電力電子華中科技大學多級開關(guān)電路組合型交流直流電源PPT課件

1、直流-直流電壓變換四類基本四類基本型變換器型變換器直流-交流逆變交流-直流整流交流-交流電壓、頻率變換 實際應用中將實際應用中將2個甚至個甚至3個基本變換電路先后組合，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。構(gòu)成多級開關(guān)電路組合型變壓或變頻電源。例如圖例如圖9.1引言第1頁/共39頁9.1 AC/DC-DC/AC變壓、變頻電源 圖9.1(a)，)1 ()1 (6001SNSNfNppNfN1060000,05. 002. 0/ )(NNNNNS異步電動機：異步電動機：)(1.11.11.1EXI jRIV8181111044. 41044. 4cmmSWBfWfEV 變速

2、傳動要求變速傳動要求VVVF電源，且電源，且V1、f1能協(xié)調(diào)控制，如令能協(xié)調(diào)控制，如令V1 / f1 比值不變，使比值不變，使m 不變，不變，第2頁/共39頁9.1 AC/DC-DC/AC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，要求有不同的不同的控制策略，要求有不同的V/f 函數(shù)關(guān)系。函數(shù)關(guān)系。前級前級AC/DC常采用不控整流，當然也可以采用相控整常采用不控整流，當然也可以采用相控整流，或采用高頻整流。流，或采用高頻整流。第3頁/共39頁9.1 AC/DC-DC/AC變壓、變頻電源（續(xù)2） 交流異步電動機、交流同

3、步電動機、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機調(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串動機串級調(diào)速級調(diào)速cos23)(636302lDBVNNKEVVcos30KVNNl第4頁/共39頁9.2 AC/DC-DC/AC恒壓恒頻(CVCF)9.2.1 典型在線雙變換式UPS 9.2.2 典型后備式UPS9.2.3 在線互動式UPS 不間斷電源 UPS（Uninterruptible Power Supply）第5頁/共39頁9.2.1 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

4、電壓。適用于重要的交流負載正常時，市電經(jīng)整流、逆變向負載供電異常 負載供電第6頁/共39頁分類： 熱后備式 冷后備式 正常時，市電直接向負載供電異常時，蓄電池經(jīng)逆變器向負載供電供電質(zhì)量不如在線雙變換式UPS9.2.2 典型后備式UPS第7頁/共39頁9.2.3 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及基波補償電壓(VS1-VR)（容量1520%）;使電源僅輸出基波有功電流cos=1 、負載

5、僅含基波電壓且vL=vR。第8頁/共39頁9.3 晶閘管相控整流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 遠距離直流輸電優(yōu)點：相同的高壓和導線截面，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P小， V小線路投資低第9頁/共39頁9.3 晶閘管相控整流-有源逆變的直流輸電系統(tǒng)112212123 23 2coscos,33ABDCDABDDCDDDLLVVVVIPVIPVILCLCRR 第10頁/共39頁9.4 具有中間交流環(huán)節(jié)(DC/AC-AC/DC）的直流

6、電源9.4.1 半橋型DC/AC-AC/DC直流電源 9.4.2 全橋型DC/AC-AC/DC直流電源第11頁/共39頁9.4.1 半橋型半橋型DC/AC-AC/DC直流電源直流電源 前級DC/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)，負半周DTS期間T2通態(tài)。 DSonDOVDNNTTVNNV1212221圖9.6(a) (b) (c) (d) 占空比： 0D0.5 D=Ton / Ts 輸出電壓平均值：第12頁/共39頁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 導電時，iD3=iL線性上升，隨后期間i1=0，iL由D

7、3、D4分流。 在負半周T2 導電時，iD4=iL線性上升，隨后期間i1=0，iL由D3、D4分流。*D5C+NN1*o21=N2N22=N2V0PD4ILQiD4R12DV12DVC1C2T12TD12D1LABDiipDi3P(a)圖9.6(a) (d) (e) (f)第13頁/共39頁T1on T2on 時C1、C2充、放電時間不等，使VC1 VC2 ，111,ABABCvdvvNddtdtN正半波，增量負半波，增量mmTCTABonondtvNdtNv11011011mmdtvNdtNvononTCTAB22021011繞組N1的外加電壓:9.4.1 半橋型半橋型DC/AC-AC/DC

8、直流電源直流電源第14頁/共39頁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 01200210ononSTTCcTABdtvdtvdtvonConCTVTV221111,ABABvdvNdtdtN第15頁/共39頁T1on期間期間C1C1放電，放電，C2C2充電，充電， T2on期間期間C2C2放電，放電，C1C1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：第22

