組合變流器課程課件

1、組合變流電路引言8.1 間接交流變流電路 8.1.1間接交流變流電路原理 8.1.2 交直交變頻器 8.1.3 恒壓恒頻（CVCF）電源8.2 間接直流變流電路 8.2.1 正激電路 8.2.2 反激電路 8.2.3 半橋電路 8.2.4 全橋電路 8.2.5 推挽電路 8.2.6 全波整流和全橋整流 8.2.7 開關(guān)電源本章小結(jié)第8章組合變流電路引言組合變流電路：是將AC/DC、DC/DC、AC/AC和DC/AC四大類基本變流電路中的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。間接交流變流電路：先將交流整流為直流，再逆變?yōu)榻涣鳎窍日骱竽孀兊慕M合。應(yīng)用：交直交變頻電路（Variabl

2、e Voltage Variable FrequencyVVVF), 主要用作變頻器恒壓恒頻變流電路（Constant Voltage Constant FrequencyCVCF），主要用作不間斷電源（Uninterruptible Power SupplyUPS）。間接直流變流電路：先將直流逆變?yōu)榻涣?，再整流為直流電，是先逆變后整流的組合。應(yīng)用：各種開關(guān)電源（Switching Mode Power SupplySMPS）第8章間接交流變流電路 間接交流變流電路主要按電壓型、電流型進(jìn)行分類。間接交流變流電路，其逆變部分多采用PWM控制。8.1間接交流變流電路原理1電壓型間接交流變流電路 泵

3、升電壓-電壓型間接交流變流電路在負(fù)載能量反饋到中間直流電路時，將導(dǎo)致電容電壓升高。如果能量無法反饋回交流電源，泵升電壓會危及整個電路的安全。圖8-1 不能再生反饋的電壓型間接交流變流電路8.1.1帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路 當(dāng)泵升電壓超過一定數(shù)值時，使V0導(dǎo)通，把從負(fù)載反饋的能量消耗 在R0上。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 當(dāng)負(fù)載回饋能量時，可控變流器工作于有源逆變狀態(tài)，將電能反饋 回電網(wǎng)。整流和逆變均為PWM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，能量可雙向留 動。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

4、動機(jī) 四象限運(yùn)行。間接交流變流電路原理8.1.1為使電路具備再生反饋電力的能力，可采用：2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，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，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。間接交流變流電路原理8.1.1圖8-6 采用可控整流的電流型間接 交流變流電路 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8-7 電流型交直交PW

5、M變頻電路圖8-8 整流和逆變均為PWM控制的電流型間接交流變流電路間接交流變流電路原理8.1.1交直交變頻器晶閘管直流電動機(jī)傳動系統(tǒng)存在一些固有的缺點(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。交流調(diào)速傳動系統(tǒng)除了克服直流調(diào)速傳動系統(tǒng)的缺點(diǎn)外還具有：(1) 交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，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，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)速傳動應(yīng)用最多的一種方式?；\型異步電動機(jī)的定子頻率控制方式，有：(1) 恒壓頻比（U/f）控制；(

6、2) 轉(zhuǎn)差頻率控制；(3) 矢量控制；(4) 直接轉(zhuǎn)矩控制等。8.1.21恒壓頻比控制為避免電動機(jī)因頻率變化導(dǎo)致磁飽和而造成勵磁電流增大,引起功率因數(shù)和效率的降低，需對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)械對調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能要求不高的場合。交直交變頻器8.1.2交直交變頻器8.1.2工作原理：轉(zhuǎn)速給定既作為調(diào)節(jié)加減速的頻率f指令值，同時經(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，由于頻率和電壓由同一給定值控制，因此可以保

7、證壓頻比為恒定。 在給定信號之后設(shè)置的給定積分器，將階躍給定信號轉(zhuǎn)換為按設(shè)定斜率逐漸變化的斜坡信號ugt，從而使電動機(jī)的電壓和轉(zhuǎn)速都平緩地升高或降低，避免產(chǎn)生沖擊。 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。絕對值變換器輸出ugt的絕對值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，經(jīng)PWM生成環(huán)節(jié)形成控制逆變器的PWM信號，再經(jīng)驅(qū)動電路控制變頻器中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2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，異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩

