第9章多级开关电路组合型交流、直流电源*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
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比较本章小结直流-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9.19.1AC/DC-DC/AC变压、变频电源图9.1(a)，异步电动机：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，9.1AC/DC-DC/AC变压、变频电源（续1）SR-PI型速度调节器不同的控制策略，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。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）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。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。末端有源逆变首端相控整流逆变角图9.5(a)(b)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：图9.6(a)(b)(c)(d)占空比：0
>Lr,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)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，保持vC2=0，直到t=t3时刻关断T4。只要死区时间td>t01=t1-t0（＝2C2VD/I0）就可在t2点零电压开T2。，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vAB<0，第3阶段，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。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)第4阶段：9.5.2一个周期的开关过程图9.8(c) (e)t=t4时C3放电到零，这时要必须 此后经D3、VD、D2续流，ip在t6时下降为零，在 期间vC3≡0，T3可实现零电压开通，条件是td>t34。 第5阶段9.5.2一个周期的开关过程图9.8(a)(e)。t6时ip=0T2、T3都是通态，从t6开始，电源VD经T3、N1、T2建立负半波电流，直到t=t7时达到负载对应的D5、D6同时导电期间vO=0。第6阶段：。t=t7以后ip=0，T2、T3已处于负半周通态，经D6向负载供电；此后，在t=t8时撤除vG2，T2软关断，结束从t0-t8半个周波。从t0开始T1软关断，T2零电压开通，T4软关断，T3零电压开通，T2软关断，完成半个周波工况。从t8-t16另半个周波的工况类似。9.5.2一个周期的开关过程图9.8(a)(d)(e)9.5.3开关器件零电压开通条件1.要超前桥臂T2（T1）零电压开通必须若按临界关断缓冲选C2即，即在tfi期间 ， ，使能零电压开通，则要求：问题：为什么超前桥臂T1、T2实现零电压开关比较容易？原因：在C1充电、C2放电过程中，ip较大且恒定不变（等效电感L＝Lr＋K2Lf很大），因此C2迅速放电到零，时间很短，D2很快导电，为T2的零电压开通创造了条件。9.5.3开关器件零电压开通条件2.要滞后桥臂T3（T4）零电压开通必须图9.8(a)(d)(e)同时要求t=t4时，9.5.3开关器件零电压开通条件问题：为什么滞后桥臂T3、T4实现零电压开关比较困难？原因：在滞后桥臂T3开通前的t34期间，电流ip减小很快（在此期间变压器短路，因此仅有谐振电感Lr提供能量),因此电容C3放电到零、D3续流导通的时间很长，死区时间td必须大于该时间才能实现T3的零电压导通（9－31）～（9－33）
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明，轻载时很难实现零电压开通，但轻载时负载电流小，开关损耗不大，
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时可折中考虑。如果实现零电压开通所需的Lr超过变压器漏感，则要外加串联电感。如果开关器件的寄生电容不足以实现软关断要求，则应另外并联电容。9.5.4变压器副方绕组及二极管导电情况图9.8(a)(d)(e)正半周T1、T4同时通态导电时，N21，D5导电。负半周T3、T2同时通态导电时，N22，D6导电。T4关断后，，同时，T3关断后，，同时。9.5.5电压（占空比）丢失情况图9.8(a)(d)(e)在 ， 期间，vAB≠0，但D5、D6同时导电（换流重叠）使输出vo=0因此，零电压开通使输出电压丢失一部分。开关管并联C可有效地改善关断轨迹，减少Poff。图9.8（a）能移相（tδ）调压又能实现零电压开通故得到广泛应用。9.6交流电源、直流负载时电力电子变换系统方案比较小结将基本的整流、逆变、DC/DC变压电路按一定的顺序串联，可以构成二级或三级组合型电力变换电源。例如含有直流中间环节的交流－直流－交流两级变换交流电源，又如含有交流中间环节的直流－交流－直流二级变换直流电源。有中间直流环节的交流电源有两类基本应用领域：一是VVVF变压、变频交流电源对交流电动机供电，实现交流电动机的转速、转矩、转向控制。另一是CVCF恒压、恒频交流电源，用于对供电质量要求较高的交流负载供电，现已得到广泛应用的交流不间断电源UPS就是一个典型的应用实例。有中间交流环节的直流电源，常用于对供电质量要求较高的直流负载，例如通讯系统中48V直流基础电源。图9.8(a)移相全桥零电压开关逆变－不控整流直流电源，由于具有优良的技术特性已成为DC/AC－AC/DC二级变换直流电源的最佳技术方案之一。如果是公用交流电网供电而直流负载功率又比较大、对特性的要求又比较高，则采用高频PWM整流－高频逆变－不控整流三级变换应该是最佳技术方案。小结（续1）交流供电时常采用AC/DC—DC/AC两级变换得到负载所需的交流电压，直流供电时常采用DC/AC—AC/DC两级变换得到负载所需的直流电压。小结（续2）
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