9、頁/共39頁 起始時刻t0以前，T1、T4、D5導通，電感Lr上的電流ip =If/K 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， 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) (d)KIIIf/010121022221101tCIdtiCVVtpDCODIVCt/22019.5.2 一個周期的開關(guān)過程（續(xù)1）第23頁/共39頁 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1階段， t0t1 從t0時T1關(guān)斷開始到t1時C2放電到零，vC2=0，此后ip經(jīng)D2續(xù)流。q 只要死

10、區(qū)時間tdt01=t1-t0（2C2VD/I0）就可在t2點零電壓開通T2。9.5.2 一個周期的開關(guān)過程（續(xù)2）第24頁/共39頁q 第3階段， t3t4 ,軟關(guān)斷T4 ， C4充電，C3放電，T2已開通，D2仍續(xù)流ip，等值電路為圖(c)。（a) (c) (d)q C3以ip/2放電， C4以ip/2充電，到t4時vC3=0，此后 D3導電，為T3零電壓開通創(chuàng)造條件。 由于D5、D6同時導通，因此變壓器一、二次側(cè)繞組電壓為零，相當于BD短路。5Di6Di9.5.2 一個周期的開關(guān)過程（續(xù)3）在此階段vABt34。 第27頁/共39頁9.5.2 一個周期的開關(guān)過程（續(xù)5）(a) (e) t6

11、時ip=0 T2、T3都是通態(tài)，從t6開始，電源VD經(jīng)T3、N1、T2 建立負半波電流，直到t=t7時達到負載對應的 D5、D6同時導電期間vO=0 。 ;, 0,/650fDDfpIiiKIIi第5階段: t6t7期間第28頁/共39頁9.5.2 一個周期的開關(guān)過程（續(xù)6） 第6階段 t7t8 。t=t7以后ip=0 ，T2、T3已處于負半周通態(tài)，經(jīng)D6向負載供電； 此后，在t=t8時撤除vG2，T2軟關(guān)斷，結(jié)束從t0-t8半個周波。從t0開始 T1軟關(guān)斷， T2零電壓開通， T4軟關(guān)斷，T3零電壓開通，T2軟關(guān)斷，完成半個周波工況。從t8-t16另半個周波的工況類似。圖9.8 (a) (d

12、) (e)第29頁/共39頁9.5.3 開關(guān)器件零電壓開通條件1.要超前橋臂T2（T1）零電壓開通必須在tfi 期間 )199(/2201ODdIVCttfiDOtVIC22fiODfiDOdtIVtVItt220110Ti 1CDvV20Cv問題：問題：為什么超前橋臂為什么超前橋臂T1、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？原因：原因：在在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很快導電，為很快導電，為T2的零電壓開通創(chuàng)造了條件。

13、的零電壓開通創(chuàng)造了條件。若按臨界關(guān)斷緩沖選C2 使能零電壓開通，則要求：第30頁/共39頁9.5.3 開關(guān)器件零電壓開通條件（續(xù)1）2.要滯后橋臂T3（T4）零電壓開通必須圖9.8 (a) (d) (e)249 (arcsin134OrDrdIZVtt 同時要求t=t4時，0)/()(2244rDopZVIIti)339(/23ODrrIVCLZ)329(/rDoZVI第31頁/共39頁問題：問題：為什么滯后橋臂為什么滯后橋臂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？原因：原因： 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

14、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)流導通的時間很長，死區(qū)時續(xù)流導通的時間很長，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的零電壓導通的零電壓導通 （931）（）（933）表明，輕載時很難實現(xiàn)零電壓開通，）表明，輕載時很難實現(xiàn)零電壓開通，但輕載時負載電流小，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

15、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，則應另外并聯(lián)電容。則應另外并聯(lián)電容。9.5.3 開關(guān)器件零電壓開通條件（續(xù)2）第32頁/共39頁9.5.4 變壓器副方繞組及二極管導電情況第33頁/共39頁圖9.8 (a) (d) (e)9.5.5 電壓（占空比）丟失情況第34頁/共39頁9.6 交流電源、直流負載時電力電子變換系統(tǒng)方案比較 第35頁/共39頁小 結(jié) 將基本的整流、逆變、DC/DC變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)的交流電源有兩類基本應用領(lǐng)域：一是VVVF變壓、變頻交流電源對交流電動機供電，實現(xiàn)交流電動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向控制。另一是CVCF恒壓、恒頻交流電源，用于對供電質(zhì)量要求較高的交流負載供電，現(xiàn)已得到廣泛應用的交流不間斷電源UPS就是一個典型的應用實例。第36頁/共39頁 有中間交流環(huán)節(jié)的直流電源，常用于對供電質(zhì)量要求較高的直流負載，例如通訊系統(tǒng)中48V直流基礎(chǔ)電源。圖9.8(a)移相全橋零電壓開關(guān)逆變不控整流直流電源，由于具有優(yōu)良的技術(shù)特性已成為DC/ACAC/DC二