组合变流器课程课件

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

第8章组合变流电路~引言组合变流电路：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（UninterruptiblePowerSupply——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）第8章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

间接交流变流电路原理1．电压型间接交流变流电路

泵升电压----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。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8.1.1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。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。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，能量可双向留动。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。

间接交流变流电路原理8.1.1为使电路具备再生反馈电力的能力，可采用：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。

图8-5不能再生反馈电力的电流型间接交流变流电路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。

间接交流变流电路原理8.1.1图8-6采用可控整流的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通过对整流电路的PWM控制使输入电流为正弦并使输入功率因数为1。图8-7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

间接交流变流电路原理8.1.1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。8.1.21．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。交直交变频器8.1.2交直交变频器8.1.2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。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。图8-9采用恒压频比控制的变频调速系统框图2．转转差差频频率率控控制制在稳稳态态情情况况下下，，当当稳稳态态气气隙隙磁磁通通恒恒定定时时，，异异步步电电机机电电磁磁转转矩矩近近似似与与转转差差角角频频率率成成正正比比。。因因此此，，控控制制ws就相相当当于于控控制制转转矩矩。。采采用用转转速速闭闭环环的的转转差差频频率率控控制制，，使使定定子子频频率率w1=wr+ws，则则w1随实实际际转转速速wr增加加或或减减小小，，得得到到平平滑滑而而稳稳定定的的调调速速，，保保证证了了较较高高的的调调速速范范围围。。转差差频频率率控控制制方方式式可可达达到到较较好好的的静静态态性性能能，，但但这这种种方方法法是是基基于于稳稳态态模模型型的的，，得得不不到到理理想想的的动动态态性性能能。。交直直交交变变频频器器8.1.23．．矢矢量量控控制制异步步电电动动机机的的数数学学模模型型是是高高阶阶、、非非线线性性、、强强耦耦合合的的多多变变量量系系统统。。传传统统设设计计方方法法无无法法达达到到理理想想的的动动态态性性能能。。矢量量控控制制方方式式基基于于异异步步电电机机的的按按转转子子磁磁链链定定向向的的动动态态模模型型，，将将定定子子电电流流分分解解为为励励磁磁分分量量和和与与此此垂垂直直的的转转矩矩分分量量，，参参照照直直流流调调速速系系统统的的控控制制方方法法，，分分别别独独立立地地对对两两个个电电流流分分量量进进行行控控制制，，类类似似直直流流调调速速系系统统中中的的双双闭闭环环控控制制方方式式。。控制制系系统统较较为为复复杂杂，，但但可可获获得得与与直直流流电电机机调调速速相相当当的的控控制制性性能能。。交直直交交变变频频器器8.1.24．．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—砰控控制制，，可可以以得得到到转转矩矩的的快快速速动动态态响响应应。。并并且且控控制制相相对对要要简简单单许许多多。。交直直交交变变频频器器8.1.2CVCF电源源主主要要用用作作不不间间断断电电源源（（UPS）。。UPS广泛泛应应用用于于各各种种对对交交流流供供电电可可靠靠性性和和供供电电质质量量要要求求高高的的场场合合。。UPS基本本工工作作原原理理:市电电正正常常时时，，由由市市电电供供电电，，市市电电经经整整流流器器整整流流为为直直流流，，再再逆逆变变为为50Hz恒频频恒恒压压的的交交流流电电向向负负载载供供电电。。同同时时，，整整流流器器输输出出给给蓄蓄电电池池充充电电，，保保证证蓄蓄电电池池的的电电量量充充足足。。此时时负负载载可可得得到到的的高高质质量量的的交交流流电电压压，，具具有有稳稳压压、、稳稳频频性性能能，，也也称称为为稳稳压压稳稳频频电电源源。。市电电异异常常乃乃至至停停电电时时，，蓄蓄电电池池的的直直流流电电经经逆逆变变器器变变换换为为恒恒频频恒恒压压交交流流电电继继续续向向负负载载供供电电，，供供电电时时间间取取决决于于蓄蓄电电池池容容量量的的大大小小。。图8-10UPS基本本结结构构原原理理图图恒压压恒恒频频（CVCF））电电源源8.1.3为了了保保证证长长时时间间不不间间断断供供电电，，可可采采用用柴柴油油发发电电机机（（简简称称油油机机））作作为为后后备备电电源源。。增加加旁旁路路电电源源系系统统，，可可使使负负载载供供电电可可靠靠性性进进一一步步提提高高。。图8-11用柴柴油油发发电电机机作作为为后后备备电电源源的的UPS图8-12具有有旁旁路路电电源源系系统统的的UPS恒压压恒恒频频（CVCF））电电源源8.1.3恒压压恒恒频频（CVCF））电电源源UPS主电电路路结结构构小容容量量的的UPS，整流流部部分分使使用用二二极极管管整整流流器器和和直直流流斩斩波波器器（（PFC），，可获获得得较较高高的的交交流流输输入入功功率率因因数数，，逆逆变变器器部部分分使使用用IGBT并采用用PWM控制制，，可可获获得得良良好好的的控控制制性性能能。。