电力电子与现代控制电力电子线路及其触发控制第四部分.pptx

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1、交流交流- -交流变换器交流变换器n前言前言n交流调压器（晶闸管交流调压器和交流调压器（晶闸管交流调压器和PWMPWM控制交流调压器）控制交流调压器）n晶闸管循环变流器晶闸管循环变流器n矩阵式变换器矩阵式变换器n本章小结本章小结第1页/共35页前言前言nAC/AC变换器：将一种交流变换成另外一种交流电的电力电子装置,可分成两大类； 交流调压器：仅改变输出电压的幅值，输出频率不变。 交交变频器：可产生幅值、频率和相位可变的交流电,可分为以下两类。 循环变流器：由晶闸管构成，采用相控方式， 输出频率一般不超过输入频率的一半。 矩阵式变换器：由可关断器件构成，输出频率 不受限制。第2页/共35页单相

2、晶闸管交流调压器单相晶闸管交流调压器)(2sin2sin1)()sin2(12SSOVtdtVVaVtdtVVSS2sin21)()sin2(120sitVvsssin2RoiOv1T4T1gi4gi4Ti1TitVvsssin20 02tRvio00 0t2A AB BC CD Dovov电流不连续，输出电压为：（1） 时，iivOSO,tVvvSSOsin2均为正弦波。均为正弦波。（2） 时 1、带电阻性负载时、带电阻性负载时2、带电阻电感性负载时、带电阻电感性负载时RLtg1负载角输出电压失控第3页/共35页S3,S4: 负载续流开关S1S4:自关断功率器件单相单相PWMPWM交流电压控

3、制器交流电压控制器第4页/共35页ANVBNVCNVNRRR1T2T3T4T5T6T(a) 电路0AVBVCVt060IIIIII1T3T2T4T5T6TAiA BVA CVB CVRVA B20600)(btuRVA C2晶闸管三相晶闸管三相Y Y联结电压联结电压控制器控制器=60 =60 电阻性负载电阻性负载两相同时导电，两相同时导电， 120120导电导电第5页/共35页晶闸管三相晶闸管三相Y Y联结电压控制器联结电压控制器ANVBNVCNVNRRR1T2T3T4T5T6T(a) 电路a=150 时完全不能导电。所以电阻负载控制角a 的调控范围为： 0 - 150 三相阻感性负载，分析方

4、法与单相电路相同。a=120a=120 电阻性负载电阻性负载两相间断导电，导电角小于两相间断导电，导电角小于120120。第6页/共35页晶闸管相控交流晶闸管相控交流/交流变频器（循环变流交流变频器（循环变流器）器）n基本工作原理 n电路结构n循环变流器的优缺点第7页/共35页UAUBUCuo+-io基本工作原理基本工作原理（以三相（以三相/单相循环变流器为例）单相循环变流器为例）正组和反组工作状态三相/单相半波循环变流器 正组正组反组反组三相交流输入单相交流输出当负载为感性负载时，正反组交替工作在整流和逆变工作状态，见左图所示。循环变流器由两套整流电路反并联构成，其中一套向负载提供正向电流，

5、称之为正组，另外一套向负载提供反向电流，称之为反组。第8页/共35页UAUBUCuo+-io基本工作原理基本工作原理（以三相（以三相/单相循环变流器为例）单相循环变流器为例） 在上图所示的三相半波循环变流器中，假如在输出电压的每个半周期中不断地改变正(负)组整流桥的控制角，这就意味着每一小段(约T1/3)的电压平均值也在不断改变。以一定的规律控制的变化，就能使输出电压的平均值呈正弦规律变化。同样也可得到按正弦规律变化的正(负)半周期电压。这样就输出了一个电压平均值呈正弦规律变化的电压波。改变的变化周期，就可改变所输出的正弦电压的频率；改变最小移相角的数值，就可改变所输出正弦电压的幅值。这就是循

