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第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型交流、直流電源,,9多級(jí)開關(guān)電路組合型交流、直流電源,引言9.1AC/DC-DC/AC變壓、變頻電源VVVF9.2AC/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交流電源、直流負(fù)載時(shí)電力電子變換系統(tǒng)方案比較小結(jié),引言,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(shí)際應(yīng)用中將2個(gè)甚至3個(gè)基本變換電路先后組合，構(gòu)成多級(jí)開關(guān)電路組合型變壓或變頻電源。例如圖9.1,9.1AC/DC-DC/AC變壓、變頻電源,圖9.1(a)，,異步電動(dòng)機(jī)：,變速傳動(dòng)要求VVVF電源，且V1、f1能協(xié)調(diào)控制，如令V1/f1比值不變，使φm不變，,9.1AC/DC-DC/AC變壓、變頻電源（續(xù)1）,SR-PI型速度調(diào)節(jié)器,,不同的控制策略，要求有不同的V/f函數(shù)關(guān)系。前級(jí)AC/DC常采用不控整流，當(dāng)然也可以采用相控整流，或采用高頻整流。,9.1AC/DC-DC/AC變壓、變頻電源（續(xù)2）,交流異步電動(dòng)機(jī)、交流同步電動(dòng)機(jī)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速,,圖5.32交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速,9.2AC/DC-DC/AC恒壓恒頻(CVCF),9.2.1典型在線雙變換式UPS9.2.2典型后備式UPS9.2.3在線互動(dòng)式UPS,不間斷電源UPS（UninterruptiblePowerSupply）,9.2.1典型在線雙變換式UPS,由整流和逆變兩級(jí)變換器構(gòu)成可以將質(zhì)量不好的交流市電（電壓波動(dòng)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(shí)，市電經(jīng)整流、逆變向負(fù)載供電,異常負(fù)載供電,9.2.2典型后備式UPS,分類：熱后備式冷后備式,,正常時(shí)，市電直接向負(fù)載供電,異常時(shí)，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UPS,9.2.3在線互動(dòng)式UPS,通常交流電源vS不是額定值，且有諧波電壓，但希望is僅有基波分量且cosφ=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(bǔ)償電壓(VS1-VR)（容量15~20%）;使電源僅輸出基波有功電流cosφ=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),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(diǎn)：相同的高壓和導(dǎo)線截面，輸出極限功率大（無(wú)電抗壓降，無(wú)穩(wěn)定性問題），傳送相同的功率時(shí)ΔP小，ΔV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),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(jí)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)。,圖9.6(a)(b)(c)(d),占空比：0Lr,電容C1＝C2，C3＝C44.直流濾波電感極大，因而電感電流If波動(dòng)不大，近似直流,為了簡(jiǎn)化分析，假定：,9.5.2一個(gè)周期的開關(guān)過程（續(xù)1）,起始時(shí)刻t0以前，T1、T4、D5導(dǎo)通，電感Lr上的電流ip=If/K從t0時(shí)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(shí)間t01:,（a)(b)(d),9.5.2一個(gè)周期的開關(guān)過程（續(xù)2）,第2階段，t1→t3,保持vC2=0，直到t=t3時(shí)刻關(guān)斷T4。,（a)(b)(d),第1階段，t0→t1從t0時(shí)T1關(guān)斷開始到t1時(shí)C2放電到零，vC2=0，此后ip經(jīng)D2續(xù)流。,,只要死區(qū)時(shí)間td>t01=t1-t0（＝2C2VD/I0）就可在t2點(diǎn)零電壓開通T2。,第3階段，t3→t4,軟關(guān)斷T4，C4充電，C3放電，T2已開通，D2仍續(xù)流ip，等值電路為圖(c)。,9.5.2一個(gè)周期的開關(guān)過程（續(xù)3）,（a)(c)(d),C3以ip/2放電，C4以ip/2充電，到t4時(shí)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(shí)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。,在此階段vABt34。,9.5.2一個(gè)周期的開關(guān)過程（續(xù)5）,(a)(e),t6時(shí)ip=0T2、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(shí)達(dá)到負(fù)載對(duì)應(yīng)的,D5、D6同時(shí)導(dǎo)電期間vO=0。,第5階段:t6→t7期間,9.5.2一個(gè)周期的開關(guān)過程（續(xù)6）,第6階段t7→t8。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(shí)撤除vG2，T2軟關(guān)斷，結(jié)束從t0-t8半個(gè)周波。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(gè)周波工況。從t8-t16另半個(gè)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,問題：為什么超前橋臂T1、T2實(shí)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(shí)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),同時(shí)要求t=t4時(shí)，,,問題：為什么滯后橋臂T3、T4實(shí)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(shí)間很長(zhǎng)，死區(qū)時(shí)間td必須大于該時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)T3的零電壓導(dǎo)通（9－31）～（9－33）表明，輕載時(shí)很難實(shí)現(xiàn)零電壓開通，但輕載時(shí)負(fù)載電流小，開關(guān)損耗不大，設(shè)計(jì)時(shí)可折中考慮。如果實(shí)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(shí)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(shí)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(jí)或三級(jí)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(jí)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(jí)變換直流電源。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(duì)交流電動(dòng)機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)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(duì)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(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例。,小結(jié)（續(xù)1）,有中間交流環(huán)節(jié)的直流電源，常用于對(duì)供電質(zhì)量要求較高的直流負(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(jí)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(duì)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(jí)變換應(yīng)該是最佳技術(shù)方案。,,交流供電時(shí)常采用AC/DC—DC/AC兩級(jí)變換得到負(fù)載所需的交流電壓，直流供電時(shí)常采用DC/AC—AC/DC兩級(jí)變換得到負(fù)載所需的直流電壓。,小結(jié)（續(xù)2）,