第三章 电力电子变换器 § 3-1 直流变换器 § 3-2 具有隔离变压器的直流变换器 § 3-3 单相逆变器 § 3-4 三相逆变器 § 3-6 飞机静止式二次电源 小结 内容要求 要求： 理解典型电力电子变换器的工作原理 。 掌握二次电源的构成、工作原理。 TRU、 SI、充电器。 内容： 运用电力电子技术中所学的知识， 构成飞机静止二次电源。 第三章 电力电子变换器 整流器：交 直 直流变换器：直 直 逆变器：直 交 交交变换器：交 交 电力电子变换器 直接变换：降压、升压、升降压。 隔离变换：单端正激、反激、推挽、 半桥、桥式。 §3 - 1 直流变换器 常用做机内电源。 二.升压式 ： 1 画出电路 2 on、off时的方程。 3 电流连续时波形。 4 外特性： Uo 与Dc 的关系。 一.降压式 ： Off: 1. 降压式（ Buck）变换器 oi L UU dt di L ?= o L U dt di L ?= cio DUU = On: 电流连续时波形: i L 0 0 0 i V i D t t t t on t on T T T 2T 2T 2T t on （ d）电流不连续时的电感电流波形 （ c）临界电流连续时的电感电流波形 0 i L t on T 2T 0 i L t on T 2T ′ + on off tt （ e）变换器的输出特性 0 o U o I 1c D 2c D > 12cc DD 2. 升压式直流变换器 On: Off: i L U dt di L = oi L UU dt di L ?= c i o D U U ? = 1 （ b）电流连续时的电感电流波形 （ c）临界电流连续时的电感电流波形 （ d）电流不连续时的电感电流波形 0 i L t on T 2T t 0 i L t on T 2T t 0 i L ′ + on off t t ton t T 2T 三 .两象限变换器 1.电流两象限：电流极性可变。由升、降压组成 、　、： 、　 、　： 1 V 2 D L L 2 V 1 D 降压；充 升压；放电。 ＋ － i U 1 V 2 V 2 D 1 D A B L b E （b）充电电流大时的电感电流波形 （c ）充电电流小时的电感电流波形 0 i L t on T 2T t 0 i L t on T 2T t （d）蓄电池放电电流波形 0 i L T 2T t .电压极性可变。 .电机控制，励磁控制 0> AB U 0< AB U 正转时，不能制动。 不能反转电动。 ?正转，电动。 ?反转，制动。发电机工作 因为I单向。 2.电压两象 ＋ 1 － i U V 2 D A B 4 V 3 D o i ＋ － § 3-2 具有隔离变压器的直流变换器 ?隔离： 输入与输出间的电气绝缘 电压匹配 多路输出 ?单管： 单端正激式、单端反激式 ?多管： 推挽、桥式（半桥、全桥） ? 采用变压器：变压器只传递交流能量 ； 直交直变换。 ?表征变换器的技术水平： 　 功率密度：单位体积（重量）的输出功率。 一. 单端反激式直流变换器 1. 电路及组成 V、 D、 C、 B B： 有气隙，储能电感， 　匝比 　 。 21 :WW + i U - + - 1 W 2 W V D C o U B （a) 仿 （ 1） V on， D off， C→ load。 　 B储能， W1中电流 i升，φ ， i UdtdiL = 11 0 2 2 U dt di L = 2211 WiWi ?=? 磁通平衡 + - + - i U 1 W 2 W V D C o U B （a) 2. 工作原 （2 ） V off， W 1 中电流等于 0。 但 φ不能突变 ，∴ W 2 中产生电流 D on off T L U i 2 0 2 =? 2 2 1 2 1 ? ? ? ? ? ? ? ? = W W L L i c c i on U D D W W U T T W W U off ? ?=?= 1 1 2 1 2 0 2 2 0 1 1 WT L U WT L U offon i ?=? = c D T T on 占空比 升降压变换器 on i T L U i 1 1 =? 磁通平衡 （ b）电流连续时的磁通和电流波形 0 0 0 i W1 i W2 t t t t on t on T T T 2T 2T 2T φ null nullnull null （ c）临界电流连续 　　　 　　时的电流波形 （ d）电流不连续 时的波形 0 i w1 t on T2T t 3T 0 i w2 t on T2T t 3T 0 i on k tt+ null nullnull null null null null null null nullnull null nullnull null 全周期平均法 iav I oaviiav IUUI ?