第9章多級開關(guān)電路組合型交流直流電源ppt課件

1、電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）第第 9 9 章章多級開關(guān)電路組合型交流、多級開關(guān)電路組合型交流、直流電源直流電源9 9 多級開關(guān)電路組合型交流、直流電源多級開關(guān)電路組合型交流、直流電源引言引言9.1 AC/DC-DC/AC9.1 AC/DC-DC/AC變壓、變頻電源變壓、變頻電源VVVF VVVF 9.2 AC/DC-DC/AC9.2 AC/DC-DC/AC恒壓、恒頻不間斷電源恒壓、恒頻不間斷電源UPSUPS9.3 9.3 晶閘管相控整流晶閘管相控整流- -有源逆變的直流輸電系統(tǒng)有源逆變的直流輸電系統(tǒng)9.4 9.4 具有中間交流環(huán)節(jié)的直流電源具有中間交流環(huán)節(jié)的直流電源* *9.5

2、9.5 移相全橋零電壓開關(guān)移相全橋零電壓開關(guān)DC/AC-AC/DCDC/AC-AC/DC變換器變換器9.6 9.6 交流電源、直流負(fù)載時電力電子變換系統(tǒng)方案比較交流電源、直流負(fù)載時電力電子變換系統(tǒng)方案比較小結(jié)小結(jié)直流直流-直流電壓變換直流電壓變換四類基本四類基本型變換器型變換器直流直流-交流逆變交流逆變交流交流-直流整流直流整流交流交流-交流電壓、頻率變換交流電壓、頻率變換 實際應(yīng)用中將2個甚至3個基本變換電路先后組合，構(gòu)成多級開關(guān)電路組合型變壓或變頻電源。例如圖9.1引言引言9.1 AC/DC-DC/AC變壓、變頻電源變壓、變頻電源 圖圖9.1(a)，)1 ()1 (6001SNSNfNpp

3、NfN1060000,05. 002. 0/ )(NNNNNS異步電動機(jī)：異步電動機(jī)：)(1.11.11.1EXI jRIV8181111044. 41044. 4cmmSWBfWfEV 變速傳動要求VVVF電源，且V1、f1能協(xié)調(diào)控制，如令V1 / f1 比值不變，使m 不變，9.1 AC/DC-DC/AC變壓、變頻電源續(xù)變壓、變頻電源續(xù)1）SR-PI型速度調(diào)節(jié)器型速度調(diào)節(jié)器NNSNdtNNKNNKN002*1)*()(* 不同的控制策略，要求有不同的V/f 函數(shù)關(guān)系。前級AC/DC常采用不控整流，當(dāng)然也可以采用相控整流，或采用高頻整流。9.1 AC/DC-DC/AC變壓、變頻電源續(xù)變壓、變

4、頻電源續(xù)2） 交流異步電動機(jī)、交流同步電動機(jī)、交流異步電動機(jī)、交流同步電動機(jī)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)調(diào)速交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)調(diào)速圖圖5.32 交流繞交流繞線轉(zhuǎn)子線轉(zhuǎn)子異步電異步電動機(jī)串動機(jī)串級調(diào)速級調(diào)速cos23)(636302lDBVNNKEVVcos30KVNNl9.2 AC/DC-DC/AC恒壓恒頻恒壓恒頻(CVCF)9.2.1 9.2.1 典型在線雙變換式典型在線雙變換式UPS UPS 9.2.2 9.2.2 典型后備式典型后備式UPSUPS9.2.3 9.2.3 在線互動式在線互動式UPSUPS 不間斷電源不間斷電源 UPSUninterruptible Power Supply）

5、9.2.1 典型在線雙變換式典型在線雙變換式UPS 由 整流 和 逆變 兩級變換器構(gòu)成 可以將質(zhì)量不好的交流市電電壓波動大，電壓波形非正弦，頻率穩(wěn)定度不夠等轉(zhuǎn)換成恒壓、恒頻正弦波交流電壓。適用于重要的交流負(fù)載正常時，市電經(jīng)整流、逆變向負(fù)載供電異常 負(fù)載供電分類： 熱后備式 冷后備式 正常時，市電直接向負(fù)載供電異常時，蓄電池經(jīng)逆變器向負(fù)載供電供電質(zhì)量不如在線雙變換式UPS9.2.2 典型后備式典型后備式UPS9.2.3 在線互動式在線互動式UPS 通常交流電源vS不是額定值，且有諧波電壓，但希望is僅有基波分量且cos=1；負(fù)載非線性，有諧波電流，要求不停電，有額定正弦電壓VR。令并聯(lián)變流器II

