电力电子变流技术电子教案

《电力电子变流技术》电子教案第八章：组合变流电路（参考内容）11/21/20221第八章组合变流电路引言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8.2间接直流变流电路

8.2.1正激电路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

本章小结

2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。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：交直交变频电路（VariableVoltageVariableFrequency—VVVF），主要用作变频器。恒压恒频变流电路（ConstantVoltageConstantFrequency—CVCF），主要用作不间断电源（UninterruptablePowerSupply——UPS）。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：各种开关电源（SwitchingModePowerSupply——SMPS）引言38.1间接交流变流电路

间接交流变流电路主要按电压型、电流型进行分类。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1．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，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。图8-1

不能再生反馈的电压型间接交流变流电路48.1.1

间接交流变流电路原理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

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

58.1.1

间接交流变流电路原理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。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68.1.1

间接交流变流电路原理整流和逆变均为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。

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78.1.1

间接交流变流电路原理2．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，使中间直流电压反极性。图8-6

采用可控整流的电流型间接交流变流电路图8-5

不能再生反馈电力的电流型间接交流变流电路88.1.1

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。

图8-7

电流型交—直—交PWM变频电路图8-8

整流和逆变均为PWM控制的电流型间接交流变流电路

98.1.2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。108.1.2交直交交变频频器1．恒压压频比比控制制为避免免电动动机因因频率率变化化导致致磁饱饱和而而造成成励磁磁电流流增大大，引引起功功率因因数和和效率率的降降低，，需对对变频频器的的电压压和频频率的的比率率进行行控制制，使使该比比率保保持恒恒定，，即恒恒压频频比控控制，，以维维持气气隙磁磁通为为额定定值。。恒压频比比控制是是比较简简单，被被广泛采采用的控控制方式式。该方方式被用用于转速速开环的的交流调调速系统统，适用用于生产产机械对对调速系系统的静静、动态态性能要要求不高高的场合合。118.1.2交直交变变频器工作原理理：转速给定定既作为为调节加加减速的的频率f指令值，，同时经经过适当当分压，，作为定定子电压压U1的指令值值。该比比例决定定了U/f比值，由由于频率率和电压压由同一一给定值值控制，，因此可可以保证证压频比比为恒定定。图8-9采用恒压压频比控控制的变变频调速速系统框框图128.1.2交直交变变频器在给定信信号之后后设置的的给定积积分器，，将阶跃跃给定信信号转换换为按设设定斜率率逐渐变变化的斜斜坡信号号ugt，从而使电电动机的的电压和和转速都都平缓地地升高或或降低，，避免产产生冲击击。