=? 0 oav i c on oav i iav I U U DT T I U U i 00 =?= c oav D I W W ? = 1 1 2 导通 期间输入电 流 平均值 功率平衡 晶体管关断期间承受的反压： i c ice U D U W WU U ? =+= 1 1 2 10 输入电流平均值 在电流断续时：续流时间小于 off T on i T L U i 1 1 =? K T L U i 2 0 2 =? Ko K ko T L U I T T iT i T I 2 0 2 2 2 2 1 =×=?→ ? ?= 2211 WiWi ?=? 1 2 2 2 1 L L i i = ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 磁通平衡： 设计特点： 优点：电路简单，隔离， 升降压变换 缺点：不能空载；磁利用率低。 1 2 2 0 2 2 1 2 L L L U IT T L U o on i = ×× ? ? ? ? ? ? ? ? o ci fIL DU U 1 22 0 2 =∴ 一定时不能空载 c D∴ 二 .单端正激式变换器 1. 电路图： + - + - i U 1 W 2 W V 1 D C o U B 3 D 2 D 3 W L 变压器铁心磁通和副边电压波形： 0 t on t T 2T φ nullnull φ 0 tT 2 U 2. 基本关系： ico UD W W U 1 2 = on i on t W U ?=? 1 φ k t? i off W U =? 3 φ onk t W W t ?= 1 3 offk tt < 为保证变换器正常工作： ３．开关、变换器工作状态： 31 1 WW W D c + < 三 . 推挽式直流变换器 两个对称的单端正激式直流变换器. 1. 主电路原理图 +- + - 1 V 2 V 1 D 2 D i U 1 W 2 W 1 W 2 W 3 D 4 D C o U (a) 0 2 T T t 0 2 T T t φ u 2 2. Dc=0.5时副边电压和磁通波形 基本关系： ci DU W W U 1 2 0 2= ?变压器的工作状态：双向磁化，磁利用率高。 ?晶体管的反压： 2U i +漏感引起的尖峰。 ?变压器漏感的影响: 双线并绕紧耦合以减小漏感。 ?变压器双向磁化：直流偏磁问题。 1.半桥： 　　　两个轮流工作的降压式直流变换器 cic i o DU W W D U W W U 1 2 1 2 2 2 =××= oci ID W W I 1 2 = ooii UIUI = 四 . 半桥及桥式隔离型直流变换器 + - + - C C i U B B 1 D 2 D 1 V 2 V 3 D 4 D L C o U （a) A ? a）半桥式直流变换器主电路 （ b）半桥式逆变器主电路 + - C C i U B 1 D 2 D 1 V 2 V L L （b) L R A o i 半桥式直流变换器及逆变器电路图 0 2 T T t i o u AB （ d） Dc较小时的逆变器 波形 0 2 T T t i u AB o （ c） Dc=1/2的逆变器波形 2. 全桥 （ a）桥式逆变器主电路原理图 （ b）移相控制原理及电压 U 电流 波形。 o i AB α 1 V 2 V 3 V 3 V 4 V AB U o t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t ＋ － i U 1 V 2 V 2 D 1 D AB 3 V 4 V 4 D 3 D o i L R L L （ c）移相控制桥式逆变器的工作模 ＋ － o i L R L L A B ＋ － o i L R L L A B ＋ － o i L R L L A B ＋ － o i L R L L A B π απ ? = io U W W U 1 2 π απ ? == T t D on 分析 ： + - + - i U B L C o U （d)桥式逆变器式直流变换器主电路原理图 A 1 WB 2 W 变换器所用可控功率电子器件多，在相同器件 定额时，所能变换的功率也越大。 全桥﹥半桥，推挽﹥单端。 输 出 § 3-3 单相逆变器 逆变器：DC→ AC （一般为正弦） 单相 三相 方波 阶梯波 正弦脉宽调制 推挽 半桥 桥式 三相桥 ＋ － i U 1 V 2 V 2 D 1 D A B (a) 3 V 4 V 4 D 3 D L R L L L C 一. 