6、輸出iLh+iLQ及部分iLP，輸出額定正弦電壓VR;令串聯(lián)變流器I輸出vsh及基波補(bǔ)償電壓(VS1-VR)（容量1520%）;使電源僅輸出基波有功電流cos=1 、負(fù)載僅含基波電壓且vL=vR。9.3 晶閘管相控整流晶閘管相控整流有源逆變的直流輸電系統(tǒng)有源逆變的直流輸電系統(tǒng) DCABILVV1113cos23DCDCDCILVILVV2222223cos233cos2322180a末端有源逆變首端相控整流逆變角 遠(yuǎn)距離直流輸電優(yōu)點：相同的高壓和導(dǎo)線截面，輸出極限遠(yuǎn)距離直流輸電優(yōu)點：相同的高壓和導(dǎo)線截面，輸出極限功率大無電抗壓降，無穩(wěn)定性問題），傳送相同的功率時功率大無電抗壓降，無穩(wěn)定性問題）

7、，傳送相同的功率時P小，小， V小線路投資低小線路投資低9.3 晶閘管相控整流晶閘管相控整流-有源逆變的直流輸電系統(tǒng)有源逆變的直流輸電系統(tǒng)112212123 23 2coscos,33ABDCDABDDCDDDLLVVVVIPVIPVILCLCRR 9.4 具有中間交流環(huán)節(jié)具有中間交流環(huán)節(jié)(DC/AC-AC/DC的直流電源的直流電源9.4.1 9.4.1 半橋型半橋型DC/AC-AC/DCDC/AC-AC/DC直流電源直流電源 9.4.2 9.4.2 全橋型全橋型DC/AC-AC/DCDC/AC-AC/DC直流電源直流電源9.4.1 半橋型半橋型DC/AC-AC/DC直流電源直流電源 前級DC

8、/AC半橋高頻逆變，經(jīng)高頻變壓后，再經(jīng)二極管全波整流。 正半周DTS期間T1通態(tài)，負(fù)半周DTS期間T2通態(tài)。 DSonDOVDNNTTVNNV1212221圖9.6(a) (b) (c) (d) 占空比：占空比： 0D0.5 D=Ton / Ts 輸出電壓平均值：輸出電壓平均值：9.4.1 半橋型半橋型DC/AC-AC/DC直流電源直流電源 在正半周T1 導(dǎo)電時，iD3=iL線性上升，隨后期間i1=0，iL由D3、D4分流。 在負(fù)半周T2 導(dǎo)電時，iD4=iL線性上升，隨后期間i1=0，iL由D3、D4分流。*D5C+NN1*o21=N2N22=N2V0PD4ILQiD4R12DV12DVC1

9、C2T12TD12D1LABDiipDi3P(a)圖9.6(a) (d) (e) (f)T1on T2on 時C1、C2充、放電時間不等，使VC1 VC2 ，111,ABABCvdvvNddtdtN正半波，增量負(fù)半波，增量mmTCTABonondtvNdtNv11011011mmdtvNdtNvononTCTAB22021011繞組N1的外加電壓:9.4.1 半橋型半橋型DC/AC-AC/DC直流電源直流電源9.4.1 半橋型半橋型DC/AC-AC/DC直流電源直流電源穩(wěn)態(tài)工作時，一個開關(guān)周期穩(wěn)態(tài)工作時，一個開關(guān)周期Ts中，中，12=0故有故有 01200210ononSTTCcTABdtvd

10、tvdtvonConCTVTV221111,ABABvdvNdtdtNT1on期間期間C1放電，放電，C2充電，充電， T2on期間期間C2放電，放電，C1充電。充電。若若T1onLr, 電容電容C1C2，C3C44.直流濾波電感極大，因而電感電流直流濾波電感極大，因而電感電流If波動不大，近似直流波動不大，近似直流為了簡化分析，假定：為了簡化分析，假定：q 起始時刻t0以前，T1、T4、D5導(dǎo)通，電感Lr上的電流ip =If/Kq 從t0時刻起關(guān)斷T1，ip從T1轉(zhuǎn)到C1、C2，C1以ip/2充電到VD，q C2以ip/2放電到0 ， ip衰減很少，可求得該階段持續(xù)時間t01:（a) (b)

