第8章組合變流電路

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1、1第8章 組合變流電路 2第8章 組合變流電路引言 基本的變流電路 第25章分別介紹的AC/DC、DC/DC、AC/AC和DC/AC四大類基本的變流電路基本的變流電路。組合變流電路 將某幾種基本的變流電路組合起來，以實現一定的新功能，即構成組合變流電路組合變流電路。間接交流變流電路 先將交流電整流為直流電，再將直流電逆變為交流電，是先整流后逆變先整流后逆變的組合。間接直流變流電路 先將直流電逆變為交流電，再將交流電整流為直流電，是先逆變后整流先逆變后整流的組合。38.1 間接交流變流電路 間接交流變流電路由整流電路、中間直流電路和逆變電路構成。分為電壓型電壓型間接交流變流電路和電流型電流型間接

2、交流變流電路間接交流變流電路的逆變部分多采用 PWM控制控制。48.1 間接交流變流電路58.1.1 間接交流變流電路原理 當負載為電動機時，通常要求間接交流變流電路具有再再生反饋電力生反饋電力的能力，要求輸出電壓的大小和頻率可調，此時該電路又名交直交變頻電路交直交變頻電路。不能再生反饋電力不能再生反饋電力的電壓型間接交流變流電路的整流部分采用的是不可控整流，它只能由電源向直流電路輸送功率，而不能反饋電力。圖中逆變電路的能量是可以雙向流動的，若負載能量反饋到中間直流電路，將導致電容電壓升高，稱為泵升電壓泵升電壓。1）電壓型間接交流 變流電路圖8-1 不能再生反饋的電壓型間接交流變流電路68.1

3、.1 間接交流變流電路原理使電路具備再生反饋電力再生反饋電力的能力的方法：帶有泵升電壓限制電路泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路。當泵升電壓超過一定數值時，使V0導通，把從負載反饋的能量消耗在R0上。圖82 帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路利用可控變流器實現再生反饋可控變流器實現再生反饋的電壓型間接交流變流電路。當負載回饋能量時，可控變流器工作于有源逆變狀態，將電能反饋回電網。圖83 利用可控變流器實現再生反饋的電壓型間接交流變流電路78.1.1 間接交流變流電路原理整流和逆變均為整流和逆變均為PWM控制控制的電壓型間接交流變流電路。整流和逆變電路的構成完全相同，均采用PWM

4、控制，能量可雙向流動。輸入輸出電流均為正弦波，輸入功率因數高，且可實現電動機四象限運行。圖84 整流和逆變均為PWM控制的電壓型間接交流變流電路88.1.1 間接交流變流電路原理2）電流型間接交流變流電路整流電路為不可控的二極管整流時，電路不能將負載側的能量反饋到電源側。圖8-5 不能再生反饋電力的電流型間接交流變流電路圖8-6 采用可控整流的電流型間接交流變流電路為使電路具備再生反饋電力的能力，可采用：整流電路采用晶閘管可控整流電路。負載回饋能量時，可控變流器工作于有源逆變狀態，使中間直流電壓反極性。98.1.1 間接交流變流電路原理圖8-8 整流和逆變均為PWM控制的電流型間接交流變流電路

5、圖8-7 電流型交-直-交PWM變頻電路實現再生反饋的電路圖負載為三相異步電動機，適用于較大容量的場合。108.1.2 交直交變頻器晶閘管直流直流電動機傳動系統存在一些固有的缺點缺點：(1)受使用環境條件制約；(2)需要定期維護；(3)最高速度和容量受限制等。交流交流調速傳動系統除了克服直流調速傳動系統的缺點外還具有：(1)交流電動機結構簡單，可靠性高；(2)節能；(3)高精度，快速響應等優點。采用變頻調速方式時，無論電機轉速高低，轉差功率的消耗基本不變，系統效率是各種交流調速方式中最高的，具有顯著的節能效果，是交流調速傳動應用最多的一種方式?；\型異步電動機的定子頻率控制方式，有：(1)恒壓頻

6、比(U/f)控制；(2)轉差頻率控制；(3)矢量控制；(4)直接轉矩控制等。118.1.2 交直交變頻器1）恒壓頻比控制為避免電動機因頻率變化導致磁飽和而造成勵磁電流增大,引起功率因數和效率的降低，需對變頻器的電壓和頻率的比率進行控制，使該比率保持恒定，即恒壓頻比控制，以維持氣隙磁通為額定值。恒壓頻比控制是比較簡單，被廣泛采用的控制方式。該方式被用于轉速開環的交流調速系統，適用于生產機械對調速系統的靜、動態性能要求不高的場合。128.1.2 交直交變頻器轉速給定既作為調節加減速的頻率f 指令值，同時經過適當分壓，作為定子電壓U1的指令值。該比例決定了U/f比值，可以保證壓頻比為恒定。在給定信號

