柔性電力技術第2章電力變換電路與控制

1、第2章電力變換電路與控制主講：張麗霞中國石油大學信息與控制工程學院電力變換通常由電力電子電路實現(xiàn)，可分為四大類:交流變直流 AC/DC直流變直流 DC/DC直流變交流 DC/AC交流變交流 AC/AC本章重點：四類變換的典型電路及其控制方法 2.1交流-直流變換電路2.1.1單相可控整流電路單相半波可控整流電路及波形21cos0.452dUU帶阻感負載的單相半波可控整流電路及波形 比帶電阻負載時平均值減小 單相橋式全控整流電路帶阻感負載時的電路及波形 20.9cosdUU當負載為蓄電池、直流電動機的電樞 2arcsin2EU為停止導電角2.1.2三相可控整流電路開關導通情況依次為： 三相橋式全

2、控整流電路原理圖 三相橋式全控整流電路帶阻感負載=0時的波形 0021.35dLUU2LU為變壓器二次側線電壓的有效值 2.1.3三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時的電壓波形 2.1.4整流電路的功率因數(shù)和諧波(2)三相橋式全控整流電路 通常電力系統(tǒng)中裝設的并聯(lián)補償電容器，可對相移功率因數(shù)DPF進行校正，但畸變所引起的功率因數(shù)降低則只能通過減小諧波含有率得到改善。2.1.5交流電感對換相的影響由于換相的影響，交流側電流波形將發(fā)生變化，這會對功率因數(shù)以及注入交流系統(tǒng)的諧波電流產(chǎn)生影響。 2.1.6 雙三相橋式整流電路變壓器接線方式不同時電網(wǎng)側電流波形 將上述兩組

3、不同的變壓器組合起來，其電網(wǎng)側的總電流中將不再含有5、7、17、19等次數(shù)的諧波，而只含有12k1次的特征諧波，即為12脈動整流，如圖(c)所示，2.2 直流-直流變換電路 將一種幅值直流電壓變換成另一幅值固定或大小可調的可控直流電壓的過程稱為直流-直流電壓變換。由于這類變換的基本原理是利用開關器件對輸入電壓波形周期性地“斬切”，因此也常稱為斬波器。主要內容：降壓型(Buck)變換器、升壓型(Boost)變換器升降壓(Buck-Boost)變換器全橋直-直變換器 B B u u c c k k C C o o n n v v e e r rt te e r rs s t te e p p -

4、- d d o o w w n n c c h h o o p p p p e e r rB B o o o o s s t t C C o o n n v v e e r rt te e r rs s t te e p p - - u u p p c c h h o o p p p p e e r rB B u u c c k k - - B B o o o o s s t t C C o o n n v v e e r rt te e r r( ( C C u u k k c c o o n n v v e e r rt te e r r) )s s t te e p p - - u u

5、p p / / s s t te e p p - - d d o o w w n nF F u u l ll l- - b b r ri id d g g e e c c o o n n v v e e r rt te e r r/ / i is s o o l la a t te e d d c c o o n n v v e e r rt te e r rM M a a i i n n O O b b j j e e c c t t i i v v e e s sDC/DC 變換器的分類降壓變換器電路原理圖 連續(xù)電流下對應的波形(1)連續(xù)電流工作方式 2.2.1 降壓型變換器2)電流臨界連

6、續(xù)工作方式(3)間斷電流方式。 由于應用場合不同，降壓變換器有兩種工作方式：輸入電壓不變的間斷電流工作方式：當降壓變換器應用于直流電機調速時，輸入電壓保持不變，而輸出電壓通過調節(jié)占空比來控制。輸出電壓不變的間斷電流工作方式。在許多應用場合，如直流開關電源，則需要保持輸出電壓不變，而輸入電壓由于電網(wǎng)的波動會有所變化，通過調節(jié)占空比保持輸出電壓。(4)選擇合適的低通濾波器截止頻率 ，使 ，可大大減少輸出電壓紋波。 cfcsff2.2.2升壓型變換器升壓變換器電路結構如圖所示，它主要用于直流穩(wěn)壓電源和直流電機的再生制動。 升壓變換器電路原理 2.2.3升降壓型變換器 主要應用于要求相對輸入電壓的公共

7、端為負極性、輸出電壓可高于或低于輸入電壓的直流穩(wěn)壓電源 升降壓變換器電路原理2.2.4全橋直-直變換器上圖為全橋開關型變換器電路圖，主要應用于：(1)直-直(幅值極性)變換，用于直流電機的驅動。(2)直-交(正弦波形)變換，用于單相交流不間斷電源。(3)直-交(中高頻率)變換，用于變壓器隔離式直流開關電源等。全橋直一直換流器電路單極性電壓開關脈寬調制方式雙極性電壓開關脈寬調制方式思考：逆變；有源逆變；無源逆變。2.3 直流一交流變換電路負載電壓負載電壓負載電流負載電流電壓源逆變器 電流源逆變器 逆變器整流器逆變器整流器逆變器整流器逆變器整流器四象限工作情況反并聯(lián)二極管 逆變器輸出瞬時電壓和電流

