電工電子技術(shù)—第八章組合變流電路

1、8-1 8-2基本的變流電路 第25章分別介紹的AC/DC、DC/DC、AC/AC和DC/AC四大類基本的變流電路基本的變流電路 。組合變流電路 將某幾種基本的變流電路組合起來，以實(shí)現(xiàn)一定的新功能，即構(gòu)成組合變流電路組合變流電路。間接交流變流電路 先將交流電整流為直流電，再將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，是先先整流后逆變整流后逆變的組合。 間接直流變流電路 先將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，再將交流電整流為直流電，是先逆變后整流先逆變后整流的組合。 8-3間接交流變流電路由整流電路、中間直流電路和逆變電路構(gòu)成。分為電壓型電壓型間接交流變流電路和電流型電流型間接交流變流電路間接交流變流電路的逆變部分多采用 PWM控

2、制控制。8-48-5當(dāng)負(fù)載為電動(dòng)機(jī)時(shí)，通常要求間接交流變流電路具有再再生反饋電力生反饋電力的能力，要求輸出電壓的大小和頻率可調(diào)，此時(shí)該電路又名交直交變頻電路交直交變頻電路。不能再生反饋電力不能再生反饋電力的電壓型間接交流變流電路的整流部分采用的是不可控整流，它只能由電源向直流電路輸送功率，而不能反饋電力。圖中逆變電路的能量是可以雙向流動(dòng)的，若負(fù)載能量反饋到中間直流電路，將導(dǎo)致電容電壓升高，稱為泵升電壓泵升電壓。1.電壓型間接交流 變流電路圖8-1 不能再生反饋的電壓型間接交流變流電路8-6使電路具備再生反饋電力再生反饋電力的能力的方法 ：帶有泵升電壓限制電路泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流

3、電路。 當(dāng)泵升電壓超過一定數(shù)值時(shí)，使V0導(dǎo)通，把從負(fù)載反饋的能量消耗在R0上。圖82 帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路利用可控變流器實(shí)現(xiàn)再生反饋可控變流器實(shí)現(xiàn)再生反饋的電壓型間接交流變流電路。 當(dāng)負(fù)載回饋能量時(shí)，可控變流器工作于有源逆變狀態(tài)，將電能反饋回電網(wǎng)。圖83 利用可控變流器實(shí)現(xiàn)再生反饋的電壓型間接交流變流電路8-7整流和逆變均為整流和逆變均為PWM控制控制的電壓型間接交流變流電路。 整流和逆變電路的構(gòu)成完全相同，均采用PWM控制，能量可雙向流動(dòng)。輸入輸出電流均為正弦波，輸入功率因數(shù)高，且可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行。圖84 整流和逆變均為PWM控制的電壓型間接交流變流電路8-82

4、.電流型間接交流變流電路整流電路為不可控的二極管整流時(shí)，電路不能將負(fù)載側(cè)的能量反饋到電源側(cè)。 圖8-5 不能再生反饋電力的電流型間接交流變流電路圖8-6 采用可控整流的電流型間接交流變流電路為使電路具備再生反饋電力的能力，可采用：整流電路采用晶閘管可控整流電路。負(fù)載回饋能量時(shí)，可控變流器工作于有源逆變狀態(tài)，使中間直流電壓反極性。8-9整流和逆變均為PWM控制的電流型間接交流變流電路通過對(duì)整流電路的PWM控制使輸入電流為正弦并使輸入功率因數(shù)為1。圖8-8 整流和逆變均為PWM控制的電流型間接交流變流電路圖8-7 電流型交-直-交PWM變頻電路實(shí)現(xiàn)再生反饋的電路圖負(fù)載為三相異步電動(dòng)機(jī)，適用于較大容

5、量的場(chǎng)合。8-10晶閘管直流直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)存在一些固有的缺點(diǎn)缺點(diǎn)：(1) 受使用環(huán)境條件制約；(2) 需要定期維護(hù)；(3) 最高速度和容量受限制等。交流交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)除了克服直流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)外還具有：(1) 交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高；(2) 節(jié)能；(3) 高精度，快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。采用變頻調(diào)速方式時(shí)，無論電機(jī)轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率的消耗基本不變，系統(tǒng)效率是各種交流調(diào)速方式中最高的，具有顯著的節(jié)能效果，是交流調(diào)速傳動(dòng)應(yīng)用最多的一種方式。籠型異步電動(dòng)機(jī)的定子頻率控制方式，有：(1) 恒壓頻比(U/f)控制；(2) 轉(zhuǎn)差頻率控制；(3) 矢量控制；(4) 直接轉(zhuǎn)矩控制等。8-111.恒壓頻

