电力电子变流技术第八章：组合变流电路ppt课件

1、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 8.2.5 8.2.5 推挽电路推挽电路 8.2.6 8.2.6 全波

2、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v 组合变流电路：是将组合变流电路：是将AC/DC、DC/DC、AC/AC和和DC/AC四大类根本变流电路中的某几种根本的变流电路组合起四大类根本变流电路中的某几种根本的变流电路组合起来，以实现一定的新功能。来，以实现一定的新功能。v 间接交流变流电路：先将交流整流为直流，再逆变为交间接交流变流电路：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。流，是先整流后逆变的组合。v 运用：运用：v 交直交变频电路交直交变频电路Variable Voltage Variable FrequencyVVVF

3、，主要用作变频器。，主要用作变频器。v 恒压恒频变流电路恒压恒频变流电路Constant Voltage Constant F r e q u e n c y C V C F ， 主 要 用 作 不 延 续 电 源 ， 主 要 用 作 不 延 续 电 源Uninterruptable Power SupplyUPS。v 间接直流变流电路：先将直流逆变为交流，再整流为直间接直流变流电路：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。流电，是先逆变后整流的组合。v 运用：各种开关电源运用：各种开关电源Switching Mode Power SupplySMPSv 间接交流变流电路主要

4、按电压型、电流型进展分类。v 间接交流变流电路，其逆变部分多采用PWM控制。v 8.1.1间接交流变流电路原理v 1电压型间接交流变流电路v 电压型间接交流变流电路在负载能量反响到中间直流电路时，将导致电容电压升高，称为泵升电压，假设能量无法反响回交流电源，泵升电压会危及整个电路的平安。AC（负载）AC（电源）图图8-1 不能再生不能再生反响的电压型间反响的电压型间接交流变流电路接交流变流电路 为使电路具备再生反响电力的才干，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 当泵升电压超越一定数值时，使V0导通，把从负载反响的能量耗费在R0上AC负载AC电源V0R0图图8-2 带有泵升电

5、压限制带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变电路的电压型间接交流变流电路流电路 利用可控变流器实现再生反响的电压型间接交流变流电路当负载回馈能量时，可控变流器任务于有源逆变形状，将电能反响回电网。AC负载AC电源图图8-3 利用可控变流器实现再生反响利用可控变流器实现再生反响的电压型间接交流变流电路的电压型间接交流变流电路 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一样，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转。AC负载AC电源图图8-4 整流和逆变均为整流和逆变均为PWM控控制的电压型间接交流变流电路

6、制的电压型间接交流变流电路 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响到电源侧。的能量反响到电源侧。为使电路具备再生反响电力的才干，可采用：为使电路具备再生反响电力的才干，可采用：整流电路采用晶闸管可控整流电路。整流电路采用晶闸管可控整流电路。负载回馈能量时，可控变流器任务于有源逆变形状，使负载回馈能量时，可控变流器任务于有源逆变形状，使中间直流电压反极性。中间直流电压反极性。AC负载AC电源AC负载AC电源再生反馈输送功率功率流向IdUdUL图图8-6 采用可控整流的电采用可控整流的

7、电流型间接交流变流电路流型间接交流变流电路图图8-5 不能再生反响电力的不能再生反响电力的电流型间接交流变流电路电流型间接交流变流电路 整流和逆变均为PWM控制的电流型间接交流变流电路 经过对整流电路的PWM控制使输入电流为正弦波，并使输入功率因数为1。 M3整流C逆变LdVT1VT3VT5VT4VT6VT2UVWabc电源负载图图8-7 电流型交电流型交直直交交PWM变频电路变频电路图图8-8 整流和逆变均为整流和逆变均为PWM控制的控制的电流型间接交流变流电路电流型间接交流变流电路 晶闸管直流电动机传动系统存在一些固有的缺陷：(1)受运用环境条件制约；(2)需求定期维护；(3)最高速度和容

