PE9-多级开关电路组合型-交流直流电源

1、 多级开关电路组合型交流、直流电源1电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）9 9 多级开关电路组合型交流、直流电源多级开关电路组合型交流、直流电源 9.4 具有中间交流环节的直流电源电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）直流直流-直流电压变换直流电压变换引言四类基本型变换器直流直流-交流逆变交流逆变交流交流-直流整流直流整流交流交流-交流电压、频率变换交流电压、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电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）9.1 AC/DC-DC/AC变压、变频电源变压、变频电源 图图9.1(a)，)

2、1 ()1 (6001SNSNfNppNfN1060000,05. 002. 0/ )(NNNNNS异步电动机：)(1.11.11.1EXI jRIV8181111044. 41044. 4cmmSWBfWfEV 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，电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）9.1 AC/DC-DC/AC变压、变频电源（续变压、变频电源（续1）图9.2 异步电动机变压、变频电源供电控制系统框图SR-PI型速度调节器NNSNdtNNKNNKN002*1)*()(* 不同的控制策略，要求有不同的V/f 函数关系。前级AC/DC

3、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。电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版） 交流异步电动机、交流同步电动机、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交流绕线转子异步电动机调速9.1 AC/DC-DC/AC变压、变频电源（续变压、变频电源（续2）图5.32 交流绕线转子异步电动机串级调速cos23)(636302lDBVNNKEVVcos30KVNNl电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）9.2 AC/DC-DC/AC恒压恒频恒压恒频(CVCF) 不间断电源 UPS（Uninterruptible Power Supply）电力电子学电力电子变换和控

4、制技术（第二版）9.2.1 典型在线双变换式UPS图9.3 典型UPS结构图 由由 整流整流 和和 逆变逆变 两级变换器构成两级变换器构成 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、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。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时，蓄电池经逆变器向负载供电电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）9.2.2 典型后备式UPS后备式UPS结构图分类： 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

5、负载供电供电质量不如在线双变换式UPS电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）图9.4 双变流器串、并联补偿式UPS图9.4 双变流器串、并联补偿式UPS9.2.3 在线互动式UPS 通常交流电源通常交流电源vS不是额定值，且有谐波电压，但希望不是额定值，且有谐波电压，但希望is仅有基波分量且仅有基波分量且cos=1；负载非线性，有谐波电流，要求不停电，有额定正弦电压；负载非线性，有谐波电流，要求不停电，有额定正弦电压VR。令并联变流器令并联变流器II输出输出iLh+iLQ及部分及部分iLP，输出额定正弦电压，输出额定正弦电压VR;令串联变流器令串联变流器I输出输出vsh及基波补偿电压及基波

6、补偿电压(VS1-VR)（容量（容量1520%）;使电源仅输出基波有功电流使电源仅输出基波有功电流cos=1 、负载仅含基波电压且、负载仅含基波电压且vL=vR。电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）9.3 晶闸管相控整流晶闸管相控整流有源逆变的直流输电有源逆变的直流输电系统系统 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（无电抗压降，无稳定性问题），传送相同的功率时P小，小， V小小线路投资低。线路投资低。 DCABILVV1113cos23DCDCDCILVILVV222

7、2223cos233cos2322180a末端有源逆变首端相控整流逆变角 图图9.5(a) (b) 电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版） 调控调控1或或2，即可改变，即可改变ID，控制传输功率，控制传输功率PL=VDID，晶闸管额定电压、电，晶闸管额定电压、电流大，便宜。流大，便宜。 末端有交流电源故可用有源逆变。末端有交流电源故可用有源逆变。 DC/DC输电输电500KV，采用，采用12脉波双三相桥串联输出脉波双三相桥串联输出500KV时，每个桥时，每个桥臂用臂用90个个SCR串联，则每个串联，则每个SCR平均承受约平均承受约2.8KV，若，若ID=3000A，则，则500KV线路可输

8、送线路可输送300万万KW的功率。的功率。采用采用3KA/7.2KV 电控电控SCR，电压安全系数为，电压安全系数为7.2/2.82.5，3KA的的SCR的的IR=1.573=4.7KA，电流安全系数为，电流安全系数为9.3 晶闸管相控整流晶闸管相控整流-有源逆变的直流输电有源逆变的直流输电系统系统112212123 23 2coscos,33ABDCDABDDCDDDLLVVVVIPVIPVILCLCRR 90个SCR串联250KV500KV500KVA.CA.CYY4.73/ 3 4.7/1.73 2.7电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）9.4 具有中间交流环节具有中间交流环节（D

