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文档简介

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 9.1 AC/DC-DC/AC变压、变频电源VVVF 9.2 AC/DC-DC/AC恒压、恒频不间断电源UPS 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,9.1 AC/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,,9.1 AC/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。,9.1 AC/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,9.2 AC/DC-DC/AC恒压恒频(CVCF),9.2.1 典型在线双变换式UPS 9.2.2 典型后备式UPS 9.2.3 在线互动式UPS,不间断电源 UPS(Uninterruptible Power Supply),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1520%); 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: 0D0.5 D=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,12=0故有,T1on期间C1放电,C2充电, T2on期间C2放电,C1充电。 若T1onT2on,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C1C4; 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KN1/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K2LfLr, 电容C1C2,C3C4 4.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,t1t3,保持vC2=0,直到t=t 3时刻关断T4。,(a) (b) (d),第1阶段, t0t1 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tdt01=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, t3t4 ,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vAB0,第3阶段 t3t4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: t4t6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t3t6期间,vC30,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=0 T2、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: t6t7期间,9.5.2 一个周期的开关过程(续6),第6阶段 t7t8 。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LLrK2Lf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 (931)(933)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

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