8、量受限制等。 交流调速传动系统除了抑制直流调速传动系统的缺陷外还具有：(1)交流电动机构造简单，可靠性高；(2)节能；(3)高精度，快速呼应等优点。 采用变频调速方式时，无论电机转速高低，转差功率的耗费根本不变，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，是交流调速传动运用最多的一种方式。 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。1恒压频比控制恒压频比控制为防止电动机因频率变化导致磁饱和而呵斥励磁电流增为防止电动机因频率变化导致磁饱和而呵斥励磁电流增大，引起功率因数和效率的降低，需对变频器的电压大，引

9、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展控制，使该比率坚持恒定，即恒压和频率的比率进展控制，使该比率坚持恒定，即恒压频比控制，以维持气隙磁通为额定值。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，适用于消费机方式被用于转速开环的交流调速系统，适用于消费机械对调速系统的静、动态性能要求不高的场所。械对调速系统的静、动态性能要求不高的场所。任务原理：任务原理：转速给定既作为调理加减速的频率转速给定既作为调理加减速的频率f指令值，同指令值，同时经过适当分压，作为定子电

10、压时经过适当分压，作为定子电压U1的指令值。的指令值。该比例决议了该比例决议了U/f比值，由于频率和电压由同一比值，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。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、反转uabsugtu*co图图8-9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图采用恒压频比控制的变频调速系统框图 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，防止产生冲击。 给定积分器输出的极性代表电机转向，幅值代表输出电压

11、、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生成环节构成控制逆变器的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。2转差频率控制转差频率控制在稳态情况下，当稳态气隙磁通恒定时，异步电在稳态情况下，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机电磁转矩近似与转差角频率ws成正比。因此，成正比。因此，控制控制ws就相当于控制转矩。采用转速闭环的转就相当于控制转矩。采用转速闭环的转差频率控制，使定子频率差频率控制，使定子频率w1 =

12、 wr + ws，那么，那么w1随实践转速随实践转速wr添加或减小，得到平滑而稳添加或减小，得到平滑而稳定的调速，保证了较高的调速范围。定的调速，保证了较高的调速范围。转差频率控制方式可到达较好的静态性能，但这转差频率控制方式可到达较好的静态性能，但这种方法是基于稳态模型的，得不到理想的动态种方法是基于稳态模型的，得不到理想的动态性能。性能。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。传统设计方法无法到达理想的动态性能。统。传统设计方法无法到达理想的动态性能。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，矢

13、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转矩分量，参将定子电流分解为励磁分量和与此垂直的转矩分量，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展控制，类似直流调速系统中的双闭环控制方式。量进展控制，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。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

14、反响，并采用砰内环，直接采用了转矩反响，并采用砰砰控制，可以砰控制，可以得到转矩的快速动态呼应。并且控制相对要简单许多。得到转矩的快速动态呼应。并且控制相对要简单许多。 CVCF电源主要用作不延续电源UPS。UPS广泛运用于各种对交流供电可靠性和供电质量要求高的场所。 UPS根本任务原理是， 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根本构造原理图根本构造原理图 市电异常

15、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。 为了保证长时间不延续供电，可采用柴油发电机简称油机作为后备电源。 添加旁路电源系统，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S12图图8-11 用柴油发电机用柴油发电机作为后备电源的作为后备电源的UPS 蓄电池市电整流器逆变器负载油机1234转换开关CVCF电源旁路电源S1S2图图8-12 具有旁路电源系统的具有旁路电源系统的UPS UPS主电路构造 小容量的UPS，整流部分运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，逆变器部分运用IGBT并采用PW

16、M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，经过多重化结合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 小容量小容量UPS主电路主电路 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 大功率大功率UPS主电路主电路 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 小容量小容量UPS主电路主电路 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8-1

