东南大学 电力电子技术课件4

6.直流变换器直流变换器是将直流电变换为电压可变的直流电，又称斩波器。6.1斩波原理和控制方式Ui_+Uo_+tUiUoToffTon斩波器输出电压开关在一周内导通时间与导通周期之比称为占空比。斩波器输出电压具有丰富的谐波，提高开关工作频率，可以减小滤波装置。斩波器的控制方式有三种：定频调宽(PWM)、定宽调频、调频调宽。6.2直流变换器的基本电路降压式变换器tUiuUoi0Uo=Ui工作原理：S导通，D截止，L、C充电，i0上升；S关断，D导通，L、C放电，i0下降。Ui_+i0UoCDSL负载_+u_+升压式变换器iLUoutUiTonToff因为电压u的平均值等于Ui，所以UoToff=Ui(Ton+Toff)，即S导通，D截止，L充电，负载由C提供电能；Ui_+iLUoCDSL负载_+_+u_+_+S关断，D导通，u为uL和Ui之和，电感放电，电容充电。电容足够大，输出端电压Uo近似不变。升降压式变换器工作原理：S导通，D截止，L充电，负载由C提供电能；S关断，D导通，电感放电，电容充电，电容足够大，输出端电压Uo近似不变。uL-UotUiTonToff因为电压uL的平均值等于0，所以UoToff=UiTon，即Ui_+uLU0CDSL负载_+_+6.4输入与输出隔离的直流变换器隔离式直流变换器基本原理是先将直流变换为交流，经变压器隔离后再经整流得到直流电，也称为间接直流变换器。单端反激式u1-U1tUiTonToffVMuoUiTDCRLu1N1N2变压器：U1/N1=Uo/N2变压器一次侧电压u1平均值为0，所以UiTon=U1Toff，即是升/降压式直流变换器。单端：变压器铁心只有单一方向的磁通。反激：VM导通时，没有将能量直接传输到负载，而是由电感存储。单端正激式uoTD1CRLN2D2LVMUiN1u2输出电压Uo=TonU2/T=U2=Ui/n当VM关断时，变压器磁场能量没有泄放回路，会产生过压。解决方法：附加绕组法、RCD钳位法、有源钳位法。u2tUoTonToffVM导通时，D3截止，D1导通，变压器传输能量。VMuoUiTD1CRLN3N2D2N1D3L附加磁复位绕组电路VM截止时，D3导通，D1截止，变压器能量回送电源。VMUiT+i++ioUiTD3i+++半桥式直流变换电路VM1导通时，VM2截止，直流电源经VM1、N1和C2构成回路，C2充电；C1经VM1、N1放电。VM2导通时，VM1截止，C2经N1、VM2放电，直流电源经C1、N1、VM2构成回路，C1充电。ugs1tugs2tu2tUiD1uoD2D3D4C1C2TN1LN2N2CRLVM1VM2u2ugs1ugs2适合于低电压、大电流场合的同步整流：应用专用P-MOSFET作为整流二极管，采用反向控制的方式工作，可有极低的导通电阻(m级)。MOSFET的反向控制方式：uGS为正，uDS为负，管子导通。uoTD1CRLN2D2LVMuiN1栅极电压与整流电压同步。单端正激式电路uGS+uDS+GDS将D1、D2用P-MOSFET管替换，可构成高频、低功耗电路。uoTCRLN2LVMuiN1VM1VM2同步整流：VM导通，同时VM1导通，VM2关断；VM关断，同时VM1关断，VM2导通。uoCRLN2LVM1+iuoCRLN2LVM2+i7无源逆变和变频7.1概述逆变：直流变换成交流，分为有源逆变和无源逆变。变频：交－交变频，交－直－交变频。