《电力电子变流技术》电子教案

1、电力电子变流技术电力电子变流技术电子教案电子教案 第八章：组合变流电路第八章：组合变流电路 （参考内容）（参考内容） 2 引引 言言 8.1 8.1 间接交流变流电路间接交流变流电路 8.1.1 8.1.1 间接交流变流电路原理间接交流变流电路原理 8.1.2 8.1.2 交直交变频器交直交变频器 8.1.3 8.1.3 恒压恒频（恒压恒频（CVCFCVCF）电源）电源 8.2 8.2 间接直流变流电路间接直流变流电路 8.2.1 8.2.1 正激电路正激电路 8.2.2 8.2.2 反激电路反激电路 8.2.3 8.2.3 半桥电路半桥电路 8.2.4 8.2.4 全桥电路全桥电路 8.2.

2、5 8.2.5 推挽电路推挽电路 8.2.6 8.2.6 全波整流和全桥整流全波整流和全桥整流 8.2.7 8.2.7 开关电源开关电源 本章小结本章小结 3 v 组合变流电路：组合变流电路：是将AC/DC、DC/DC、AC/AC和DC/AC 四大类基本变流电路中的某几种基本的变流电路组合起 来，以实现一定的新功能。 v 间接交流变流电路：间接交流变流电路：先将交流整流为直流，再逆变为交 流，是先整流后逆变的组合。 应用：应用： 交直交变频电路（Variable Voltage Variable Frequency VVVF），主要用作变频器。 恒压恒频变流电路（Constant Voltag

3、e Constant Frequency CVCF），主要用作不间断电源（Uninterruptable Power SupplyUPS）。 v 间接直流变流电路：间接直流变流电路：先将直流逆变为交流，再整流为直 流电，是先逆变后整流的组合。 应用：应用：各种开关电源（Switching Mode Power Supply SMPS） 4 v 间接交流变流电路主要按电压型、电流型进行分类。 v 间接交流变流电路，其逆变部分多采用PWM控制。 8.1.1间接交流变流电路原理间接交流变流电路原理 1电压型间接交流变流电路电压型间接交流变流电路 电压型间接交流变流电路在负载能量反馈到中间直流电 路时

4、，将导致电容电压升高，称为泵升电压，如果能量 无法反馈回交流电源，泵升电压会危及整个电路的安全。 AC （负载） AC （电源） 图图8-1 不能再生 反馈的电压型间 接交流变流电路 5 为使电路具备再生反馈电力的能力，可采用： 带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路 当泵升电压超过一定数值时，使V0导通，把从负载 反馈的能量消耗在R0上 AC 负载 AC 电源 V0 R0 图图8-2 带有泵升电压限制 电路的电压型间接交流变 流电路 6 利用可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流 变流电路 当负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态， 将电能反馈回电网。 AC 负载 AC 电源 图

5、图8-3 利用可控变流器实现再生反馈 的电压型间接交流变流电路 7 整流和逆变均为PWM控制的电压型间接交流变流电路 整流和逆变电路的构成完全相同，均采用PWM控制， 能量可双向流动。 输入输出电流均为正弦波，输入功率因数高，且可 实现电动机四象限运行。 AC 负载 AC 电源 图图8-4 整流和逆变均为PWM控 制的电压型间接交流变流电路 8 2电流型间接交流变流电路电流型间接交流变流电路 整流电路为不可控的二极管整流时，电路不能将负载 侧的能量反馈到电源侧。 为使电路具备再生反馈电力的能力，可采用： 整流电路采用晶闸管可控整流电路。 负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态，使 中间直

6、流电压反极性。 AC 负载 AC 电源 AC 负载 AC 电源 再生反馈输送功率 功率流向 Id U d U L 图图8-6 采用可控整流的电 流型间接交流变流电路 图图8-5 不能再生反馈电力的 电流型间接交流变流电路 9 整流和逆变均为PWM控制的电流型间接交流变流电路 通过对整流电路的PWM控制使输入电流为正弦波， 并使输入功率因数为1。 M 3 整流 C 逆变 Ld VT1 VT3 VT5 VT4 VT6 VT2 U V W a b c 电源负载 图图8-7 电流型交直交 PWM变频电路 图图8-8 整流和逆变均为PWM控制的 电流型间接交流变流电路 10 晶闸管直流电动机传动系统存在

