电力电子华中科技大学多级开关电路组合型交流直流电源课件

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1、电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）第第 9 9 章章多级开关电路组合型交流、多级开关电路组合型交流、直流电源直流电源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、直流电源引言引言9.1 AC/DC-DC/AC9.1 AC/DC-DC/AC变压、变频电源变压、变频电源VVVF VVVF 9.2 9.2 AC/DC-DC/AC AC/DC-DC/AC恒压、恒频不间断电源恒压、恒频不间断电源UPSUPS9.3 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系统有源逆变的直流输电系统9.4 9.4 具有中间交流环节的直流电源具有中间交流环节的直流电源*9.5 9.5

2、 移相全桥零电压开关移相全桥零电压开关DC/AC-AC/DCDC/AC-AC/DC变换器变换器9.6 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小结小结直流直流-直流电压变换直流电压变换四类基本四类基本型变换器型变换器直流直流-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 实际应用中将实际应用中将2个甚至个甚至3个基本变换电路先后组合，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。构成多级开关电路组合型变压或变频电源。例如图例如图9.1引言引言9.1 AC/DC-DC/AC变压、变

3、频电源变压、变频电源 图图9.1(a)，)1()1(6001SNSNfNppNfN1060000,05.002.0/)(NNNNNS异步电动机：异步电动机：)(1.11.11.1EXI jRIV8181111044.41044.4cmmSWBfWfEV 变速传动要求变速传动要求VVVF电源，且电源，且V1、f1能协调控制，如令能协调控制，如令V1/f1 比值不变，使比值不变，使m 不变，不变，9.1 AC/DC-DC/AC变压、变频电源（续变压、变频电源（续1）SR-PI型速度调节器型速度调节器NNSNdtNNKNNKN002*1)*()(*不同的控制策略，要求有不同的不同的控制策略，要求有不

4、同的V/f 函数关系。函数关系。前级前级AC/DC常采用不控整流，当然也可以采用相控整常采用不控整流，当然也可以采用相控整流，或采用高频整流。流，或采用高频整流。9.1 AC/DC-DC/AC变压、变频电源（续变压、变频电源（续2）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图图5.32 交流绕交流绕线转子线转子异步电异步电动机串动机串级调速级调速cos23)(636302lDBVNNKEVVcos30KVNNl9.2 AC/DC-DC/AC恒压恒频恒压恒频(CVCF)9.2.1 9.2.1 典型在线双变换式典型在线双变换

5、式UPS UPS 9.2.2 9.2.2 典型后备式典型后备式UPSUPS9.2.3 9.2.3 在线互动式在线互动式UPSUPS 不间断电源不间断电源 UPS（Uninterruptible Power Supply）9.2.1 典型在线双变换式典型在线双变换式UPS 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，电压波形非正弦，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。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

6、 负载供电分类：分类：热后备式热后备式 冷后备式冷后备式 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UPS9.2.2 典型后备式典型后备式UPS9.2.3 在线互动式在线互动式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

7、器I输出输出vsh及基波补偿电压及基波补偿电压(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。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系统有源逆变的直流输电系统 DCABILVV1113cos23DCDCDCILVILVV2222223cos233cos2322180a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），传送相同的功率时功率大（无电抗压降，无稳定性

8、问题），传送相同的功率时P小，小，V小线路投资低小线路投资低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系统有源逆变的直流输电系统112212123 23 2coscos,33ABDCDABDDCDDDLLVVVVIPVIPVILCLCRR 9.4 具有中间交流环节具有中间交流环节(DC/AC-AC/DC）的直流电源）的直流电源9.4.1 9.4.1 半桥型半桥型DC/AC-AC/DCDC/AC-AC/DC直流电源直流电源 9.4.2 9.4.2 全桥型全桥型DC/AC-AC/DCDC/AC-AC/DC直流电源直流电源9.4.1 半桥型半桥型DC/AC-AC/DC直流电源直流电源

9、前级前级DC/AC半桥高频逆变，半桥高频逆变，经高频变压后，再经二极管全波整经高频变压后，再经二极管全波整流。流。正半周正半周DTS期间期间T1通态，负半通态，负半周周DTS期间期间T2通态。通态。DSonDOVDNNTTVNNV1212221图9.6(a)(b)(c)(d)占空比：占空比：0D0.5 D=Ton/Ts 输出电压平均值：输出电压平均值：9.4.1 半桥型半桥型DC/AC-AC/DC直流电源直流电源 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

10、升，随后期间线性上升，随后期间i1=0，iL由由D3、D4分流。分流。*D5C+NN1*o21=N2N22=N2V0PD4ILQiD4R12DV12DVC1C2T12TD12D1LABDiipDi3P(a)图9.6(a)(d)(e)(f)T1on T2on 时时C1、C2充、放电时间不等，使充、放电时间不等，使VC1 VC2，111,ABABCvdvvNddtdtN正半波，增量负半波，增量mmTCTABonondtvNdtNv11011011mmdtvNdtNvononTCTAB22021011绕组N1的外加电压:9.4.1 半桥型半桥型DC/AC-AC/DC直流电源直流电源9.4.1 半桥型

11、半桥型DC/AC-AC/DC直流电源直流电源稳态工作时，一个开关周期稳态工作时，一个开关周期Ts中，中，12=0故有故有 01200210ononSTTCcTABdtvdtvdtvonConCTVTV221111,ABABvdvNdtdtNT1on期间期间C1C1放电，放电，C2C2充电，充电，T2on期间期间C2C2放电，放电，C1C1充电。充电。若若T1onLr,电容电容C1C2，C3C44.直流滤波电感极大，因而电感电流直流滤波电感极大，因而电感电流If波动不大，近似直流波动不大，近似直流为了简化分析，假定：为了简化分析，假定：q 起始时刻起始时刻t0以前，以前，T1、T4、D5导通，电