逆变电路基本结构_+E122'1'_+utuE0_+E361452ABC三相逆变电路结构负载交流电压波近似为矩形波，输出动态阻抗小。直流侧电压极性不能改变，无功电流由二极管提供通路，所以每个晶闸管反并联二极管。同一桥臂上晶闸管不能同时导通，电流保护要求高。逆变器的两种类型：电压源型和电流源型。电压源型，直流侧储能元件为电容；Ud_+D1ZD4T1T4D3D2T3T2Ctiu电流源型，直流侧储能元件为电感。Ud_+ZT1T4T3T2L电流型逆变器直流侧的电流方向不变，无需并联二极管，管子保护容易，但对管子耐压有较高要求，输出矩形波电流，谐波电流大。需要解决的问题：(1)电压或电流为方波；(2)一桥臂上的两个管子不能同时导通；(3)感性负载的滞后电流的通路；(4)晶闸管强迫关断。tiu7.2负载换流逆变器7.2.1晶闸管的换流方式换流是指电流从一个晶闸管转移到另一个晶闸管的过程。涉及到晶闸管的关断问题。晶闸管有三种换流方式：(1)电网换流，利用交流电源周期性反向电压关断晶闸管，如可控整流电路，交流调压电路；(2)负载换流，容性负载具有超前电流，当电流由正变负时，反向电流对晶闸管形成反压，便可关断晶闸管。tiut0iu+Z(3)强迫换流，利用储能元件，构成谐振电路，组成换流环节，换流时在晶闸管阳极加上反向脉冲电压，迫使管子关断。采用强迫换流的晶闸管斩波器C_+LRT2D1D2Ui_+idD3LdT1MUd_+换流电路包括T2、L、C、D1、D2。图中R为预充电电阻，在斩波器工作之前使C上充上正向电压uC=Ui。7.2.2RLC串联谐振逆变器Ui_+CD1RLD2D4D3T1T3T2T4BAC电路中，R、L为电感线圈，C为补偿电容，负载阻抗为容性。RLC构成串联谐振电路，参数满足。工作过程：T1、T2导通，负载串联谐振，负载两端电压为正并保持不变，电流产生衰减正弦振荡。负载电流反向时，T1、T2关断，D1、D2导通续流。T3、T4导通后谐振过程与此相同，只是电流反向。振荡周期为T0，触发周期Tg，应有Tg>T0/2。itT0Tg0itT0=Tg0itT0Tg0不考虑管子压降，负载电压为矩形波，基波电流超前电压波。uABUi_+CD1RLD2D4D3T1T3T2T4BACi7.3强迫换流电压型逆变器串联电感式逆变器Ui_+D1R1ZD4T1L3T4C1C4D3R2D2T3T2C3C2L2L1L4电路中C1～C4、L1～L4组成强迫换流电路，L1与L4紧耦合，电阻R1、R2用作消耗换流能量。二极管为电压型逆变器滞后电流通路。换流是在同一桥臂上两个管子之间进行。换流时负载电流近似不变。稳定导通Ui_+_+_+关断过程Ui_+_+_+_+_+换流阶段Ui_+D1R1ZD4T1L3T4C1C4D3R2D2T3T2C3C2L2L1L4Ui_+_+_+反馈阶段Ui_+_+_+电流反向Ui_+_+_+换流阶段7.5逆变器的谐波和调压电压型逆变器含有丰富的电压谐波，电流型逆变器含有丰富的电流谐波。减小谐波的措施有加入滤波器、应用PWM控制、提高开关频率、采用合适的电路结构等。输出交流电压的调节方式M逆变可控整流M逆变整流斩波逆变器多重化：多个逆变器输出电压幅值不变，相位不同，输出电压叠加。M逆变整流多重化MPWM整流交流电动机变频调速时，为电机磁场不变，要求输出频率和电压同步变化，应用PWM控制可方便地实现。7.6脉宽调制(PWM)逆变器PWM技术就是控制开关器件的导通和关断时间比，即调节脉冲宽度或周期来控制输出电压的一种技术。