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．转差频率控控制在稳态情况下下，当稳态气气隙磁通恒定定时，异步电电机电磁转矩矩近似与转差差角频率成正正比。因此，，控制ws就相当于控制制转矩。采用用转速闭环的的转差频率控控制，使定子子频率w1=wr+ws，则w1随实际转速wr增加或减小，，得到平滑而而稳定的调速速，保证了较较高的调速范范围。转差频率控制制方式可达到到较好的静态态性能，但这这种方法是基基于稳态模型型的，得不到到理想的动态态性能。交直交变频器器8.1.23．矢量控制制异步电动机的的数学模型是是高阶、非线线性、强耦合合的多变量系系统。传统设设计方法无法法达到理想的的动态性能。。矢量控制方式式基于异步电电机的按转子子磁链定向的的动态模型，，将定子电流流分解为励磁磁分量和与此此垂直的转矩矩分量，参照照直流调速系系统的控制方方法，分别独独立地对两个个电流分量进进行控制，类类似直流调速速系统中的双双闭环控制方方式。控制系统较为为复杂，但可可获得与直流流电机调速相相当的控制性性能。交直交变频器器8.1.24．直接转矩矩控制直接转矩控制制方法同样是是基于动态模模型的，其控控制闭环中的的内环，直接接采用了转矩矩反馈，并采采用砰—砰控制，可以以得到转矩的的快速动态响响应。并且控控制相对要简简单许多。交直交变频器器8.1.2CVCF电源主要用作作不间断电源源（UPS）。UPS广泛应用于各各种对交流供供电可靠性和和供电质量要要求高的场合合。UPS基本工工作原原理:市电正正常时时，由由市电电供电电，市市电经经整流流器整整流为为直流流，再再逆变变为50Hz恒频恒恒压的的交流流电向向负载载供电电。同同时，，整流流器输输出给给蓄电电池充充电，，保证证蓄电电池的的电量量充足足。此时负负载可可得到到的高高质量量的交交流电电压，，具有有稳压压、稳稳频性性能，，也称称为稳稳压稳稳频电电源。。市电异异常乃乃至停停电时时，蓄蓄电池池的直直流电电经逆逆变器器变换换为恒恒频恒恒压交交流电电继续续向负负载供供电，，供电电时间间取决决于蓄蓄电池池容量量的大大小。。图8-10UPS基本结结构原原理图图恒压恒恒频（CVCF）电电源8.1.3为了保保证长长时间间不间间断供供电，，可采采用柴柴油发发电机机（简简称油油机））作为为后备备电源源。增加旁旁路电电源系系统，，可使使负载载供电电可靠靠性进进一步步提高高。图8-11用柴油油发电电机作作为后后备电电源的的UPS图8-12具有旁旁路电电源系系统的的UPS恒压恒恒频（CVCF）电电源8.1.3恒压恒恒频（CVCF）电电源UPS主电路路结构构小容量量的UPS，整流部部分使使用二二极管管整流流器和和直流流斩波波器（（PFC），可获得得较高高的交交流输输入功功率因因数，，逆变变器部部分使使用IGBT并采用PWM控制，，可获获得良良好的的控制制性能能。大容量量UPS主电路路。采采用PWM控制的的逆变变器开开关频频率较较低，，通过过多重重化联联结降降低输输出电电压中中的谐谐波分分量。。图8-13小容量量UPS主电路路图8-14大功率率UPS主电路路8.1.3间接直直流变变流电电路逆变电电路通通常使使用全全控型型器件件，整整流电电路中中通常常采用用快恢恢复二二极管管、肖肖特基基二极极管或或MOSFET构成的的同步步整流流电路路（SynchronousRectifier）。间接直直流变变流电电路分分为单单端(SingleEnd)和双端端(DoubleEnd)电路两两大类类。单端电电路：：变压压器中中流过过的是是直流流脉动动电流流，如如正激激电路路和反反激电电路。。双端电电路：：变压压器中中的电电流为为正负负对称称的交交流电电流。。如半半桥、、全桥桥和推推挽电电路。。8.2间接直直流变变流电电路：：先将将直流流逆变变为交交流，，再整整流为为直流流电，，也称称为直直—交—直电路路。图8-15间接直直流变变流电电路的的结构构采用这这种结结构的的变换换原因因：输出端端与输输入端端需要要隔离离。某些应应用中中需要要相互互隔离离的多多路输输出。。输出电电压与与输入入电压压的比比例远远小于于1或远大大于1。交流环环节采采用较较高的的工作作频率率，可可以减减小变变压器器和滤滤波电电感、、滤波波电容容的体体积和和重量量。工工作频频率高高于20kHz这一人人耳的的听觉觉极限限，可可避免免变压压器和和电感感产生生噪音音。间接直直流变变流电电路8.2正激电电路8.2.1电路的的工作作过程程图8-16正激电电路的的原理理图图8-17正激电电路的的理想想化波波形分析：：开关S开通后后，变变压器器绕组组N1两端的的电压压为上上正下下负，，与其其耦合合的N2绕组两两端的的电压压也是是上正正下负负。因因此VD1处于通通态，，VD2为断态态，电电感L的电流流逐渐渐增长长；S关断后后，电电感L通过VD2续流，，VD1关断。。S关断后后变压压器的的励磁磁电流流经N3绕组和和VD3流回电电源，，所以以S关断后后承受受的电电压为为。。正激电电路8.2.1变压器器的磁磁心复复位：：开关S开通后后，变变压器器的激激磁电电流由由零开开始，，随着着时间间的增增加而而线性性的增增长，，直到到S关断。。