柔性電力技術(shù)第2章電力變換電路與控制

1、第2章電力變換電路與控制主講：張麗霞中國石油大學(xué)信息與控制工程學(xué)院電力變換通常由電力電子電路實(shí)現(xiàn)，可分為四大類:交流變直流 AC/DC直流變直流 DC/DC直流變交流 DC/AC交流變交流 AC/AC本章重點(diǎn)：四類變換的典型電路及其控制方法 2.1交流-直流變換電路2.1.1單相可控整流電路單相半波可控整流電路及波形21cos0.452dUU帶阻感負(fù)載的單相半波可控整流電路及波形 比帶電阻負(fù)載時(shí)平均值減小 單相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形 20.9cosdUU當(dāng)負(fù)載為蓄電池、直流電動(dòng)機(jī)的電樞 2arcsin2EU為停止導(dǎo)電角2.1.2三相可控整流電路開關(guān)導(dǎo)通情況依次為： 三相橋式全

2、控整流電路原理圖 三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載=0時(shí)的波形 0021.35dLUU2LU為變壓器二次側(cè)線電壓的有效值 2.1.3三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)的電壓波形 2.1.4整流電路的功率因數(shù)和諧波(2)三相橋式全控整流電路 通常電力系統(tǒng)中裝設(shè)的并聯(lián)補(bǔ)償電容器，可對相移功率因數(shù)DPF進(jìn)行校正，但畸變所引起的功率因數(shù)降低則只能通過減小諧波含有率得到改善。2.1.5交流電感對換相的影響由于換相的影響，交流側(cè)電流波形將發(fā)生變化，這會(huì)對功率因數(shù)以及注入交流系統(tǒng)的諧波電流產(chǎn)生影響。 2.1.6 雙三相橋式整流電路變壓器接線方式不同時(shí)電網(wǎng)側(cè)電流波形 將上述兩組

3、不同的變壓器組合起來，其電網(wǎng)側(cè)的總電流中將不再含有5、7、17、19等次數(shù)的諧波，而只含有12k1次的特征諧波，即為12脈動(dòng)整流，如圖(c)所示，2.2 直流-直流變換電路 將一種幅值直流電壓變換成另一幅值固定或大小可調(diào)的可控直流電壓的過程稱為直流-直流電壓變換。由于這類變換的基本原理是利用開關(guān)器件對輸入電壓波形周期性地“斬切”，因此也常稱為斬波器。主要內(nèi)容：降壓型(Buck)變換器、升壓型(Boost)變換器升降壓(Buck-Boost)變換器全橋直-直變換器 B B u u c c k k C C o o n n v v e e r rt te e r rs s t te e p p -

4、- d d o o w w n n c c h h o o p p p p e e r rB B o o o o s s t t C C o o n n v v e e r rt te e r rs s t te e p p - - u u p p c c h h o o p p p p e e r rB B u u c c k k - - B B o o o o s s t t C C o o n n v v e e r rt te e r r( ( C C u u k k c c o o n n v v e e r rt te e r r) )s s t te e p p - - u u

5、p p / / s s t te e p p - - d d o o w w n nF F u u l ll l- - b b r ri id d g g e e c c o o n n v v e e r rt te e r r/ / i is s o o l la a t te e d d c c o o n n v v e e r rt te e r rM M a a i i n n O O b b j j e e c c t t i i v v e e s sDC/DC 變換器的分類降壓變換器電路原理圖 連續(xù)電流下對應(yīng)的波形(1)連續(xù)電流工作方式 2.2.1 降壓型變換器2)電流臨界連

6、續(xù)工作方式(3)間斷電流方式。 由于應(yīng)用場合不同，降壓變換器有兩種工作方式：輸入電壓不變的間斷電流工作方式：當(dāng)降壓變換器應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)速時(shí)，輸入電壓保持不變，而輸出電壓通過調(diào)節(jié)占空比來控制。輸出電壓不變的間斷電流工作方式。在許多應(yīng)用場合，如直流開關(guān)電源，則需要保持輸出電壓不變，而輸入電壓由于電網(wǎng)的波動(dòng)會(huì)有所變化，通過調(diào)節(jié)占空比保持輸出電壓。(4)選擇合適的低通濾波器截止頻率 ，使 ，可大大減少輸出電壓紋波。 cfcsff2.2.2升壓型變換器升壓變換器電路結(jié)構(gòu)如圖所示，它主要用于直流穩(wěn)壓電源和直流電機(jī)的再生制動(dòng)。 升壓變換器電路原理 2.2.3升降壓型變換器 主要應(yīng)用于要求相對輸入電壓的公共