7、一些固有的缺点：(1) 受使用环境条件 制约；(2) 需要定期维护；(3) 最高速度和容量受限制等。 交流调速传动系统除了克服直流调速传动系统的缺点外还具有：(1) 交 流电动机结构简单，可靠性高；(2) 节能；(3) 高精度，快速响应等优 点。 采用变频调速方式时，无论电机转速高低，转差功率的消耗基本不变， 系统效率是各种交流调速方式中最高的，具有显著的节能效果，是交 流调速传动应用最多的一种方式。 笼型异步电动机的定子频率控制方式，有：(1) 恒压频比（U/f）控制； (2) 转差频率控制；(3) 矢量控制；(4) 直接转矩控制等。 11 1恒压频比控制恒压频比控制 为避免电动机因频率变化

8、导致磁饱和而造成励磁电流 增大，引起功率因数和效率的降低，需对变频器的电 压和频率的比率进行控制，使该比率保持恒定，即恒 压频比控制，以维持气隙磁通为额定值。 恒压频比控制是比较简单，被广泛采用的控制方式。 该方式被用于转速开环的交流调速系统，适用于生产 机械对调速系统的静、动态性能要求不高的场合。 12 工作原理工作原理： 转速给定既作为调节加减速的频率f指令值，同时经 过适当分压，作为定子电压U1的指令值。该比例决 定了U/f比值，由于频率和电压由同一给定值控制， 因此可以保证压频比为恒定。 M 电压及频率控制PWM生成驱动 给定积分 器 绝对值变换器 转速给定 u、f 指令 电机动正、反

9、 转 uabsugt u*co 图图8-9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图 13 在给定信号之后设置的给定积分器，将阶跃给定信号转 换为按设定斜率逐渐变化的斜坡信号ugt，从而使电动 机的电压和转速都平缓地升高或降低，避免产生冲击。 给定积分器输出的极性代表电机转向，幅值代表输出电 压、频率。绝对值变换器输出ugt的绝对值uabs，电压频 率控制环节根据uabs及ugt的极性得出电压及频率的指令 信号，经PWM生成环节形成控制逆变器的PWM信号， 再经驱动电路控制变频器中IGBT的通断，使变频器输 出所需频率、相序和大小的交流电压，从而控制交流电 机的转速和转向。 14 2转差频率控制转差

10、频率控制 在稳态情况下，当稳态气隙磁通恒定时，异步 电机电磁转矩近似与转差角频率w ws成正比。因 此，控制w ws就相当于控制转矩。采用转速闭环 的转差频率控制，使定子频率w w1= w wr+ w ws，则 w1随实际转速w wr增加或减小，得到平滑而稳定 的调速，保证了较高的调速范围。 转差频率控制方式可达到较好的静态性能，但 这种方法是基于稳态模型的，得不到理想的动 态性能。 15 3矢量控制矢量控制 异步电动机的数学模型是高阶、非线性、强耦合的多变量系统。 传统设计方法无法达到理想的动态性能。 矢量控制方式基于异步电机的按转子磁链定向的动态模型，将 定子电流分解为励磁分量和与此垂直的

11、转矩分量，参照直流调 速系统的控制方法，分别独立地对两个电流分量进行控制，类 似直流调速系统中的双闭环控制方式。 控制系统较为复杂，但可获得与直流电机调速相当的控制性能。 4直接转矩控制直接转矩控制 直接转矩控制方法同样是基于动态模型的，其控制闭环中的内 环，直接采用了转矩反馈，并采用砰砰控制，可以得到转矩 的快速动态响应。并且控制相对要简单许多。 16 CVCF电源主要用作不间断电源（UPS）。UPS广泛应 用于各种对交流供电可靠性和供电质量要求高的场合。 UPS基本工作原理是， 市电正常时，由市电供电，市电经整流器整流为直 流，再逆变为50Hz恒频恒压的交流电向负载供电。 同时，整流器输出