12、感导通，电感Lr上的电流上的电流ip=If/Kq 从从t0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:（a)(b)(d)KIIIf/010121022221101tCIdtiCVVtpDCODIVCt/22019.5.2 一个周期的开关过程（续一个周期的开关过程（续1）q 第第2阶段阶段，t1t3,保持保持vC2=0，直到，直到t=t 3时刻关断时刻关断T4。（a)(b)(d)q第第1阶段阶段，t0t1 从从t0时时T1关断开始到关断开始到t1

13、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点零电压开通点零电压开通T2。9.5.2 一个周期的开关过程（续一个周期的开关过程（续2）q第第3阶段，阶段，t3t4,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(c)。（a)(c)(d)qC3以以ip/2放电，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，为导电，为T3零电压开零电压开通创造条件。通创造条件。由于由于D5、D6同

14、时导通，因此变压器一、二次同时导通，因此变压器一、二次侧绕组电压为零，相当于侧绕组电压为零，相当于BD短路。短路。5Di6Di9.5.2 一个周期的开关过程（续一个周期的开关过程（续3）在此阶段在此阶段vABt34。9.5.2 一个周期的开关过程（续一个周期的开关过程（续5）(a)(e)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第第5阶段阶段:t6t7期间期间9.5.2

15、一个周期的开关过程（续一个周期的开关过程（续6）第第6阶段阶段 t7t8。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开关器件零电压开通条件1.

16、要超前桥臂要超前桥臂T2（T1）零电压开通必须）零电压开通必须在在tfi 期间期间 )199(/2201ODdIVCttfiDOtVIC22fiODfiDOdtIVtVItt220110Ti 1CDvV20Cv问题：问题：为什么超前桥臂为什么超前桥臂T1、T2实现零电压开关比较容易？实现零电压开关比较容易？原因：原因：在在C1充电、充电、C2放电过程中，放电过程中，ip较大且恒定不变（等较大且恒定不变（等效电感效电感LLrK2Lf很大），因此很大），因此C2迅速放电到零，时间迅速放电到零，时间很短，很短，D2很快导电，为很快导电，为T2的零电压开通创造了条件。的零电压开通创造了条件。若按临界关

17、断缓冲选若按临界关断缓冲选C2 使能零电压开通，则要求：使能零电压开通，则要求：9.5.3 开关器件零电压开通条件（续开关器件零电压开通条件（续1）2.要滞后桥臂要滞后桥臂T3（T4）零电压开通必须）零电压开通必须图9.8(a)(d)(e)249(arcsin134OrDrdIZVtt 同时要求同时要求t=t4时时，0)/()(2244rDopZVIIti)339(/23ODrrIVCLZ)329(/rDoZVI问题：问题：为什么滞后桥臂为什么滞后桥臂T3、T4实现零电压开关比较困难？实现零电压开关比较困难？原因：原因：在滞后桥臂在滞后桥臂T3开通前的开通前的t34期间，电流期间，电流ip减小

18、很快（在此减小很快（在此期间变压器短路，因此仅有谐振电感期间变压器短路，因此仅有谐振电感Lr提供能量提供能量),因此电容因此电容C3放电到零、放电到零、D3续流导通的时间很长，死区时续流导通的时间很长，死区时间间td必须大于该时间才能实现必须大于该时间才能实现T3的零电压导通的零电压导通 （931）（）（933）表明，轻载时很难实现零电压开通，）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。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如果实现零电压开通所需的Lr超过变压器漏感，则要外加超过变压器漏感，则要外加串联电感。如果开

19、关器件的寄生电容不足以实现软关断要求，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。则应另外并联电容。9.5.3 开关器件零电压开通条件（续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交流电源、直流负载时电力电子变换系统方案比较 小小 结结 将基本的整流、逆变、将基本的整流、逆变、DC/DCDC/DC变压电路按一定的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。

20、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：一是两类基本应用领域：一是VVVFVVVF变压、变频交流电源对变压、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。另一是向控制。另一是CVCFCVCF恒压、恒频交流电源，用于对供恒压、恒频交流电源，用于对供

21、电质量要求较高的交流负载供电，现已得到广泛应用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的交流不间断电源UPSUPS就是一个典型的应用实例。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，例如通讯系统中要求较高的直流负载，例如通讯系统中48V48V直流基直流基础电源。图础电源。图9.8(a)9.8(a)移相全桥零电压开关逆变不控移相全桥零电压开关逆变不控整流直流电源，由于具有优良的技术特性已成为整流直流电源，由于具有优良的技术特性已成为DC/ACDC/ACAC/DCAC/DC二级变换直流电源的最佳技术方案之二级变换直流电源的最佳技术方案之一。如果是公用交流电网供电而直流负载功率又比一。如果是公用交流电网供电而直流负载功率又比较大、对特性的要求又比较高，则采用高频较大、对特性的要求又比较高，则采用高频PWMPWM整整流高频逆变不控整流三级变换应该是最佳技术流高频逆变不控整流三级变换应该是最佳技术方案。方案。小小 结结 （续（续1）交流供电时常采用交流供电时常采用AC/DCDC/AC两级变换得到负载所需的交两级变换得到负载所需的交流电压，直流供电时常采用流电压，直流供电时常采用DC/ACAC/DC两级变换得到负载两级变换得到负载所需的直流电压。所需的直流电压。小小 结结 （续（续2）