東南大學(xué) 電力電子技術(shù)課件4

6.直流變換器直流變換器是將直流電變換為電壓可變的直流電，又稱斬波器。6.1斬波原理和控制方式Ui_+Uo_+tUiUoToffTon斬波器輸出電壓開(kāi)關(guān)在一周內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間與導(dǎo)通周期之比稱為占空比。斬波器輸出電壓具有豐富的諧波，提高開(kāi)關(guān)工作頻率，可以減小濾波裝置。斬波器的控制方式有三種：定頻調(diào)寬(PWM)、定寬調(diào)頻、調(diào)頻調(diào)寬。6.2直流變換器的基本電路降壓式變換器tUiuUoi0Uo=Ui工作原理：S導(dǎo)通，D截止，L、C充電，i0上升；S關(guān)斷，D導(dǎo)通，L、C放電，i0下降。Ui_+i0UoCDSL負(fù)載_+u_+升壓式變換器iLUoutUiTonToff因?yàn)殡妷簎的平均值等于Ui，所以UoToff=Ui(Ton+Toff)，即S導(dǎo)通，D截止，L充電，負(fù)載由C提供電能；Ui_+iLUoCDSL負(fù)載_+_+u_+_+S關(guān)斷，D導(dǎo)通，u為uL和Ui之和，電感放電，電容充電。電容足夠大，輸出端電壓Uo近似不變。升降壓式變換器工作原理：S導(dǎo)通，D截止，L充電，負(fù)載由C提供電能；S關(guān)斷，D導(dǎo)通，電感放電，電容充電，電容足夠大，輸出端電壓Uo近似不變。uL-UotUiTonToff因?yàn)殡妷簎L的平均值等于0，所以UoToff=UiTon，即Ui_+uLU0CDSL負(fù)載_+_+6.4輸入與輸出隔離的直流變換器隔離式直流變換器基本原理是先將直流變換為交流，經(jīng)變壓器隔離后再經(jīng)整流得到直流電，也稱為間接直流變換器。單端反激式u1-U1tUiTonToffVMuoUiTDCRLu1N1N2變壓器：U1/N1=Uo/N2變壓器一次側(cè)電壓u1平均值為0，所以UiTon=U1Toff，即是升/降壓式直流變換器。單端：變壓器鐵心只有單一方向的磁通。反激：VM導(dǎo)通時(shí)，沒(méi)有將能量直接傳輸?shù)截?fù)載，而是由電感存儲(chǔ)。單端正激式uoTD1CRLN2D2LVMUiN1u2輸出電壓Uo=TonU2/T=U2=Ui/n當(dāng)VM關(guān)斷時(shí)，變壓器磁場(chǎng)能量沒(méi)有泄放回路，會(huì)產(chǎn)生過(guò)壓。解決方法：附加繞組法、RCD鉗位法、有源鉗位法。u2tUoTonToffVM導(dǎo)通時(shí)，D3截止，D1導(dǎo)通，變壓器傳輸能量。VMuoUiTD1CRLN3N2D2N1D3L附加磁復(fù)位繞組電路VM截止時(shí)，D3導(dǎo)通，D1截止，變壓器能量回送電源。VMUiT+i++ioUiTD3i+++半橋式直流變換電路VM1導(dǎo)通時(shí)，VM2截止，直流電源經(jīng)VM1、N1和C2構(gòu)成回路，C2充電；C1經(jīng)VM1、N1放電。VM2導(dǎo)通時(shí)，VM1截止，C2經(jīng)N1、VM2放電，直流電源經(jīng)C1、N1、VM2構(gòu)成回路，C1充電。ugs1tugs2tu2tUiD1uoD2D3D4C1C2TN1LN2N2CRLVM1VM2u2ugs1ugs2適合于低電壓、大電流場(chǎng)合的同步整流：應(yīng)用專用P-MOSFET作為整流二極管，采用反向控制的方式工作，可有極低的導(dǎo)通電阻(m級(jí))。MOSFET的反向控制方式：uGS為正，uDS為負(fù)，管子導(dǎo)通。uoTD1CRLN2D2LVMuiN1柵極電壓與整流電壓同步。單端正激式電路uGS+uDS+GDS將D1、D2用P-MOSFET管替換，可構(gòu)成高頻、低功耗電路。uoTCRLN2LVMuiN1VM1VM2同步整流：VM導(dǎo)通，同時(shí)VM1導(dǎo)通，VM2關(guān)斷；VM關(guān)斷，同時(shí)VM1關(guān)斷，VM2導(dǎo)通。