方波逆变 0 2 T T t AB U ＋ － i U 1 V 2 V 2 D 1 D A B (a) 3 V 4 V 4 D 3 D L R L L L C 1 控制信号 V1、V2互补，各导通180°。 V3、V4互补，V1和V4同时开关。 没有偶次谐波，有基波、奇次谐波 ∑ ∞ = = 1 sin 4 n i AB nwt n U U π 5,3,1=n fw π2= wt U U i sin 4 1 π = 基波： 2 输出电压 3 优点：控制简单 缺点：谐波含量丰富 输出电压不可调 要求稳定，怎么办？ 二、 脉宽调制波：减小导通时间 ?2180 ? D ∑ ∞ = = 531 sincos 4 ，，n i AB nwtn n U u ? π wt U u i sincos 4 1 ? π = (b) 0 2 T T t AB u ? 改变 →（1）改变U 1 ，调节输出电压。 （ 2）改变U 1 ，谐波也发生变化。 ? ∑ ∞ = = 531 sincos 4 ，，n i AB nwtn n U u ? π wt U u i sincos 4 1 ? π = wt U u i sin3cos 3 4 3 ? π = 3 特点： 优：可调压、可有选择地消除谐波 缺：调压和消除谐波不可兼顾 谐波仍很丰富 三、 SPWM逆变（载波交截） 1 控制规律 多个脉宽调制波，且每个波的宽度按正弦规律分布 c f o f 常用载波交截法 载波：三角波 调制波：正弦波 二种电压输出形式 ：单极性和双极性。 [] ∑ ∞ = += 1 cossin n nnAB nwtbnwtaU 22 nnn baC += ∫ = π θθθ π 2 0 sin)( 1 dfa n ∫ = π θθθ π 2 0 cos)( 1 dfb n 2 输出电 1 2 2 )( C n C X n n ∑ ∞ = = 4 特点： （1） N大， x小→开关频率高，损耗大。 （ 2） M＜ 1.1, M↑ ,x↓， U o1 ↑。 （ 3） M＞ 1.1， M↑， x↑， U o1 ↑ 。 单脉宽调制：输出电压基波达最大 i U π 22 谐波系数和载频比及调制比有关。 c r A A M = r c f f N = 四、最优SPWM 逆变 低开关频率，高基波电压，小谐波系数。 开关点预置：不是由载波交截决定，而 是按一定原则优化计算得到。 0 1 θ 3 θ 5 θ 5 θ 2 θ 4 θ 4 θ π π π π2 tω x最小，或某次谐波为 0，同时基波最大 1 控制原则 ∑ ∞ = = 1 sin)( n n bf θθ ∫ = π θθθ 0 sin)( 2 dnf T b n )coscoscoscos(cos 4 54321 θθθθθ π nnnnn n U b i n +?+?= 0 119753 ===== bbbbb 2 3 优点：谐波含量小，可有选择地消除低次谐波 。 缺点：不能调压。 五 . 具有电流瞬时反馈的逆变器 电压电流双闭环 ＋ － 1 V 2 V 2 D 1 D 3 V 4 V 4 D 3 D f C － ＋ ig u if u f LL i 2 ? ? 2 ? ＋ － 1 V 2 V 2 D 1 D 3 V 4 V 4 D 3 D f C － ＋ ig u if u f LL i 2 ? ? 2 ? （ 2）电流跟踪 比较器输出 -1 V1、 V4导通 i L 比较器输出+1 V2、V3 on， 经D2、D3续流或者 V2、V3导电 i L 1 原理 （1）比较器， 滞环特性 逻辑延时与分相 五 . 具有电流瞬时反馈的逆变 2 ? += ′ u igif u 2 ? ?= ′ igif uu 迟滞比较器 ig uu = ? ifcc u RR R U RR R u 21 2 21 1 + + + = + 比较器输出 -1 V1、 V4导通 i L 比较器输出 1 2 ? + ′ = igif uu + + +? + = ifccig u RR R U RR R u 21 2 21 1 )(* ccigif U R R u R RR u 2 1 2 21 + + = + 迟滞比较器 ig uu = ? ifcc u RR R U RR R u 21 2 21 1 + + + = + 2 ? ? ′ = igif uu ? + + + = ifccig u RR R U RR R u 21 2 21 1 * ccigif U R R u R RR u 2 1 2 21 ? + = ? 