7、端為負(fù)極性、輸出電壓可高于或低于輸入電壓的直流穩(wěn)壓電源 升降壓變換器電路原理2.2.4全橋直-直變換器上圖為全橋開關(guān)型變換器電路圖，主要應(yīng)用于：(1)直-直(幅值極性)變換，用于直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。(2)直-交(正弦波形)變換，用于單相交流不間斷電源。(3)直-交(中高頻率)變換，用于變壓器隔離式直流開關(guān)電源等。全橋直一直換流器電路單極性電壓開關(guān)脈寬調(diào)制方式雙極性電壓開關(guān)脈寬調(diào)制方式思考：逆變；有源逆變；無源逆變。2.3 直流一交流變換電路負(fù)載電壓負(fù)載電壓負(fù)載電流負(fù)載電流電壓源逆變器 電流源逆變器 逆變器整流器逆變器整流器逆變器整流器逆變器整流器四象限工作情況反并聯(lián)二極管 逆變器輸出瞬時(shí)電壓和電流

8、曲線 無論逆變器輸出是方波還是正弦，在負(fù)載為感性或容性負(fù)載時(shí)，其輸出電壓滯后或超前電流。因此，在任意時(shí)刻（除阻性負(fù)載）其輸出功率的瞬時(shí)值有正有負(fù)。正的輸出功率表明逆變器輸出功率，即能量從逆變器輸入向負(fù)載傳輸；負(fù)的輸出功率表明逆變器工作于整流狀態(tài)，從負(fù)載向逆變器反饋能量。因此逆變器必須能夠工作在四個(gè)象限才能適應(yīng)各種不同的負(fù)載情況。 在第一象限，逆變器輸出電壓和電流均為正，逆變器輸出能量；在第三象限，逆變器輸出電壓和電流均為負(fù)，逆變器輸出能量；即在1、4象限，逆變器工作在逆變狀態(tài)。在第二象限，逆變器輸出電壓為負(fù)，電流為正，逆變器從負(fù)載向逆變器反饋能量；在第三象限，逆變器輸出電壓為正，電流為負(fù)，逆變

9、器從負(fù)載向逆變器反饋能量。即在2、3象限，逆變器工作在整流狀態(tài)。 為了使逆變其能夠在四個(gè)象限工作，功率開關(guān)管反并聯(lián)一個(gè)二極管即可實(shí)現(xiàn)。逆變器波形指標(biāo) 1）諧波因子（Harmonic Factor）第n次諧波因子HFn定義為第n次諧波分量有效值同基波分量有效之值比，即 2）總諧波（畸變）因子THD (Total harmonic distortion factor) 該參數(shù)表征了一個(gè)實(shí)際波形同基波分量的接近程度。輸出為理想正弦波的THD為零。3）畸變因子（Distortion factor）總諧波因子指示了總的諧波合量，但它并不能告訴我們每一個(gè)諧波分量的影響程度，畸變因子定義： 對于第次諧波的畸

10、變因子定義如下： 1VVHFnn1nnVHFV1222,311()nnTHDVV12222,311()nnVDFVn21nnVDFVn逆變器單相逆變?nèi)嗄孀兎讲}寬調(diào)制方波脈寬調(diào)制1、電路結(jié)構(gòu)及原理(1)相半橋電壓型逆變電路相半橋電壓型逆變電路及其工作波形123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:20-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQDD1212VinCCZABiLQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin

11、/2(a)(b)(c)D2D1 (2)單相全橋逆變電路單相全橋逆變電路下圖所示，有四個(gè)功率管、四個(gè)反并聯(lián)二極管組成，其控制方式有雙極性控制、受限雙極性控制和移相控制三種。電壓型逆變電路舉例(全橋逆變電路)123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李 宏 電 路 圖 lihong.ddbDrawn By:QQ13Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)D3D1Q4Q2Q4Q3tt全橋電路受限雙極性控制方式工作波形123456A

