柔性电力技术 第2章 电力变换电路与控制

1、第2章电力变换电路与控制主讲：张丽霞中国石油大学信息与控制工程学院电力变换通常由电力电子电路实现，可分为四大类:交流变直流AC/DC直流变直流DC/DC直流变交流DC/AC交流变交流 AC/AC本章重点：四类变换的典型电路及其控制方法 2.1交流-直流变换电路2.1.1单相可控整流电路单相半波可控整流电路及波形21cos0.452dUU带阻感负载的单相半波可控整流电路及波形 比带电阻负载时平均值减小 单相桥式全控整流电路带阻感负载时的电路及波形 20.9cosdUU当负载为蓄电池、直流电动机的电枢 2arcsin2EU为停止导电角2.1.2三相可控整流电路开关导通情况依次为： 三相桥式全控整流

2、电路原理图 三相桥式全控整流电路带阻感负载=0时的波形 0021.35dLUU2LU为变压器二次侧线电压的有效值 2.1.3三相桥整流电路的有源逆变工作状态三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形 2.1.4整流电路的功率因数和谐波(2)三相桥式全控整流电路 通常电力系统中装设的并联补偿电容器，可对相移功率因数DPF进行校正，但畸变所引起的功率因数降低则只能通过减小谐波含有率得到改善。2.1.5交流电感对换相的影响由于换相的影响，交流侧电流波形将发生变化，这会对功率因数以及注入交流系统的谐波电流产生影响。 2.1.6 双三相桥式整流电路变压器接线方式不同时电网侧电流波形 将上述两组不同的

3、变压器组合起来，其电网侧的总电流中将不再含有5、7、17、19等次数的谐波，而只含有12k1次的特征谐波，即为12脉动整流，如图(c)所示，2.2 直流-直流变换电路 将一种幅值直流电压变换成另一幅值固定或大小可调的可控直流电压的过程称为直流-直流电压变换。由于这类变换的基本原理是利用开关器件对输入电压波形周期性地“斩切”，因此也常称为斩波器。主要内容：降压型(Buck)变换器、升压型(Boost)变换器升降压(Buck-Boost)变换器全桥直-直变换器 B B u u c c k k C C o o n n v v e e r rt te e r rs s t te e p p - - d

4、 d o o w w n n c c h h o o p p p p e e r rB B o o o o s s t t C C o o n n v v e e r rt te e r rs s t te e p p - - u u p p c c h h o o p p p p e e r rB B u u c c k k - - B B o o o o s s t t C C o o n n v v e e r rt te e r r( ( C C u u k k c c o o n n v v e e r rt te e r r) )s s t te e p p - - u u p p

5、 / / s s t te e p p - - d d o o w w n nF F u u l ll l- - b b r ri id d g g e e c c o o n n v v e e r rt te e r r/ / i is s o o l la a t te e d d c c o o n n v v e e r rt te e r rM M a a i i n n O O b b j j e e c c t t i i v v e e s sDC/DC 变换器的分类降压变换器电路原理图 连续电流下对应的波形(1)连续电流工作方式 2.2.1 降压型变换器2)电流临界连续工作

6、方式(3)间断电流方式。 由于应用场合不同，降压变换器有两种工作方式：输入电压不变的间断电流工作方式：当降压变换器应用于直流电机调速时，输入电压保持不变，而输出电压通过调节占空比来控制。输出电压不变的间断电流工作方式。在许多应用场合，如直流开关电源，则需要保持输出电压不变，而输入电压由于电网的波动会有所变化，通过调节占空比保持输出电压。(4)选择合适的低通滤波器截止频率 ，使 ，可大大减少输出电压纹波。 cfcsff2.2.2升压型变换器升压变换器电路结构如图所示，它主要用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。 升压变换器电路原理 2.2.3升降压型变换器 主要应用于要求相对输入电压的公共端为负

7、极性、输出电压可高于或低于输入电压的直流稳压电源 升降压变换器电路原理2.2.4全桥直-直变换器上图为全桥开关型变换器电路图，主要应用于：(1)直-直(幅值极性)变换，用于直流电机的驱动。(2)直-交(正弦波形)变换，用于单相交流不间断电源。(3)直-交(中高频率)变换，用于变压器隔离式直流开关电源等。全桥直一直换流器电路单极性电压开关脉宽调制方式双极性电压开关脉宽调制方式思考：逆变；有源逆变；无源逆变。2.3 直流一交流变换电路负载电压负载电压负载电流负载电流电压源逆变器 电流源逆变器 逆变器整流器逆变器整流器逆变器整流器逆变器整流器四象限工作情况反并联二极管 逆变器输出瞬时电压和电流曲线