比较器输出+1 V2、V3 on， 经D2、D3续流或者V2、V3导电 i L 比较器输出-1 迟滞比较器 ig uu = ? ifcc u RR R U RR R u 21 2 21 1 + + + = + ccigif U R R u R RR u 2 1 2 21 ? + = ? ccigif U R R u R RR u 2 1 2 21 + + = + cc ififif U R R uuu 2 1 222 = ? = ? = ? ?+ 2 ? ? ′ = igif uu 2 ? += igif uu ′ 五 . 具有电流瞬时反馈的逆变器 u if u ig’ 2 特点： （ 1）高开关频率，低谐波含量。 环宽越小，谐波越小，但开关频率越高。 （2）双闭环 内环：电流环，高度稳定。 抑制电源电压变化的影响。 外环：电压环。可放大系数，高精度。 快速响应，瞬态特性好，电压恢复快。 五 . 具有电流瞬时反馈的逆变 （3）电流受限制，内在的过流保护。 （通过电压调节器输出限幅达到）。 3 二态，三态 单极性与双极性输出比较： 电流脉动 五 . 具有电流瞬时反馈的逆变 改善输出波 单相逆变器小 一. 方波逆变 优点：控制简单 缺点：谐波含量丰富 输出电压不可调 二、 脉宽调制波：减小导通时间 ?2180 ? D 优：可调压、可有选择地消除谐波 缺：调压和消除谐波不可兼顾 谐波仍很丰富 三、 SPWM逆变（载波交截） 多个脉宽调制波，且每个波的宽度按正弦规律分布 开关频率高，谐波小 四、最优SPWM 逆变（ 开关点预置） 优点：谐波含量小，可有选择地消除低次谐波。 低开关频率，高基波电压， x最小，或某次谐波为 0，同时基波最大 单相逆变器小 特点： （ 1）高开关频率，低谐波含量。 环宽越小，谐波越小，但开关频率越高。 （2）双闭环 快速响应，瞬态特性好，电压恢复快。 （3）电流受限制，内在的过流保护。 五 . 具有电流瞬时反馈的逆变 单相逆变器小 § 3-4 三相逆变器 三个单相构成 三相逆变器 180°导通型，阶梯波合成型，脉宽调制型。 一. 180°导通型 1 控制规律：各导通180°，三相差120°。 ＋ － i U 1 V 2 V 2 D 1 D 3 V 4 V 5 V 6 V A B C 3 D 4 D 5 D 6 D 1 V 4 V 6 V 6 V 3 V AB U (b) i U 2 T T t 5 V 5 V 2 V (c) 0 2 T T t Ao U i U 3 2 ＋ － i U 1 V 2 V 2 D 1 D 3 V 4 V 5 V 6 V A B C 3 D 4 D 5 D 6 D )( 3 COBOAO UUUU ++= 1 NO )2( 3 1 COBOAO UUU ?? AN U = 2 线电压： 相电压： )11sin 11 1 7sin 7 1 5sin 5 1 (sin 32 )( "++??= wtwtwtwtUtU iAB π )sin 11 1 7sin 7 1 5sin 5 1 (sin 2 )( wtwtwtwtUtU iAO +++= π 有效 iAB UU 3 2 = iAO UU 3 2 = 3 特点： 线、相电压谐波一样，谐波相位关系 不一样→波形不一样。 线、相电压中 5、 7次谐波相位相反 无 3及 3的倍数次谐波 线、相电压有效值相差 3 ＋ － i U A B C 1 A 1 B 1 C 2 A 2 B 2 C N 1 a 1 b 1 c 2 a 2 b 2 c 二. 阶梯波合 控制规律： 180°导通， 二个桥。 合成原则： 谐波抵消， 基波充分利用 ＋ － i U A B C 1 A 1 B 1 C 2 A 2 B 2 C N 1 a 1 b 1 c 2 a 2 b 2 c 二. 阶梯波合 合成方法： 绕组串接， 第一台 变比1：1 第二台 1:3 2 合成电势 ： 21 aaa UUU += )13sin 13 1 11sin 11 1 (sin 4 "+++= wtwtwtU i π 3 特点： 基波加大一倍 谐波次数↓，只有12 n±1次。 输出功率加大一倍 1a U t 2a U t a U t 二. 阶梯波合 多通道阶梯波合成逆变器：四个 三.脉宽调制：载波交截，最优SPWM， 电流控制。 § 3-4 三相逆变器 三相逆变器小 一. 180°导通型 各导通180°，三相差120°。 特点： 线、相电压谐波一样，谐波相位关系 不一样→波形不一样。 线、相电压中 5、 7次谐波相位相反 无 3及 3的倍数次谐波 线、相电压有效值相差 3 三相逆变器小 二. 阶梯波合 控制规律： 180°导通，二个桥。 合成原则：谐波抵消，基波充分利用。 合成方法：绕组串接，第一台变比1：1 第二台 1:3 特点： 基波加大一倍 谐波次数↓，只有12 n±1次。 