12、给蓄电池充电，保证蓄电池的电 量充足。 此时负载可得到的高质量的交流电压，具有稳压、 稳频性能，也称为稳压稳频电源。 蓄 电 池 市电 整流器逆变器 负载 图图8-10 UPS基本结构原理图 17 市电异常乃至停电时，蓄电池的直流电经逆变器变换 为恒频恒压交流电继续向负载供电，供电时间取决于 蓄电池容量的大小。 为了保证长时间不间断供电，可采用柴油发电机（简 称油机）作为后备电源。 增加旁路电源系统，可使负载供电可靠性进一步提高。 蓄 电 池 市电 整流器逆变器 负载 油机 S 1 2 图图8-11 用柴油发电机 作为后备电源的UPS 蓄 电 池 市电 整流器逆变器 负载 油机 1 2 3 4

13、 转换开关 CVCF电源 旁路电源 S1 S2 图图8-12 具有旁路电源系统的UPS 18 UPS主电路结构 小容量的UPS，整流部分使用二极管整流器和直流斩 波器（PFC），可获得较高的交流输入功率因数，逆 变器部分使用IGBT并采用PWM控制，可获得良好的 控制性能。 大容量UPS主电路。采用PWM控制的逆变器开关频 率较低，通过多重化联结降低输出电压中的谐波分量。 市电 整流器斩波器 DCL 蓄电池 直流 滤波器 逆变器 交流 滤波器 交流 开关 负载 图图8-13 小容量UPS主电路 蓄电池晶闸管开关 整流器 市电 旁路电源 晶闸管开关 晶闸管开关 负载 交流 滤波器 逆变器用 变压

14、器 GTO 逆变器 图图8-14 大功率UPS主电路 19 市电 整流器斩波器 DCL 蓄电池 直流 滤波器 逆变器 交流 滤波器 交流 开关 负载 图图8-13 小容量UPS主电路 蓄电池 晶闸管开关 整流器 市电 旁路电源 晶闸管开关 晶闸管开关 负载 交流 滤波器 逆变器用 变压器 GTO 逆变器 图图8-14 大功率UPS主电路 20 间接直流变流电路：先将直流逆变为交流，再整流为 直流电，也称为直交直电路。 图图8-15 间接直流变流电路的结构 采用这种结构的变换原因： 输出端与输入端需要隔离。 某些应用中需要相互隔离的多路输出。 输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1。 交流环

15、节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波 电感、滤波电容的体积和重量。工作频率高于20kHz这 一人耳的听觉极限，可避免变压器和电感产生噪音。 变压器 整流 电路 滤波器 直流交流交流脉动直流直流 逆变 电路 21 逆变电路通常使用全控型器件，整流电路中通 常 采 用 快 恢 复 二 极 管 、 肖 特 基 二 极 管 或 MOSFET构成的同步整流电路（Synchronous Rectifier）。 间接直流变流电路分为单端(Single End)和双 端(Double End)电路两大类。 单端电路：变压器中流过的是直流脉动电流，如正 激电路和反激电路。 双端电路：变压器中的电流为正负对

16、称的交流电流。 如半桥、全桥和推挽电路。 22 电路的工作过程（电路图电路图8-16波形图波形图8-17） 开关S开通后，变压器绕组N1两端的电压为上正下负， 与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负。因此VD1 处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长； S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断。S关断后变压 器的励磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以S关断后承 受的电压为 。 变压器的磁心复位：开关S开通后，变压器的激磁电流 由零开始，随着时间的增加而线性的增长，直到S关断。 为防止变压器的激磁电感饱和，必须设法使激磁电流 在S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零，这一 过程称为

17、变压器的磁心复位。 iS U N N u)1 ( 3 1 23 变压器的磁心复位时间为（复位过程图复位过程图8-18） (8-1) 输出电压： 输出滤波电感电流连续的情况下： (8-2) 输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于式（8-2） 的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限 情况下， on 3 1 rst t N N t T t N N U U on 1 2 i o i 1 2 o U N N U 24 反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作 是一对相互耦合的电感。 工作过程： S开通后，VD处于断态，N1绕组的电流线性增长，电感储能 增加； S关断后，N1绕组的电流被切