8、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 = 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，得不到理想的動態(tài)性能。交直交變頻器8.1.23矢量控制異步電動機(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)計方法無法達(dá)到理想的動態(tài)性能。矢量控制方式基于異步電機(jī)的按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的動態(tài)模型，將定子電流分解為勵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)立地對兩個電流分量進(jìn)行控制，類似直流調(diào)速系統(tǒng)中的雙閉環(huán)

9、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?。交直交變頻器8.1.24直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制方法同樣是基于動態(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)矩的快速動態(tài)響應(yīng)。并且控制相對要簡單許多。交直交變頻器8.1.2CVCF電源主要用作不間斷電源（UPS）。UPS廣泛應(yīng)用于各種對交流供電可靠性和供電質(zhì)量要求高的場合。UPS基本工作原理:市電正常時，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，整流器輸出給蓄電池充電，保證蓄電池的電量充足。此時負(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

10、穩(wěn)頻電源。市電異常乃至停電時，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，供電時間取決于蓄電池容量的大小。圖8-10 UPS基本結(jié)構(gòu)原理圖恒壓恒頻（CVCF）電源 8.1.3為了保證長時間不間斷供電，可采用柴油發(fā)電機(jī)（簡稱油機(jī)）作為后備電源。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 圖8-12 具有旁路電源系統(tǒng)的UPS 恒壓恒頻（CVCF）電源 8.1.3恒壓恒頻（CVCF）電源 UPS主電路結(jié)構(gòu)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)，逆變器部分使用IGBT并采用PWM控制，

11、可獲得良好的控制性能。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。 圖8-13 小容量UPS主電路 圖8-14 大功率UPS主電路 8.1.3間接直流變流電路逆變電路通常使用全控型器件，整流電路中通常采用快恢復(fù)二極管、肖特基二極管或MOSFET構(gòu)成的同步整流電路（Synchronous Rectifier）。間接直流變流電路分為單端(Single End)和雙端(Double End)電路兩大類。單端電路：變壓器中流過的是直流脈動電流，如正激電路和反激電路。雙端電路：變壓器中的電流為正負(fù)對稱的交流電流。如半橋、全橋和推挽電路。 8.2間接直流

12、變流電路：先將直流逆變?yōu)榻涣鳎僬鳛橹绷麟姡卜Q為直交直電路。圖 8-15 間接直流變流電路的結(jié)構(gòu)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。間接直流變流電路8.2正激電路 8.2.1電路的工作過程圖 8-16 正激電路的原理圖圖 8-17 正激電路的理想化波形 分析：開關(guān)S開通后，變壓器繞組N1兩端的電壓為上正下負(fù)，與其耦合的N2繞組兩端的電壓也是上正下負(fù)。因此VD

13、1處于通態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感L的電流逐漸增長；S關(guān)斷后，電感L通過VD2續(xù)流，VD1關(guān)斷。S關(guān)斷后變壓器的勵磁電流經(jīng)N3繞組和VD3流回電源，所以S關(guān)斷后承受的電壓為 。正激電路 8.2.1變壓器的磁心復(fù)位：開關(guān)S開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨著時間的增加而線性的增長，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一段時間內(nèi)降回零，這一過程稱為變壓器的磁心復(fù)位。 圖 8-18 磁心復(fù)位過程變壓器的磁心復(fù)位時間為(8-1) 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，(8-2)反激電路工作過程：S開通后，VD處于斷態(tài)，N1繞組的電流線

14、性增長，電感儲能增加；S關(guān)斷后，N1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過N2繞組和VD向輸出端釋放。S關(guān)斷后的電壓為：圖 8-19 反激電路原理圖 圖 8-20 反激電路的理想化波形 8.2.2反激電路中的變壓器起著儲能元件的作用，可以看作是一對相互耦合的電感。反激電路的工作模式：電流連續(xù)模式：當(dāng)S開通時，N2繞組中的電流尚未下降到零。輸出電壓關(guān)系： (8-3)電流斷續(xù)模式：S開通前，N2繞組中的電流已經(jīng)下降到零。輸出電壓高于式（8-3）的計算值，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)。反激電路8.2.2半橋電路圖 8-21 半橋電路原理圖 圖