6、环变流器的工作原理。 输出电压输出波形三相/单相半波循环变流器 正组组反组组=0 =90=90 =180 =90=90 三相交流输入单相交流输出第9页/共35页同步余弦波循环变流器的触发控制方法循环变流器的触发控制方法- -余弦交截余弦交截法法余弦交截法：与全控整流桥的控制方法类似，具体是，将输入电压波移相60度电度，产生其同步余弦波，将参考电压波，即理想输出的电压波与同步余弦波的下降沿（P组）或上升沿（N组）比较交截，交截点即为对应晶闸管的触发时刻。由全控制整流桥的分析可知，在余弦交截法控制下，循环变流的输出电压与参考电压波正比例关系。参考电压波交截点P组组N组组第10页/共35页常用的电路

7、常用的电路结构结构 三脉波循环变流器三脉波循环变流器六脉波循环变流器六脉波循环变流器1212脉波循环变流器脉波循环变流器第11页/共35页循环变流器的优缺点循环变流器的优缺点 循环变流器一般只适用于球磨机、矿井提升机、电动车辆、大型轧钢设备等低速大容量拖动场合。循环变流器的优点：n只需一级变换环节；n晶闸管工作在自然换流工况；n能量可双向传递，易实现电机的四象限运行；n低频输出时可获得较高质量的正弦电压波形。缺点： n输出频率受到其电网频率的限制，最大变频范围在电网频率二分之一以下；n晶闸管用量多，且控制复杂；n输入功率因数低；n交流电源输入电流谐波严重，且难于抑制。第12页/共35页p电路结

8、构电路结构p控制方法控制方法p特点特点矩阵式变换器矩阵式变换器第13页/共35页省略输出电感省略输出电感LABCRSTABCRST三脉冲循环变流器三脉冲循环变流器正反并联晶闸管可等正反并联晶闸管可等效为半控交流开关效为半控交流开关三脉冲循环变流器等效拓扑三脉冲循环变流器等效拓扑电路结构：从三脉冲循环变流器拓扑到矩阵式变换器拓扑的转化从三脉冲循环变流器拓扑到矩阵式变换器拓扑的转化半控交流开关的实现半控交流开关的实现第14页/共35页矩阵式变换器（MC）矩阵式变换器矩阵式变换器 (Matrix Converter)如果将交流开关采用下图的全控器件实如果将交流开关采用下图的全控器件实现，可得到矩阵式

9、变换器电路如左图所现，可得到矩阵式变换器电路如左图所示。示。全控交流开关的实现全控交流开关的实现第15页/共35页矩阵式变换器开关状态的限制矩阵式变换器开关状态的限制电压型逆变器电流型逆变器电流型逆变器p 电感（电流源）不能开路p 电容（电压源）不能短路变换器开关状态主要受电路拓扑中的无源器件的限制ASA4SA1BSA6SA3CSA2SA5idc+_ASA1SA4SA3SA6SA5SA2BCp 直流电容限制：SA1,SA4(SA3,SA6)(SA5,SA2)不能同时导通。p 交流电感限制： 反并联二极管自动满足。p 直流电感限制：SA1,SA3,SA5(SA4,SA6,SA2)中至少一个导通。

10、p 交流电容限制： 串联二极管自动满足。矩阵式变换器矩阵式变换器ABC输出输入SA1SA2SA3SB1SB2SB3SC1SC2SC3p 输入电容限制：SA1,SA2,SA3(SBx) (SCx)中至多一个导通。p 输出电感限制：SA1,SA2,SA3(SBx) (SCx)中至少一个导通。第16页/共35页矩阵式变换器控制方法矩阵式变换器控制方法Venturini 开关状态矩阵计算方法如果输入功率因数为1，占空比m的计算可简化为：输入电压Vi和输出电压Vo分别为：输入电流ii和输出电流io分别为：则占空比m的计算公式为：限制条件：第17页/共35页Input Frequency = 60Hz,