8、无论逆变器输出是方波还是正弦，在负载为感性或容性负载时，其输出电压滞后或超前电流。因此，在任意时刻（除阻性负载）其输出功率的瞬时值有正有负。正的输出功率表明逆变器输出功率，即能量从逆变器输入向负载传输；负的输出功率表明逆变器工作于整流状态，从负载向逆变器反馈能量。因此逆变器必须能够工作在四个象限才能适应各种不同的负载情况。 在第一象限，逆变器输出电压和电流均为正，逆变器输出能量；在第三象限，逆变器输出电压和电流均为负，逆变器输出能量；即在1、4象限，逆变器工作在逆变状态。在第二象限，逆变器输出电压为负，电流为正，逆变器从负载向逆变器反馈能量；在第三象限，逆变器输出电压为正，电流为负，逆变器从负

9、载向逆变器反馈能量。即在2、3象限，逆变器工作在整流状态。 为了使逆变其能够在四个象限工作，功率开关管反并联一个二极管即可实现。逆变器波形指标 1）谐波因子（Harmonic Factor）第n次谐波因子HFn定义为第n次谐波分量有效值同基波分量有效之值比，即 2）总谐波（畸变）因子THD (Total harmonic distortion factor) 该参数表征了一个实际波形同基波分量的接近程度。输出为理想正弦波的THD为零。3）畸变因子（Distortion factor）总谐波因子指示了总的谐波合量，但它并不能告诉我们每一个谐波分量的影响程度，畸变因子定义： 对于第次谐波的畸变因子

10、定义如下： 1VVHFnn1nnVHFV1222,311()nnTHDVV12222,311()nnVDFVn21nnVDFVn逆变器单相逆变三相逆变方波脉宽调制方波脉宽调制1、电路结构及原理(1)相半桥电压型逆变电路相半桥电压型逆变电路及其工作波形123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 电 路 图 lihong.ddbDrawn By:QQDD1212VinCCZABiLQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin/2(

11、a)(b)(c)D2D1 (2)单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路下图所示，有四个功率管、四个反并联二极管组成，其控制方式有双极性控制、受限双极性控制和移相控制三种。电压型逆变电路举例(全桥逆变电路)123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 电 路 图 lihong.ddbDrawn By:QQ13Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)D3D1Q4Q2Q4Q3tt全桥电路受限双极性控制方式工作波形123456ABCD

12、654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏电路图lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4全桥电路移相控制方式的工作过程123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏电路图lihong.ddbDraw

13、n By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏电路图lihong.ddbDrawn By:QQ13Q1VABiRtttTsTs/2VinQ4Q2tasVRL1模式1Q2Q3Q4Q1D2D3D4DoiovsVRL2模式1Q2Q3Q4Q1D2D3D4DoiovsVRL4模式1Q2Q3

14、Q4Q1D2D3D4DoiovsVRL3模式1Q2Q3Q4Q1D2D3D4Doiov( )a1模式02模式22模式332模式2322ovsisisisioi220si1模式2模式3模式4模式( )b三相电压型桥式逆变电路2、PWM控制的基本原理 面积等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量：窄脉冲的面积。效果：环节的输出响应波形。即：如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 PWM逆变电路的实质是依靠调节脉冲宽度改变输出电压，通过改变调制周期达到改变输出频率的目的。要改变等效输出正弦波的幅

15、值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。实用的PWM逆变装置由3部分组成：直流电源、中间滤波环节和逆变电路。 分类：(1)根据调制脉冲的极性，可分为单极性和双极性调制两种。(2)根据载频信号和基准信号的频率之间的关系，可分为同步调制和异步调制两种。(3)根据基准信号的不同，可分为矩形波脉宽调制和正弦波脉宽调制等。 矩形波脉宽调制法：输出脉冲列是等宽的，只能控制一定次数的谐波； 正弦波脉宽调制法：输出脉冲列是不等宽的，宽度按正弦规律变化，故输出电压的波形接近正弦波。方案：SPWM 3、PWM逆变电路及其控制方法 (1)单相桥式单相桥式PWM逆变电路单极性.PWM控制方式波形双极性PW