11、 (d)KIIIf/010121022221101tCIdtiCVVtpDCODIVCt/22019.5.2 一個周期的開關(guān)過程續(xù)一個周期的開關(guān)過程續(xù)1）q 第2階段，t1t3,保持vC2=0，直到t=t 3時刻關(guān)斷T4。（a) (b) (d)q 第第1階段，階段， t0t1 從從t0時時T1關(guān)斷開始到關(guān)斷開始到t1時時C2放電到零，放電到零，vC2=0，此后，此后ip經(jīng)經(jīng)D2續(xù)流。續(xù)流。q 只要死區(qū)時間只要死區(qū)時間tdt01=t1-t0（2C2VD/I0就可在就可在t2點零電壓開點零電壓開通通T2。9.5.2 一個周期的開關(guān)過程續(xù)一個周期的開關(guān)過程續(xù)2）q 第第3階段，階段， t3t4 ,軟

12、關(guān)斷軟關(guān)斷T4 ， C4充電，充電，C3放電，放電，T2已開通，已開通，D2仍續(xù)流仍續(xù)流ip，等值電路為圖等值電路為圖(c)。（a) (c) (d)q C3以以ip/2放電，放電， C4以以ip/2充電，到充電，到t4時時vC3=0，以后，以后 D3導(dǎo)電，為導(dǎo)電，為T3零電壓開零電壓開通創(chuàng)造條件。通創(chuàng)造條件。 由于由于D5、D6同時導(dǎo)通，因此變壓器一、二次同時導(dǎo)通，因此變壓器一、二次側(cè)繞組電壓為零，相當(dāng)于側(cè)繞組電壓為零，相當(dāng)于BD短路。短路。5Di6Di9.5.2 一個周期的開關(guān)過程續(xù)一個周期的開關(guān)過程續(xù)3）在此階段在此階段vABt34。 9.5.2 一個周期的開關(guān)過程續(xù)一個周期的開關(guān)過程續(xù)5

13、）(a) (e) t6時時ip=0 T2、T3都是通態(tài)，從都是通態(tài)，從t6開始，電源開始，電源VD經(jīng)經(jīng)T3、N1、T2 建立負(fù)半波電流，直到建立負(fù)半波電流，直到t=t7時達(dá)到負(fù)載對應(yīng)的時達(dá)到負(fù)載對應(yīng)的 D5、D6同時導(dǎo)電期間同時導(dǎo)電期間vO=0 。 ;, 0,/650fDDfpIiiKIIi第第5階段階段: t6t7期間期間9.5.2 一個周期的開關(guān)過程續(xù)一個周期的開關(guān)過程續(xù)6） 第第6階段階段 t7t8 。t=t7以后以后ip=0 ，T2、T3已處于負(fù)半周通態(tài)，經(jīng)已處于負(fù)半周通態(tài)，經(jīng)D6向負(fù)載供電；向負(fù)載供電； 以后，在以后，在t=t8時撤除時撤除vG2，T2軟關(guān)斷，結(jié)束從軟關(guān)斷，結(jié)束從t0

14、-t8半個周波。從半個周波。從t0開始開始 T1軟關(guān)軟關(guān)斷，斷， T2零電壓開通，零電壓開通， T4軟關(guān)斷，軟關(guān)斷，T3零電壓開通，零電壓開通，T2軟關(guān)斷，完成半個周波工軟關(guān)斷，完成半個周波工況。從況。從t8-t16另半個周波的工況類似。另半個周波的工況類似。圖9.8 (a) (d) (e)9.5.3 開關(guān)器件零電壓開通條件開關(guān)器件零電壓開通條件1.要超前橋臂要超前橋臂T2T1零電壓開通必須零電壓開通必須在在tfi 期間期間 )199(/2201ODdIVCttfiDOtVIC22fiODfiDOdtIVtVItt220110Ti 1CDvV20Cv問題：為什么超前橋臂問題：為什么超前橋臂T1

