PE9-多级开关电路组合型-交流直流电源.

第9章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多级开关电路组合型交流、直流电源引言9.1AC/DC-DC/AC变压、变频电源VVVF9.2AC/DC-DC/AC恒压、恒频不间断电源UPS9.3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本章小结电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）直流-直流电压变换引言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电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）9.1AC/DC-DC/AC变压、变频电源图9.1(a)，，)1()1(6001SNSNfNppNfN1060000,05.0~02.0/)(NNNNNS异步电动机：)(1.11.11..1EXIjRIV8181111044.41044.4cmmSWBfWfEV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φm不变，电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）9.1AC/DC-DC/AC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）图5.32交流绕线转子异步电动机调速系统交流异步电动机、交流同步电动机、交流绕线转子异步电动机调速9.1AC/DC-DC/AC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)(636302lDBVNNKEVVcos30KVNNl电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）9.2AC/DC-DC/AC恒压恒频(CVCF)9.2.1典型在线双变换式UPS9.2.2典型后备式UPS9.2.3在线互动式UPS不间断电源UPS（UninterruptiblePowerSupply）电力电子学——电力电子变换和控制技术（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vS不是额定值，且有谐波电压，但希望is仅有基波分量且cosφ=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15~20%）;使电源仅输出基波有功电流cosφ=1、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—有源逆变的直流输电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（无电抗压降，无稳定性问题），传送相同的功率时ΔP小，ΔV小线路投资低。DCABILVV1113cos23DCDCDCILVILVV2222223cos233cos23－－22180a末端有源逆变首端相控整流逆变角图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α1或β2，即可改变ID，控制传输功率PL=VDID，晶闸管额定电压、电流大，便宜。末端有交流电源故可用有源逆变。DC/DC输电±500KV，采用12脉波双三相桥串联输出500KV时，每个桥臂用90个SCR串联，则每个SCR平均承受约2.8KV，若ID=3000A，则±500KV线路可输送300万KW的功率。采用3KA/7.2KV电控SCR，电压安全系数为7.2/2.8≈2.5，3KA的SCR的IR=1.57×3=4.7KA，电流安全系数为9.3晶闸管相控整流-有源逆变的直流输电系统112212123232coscos,,33ABDCDABDDCDDDLLVVVVIPVIPVILCLCRR90个SCR串联250KV＋500KV－500KV＋＿A.CA.CYY4.73/34.7/1.732.7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（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。输出电压平均值：DSonDOVDNNTTVNNV1212221图9.6(a)(b)(c)(d)占空比：0D≤0.5D=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)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mmTCTABonondtvNdtNv11011011mmdtvNdtNvononTCTAB22021011绕组N1的外加电压:T1on≠T2on时C1、C2充、放电时间不等，使VC1≠VC2，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，Δφ1＋Δφ2=0故有01200210＝ononSTTCcTABdtvdtvdtvonConCTVTV2211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，直到达到平衡，VC1、VC2平均值固定不变。9.4.1半桥型DC/AC-AC/DC直流电源物理上，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。00STABdtvonConCTVTV2211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。电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）图9.7(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)5.00;210(221212DTTDVNNTTVNNVSonDSonDO图9.7(a)(b)电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）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。9.4.2全桥型DC/AC-AC/DC直流电源图9.7(a)(b)电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）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）丢失情况电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）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θ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C1—C4；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tδ，T2比T3驱动超前tδ，T1、T2称为超前桥臂，T3、T4称为滞后桥臂。电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）9.5.1电路特点死区角d=ωtd，移相角δ=ωtδ，脉宽θ=π-d-δ；d=0，δ=0，θ=π方波d≠0，δ≠0则)1(DDDABVdVVVT1通态T2通态T1通态T3通态T4通态T3通态dddd02T1T4T2T3d0ABV可见移相角δ决定输出电压的大小，移相角越大，输出电压越小电力电子学——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为了简化分析，假定：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K＝N1/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C1＝C2，C3＝C44.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——电力电子变换和控制技术（第二版）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t01:9.5.2一个周期的开关过程图9.8（a)(b)(d)KIIIf/010121022221101tCIdtiCVVtpDCODIVCt/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)第1阶段，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。第2阶段，13tt保持vC2=0，直到t=t3时刻关断T4。只要死区时间tdt01=t1-t0（＝2C2VD/I0）就可在t2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T4，C4充电，C3放电，T2已开通，D2仍续流ip，等值电路为图9.8(c)。9.5.2一个周期的开关过程图9.8（a)(c)(d)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。在此阶段vAB0，第3阶段，34tt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。5Di6Di电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）第3阶段，t34(t4-t3)期间，C3放电到零，到t4时vC3=0，D3导电，可求得：9.5.2一个周期的开关过程图9.8(c)(e)OrDrIZVtttarcsin134347/fIIKGv1T2T1TGv4T0t3t4t5t6t7t8t9t10t11t12t13t15t14t3T4TPi1I4IABvfoIIKABvovDV37IIfIDi6Di5Ditttttdtdtdtdt1t2t1