9、C/AC-AC/DC）的直流电源）的直流电源 电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）9.4.1 半桥型DC/AC-AC/DC直流电源 前级前级DC/AC半桥高频逆变，经高半桥高频逆变，经高频变压后，再经二极管全波整流。频变压后，再经二极管全波整流。 正半周正半周DTS期间期间T1通态，负半周通态，负半周DTS期间期间T2通态。通态。 输出电压平均值：输出电压平均值：DSonDOVDNNTTVNNV1212221图9.6(a) (b) (c) (d) 占空比：占空比： 0D0.5 D=Ton / Ts 电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）9.4.1 半桥型DC/AC-AC/DC直流电源

10、 在正半周在正半周T1 导电时，导电时，iD3=iL线性上升，随后期间线性上升，随后期间i1=0，iL由由D3、D4分流。分流。 在负半周在负半周T2 导电时，导电时，iD4=iL线性上升，随后期间线性上升，随后期间i1=0，iL由由D3、D4分流。分流。图9.6(a) (d) (e) (f)电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）9.4.1 半桥型DC/AC-AC/DC直流电源111,ABABCvdvvNddtdtN正半波，增量负半波，增量mmTCTABonondtvNdtNv11011011mmdtvNdtNvononTCTAB22021011绕组N1的外加电压:T1on T2on 时时

11、C1、C2充、放电时间不等，使充、放电时间不等，使VC1 VC2 ，图图9.6(a) (g)电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）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 01200210ononSTTCcTABdtvdtvdtvonConCTVTV2211图9.6(a) (g)11,ABABvdvNdtdtN电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版） T1on期间C1放电，C2充电， T2on期间C2放电，C1充电。若T1onLr, 电容C1C2，C3C44.直流滤波电感极大，因而电感电流If波动不大，近似直流电力电子学电力电子变换和控

12、制技术（第二版）q 起始时刻起始时刻t0以前，以前，T1、T4、D5导通，电感导通，电感Lr上的电流上的电流ip =If/Kq 从从t 0时刻起关断时刻起关断T1，ip从从T1转到转到C1、C2，C1以以ip/2充电到充电到VD， C2以以ip/2放电到放电到0 ， ip衰减很少，可求得该阶段持续时间衰减很少，可求得该阶段持续时间t01:9.5.2 一个周期的开关过程图9.8（a) (b) (d)KIIIf/010121022221101tCIdtiCVVtpDCODIVCt/2201电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）9.5.2 一个周期的开关过程图9.8（a) (b) (d)q 第第

13、1阶段阶段，从，从t0时时T1关断开始到关断开始到t1时时C2放电到零，放电到零，vC2=0，此后，此后ip经经D2续流。续流。q 第第2阶段阶段，13tt保持保持vC2=0，直到，直到t=t 3时刻关断时刻关断T4。q 只要死区时间只要死区时间tdt01=t1-t0（2C2VD/I0） 就可在就可在t2点零电压开点零电压开T2。电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版） ，软关断，软关断T4 ， C4充电，充电，C3放电，放电，T2已开通，已开通，D2仍续流仍续流ip，等，等值电路为图值电路为图9.8(c)。9.5.2 一个周期的开关过程图9.8（a) (c) (d)q C3以以ip/2放电

14、，放电， C4以以ip/2充电，到充电，到t4时时vC3=0，此后，此后 D3导电导电，为为T3零电压开通创零电压开通创造条件。造条件。 在此阶段在此阶段vABt34。 电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版） 第第5阶段阶段9.5.2 一个周期的开关过程图9.8 (a) (e)7/fIIK Gv1T2T1TGv4T0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t3T4TPi1I4IABvfoIIKABvovDV37IIfIDi6Di5Ditttttdtdtdtdt1t2t16t0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t1t2t16t0t3t4t

15、5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t1t2t16t0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t1t2t16t0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t1t2t16t,ABvD1导电D2D1导电(d)驱动波形D2导电D2 D3导电D5D6同时导电D5D6同时导电(e) 电压电流波形=oII 3DVtt10Cv40Cv20Cv 30Cv 0oV 0oV 67tt 。t6时时ip=0 T2、T3都是通态，从都是通态，从t6开始，电源开始，电源VD经经T3、N1、T2 建立负半波电流，直到建立负半波电流，直到t=t7时达到负载对应的

16、时达到负载对应的 D5、D6同时导电期间同时导电期间vO=0 。 ;, 0,/650fDDfpIiiKIIi电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版） 第第6阶段阶段： 。t=t7以后以后ip=0 ，T2、T3已处于负半周通态，经已处于负半周通态，经D6向负载供电；向负载供电； 此后，在此后，在t=t8时撤除时撤除vG2，T2软关断，结束从软关断，结束从t0-t8半个周波。从半个周波。从t0开始开始 T1软关断，软关断， T2零电压开通，零电压开通， T4软关断，软关断，T3零电压开通，零电压开通，T2软关断，完成半个周波工况。从软关断，完成半个周波工况。从t8-t16另半个周波的工况类似。另