11、Output Frequency = 40HzSwitching Frequency = 4kHz , 12HP Induction Motor Load第18页/共35页矩阵式变换器的特点矩阵式变换器的特点优点：优点：直接实现变换，无须直流电容；输出频率不受输入频率的限制；可以实现四象限运行；正弦输入电流和输出电压；如果开关频率足够高，可以提高功率密度缺点：缺点：输出电压只有输入电压的87%，即电压利用率为87%；需要的功率器件的数目较多；触发控制复杂；保护较困难。第19页/共35页电力电子线路及其控电力电子线路及其控制制5、复合型变换器第20页/共35页复合型电力电子变换器复合型电力电子变

12、换器n引言引言n具有中间交流环节的直流电源具有中间交流环节的直流电源n带直流环节的带直流环节的AC/DC-DC/ACAC/DC-DC/AC变换器变换器 n小结小结第21页/共35页引言引言 复合型电力电子变换器是由四种基本的AC/DC、DC/DC、DC/AC和AC/AC变换器经过组合构成的一种功率变换器，实际应用的大多数电力电子装置基本上都是复合型的。采用复合的主要因素有： 1、输出/输出电源电压、电流的适配需要； 2、进一步提高功率密度和改善性能。主要缺点是：复合的环节越多，电力电子变换器的效率就越低、控制和检测环节就越多，也越复杂。第22页/共35页具有中间交流环节的直流电源具有中间交流环

13、节的直流电源半桥型DC/AC-AC/DC直流电源 全桥型DC/AC-AC/DC直流电源第23页/共35页半桥型半桥型DC/AC-AC/DCDC/AC-AC/DC直流电源直流电源 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：DSonDOVDNNTTVNNV1212221 占空比：占空比： 0D0.5 D=Ton / Ts 第24页/共35页 上图(a)和(b)中：正半周Ton期间，T1、T4同时导通，D5、D8导通；负半周Ton期间，T2、T3同时导通，D6、D7导通，则高频变压器的原副边都会产生高频（1/

14、Ts）的幅值为VD的交流方波电压，经输出整流桥变换成稳定的直流电压。 为了防止由于T1on T2on造成的则UAB中的直流分量引起的变压器直流偏磁现象，在图（a)中高频变压器的原边绕组串联了一个隔直电容C，这样可以使UAB中的直流分量降落在C上，则变压器原边绕组N1上只有交流电压分量，变压器无直流磁化。此时输出的直流电压为：全桥型全桥型DC/AC-AC/DCDC/AC-AC/DC直流电源直流电源) 5 . 00;210(221212DTTDVNNTTVNNVSonDSonDO第25页/共35页移相全桥零电压开关移相全桥零电压开关DC/AC-AC/DCDC/AC-AC/DC变换变换器器移相调制控

15、制方式传统调制控制方式Q1Q2Q3Q4UABIprimIf特点：n Q1和Q3、Q2和Q4互补导通，且Q2滞后Q1一个移相角度；n Q1(Q2)触发时刻，Iprim为负，D1(D2)导通，实现零电压导通(ZVT)；同样地， Q3(Q4)触发时，Iprim为正，D3(D4)导通，实现零电压导通(ZVT)。第26页/共35页带直流环节的带直流环节的AC/DC-DC/ACAC/DC-DC/AC变换器变换器电流型AC/DC-DC/AC变换器 中间直流环节为电感（直流电流源）电压型AC/DC-DC/AC变换器 中间直流环节为电容（直流电流源）间接矩阵变换器 中间直流环节没有无源器件第27页/共35页电流

16、型AC/DC-DC/AC变换器晶闸管整流负载换相逆变电流源变流器晶闸管整流PWM逆变电流源变流器PWM整流PWM逆变电流源变流器第28页/共35页三相二极管整流PWM逆变电压源变流器三相背对背变流器（PWM整流PWM逆变电压源变流器）电压型AC/DC-DC/AC变换器第29页/共35页三相二极管整流PWM逆变电压源变流器三相背对背变流器（PWM整流PWM逆变电压源变流器）电压型AC/DC-DC/AC变换器第30页/共35页电压型AC/DC-DC/AC变换器单相二极管整流PWM逆变电压源变流器单相半桥式PWM整流PWM逆变电压源变流器单相PWM整流PWM逆变电压源变流器单相高功率因数整流PWM逆