给定积分分器输出出的极性性代表电电机转向向，幅值值代表输输出电压压、频率率。绝对对值变换换器输出出ugt的绝对值值uabs，电压频率率控制环环节根据据uabs及ugt的极性得得出电压压及频率率的指令令信号，，经PWM生成环节节形成控控制逆变变器的PWM信号，再再经驱动动电路控控制变频频器中IGBT的通断，，使变频频器输出出所需频频率、相相序和大大小的交交流电压压，从而而控制交交流电机机的转速速和转向向。138.1.2交直交变变频器2．转差频频率控制制在稳态情情况下，，当稳态态气隙磁磁通恒定定时，异异步电机机电磁转转矩近似似与转差差角频率率ws成正比。因因此，控制制ws就相当于控控制转矩。。采用转速速闭环的转转差频率控控制，使定定子频率w1=wr+ws，则w1随实际转速速wr增加或减小小，得到平平滑而稳定定的调速，，保证了较较高的调速速范围。转差频率控控制方式可可达到较好好的静态性性能，但这这种方法是是基于稳态态模型的，，得不到理理想的动态态性能。148.1.2交直交变频频器3．矢量控制制异步电动机机的数学模模型是高阶阶、非线性性、强耦合合的多变量量系统。传传统设计方方法无法达达到理想的的动态性能能。矢量控制方方式基于异异步电机的的按转子磁磁链定向的的动态模型型，将定子子电流分解解为励磁分分量和与此此垂直的转转矩分量，，参照直流流调速系统统的控制方方法，分别别独立地对对两个电流流分量进行行控制，类类似直流调调速系统中中的双闭环环控制方式式。控制系统较较为复杂，，但可获得得与直流电电机调速相相当的控制制性能。4．直直接接转转矩矩控控制制直接接转转矩矩控控制制方方法法同同样样是是基基于于动动态态模模型型的的，，其其控控制制闭闭环环中中的的内内环环，，直直接接采采用用了了转转矩矩反反馈馈，，并并采采用用砰砰—砰控制，，可以得得到转矩矩的快速速动态响响应。并并且控制制相对要要简单许许多。158.1.3恒压恒频频（CVCF）电源CVCF电源主要要用作不不间断电电源（UPS）。UPS广泛应用用于各种种对交流流供电可可靠性和和供电质质量要求求高的场场合。UPS基本工作作原理是是，市电正常常时，由由市电供供电，市市电经整整流器整整流为直直流，再再逆变为为50Hz恒频恒压压的交流流电向负负载供电电。同时时，整流流器输出出给蓄电电池充电电，保证证蓄电池池的电量量充足。。此时负载载可得到到的高质质量的交交流电压压，具有有稳压、、稳频性性能，也也称为稳稳压稳频频电源。。图8-10UPS基本结构构原理图图168.1.3恒压恒频频（CVCF）电源市电异常常乃至停停电时，，蓄电池池的直流流电经逆逆变器变变换为恒恒频恒压压交流电电继续向向负载供供电，供供电时间间取决于于蓄电池池容量的的大小。。为了保证证长时间间不间断断供电，，可采用用柴油发发电机（（简称油油机）作作为后备备电源。。增加旁路路电源系系统，可可使负载载供电可可靠性进进一步提提高。图8-11用柴油发发电机作作为后备备电源的的UPS图8-12具有旁路路电源系系统的UPS178.1.3恒压恒频频（CVCF）电源UPS主电路结构构小容量的UPS，整流部分使使用二极管管整流器和和直流斩波波器（PFC），可获得较高高的交流输输入功率因因数，逆变变器部分使使用IGBT并采用PWM控制，可获获得良好的的控制性能能。大容量UPS主电路。采采用PWM控制的逆变变器开关频频率较低，，通过多重重化联结降降低输出电电压中的谐谐波分量。。图8-13小容容量量UPS主电电路路图8-14大功功率率UPS主电电路路188.1.3恒压压恒恒频频（（CVCF）电源源图8-13小容容量量UPS主电电路路图8-14大功功率率UPS主电电路路198.2间接接直直流流变变流流电电路路间接接直直流流变变流流电电路路：：先先将将直直流流逆逆变变为为交交流流，，再再整整流流为为直直流流电电，，也也称称为为直直—交—直电电路路。。图8-15间接接直直流流变变流流电电路路的的结结构构采用用这这种种结结构构的的变变换换原原因因：：输出出端端与与输输入入端端需需要要隔隔离离。。某些些应应用用中中需需要要相相互互隔隔离离的的多多路路输输出出。。输出出电电压压与与输输入入电电压压的的比比例例远远小小于于1或远远大大于于1。交流流环环节节采采用用较较高高的的工工作作频频率率，，可可以以减减小小变变压压器器和和滤滤波波电电感感、、滤滤波波电电容容的的体体积积和和重重量量。。工工作作频频率率高高于于20kHz这一一人人耳耳的的听听觉觉极极限限，，可可避避免免变变压压器器和和电电感感产产生生噪噪音音。。