第8章组合变流电路ppt课件

1、第8章 组合变流电路 引言 8.1 间接交流变流电路 8.2 间接直流变流电路 本章小结第8章 组合变流电路引言 根本的变流电路 第25章分别引见的AC/DC、DC/DC、AC/AC和DC/AC四大类根本的变流电路 。 组合变流电路 将某几种根本的变流电路组合起来，以实现一定的新功能，即构成组合变流电路。 间接交流变流电路 先将交流电整流为直流电，再将直流电逆变为交流电，是先整流后逆变的组合。 间接直流变流电路 先将直流电逆变为交流电，再将交流电整流为直流电，是先逆变后整流的组合。 8.1 间接交流变流电路 间接交流变流电路由整流电路、中间直流电路和逆变电路构成。 分为电压型间接交流变流电路和

2、电流型间接交流变流电路 间接交流变流电路的逆变部分多采用 PWM控制。8.1 间接交流变流电路8.1.1 间接交流变流电路原理8.1.2 交直交变频器8.1.3 恒压恒频(CVCF)电源8.1.1 间接交流变流电路原理 当负载为电动机时，通常要求间接交流变流电路具有再生反响电力的才干，要求输出电压的大小和频率可调，此时该电路又名交直交变频电路。 不能再生反响电力的电压型间接交流变流电路的整流部分不能再生反响电力的电压型间接交流变流电路的整流部分采用的是不可控整流，它只能由电源向直流电路保送功率，采用的是不可控整流，它只能由电源向直流电路保送功率，而不能反响电力。图中逆变电路的能量是可以双向流动

3、的，而不能反响电力。图中逆变电路的能量是可以双向流动的，假设负载能量反响到中间直流电路，将导致电容电压升高，假设负载能量反响到中间直流电路，将导致电容电压升高，称为泵升电压。称为泵升电压。1电压型间接交流 变流电路图8-1 不能再生反响的电压型间接交流变流电路8.1.1 间接交流变流电路原理 使电路具备再生反响电力的才干的方法 ：l 带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路。l 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。图82 带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路l 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。l 当负载回馈能量时，可控变流器任务

4、于有源逆变形状，将电能反响回电网。图83 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8.1.1 间接交流变流电路原理l 整流和逆变均为整流和逆变均为PWM控制的控制的电压型间接交流变流电路。电压型间接交流变流电路。l 整流和逆变电路的构整流和逆变电路的构成完全一样，均采用成完全一样，均采用PWM控控制，能量可双向流动。输入制，能量可双向流动。输入输出电流均为正弦波，输入输出电流均为正弦波，输入功率因数高，且可实现电动功率因数高，且可实现电动机四象限运转。机四象限运转。图84 整流和逆变均为PWM控制的电压型间接交流变流电路8.1.1 间接交流变流电路原理2电流型间接交流变流电路l 整流

5、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。 图8-5 不能再生反响电力的电流型间接交流变流电路图8-6 采用可控整流的电流型间接交流变流电路l 为使电路具备再生反响电力的才干，可采用：l 整流电路采用晶闸管可控整流电路。l 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。8.1.1 间接交流变流电路原理 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并使输入功率因数为1。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图8-7 电流型交-直-交PWM变频电路 实现再生反响的电路图 负载为三相异步电

6、动机，适用于较大容量的场所。8.1.2 交直交变频器l 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) 最高速度和容量受限制等。l 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。l 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。l 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

7、) 直接转矩控制等。8.1.2 交直交变频器1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。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，适用于消费机械对调速系统的静、动态性能要求不高的场所。8.1.2 交直交变频器转速给定既作为调理加减速的频率f 指令值，同时经过适当分压，作为定子电压U1的指令值。该比例决议了U/f比值，可以保证压频比为恒定。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

8、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。图8-9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图8.1.2 交直交变频器 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。图8-9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图8.1.2 交直交变频器2转差频率控制在稳态情况下，当稳态气隙磁通恒定时，异步电机电磁转矩近

9、似与转差角频率成正比。因此，控制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 1 = wr + ws ，那么w 1随实践转速wr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。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，得不到理想的动态性能。8.1.2 交直交变频器3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，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量进展控制，类似直流调速系统中的双闭

10、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。8.1.2 交直交变频器4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，直接采用了转矩反响，并采用砰砰控制，可以得到转矩的快速动态呼应。并且控制相对要简单许多。8.1.3 恒压恒频(CVCF)电源 CVCF电源主要用作不延续电源(UPS) 。 UPS -Uninterruptible Power Supplies UPS是指当交流输入电源习惯称为市电发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响的安装。 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。8.1.3