uoCRLN2LVM1+iuoCRLN2LVM2+i7無(wú)源逆變和變頻7.1概述逆變：直流變換成交流，分為有源逆變和無(wú)源逆變。變頻：交－交變頻，交－直－交變頻。逆變電路基本結(jié)構(gòu)_+E122'1'_+utuE0_+E361452ABC三相逆變電路結(jié)構(gòu)負(fù)載交流電壓波近似為矩形波，輸出動(dòng)態(tài)阻抗小。直流側(cè)電壓極性不能改變，無(wú)功電流由二極管提供通路，所以每個(gè)晶閘管反并聯(lián)二極管。同一橋臂上晶閘管不能同時(shí)導(dǎo)通，電流保護(hù)要求高。逆變器的兩種類型：電壓源型和電流源型。電壓源型，直流側(cè)儲(chǔ)能元件為電容；Ud_+D1ZD4T1T4D3D2T3T2Ctiu電流源型，直流側(cè)儲(chǔ)能元件為電感。Ud_+ZT1T4T3T2L電流型逆變器直流側(cè)的電流方向不變，無(wú)需并聯(lián)二極管，管子保護(hù)容易，但對(duì)管子耐壓有較高要求，輸出矩形波電流，諧波電流大。需要解決的問(wèn)題：(1)電壓或電流為方波；(2)一橋臂上的兩個(gè)管子不能同時(shí)導(dǎo)通；(3)感性負(fù)載的滯后電流的通路；(4)晶閘管強(qiáng)迫關(guān)斷。tiu7.2負(fù)載換流逆變器7.2.1晶閘管的換流方式換流是指電流從一個(gè)晶閘管轉(zhuǎn)移到另一個(gè)晶閘管的過(guò)程。涉及到晶閘管的關(guān)斷問(wèn)題。晶閘管有三種換流方式：(1)電網(wǎng)換流，利用交流電源周期性反向電壓關(guān)斷晶閘管，如可控整流電路，交流調(diào)壓電路；(2)負(fù)載換流，容性負(fù)載具有超前電流，當(dāng)電流由正變負(fù)時(shí)，反向電流對(duì)晶閘管形成反壓，便可關(guān)斷晶閘管。tiut0iu+Z(3)強(qiáng)迫換流，利用儲(chǔ)能元件，構(gòu)成諧振電路，組成換流環(huán)節(jié)，換流時(shí)在晶閘管陽(yáng)極加上反向脈沖電壓，迫使管子關(guān)斷。采用強(qiáng)迫換流的晶閘管斬波器C_+LRT2D1D2Ui_+idD3LdT1MUd_+換流電路包括T2、L、C、D1、D2。圖中R為預(yù)充電電阻，在斬波器工作之前使C上充上正向電壓uC=Ui。7.2.2RLC串聯(lián)諧振逆變器Ui_+CD1RLD2D4D3T1T3T2T4BAC電路中，R、L為電感線圈，C為補(bǔ)償電容，負(fù)載阻抗為容性。RLC構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，參數(shù)滿足。工作過(guò)程：T1、T2導(dǎo)通，負(fù)載串聯(lián)諧振，負(fù)載兩端電壓為正并保持不變，電流產(chǎn)生衰減正弦振蕩。負(fù)載電流反向時(shí)，T1、T2關(guān)斷，D1、D2導(dǎo)通續(xù)流。T3、T4導(dǎo)通后諧振過(guò)程與此相同，只是電流反向。振蕩周期為T0，觸發(fā)周期Tg，應(yīng)有Tg>T0/2。itT0Tg0itT0=Tg0itT0Tg0不考慮管子壓降，負(fù)載電壓為矩形波，基波電流超前電壓波。uABUi_+CD1RLD2D4D3T1T3T2T4BACi7.3強(qiáng)迫換流電壓型逆變器串聯(lián)電感式逆變器Ui_+D1R1ZD4T1L3T4C1C4D3R2D2T3T2C3C2L2L1L4電路中C1～C4、L1～L4組成強(qiáng)迫換流電路，L1與L4緊耦合，電阻R1、R2用作消耗換流能量。二極管為電壓型逆變器滯后電流通路。換流是在同一橋臂上兩個(gè)管子之間進(jìn)行。換流時(shí)負(fù)載電流近似不變。