組合變流器課程課件

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(lái)，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（VariableVoltageVariableFrequency—VVVF),主要用作變頻器恒壓恒頻變流電路（ConstantVoltageConstantFrequency—CVCF），主要用作不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply——UPS）。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（SwitchingModePowerSupply——SMPS）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(shí)，將導(dǎo)致電容電壓升高。如果能量無(wú)法反饋回交流電源，泵升電壓會(huì)危及整個(gè)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(guò)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。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(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)。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(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。

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(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。

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(guò)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8-7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

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(dòng)機(jī)傳動(dòng)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(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(wú)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?；\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。8.1.21．恒壓頻比控制為避免電動(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。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(shí)經(jīng)過(guò)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。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2．轉(zhuǎn)差頻率控控制在穩(wěn)態(tài)情況下下，當(dāng)穩(wěn)態(tài)氣氣隙磁通恒定定時(shí)，異步電電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩矩近似與轉(zhuǎn)差差角頻率成正正比。因此，，控制ws就相當(dāng)于控制制轉(zhuǎn)矩。采用用轉(zhuǎn)速閉環(huán)的的轉(zhuǎn)差頻率控控制，使定子子頻率w1=wr+ws，則w1隨實(shí)際轉(zhuǎn)速wr增加或減小，，得到平滑而而穩(wěn)定的調(diào)速速，保證了較較高的調(diào)速范范圍。轉(zhuǎn)差頻率控制制方式可達(dá)到到較好的靜態(tài)態(tài)性能，但這這種方法是基基于穩(wěn)態(tài)模型型的，得不到到理想的動(dòng)態(tài)態(tài)性能。交直交變頻器器8.1.23．矢量控制制異步電動(dòng)機(jī)的的數(shù)學(xué)模型是是高階、非線線性、強(qiáng)耦合合的多變量系系統(tǒng)。傳統(tǒng)設(shè)設(shè)計(jì)方法無(wú)法法達(dá)到理想的的動(dòng)態(tài)性能。。矢量控制方式式基于異步電電機(jī)的按轉(zhuǎn)子子磁鏈定向的的動(dòng)態(tài)模型，，將定子電流流分解為勵(lì)磁磁分量和與此此垂直的轉(zhuǎn)矩矩分量，參照照直流調(diào)速系系統(tǒng)的控制方方法，分別獨(dú)獨(dú)立地對(duì)兩個(gè)個(gè)電流分量進(jìn)進(jìn)行控制，類類似直流調(diào)速速系統(tǒng)中的雙雙閉環(huán)控制方方式?？刂葡到y(tǒng)較為為復(fù)雜，但可可獲得與直流流電機(jī)調(diào)速相相當(dāng)?shù)目刂菩孕阅?。