7、之后設置的給定積分器，將階躍給定信號轉換為按設定斜率逐漸變化的斜坡信號ugt，從而使電動機的電壓和轉速都平緩地升高或降低，避免產生沖擊。圖8-9 采用恒壓頻比控制的變頻調速系統框圖138.1.2 交直交變頻器給定積分器輸出的極性代表電機轉向，幅值代表輸出電壓、頻率。絕對值變換器輸出ugt的絕對值uabs，電壓頻率控制環節根據uabs及ugt的極性得出電壓及頻率的指令信號，經PWM生成環節形成控制逆變器的PWM信號，再經驅動電路控制變頻器中IGBT的通斷，使變頻器輸出所需頻率、相序和大小的交流電壓，從而控制交流電機的轉速和轉向。圖8-9 采用恒壓頻比控制的變頻調速系統框圖148.1.2 交直交變

8、頻器2）轉差頻率控制在穩態情況下，當穩態氣隙磁通恒定時，異步電機電磁轉矩近似與轉差角頻率成正比。因此，控制ws就相當于控制轉矩。采用轉速閉環的轉差頻率控制，使定子頻率w 1=wr+ws，則w 1隨實際轉速wr增加或減小，得到平滑而穩定的調速，保證了較高的調速范圍。轉差頻率控制方式可達到較好的靜態性能，但這種方法是基于穩態模型的，得不到理想的動態性能。158.1.2 交直交變頻器3）矢量控制異步電動機的數學模型是高階、非線性、強耦合的多變量系統。傳統設計方法無法達到理想的動態性能。矢量控制方式基于異步電機的按轉子磁鏈定向的動態模型，將定子電流分解為勵磁分量和與此垂直的轉矩分量，參照直流調速系統的

9、控制方法，分別獨立地對兩個電流分量進行控制，類似直流調速系統中的雙閉環控制方式?？刂葡到y較為復雜，但可獲得與直流電機調速相當的控制性能。168.1.2 交直交變頻器4）直接轉矩控制直接轉矩控制方法同樣是基于動態模型的，其控制閉環中的內環，直接采用了轉矩反饋，并采用砰砰控制，可以得到轉矩的快速動態響應。并且控制相對要簡單許多。178.1.3 恒壓恒頻(CVCF)電源 CVCF電源主要用作不間斷電源(UPS)。UPS-Uninterruptible Power Supplies UPS是指當交流輸入電源（習慣稱為市電）發生異?；驍嚯姇r，還能繼續向負載供電，并能保證供電質量，使負載供電不受影響的裝置

10、。UPS廣泛應用于各種對交流供電可靠性和供電質量要求高的場合。188.1.3 恒壓恒頻(CVCF)電源1）UPS基本工作原理工作原理:圖8-10 UPS基本結構原理圖市電正常時，由市電供電，市電經整流器整流為直流，再逆變為50Hz恒頻恒壓的交流電向負載供電。同時，整流器輸出給蓄電池充電，保證蓄電池的電量充足。此時負載可得到的高質量的交流電壓，具有穩壓、穩頻性能，也稱為穩壓穩頻電源。市電異常乃至停電時，蓄電池的直流電經逆變器變換為恒頻恒壓交流電繼續向負載供電，供電時間取決于蓄電池容量的大小。198.1.3 恒壓恒頻(CVCF)電源圖8-12 具有旁路電源系統的UPS 增加旁路電源系統，可使負載供

11、電可靠性進一步提高。圖8-11 用柴油發電機作為后備電源的UPS 為了保證長時間不間斷供電，可采用柴油發電機（簡稱油機）作為后備電源。208.1.3 恒壓恒頻(CVCF)電源2）UPS主電路結構圖8-13 小容量UPS主電路 小容量的UPS，整流部分使用二極管整流器和直流斬波器(PFC)，可獲得較高的交流輸入功率因數，逆變器部分使用IGBT并采用PWM控制，可獲得良好的控制性能。圖8-14 大功率UPS主電路 大容量UPS主電路。采用PWM控制的逆變器開關頻率較低，通過多重化聯結降低輸出電壓中的諧波分量。218.2 間接直流變流電路 采用這種結構的變換原因：輸出端與輸入端需要隔離。某些應用中需