6、比控制為避免電動(dòng)機(jī)因頻率變化導(dǎo)致磁飽和而造成勵(lì)磁電流增大,引起功率因數(shù)和效率的降低，需對(duì)變頻器的電壓和頻率的比率進(jìn)行控制，使該比率保持恒定，即恒壓頻比控制，以維持氣隙磁通為額定值。恒壓頻比控制是比較簡(jiǎn)單，被廣泛采用的控制方式。該方式被用于轉(zhuǎn)速開環(huán)的交流調(diào)速系統(tǒng)，適用于生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)合。8-12轉(zhuǎn)速給定既作為調(diào)節(jié)加減速的頻率f 指令值，同時(shí)經(jīng)過適當(dāng)分壓，作為定子電壓U1的指令值。該比例決定了U/f比值，可以保證壓頻比為恒定。在給定信號(hào)之后設(shè)置的給定積分器，將階躍給定信號(hào)轉(zhuǎn)換為按設(shè)定斜率逐漸變化的斜坡信號(hào)ugt，從而使電動(dòng)機(jī)的電壓和轉(zhuǎn)速都平緩地升高或降低，避免產(chǎn)生沖擊

7、。圖8-9 采用恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖8-13給定積分器輸出的極性代表電機(jī)轉(zhuǎn)向，幅值代表輸出電壓、頻率。絕對(duì)值變換器輸出ugt的絕對(duì)值uabs，電壓頻率控制環(huán)節(jié)根據(jù)uabs及ugt的極性得出電壓及頻率的指令信號(hào)，經(jīng)PWM生成環(huán)節(jié)形成控制逆變器的PWM信號(hào)，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制變頻器中IGBT的通斷，使變頻器輸出所需頻率、相序和大小的交流電壓，從而控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。圖8-9 采用恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖8-142.轉(zhuǎn)差頻率控制在穩(wěn)態(tài)情況下，當(dāng)穩(wěn)態(tài)氣隙磁通恒定時(shí)，異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)差角頻率成正比。因此，控制ws就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩。采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率控制，使定子頻率w 1

8、= wr + ws ，則w 1隨實(shí)際轉(zhuǎn)速wr增加或減小，得到平滑而穩(wěn)定的調(diào)速，保證了較高的調(diào)速范圍。轉(zhuǎn)差頻率控制方式可達(dá)到較好的靜態(tài)性能，但這種方法是基于穩(wěn)態(tài)模型的，得不到理想的動(dòng)態(tài)性能。8-153.矢量控制異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無法達(dá)到理想的動(dòng)態(tài)性能。矢量控制方式基于異步電機(jī)的按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的動(dòng)態(tài)模型，將定子電流分解為勵(lì)磁分量和與此垂直的轉(zhuǎn)矩分量，參照直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法，分別獨(dú)立地對(duì)兩個(gè)電流分量進(jìn)行控制，類似直流調(diào)速系統(tǒng)中的雙閉環(huán)控制方式?？刂葡到y(tǒng)較為復(fù)雜，但可獲得與直流電機(jī)調(diào)速相當(dāng)?shù)目刂菩阅堋?-164.直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制方法同樣是基

9、于動(dòng)態(tài)模型的，其控制閉環(huán)中的內(nèi)環(huán)，直接采用了轉(zhuǎn)矩反饋，并采用砰砰控制，可以得到轉(zhuǎn)矩的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。并且控制相對(duì)要簡(jiǎn)單許多。8-17CVCF電源主要用作不間斷電源( (UPS) 。 UPS -Uninterruptible Power SuppliesUPS是指當(dāng)交流輸入電源（習(xí)慣稱為市電）發(fā)生異常或斷電時(shí)，還能繼續(xù)向負(fù)載供電，并能保證供電質(zhì)量，使負(fù)載供電不受影響的裝置。UPS廣泛應(yīng)用于各種對(duì)交流供電可靠性和供電質(zhì)量要求高的場(chǎng)合。8-181.UPS基本工作原理工作原理:圖8-10 UPS基本結(jié)構(gòu)原理圖市電正常時(shí)，由市電供電，市電經(jīng)整流器整流為直流，再逆變?yōu)?0Hz恒頻恒壓的交流電向負(fù)載供電。同時(shí)