15、8-22 半橋電路的理想化波形8.2.3工作過程：S1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，二極管VD1處于通態(tài)，S2導(dǎo)通時，二極管VD2處于通態(tài);當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，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)通時電感L的電流逐漸上升，兩個開關(guān)都關(guān)斷時，電感L的電流逐漸下降。S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。由于電容的隔直作用，半橋電路對由于兩個開關(guān)導(dǎo)通時間不對稱而造成的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量有自動平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的

16、偏磁和直流磁飽和。輸出電壓：當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時： (8-4)如果輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓U0將高于式（8-4）的計算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下， 。半橋電路8.2.3圖 8-23 全橋電路原理圖 圖 8-24 全橋電路的理想化波形全橋電路8.2.4工作過程：全橋逆變電路中，互為對角的兩個開關(guān)同時導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)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，二極管VD1和VD4處于通態(tài)，電 感L的電流逐漸上升；S2與S3開通后，二極管VD2和VD3處于通態(tài)，電感L的電流也上升。當(dāng)4個開關(guān)都關(guān)斷時，4個二

17、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)時承受的峰值電壓均為Ui。如果S1、S4與S2、S3的導(dǎo)通時間不對稱，則交流電壓uT中將含有直流分量，會在變壓器一次側(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，也可以在一次側(cè)回路串聯(lián)一個電容，以阻斷直流電流。輸出電壓：濾波電感電流連續(xù)時： (8-5)輸出電感電流斷續(xù)時，輸出電壓Uo將高于式（8-5）的計算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下： 全橋電路8.2.4圖 8-25 推挽電路原理圖 圖 8-26 推挽電路的理想化波形推挽電路8.2.5工作過程：推挽電路中兩個開關(guān)S1和

18、S2交替導(dǎo)通，在繞組N1和N1兩端分別形成相位相反的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。S1導(dǎo)通時，二極管VD1處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。S2導(dǎo)通時，二極管VD2處于通態(tài)，電感L電流也逐漸上升。當(dāng)兩個開關(guān)都關(guān)斷時，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為2倍Ui。S1和S2同時導(dǎo)通，相當(dāng)于變壓器一次側(cè)繞組短路，因此應(yīng)避免兩個開關(guān)同時導(dǎo)通。 輸出電壓：濾波電感L電流連續(xù)時： (8-6)輸出電感電流不連續(xù)時，輸出電壓Uo將高于式（8-6）的計算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下， 。推挽電路8.2.5推挽電路8.2.5表 8-1 各種不同

19、的間接直流變流電路的比較電路優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域正激電路較簡單，成本低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單變壓器單向激磁，利用率低幾百W幾kW各種中、小功率電源反激電路非常簡單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單難以達(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、計算機(jī)設(shè)備、消費(fèi)電子設(shè)備電源。全橋變壓器雙向勵磁，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、電解電源等半橋變壓器雙向勵磁，沒有變壓器偏磁問題，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)動電路幾百W幾kW各種工業(yè)用電源，計算機(jī)電源等推挽變

20、壓器雙向勵磁，變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個開關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動簡單有偏磁問題幾百W幾kW低輸入電壓的電源圖 8-27 全波整流電路和全橋整流電路原理圖a）全波整流電路 b）全橋整流電路全波整流和全橋整流8.2.6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。全波整流電路的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電感L的電流只流過一個二極管，回路中只有一個二極管壓降，損耗小，而且整流電路中只需要2個二極管，元件數(shù)較少。缺點(diǎn)：二極管斷態(tài)時承受的反壓是二倍的交流電壓幅值，對器件耐壓要求較高，而且變壓器二次側(cè)繞組有中心抽頭，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。適用場合：輸出電壓較低的情況下（100V）。全波整流和全橋整流8.2.6全波整流和全橋整流8.2.6全橋電路的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：二極管在斷態(tài)承受的電壓僅為交流電壓幅值，變壓器的繞組結(jié)構(gòu)較為簡單。缺