12、要相互隔離的多路輸出。輸出電壓與輸入電壓的比例遠小于1或遠大于1。交流環節采用較高的工作頻率，可以減小變壓器和濾波電感、濾波電容的體積和重量。工作頻率高于20kHz這一人耳的聽覺極限，可避免變壓器和電感產生噪音。變壓器整流電路濾波器直流交流交流脈動直流直流逆變電路圖圖 8-158-15 間接直流變流電路的結構間接直流變流電路：先將直流逆變為交流，再整流為直流電，也稱為直-交-直電路。228.2 間接直流變流電路238.2.1 正激電路圖 8-16 正激電路的原理圖圖 8-17 正激電路的理想化波形SuSiLiSOttttUiOOO開關S開通后，變壓器繞組W1兩端的電壓為上正下負，與其耦合的W2

13、繞組兩端的電壓也是上正下負。因此VD1處于通態，VD2為斷態，電感L的電流逐漸增長；S關斷后，電感L通過VD2續流，VD1關斷。變壓器的勵磁電流經N3繞組和VD3流回電源，所以S關斷后承受的電壓為 。iSUNNu)1(311）正激電路(Forward)的工作過程248.2.1 正激電路BRBSBHO圖 8-18 磁心復位過程輸出電壓輸出濾波電感電流連續的情況下輸出電感電流不連續時TtNNUUon12ioi12oUNNU2）變壓器的磁心復位on31rsttNNt開關S開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨時間線性的增長，直到S關斷。為防止變壓器的激磁電感飽和，必須設法使激磁電流在S關斷后到下一次再

14、開通的時間內降回零，這一過程稱為變壓器的磁心變壓器的磁心復位復位。變壓器的磁心復位時間為258.2.2 反激電路1）工作過程：圖 8-20 反激電路的理想化波形 SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO圖 8-19 反激電路原理圖 S開通后，VD處于斷態，W1繞組的電流線性增長，電感儲能增加；S關斷后，W1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過W2繞組和VD向輸出端釋放。268.2.2 反激電路2）反激電路的工作模式：電流連續模式：當S開通時，W2繞組中的電流尚未下降到尚未下降到零零。輸出電壓關系：電流斷續模式：S開通前，W2繞組中的電流已經下降到零已經下降到零。輸出電壓高于式（8

15、-3）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下，因此反激電路不應工作于負載開路狀態。offon12iottNNUUoU(8-3)圖 8-20 反激電路的理想化波形 SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO圖 8-19 反激電路原理圖 278.2.3 半橋電路S1與S2交替導通，使變壓器一次側形成幅值為Ui/2的交流電壓。改變開關的占空比，就可以改變二次側整流電壓ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。S1導通時，二極管VD1處于通態，S2導通時，二極管VD2處于通態;當兩個開關都關斷時，變壓器繞組N1中的電流為零，VD1和VD2都處于通態，各分擔一半的電流。S1或S2導通時

16、電感L的電流逐漸上升，兩個開關都關斷時，電感L的電流逐漸下降。S1和S2斷態時承受的峰值電壓均為Ui。1）工作過程圖 8-21 半橋電路原理圖 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO圖 8-22 半橋電路的理想化波形288.2.3 半橋電路2）數量關系由于電容的隔直作用，半橋電路對由于兩個開關導通時間不對稱而造成的變壓器一次側電壓的直流分量有自動平衡作用，因此不容易發生變壓器的偏磁和直流磁飽和。圖 8-21 半橋電路原理圖 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO圖 8-2

17、2 半橋電路的理想化波形當濾波電感L的電流連續時：如果輸出電感電流不連續，輸出電壓U0將高于式（8-4）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下，TtNNUUon12io2i12oUNNU(8-4)298.2.4 全橋電路全橋電路中，互為對角的兩個開關同同時時導通，同一側半橋上下兩開關交替交替導通，使變壓器一次側形成幅值為Ui的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。當S1與S4開通后，VD1和VD4處于通態，電感L的電流逐漸上升；S2與S3開通后，二極管VD2和VD3處于通態，電感L的電流也上升。當4個開關都關斷時，4個二極管都處于通態，各分擔一半的電感電流，電感L的電流逐漸下降

18、。S1和S2斷態時承受的峰值電壓均為Ui。1）工作過程圖 8-23 全橋電路原理圖 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖 8-24 全橋電路的理想化波形308.2.4 全橋電路l如果S1、S4與S2、S3的導通時間不對稱，則交流電壓uT中將含有直流分量，會在變壓器一次側產生很大的直流 分量，造成磁路飽和，因此全橋電路應注意避免電壓直流分量的產生，也可在一次側回路串聯一個電容，以阻斷直流電流。2）數量關系濾波電感電流連續時：(8-5)輸出電感電流斷續時，輸出電壓Uo將高于式（8-5）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極