208.2间接接直直流流变变流流电电路路逆变变电电路路通通常常使使用用全全控控型型器器件件，，整整流流电电路路中中通通常常采采用用快快恢恢复复二二极极管管、、肖肖特特基基二二极极管管或或MOSFET构成成的的同同步步整整流流电电路路（（SynchronousRectifier）。间接直流流变流电电路分为为单端(SingleEnd)和双端(DoubleEnd)电路两大大类。单端电路路：变压压器中流流过的是是直流脉脉动电流流，如正正激电路路和反激激电路。。双端电路路：变压压器中的的电流为为正负对对称的交交流电流流。如半半桥、全全桥和推推挽电路路。218.2.1正激电路路电路的工工作过程程（电路图8-16波形图8-17）开关S开通后，，变压器器绕组N1两端的电电压为上上正下负负，与其其耦合的的N2绕组两端端的电压压也是上上正下负负。因此此VD1处于通态态，VD2为断态，，电感L的电流逐逐渐增长长；S关断后，，电感L通过VD2续流，VD1关断。S关断后变变压器的的励磁电电流经N3绕组和VD3流回电源源，所以以S关断后承承受的电电压为。变压器的的磁心复复位：开开关S开通后，，变压器器的激磁磁电流由由零开始始，随着着时间的的增加而而线性的的增长，，直到S关断。为为防止变变压器的的激磁电电感饱和和，必须须设法使使激磁电电流在S关断后到到下一次次再开通通的一段段时间内内降回零零，这一一过程称称为变压压器的磁磁心复位位。228.2.1正激电路路变压器的的磁心复复位时间间为（复位过程程图8-18）(8-1)输出电压压：输出滤波波电感电电流连续续的情况况下：(8-2)输出电感感电流不不连续时时，输出出电压Uo将高于式式（8-2）的计算算值，并并随负载载减小而而升高，，在负载载为零的的极限情情况下，，238.2.2反激电路路反激电路路中的变变压器起起着储能能元件的的作用，，可以看看作是一一对相互互耦合的的电感。。工作过程程：S开通后，，VD处于断态态，N1绕组的电电流线性性增长，，电感储储能增加加；S关断后，，N1绕组的电电流被切切断，变变压器中中的磁场场能量通通过N2绕组和VD向输出端端释放。。S关断后的的电压为为：图8-19反激电路路原理图图图8-20反激电路路的理想想化波形形248.2.2反激电路路反激电路路的工作作模式：：电流连续续模式：：当S开通时，，N2绕组中的的电流尚尚未下降降到零。。输出电压压关系：：(8-3)电流断断续模模式：：S开通前前，N2绕组中中的电电流已已经下下降到到零。。输出电电压高高于式式（8-3）的计计算值值，并并随负负载减减小而而升高高，在在负载载为零零的极极限情情况下下，，，因因此反反激电电路不不应工工作于于负载载开路路状态态。258.2.3半桥电电路图8-21半桥电电路原原理图图图8-22半桥电电路的的理想想化波波形268.2.3半桥电电路工作过过程：：S1与S2交替导导通，，使变变压器器一次次侧形形成幅幅值为为Ui/2的交流流电压压。改改变开开关的的占空空比，，就可可以改改变二二次侧侧整流流电压压ud的平均均值，，也就就改变变了输输出电电压Uo。S1导通时时，二二极管管VD1处于通通态，，S2导通时时，二二极管管VD2处于通通态，，当两个个开关关都关关断时时，变变压器器绕组组N1中的电电流为为零，，VD1和VD2都处于于通态态，各各分担担一半半的电电流。。S1或S2导通时时电感感L的电流流逐渐渐上升升，两两个开开关都都关断断时，，电感感L的电流流逐渐渐下降降。S1和S2断态时时承受受的峰峰值电电压均均为Ui。278.2.3半桥电电路由于电电容的的隔直直作用用，半半桥电电路对对由于于两个个开关关导通通时间间不对对称而而造成成的变变压器器一次次侧电电压的的直流流分量量有自自动平平衡作作用，，因此此不容容易发发生变变压器器的偏偏磁和和直流流磁饱饱和。。输出电压：：当滤波电感感L的电流连续续时：(8-4)如果输出电电感电流不不连续，输输出电压U0将高于式（（8-4）的计算值值，并随负负载减小而而升高，在在负载为零零的极限情情况下，。。288.2.4全桥电路图8-23全桥电路原原理图图8-24全桥电路的的理想化波波形298.2.4全桥电路工作过程：：全桥逆变电电路中，互互为对角的的两个开关关同时导通通，同一侧侧半桥上下下两开关交交替导通，，使变压器器一次侧形形成幅值为为Ui的交流电压，，改变占空比比就可以改变变输出电压。。当S1与S4开通后，二极极管VD1和VD4处于通态，电电感L的电流逐渐上上升；S2与S3开通后，二极极管VD2和VD3处于通态，电电感L的电流也上升升。