交直交變頻器器8.1.24．直接轉(zhuǎn)矩矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制制方法同樣是是基于動(dòng)態(tài)模模型的，其控控制閉環(huán)中的的內(nèi)環(huán)，直接接采用了轉(zhuǎn)矩矩反饋，并采采用砰—砰控制，可以以得到轉(zhuǎn)矩的的快速動(dòng)態(tài)響響應(yīng)。并且控控制相對(duì)要簡(jiǎn)簡(jiǎn)單許多。交直交變頻器器8.1.2CVCF電源主要用作作不間斷電源源（UPS）。UPS廣泛應(yīng)用于各各種對(duì)交流供供電可靠性和和供電質(zhì)量要要求高的場(chǎng)合合。UPS基本工工作原原理:市電正正常時(shí)時(shí)，由由市電電供電電，市市電經(jīng)經(jīng)整流流器整整流為為直流流，再再逆變變?yōu)?0Hz恒頻恒恒壓的的交流流電向向負(fù)載載供電電。同同時(shí)，，整流流器輸輸出給給蓄電電池充充電，，保證證蓄電電池的的電量量充足足。此時(shí)負(fù)負(fù)載可可得到到的高高質(zhì)量量的交交流電電壓，，具有有穩(wěn)壓壓、穩(wěn)穩(wěn)頻性性能，，也稱稱為穩(wěn)穩(wěn)壓穩(wěn)穩(wěn)頻電電源。。市電異異常乃乃至停停電時(shí)時(shí)，蓄蓄電池池的直直流電電經(jīng)逆逆變器器變換換為恒恒頻恒恒壓交交流電電繼續(xù)續(xù)向負(fù)負(fù)載供供電，，供電電時(shí)間間取決決于蓄蓄電池池容量量的大大小。。圖8-10UPS基本結(jié)結(jié)構(gòu)原原理圖圖恒壓恒恒頻（CVCF）電電源8.1.3為了保保證長(zhǎng)長(zhǎng)時(shí)間間不間間斷供供電，，可采采用柴柴油發(fā)發(fā)電機(jī)機(jī)（簡(jiǎn)簡(jiǎn)稱油油機(jī)））作為為后備備電源源。增加旁旁路電電源系系統(tǒng)，，可使使負(fù)載載供電電可靠靠性進(jìn)進(jìn)一步步提高高。圖8-11用柴油油發(fā)電電機(jī)作作為后后備電電源的的UPS圖8-12具有旁旁路電電源系系統(tǒng)的的UPS恒壓恒恒頻（CVCF）電電源8.1.3恒壓恒恒頻（CVCF）電電源UPS主電路路結(jié)構(gòu)構(gòu)小容量量的UPS，整流部部分使使用二二極管管整流流器和和直流流斬波波器（（PFC），可獲得得較高高的交交流輸輸入功功率因因數(shù)，，逆變變器部部分使使用IGBT并采用PWM控制，，可獲獲得良良好的的控制制性能能。大容量量UPS主電路路。采采用PWM控制的的逆變變器開開關(guān)頻頻率較較低，，通過(guò)過(guò)多重重化聯(lián)聯(lián)結(jié)降降低輸輸出電電壓中中的諧諧波分分量。。圖8-13小容量量UPS主電路路圖8-14大功率率UPS主電路路8.1.3間接直直流變變流電電路逆變電電路通通常使使用全全控型型器件件，整整流電電路中中通常常采用用快恢恢復(fù)二二極管管、肖肖特基基二極極管或或MOSFET構(gòu)成的的同步步整流流電路路（SynchronousRectifier）。間接直直流變變流電電路分分為單單端(SingleEnd)和雙端端(DoubleEnd)電路兩兩大類類。單端電電路：：變壓壓器中中流過(guò)過(guò)的是是直流流脈動(dòng)動(dòng)電流流，如如正激激電路路和反反激電電路。。雙端電電路：：變壓壓器中中的電電流為為正負(fù)負(fù)對(duì)稱稱的交交流電電流。。如半半橋、、全橋橋和推推挽電電路。。8.2間接直直流變變流電電路：：先將將直流流逆變變?yōu)榻唤涣鳎?，再整整流為為直流流電，，也稱稱為直直—交—直電路路。圖8-15間接直直流變變流電電路的的結(jié)構(gòu)構(gòu)采用這這種結(jié)結(jié)構(gòu)的的變換換原因因：輸出端端與輸輸入端端需要要隔離離。某些應(yīng)應(yīng)用中中需要要相互互隔離離的多多路輸輸出。。輸出電電壓與與輸入入電壓壓的比比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于于1或遠(yuǎn)大大于1。交流環(huán)環(huán)節(jié)采采用較較高的的工作作頻率率，可可以減減小變變壓器器和濾濾波電電感、、濾波波電容容的體體積和和重量量。工工作頻頻率高高于20kHz這一人人耳的的聽覺覺極限限，可可避免免變壓壓器和和電感感產(chǎn)生生噪音音。間接直直流變變流電電路8.2正激電電路8.2.1電路的的工作作過(guò)程程圖8-16正激電電路的的原理理圖圖8-17正激電電路的的理想想化波波形分析：：開關(guān)S開通后后，變變壓器器繞組組N1兩端的的電壓壓為上上正下下負(fù)，，與其其耦合合的N2繞組兩兩端的的電壓壓也是是上正正下負(fù)負(fù)。因因此VD1處于通通態(tài)，，VD2為斷態(tài)態(tài)，電電感L的電流流逐漸漸增長(zhǎng)長(zhǎng)；S關(guān)斷后后，電電感L通過(guò)VD2續(xù)流，，VD1關(guān)斷。。S關(guān)斷后后變壓壓器的的勵(lì)磁磁電流流經(jīng)N3繞組和和VD3流回電電源，，所以以S關(guān)斷后后承受受的電電壓為為。。正激電電路8.2.1變壓器器的磁磁心復(fù)復(fù)位：：開關(guān)S開通后后，變變壓器器的激激磁電電流由由零開開始，，隨著著時(shí)間間的增增加而而線性性的增增長(zhǎng)，，直到到S關(guān)斷。。