11、恒压恒频(CVCF)电源1UPS根本任务原理:图8-10 UPS根本构造原理图 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。 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。8.1.3 恒压恒频(CVCF)电源图8-12 具有旁路电源系统的UPS 添加旁路电源系统，可使负载供电可靠性进一步提高。图8-11 用柴油发电机作为后备电源的UPS 为了保证长时间不延续

12、供电，可采用柴油发电机简称油机作为后备电源。8.1.3 恒压恒频(CVCF)电源2UPS主电路构造图8-13 小容量UPS主电路 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PWM控制，可获得良好的控制性能。图8-14 大功率UPS主电路 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。 8.2 间接直流变流电路 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

13、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图图 8-15 8-15 间接直流变流电路的构造间接直流变流电路的构造 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。8.2 间接直流变流电路8.2.7 开关电源开关电源8.2.1 正激电路图 8-16 正激电路的原理图图 8-17 正激电路的理想化波形SuSiLiSOttttUiOOO 开关S开通后，变压器绕组W1两端的电压为上正下负，与其耦合的W2绕组两端的电压也是上正下负。因此VD1处于

14、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。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 。iSUNNu)1 (311正激电路(Forward)的任务过程8.2.1 正激电路BRBSBHO图 8-18 磁心复位过程输出电压输出滤波电感电流延续的情况下输出电感电流不延续时TtNNUUon12ioi12oUNNU2变压器的磁心复位on31rsttNNtl开关S开通后，变压器的激磁电流由零开场，随时间线性的增长，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时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心

15、复位。l变压器的磁心复位时间为8.2.2 反激电路1任务过程：图 8-20 反激电路的理想化波形 SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO图 8-19 反激电路原理图 S开通后，VD处于断态，W1绕组的电流线性增长，电感储能添加； S关断后，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量经过W2绕组和VD向输出端释放。8.2.2 反激电路2反激电路的任务方式： 电流延续方式：当S开通时，W2绕组中的电流尚未下降到零。输出电压关系： 电流断续方式：S开通前，W2绕组中的电流曾经下降到零。 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， ，因此反激电路不应任务于负载

16、开路形状。offon12iottNNUUoU(8-3)图 8-20 反激电路的理想化波形 SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO图 8-19 反激电路原理图 8.2.3 半桥电路lS1与S2交替导通，使变压器一次侧构成幅值为Ui/2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ud的平均值，也就改动了输出电压Uo。lS1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态;l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。lS1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断态时接受

17、的峰值电压均为Ui。1任务过程图 8-21 半桥电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO图 8-22 半桥电路的理想化波形8.2.3 半桥电路2数量关系l 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。图 8-21 半桥电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO图 8-22 半桥电路的理想化波形当滤波电感L的电流延续时： 假设输出电感电流不延续，输出电压U

18、0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 (8-4)8.2.4 全桥电路l全桥电路中，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Ui的交流电压，改动占空比就可以改动输出电压。l当S1与S4开通后，VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升；lS2与S3开通后，二极管VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。l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断态时接受的峰值电压均为Ui。1任务过程图 8-23 全桥电路原理图 S1S

19、2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图 8-24 全桥电路的理想化波形8.2.4 全桥电路l假设S1、S4与S2、S3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 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，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。2数量关系滤波电感电流延续时： (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： TtNNUUon12io2i12oUNNU 图 8-23 全桥电路原理图 S1S2u

20、S1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图 8-24 全桥电路的理想化波形8.2.5 推挽电路图 8-25 推挽电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图 8-26 推挽电路的理想化波形l 推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N,1两端分别构成相位相反的交流电压。l S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L的电流逐渐上升。l S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L电流也逐渐上升。l 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

21、和S2断态时接受的峰值电压均为2倍Ui。1任务过程8.2.5 推挽电路图 8-25 推挽电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图 8-26 推挽电路的理想化波形2数量关系l S1和S2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。 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，TtNNUUon12io2i12oUNNU 8.2.5 推挽电路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

22、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低输入电压的电源表 8-1 各种不同的间接直流变流电路的比较图 8-27 全波整流电路和全桥整流电路原理图8.2.6 全波整流和全桥整流l 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。a全波整流电路1全波整流电路的特点优点：电感L的电流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较高，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