8、曲線 無論逆變器輸出是方波還是正弦，在負載為感性或容性負載時，其輸出電壓滯后或超前電流。因此，在任意時刻（除阻性負載）其輸出功率的瞬時值有正有負。正的輸出功率表明逆變器輸出功率，即能量從逆變器輸入向負載傳輸；負的輸出功率表明逆變器工作于整流狀態(tài)，從負載向逆變器反饋能量。因此逆變器必須能夠工作在四個象限才能適應各種不同的負載情況。 在第一象限，逆變器輸出電壓和電流均為正，逆變器輸出能量；在第三象限，逆變器輸出電壓和電流均為負，逆變器輸出能量；即在1、4象限，逆變器工作在逆變狀態(tài)。在第二象限，逆變器輸出電壓為負，電流為正，逆變器從負載向逆變器反饋能量；在第三象限，逆變器輸出電壓為正，電流為負，逆變

9、器從負載向逆變器反饋能量。即在2、3象限，逆變器工作在整流狀態(tài)。 為了使逆變其能夠在四個象限工作，功率開關管反并聯(lián)一個二極管即可實現(xiàn)。逆變器波形指標 1）諧波因子（Harmonic Factor）第n次諧波因子HFn定義為第n次諧波分量有效值同基波分量有效之值比，即 2）總諧波（畸變）因子THD (Total harmonic distortion factor) 該參數(shù)表征了一個實際波形同基波分量的接近程度。輸出為理想正弦波的THD為零。3）畸變因子（Distortion factor）總諧波因子指示了總的諧波合量，但它并不能告訴我們每一個諧波分量的影響程度，畸變因子定義： 對于第次諧波的畸

10、變因子定義如下： 1VVHFnn1nnVHFV1222,311()nnTHDVV12222,311()nnVDFVn21nnVDFVn逆變器單相逆變三相逆變方波脈寬調制方波脈寬調制1、電路結構及原理(1)相半橋電壓型逆變電路相半橋電壓型逆變電路及其工作波形123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQDD1212VinCCZABiLQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin

11、/2(a)(b)(c)D2D1 (2)單相全橋逆變電路單相全橋逆變電路下圖所示，有四個功率管、四個反并聯(lián)二極管組成，其控制方式有雙極性控制、受限雙極性控制和移相控制三種。電壓型逆變電路舉例(全橋逆變電路)123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQ13Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)D3D1Q4Q2Q4Q3tt全橋電路受限雙極性控制方式工作波形123456A

12、BCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4全橋電路移相控制方式的工作過程123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbD

13、rawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQ13Q1VABiRtttTsTs/2VinQ4Q2tasVRL1模式1Q2Q3Q4Q1D2D3D4DoiovsVRL2模式1Q2Q3Q4Q1D2D3D4DoiovsVRL4模式1Q

14、2Q3Q4Q1D2D3D4DoiovsVRL3模式1Q2Q3Q4Q1D2D3D4Doiov( )a1模式02模式22模式332模式2322ovsisisisioi220si1模式2模式3模式4模式( )b三相電壓型橋式逆變電路2、PWM控制的基本原理 面積等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量：窄脈沖的面積。效果：環(huán)節(jié)的輸出響應波形。即：如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 PWM逆變電路的實質是依靠調節(jié)脈沖寬度改變輸出電壓，通過改變調制周期達到改變輸出頻率的目的。要改變等效輸出正弦

15、波的幅值時，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。實用的PWM逆變裝置由3部分組成：直流電源、中間濾波環(huán)節(jié)和逆變電路。 分類：(1)根據(jù)調制脈沖的極性，可分為單極性和雙極性調制兩種。(2)根據(jù)載頻信號和基準信號的頻率之間的關系，可分為同步調制和異步調制兩種。(3)根據(jù)基準信號的不同，可分為矩形波脈寬調制和正弦波脈寬調制等。 矩形波脈寬調制法：輸出脈沖列是等寬的，只能控制一定次數(shù)的諧波； 正弦波脈寬調制法：輸出脈沖列是不等寬的，寬度按正弦規(guī)律變化，故輸出電壓的波形接近正弦波。方案：SPWM 3、PWM逆變電路及其控制方法 (1)單相橋式單相橋式PWM逆變電路單極性.PWM控制方式波形雙極

