東南大學 電力電子技術課件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斬波器輸出電壓開關在一周內導通時間與導通周期之比稱為占空比。斬波器輸出電壓具有豐富的諧波，提高開關工作頻率，可以減小濾波裝置。斬波器的控制方式有三種：定頻調寬(PWM)、定寬調頻、調頻調寬。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導通，D截止，L、C充電，i0上升；S關斷，D導通，L、C放電，i0下降。Ui_+i0UoCDSL負載_+u_+升壓式變換器iLUoutUiTonToff因為電壓u的平均值等于Ui，所以UoToff=Ui(Ton+Toff)，即S導通，D截止，L充電，負載由C提供電能；Ui_+iLUoCDSL負載_+_+u_+_+S關斷，D導通，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導通，D截止，L充電，負載由C提供電能；S關斷，D導通，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因為電壓uL的平均值等于0，所以UoToff=UiTon，即Ui_+uLU0CDSL負載_+_+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，經變壓器隔離后再經整流得到直流電，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導通時，沒有將能量直接傳輸?shù)截撦d，而是由電感存儲。單端正激式uoTD1CRLN2D2LVMUiN1u2輸出電壓Uo=TonU2/T=U2=Ui/n當VM關斷時，變壓器磁場能量沒有泄放回路，會產生過壓。解決方法：附加繞組法、RCD鉗位法、有源鉗位法。u2tUoTonToffVM導通時，D3截止，D1導通，變壓器傳輸能量。VMuoUiTD1CRLN3N2D2N1D3L附加磁復位繞組電路VM截止時，D3導通，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導通時，VM2截止，直流電源經VM1、N1和C2構成回路，C2充電；C1經VM1、N1放電。VM2導通時，VM1截止，C2經N1、VM2放電，直流電源經C1、N1、VM2構成回路，C1充電。ugs1tugs2tu2tUiD1uoD2D3D4C1C2TN1LN2N2CRLVM1VM2u2ugs1ugs2適合于低電壓、大電流場合的同步整流：應用專用P-MOSFET作為整流二極管，采用反向控制的方式工作，可有極低的導通電阻(m級)。MOSFET的反向控制方式：uGS為正，uDS為負，管子導通。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，可構成高頻、低功耗電路。uoTCRLN2LVMuiN1VM1VM2同步整流：VM導通，同時VM1導通，VM2關斷；VM關斷，同時VM1關斷，VM2導通。uoCRLN2LVM1+iuoCRLN2LVM2+i7無源逆變和變頻7.1概述逆變：直流變換成交流，分為有源逆變和無源逆變。變頻：交－交變頻，交－直－交變頻。逆變電路基本結構_+E122'1'_+utuE0_+E361452ABC三相逆變電路結構負載交流電壓波近似為矩形波，輸出動態(tài)阻抗小。直流側電壓極性不能改變，無功電流由二極管提供通路，所以每個晶閘管反并聯(lián)二極管。同一橋臂上晶閘管不能同時導通，電流保護要求高。逆變器的兩種類型：電壓源型和電流源型。電壓源型，直流側儲能元件為電容；Ud_+D1ZD4T1T4D3D2T3T2Ctiu電流源型，直流側儲能元件為電感。Ud_+ZT1T4T3T2L電流型逆變器直流側的電流方向不變，無需并聯(lián)二極管，管子保護容易，但對管子耐壓有較高要求，輸出矩形波電流，諧波電流大。需要解決的問題：(1)電壓或電流為方波；(2)一橋臂上的兩個管子不能同時導通；(3)感性負載的滯后電流的通路；(4)晶閘管強迫關斷。tiu7.2負載換流逆變器7.2.1晶閘管的換流方式換流是指電流從一個晶閘管轉移到另一個晶閘管的過程。涉及到晶閘管的關斷問題。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斷晶閘管，如可控整流電路，交流調壓電路；(2)負載換流，容性負載具有超前電流，當電流由正變負時，反向電流對晶閘管形成反壓，便可關斷晶閘管。tiut0iu+Z(3)強迫換流，利用儲能元件，構成諧振電路，組成換流環(huán)節(jié)，換流時在晶閘管陽極加上反向脈沖電壓，迫使管子關斷。采用強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為補償電容，負載阻抗為容性。RLC構成串聯(lián)諧振電路，參數(shù)滿足。