穩(wěn)定導(dǎo)通Ui_+_+_+關(guān)斷過(guò)程Ui_+_+_+_+_+換流階段Ui_+D1R1ZD4T1L3T4C1C4D3R2D2T3T2C3C2L2L1L4Ui_+_+_+反饋階段Ui_+_+_+電流反向Ui_+_+_+換流階段7.5逆變器的諧波和調(diào)壓電壓型逆變器含有豐富的電壓諧波，電流型逆變器含有豐富的電流諧波。減小諧波的措施有加入濾波器、應(yīng)用PWM控制、提高開(kāi)關(guān)頻率、采用合適的電路結(jié)構(gòu)等。輸出交流電壓的調(diào)節(jié)方式M逆變可控整流M逆變整流斬波逆變器多重化：多個(gè)逆變器輸出電壓幅值不變，相位不同，輸出電壓疊加。M逆變整流多重化MPWM整流交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，為電機(jī)磁場(chǎng)不變，要求輸出頻率和電壓同步變化，應(yīng)用PWM控制可方便地實(shí)現(xiàn)。7.6脈寬調(diào)制(PWM)逆變器PWM技術(shù)就是控制開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間比，即調(diào)節(jié)脈沖寬度或周期來(lái)控制輸出電壓的一種技術(shù)。PWM常用于電壓型逆變器，可消除或減小低次諧波，使濾波器體積減小，有利于小型化和降低成本?，F(xiàn)常用正弦波PWM，諧波分量小，應(yīng)用廣。交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的基本要求：諧波要小，頻率與電壓成正比變化。正弦脈寬調(diào)制(SPWM)原理PWM是用正弦波與三角波比較后得到等幅不等寬的脈沖序列。tu0tu0雙極性調(diào)制波SPWM有單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種方式tu0單極性調(diào)制波單極性調(diào)制方式：正弦波稱為調(diào)制波，幅值為USM，頻率為fS；三角波稱為載波，幅值為UTM，頻率為fT。雙極性調(diào)制方式幅值比(調(diào)制比)M=USM/UTM

頻率比(載波比)N=fT/fS

逆變器輸出頻率與正弦調(diào)制波頻率相同；載波幅度不變，改變調(diào)制波幅度，即可改變逆變器輸出電壓。PWM逆變器工作方式Ud_+D1ZD4T1T4D3D2T3T2C當(dāng)正弦載波電壓的瞬時(shí)值大于三角波電壓值時(shí)，逆變器的開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通，反之開(kāi)關(guān)元件截止。采用單極性調(diào)制時(shí)，在正弦波的半個(gè)周期內(nèi)只有一對(duì)開(kāi)關(guān)器件(T1、T2或T3、T4)導(dǎo)通和關(guān)斷；采用雙極性調(diào)制時(shí)，兩對(duì)開(kāi)關(guān)器件(T1、T2和T3、T4)輪流導(dǎo)通。載波比N=fT/fS越大，逆變器輸出電壓越接近正弦波，諧波分量越小。但三角載波的頻率受開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)頻率限制。PWM逆變器的優(yōu)點(diǎn)：既可分別調(diào)頻、調(diào)壓，也可同時(shí)調(diào)頻調(diào)壓，主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；交－直－交型式變頻電路的功率因數(shù)接近于1；電路響應(yīng)速度快，具有優(yōu)良的控制特性；輸出電壓和電流諧波分量小、頻率高，便于濾波。8.軟開(kāi)關(guān)技術(shù)開(kāi)關(guān)高頻化的優(yōu)點(diǎn)：可減小變換裝置的體積和重量，降低成本；使諧波頻率提高、分量減小，利于濾波。器件在開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)功率p=ui，有開(kāi)關(guān)損耗。