10、，整流器輸出給蓄電池充電，保證蓄電池的電量充足。此時(shí)負(fù)載可得到的高質(zhì)量的交流電壓，具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻性能，也稱為穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。市電異常乃至停電時(shí)，蓄電池的直流電經(jīng)逆變器變換為恒頻恒壓交流電繼續(xù)向負(fù)載供電，供電時(shí)間取決于蓄電池容量的大小。8-19圖8-12 具有旁路電源系統(tǒng)的UPS 增加旁路電源系統(tǒng)，可使負(fù)載供電可靠性進(jìn)一步提高。圖8-11 用柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源的UPS 為了保證長(zhǎng)時(shí)間不間斷供電，可采用柴油發(fā)電機(jī)（簡(jiǎn)稱油機(jī)）作為后備電源。8-202.UPS主電路結(jié)構(gòu)圖8-13 小容量UPS主電路 小容量的UPS，整流部分使用二極管整流器和直流斬波器(PFC)，可獲得較高的交流輸入功率因數(shù)，逆變器

11、部分使用IGBT并采用PWM控制，可獲得良好的控制性能。圖8-14 大功率UPS主電路 大容量UPS主電路。采用PWM控制的逆變器開關(guān)頻率較低，通過多重化聯(lián)結(jié)降低輸出電壓中的諧波分量。 8-21采用這種結(jié)構(gòu)的變換原因：輸出端與輸入端需要隔離。某些應(yīng)用中需要相互隔離的多路輸出。輸出電壓與輸入電壓的比例遠(yuǎn)小于1或遠(yuǎn)大于1。交流環(huán)節(jié)采用較高的工作頻率，可以減小變壓器和濾波電感、濾波電容的體積和重量。工作頻率高于20kHz這一人耳的聽覺極限，可避免變壓器和電感產(chǎn)生噪音。變壓器整流電路濾波器直流交流交流脈動(dòng)直流直流逆變電路圖圖 8-158-15 間接直流變流電路的結(jié)構(gòu)間接直流變流電路：先將直流逆變?yōu)榻涣?/p>

12、，再整流為直流電，也稱為直-交-直電路。8-228-23圖 8-16 正激電路的原理圖圖 8-17 正激電路的理想化波形SuSiLiSOttttUiOOO開關(guān)S開通后，變壓器繞組W1兩端的電壓為上正下負(fù)，與其耦合的W2繞組兩端的電壓也是上正下負(fù)。因此VD1處于通態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感L的電流逐漸增長(zhǎng)；S關(guān)斷后，電感L通過VD2續(xù)流，VD1關(guān)斷。變壓器的勵(lì)磁電流經(jīng)N3繞組和VD3流回電源，所以S關(guān)斷后承受的電壓為 。iSUNNu)1 (311.正激電路(Forward)的工作過程8-24BRBSBHO圖 8-18 磁心復(fù)位過程輸出電壓輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下輸出電感電流不連續(xù)時(shí)TtNNUUo

13、n12ioi12oUNNU2.變壓器的磁心復(fù)位on31rsttNNt開關(guān)S開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨時(shí)間線性的增長(zhǎng)，直到S關(guān)斷。為防止變壓器的激磁電感飽和，必須設(shè)法使激磁電流在S關(guān)斷后到下一次再開通的時(shí)間內(nèi)降回零，這一過程稱為變壓器的磁心變壓器的磁心復(fù)位復(fù)位。變壓器的磁心復(fù)位時(shí)間為8-251.工作過程：圖 8-20 反激電路的理想化波形 SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO圖 8-19 反激電路原理圖 S開通后，VD處于斷態(tài)，W1繞組的電流線性增長(zhǎng)，電感儲(chǔ)能增加；S關(guān)斷后，W1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場(chǎng)能量通過W2繞組和VD向輸出端釋放。8-262.反激電路的工作

14、模式：電流連續(xù)模式：當(dāng)S開通時(shí)，W2繞組中的電流尚未下降到尚未下降到零零。輸出電壓關(guān)系：電流斷續(xù)模式：S開通前，W2繞組中的電流已經(jīng)下降到零已經(jīng)下降到零。 輸出電壓高于式（8-3）的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下， ，因此反激電路不應(yīng)工作于負(fù)載開路狀態(tài)。offon12iottNNUUoU(8-3)圖 8-20 反激電路的理想化波形 SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO圖 8-19 反激電路原理圖 8-27S1與S2交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui/2的交流電壓。改變開關(guān)的占空比，就可以改變二次側(cè)整流電壓ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uo。S1導(dǎo)通時(shí)，二