12、BCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4全橋電路移相控制方式的工作過程123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbD

13、rawn By:QQDD2424VinZBQQ12Q1VABiRtttQQ12Q1VABiLtttTsTonTs/2TsTs/2TonVin(a)(b)(c)D2D1QQDD1313AQ4Q3Q4Q4D3Q3D4Q4123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Apr-2001Sheet of File:F:李宏電路圖lihong.ddbDrawn By:QQ13Q1VABiRtttTsTs/2VinQ4Q2tasVRL1模式1Q2Q3Q4Q1D2D3D4DoiovsVRL2模式1Q2Q3Q4Q1D2D3D4DoiovsVRL4模式1Q

14、2Q3Q4Q1D2D3D4DoiovsVRL3模式1Q2Q3Q4Q1D2D3D4Doiov( )a1模式02模式22模式332模式2322ovsisisisioi220si1模式2模式3模式4模式( )b三相電壓型橋式逆變電路2、PWM控制的基本原理 面積等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量：窄脈沖的面積。效果：環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形。即：如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 PWM逆變電路的實(shí)質(zhì)是依靠調(diào)節(jié)脈沖寬度改變輸出電壓，通過改變調(diào)制周期達(dá)到改變輸出頻率的目的。要改變等效輸出正弦

15、波的幅值時(shí)，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。實(shí)用的PWM逆變裝置由3部分組成：直流電源、中間濾波環(huán)節(jié)和逆變電路。 分類：(1)根據(jù)調(diào)制脈沖的極性，可分為單極性和雙極性調(diào)制兩種。(2)根據(jù)載頻信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的頻率之間的關(guān)系，可分為同步調(diào)制和異步調(diào)制兩種。(3)根據(jù)基準(zhǔn)信號(hào)的不同，可分為矩形波脈寬調(diào)制和正弦波脈寬調(diào)制等。 矩形波脈寬調(diào)制法：輸出脈沖列是等寬的，只能控制一定次數(shù)的諧波； 正弦波脈寬調(diào)制法：輸出脈沖列是不等寬的，寬度按正弦規(guī)律變化，故輸出電壓的波形接近正弦波。方案：SPWM 3、PWM逆變電路及其控制方法 (1)單相橋式單相橋式PWM逆變電路單極性.PWM控制方式波形雙極

16、性PWM控制方式波形單極性PWM波形諧波畸變低于雙極性(2)三相橋式PWM逆變電路 三相橋式PWM逆變電路三相橋式PWM逆變電路波形為了防止上、下2個(gè)臂直通而造成短路，在給一個(gè)臂施加關(guān)斷信號(hào)后，再延遲某一時(shí)間，才給另一個(gè)臂施加導(dǎo)通信號(hào)。延遲時(shí)間的長短取決于開關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間。但這個(gè)延遲時(shí)間對輸出的PWM波形將帶來一定影響，使其與正弦波產(chǎn)生偏離。3、異步調(diào)制和同步調(diào)制(1)異步調(diào)制：載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不保持同步關(guān)系的調(diào)制方式 (2)同步調(diào)制：載波比等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)保持同步的調(diào)制方式 (3)分段同步調(diào)制：同步調(diào)制和異步調(diào)制結(jié)合起來，構(gòu)成分段同步調(diào)制方式，即把逆變電路的輸出頻

17、率范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)都保持載波比為恒定，不同頻段的載波比不同。各頻段的載波比取3的整數(shù)倍且為奇數(shù)為宜。4、PWM控制技術(shù) 自然采樣法,規(guī)則采樣法,特定諧波消去法 4、PWM控制技術(shù) (1)自然采樣法。按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻，控制功率開關(guān)器件的通斷，這種生成SPWM波形的方法，稱為自然采樣法。要準(zhǔn)確生成SPWM波形，就應(yīng)準(zhǔn)確地計(jì)算出正弦波和三角波的交點(diǎn)。MIsinrttuutktAtB自然采樣法(2)規(guī)則采樣法包括對稱和不對稱規(guī)則采樣法 MIsintkk1k2kk00002dcV2dcV-11Sample pointttAsymmetric sa