输出功率加大一倍 § 3-6 飞机静止式二次电源 二次电源：DC→ AC， 一 .基本类型 二 .具有功率因数校正的整流电源 PF的定义 ∑ =…++…++= ∞ =1 2 )( 2 )( 2 )2( 2 )1( n nrmsnrmsrmsrmsrms IIIII 总输入电流有效值 功率因数PF rmsrms in IV P PF ? == 视在功率 有功功率 假设输入交流电压为 正弦波， 输入电流为 非正弦： αα α coscos cos 1 )1( ?=?= ? ?? = u I I IV IV PF rms rms rmsrms rmsrms ）（ α为输入基波电流和输入电压之间的相移角。 畸变因数； 相移因数； 电力公 V in I in C B + _ V B 负 载 I in V B （a） （b） 二极管和电容整流滤波电路 输入交流电压、电流和储能电容电压波形 输入电流呈脉冲状，谐波分量很大。 ?现象： 网侧电流非正 ?影响 1 ）谐波电流、电压 2 ）低功率因数 9对电网产生谐波 “污染” 。 9“二次效应 ”——电流流过线路阻抗造成谐 波电压降， 反过来使电网电压也产生畸变。 9干扰其他的用电设备。 电力公 平均电流控制的Boost PFC 变换器 ＋ － ＋ ＋ － v s i s v dc i L L Q D V o v dc i L ＋ ＋ － － V o i r VA CA 乘法器 驱动器 v s 原理图 v dc 平均电流控制的Boost PFC 变换器 ＋ － ＋ ＋ － v s i s v dc i L L Q D V o v dc i L ＋ ＋ － － V o i r VA CA 乘法器 驱动器 i s 原理图 i dc 控制的目的 输 出 稳 定 平均电流控制的Boost PFC 变换器 ＋ － ＋ ＋ － v s i s v dc i L L Q D V o v dc i L ＋ ＋ － － V o i r VA CA 乘法器 驱动器 原理图 i dc 问题 高频 几十K 工频 100Hz i L 功率因数校正技术 1）要求输出电压稳定、可调，采用 电压闭环 2）要控制输入电流，所以要检测输 入电流，使其等于给定值 go UU ∝ nullnull nullnull ∝ 3）要求输入电流和输入电压同相位， 所以电流给定和输入电压同相位 dceg UUi *= 4）电流给定由波形和电压调节器共 同决定 乘法器 z工作原 Boost 功率因数校正技术 1）功率因数高，0.97~0.99 。 2）输入电流连续, 电磁干扰小。 3）输入滤波器减小。 4）开关管容易驱动。 z优 Boost z缺 1）输入与输出无隔离； 2）能量单方向传递。 z应用场 1~2kW以下负载。 § 3-6 飞机静止式二次电源 1 传统： 变压器 +整流器 可控： 不可控： 变压器体积、重量大，不可调压 2 现在： 电子式变压整流器（开关电源） dcac VHzV 28400/115 → 三 .变压整流器 主电路：整流→滤波→逆变→整流→滤波。 270V （高f ）↑ 降压 控制电路：调压、保护 恒压 蓄电池充电器：电路相同，控制规律有区别。 恒流 输出 均、浮充平滑转换 2 电子式变压整流器： 高频、可调 传统：变流机（机组）。 acdc VV 11528 → 现在：静止变流器 （3）单端（反激）+SPWM INV。 小体积（高f变压器），小filter。 （2）升压式直流变换器+阶梯波合成逆变器 400Hz变压器，滤波小。 四 . 静止变流 （1）推挽逆变+升压变压器，PWM调宽。 方波400Hz变压器，滤波器重。 飞机静止式二次电源小 二次电源：DC→ AC， AC→ DC (DC/DC) ?具有功率因数校正的整流电源 ?电子式变压整流 ?静止变流器 习题： 1. 归纳获得正弦波输出电压的逆变器 控制方案，并说明其特点。 2. 3-11 3. 3-12 1 降压和升压直流变换器的工作原理、输入输出特性、 电感电流连续条件、优缺点 2 电流两象限和电压两象限直直变换器的工作原理。 3 单端反激和单端正激直直变换器 的工作原理、输入输 出特性、参数设计、优缺点。 4 桥式直直变换器的单极性、双极性、移相控制策略原 理、优缺点。 小结 5 方波、准方波逆变器的控制原则、电压特性、优缺点。 6 SPWM逆变器的控制原则、特点。 7 最优SPWM 逆变器的控制原则、特点。 8 180°导通型逆变器的控制规律、电压分析、特点。 9 双通道阶梯波合成逆变器的控制规律、合成原则、 合成方法、特点。 10 传统和电子式变压整流器的构成、特点。 11 静止变流器的三种构成方式、各自的优缺点。 小结