16、M控制方式波形单极性PWM波形谐波畸变低于双极性(2)三相桥式PWM逆变电路 三相桥式PWM逆变电路三相桥式PWM逆变电路波形为了防止上、下2个臂直通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟某一时间，才给另一个臂施加导通信号。延迟时间的长短取决于开关器件的关断时间。但这个延迟时间对输出的PWM波形将带来一定影响，使其与正弦波产生偏离。3、异步调制和同步调制(1)异步调制：载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式 (2)同步调制：载波比等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式 (3)分段同步调制：同步调制和异步调制结合起来，构成分段同步调制方式，即把逆变电路的输出频率范围

17、划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比为恒定，不同频段的载波比不同。各频段的载波比取3的整数倍且为奇数为宜。4、PWM控制技术 自然采样法,规则采样法,特定谐波消去法 4、PWM控制技术 (1)自然采样法。按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻，控制功率开关器件的通断，这种生成SPWM波形的方法，称为自然采样法。要准确生成SPWM波形，就应准确地计算出正弦波和三角波的交点。MIsinrttuutktAtB自然采样法(2)规则采样法包括对称和不对称规则采样法 MIsintkk1k2kk00002dcV2dcV-11Sample pointttAsymmetric sampl

18、ing不对称采样Symmetric sampling对称采样对称和不对称规则采样法对于对称规则采样法，以三角波负半周角平分线与正弦波交点作为采样点，过此点作平行线，该平行线与三角波在内有两个交点，此两个交点即脉冲的开通时刻和关断时刻。对于不对称规则采样法，把四等份，等份线与正弦波在内有五个交点，除去二等份线与正弦波交点，剩余两个交点，此两个交点作为采样点，过这两点作平行线与三角波在内有四个交点，取采样点最近的两个交点作为脉冲的开通时刻和关断时刻。不对称规则采样法生成的梯形波与正弦波逼近程度较高，谐波分量的幅值较小。按冲量相等原理计算双极性第k个PWM脉冲开通和关断角11SPAA22SPAA(3

19、)特定谐波消去法。特定谐波消去法中，脉冲开关时间不是由三角波载波与正弦调制波的交点确定的，而是从消除某些特定谐波的目的出发，通过解方程组确定。特定谐波消去法的输出PWM波形调制度基波幅值调制度基波幅值5、PWM逆变电路的谐波分析不同调制度时单相桥双极性输出电压的频谱图不同调制度时三相桥双极性输出电压的频谱图幅值基波谐波次数幅值基波谐波次数2.3.5、PWM跟踪控制技术1、滞环比较方式滞环比较方式电流跟踪控制举例滞环比较方式的指令电流和输出电流2、三角波比较方式优点： 开关频率固定，等于载波频率，便于高频滤波器的设计 为改善输出电压波形，三角波载波常用三相三角波信号。 比滞环比较控制方式输出电流

20、所含谐波少。3、定时比较方式特点：1. 不用滞环比较器，而是设置一个固定的时钟，以固定采样周期对指令信号和被控制变量进行采样，并根据两者偏差的极性来控制变流电路开关器件的通断，使被控制量跟踪指令信号。2. 电流控制误差没有一定的环宽，控制的精度要低一些。 2.4、交流-交流变换电路AC/AC变换器交流斩波器DC-Link逆变器On/off 控制触发角控制电压型电流型周波变换器谐振型2.4.1交流调压电路电阻负载2.4.1.1单相调压电路阻感负载电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量 2.1.2、三相交流调压电路(a)星形连接(b)线路控制三角形连接 (c)支路控制三角形连接(d)中点控制三角形连接2.4.2、交流调功电路控制方法是：在设定的周期内，使晶闸管开关接通几个整周波，再断开几个整周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载上的交流平均电压，达到调节负载功率的目的。其直接调节对象是电路的平均输出功率。 过零触发调功电路输出波形调功电路通常用于热惯性较大的电热负载2.4.3、交交变频电路交交变频电路是不通过中间环节而把工频交流电直接变换成不同频率交流电的变频电路.又称为直接变频器或周波变换器。这种变频器可用于交流电机变频