電力電子學第8章組合變流電路匯編

1、電力(dinl)電子學第8章 組合(zh)變流電路1共三十九頁 引言(ynyn) 8.1 間接交流變流電路 8.2 間接直流變流電路 學習(xux)內(nèi)容2共三十九頁第8章 組合變流電路(dinl)引言基本的變流電路 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 。組合變流電路 將某幾種基本的變流電路組合起來，以實現(xiàn)一定的新功能，即構(gòu)成組合變流電路。間接交流變流電路 先將交流電整流(zhngli)為直流電，再將直流電逆變?yōu)榻涣麟姡窍日骱竽孀兊慕M合。 間接直流變流電路 先將直流電逆變?yōu)榻涣麟姡賹⒔涣麟娬鳛橹绷麟?，是先逆變后整流的組合。 3共三十九頁8

2、.1 間接(jin ji)交流變流電路間接(jin ji)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。分為電壓型間接交流變流電路和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控制。4共三十九頁8.1 間接交流(jioli)變流電路8.1.1 間接(jin ji)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5共三十九頁8.1.1 間接交流變流電路(dinl)原理 當負載為電動機時，通常要求間接交流變流電路具有再生反饋電力的能力，要求輸出(shch)電壓的大小和頻率可調(diào)，此時該電路又名交直交變頻電路。1）電壓型間接交流變流電路圖8-1 不能

3、再生反饋的電壓型間接交流變流電路6共三十九頁8.1.1 間接交流(jioli)變流電路原理使電路具備再生反饋電力的能力(nngl)的方法 ：圖82 帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路圖83 利用可控變流器實現(xiàn)再生反饋的電壓型間接交流變流電路7共三十九頁8.1.1 間接交流變流電路(dinl)原理圖84 整流和逆變均為PWM控制的電壓型間接(jin ji)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。輸入輸出電流均為正弦波，輸入功率因數(shù)高，且可實現(xiàn)電動機四象限運行。8共三十九頁8.1.1 間接交流變流電路(dinl)原理2）電流型間接(jin ji)交流變

4、流電路 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9共三十九頁8.1.1 間接(jin ji)交流變流電路原理圖8-8 整流和逆變均為PWM控制的電流型間接交流(jioli)變流電路圖8-7 電流型交-直-交PWM變頻電路10共三十九頁8.1.2 交直交變頻器晶閘管直流電動機傳動系統(tǒng)存在一些固有的缺點：(1) 受使用環(huán)境條件制約；(2) 需要定期維護；(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)的缺點外還具有：(1) 交流電動機結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高；(2) 節(jié)能；(3) 高精度，快速(kui s)響應等優(yōu)點。籠型異

5、步電動機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。11共三十九頁8.1.2 交直交變頻器1）恒壓頻比控制為避免電動機因頻率變化導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(diny)和頻率的比率進行控制，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)機械對調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能要求不高的場合。12共三十九頁8.1.2 交直交變頻器圖8-9 采用(ciyng)恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖

6、13共三十九頁8.1.2 交直交變頻器在穩(wěn)態(tài)情況下，當穩(wěn)態(tài)氣隙磁通恒定時，異步電機電磁轉(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到較好的靜態(tài)(jngti)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。2）轉(zhuǎn)差頻率(pnl)控制14共三十九頁8.1.2 交直交變頻器異步電動機的數(shù)學模型是高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。傳統(tǒng)設計方法無法達到理想的動態(tài)性能。矢量控制方式基于異步電機的按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的動態(tài)模型，

7、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，分別獨立地對兩個電流分量進行控制，類似直流調(diào)速系統(tǒng)中的雙閉環(huán)控制方式。控制系統(tǒng)較為復雜，但可獲得(hud)與直流電機調(diào)速相當?shù)目刂菩阅堋?）矢量(shling)控制15共三十九頁8.1.2 交直交變頻器4）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。并且控制相對(xingdu)要簡單許多。16共三十九頁8.1.3 恒壓恒頻(CVCF)電源(dinyun)CVCF電源主要用作不間斷電源(UPS) 。 UPS -Uninterrupti

8、ble Power SuppliesUPS是指當交流輸入電源（習慣稱為市電）發(fā)生異常或斷電時，還能繼續(xù)向負載供電(n din)，并能保證供電(n din)質(zhì)量，使負載供電(n din)不受影響的裝置。UPS廣泛應用于各種對交流供電可靠性和供電質(zhì)量要求高的場合。17共三十九頁8.1.3 恒壓恒頻(CVCF)電源(dinyun)1）UPS基本工作(gngzu)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

9、，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)向負載供電，供電時間取決于蓄電池容量的大小。18共三十九頁8.1.3 恒壓恒頻(CVCF)電源(dinyun)圖8-12 具有旁路電源(dinyun)系統(tǒng)的UPS 增加旁路電源系統(tǒng)，可使負載供電可靠性進一步提高。圖8-11 用柴油發(fā)電機作為后備電源的UPS 為了保證長時間不間斷供電，可采用柴油發(fā)電機（簡稱油機）作為后備電源。19共三十九頁8.1.3 恒壓恒頻(CVCF)電源(dinyun)2）UPS主電路(dinl)結(jié)構(gòu)圖8-13 小容量UPS主電路 20共三十九頁8.1.3 恒壓恒頻(CVCF)電源(dinyun)2）UPS主電路(dinl)結(jié)

10、構(gòu)圖8-14 大功率UPS主電路 21共三十九頁8.2 間接(jin ji)直流變流電路變壓器整流電路濾波器直流交流交流脈動直流直流逆變電路圖 8-15 間接(jin ji)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?，再整流為直流電，也稱為直-交-直電路。22共三十九頁8.2 間接(jin ji)直流變流電路8.2.1 正激電路(dinl)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 開關電源23共三十九頁8.2.1 正激電路(dinl)圖 8-16 正激電路(dinl)的原理圖圖 8-17 正激電路的理想