大容容量量UPS主电电路路。。采采用用PWM控制制的的逆逆变变器器开开关关频频率率较较低低，，通通过过多多重重化化联联结结降降低低输输出出电电压压中中的的谐谐波波分分量量。。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8.1.3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）。。间接接直直流流变变流流电电路路分分为为单单端端(SingleEnd)和双双端端(DoubleEnd)电路路两两大大类类。。单端端电电路路：：变变压压器器中中流流过过的的是是直直流流脉脉动动电电流流，，如如正正激激电电路路和和反反激激电电路路。。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。8.2间接直流流变流电电路：先先将直流流逆变为为交流，，再整流流为直流流电，也也称为直直—交—直电路。。图8-15间接直流流变流电电路的结结构采用这种种结构的的变换原原因：输出端与与输入端端需要隔隔离。某些应用用中需要要相互隔隔离的多多路输出出。输出电压压与输入入电压的的比例远远小于1或远大于于1。交流环节节采用较较高的工工作频率率，可以以减小变变压器和和滤波电电感、滤滤波电容容的体积积和重量量。工作作频率高高于20kHz这一人耳耳的听觉觉极限，，可避免免变压器器和电感感产生噪噪音。间接直流流变流电电路8.2正激电路路8.2.1电路的工工作过程程图8-16正激电路路的原理理图图8-17正激电路路的理想想化波形形分析：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。。正激电路路8.2.1变压器的的磁心复复位：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。图8-18磁心复位位过程变压器的的磁心复复位时间间为(8-1)输出电压输出滤波电感电流连续的情况下,输出电感电流不连续时，(8-2)反激电路路工作过程程：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8.2.2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。。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)电流断续续模式：：S开通前，，N2绕组中的的电流已已经下降降到零。。输出电压压高于式式（8-3）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，，，，因因此反激激电路不不应工作作于负载载开路状状态。反激电路路8.2.2半桥电路路图8-21半桥电路路原理图图图8-22半桥电电路的的理想想化波波形8.2.3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。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。。输出电电压：：当滤波波电感感L的电流流连续续时：：(8-4)如果输输出电电感电电流不不连续续，输输出电电压U0将高于于式（（8-4）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，。。半桥电电路8.2.3图8-23全桥电电路原原理图图图8-24全桥电电路的的理想想化波波形全桥电路路8.2.4工作过过程：：全桥逆逆变电电路中中，互互为对对角的的两个个开关关同时时导通通，同同一侧侧半桥桥上下下两开开关交交替导导通，，使变变压器器一次次侧形形成幅幅值为为Ui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。。当S1与S4开通后后，二二极管管VD1和VD4处于通通态，，电感L的电流流逐渐渐上升升；S2与S3开通后后，二二极管管VD2和VD3处于通通态，，电感感L的电流流也上上升。。当4个开关关都关关断时时，4个二极极管都都处于于通态态，各各分担担一半半的电电感电电流，，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。如果S1、S4与S2、S3的导通通时间间不对对称，，则交交流电电压uT中将含含有直直流分分量，，会在在变压压器一一次侧侧产生生很大大的直直流分分量量，造造成磁磁路饱饱和，，因此此全桥桥电路路应注注意避避免电电压直直流分分量的的产生生，也也可以以在一一次侧侧回路路串联联一个个电容容，以以阻断断直流流电流流。输出电电压：滤波电电感电电流连连续时时：(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：全桥电路路8.2.4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推挽电路8.2.5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电流也也逐渐渐上升升。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。。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，。推挽电路8.2.5推挽电路8.2.5表8-1各种不同的的间接直流流变流电路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。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低输入电压的电源图8-27全波整流电电路和全桥桥整流电路路原理图a）全波整流电电路b）全桥整流电电路全波整流和和全桥整流流8.2.6双端电路中中常用的整整流电路形形式为全波波整流电路路和全桥整流流电路。全波整流电电路的特点点优点：电感感L的电流只流流过一个二二极管，回回路中只有有一个二极极管压降，，损耗小，，而且整流流电路中只只需要2个二极管，，元件数较较少。缺点：二极极管断态时时承受的反反压是二倍倍的交流电电压幅值，，对器件耐耐压要求较较高，而且且变压器二二次侧绕组组