多級開關(guān)電路組合型交流、直流電源

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1、電 力 電 子 學(xué)電 力 電 子 變 換 和 控 制 技 術(shù) （ 第 二 版 ）第 9 章多 級 開 關(guān) 電 路 組 合 型 交 流 、直 流 電 源 9 多 級 開 關(guān) 電 路 組 合 型 交 流 、 直 流 電 源引 言9.1 AC/DC-DC/AC變 壓 、 變 頻 電 源 VVVF 9.2 AC/DC-DC/AC恒 壓 、 恒 頻 不 間 斷 電 源 UPS9.3 晶 閘 管 相 控 整 流 -有 源 逆 變 的 直 流 輸 電 系 統(tǒng)9.4 具 有 中 間 交 流 環(huán) 節(jié) 的 直 流 電 源*9.5 移 相 全 橋 零 電 壓 開 關(guān) DC/AC-AC/DC變 換 器9.6 交 流

2、電 源 、 直 流 負(fù) 載 時 電 力 電 子 變 換 系 統(tǒng) 方 案 比 較小 結(jié) 直 流 -直 流 電 壓 變 換四 類 基 本型 變 換 器 直 流 -交 流 逆 變交 流 -直 流 整 流交 流 -交 流 電 壓 、 頻 率 變 換 實 際 應(yīng) 用 中 將 2個 甚 至 3個 基 本 變 換 電 路 先 后 組 合 ，構(gòu) 成 多 級 開 關(guān) 電 路 組 合 型 變 壓 或 變 頻 電 源 。例 如 圖 9.1引 言 9.1 AC/DC-DC/AC變 壓 、 變 頻 電 源 圖 9.1(a)， ，)1()1(60 01 SNSN fN p pNfN 10 60 000 ,05.002.0

3、/)( NNNNNS 異 步 電 動 機 ： )( 1.11.11.1 EXIjRIV 818111 1044.41044.4 cmm SWBfWfEV 變 速 傳 動 要 求 VVVF電 源 ， 且 V1、 f1能 協(xié) 調(diào) 控 制 ， 如 令V1 / f1 比 值 不 變 ， 使 m 不 變 ， 9.1 AC/DC-DC/AC變 壓 、 變 頻 電 源 （ 續(xù) 1）SR-PI型 速 度 調(diào) 節(jié) 器 NNSNdtNNKNNKN 002*1 )*()(* 不 同 的 控 制 策 略 ， 要 求 有 不 同 的 V/f 函 數(shù) 關(guān) 系 。前 級 AC/DC常 采 用 不 控 整 流 ， 當(dāng) 然 也

4、 可 以 采 用 相 控 整流 ， 或 采 用 高 頻 整 流 。 9.1 AC/DC-DC/AC變 壓 、 變 頻 電 源 （ 續(xù) 2） 交 流 異 步 電 動 機 、 交 流 同 步 電 動 機 、交 流 繞 線 轉(zhuǎn) 子 異 步 電 動 機 調(diào) 速圖 5.32 交 流 繞線 轉(zhuǎn) 子異 步 電動 機 串級 調(diào) 速 cos23)(6363 02 lDB VNNKEVV cos30 KVNN l 9.2 AC/DC-DC/AC恒 壓 恒 頻 (CVCF)9.2.1 典 型 在 線 雙 變 換 式 UPS 9.2.2 典 型 后 備 式 UPS9.2.3 在 線 互 動 式 UPS 不 間 斷 電

5、 源 UPS（ Uninterruptible Power Supply） 9.2.1 典 型 在 線 雙 變 換 式 UPS 由 整 流 和 逆 變 兩 級 變 換 器 構(gòu) 成 可 以 將 質(zhì) 量 不 好 的 交 流 市 電 （ 電 壓 波 動 大 ， 電 壓 波 形 非 正 弦 ，頻 率 穩(wěn) 定 度 不 夠 等 ） 轉(zhuǎn) 換 成 恒 壓 、 恒 頻 正 弦 波 交 流 電 壓 。 適 用 于重 要 的交 流 負(fù)載正 常 時 ， 市電 經(jīng) 整 流 、逆 變 向 負(fù) 載供 電 異 常 負(fù) 載 供 電 分 類 ： 熱 后 備 式 冷 后 備 式 正 常 時 ，市 電 直 接 向負(fù) 載 供 電 異

6、常 時 ，蓄 電 池 經(jīng)逆 變 器 向負(fù) 載 供 電供 電 質(zhì) 量 不 如 在 線 雙 變 換 式 UPS9.2.2 典 型 后 備 式 UPS 9.2.3 在 線 互 動 式 UPS 通 常 交 流 電 源 v S不 是 額 定 值 ， 且 有 諧 波 電 壓 ， 但 希 望 is僅 有 基 波 分 量 且cos=1； 負(fù) 載 非 線 性 ， 有 諧 波 電 流 ， 要 求 不 停 電 ， 有 額 定 正 弦 電 壓 VR。令 并 聯(lián) 變 流 器 II輸 出 iLh+iLQ及 部 分 iLP， 輸 出 額 定 正 弦 電 壓 VR;令 串 聯(lián) 變 流 器 I輸 出 vsh及 基 波 補 償