11、化波形1）正激電路(Forward)的工作過程24共三十九頁8.2.1 正激電路(dinl)輸出(shch)電壓輸出電感電流連續(xù)輸出電感電流不連續(xù)2）變壓器的磁心復位變壓器的磁心復位時間為25共三十九頁8.2.2 反激電路(dinl)1）工作(gngzu)過程：圖 8-20 反激電路的理想化波形 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，電感儲能增加；S關斷后，W1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過W2繞組和VD向輸出端釋放。26共三十九頁8.2.2 反激電路(dinl)2）反激電路(dinl)的工作模式：電流連續(xù)模式：當S開通時，W2繞組中的電流尚未

12、下降到零。輸出電壓關系：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。 圖 8-20 反激電路的理想化波形 圖 8-19 反激電路原理圖 27共三十九頁8.2.3 半橋電路(dinl)當濾波電感(din n)L的電流連續(xù)時： 如果輸出電感電流不連續(xù)時圖 8-21 半橋電路原理圖 圖 8-22 半橋電路的理想化波形28共三十九頁8.2.4 全橋電路(dinl)濾波電感電流(dinli)連續(xù)時： 輸出電感電流斷續(xù)時：圖 8-23 全橋電路原理圖 圖 8-24 全橋電路的理想化波形29共三十九頁8.2.5 推挽(tu wn)電路圖 8-25 推挽(tu wn)電路原理圖 圖 8-26 推挽電

13、路的理想化波形推挽電路中兩個開關S1和S2交替導通，在繞組N1和N,1兩端分別形成相位相反的交流電壓。S1導通時，二極管VD1處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。S2導通時，二極管VD2處于通態(tài)，電感L電流也逐漸上升。當兩個開關都關斷時，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔一半的電流。S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為2倍Ui。1）工作過程30共三十九頁8.2.5 推挽(tu wn)電路濾波電感(din n)L電流連續(xù)時：輸出電感電流不連續(xù)時圖 8-25 推挽電路原理圖 圖 8-26 推挽電路的理想化波形31共三十九頁8.2.5 推挽(tu wn)電路電路優(yōu)點缺點功率范圍應用領域正激電路較簡單，成本低

14、，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小功率電子設備、計算機設備、消費電子設備電源。全橋變壓器雙向勵磁，容易達到大功率結(jié)構(gòu)復雜，成本高，有直通問題，可靠性低，需要復雜的多組隔離驅(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，開關較少，成本低有直通問題，可靠性低，需要復雜的隔離驅(qū)動電路幾百W幾kW各種工業(yè)用電源，計算機電源等推挽變壓器雙向勵磁，變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個開關，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動簡單有

15、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(jin ji)直流變流電路的比較32共三十九頁8.2.6 全波整流(zhngli)和全橋整流(zhngli)雙端電路中常用(chn yn)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1）全波整流電路的特點優(yōu)點：電感L的電流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：二極管斷態(tài)時承受的反壓較高，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)較復雜。適用場合：輸出電壓較低的情況下（100V）。33共三十九頁8.2.6 全波整流(zhngli)和全橋整流(zhngli)b）全

16、橋整流(zhngli)電路優(yōu)點：二極管在斷態(tài)承受的電壓僅為交流電壓幅值，變壓器的繞組簡單。缺點：電感L的電流回路中存在兩個二極管壓降，損耗較大，而且電路中需要4個二極管，元件數(shù)較多。適用場合：高壓輸出的情況下。2）全橋電路的特點34共三十九頁8.2.6 全波整流(zhngli)和全橋整流(zhngli)當電路的輸出(shch)電壓非常低時，可以采用同步整流電路，利用低電壓MOSFET具有非常小的導通電阻的特性降低整流電路的導通損耗，進一步提高效率。圖 8-28 同步整流電路原理3）同步整流電路：35共三十九頁8.2.7 開關電源如果間接直流變流電路輸入端的直流電源是由交流電網(wǎng)整流(zhngli

17、)得來，所構(gòu)成的交直交直電路，通常被稱為開關電源。由于開關電源采用了工作頻率較高的交流環(huán)節(jié)，變壓器和濾波器都大大減小，體積和重量都遠小于相控整流電源，此外，工作頻率的提高還有利于控制性能的提高。36共三十九頁本章(bn zhn)小結(jié)本章要點如下：間接交流變流電路可分為電壓型和電流型，掌握他們的各種構(gòu)成方式及特點；交直交變頻器與交流電機構(gòu)成變頻調(diào)速系統(tǒng)，重點理解恒壓頻比控制方法，并了解轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等其他控制方法；CVCF變流電路主要用于UPS，掌握其基本構(gòu)成方式、特點及主電路結(jié)構(gòu)；間接直流變換電路中的能量轉(zhuǎn)換過程為直流交流直流，交流環(huán)節(jié)(hunji)含有變壓器；37共三十九頁本章(bn zhn)小結(jié)常見的間接直流變換電路可以分為單端和雙端電路兩大類。單端電路包括正激和反激兩類；雙端電路包括全橋、半橋和推挽三類。每一類(y li)電路都可能有多種不同的拓撲形式或控制方法，本章僅介紹了其中最具代表性的拓撲形式和控制方法；雙端電路的整流電路可以有多種形式，本章介紹了常用的全橋和全波兩種，它們具有各自的特點和不同的應用場合。 38共三十九頁內(nèi)容摘要電力電子學。圖8-1 不能再生反饋的電壓型間接交流