16、性PWM控制方式波形單極性PWM波形諧波畸變低于雙極性(2)三相橋式PWM逆變電路 三相橋式PWM逆變電路三相橋式PWM逆變電路波形為了防止上、下2個臂直通而造成短路，在給一個臂施加關斷信號后，再延遲某一時間，才給另一個臂施加導通信號。延遲時間的長短取決于開關器件的關斷時間。但這個延遲時間對輸出的PWM波形將帶來一定影響，使其與正弦波產(chǎn)生偏離。3、異步調制和同步調制(1)異步調制：載波信號和調制信號不保持同步關系的調制方式 (2)同步調制：載波比等于常數(shù)，并在變頻時使載波信號和調制信號保持同步的調制方式 (3)分段同步調制：同步調制和異步調制結合起來，構成分段同步調制方式，即把逆變電路的輸出頻

17、率范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內都保持載波比為恒定，不同頻段的載波比不同。各頻段的載波比取3的整數(shù)倍且為奇數(shù)為宜。4、PWM控制技術 自然采樣法,規(guī)則采樣法,特定諧波消去法 4、PWM控制技術 (1)自然采樣法。按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交點時刻，控制功率開關器件的通斷，這種生成SPWM波形的方法，稱為自然采樣法。要準確生成SPWM波形，就應準確地計算出正弦波和三角波的交點。MIsinrttuutktAtB自然采樣法(2)規(guī)則采樣法包括對稱和不對稱規(guī)則采樣法 MIsintkk1k2kk00002dcV2dcV-11Sample pointttAsymmetric sa

18、mpling不對稱采樣Symmetric sampling對稱采樣對稱和不對稱規(guī)則采樣法對于對稱規(guī)則采樣法，以三角波負半周角平分線與正弦波交點作為采樣點，過此點作平行線，該平行線與三角波在內有兩個交點，此兩個交點即脈沖的開通時刻和關斷時刻。對于不對稱規(guī)則采樣法，把四等份，等份線與正弦波在內有五個交點，除去二等份線與正弦波交點，剩余兩個交點，此兩個交點作為采樣點，過這兩點作平行線與三角波在內有四個交點，取采樣點最近的兩個交點作為脈沖的開通時刻和關斷時刻。不對稱規(guī)則采樣法生成的梯形波與正弦波逼近程度較高，諧波分量的幅值較小。按沖量相等原理計算雙極性第k個PWM脈沖開通和關斷角11SPAA22SPA

19、A(3)特定諧波消去法。特定諧波消去法中，脈沖開關時間不是由三角波載波與正弦調制波的交點確定的，而是從消除某些特定諧波的目的出發(fā)，通過解方程組確定。特定諧波消去法的輸出PWM波形調制度基波幅值調制度基波幅值5、PWM逆變電路的諧波分析不同調制度時單相橋雙極性輸出電壓的頻譜圖不同調制度時三相橋雙極性輸出電壓的頻譜圖幅值基波諧波次數(shù)幅值基波諧波次數(shù)2.3.5、PWM跟蹤控制技術1、滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流2、三角波比較方式優(yōu)點： 開關頻率固定，等于載波頻率，便于高頻濾波器的設計 為改善輸出電壓波形，三角波載波常用三相三角波信號。 比滯環(huán)比較控制方式輸

20、出電流所含諧波少。3、定時比較方式特點：1. 不用滯環(huán)比較器，而是設置一個固定的時鐘，以固定采樣周期對指令信號和被控制變量進行采樣，并根據(jù)兩者偏差的極性來控制變流電路開關器件的通斷，使被控制量跟蹤指令信號。2. 電流控制誤差沒有一定的環(huán)寬，控制的精度要低一些。 2.4、交流-交流變換電路AC/AC變換器交流斬波器DC-Link逆變器On/off 控制觸發(fā)角控制電壓型電流型周波變換器諧振型2.4.1交流調壓電路電阻負載2.4.1.1單相調壓電路阻感負載電阻負載單相交流調壓電路基波和諧波電流含量 2.1.2、三相交流調壓電路(a)星形連接(b)線路控制三角形連接 (c)支路控制三角形連接(d)中點控制三角形連接2.4.2、交流調功電路控制方法是：在設定的周期內，使晶閘管開關接通幾個整周波，再斷開幾個整周波，通過改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調節(jié)負載上的交流平均電壓，達到調節(jié)負載功率的目的。其直接調節(jié)對象是電路的平均輸出功率。 過零觸發(fā)調功電路輸出波形調功電路通常用于熱慣性較大的電熱負載2.4.3、交交變頻電路交交變頻電路是不通過中間環(huán)節(jié)而把工頻交流電直接變換成不同頻率交流電的變頻電路.又稱為直接變頻器或周波變換器。這種變頻器可用于交流電機變