機車電力電子技術(shù) 課件 第四章 直直變換技術(shù)

第四章直直變換技術(shù)4.1直直變換的工作原理4.2基本斬波電路4.3帶隔離變壓器的直流變換電路4.4控制電源工作原理4.1.1脈沖寬度調(diào)制的基本原理脈沖寬度調(diào)制（PWM）是最常見的一種直直變換器的控制方式。PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，通過控制電壓脈沖寬度以達(dá)到變壓目的的一種控制技術(shù)。4.1.1脈沖寬度調(diào)制的基本原理

4.1.1脈沖寬度調(diào)制的基本原理大功率的直直變換器普遍采用電力電子技術(shù)的開關(guān)調(diào)節(jié)方式，也稱為直流斬波器。由于經(jīng)直流斬波器變換后波形發(fā)生變化，會產(chǎn)生諧波，但斬波器的諧波可以通過低通濾波器濾掉。PWM控制原理4.1.2直直變換器的控制方式?脈沖寬度調(diào)制（PWM）：Ts不變，改變ton?脈沖頻率調(diào)制（PFM）：ton不變，改變Ts4.1.3電感的伏秒平衡原理與電容的安秒平衡原理電感的伏秒平衡：穩(wěn)態(tài)條件下，電感兩端電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值為零。利用電感的伏秒平衡原理進(jìn)行推導(dǎo)

伏秒4.1.3電感的伏秒平衡原理與電容的安秒平衡原理電容的安秒平衡：穩(wěn)態(tài)條件下，電容電流在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值為0。利用電容的安秒平衡原理進(jìn)行推導(dǎo)

安秒4.2基本斬波電路DC-DC變換電路根據(jù)電路輸出端與輸入端是否電氣隔離分為：?非隔離型DC-DC變換電路（直流斬波電路）：降壓型變換器(Buck)、升壓型變換器(Boost)、升降壓型變換器(Buck-Boost)、Cuk型變換器、Sepic型變換器、Zeta型變換器?隔離型DC-DC變換電路4.2.1降壓變換器降壓變換器又稱Buck變換器特點：輸出電壓比輸入電壓低，但輸出電流比輸入電流高，主要用于直流電源中，變換器的輸出電壓可根據(jù)輸入電壓和負(fù)載電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。4.2.1降壓變換器電感電流連續(xù)工作模式

4.2.1降壓變換器根據(jù)電感的伏秒平衡原理

連續(xù)導(dǎo)電模式忽略功率損耗

4.2.1降壓變換器2.電感電流斷續(xù)工作模式

4.2.1降壓變換器斷續(xù)模式根據(jù)電感的伏秒平衡原理

忽略功率損耗4.2.1降壓變換器

電感電流連續(xù)的臨界條件平均輸出電流

臨界條件電感電流連續(xù)的條件4.2.2升壓變換器升壓變換器又稱Boost變換器特點：輸出電壓比輸入電壓高。4.2.2升壓變換器電感電流連續(xù)工作模式

4.2.2升壓變換器根據(jù)電感的伏秒平衡原理

連續(xù)導(dǎo)電模式忽略功率損耗4.2.2升壓變換器2.電感電流斷續(xù)工作模式

4.2.2升壓變換器斷續(xù)模式根據(jù)電感的伏秒平衡原理

忽略功率損耗

4.2.2升壓變換器

電感電流連續(xù)的臨界條件平均輸出電流

臨界條件電感電流連續(xù)的條件4.2.3升降壓變換器升降壓變換器又稱為Buck-Boost變換器特點：既可以升壓又可以降壓。4.2.3升降壓變換器電感電流連續(xù)工作模式

