電力電子變流技術(shù)電子教案

1、電力電子變流技術(shù)電子教案,第八章：組合變流電路 （參考內(nèi)容）,第八章 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),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)?/p>

2、交流，是先整流后逆變的組合。 應(yīng)用： 交直交變頻電路（Variable 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（Uninterruptable 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）,引言,8.1 間接交流變流電路,間接交流變流電路主要按電壓型、電流型進行分類。 間接交流變流電

3、路，其逆變部分多采用PWM控制。 8.1.1 間接交流變流電路原理 1電壓型間接交流變流電路 電壓型間接交流變流電路在負載能量反饋到中間直流電路時，將導致電容電壓升高，稱為泵升電壓，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 間接交流變流電路原理,為使電路具備再生反饋電力的能力，可采用： 帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路 當泵升電壓超過一定數(shù)值時，使V0導通，把從負載反饋的能量消耗在R0上,圖8-2 帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路,8.1.1 間接交流變流電路原理,利用可控變流器實現(xiàn)再生反饋的

4、電壓型間接交流變流電路 當負載回饋能量時，可控變流器工作于有源逆變狀態(tài)，將電能反饋回電網(wǎng)。,圖8-3 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,8.1.1 間接交流變流電路原理,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。,圖8-4 整流和逆變均為PWM控制的電壓型間接交流變流電路,8.1.1 間接交流變流電路原理,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，電路不能將負載側(cè)的能量反饋到電源側(cè)。 為使電路具備再生反饋電力的能力，可采用

5、： 整流電路采用晶閘管可控整流電路。 負載回饋能量時，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。,圖8-6 采用可控整流的電流型間接交流變流電路,圖8-5 不能再生反饋電力的電流型間接交流變流電路,8.1.1 間接交流變流電路原理,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波，并使輸入功率因數(shù)為1。,圖8-7 電流型交直交PWM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,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

6、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，快速響應(yīng)等優(yōu)點。 采用變頻調(diào)速方式時，無論電機轉(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。 籠型異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。,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，需對變頻器的電壓和頻率的比率進行控

7、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。,8.1.2 交直交變頻器,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，因此可以保證壓頻比為恒定。,圖8-9 采用恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖,8.1.2 交直交變頻器,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，從而使電動機的電壓和轉(zhuǎn)速都平緩地

8、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，從而控制交流電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。,8.1.2 交直交變頻器,2轉(zhuǎn)差頻率控制 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ws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w1 = wr + ws，則w1隨實際轉(zhuǎn)速wr增加或減

9、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)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。,8.1.2 交直交變頻器,3矢量控制 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(shè)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，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，但可獲得與直流電機調(diào)速相當?shù)目刂菩阅堋?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)

10、，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。,8.1.3 恒壓恒頻（CVCF）電源,CVCF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基本工作原理是， 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。,圖8-10 UPS基本結(jié)構(gòu)原理圖,8.1.3 恒壓恒頻（CVCF）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

11、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。 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。 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,圖8-12 具有旁路電源系統(tǒng)的UPS,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，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U

12、PS主電路,圖8-14 大功率UPS主電路,8.1.3 恒壓恒頻（CVCF）電源,圖8-13 小容量UPS主電路,圖8-14 大功率UPS主電路,8.2 間接直流變流電路,間接直流變流電路：先將直流逆變?yōu)榻涣鳎僬鳛橹绷麟?，也稱為直交直電路。 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小于1或遠大于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。,8.2 間接直流變流電路,逆變電路

13、通常使用全控型器件，整流電路中通常采用快恢復二極管、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對稱的交流電流。如半橋、全橋和推挽電路。,8.2.1 正激電路,電路的工作過程（電路圖8-16 波形圖8-17） 開關(guān)S開通后，變壓器繞組N1兩端的電壓為上正下負，與其耦合的N2繞組兩端的電壓也是上正下負。因此VD1處于通態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感L的電流逐漸增長； S關(guān)

14、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 。 變壓器的磁心復位：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位。,8.2.1 正激電路,變壓器的磁心復位時間為（復位過程圖8-18） (8-1) 輸出電壓： 輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下： (8-2) 輸出電感電流不連續(xù)時，輸出電壓Uo將高于式（8-2）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下，,8.2.2 反

15、激電路,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。 工作過程： S開通后，VD處于斷態(tài)，N1繞組的電流線性增長，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,反激電路的工作模式： 電流連續(xù)模式：當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，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下， ，因此反激電

16、路不應(yīng)工作于負載開路狀態(tài)。,8.2.3 半橋電路,圖 8-21 半橋電路原理圖,圖 8-22 半橋電路的理想化波形,8.2.3 半橋電路,工作過程： S1與S2交替導通，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導通時，二極管VD1處于通態(tài)，S2導通時，二極管VD2處于通態(tài)， 當兩個開關(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)，各分擔一半的電流。 S1或S2導通時電感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。,8.2.3 半橋電路

17、,由于電容的隔直作用，半橋電路對由于兩個開關(guān)導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)生變壓器的偏磁和直流磁飽和。 輸出電壓： 當濾波電感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，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下， 。,8.2.4 全橋電路,圖 8-23 全橋電路原理圖,圖 8-24 全橋電路的理想化波形,8.2.4 全橋電路,工作過程： 全橋逆變電路中，互為對角的兩個開關(guān)同時導通，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替導通，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S1與S4開通

18、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4個開關(guān)都關(guān)斷時，4個二極管都處于通態(tài)，各分擔一半的電感電流，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。,8.2.4 全橋電路,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

19、值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下，,8.2.5 推挽電路,圖 8-25 推挽電路原理圖,圖 8-26 推挽電路的理想化波形,8.2.5 推挽電路,工作過程： 推挽電路中兩個開關(guān)S1和S2交替導通，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的電流也逐漸上升。 當兩個開關(guān)都關(guān)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。 S1和S2同時導通，相當于變壓器一次側(cè)繞組短路，因此應(yīng)避免兩個開關(guān)同時導通。,8.

20、2.5 推挽電路,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，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下， 。,8.2.5 推挽電路,表 8-1 各種不同的間接直流變流電路的比較,8.2.6 全波整流和全橋整流,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 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。,8.2.6 全波整流和全橋整流,全波整流電路的特點 優(yōu)點：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：二極

21、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)較復雜。 適用場合：輸出電壓較低的情況下（100V）。,8.2.6 全波整流和全橋整流,全橋電路的特點 優(yōu)點：二極管在斷態(tài)承受的電壓僅為交流電壓幅值，變壓器的繞組結(jié)構(gòu)較為簡單。 缺點：電感L的電流流過兩個二極管，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。,8.2.6 全波整流和全橋整流,同步整流電路：當電路的輸出電壓非常低時，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

22、 8-28 同步整流電路原理圖,8.2.7 開關(guān)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)整流得來，所構(gòu)成的交直交直電路，通常被稱為開關(guān)電源。 由于開關(guān)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。,本章小結(jié),本章要點如下： 1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； 2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； 3CVCF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)； 4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)含有變壓器。,本章小結(jié),5. 常見的間接直