第09章多级开关电路组合型交流、直流电源.ppt

第9章多级开关电路组合型交流 直流电源 9多级开关电路组合型交流 直流电源 引言9 1AC DC DC AC变压 变频电源VVVF9 2AC DC DC AC恒压 恒频不间断电源UPS9 3晶闸管相控整流 有源逆变的直流输电系统9 4具有中间交流环节的直流电源 9 5移相全桥零电压开关DC AC AC DC变换器9 6交流电源 直流负载时电力电子变换系统方案比较小结 直流 直流电压变换 四类基本型变换器 直流 交流逆变 交流 直流整流 交流 交流电压 频率变换 实际应用中将2个甚至3个基本变换电路先后组合 构成多级开关电路组合型变压或变频电源 例如图9 1 引言 9 1AC DC DC AC变压 变频电源 图9 1 a 异步电动机 变速传动要求VVVF电源 且V1 f1能协调控制 如令V1 f1比值不变 使 m不变 9 1AC DC DC AC变压 变频电源 续1 SR PI型速度调节器 不同的控制策略 要求有不同的V f函数关系 前级AC DC常采用不控整流 当然也可以采用相控整流 或采用高频整流 9 1AC DC DC AC变压 变频电源 续2 交流异步电动机 交流同步电动机 交流绕线转子异步电动机调速 图5 32交流绕线转子异步电动机串级调速 9 2AC DC DC AC恒压恒频 CVCF 9 2 1典型在线双变换式UPS9 2 2典型后备式UPS9 2 3在线互动式UPS 不间断电源UPS UninterruptiblePowerSupply 9 2 1典型在线双变换式UPS 由整流和逆变两级变换器构成可以将质量不好的交流市电 电压波动大 电压波形非正弦 频率稳定度不够等 转换成恒压 恒频正弦波交流电压 适用于重要的交流负载 正常时 市电经整流 逆变向负载供电 异常负载供电 分类 热后备式冷后备式 正常时 市电直接向负载供电 异常时 蓄电池经逆变器向负载供电 供电质量不如在线双变换式UPS 9 2 2典型后备式UPS 9 2 3在线互动式UPS 通常交流电源vS不是额定值 且有谐波电压 但希望is仅有基波分量且cos 1 负载非线性 有谐波电流 要求不停电 有额定正弦电压VR 令并联变流器II输出iLh iLQ及部分iLP 输出额定正弦电压VR 令串联变流器I输出vsh及基波补偿电压 VS1 VR 容量15 20 使电源仅输出基波有功电流cos 1 负载仅含基波电压且vL vR 9 3晶闸管相控整流 有源逆变的直流输电系统 末端有源逆变 首端相控整流 逆变角 远距离直流输电优点 相同的高压和导线截面 输出极限功率大 无电抗压降 无稳定性问题 传送相同的功率时 P小 V小线路投资低 9 3晶闸管相控整流 有源逆变的直流输电系统 9 4具有中间交流环节 DC AC AC DC 的直流电源 9 4 1半桥型DC AC AC DC直流电源9 4 2全桥型DC AC AC DC直流电源 9 4 1半桥型DC AC AC DC直流电源 前级DC AC半桥高频逆变 经高频变压后 再经二极管全波整流 正半周DTS期间T1通态 负半周DTS期间T2通态 图9 6 a b c d 占空比 0 D 0 5D Ton Ts 输出电压平均值 9 4 1半桥型DC AC AC DC直流电源 在正半周T1导电时 iD3 iL线性上升 随后期间i1 0 iL由D3 D4分流 在负半周T2导电时 iD4 iL线性上升 随后期间i1 0 iL由D3 D4分流 图9 6 a d e f T1on T2on时C1 C2充 放电时间不等 使VC1 VC2 9 4 1半桥型DC AC AC DC直流电源 9 4 1半桥型DC AC AC DC直流电源 稳态工作时 一个开关周期Ts中 1 2 0故有 T1on期间C1放电 C2充电 T2on期间C2放电 C1充电 若T1on T2on 则C1放电时间短 充电时间长 最初VC1 VC2 经过几个周期将使VC1高于VC2 直到VC1T1on VC2T2on达到平衡 VC1 VC2平均值固定不变 物理上 一个开关周期Ts中 N1上外加电压直流分量等于0 正负面积相等 直流电流为0 无直流磁化电流 9 4 1半桥型DC AC AC DC直流电源 指vAB在一个周期中无直流电压 不会在N1中产生直流电流偏磁 无直流磁化 9 4 2全桥型DC AC AC DC直流电源 图 b 正半周Ton期间 T1 T4同时导通 D5 D8导通负半周Ton期间 T2 T3同时导通 D6 D7导通直流输出 9 4 2全桥型DC AC AC DC直流电源 若T1on T2on则VAB中有直流分量 变压器直流偏磁 加隔直电容C使VAB中的直流分量落在C上 f 0 XC 则N1上只有交流电压分量 变压器无直流磁化 9 5移相全桥零电压开关DC AC AC DC变换器 9 5 1电路特点9 5 2一个周期的开关过程9 5 3开关器件零电压开通条件9 5 4变压器二次绕组及二极管导电情况9 5 5电压 占空比 丢失情况 9 5 1电路特点 与硬开关全桥变换器的共同点 单相全桥单脉波PWM逆变 