17、4 大功率大功率UPS主电路主电路 间接直流变流电路：先将直流逆变为交流，再整流为直流电，也称为直交直电路。 图8-15间接直流变流电路的构造 采用这种构造的变换缘由： 输出端与输入端需求隔离。 某些运用中需求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。 交流环节采用较高的任务频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和分量。任务频率高于20kHz这一人耳的听觉极限，可防止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逆变电路通常运用全控型器件，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

18、同步整流电路SynchronousRectifier。间接直流变流电路分为单端(SingleEnd)和双端(DoubleEnd)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称的交流电流。如半桥、全桥和推挽电路。 电路的任务过程电路图8-16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经过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关断后接受的电压为。 变压器的

19、磁心复位：开关S开通后，变压器的激磁电流由零开场，随着时间的添加而线性的增长，直到S关断。为防止变压器的激磁电感饱和，必需设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。iSUNNu)1 (31 变压器的磁心复位时间为复位过程图8-18 (8-1) 输出电压： 输出滤波电感电流延续的情况下： (8-2) 输出电感电流不延续时，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， on31rsttNNtTtNNUUon12ioi12oUNNU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。任务过程：S开通后，

20、VD处于断态，N1绕组的电流线性增长，电感储能添加；S关断后，N1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量经过N2绕组和VD向输出端释放。S关断后的电压为：+UiSVDN1N2UoW1W2图图 8-19 反激电路原理图反激电路原理图 SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO图图 8-20 反激电路的理想化波形反激电路的理想化波形 uUNNUSio12v 反激电路的任务方式：v 电流延续方式：当S开通时，N2绕组中的电流尚未下降到零。v 输出电压关系：v (8-3)v 电流断续方式：S开通前，N2绕组中的电流曾经下降到零。v 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

21、限情况下，因此反激电路不应任务于负载开路形状。offon12iottNNUUUo +S1S2VD1VD2LUiN1N2N3+udUo+C1C2W1W3W2图图 8-21 半桥电路原理图半桥电路原理图S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO图图 8-22 半桥电路的理想化波形半桥电路的理想化波形任务过程：任务过程：S1与与S2交替导通，使变压器一次侧构交替导通，使变压器一次侧构成幅值为成幅值为Ui/2的交流电压。改动开关的占的交流电压。改动开关的占空比，就可以改动二次侧整流电压空比，就可以改动二次侧整流电压ud的的平均值，也就改动了输出

22、电压平均值，也就改动了输出电压Uo。S1导通时，二极管导通时，二极管VD1处于通态，处于通态，S2导通时，二极管导通时，二极管VD2处于通态，处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组当两个开关都关断时，变压器绕组N1中中的电流为零，的电流为零，VD1和和VD2都处于通态，各都处于通态，各分担一半的电流。分担一半的电流。S1或或S2导通时电感导通时电感L的电流逐渐上升，的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下的电流逐渐下降。降。S1和和S2断态时接受的峰值电压均为断态时接受的峰值电压均为Ui。 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呵斥的变压

23、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： 当滤波电感L的电流延续时： (8-4) 假设输出电感电流不延续，输出电压U0将高于式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，。TtNNUUon12io2i12oUNNU+N1S2S3S4VD1VD2VD4VD3LS1N2+-+-uduTUiUoW2W1图图 8-23 全桥电路原理图全桥电路原理图S1(S4)S2(S3)uS1(uS4)uS2(uS3)iS1(iS4)iS2(iS3)iD1(iD4)iS2(iS3)tonTttttttttUiUiiLiLOOOOOOOO图 8-24 全

24、桥电路的理想化波形v 任务过程：任务过程：v 全桥逆变电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧全桥逆变电路中，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，使变压器一次侧构成幅值为半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧构成幅值为Ui的交流电压，改动占空比就可以改动输出电压。的交流电压，改动占空比就可以改动输出电压。v 当当S1与与S4开通后，二极管开通后，二极管VD1和和VD4处于通态，电感处于通态，电感L的电的电流逐渐上升；流逐渐上升；v S2与与S3开通后，二极管开通后，二极管VD2和和VD3处于通态，电感处于通态，电感L的电流的电流也上升。也上升。v 当当4个开关都关断时，