当4个开关都关断断时，4个二极管都处处于通态，各各分担一半的的电感电流，，电感L的电流逐渐下下降.S1和S2断态时承受的的峰值电压均均为Ui。如果S1、S4与S2、S3的导导通通时时间间不不对对称称，，则则交交流流电电压压uT中将将含含有有直直流流分分量量，，会会在在变变压压器器一一次次侧侧产产生生很很大大的的直直流流分分量量，，造造成成磁磁路路饱饱和和，，因因此此全全桥桥电电路路应应注注意意避避免免电电压压直直流流分分量量的的产产生生，，也也可可以以在在一一次次侧侧回回路路串串联联一一个个电电容容，，以以阻阻断断直直流流电电流流。。308.2.4全桥桥电电路路输出出电电压压：：滤波波电电感感电电流流连连续续时时：：(8-5)输出电电感电电流断断续时时，输输出电电压Uo将高于于式（（8-5）的计计算值值，并并随负负载减减小而而升高高，在在负载载为零零的极极限情情况下下，318.2.5推挽电电路图8-25推挽电电路原原理图图图8-26推挽电电路的的理想想化波波形328.2.5推挽电电路工作过过程：：推挽电电路中中两个个开关关S1和S2交替导导通，，在绕绕组N1和N’1两端分分别形形成相相位相相反的的交流流电压压，改改变占占空比比就可可以改改变输输出电电压。。S1导通时时，二二极管管VD1处于通通态，，电感感L的电流流逐渐渐上升升。S2导通时时，二二极管管VD2处于通通态，，电感感L的电流流也逐逐渐上上升。。当两个个开关关都关关断时时，VD1和VD2都处于于通态态，各各分担担一半半的电电流。。S1和S2断态时时承受受的峰峰值电电压均均为2倍Ui。S1和S2同时导导通，，相当当于变变压器器一次次侧绕绕组短短路，，因此此应避避免两两个开开关同同时导导通。。338.2.5推挽电电路输出电电压：：滤波电电感L电流连连续时时：(8-6)输出电电感电电流不不连续续时，，输出出电压压Uo将高于于式（（8-6）的计计算值值，并并随负负载减减小而而升高高，在在负载载为零零的极极限情情况下下，。。348.2.5推挽电电路表8-1各种不不同的的间接接直流流变流流电路路的比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。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358.2.6全波整整流和和全桥桥整流流图8-27全波整整流电电路和和全桥桥整流流电路路原理理图a）全波整整流电电路b）全桥整整流电电路双端电电路中中常用用的整整流电电路形形式为为全波波整流流电路路和全全桥整整流电电路。。368.2.6全波整整流和和全桥桥整流流全波整整流电电路的的特点点优点：：电感感L的电流流只流流过一一个二二极管管，回回路中中只有有一个个二极极管压压降，，损耗耗小，，而且且整流流电路路中只只需要要2个二极极管，，元件件数较较少。。缺点：：二极极管断断态时时承受受的反反压是是二倍倍的交交流电电压幅幅值，，对器器件耐耐压要要求较较高，，而且且变压压器二二次侧侧绕组组有中中心抽抽头，，结构构较复复杂。。适用场场合：：输出出电压压较低低的情情况下下（<100V）。378.2.6全波整整流和和全桥桥整流流全桥电电路的的特点点优点：：二极极管在在断态态承受受的电电压仅仅为交交流电电压幅幅值，，变压压器的的绕组组结构构较为为简单单。缺点：：电感感L的电流流流过过两个个二极极管，，回路路中存存在两两个二二极管管压降降，损损耗较较大，，而且且电路路中需需要4个二极管，，元件数较较多。适用场合：：高压输出出的情况下下。388.2.6全波整流和和全桥整流流同步整流电电路：当电电路的输出出电压非常常低时，可可以采用同同步整流电电路，利用用低电压MOSFET具有非常小小的导通电电阻的特性性降低整流流电路的导导通损耗，，进一步提提高效率。。图8-28同步整流电电路原理图图398.2.7开关电源如果间接直直流变流电电路输入端端的直流电电源是由交交流电网整整流得来，，所构成的的交—直—交—直电路，通通常被称为为开关电源源。由于开关电电源采用了了工作频率率较高的交交流环节，，变压器和和滤波器都都大大减小小，体积和和重量都远远小于相控控整流电源源，此外，，工作频率率的提高还还有利于控控制性能的的提高。40本章小结本章要点如如下：1．间接交流变变流电路可可分为电压压型和电流流型，掌握握他们的各种种构成方式式及特点；；2．交直交变频频器与交流流电机构成成变频调速速系统，重重点理解恒压频频比控制方方法，并了了解转差频频率控制、、矢量控制、