高频变压器变压隔离 半波不控整流 LC滤波输出 T1 T2 T3 T4脉宽 相同 与硬开关全桥变换器的区别 增设了谐振电感Lr和四个并联电容C1 C4 在控制时序上T1与T2 T3与T4互补驱动 有死区td T1比T4驱动超前t T2比T3驱动超前t T1 T2称为超前桥臂 T3 T4称为滞后桥臂 9 5 1电路特点 续 死区角d td 移相角 t 脉宽 d d 0 0 方波d 0 0则 可见移相角 决定输出电压的大小 移相角越大 输出电压越小 9 5 2一个周期的开关过程 1 所有二极管 开关管通态等效电阻为零 断态等效电阻无穷大2 变压器为理想变压器 变比为K N1 N2 忽略励磁电流3 直流滤波电感折算到一次侧的等效电感为K2Lf Lr 电容C1 C2 C3 C44 直流滤波电感极大 因而电感电流If波动不大 近似直流 为了简化分析 假定 起始时刻t0以前 T1 T4 D5导通 电感Lr上的电流ip If K从t0时刻起关断T1 ip从T1转到C1 C2 C1以ip 2充电到VD C2以ip 2放电到0 ip衰减很少 可求得该阶段持续时间t01 a b d 9 5 2一个周期的开关过程 续1 第2阶段 t1 t3 保持vC2 0 直到t t3时刻关断T4 a b d 第1阶段 t0 t1从t0时T1关断开始到t1时C2放电到零 vC2 0 此后ip经D2续流 只要死区时间td t01 t1 t0 2C2VD I0 就可在t2点零电压开通T2 9 5 2一个周期的开关过程 续2 第3阶段 t3 t4 软关断T4 C4充电 C3放电 T2已开通 D2仍续流ip 等值电路为图 c a c d C3以ip 2放电 C4以ip 2充电 到t4时vC3 0 此后D3导电 为T3零电压开通创造条件 由于D5 D6同时导通 因此变压器一 二次侧绕组电压为零 相当于BD短路 9 5 2一个周期的开关过程 续3 在此阶段vAB 0 第3阶段t3 t4期间 C3放电到零 到t4时vC3 0 D3导电 可求得 c 9 5 2一个周期的开关过程 续3 9 5 2一个周期的开关过程 续4 第4阶段 t4 t6期间 c e t t4时C3放电到零 这时要 必须 此后经D3 VD D2续流 ip在t6时下降为零 在t3 t6期间 vC3 0 T3可实现零电压开通 条件是 td t34 9 5 2一个周期的开关过程 续5 a e t6时ip 0T2 T3都是通态 从t6开始 电源VD经T3 N1 T2建立负半波电流 直到t t7时达到负载对应的 D5 D6同时导电期间vO 0 第5阶段 t6 t7期间 9 5 2一个周期的开关过程 续6 第6阶段t7 t8 t t7以后ip 0 T2 T3已处于负半周通态 经D6向负载供电 此后 在t t8时撤除vG2 T2软关断 结束从t0 t8半个周波 从t0开始T1软关断 T2零电压开通 T4软关断 T3零电压开通 T2软关断 完成半个周波工况 从t8 t16另半个周波的工况类似 图9 8 a d e 9 5 3开关器件零电压开通条件 1 要超前桥臂T2 T1 零电压开通必须 在tfi期间 问题 为什么超前桥臂T1 T2实现零电压开关比较容易 原因 在C1充电 C2放电过程中 ip较大且恒定不变 等效电感L Lr K2Lf很大 因此C2迅速放电到零 时间很短 D2很快导电 为T2的零电压开通创造了条件 若按临界关断缓冲选C2 使能零电压开通 则要求 9 5 3开关器件零电压开通条件 续1 2 要滞后桥臂T3 T4 零电压开通必须 图9 8 a d e 同时要求t t4时 问题 为什么滞后桥臂T3 T4实现零电压开关比较困难 原因 在滞后桥臂T3开通前的t34期间 电流ip减小很快 在此期间变压器短路 因此仅有谐振电感Lr提供能量 因此电容C3放电到零 D3续流导通的时间很长 死区时间td必须大于该时间才能实现T3的零电压导通 9 31 9 33 表明 轻载时很难实现零电压开通 但轻载时负载电流小 开关损耗不大 设计时可折中考虑 如果实现零电压开通所需的Lr超过变压器漏感 则要外加串联电感 如果开关器件的寄生电容不足以实现软关断要求 则应另外并联电容 9 5 3开关器件零电压开通条件 续2 9 5 4变压器副方绕组及二极管导电情况 图9 8 a d e 9 5 5电压 占空比 丢失情况 9 6交流电源 直流负载时电力电子变换系统方案比较 小结 将基本的整流 逆变 DC DC变压电路按一定的顺序串联 可以构成二级或三级组合型电力变换电源 例如含有直流中间环节的交流 直流 交流两级变换交流电源 又如含有交流中间环节的直流 交流 直流二级变换直流电源 有中间直流环节的交流电源有两类基本应用领域 一是VVVF变压 变频交流电源对交流电动机供电 实现交流电动机的转速 转矩 转向控制 另一是CVCF恒压 恒频交流电源 用于对供电质量要求较高的交流负载供电 现已得到广泛应用的交流不间断电源UPS就是一个典型的应用实例 有中间交流环节的直流电源 常用于对供电质量要求较高的直流负载 例如通讯系统中48V直流基础