19、限情況下：TtNNUUon12io2i12oUNNU 圖 8-23 全橋電路原理圖 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖 8-24 全橋電路的理想化波形318.2.5 推挽電路圖 8-25 推挽電路原理圖 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖 8-26 推挽電路的理想化波形推挽電路中兩個開關S1和S2交替導通，在繞組N1和N,1兩端分別形成相位相反的交流電壓。S1導通時，二極管VD1處于通態，電感L的電流逐漸上升。S2導通時，二極管VD2處于通態，電感L電

20、流也逐漸上升。當兩個開關都關斷時，VD1和VD2都處于通態，各分擔一半的電流。S1和S2斷態時承受的峰值電壓均為2倍U Ui i。1）工作過程328.2.5 推挽電路圖 8-25 推挽電路原理圖 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖 8-26 推挽電路的理想化波形2）數量關系S1和S2同時導通，相當于變壓器一次側繞組短路，因此應避免兩個開關同時導通。濾波電感L電流連續時：(8-6)輸出電感電流不連續時，輸出電壓Uo將高于式（8-6）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下，TtNNUUon12io2i12oUNN

21、U 338.2.5 推挽電路電路優點優點缺點缺點功率范圍功率范圍應用領域應用領域正激正激電路較簡單，成本低，可靠性高，驅動電路簡單變壓器單向激磁，利用率低幾百W幾kW各種中、小功率電源反激反激電路非常簡單，成本很低，可靠性高，驅動電路簡單難以達到較大的功率，變壓器單向激磁，利用率低幾W幾十W小功率電子設備、計算機設備、消費電子設備電源。全橋全橋變壓器雙向勵磁，容易達到大功率結構復雜，成本高，有直通問題，可靠性低，需要復雜的多組隔離驅動電路幾百W幾百kW大功率工業用電源、焊接電源、電解電源等半橋半橋變壓器雙向勵磁，沒有變壓器偏磁問題，開關較少，成本低有直通問題，可靠性低，需要復雜的隔離驅動電路幾

22、百W幾kW各種工業用電源，計算機電源等推挽推挽變壓器雙向勵磁，變壓器一次側電流回路中只有一個開關，通態損耗較小，驅動簡單有偏磁問題幾百W幾kW低輸入電壓的電源表 8-1 各種不同的間接直流變流電路的比較34圖 8-27 全波整流電路和全橋整流電路原理圖8.2.6 全波整流和全橋整流雙端電路中常用的整流電路形式為全波整流電路和全橋整流電路。a）全波整流電路1）全波整流電路的特點優點：電感L的電流回路中只有一個二極管壓降，損耗小，而且整流電路中只需要2個二極管，元件數較少。缺點：二極管斷態時承受的反壓較高，對器件耐壓要求較高，而且變壓器二次側繞組有中心抽頭，結構較復雜。適用場合：輸出電壓較低的情況

23、下（100V）。358.2.6 全波整流和全橋整流a）全波整流電路b）全橋整流電路2）全橋電路的特點優點：二極管在斷態承受的電壓僅為交流電壓幅值，變壓器的繞組簡單。缺點：電感L的電流回路中存在兩個二極管壓降，損耗較大，而且電路中需要4個二極管，元件數較多。適用場合：高壓輸出的情況下。圖 8-27 全波整流電路和全橋整流電路原理圖368.2.6 全波整流和全橋整流3）同步整流電路：當電路的輸出電壓非常低時，可以采用同步整流電路，利用低電壓MOSFET具有非常小的導通電阻的特性降低整流電路的導通損耗，進一步提高效率。圖 8-28 同步整流電路原理378.2.7 開關電源 如果間接直流變流電路輸入端

24、的直流電源是由交流電網整流得來，所構成的交直交直電路，通常被稱為開關電源。由于開關電源采用了工作頻率較高的交流環節，變壓器和濾波器都大大減小，體積和重量都遠小于相控整流電源，此外，工作頻率的提高還有利于控制性能的提高。38本章小結 本章要點如下：1)間接交流變流電路可分為電壓型和電流型，掌握他們的各種構成方式及特點；2)交直交變頻器與交流電機構成變頻調速系統，重點理解恒壓頻比控制方法，并了解轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制等其他控制方法；3)CVCF變流電路主要用于UPS，掌握其基本構成方式、特點及主電路結構；4)間接直流變換電路中的能量轉換過程為直流交流直流，交流環節含有變壓器；39本章小結5)常見的間接直流變換電路可以分為單端和雙端電路兩大類。單端電路包括正激和反激兩類；雙端電路包括全橋、半橋和推挽三類。每一類電路都可能有多種不同的拓撲形式或控制方法，本章僅介紹了其中最具代表性的拓撲形式和控制方法；6)雙端電路的整流電路可以有多種形式，本章介紹了常用的全橋和全波兩種，它們具有各自的特點和不同的應用場合。