15、極管VD1處于通態(tài)，S2導(dǎo)通時(shí)，二極管VD2處于通態(tài);當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，變壓器繞組N1中的電流為零，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。S1或S2導(dǎo)通時(shí)電感L的電流逐漸上升，兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，電感L的電流逐漸下降。S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為Ui。1.工作過程圖 8-21 半橋電路原理圖 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO圖 8-22 半橋電路的理想化波形8-282.數(shù)量關(guān)系由于電容的隔直作用，半橋電路對(duì)由于兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱而造成的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量有自動(dòng)平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流磁

16、飽和。圖 8-21 半橋電路原理圖 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO圖 8-22 半橋電路的理想化波形當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)： 如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓U0將高于式（8-4）的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下， TtNNUUon12io2i12oUNNU (8-4)8-29全橋電路中，互為對(duì)角的兩個(gè)開關(guān)同同時(shí)時(shí)導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。當(dāng)S1與S4開通后，VD1和VD4處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升；S2與S3開通后

17、，二極管VD2和VD3處于通態(tài)，電感L的電流也上升。當(dāng)4個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，4個(gè)二極管都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電流，電感L的電流逐漸下降。S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為Ui。1.工作過程圖 8-23 全橋電路原理圖 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖 8-24 全橋電路的理想化波形8-30如果S1、S4與S2、S3的導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱，則交流電壓uT中將含有直流分量，會(huì)在變壓器一次側(cè)產(chǎn)生很大的直流 分量，造成磁路飽和，因此全橋電路應(yīng)注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生，也可在一次側(cè)回路串聯(lián)一個(gè)電容，以阻斷直流電流。2.數(shù)量關(guān)系濾波電

18、感電流連續(xù)時(shí)： (8-5)輸出電感電流斷續(xù)時(shí)，輸出電壓Uo將高于式（8-5）的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下： TtNNUUon12io2i12oUNNU 圖 8-23 全橋電路原理圖 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖 8-24 全橋電路的理想化波形8-31圖 8-25 推挽電路原理圖 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖 8-26 推挽電路的理想化波形推挽電路中兩個(gè)開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，在繞組N1和N, ,1兩端分別形成相位相反

19、的交流電壓。S1導(dǎo)通時(shí)，二極管VD1處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。S2導(dǎo)通時(shí)，二極管VD2處于通態(tài)，電感L電流也逐漸上升。當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均為2倍U Ui i。1.工作過程8-32圖 8-25 推挽電路原理圖 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖 8-26 推挽電路的理想化波形2.數(shù)量關(guān)系S1和S2同時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于變壓器一次側(cè)繞組短路，因此應(yīng)避免兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通。濾波電感L電流連續(xù)時(shí)：(8-6)輸出電感電流不連續(xù)時(shí)，輸出電壓Uo將高于式（8-6）

20、的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下，TtNNUUon12io2i12oUNNU 8-33電路優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)功率范圍功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域正激正激電路較簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單變壓器單向激磁，利用率低幾百W幾kW各種中、小功率電源反激反激電路非常簡(jiǎn)單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單難以達(dá)到較大的功率，變壓器單向激磁，利用率低幾W幾十W小功率電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備、消費(fèi)電子設(shè)備電源。全橋全橋變壓器雙向勵(lì)磁，容易達(dá)到大功率結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，有直通問題，可靠性低，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動(dòng)電路幾百W幾百kW大功率工業(yè)用電源、焊接電源、電解電源等半橋半橋變壓器雙向勵(lì)磁，沒有

21、變壓器偏磁問題，開關(guān)較少，成本低有直通問題，可靠性低，需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動(dòng)電路幾百W幾kW各種工業(yè)用電源，計(jì)算機(jī)電源等推挽推挽變壓器雙向勵(lì)磁，變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個(gè)開關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單有偏磁問題幾百W幾kW低輸入電壓的電源表 8-1 各種不同的間接直流變流電路的比較8-34圖 8-27 全波整流電路和全橋整流電路原理圖雙端電路中常用的整流電路形式為全波整流電路和全橋整流電路。a）全波整流電路1.全波整流電路的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電感L的電流回路中只有一個(gè)二極管壓降，損耗小，而且整流電路中只需要2個(gè)二極管，元件數(shù)較少。缺點(diǎn)：二極管斷態(tài)時(shí)承受的反壓較高，對(duì)器件耐壓要求較高，而且變壓器二次側(cè)繞組有中心抽頭，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。適用場(chǎng)合：輸出電壓較低的情況下（100V）。8-35a）全波整流電路b）全橋