7、電 壓 (VS1-VR)（ 容 量 1520%） ;使 電 源 僅 輸 出 基 波 有 功 電 流 cos=1 、 負(fù) 載 僅 含 基 波 電 壓 且 vL=vR。 9.3 晶 閘 管 相 控 整 流 有 源 逆 變 的 直 流 輸 電 系 統(tǒng) DCAB ILVV 111 3cos23 DCDCDC ILVILVV 222222 3cos233cos23 22 180 a 末 端 有 源 逆 變首 端 相 控 整 流逆 變 角 遠(yuǎn) 距 離 直 流 輸 電 優(yōu) 點 ： 相 同 的 高 壓 和 導(dǎo) 線 截 面 ， 輸 出 極 限功 率 大 （ 無 電 抗 壓 降 ， 無 穩(wěn) 定 性 問 題 ） ，

8、 傳 送 相 同 的 功 率 時P小 ， V小 線 路 投 資 低 9.3 晶 閘 管 相 控 整 流 -有 源 逆 變 的 直 流 輸 電 系 統(tǒng) 1 1 2 2 1 21 23 2 3 2cos cos , ,3 3AB DCD AB D D CD D DL LV VV VI P V I P V ILC LCR R 9.4 具 有 中 間 交 流 環(huán) 節(jié) (DC/AC-AC/DC） 的 直 流 電 源9.4.1 半 橋 型 DC/AC-AC/DC直 流 電 源 9.4.2 全 橋 型 DC/AC-AC/DC直 流 電 源 9.4.1 半 橋 型 DC/AC-AC/DC直 流 電 源 前 級

9、 DC/AC半 橋 高 頻 逆 變 ，經(jīng) 高 頻 變 壓 后 ， 再 經(jīng) 二 極 管 全 波 整流 。 正 半 周 DTS期 間 T1通 態(tài) ， 負(fù) 半周 DTS期 間 T2通 態(tài) 。 DS onDO VDNNTTVNNV 1212 221 圖 9.6(a) (b) (c) (d) 占 空 比 ： 0D0.5 D=Ton / Ts 輸 出 電 壓 平 均 值 ： 9.4.1 半 橋 型 DC/AC-AC/DC直 流 電 源 在 正 半 周 T1 導(dǎo) 電 時 ， iD3=iL線 性 上 升 ， 隨 后 期 間 i1=0， iL由 D3、 D4分 流 。 在 負(fù) 半 周 T2 導(dǎo) 電 時 ， iD

10、4=iL線 性 上 升 ， 隨 后 期 間 i1=0， iL由 D3、 D4分 流 。 * * D5 C +N N1 *o 21=N2N22=N2 V0P D 4 ILQ iD4 R12 DV12 DV C1C2 T12T D1 2D 1LABDi ip Di3 P(a) 圖 9.6(a) (d) (e) (f) T1on T2on 時 C1、 C2充 、 放 電 時 間 不 等 ， 使 VC1 VC2 ，1 1 1, ABAB C vdv v N d dtdt N 正 半 波 ， 增 量負(fù) 半 波 ， 增 量 mmT CT AB onon dtvNdtNv 11 0 110 1 1 mmdt

11、vNdtNv onon T CT AB 22 0 210 1 1繞 組 N1的 外 加 電 壓 : 9.4.1 半 橋 型 DC/AC-AC/DC直 流 電 源 9.4.1 半 橋 型 DC/AC-AC/DC直 流 電 源穩(wěn) 態(tài) 工 作 時 ， 一 個 開 關(guān) 周 期 Ts中 ， 1 2=0故 有 01 20 0 210 on onS T T CcT AB dtvdtvdtv onConC TVTV 2211 1 1, ABAB vdv N dtdt N T1on期 間 C1放 電 ， C2充 電 ， T2on期 間 C2放 電 ， C1充 電 。若 T1onLr, 電 容 C1 C2， C3

12、 C44.直 流 濾 波 電 感 極 大 ， 因 而 電 感 電 流 If波 動 不 大 ， 近 似 直 流為 了 簡 化 分 析 ， 假 定 ： q 起 始 時 刻 t0以 前 ， T1、 T4、 D5導(dǎo) 通 ， 電 感 Lr上 的 電 流 ip =If/Kq 從 t0時 刻 起 關(guān) 斷 T1， ip從 T1轉(zhuǎn) 到 C1、 C2， C1以 ip/2充 電 到 VD， C2以 ip/2放 電 到 0 ， ip衰 減 很 少 ， 可 求 得 該 階 段 持 續(xù) 時 間 t01:（ a) (b) (d)KIII f /01 0121022 2211 01 tCIdtiCVV t pDC OD IV