工作過程：T1、T2導通，負載串聯(lián)諧振，負載兩端電壓為正并保持不變，電流產生衰減正弦振蕩。負載電流反向時，T1、T2關斷，D1、D2導通續(xù)流。T3、T4導通后諧振過程與此相同，只是電流反向。振蕩周期為T0，觸發(fā)周期Tg，應有Tg>T0/2。itT0Tg0itT0=Tg0itT0Tg0不考慮管子壓降，負載電壓為矩形波，基波電流超前電壓波。uABUi_+CD1RLD2D4D3T1T3T2T4BACi7.3強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管子之間進行。換流時負載電流近似不變。穩(wěn)定導通Ui_+_+_+關斷過程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、應用PWM控制、提高開關頻率、采用合適的電路結構等。輸出交流電壓的調節(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整流交流電動機變頻調速時，為電機磁場不變，要求輸出頻率和電壓同步變化，應用PWM控制可方便地實現(xiàn)。7.6脈寬調制(PWM)逆變器PWM技術就是控制開關器件的導通和關斷時間比，即調節(jié)脈沖寬度或周期來控制輸出電壓的一種技術。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，應用廣。交流異步電動機調速的基本要求：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雙極性調制波SPWM有單極性調制和雙極性調制兩種方式tu0單極性調制波單極性調制方式：正弦波稱為調制波，幅值為USM，頻率為fS；三角波稱為載波，幅值為UTM，頻率為fT。雙極性調制方式幅值比(調制比)M=USM/UTM

頻率比(載波比)N=fT/fS

逆變器輸出頻率與正弦調制波頻率相同；載波幅度不變，改變調制波幅度，即可改變逆變器輸出電壓。PWM逆變器工作方式Ud_+D1ZD4T1T4D3D2T3T2C當正弦載波電壓的瞬時值大于三角波電壓值時，逆變器的開關元件導通，反之開關元件截止。采用單極性調制時，在正弦波的半個周期內只有一對開關器件(T1、T2或T3、T4)導通和關斷；采用雙極性調制時，兩對開關器件(T1、T2和T3、T4)輪流導通。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關元件的開關頻率限制。PWM逆變器的優(yōu)點：既可分別調頻、調壓，也可同時調頻調壓，主電路結構簡單；交－直－交型式變頻電路的功率因數(shù)接近于1；電路響應速度快，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.軟開關技術開關高頻化的優(yōu)點：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。器件在開關時產生瞬時功率p=ui，有開關損耗。ui軟開關波形ui硬開關波形開通關斷開關器件在開通或關斷過程中，使器件在電壓或電流為零時切換，稱為軟開關技術。緩沖電路是一種最簡單的軟開關，但效率低。硬開關的缺點：開關損耗隨頻率的增加而增加，因而限制開關頻率的提高；器件關斷時，電流下降，會在電感上產生感應電壓；器件開通時，結電容上儲能在器件內耗散，使器件發(fā)熱；負載換流時，由于二極管存在反向恢復期，容易造成直流電源短路。Ui_+CD1RLD2D4D3T1T3T2T4C8.2軟開關種類零電流開關ZCS零電壓開關ZVSuit1t2t3t4零電流開通：t1時開通，電流緩升；零電壓開通：t2時開通，開通前電壓降為0；零電壓關斷：t3時關斷，電壓緩升；零電流關斷：t4時關斷，關斷前電流降為0。硬開關的通斷控制簡單，不需附加電路。軟開關實現(xiàn)需附加LC電路，通斷控制比較復雜。常用LC諧振電路實現(xiàn)軟開關，也稱為諧振開關。8.3軟開關技術的實現(xiàn)應用LC諧振電路的電壓或電流過零實現(xiàn)開關切換有三種類型：諧振型、零開關PWM和零轉換PWM。(1)諧振型零電流諧振開關分為半波型和全波型，半波型諧振開關也稱為準諧振開關，只有半個諧振周期起作用。CrSLrCrLrS全波型CrSLrCrSLr半波型零電壓諧振開關半波型CrSLrCrLrS諧振型開關會產生較大電壓峰值，造成開關器件耐壓要求提高；諧振電流有效值增大，導致電路導通損耗增加；諧振周期隨輸入電壓和輸出負載變化而變化，電路只能采用調頻控制，使電路設計困難。CrSLrCrSLr全波型(2)零開關PWM型這類電路引入輔助開關來控制諧振開始時刻，使諧振僅發(fā)生在開關狀態(tài)改變的前后。電路可采用定頻的PWM控制方式。零電流開關S1CrSLrLDS1CrSLr零電壓開關LD(3)零轉換PWM型這是將諧振電路與開關器件并聯(lián)，避免主電流流過諧振電路，并可避免串聯(lián)電感感應電勢與電源電壓疊加后加在開關器件上?？?/p>