15、、T2實現(xiàn)零電壓開關(guān)比較容易？實現(xiàn)零電壓開關(guān)比較容易？緣由：在緣由：在C1充電、充電、C2放電過程中，放電過程中，ip較大且恒定不變等較大且恒定不變等效電感效電感LLrK2Lf很大），因此很大），因此C2迅速放電到零，時間迅速放電到零，時間很短，很短，D2很快導(dǎo)電，為很快導(dǎo)電，為T2的零電壓開通創(chuàng)造了條件。的零電壓開通創(chuàng)造了條件。若按臨界關(guān)斷緩沖選若按臨界關(guān)斷緩沖選C2 使能零電壓開通，則要求：使能零電壓開通，則要求：9.5.3 開關(guān)器件零電壓開通條件續(xù)開關(guān)器件零電壓開通條件續(xù)1）2.要滯后橋臂T3T4零電壓開通必須圖9.8 (a) (d) (e)249 (arcsin134OrDrdIZVt

16、t 同時要求t=t4時，0)/()(2244rDopZVIIti)339(/23ODrrIVCLZ)329(/rDoZVI問題：為什么滯后橋臂問題：為什么滯后橋臂T3、T4實現(xiàn)零電壓開關(guān)比較困難？實現(xiàn)零電壓開關(guān)比較困難？緣由：緣由： 在滯后橋臂在滯后橋臂T3開通前的開通前的t34期間，電流期間，電流ip減小很快在此減小很快在此期間變壓器短路，因此僅有諧振電感期間變壓器短路，因此僅有諧振電感Lr提供能量提供能量), 因此電容因此電容C3放電到零、放電到零、D3續(xù)流導(dǎo)通的時間很長，死區(qū)時續(xù)流導(dǎo)通的時間很長，死區(qū)時間間td必須大于該時間才能實現(xiàn)必須大于該時間才能實現(xiàn)T3的零電壓導(dǎo)通的零電壓導(dǎo)通 （9

17、31）（）（933闡明，輕載時很難實現(xiàn)零電壓開通，闡明，輕載時很難實現(xiàn)零電壓開通，但輕載時負(fù)載電流小，開關(guān)損耗不大，設(shè)計時可折中考慮。但輕載時負(fù)載電流小，開關(guān)損耗不大，設(shè)計時可折中考慮。 如果實現(xiàn)零電壓開通所需的如果實現(xiàn)零電壓開通所需的Lr超過變壓器漏感，則要外加超過變壓器漏感，則要外加串聯(lián)電感。如果開關(guān)器件的寄生電容不足以實現(xiàn)軟關(guān)斷要求，串聯(lián)電感。如果開關(guān)器件的寄生電容不足以實現(xiàn)軟關(guān)斷要求，則應(yīng)另外并聯(lián)電容。則應(yīng)另外并聯(lián)電容。9.5.3 開關(guān)器件零電壓開通條件續(xù)開關(guān)器件零電壓開通條件續(xù)2）9.5.4 變壓器副方繞組及二極管導(dǎo)電情況變壓器副方繞組及二極管導(dǎo)電情況圖9.8 (a) (d) (e)

18、9.5.5 電壓占空比丟失情況電壓占空比丟失情況9.6 交流電源、直流負(fù)載時電力電子變換系統(tǒng)方案比較交流電源、直流負(fù)載時電力電子變換系統(tǒng)方案比較 小小 結(jié)結(jié) 將基本的整流、逆變、將基本的整流、逆變、DC/DC變變壓電路按一定的順序串聯(lián)，可以構(gòu)成壓電路按一定的順序串聯(lián)，可以構(gòu)成二級或三級組合型電力變換電源。例二級或三級組合型電力變換電源。例如含有直流中間環(huán)節(jié)的交流直流如含有直流中間環(huán)節(jié)的交流直流交流兩級變換交流電源，又如含有交交流兩級變換交流電源，又如含有交流中間環(huán)節(jié)的直流交流直流二級流中間環(huán)節(jié)的直流交流直流二級變換直流電源。有中間直流環(huán)節(jié)的交變換直流電源。有中間直流環(huán)節(jié)的交流電源有兩類基本應(yīng)用領(lǐng)域：一是流電源有兩類基本應(yīng)用領(lǐng)域：一是VVVF變壓、變頻交流電源對交流電變壓、變頻交流電源對交流電動機(jī)供電，實現(xiàn)交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、動機(jī)供電，實現(xiàn)交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向控制。另一是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向控