13、Ct /2 2019.5.2 一 個 周 期 的 開 關(guān) 過 程 （ 續(xù) 1） q第 2階 段 ， t1t3,保 持 vC2=0， 直 到 t=t 3時 刻 關(guān) 斷 T4。（ a) (b) (d)q第 1階 段 ， t0t1 從 t0時 T1關(guān) 斷 開 始 到 t1時 C2放 電 到 零 ， vC2=0，此 后 ip經(jīng) D2續(xù) 流 。q只 要 死 區(qū) 時 間 tdt01=t1-t0（ 2C2VD/I0） 就 可 在 t2點 零 電 壓 開 通 T2。9.5.2 一 個 周 期 的 開 關(guān) 過 程 （ 續(xù) 2） q 第 3階 段 ， t3t4 ,軟 關(guān) 斷 T4 ， C4充 電 ， C3放 電

14、， T2已 開 通 ， D2仍 續(xù) 流 ip， 等值 電 路 為 圖 (c)。（ a) (c) (d)q C3以 ip/2放 電 ， C4以 ip/2充 電 ， 到 t4時 vC3=0， 此 后 D3導(dǎo) 電 ， 為 T3零 電 壓 開通 創(chuàng) 造 條 件 。 由 于 D5、 D6同 時 導(dǎo) 通 ， 因 此 變 壓 器 一 、 二 次側(cè) 繞 組 電 壓 為 零 ， 相 當(dāng) 于 BD短 路 。5Di 6Di 9.5.2 一 個 周 期 的 開 關(guān) 過 程 （ 續(xù) 3）在 此 階 段 vABt34。 9.5.2 一 個 周 期 的 開 關(guān) 過 程 （ 續(xù) 5）(a) (e) t6時 ip=0 T2、

15、T3都 是 通 態(tài) ， 從 t6開 始 ， 電 源VD經(jīng) T3、 N1、 T2 建 立 負(fù) 半 波 電 流 ， 直 到 t=t7時 達(dá) 到 負(fù) 載 對 應(yīng) 的 D5、 D6同 時 導(dǎo) 電 期 間 vO=0 。 ;,0,/ 650 fDDfp IiiKIIi 第 5階 段 : t6t7期 間 9.5.2 一 個 周 期 的 開 關(guān) 過 程 （ 續(xù) 6） 第 6階 段 t7t8 。 t=t7以 后 ip=0 ， T2、 T3已 處 于 負(fù) 半 周 通 態(tài) ， 經(jīng) D6向 負(fù) 載 供 電 ； 此 后 ， 在 t=t8時 撤 除 vG2， T2軟 關(guān) 斷 ， 結(jié) 束 從 t0-t8半 個 周 波 。

16、從 t0開 始 T1軟 關(guān) 斷 ， T2零 電 壓 開 通 ， T4軟 關(guān) 斷 ， T3零 電 壓 開 通 ， T2軟 關(guān) 斷 ， 完 成 半 個 周 波 工 況 。 從t8-t16另 半 個 周 波 的 工 況 類 似 。圖 9.8 (a) (d) (e) 9.5.3 開 關(guān) 器 件 零 電 壓 開 通 條 件1.要 超 前 橋 臂 T2（ T1） 零 電 壓 開 通 必 須在 tfi 期 間 )199(/2 201 ODd IVCtt fiDO tVIC 22 fiODfiDOd tIVtVItt 22011 0Ti 1C Dv V 2 0Cv 問 題 ： 為 什 么 超 前 橋 臂 T1

17、、 T2實 現(xiàn) 零 電 壓 開 關(guān) 比 較 容 易 ？原 因 ： 在 C1充 電 、 C2放 電 過 程 中 ， ip較 大 且 恒 定 不 變 （ 等效 電 感 L Lr K2Lf很 大 ） ， 因 此 C2迅 速 放 電 到 零 ， 時 間很 短 ， D2很 快 導(dǎo) 電 ， 為 T2的 零 電 壓 開 通 創(chuàng) 造 了 條 件 。若 按 臨 界 關(guān) 斷 緩 沖 選 C2 使 能 零 電 壓 開 通 ， 則 要 求 ： 9.5.3 開 關(guān) 器 件 零 電 壓 開 通 條 件 （ 續(xù) 1）2.要 滯 后 橋 臂 T3（ T4） 零 電 壓 開 通 必 須圖 9.8 (a) (d) (e) )24