PWM常用于电压型逆变器，可消除或减小低次谐波，使滤波器体积减小，有利于小型化和降低成本。现常用正弦波PWM，谐波分量小，应用广。交流异步电动机调速的基本要求：谐波要小，频率与电压成正比变化。正弦脉宽调制(SPWM)原理PWM是用正弦波与三角波比较后得到等幅不等宽的脉冲序列。tu0tu0双极性调制波SPWM有单极性调制和双极性调制两种方式tu0单极性调制波单极性调制方式：正弦波称为调制波，幅值为USM，频率为fS；三角波称为载波，幅值为UTM，频率为fT。双极性调制方式幅值比(调制比)M=USM/UTM

频率比(载波比)N=fT/fS

逆变器输出频率与正弦调制波频率相同；载波幅度不变，改变调制波幅度，即可改变逆变器输出电压。PWM逆变器工作方式Ud_+D1ZD4T1T4D3D2T3T2C当正弦载波电压的瞬时值大于三角波电压值时，逆变器的开关元件导通，反之开关元件截止。采用单极性调制时，在正弦波的半个周期内只有一对开关器件(T1、T2或T3、T4)导通和关断；采用双极性调制时，两对开关器件(T1、T2和T3、T4)轮流导通。载波比N=fT/fS越大，逆变器输出电压越接近正弦波，谐波分量越小。但三角载波的频率受开关元件的开关频率限制。PWM逆变器的优点：既可分别调频、调压，也可同时调频调压，主电路结构简单；交－直－交型式变频电路的功率因数接近于1；电路响应速度快，具有优良的控制特性；输出电压和电流谐波分量小、频率高，便于滤波。8.软开关技术开关高频化的优点：可减小变换装置的体积和重量，降低成本；使谐波频率提高、分量减小，利于滤波。器件在开关时产生瞬时功率p=ui，有开关损耗。ui软开关波形ui硬开关波形开通关断开关器件在开通或关断过程中，使器件在电压或电流为零时切换，称为软开关技术。缓冲电路是一种最简单的软开关，但效率低。硬开关的缺点：开关损耗随频率的增加而增加，因而限制开关频率的提高；器件关断时，电流下降，会在电感上产生感应电压；器件开通时，结电容上储能在器件内耗散，使器件发热；负载换流时，由于二极管存在反向恢复期，容易造成直流电源短路。Ui_+CD1RLD2D4D3T1T3T2T4C8.2软开关种类零电流开关ZCS零电压开关ZVSuit1t2t3t4零电流开通：t1时开通，电流缓升；零电压开通：t2时开通，开通前电压降为0；零电压关断：t3时关断，电压缓升；零电流关断：t4时关断，关断前电流降为0。硬开关的通断控制简单，不需附加电路。软开关实现需附加LC电路，通断控制比较复杂。常用LC谐振电路实现软开关，也称为谐振开关。8.3软开关技术的实现应用LC谐振电路的电压或电流过零实现开关切换有三种类型：谐振型、零开关PWM和零转换PWM。(1)谐振型零电流谐振开关分为半波型和全波型，半波型谐振开关也称为准谐振开关，只有半个谐振周期起作用。CrSLrCrLrS全波型CrSLrCrSLr半波型零电压谐振开关半波型CrSLrCrLrS谐振型开关会产生较大电压峰值，造成开关器件耐压要求提高；谐振电流有效值增大，导致电路导通损耗增加；谐振周期随输入电压和输出负载变化而变化，电路只能采用调频控制，使电路设计困难。CrSLrCrSLr全波型(2)零开关PWM型这类电路引入辅助开关来控制谐振开始时刻，使谐振仅发生在开关状态改变的前后。电路可采用定频的PWM控制方式。零电流开关S1CrSLrLDS1CrSLr零电压开关LD(3)零转换PWM型这是将谐振电路与开关器件并联，避免主电流流过谐振电路，并可避免串联电感感应电势与电源电压叠加后加在开关器件上。可