18、mpling不對稱采樣Symmetric sampling對稱采樣對稱和不對稱規(guī)則采樣法對于對稱規(guī)則采樣法，以三角波負(fù)半周角平分線與正弦波交點(diǎn)作為采樣點(diǎn)，過此點(diǎn)作平行線，該平行線與三角波在內(nèi)有兩個(gè)交點(diǎn)，此兩個(gè)交點(diǎn)即脈沖的開通時(shí)刻和關(guān)斷時(shí)刻。對于不對稱規(guī)則采樣法，把四等份，等份線與正弦波在內(nèi)有五個(gè)交點(diǎn)，除去二等份線與正弦波交點(diǎn)，剩余兩個(gè)交點(diǎn)，此兩個(gè)交點(diǎn)作為采樣點(diǎn)，過這兩點(diǎn)作平行線與三角波在內(nèi)有四個(gè)交點(diǎn)，取采樣點(diǎn)最近的兩個(gè)交點(diǎn)作為脈沖的開通時(shí)刻和關(guān)斷時(shí)刻。不對稱規(guī)則采樣法生成的梯形波與正弦波逼近程度較高，諧波分量的幅值較小。按沖量相等原理計(jì)算雙極性第k個(gè)PWM脈沖開通和關(guān)斷角11SPAA22SPA

19、A(3)特定諧波消去法。特定諧波消去法中，脈沖開關(guān)時(shí)間不是由三角波載波與正弦調(diào)制波的交點(diǎn)確定的，而是從消除某些特定諧波的目的出發(fā)，通過解方程組確定。特定諧波消去法的輸出PWM波形調(diào)制度基波幅值調(diào)制度基波幅值5、PWM逆變電路的諧波分析不同調(diào)制度時(shí)單相橋雙極性輸出電壓的頻譜圖不同調(diào)制度時(shí)三相橋雙極性輸出電壓的頻譜圖幅值基波諧波次數(shù)幅值基波諧波次數(shù)2.3.5、PWM跟蹤控制技術(shù)1、滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流2、三角波比較方式優(yōu)點(diǎn)： 開關(guān)頻率固定，等于載波頻率，便于高頻濾波器的設(shè)計(jì) 為改善輸出電壓波形，三角波載波常用三相三角波信號(hào)。 比滯環(huán)比較控制方式輸

20、出電流所含諧波少。3、定時(shí)比較方式特點(diǎn)：1. 不用滯環(huán)比較器，而是設(shè)置一個(gè)固定的時(shí)鐘，以固定采樣周期對指令信號(hào)和被控制變量進(jìn)行采樣，并根據(jù)兩者偏差的極性來控制變流電路開關(guān)器件的通斷，使被控制量跟蹤指令信號(hào)。2. 電流控制誤差沒有一定的環(huán)寬，控制的精度要低一些。 2.4、交流-交流變換電路AC/AC變換器交流斬波器DC-Link逆變器On/off 控制觸發(fā)角控制電壓型電流型周波變換器諧振型2.4.1交流調(diào)壓電路電阻負(fù)載2.4.1.1單相調(diào)壓電路阻感負(fù)載電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路基波和諧波電流含量 2.1.2、三相交流調(diào)壓電路(a)星形連接(b)線路控制三角形連接 (c)支路控制三角形連接(d)中點(diǎn)控制三角形連接2.4.2、交流調(diào)功電路控制方法是：在設(shè)定的周期內(nèi)，使晶閘管開關(guān)接通幾個(gè)整周波，再斷開幾個(gè)整周波，通過改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載上的交流平均電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載功率的目的。其直接調(diào)節(jié)對象是電路的平均輸出功率。 過零觸發(fā)調(diào)功電路輸出波形調(diào)功電路通常用于熱慣性較大的電熱負(fù)載2.4.3、交交變頻電路交交變頻電路是不通過中間環(huán)節(jié)而把工頻交流電直接變換成不同頻率交流電的變頻電路.又稱為直接變頻器或周波變換器。這種變頻器可用于交流電機(jī)變