18、断，变压器中的磁场能量通过N2 绕组和VD向输出端释放。S关断后的电压为： + + U i S VDN 1 N 2 U o W 1 W 2 图图 8-19 反激电路原理图 S u S iS iVD tontoff t t t t U i O O O O 图图 8-20 反激电路的理想化波形 uU N N U S io 1 2 25 v 反激电路的工作模式： 电流连续模式：当S开通时，N2绕组中的电流尚未下 降到零。 输出电压关系： (8-3) 电流断续模式：S开通前，N2绕组中的电流已经下降 到零。 输出电压高于式（8-3）的计算值，并随负载减小而 升高，在负载为零的极限情况下， ，因此 反激

19、电路不应工作于负载开路状态。 off on 1 2 i o t t N N U U Uo 26 + + S 1 S 2 VD 1 VD 2 L U i N 1 N 2 N 3 + u d U o + C 1 C 2 W 1W 3 W 2 图图 8-21 半桥电路原理图 S1 S2 uS1 uS2 iS1 iS2 iD1 iS2 t T t t t t t t t ton Ui Ui iL iL O O O O O O O O 图图 8-22 半桥电路的理想化波形 27 工作过程：工作过程： S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2 的交流电压。改变开关的占空比，就可以改变二次 侧整

20、流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。 S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极 管VD2处于通态， 当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零， VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。 S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都 关断时，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承 受的峰值电压均为Ui。 28 由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通 时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有 自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流 磁饱和。 输出电压：输出电压： 当滤波电感L的电流连续时： (8-4) 如果输出电感电流不连续，输出电压U0将高

21、于式 （8-4）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为 零的极限情况下， 。 T t N N U U on 1 2 i o 2 i 1 2 o U N N U 29 + + N 1 S 2 S 3 S 4 VD 1 VD 2 VD 4 VD 3 L S 1 N 2 + - + - u d u T U i U o W 2 W 1 图图 8-23 全桥电路原理图 S1(S4) S2(S3) uS1(uS4) uS2(uS3) iS1(iS4) iS2(iS3) iD1(iD4) iS2(iS3) ton T t t t t t t t t Ui Ui iL iL O O O O O O O O 图

22、 8-24 全桥电路的理想化波形 30 v 工作过程：工作过程： 全桥逆变电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上 下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压， 改变占空比就可以改变输出电压。 当S1与S4开通后，二极管VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐 上升； S2与S3开通后，二极管VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。 当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感 电流，电感L的电流逐渐下降.S1和S2断态时承受的峰值电压均为 Ui。 如果S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有 直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直

23、流 分量，造成磁路饱 和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可以在一 次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。 31 输出电压：输出电压： 滤波电感电流连续时： (8-5) 输出电感电流断续时，输出电压Uo将高于式（8-5）的计算值， 并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下， T t N N U U on 1 2 i o 2 U N N U oi 2 1 32 + S 1 S 2 VD 1 VD 2 L U i N 1 N 1 N 2 N 2 U o 图图 8-25 推挽电路原理图 S1 S2 uS1 uS2 iS1 iS2 iD1 iS2 ton T t t t t t t t

24、t 2Ui 2Ui iL iL O O O O O O O O 图图 8-26 推挽电路的理想化波形 33 v 工作过程：工作过程： 推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N1两 端分别形成相位相反的交流电压，改变占空比就可以改变 输出电压。 S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L的电流逐渐上升。 S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L的电流也逐渐上 升。 当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一 半的电流。S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui。 S1和S2同时导通，相当于变压器一次侧绕组短路，因此 应避免两个开关同时导通。 34 输出电压：输出电压： 滤波