17、半个周波的工况类似。9.5.2 一个周期的开关过程图9.8 (a) (d) (e)7/fIIK Gv1T2T1TGv4T0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t3T4TPi1I4IABvfoIIKABvovDV37IIfIDi6Di5Ditttttdtdtdtdt1t2t16t0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t1t2t16t0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t1t2t16t0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t1t2t16t0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12

18、t13t15t14t1t2t16t,ABvD1导电D2D1导电(d)驱动波形D2导电D2 D3导电D5D6同时导电D5D6同时导电(e) 电压电流波形=oII 3DVtt10Cv40Cv20Cv 30Cv 0oV 0oV 78tt电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）9.5.3 开关器件零电压开通条件 q 1.要超前桥臂要超前桥臂T2（T1）零电压开通必须）零电压开通必须 若按临界关断缓冲选C2即 ，即在tfi 期间 ， 使能零电压开通，则要求： )199(/2201ODdIVCttfiDOtVIC22fiODfiDOdtIVtVItt220110Ti 1CDvV20Cv问题：为什么超前桥

19、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。电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）9.5.3 开关器件零电压开通条件q 2.要滞后桥臂要滞后桥臂T3（T4）零电压开通必须）零电压开通必须KIIf/7Pi1I4IABvfoIIK01CvABvDV37IIt0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t1t2t16t,c 2=0c3=0ABv40CvD1导电D2D1导电D2导电D2 D3导电=oII 3DVvv图9.8 (

20、a) (d) (e)249 (arcsin134OrDrdIZVtt 同时要求t=t4时，0)/()(2244rDopZVIIti)339(/23ODrrIVCLZ)329(/rDoZVIGv1T2T1TGv4T0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t3T4Tttdtdtdtdt1t2t16t0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t1t2t16t(d)驱动波形tt电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）9.5.3 开关器件零电压开通条件问题：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

21、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。电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）9.5.4 变压器副方绕组及二极管导电情况 图9.8 (a) (d) (e)q 正半周正半周T1、T4同时通态导电时，同时通态导电时，N21，D5导电。负半周导电。负半周

22、T3、T2同时通同时通态导电时，态导电时，N22，D6导电。导电。7/fIIK Gv1T2T1TGv4T0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t3T4TPi1I4IABvfoIIKABvovDV37IIfIDi6Di5Ditttttdtdtdtdt1t2t16t0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t1t2t16t0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t1t2t16t0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t1t2t16t0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t1

23、4t1t2t16t,ABvD1导电D2D1导电(d)驱动波形D2导电D2 D3导电D5D6同时导电D5D6同时导电(e) 电压电流波形=oII 3DVtt10Cv40Cv20Cv 30Cv 0oV 0oV q T4关断后，关断后， ，同时，同时 ，T3关断后，关断后， ，同时，同时 。60Di5DfiI6DfiI50Di电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）9.5.5 电压（占空比）丢失情况 图9.8 (a) (d) (e)7/fIIK Gv1T2T1TGv4T0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t3T4TPi1I4IABvfoIIKABvovDV37IIfI

24、Di6Di5Ditttttdtdtdtdt1t2t16t0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t1t2t16t0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t1t2t16t0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t1t2t16t0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t1t2t16t,ABvD1导电D2D1导电(d)驱动波形D2导电D2 D3导电D5D6同时导电D5D6同时导电(e) 电压电流波形=oII 3DVtt10Cv40Cv20Cv 30Cv 0oV 0oV 在，期间，在，期间，vAB0

25、，但，但D5、D6同时导电（换流重叠）使输出同时导电（换流重叠）使输出vo=0 因此，零电压开通使输出电压丢失一部分。因此，零电压开通使输出电压丢失一部分。 开关管并联开关管并联C可有效地改善关断轨迹，减少可有效地改善关断轨迹，减少Poff。图。图9.8（a）能移相（）能移相（t）调压又能实）调压又能实现零电压开通故得到广泛应用。现零电压开通故得到广泛应用。1115tt37tt电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）9.6 交流电源、直流负载时电力电子变换系统方案比较交流电源、直流负载时电力电子变换系统方案比较 图9.9 交流供电时各种直流电源方案电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）小小 结结 将基本的整流、逆变、将基本的整流、逆变、DC/DC变压电路按一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定的顺序串联，可以构成二级或三级组合型电力变换电源