18、9(arcsin134 Or Drd IZVtt 同 時 要 求 t=t4時 ， 0)/()( 2244 rDop ZVIIti )339(/2 3 ODrr IVCLZ)329(/ rDo ZVI 問 題 ： 為 什 么 滯 后 橋 臂 T3、 T4實 現(xiàn) 零 電 壓 開 關(guān) 比 較 困 難 ？原 因 ： 在 滯 后 橋 臂 T3開 通 前 的 t34期 間 ， 電 流 ip減 小 很 快 （ 在 此期 間 變 壓 器 短 路 ， 因 此 僅 有 諧 振 電 感 Lr提 供 能 量 ), 因 此 電 容 C3放 電 到 零 、 D3續(xù) 流 導(dǎo) 通 的 時 間 很 長 ， 死 區(qū) 時間 td必

19、 須 大 于 該 時 間 才 能 實 現(xiàn) T3的 零 電 壓 導(dǎo) 通 （ 9 31） （ 9 33） 表 明 ， 輕 載 時 很 難 實 現(xiàn) 零 電 壓 開 通 ，但 輕 載 時 負(fù) 載 電 流 小 ， 開 關(guān) 損 耗 不 大 ， 設(shè) 計 時 可 折 中 考 慮 。 如 果 實 現(xiàn) 零 電 壓 開 通 所 需 的 Lr超 過 變 壓 器 漏 感 ， 則 要 外 加串 聯(lián) 電 感 。 如 果 開 關(guān) 器 件 的 寄 生 電 容 不 足 以 實 現(xiàn) 軟 關(guān) 斷 要 求 ，則 應(yīng) 另 外 并 聯(lián) 電 容 。 9.5.3 開 關(guān) 器 件 零 電 壓 開 通 條 件 （ 續(xù) 2） 9.5.4 變 壓 器

20、 副 方 繞 組 及 二 極 管 導(dǎo) 電 情 況 圖 9.8 (a) (d) (e)9.5.5 電 壓 （ 占 空 比 ） 丟 失 情 況 9.6 交 流 電 源 、 直 流 負(fù) 載 時 電 力 電 子 變 換 系 統(tǒng) 方 案 比 較 小 結(jié) 將 基 本 的 整 流 、 逆 變 、 DC/DC變 壓 電 路 按 一 定 的順 序 串 聯(lián) ， 可 以 構(gòu) 成 二 級 或 三 級 組 合 型 電 力 變 換 電 源 。例 如 含 有 直 流 中 間 環(huán) 節(jié) 的 交 流 直 流 交 流 兩 級 變 換交 流 電 源 ， 又 如 含 有 交 流 中 間 環(huán) 節(jié) 的 直 流 交 流 直流 二 級 變 換

21、 直 流 電 源 。 有 中 間 直 流 環(huán) 節(jié) 的 交 流 電 源 有兩 類 基 本 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 ： 一 是 VVVF變 壓 、 變 頻 交 流 電 源 對交 流 電 動 機 供 電 ， 實 現(xiàn) 交 流 電 動 機 的 轉(zhuǎn) 速 、 轉(zhuǎn) 矩 、 轉(zhuǎn)向 控 制 。 另 一 是 CVCF恒 壓 、 恒 頻 交 流 電 源 ， 用 于 對 供電 質(zhì) 量 要 求 較 高 的 交 流 負(fù) 載 供 電 ， 現(xiàn) 已 得 到 廣 泛 應(yīng) 用的 交 流 不 間 斷 電 源 UPS就 是 一 個 典 型 的 應(yīng) 用 實 例 。 有 中 間 交 流 環(huán) 節(jié) 的 直 流 電 源 ， 常 用 于 對 供 電 質(zhì) 量

22、要 求 較 高 的 直 流 負(fù) 載 ， 例 如 通 訊 系 統(tǒng) 中 48V直 流 基礎(chǔ) 電 源 。 圖 9.8(a)移 相 全 橋 零 電 壓 開 關(guān) 逆 變 不 控整 流 直 流 電 源 ， 由 于 具 有 優(yōu) 良 的 技 術(shù) 特 性 已 成 為DC/AC AC/DC二 級 變 換 直 流 電 源 的 最 佳 技 術(shù) 方 案 之一 。 如 果 是 公 用 交 流 電 網(wǎng) 供 電 而 直 流 負(fù) 載 功 率 又 比較 大 、 對 特 性 的 要 求 又 比 較 高 ， 則 采 用 高 頻 PWM整流 高 頻 逆 變 不 控 整 流 三 級 變 換 應(yīng) 該 是 最 佳 技 術(shù)方 案 。 小 結(jié) （ 續(xù) 1） 交 流 供 電 時 常 采 用 AC/DCDC/AC兩 級 變 換 得 到 負(fù) 載 所 需 的 交流 電 壓 ， 直 流 供 電 時 常 采 用 DC/ACAC/DC兩 級 變 換 得 到 負(fù) 載所 需 的 直 流 電 壓 。 小 結(jié) （ 續(xù) 2）