为防防止变变压器器的激激磁电电感饱饱和，，必须须设法法使激激磁电电流在在S关断后到下一一次再开通的的一段时间内内降回零，这这一过程称为为变压器的磁磁心复位。图8-18磁心复位过程程变压器的磁心心复位时间为为(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)反激电路工作过程：S开通后，VD处于断态，N1绕组的电流线线性增长，电电感储能增加加；S关断后，N1绕组的电流被被切断，变压压器中的磁场场能量通过N2绕组和VD向输出端释放放。S关断后的电压压为：图8-19反激电路原理理图图8-20反激电路的理理想化波形8.2.2反激电路中的的变压器起着着储能元件的的作用，可以以看作是一对对相互耦合的的电感。反激电路的工工作模式：电流连续模式式：当S开通时，N2绕组中的电流流尚未下降到到零。输出电压关系系：(8-3)电流断续模式式：S开通前，N2绕组中的电流流已经下降到到零。输出电压高于于式（8-3）的计算值，，并随负载减减小而升高，，在负载为零零的极限情况况下，，，因此反激激电路不应工工作于负载开开路状态。反激电路8.2.2半桥电路图8-21半桥电路原理理图图8-22半桥电路的理理想化波形8.2.3工作过程：S1与S2交替导通，使使变压器一次次侧形成幅值值为Ui/2的交流电压。。改变开关的的占空比，就就可以改变二二次侧整流电电压ud的平均值，也也就改变了输输出电压Uo。S1导通时，二极极管VD1处于通态，S2导通时，二极极管VD2处于通态;当两个开关都都关断时，变变压器绕组N1中的电流为零零，VD1和VD2都处于通态，，各分担一半半的电流。S1或S2导通时电感L的电流逐渐上上升，两个开开关都关断时时，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。由于电容的隔隔直作用，半半桥电路对由由于两个开关关导通时间不不对称而造成成的变压器一一次侧电压的的直流分量有有自动平衡作作用，因此不不容易发生变变压器的偏磁磁和直流磁饱饱和。输出电压：当滤波电感L的电流连续时时：(8-4)如果输出电感感电流不连续续，输出电压压U0将高于式（8-4）的计算值，，并随负载减减小而升高，，在负载为零零的极限情况况下，。。半桥电路8.2.3图8-23全桥电路原理理图图8-24全桥电路的理理想化波形全桥电路8.2.4工作过程：全桥逆变电路路中，互为对对角的两个开开关同时导通通，同一侧半半桥上下两开开关交替导通通，使变压器器一次侧形成成幅值为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的导通时间不不对称，则交交流电压uT中将含有直流流分量，会在在变压器一次次侧产生很大大的直流分分量，造成磁磁路饱和，因因此全桥电路路应注意避免免电压直流分分量的产生，，也可以在一一次侧回路串串联一个电容容，以阻断直直流电流。输出电压：滤波电感电流流连续时：(8-5)输出电感电流流断续时，输输出电压Uo将高于式（8-5）的计算值，，并随负载减减小而升高，，在负载为零零的极限情况况下：全桥电路8.2.4图8-25推挽电路原理理图图8-26推挽电路的理理想化波形推挽电路8.2.5工作过程：推挽电路中两两个开关S1和S2交替导通，在在绕组N1和N’1两端分别形成成相位相反的的交流电压，，改变占空比比就可以改变变输出电压。。S1导通时，二极极管VD1处于通态，电电感L的电流逐渐上上升。S2导通时，二极极管VD2处于通态，电电感L电流也逐渐上上升。当两个开关都都关断时，VD1和VD2都处于通态，，各分担一半半的电流。S1和S2断态时承受的的峰值电压均均为2倍Ui。S1和S2同时导通，相相当于变压器器一次侧绕组组短路，因此此应避免两个个开关同时导导通。输出电压：滤波电感L电流连续时：：(8-6)输出电感电流流不连续时，，输出电压Uo将高于式（8-6）的计算值，，并随负载减减小而升高，，在负载为零零的极限情况况下，。推挽电路8.2.5推挽电路8.2.5表8-1各种不同的间间接直流变流流电路的比较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全波整流电路路和全桥整流流电路原理图图a）全波整流电路路b）全桥整流电路路全波整流和全全桥整流8.2.6双端电路中常常用的整流电电路形式为全全波整流电路路和全桥整流电电路。全波整流电路路的特点优点：电感L的电流只流过过一个二极管管，回路中只只有一个二极极管压降，损损耗小，而且且整流电路中中只需要2个二极管，元元件数较少。。缺点：二极管管断态时承受受的反压是二二倍的交流电电压幅值，对对器件耐压要要求较高，而而且变压器二二次侧绕组有有中心抽头，，结构较复杂杂。适用场合：输输出电压较低低的情况下（（<100V）。全波整流和全全桥整流8.2.6全波整流和全全桥整流8.2.6全桥电路的特特点优点：二极管管在断态承受受的电压仅为为交流电压幅幅值，变压器器的绕组结构构较为简单。。缺点：电感L的电流流过两两个二极管，，回路中存在在两个二极管管压降，损耗耗较大，而且且电路中需要要4个二极管，，元件数较较多。适用