓U=Uo;當(dāng)S關(guān)斷時,輸出電壓U=0,輸出波形如上圖所示。假設(shè)開關(guān)S通斷的周期T不變,導(dǎo)通時間為ton,關(guān)斷時間為toff,則輸出電壓的平均值U可表示為
其中a就是占空比:
通過改變a的值就可以改變輸出電壓平均值的大小,實現(xiàn)電壓變換的功能。
從直流斬波電路的原理我們可以知道,調(diào)節(jié)占空比a的值就可以調(diào)節(jié)輸出電壓平均值的大小,所以直流斬波電路的控制方式有三種。
1、脈寬調(diào)制控制方式:也就是我們普遍應(yīng)用的PWM方式,即維持T不變,改變ton。在這種控制方式中,輸出電壓波形的周期或頻率是不變的,因此輸出諧波的頻率也是不變的,這使得濾波器的設(shè)計變得較為容易,并得到普遍應(yīng)用。
2、脈沖頻率調(diào)制控制方式:即維持ton不變,改變T。在這種控制方式中,由于輸出電壓波形的周期或頻率是變化的,因此輸出諧波的頻率也是變化的,這使得濾波器的設(shè)計比較困難,輸出波形諧波干擾嚴(yán)重,一般很少采用。
3、調(diào)頻調(diào)寬混合控制方式:這種控制方式不但要改變ton和也要改變T,其特點是:可以使大大提高輸出的范圍,但由于頻率是變化的,也存在著設(shè)計濾波器較難的問題。
根據(jù)輸入輸出電壓大小、極性,斬波電路可分為降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路、Zeta斬波電路等,關(guān)于這幾種直流斬波電路的詳細(xì)介紹請參考:幾種斬波電路的工作原理。
直流斬波電路通過周期性地快速開通、關(guān)斷,把輸入電壓斬成一系列的方便調(diào)節(jié)的脈沖電壓,改變脈沖列的脈沖寬度或頻率可以調(diào)節(jié)輸出電壓的平均值,因此直流斬波器的基本作用是進(jìn)行直流電壓的變換,即調(diào)壓作用。
利用直流斬波電路的調(diào)壓功能,直流斬波電路廣泛應(yīng)用于直流供電電源。在各種應(yīng)用場合中,不同用電設(shè)備所需要的直流供電電壓的等級不同,采用直流斬波電路可以將單一的、不穩(wěn)定的直流輸入電壓變換成負(fù)載所需要的穩(wěn)定的、不同電壓等級的直流供電電壓。因為直流斬波器工作在開關(guān)狀態(tài),因此這種類型的直流供電電源也稱為開關(guān)電源。開關(guān)電源在計算機(jī)、通信等各個領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。
將直流斬波電路和一個固定電阻相并聯(lián),通過直流斬波電路的斬波作用,可以調(diào)節(jié)并聯(lián)等效電阻的阻值,這一過程稱為調(diào)阻。
將直流斬波器串聯(lián)在電機(jī)的勵磁回路中,通過斬波作用調(diào)節(jié)勵磁電流,從而調(diào)節(jié)電機(jī)的磁場大小,這一過程稱為調(diào)磁。
直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于電樞電壓及磁場的大小,通過直流斬波器的調(diào)壓作用,可以調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電壓,達(dá)到調(diào)速的目的。同樣通過直流斬波器的調(diào)磁作用,可以調(diào)節(jié)電機(jī)的磁場及勵磁電流,也可以達(dá)到調(diào)速的目的。直流電機(jī)調(diào)速在地鐵、城市無軌電車、電動汽車等運(yùn)輸車輛上得到了廣泛的應(yīng)用。
直流斬波電路的工作方式是把輸入直流電壓斬波成為高頻脈沖電壓,將此脈沖電壓通過高頻變壓器隔離后再進(jìn)行濾波,可以得到與輸入電壓相互隔離的直流輸出電壓,從而使直流斬波器應(yīng)用在輸入、輸出之間需要隔離的直流電壓場合中。
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