17、变电压源变流器第31页/共35页单相高功率因数整流器的控制控制目标：输入电流is为正弦波直流母线电压Vd等于给定值Vd*控制方法：直流母线电压Vd,采用电压闭环控制，电压调节器输出为电流给定的幅值。输入电流is，采用电流闭环控制，其电流给定波形与输入电压同相，幅值为电压调节器的输出。电压调节器电流调节器单相高功率因数整流器控制系统框图第32页/共35页Very Sparse Matrix Converter (VSMC) Inverting Link Matrix Converter (ILMC)Sparse Matrix Converter (SMC)Ultra Sparse Matrix

18、Converter (USMC)间接矩阵变换器第33页/共35页小小 结结 n由晶闸管组成的由晶闸管组成的AC/DCAC/DC变换器又称相控整流器，可以工作在整流和有源逆变两种工作状态，变换器又称相控整流器，可以工作在整流和有源逆变两种工作状态，其控制的基本方法为同步余弦法；其控制的基本方法为同步余弦法；n由全控器件构成的由全控器件构成的AC/DCAC/DC变换器，不仅可以控制输出电压值，而且还可以使输入电流保持正变换器，不仅可以控制输出电压值，而且还可以使输入电流保持正弦波，且功率因数为弦波，且功率因数为1 1，又称功率因数控制器，其控制方法为，又称功率因数控制器，其控制方法为SPWMSPW

19、M或或SVPWMSVPWM；nDC/DCDC/DC变换器分成隔离型和非隔离型两类，非隔离型变换器分成隔离型和非隔离型两类，非隔离型DC/DCDC/DC变换器又有变换器又有BuckBuck、BoostBoost和和Buck/BoostBuck/Boost三种基本类型，隔离型有反激式和正激式两种基本类型，它们都采用的三种基本类型，隔离型有反激式和正激式两种基本类型，它们都采用的DC PWMDC PWM进进行控制；行控制；n由晶闸管组成的由晶闸管组成的AC/ACAC/AC变换器如仅控制输出电压，称之为相控斩波器，如输出电压的幅值和变换器如仅控制输出电压，称之为相控斩波器，如输出电压的幅值和频率均能控

20、制称之为循环变流器，其输出频率不到输入频率的一半，其控制方法为余弦交截频率均能控制称之为循环变流器，其输出频率不到输入频率的一半，其控制方法为余弦交截法。由全控器件组成的法。由全控器件组成的AC/ACAC/AC变换器称之为矩阵逆变器，其输出频率不受限制；变换器称之为矩阵逆变器，其输出频率不受限制；nDC/ACDC/AC变换器，又称无源逆变器，由电压型和电流型两类。其中电压型又有两电平和多电平变换器，又称无源逆变器，由电压型和电流型两类。其中电压型又有两电平和多电平之分。电压型逆变器的控制方法有之分。电压型逆变器的控制方法有SPWMSPWM和和SVPWMSVPWM；n由上述四种基本变换器类型进行

21、组合，根据需要可以构成由上述四种基本变换器类型进行组合，根据需要可以构成DC/AC/DCDC/AC/DC或或AC/DC/ACAC/DC/AC复合电力电子复合电力电子变换器。变换器。电力电子线路（拓扑）的发展的动力：电力电子线路（拓扑）的发展的动力：n新型电力电子器件的出现；新型电力电子器件的出现；n新的需求：包括输出新的需求：包括输出/ /输出参数的需求，动静态性能的需求，能量密度的需求，效率的需求输出参数的需求，动静态性能的需求，能量密度的需求，效率的需求等；等；n新触发控制方法的出现。新触发控制方法的出现。 由电力电子器件可以构成以下四类基本的电力电子变换器：由电力电子器件可以构成以下四类基本的电力电子变换器： AC/DCAC/DC变换器、变换器、DC/DCDC/DC变换器、变换器、AC/ACAC/AC变换器和变换器和DC/ACDC/AC变换器，以及由这四类变换器构成的复合型变换器。变换器，以及由这四类变换器构成的复合型变换器。第34页/共35页感谢您的观看！第35页/共35页