25、电感L电流连续时： (8-6) 输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于式（8- 6）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零 的极限情况下， 。 T t N N U U on 1 2 i o 2 U N N U oi 2 1 35 表 8-1 各种不同的间接直流变流电路的比较 电路 优点 缺点功率范围应用领域 正激 电路较简单，成本 低，可靠性高，驱 动电路简单 变压器单向激磁， 利用率低 几百W几kW 各种中、小功 率电源 反激 电路非常简单，成 本很低，可靠性高， 驱动电路简单 难以达到较大的功 率，变压器单向激 磁，利用率低 几W几十W 小功率电子设备、 计算机设备、消 费电子设备电源

26、。 全桥 变压器双向励磁， 容易达到大功率 结构复杂，成本高， 有直通问题，可靠性 低，需要复杂的多组 隔离驱动电路 几百W几百kW 大功率工业用电 源、焊接电源、 电解电源等 半桥 变压器双向励磁，没 有变压器偏磁问题， 开关较少，成本低 有直通问题，可靠 性低，需要复杂的 隔离驱动电路 几百W几kW 各种工业用电 源，计算机电 源等 推挽 变压器双向励磁，变压器 一次侧电流回路中只有一 个开关，通态损耗较小， 驱动简单 有偏磁问题几百W几kW 低输入电压的 电源 36 图图8-27 全波整流电路和全桥整流电路原理图 a）全波整流电路 b）全桥整流电路 双端电路中常用的整流电路形式为全波整流

27、电 路和全桥整流电路。 + VD 1 VD 2 L + VD 1 L VD 3 VD 2 VD 4 37 全波整流电路的特点 优点：电感L的电流只流过一个二极管，回路中只 有一个二极管压降，损耗小，而且整流电路中只需 要2个二极管，元件数较少。 缺点：二极管断态时承受的反压是二倍的交流电压 幅值，对器件耐压要求较高，而且变压器二次侧绕 组有中心抽头，结构较复杂。 适用场合：输出电压较低的情况下（100V）。 38 全桥电路的特点 优点：二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值， 变压器的绕组结构较为简单。 缺点：电感L的电流流过两个二极管，回路中存在 两个二极管压降，损耗较大，而且电路中需要4个

28、 二极管，元件数较多。 适用场合：高压输出的情况下。 39 同步整流电路：当电路的输出电压非常低时，可以采 用同步整流电路，利用低电压MOSFET具有非常小的 导通电阻的特性降低整流电路的导通损耗，进一步提 高效率。 图图8-28 同步整流电路原理图 + V 1 V 2 L 40 如果间接直流变流电路输入端的直流电源是由 交流电网整流得来，所构成的交直交直 电路，通常被称为开关电源。 由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节， 变压器和滤波器都大大减小，体积和重量都远 小于相控整流电源，此外，工作频率的提高还 有利于控制性能的提高。 41 v本章要点如下： 1 间接交流变流电路可分为电压型和电

29、流型，掌握 他们的各种构成方式及特点； 2 交直交变频器与交流电机构成变频调速系统，重点 理解恒压频比控制方法，并了解转差频率控制、矢 量控制、直接转矩控制等其他控制方法； 3 CVCF变流电路主要用于UPS，掌握其基本构成方 式、特点及主电路结构； 4 间接直流变换电路中的能量转换过程为直流交 流 直流，交流环节含有变压器。 42 5. 常见的间接直流变换电路可以分为单端和双 端电路两大类。单端电路包括正激和反激两类； 双端电路包括全桥、半桥和推挽三类。每一类 电路都可能有多种不同的拓扑形式或控制方法， 本章仅介绍了其中最具代表性的拓扑形式和控 制方法。 6. 双端电路的整流电路可以有多种形式，本 章介绍了常用的全桥和全波两种，它们具有各 自的特点和不同的应用场合。 43 AC （负载） AC （电源） 44 AC 负载 AC 电源 V 0 R0 45 AC 负载 AC 电源 46 AC 负载 AC 电源 47 AC 负载 AC 电源 48 AC 负载 AC 电源 再生反馈 输送功率 功率流向 Id UdUL 49 M 3 整流 C 逆变 Ld VT1 VT3 VT5 VT4 VT6 VT2 50 U V W a b c 电源负载 51 M 电压及频率控制PWM生成驱动 给定积分 器 绝对值变换器 转速给定 u、f 指令 电机动正、反