4.2.3升降壓變換器根據(jù)電感的伏秒平衡原理

連續(xù)導(dǎo)電模式忽略功率損耗4.2.3升降壓變換器2.電感電流斷續(xù)工作模式

4.2.3升降壓變換器斷續(xù)模式根據(jù)電感的伏秒平衡原理

忽略功率損耗

4.2.3升降壓變換器

電感電流連續(xù)的臨界條件平均輸出電流

臨界條件電感電流連續(xù)的條件4.3帶隔離變壓器的直流變換電路同不帶隔離變壓器的直直變換器相比，帶隔離變壓器的直直變換器增加了交流環(huán)節(jié)。4.3帶隔離變壓器的直流變換電路帶隔離變壓器的直直變換器有正激式(Forward)、反激式(Flyback)、全橋式(Full-Bridge)、半橋式(Half-Bridge)、推挽式(Push-Pull)變換器等。其中反激式變換器是Buck-Boost變換器的隔離方案，其他幾種是由Buck變換器派生的隔離方案。4.3.1正激式變換器N1為高頻變壓器初級繞組，N2為次級繞組，高頻變壓器的初級繞組與次級繞組的極性相同。N3為去磁繞組，其匝數(shù)與N1相同，在S關(guān)斷期間，泄放勵磁電流，使高頻變壓器磁通復(fù)位，否則變壓器不能正常工作4.3.1正激式變換器

4.3.1正激式變換器

電感電壓：4.3.1正激式變換器根據(jù)電感的伏秒平衡原理

優(yōu)點：電路簡單可靠，用于數(shù)百瓦-數(shù)千瓦的開關(guān)電源中缺點：該電路變壓器的工作點僅處于磁化曲線平面的第一象限，只使用了一半的磁心B-H回路，沒有得到充分利用。4.3.2反激式變換器反激式變換器是由基本的升降壓變換器(Buck-Boost)派生而來的。N1為高頻變壓器初級繞組，N2為次級繞組，高頻變壓器的初級繞組與次級繞組的極性相反。4.3.2反激式變換器

4.3.2反激式變換器

電感電壓：

4.3.2反激式變換器根據(jù)電感的伏秒平衡原理

特點：反激型電路的結(jié)構(gòu)最為簡單，元件數(shù)少，用于各種功率為數(shù)瓦-數(shù)十瓦的小功率開關(guān)電源。

4.3.3全橋式變換器

4.3.3全橋式變換器?當(dāng)S1與S4開通后，D1和D4處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。?當(dāng)S2與S3開通后，D2和D3處于通態(tài)，電感L的電流也上升。?當(dāng)4個開關(guān)都關(guān)斷時，4個二極管都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電流，電感L的電流逐漸下降。4.3.3全橋式變換器

4.3.3全橋式變換器根據(jù)電感的伏秒平衡原理

4.3.4半橋式變換器

4.3.4半橋式變換器?當(dāng)S1導(dǎo)通后，D1導(dǎo)通，電感儲存的能量增加。?當(dāng)S2導(dǎo)通后，D2導(dǎo)通，電感儲存的能量增加。?當(dāng)S1、S2都關(guān)斷時，D1、D2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電流，電感L的電流逐漸下降。4.3.4半橋式變換器

4.3.4半橋式變換器根據(jù)電感的伏秒平衡原理

與全橋式相比，半橋式僅需要兩個開關(guān)管，但輸出電壓是全橋的一半4.3.5推挽式變換器

4.3.5推挽式變換器?當(dāng)S1導(dǎo)通后，D1導(dǎo)通，電感L的電流上升。?當(dāng)S2導(dǎo)通后，D2導(dǎo)通，電感L電流也上升。?當(dāng)S1、S2都關(guān)斷時，D1、D2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電流，電感L的電流逐漸下降。4.3.5推挽式變換器