ui軟開(kāi)關(guān)波形ui硬開(kāi)關(guān)波形開(kāi)通關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中，使器件在電壓或電流為零時(shí)切換，稱為軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。緩沖電路是一種最簡(jiǎn)單的軟開(kāi)關(guān)，但效率低。硬開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)：開(kāi)關(guān)損耗隨頻率的增加而增加，因而限制開(kāi)關(guān)頻率的提高；器件關(guān)斷時(shí)，電流下降，會(huì)在電感上產(chǎn)生感應(yīng)電壓；器件開(kāi)通時(shí)，結(jié)電容上儲(chǔ)能在器件內(nèi)耗散，使器件發(fā)熱；負(fù)載換流時(shí)，由于二極管存在反向恢復(fù)期，容易造成直流電源短路。Ui_+CD1RLD2D4D3T1T3T2T4C8.2軟開(kāi)關(guān)種類零電流開(kāi)關(guān)ZCS零電壓開(kāi)關(guān)ZVSuit1t2t3t4零電流開(kāi)通：t1時(shí)開(kāi)通，電流緩升；零電壓開(kāi)通：t2時(shí)開(kāi)通，開(kāi)通前電壓降為0；零電壓關(guān)斷：t3時(shí)關(guān)斷，電壓緩升；零電流關(guān)斷：t4時(shí)關(guān)斷，關(guān)斷前電流降為0。硬開(kāi)關(guān)的通斷控制簡(jiǎn)單，不需附加電路。軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)需附加LC電路，通斷控制比較復(fù)雜。常用LC諧振電路實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，也稱為諧振開(kāi)關(guān)。8.3軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用LC諧振電路的電壓或電流過(guò)零實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)切換有三種類型：諧振型、零開(kāi)關(guān)PWM和零轉(zhuǎn)換PWM。(1)諧振型零電流諧振開(kāi)關(guān)分為半波型和全波型，半波型諧振開(kāi)關(guān)也稱為準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)，只有半個(gè)諧振周期起作用。CrSLrCrLrS全波型CrSLrCrSLr半波型零電壓諧振開(kāi)關(guān)半波型CrSLrCrLrS諧振型開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生較大電壓峰值，造成開(kāi)關(guān)器件耐壓要求提高；諧振電流有效值增大，導(dǎo)致電路導(dǎo)通損耗增加；諧振周期隨輸入電壓和輸出負(fù)載變化而變化，電路只能采用調(diào)頻控制，使電路設(shè)計(jì)困難。CrSLrCrSLr全波型(2)零開(kāi)關(guān)PWM型這類電路引入輔助開(kāi)關(guān)來(lái)控制諧振開(kāi)始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生在開(kāi)關(guān)狀態(tài)改變的前后。電路可采用定頻的PWM控制方式。零電流開(kāi)關(guān)S1CrSLrLDS1CrSLr零電壓開(kāi)關(guān)LD(3)零轉(zhuǎn)換PWM型這是將諧振電路與開(kāi)關(guān)器件并聯(lián)，避免主電流流過(guò)諧振電路，并可避免串聯(lián)電感感應(yīng)電勢(shì)與電源電壓疊加后加在開(kāi)關(guān)器件上?？?/p>