电力电子学第8章组合变流电路汇编

1、电力(dinl)电子学第8章 组合(zh)变流电路1共三十九页 引言(ynyn) 8.1 间接交流变流电路 8.2 间接直流变流电路 学习(xux)内容2共三十九页第8章 组合变流电路(dinl)引言基本的变流电路 第25章分别介绍的AC/DC、DC/DC、AC/AC和DC/AC四大类基本的变流电路 。组合变流电路 将某几种基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(zhngli)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。 3共三十九页8

2、.1 间接(jin ji)交流变流电路间接(jin ji)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。4共三十九页8.1 间接交流(jioli)变流电路8.1.1 间接(jin ji)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5共三十九页8.1.1 间接交流变流电路(dinl)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馈电力的能力，要求输出(shch)电压的大小和频率可调，此时该电路又名交直交变频电路。1）电压型间接交流变流电路图8-1 不能

3、再生反馈的电压型间接交流变流电路6共三十九页8.1.1 间接交流(jioli)变流电路原理使电路具备再生反馈电力的能力(nngl)的方法 ：图82 带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路图83 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共三十九页8.1.1 间接交流变流电路(dinl)原理图84 整流和逆变均为PWM控制的电压型间接(jin ji)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。8共三十九页8.1.1 间接交流变流电路(dinl)原理2）电流型间接(jin ji)交流变

4、流电路 图8-5 不能再生反馈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9共三十九页8.1.1 间接(jin ji)交流变流电路原理图8-8 整流和逆变均为PWM控制的电流型间接交流(jioli)变流电路图8-7 电流型交-直-交PWM变频电路10共三十九页8.1.2 交直交变频器晶闸管直流电动机传动系统存在一些固有的缺点：(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(kui s)响应等优点。笼型异

5、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共三十九页8.1.2 交直交变频器1）恒压频比控制为避免电动机因频率变化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(diny)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共三十九页8.1.2 交直交变频器图8-9 采用(ciyng)恒压频比控制的变频调速系统框图

6、13共三十九页8.1.2 交直交变频器在稳态情况下，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 ，则w 1随实际转速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(jngti)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。2）转差频率(pnl)控制14共三十九页8.1.2 交直交变频器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，

7、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(hud)与直流电机调速相当的控制性能。3）矢量(shling)控制15共三十九页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(xingdu)要简单许多。16共三十九页8.1.3 恒压恒频(CVCF)电源(dinyun)CVCF电源主要用作不间断电源(UPS) 。 UPS -Uninterrupti

8、ble Power SuppliesUPS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(n din)，并能保证供电(n din)质量，使负载供电(n din)不受影响的装置。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。17共三十九页8.1.3 恒压恒频(CVCF)电源(dinyun)1）UPS基本工作(gngzu)原理: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

9、，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。18共三十九页8.1.3 恒压恒频(CVCF)电源(dinyun)图8-12 具有旁路电源(dinyun)系统的UPS 增加旁路电源系统，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 为了保证长时间不间断供电，可采用柴油发电机（简称油机）作为后备电源。19共三十九页8.1.3 恒压恒频(CVCF)电源(dinyun)2）UPS主电路(dinl)结构图8-13 小容量UPS主电路 20共三十九页8.1.3 恒压恒频(CVCF)电源(dinyun)2）UPS主电路(dinl)结

10、构图8-14 大功率UPS主电路 21共三十九页8.2 间接(jin ji)直流变流电路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 8-15 间接(jin ji)直流变流电路的结构间接直流变流电路：先将直流逆变为交流，再整流为直流电，也称为直-交-直电路。22共三十九页8.2 间接(jin ji)直流变流电路8.2.1 正激电路(dinl)8.2.2 反激电路8.2.3 半桥电路8.2.4 全桥电路8.2.5 推挽电路8.2.6 全波整流和全桥整流8.2.7 开关电源23共三十九页8.2.1 正激电路(dinl)图 8-16 正激电路(dinl)的原理图图 8-17 正激电路的理想

11、化波形1）正激电路(Forward)的工作过程24共三十九页8.2.1 正激电路(dinl)输出(shch)电压输出电感电流连续输出电感电流不连续2）变压器的磁心复位变压器的磁心复位时间为25共三十九页8.2.2 反激电路(dinl)1）工作(gngzu)过程：图 8-20 反激电路的理想化波形 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，电感储能增加；S关断后，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过W2绕组和VD向输出端释放。26共三十九页8.2.2 反激电路(dinl)2）反激电路(dinl)的工作模式：电流连续模式：当S开通时，W2绕组中的电流尚未

12、下降到零。输出电压关系：电流断续模式：S开通前，W2绕组中的电流已经下降到零。 图 8-20 反激电路的理想化波形 图 8-19 反激电路原理图 27共三十九页8.2.3 半桥电路(dinl)当滤波电感(din n)L的电流连续时： 如果输出电感电流不连续时图 8-21 半桥电路原理图 图 8-22 半桥电路的理想化波形28共三十九页8.2.4 全桥电路(dinl)滤波电感电流(dinli)连续时： 输出电感电流断续时：图 8-23 全桥电路原理图 图 8-24 全桥电路的理想化波形29共三十九页8.2.5 推挽(tu wn)电路图 8-25 推挽(tu wn)电路原理图 图 8-26 推挽电

13、路的理想化波形推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N,1两端分别形成相位相反的交流电压。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。1）工作过程30共三十九页8.2.5 推挽(tu wn)电路滤波电感(din n)L电流连续时：输出电感电流不连续时图 8-25 推挽电路原理图 图 8-26 推挽电路的理想化波形31共三十九页8.2.5 推挽(tu wn)电路电路优点缺点功率范围应用领域正激电路较简单，成本低

14、，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。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

15、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(jin ji)直流变流电路的比较32共三十九页8.2.6 全波整流(zhngli)和全桥整流(zhngli)双端电路中常用(chn yn)的整流电路形式为全波整流电路和全桥整流电路。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，结构较复杂。适用场合：输出电压较低的情况下（100V）。33共三十九页8.2.6 全波整流(zhngli)和全桥整流(zhngli)b）全

16、桥整流(zhngli)电路优点：二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值，变压器的绕组简单。缺点：电感L的电流回路中存在两个二极管压降，损耗较大，而且电路中需要4个二极管，元件数较多。适用场合：高压输出的情况下。2）全桥电路的特点34共三十九页8.2.6 全波整流(zhngli)和全桥整流(zhngli)当电路的输出(shch)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3）同步整流电路：35共三十九页8.2.7 开关电源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(zhngli

17、)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。36共三十九页本章(bn zhn)小结本章要点如下：间接交流变流电路可分为电压型和电流型，掌握他们的各种构成方式及特点；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；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；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(hunji)含有变压器；37共三十九页本章(bn zhn)小结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(y li)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；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。 38共三十九页内容摘要电力电子学。图8-1 不能再生反馈的电压型间接交流