4.3.5推挽式變換器根據(jù)電感的伏秒平衡原理

4.4控制電源工作原理HXD3型電力機車設(shè)有一個低壓電源柜(含控制電源裝置PSU和蓄電池柜)，提供機車所需的DC110V控制電源，同時控制電源柜中的功率單元完成向蓄電池組充電?？刂齐娫垂馪SU的輸入電源來自輔助變流器UA11和UA12的中間回路，兩組輸入電源都能向兩個功率單元供電，實現(xiàn)冗余控制，提高了控制電源柜的運行可靠性。4.4.1概述DC110V電源裝置，主要有功率單元、控制單元、高頻變壓器、直流電抗器、電磁接觸器、繼電器、選擇開關(guān)、加熱盤等部件組成。裝置正面可以看到2臺逆變器裝置、2臺電磁接觸器盤、空氣斷路器和繼電器盤，右下部有主電路端子臺和控制電路端子臺。在背面，裝有中頻變壓器2臺和2種不同的直流電感線圈各2臺。4.4.2DC110V電源裝置電氣系統(tǒng)構(gòu)成裝置電氣組成可以劃分為四大部分，依次為電源輸入電路、預(yù)充電電路、DC110V輸出電路和控制電路4.4.2DC110V電源裝置電氣系統(tǒng)構(gòu)成電源輸入電路裝置的輸入電源來自機車輔助逆變器APU(AuxiliaryPowerUnit)的中間直流回路，采用雙電源、雙路供電方式4.4.2DC110V電源裝置電氣系統(tǒng)構(gòu)成預(yù)充電回路CTT接觸器主觸頭、充電電阻CHR和晶閘管CHS構(gòu)成預(yù)充電回路。CTT觸頭閉合后，通過限流電阻對中間電容FC1、FC2進(jìn)行充電。在其電壓達(dá)到一定值后，導(dǎo)通CHS，將CHR短路，完成預(yù)充電過程。4.4.2DC110V電源裝置電氣系統(tǒng)構(gòu)成3.DC110V輸出回路IGBT逆變器、中頻變壓器IST1和整流器FR、平波回路的電抗器DCL1和平波電容LC1構(gòu)成了全橋式DC/DC變換器4.4.2DC110V電源裝置電氣系統(tǒng)構(gòu)成控制電路中間部分是控制基板PWB，它收集PSU內(nèi)部的各個器件的狀態(tài)以及電壓、電流信號，并進(jìn)行邏輯處理，然后控制繼電器(CTT、RY1等)動作、向IGBT發(fā)出指令。4.4.2DC110V電源裝置電氣系統(tǒng)構(gòu)成左側(cè)部分是基板的電源供電電路，經(jīng)過一個小型的電源轉(zhuǎn)換器后，向基板提供正常工作所需的電源。右側(cè)為輸入/輸出信號，并預(yù)留了RS-232C串行接口，方便與電腦相連。4.4.3DC110V電源裝置控制系統(tǒng)1.控制基板框圖電源轉(zhuǎn)換模塊為基板內(nèi)的各個芯片提供電源，IGBT的門極電壓為±15V。模擬量處理模塊采集電壓、電流傳感器(DCPT、DCCT、HCT)送來的輸出電壓、輸入電流和IGBT電流值。DI/DO模塊是對開關(guān)量輸入/輸出的控制模塊。采集空氣斷路器MCCB的狀態(tài)等開關(guān)量信息，同時也進(jìn)行輸出，控制CTT等接觸器的工作。4.4.3DC110V電源裝置控制系統(tǒng)輸出電壓控制框圖輸出電壓控制系統(tǒng)是個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓控制環(huán)起主要作用，電流控制環(huán)起輔助作用。4.4.3DC110V電源裝置控制系統(tǒng)邏輯控制時序控制充電裝置的工作過程如下：當(dāng)APU開始工作后，其中間直流回路的電壓逐漸上升，達(dá)到750V。4.4.3DC110V電源裝置控制系統(tǒng)控制電路檢測到輸入電壓達(dá)到750V，并維持10s后，首先閉合CTT接觸器，預(yù)充電回路投入工作，中間電容FC兩端電壓上升。延遲3s后預(yù)充電完成，觸發(fā)晶閘管CHS，使裝置進(jìn)入工作狀態(tài)。然后輸出IGBT門極信號，得到了110V直流電源。當(dāng)APU停止工作后，輸入電壓下降，當(dāng)中間電容電壓低于620V時，裝置也停止工作，停止時序與工作時序相反。4.4.3DC110V電源裝置控制系統(tǒng)裝置的保護(hù)控制DC110V電