25、个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感的电感电流，电感L的电流逐渐下降的电流逐渐下降.S1和和S2断态时接受的断态时接受的峰值电压均为峰值电压均为Ui。v 假设假设S1、S4与与S2、S3的导通时间不对称，那么交流电压的导通时间不对称，那么交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流 分量，呵斥磁路饱和，因此全桥电路应留意防止电压直流分量，呵斥磁路饱和，因此全桥电路应留意防止电压直流分量的产生，也可以在一次侧回路串联一个电容，以阻断分量的产生，也可以在一次侧回路串联一个电容，

26、以阻断直流电流。直流电流。 输出电压：输出电压： 滤波电感电流延续时：滤波电感电流延续时： (8-5) 输出电感电流断续时，输出电压输出电感电流断续时，输出电压Uo将高于式将高于式8-5的计算值，的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下， TtNNUUon12io2UNNUoi21+S1S2VD1VD2LUiN1N1N2N2Uo图图 8-25 推挽电路原理图推挽电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图图 8-26 推挽电路的理想化波形推挽电路的理想化波形 v 任

27、务过程：任务过程：v 推挽电路中两个开关推挽电路中两个开关S1和和S2交替导通，在绕组交替导通，在绕组N1和和N1两端分别构成相位相反的交流电压，改动占空比就两端分别构成相位相反的交流电压，改动占空比就可以改动输出电压。可以改动输出电压。v S1导通时，二极管导通时，二极管VD1处于通态，电感处于通态，电感L的电流逐渐上升。的电流逐渐上升。v S2导通时，二极管导通时，二极管VD2处于通态，电感处于通态，电感L的电流也逐渐上的电流也逐渐上升。升。v 当两个开关都关断时，当两个开关都关断时，VD1和和VD2都处于通态，各分担一都处于通态，各分担一半的电流。半的电流。S1和和S2断态时接受的峰值电

28、压均为断态时接受的峰值电压均为2倍倍Ui。v S1和和S2同时导通，相当于变压器一次侧绕组短路，因此同时导通，相当于变压器一次侧绕组短路，因此应防止两个开关同时导通。应防止两个开关同时导通。输出电压：滤波电感L电流延续时：(8-6)输出电感电流不延续时，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，。TtNNUUon12io2UNNUoi21表8-1各种不同的间接直流变流电路的比较电路优点缺陷功率范围运用领域正激电路较简单，本钱低，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，本钱很低，可靠性高，驱动电路

29、简单难以到达较大的功率，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。全桥变压器双向励磁，容易到达大功率构造复杂，本钱高，有直通问题，可靠性低，需求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，本钱低有直通问题，可靠性低，需求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需一个开关，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

30、流电路双端电路中常用的整流电路方式为全波整流电路和全桥整流电路。+VD1VD2L+VD1LVD3VD2VD4 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，回路中只需一个二极管压降，损耗小，而且整流电路中只需求2个二极管，元件数较少。 缺陷：二极管断态时接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，构造较复杂。 适用场所：输出电压较低的情况下100V。 全桥电路的特点 优点：二极管在断态接受的电压仅为交流电压幅值，变压器的绕组构造较为简单。 缺陷：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，而且电路中需求4个二极管，元件数较多

31、。 适用场所：高压输出的情况下。 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8-28同步整流电路原理图+V1V2L假设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任务频率较高的交流环节，变压器和滤波器都大大减小，体积和分量都远小于相控整流电源，此外，任务频率的提高还有利于控制性能的提高。v本章要点如下：v1间接交流变流电路可分为电压型和电流型，掌握v他们的各种构成方式及特点；v2交直交变频器与交流电机构成变频调速系统，重点v了解恒压频比控制方法，并了解转差频率控