為防防止變變壓器器的激激磁電電感飽飽和，，必須須設(shè)法法使激激磁電電流在在S關(guān)斷后到下一一次再開通的的一段時(shí)間內(nèi)內(nèi)降回零，這這一過(guò)程稱為為變壓器的磁磁心復(fù)位。圖8-18磁心復(fù)位過(guò)程程變壓器的磁心心復(fù)位時(shí)間為為(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(shí)，(8-2)反激電路工作過(guò)程：S開通后，VD處于斷態(tài)，N1繞組的電流線線性增長(zhǎng)，電電感儲(chǔ)能增加加；S關(guān)斷后，N1繞組的電流被被切斷，變壓壓器中的磁場(chǎng)場(chǎng)能量通過(guò)N2繞組和VD向輸出端釋放放。S關(guān)斷后的電壓壓為：圖8-19反激電路原理理圖圖8-20反激電路的理理想化波形8.2.2反激電路中的的變壓器起著著儲(chǔ)能元件的的作用，可以以看作是一對(duì)對(duì)相互耦合的的電感。反激電路的工工作模式：電流連續(xù)模式式：當(dāng)S開通時(shí)，N2繞組中的電流流尚未下降到到零。輸出電壓關(guān)系系：(8-3)電流斷續(xù)模式式：S開通前，N2繞組中的電流流已經(jīng)下降到到零。輸出電壓高于于式（8-3）的計(jì)算值，，并隨負(fù)載減減小而升高，，在負(fù)載為零零的極限情況況下，，，因此反激激電路不應(yīng)工工作于負(fù)載開開路狀態(tài)。反激電路8.2.2半橋電路圖8-21半橋電路原理理圖圖8-22半橋電路的理理想化波形8.2.3工作過(guò)程：S1與S2交替導(dǎo)通，使使變壓器一次次側(cè)形成幅值值為Ui/2的交流電壓。。改變開關(guān)的的占空比，就就可以改變二二次側(cè)整流電電壓ud的平均值，也也就改變了輸輸出電壓Uo。S1導(dǎo)通時(shí)，二極極管VD1處于通態(tài)，S2導(dǎo)通時(shí)，二極極管VD2處于通態(tài);當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都都關(guān)斷時(shí)，變變壓器繞組N1中的電流為零零，VD1和VD2都處于通態(tài)，，各分擔(dān)一半半的電流。S1或S2導(dǎo)通時(shí)電感L的電流逐漸上上升，兩個(gè)開開關(guān)都關(guān)斷時(shí)時(shí)，電感L的電流逐漸下下降。S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的的峰值電壓均均為Ui。由于電容的隔隔直作用，半半橋電路對(duì)由由于兩個(gè)開關(guān)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不不對(duì)稱而造成成的變壓器一一次側(cè)電壓的的直流分量有有自動(dòng)平衡作作用，因此不不容易發(fā)生變變壓器的偏磁磁和直流磁飽飽和。輸出電壓：當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)時(shí)：(8-4)如果輸出電感感電流不連續(xù)續(xù)，輸出電壓壓U0將高于式（8-4）的計(jì)算值，，并隨負(fù)載減減小而升高，，在負(fù)載為零零的極限情況況下，。。半橋電路8.2.3圖8-23全橋電路原理理圖圖8-24全橋電路的理理想化波形全橋電路8.2.4工作過(guò)程：全橋逆變電路路中，互為對(duì)對(duì)角的兩個(gè)開開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通通，同一側(cè)半半橋上下兩開開關(guān)交替導(dǎo)通通，使變壓器器一次側(cè)形成成幅值為Ui的交流電壓，，改變占空比比就可以改變變輸出電壓。。當(dāng)S1與S4開通后，二極極管VD1和VD4處于通態(tài)，電電感L的電流逐漸上上升；S2與S3開通后，二極極管VD2和VD3處于通態(tài)，電電感L的電流也上升升。當(dāng)4個(gè)開關(guān)都關(guān)斷斷時(shí)，4個(gè)二極管都處處于通態(tài)，各各分擔(dān)一半的的電感電流，，電感L的電流逐漸下下降.S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的的峰值電壓均均為Ui。如果S1、S4與S2、S3的導(dǎo)通時(shí)間不不對(duì)稱，則交交流電壓uT中將含有直流流分量，會(huì)在在變壓器一次次側(cè)產(chǎn)生很大大的直流分分量，造成磁磁路飽和，因因此全橋電路路應(yīng)注意避免免電壓直流分分量的產(chǎn)生，，也可以在一一次側(cè)回路串串聯(lián)一個(gè)電容容，以阻斷直直流電流。輸出電壓：濾波電感電流流連續(xù)時(shí)：(8-5)輸出電感電流流斷續(xù)時(shí)，輸輸出電壓Uo將高于式（8-5）的計(jì)算值，，并隨負(fù)載減減小而升高，，在負(fù)載為零零的極限情況況下：全橋電路8.2.4圖8-25推挽電路原理理圖圖8-26推挽電路的理理想化波形推挽電路8.2.5工作過(guò)程：推挽電路中兩兩個(gè)開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，在在繞組N1和N’1兩端分別形成成相位相反的的交流電壓，，改變占空比比就可以改變變輸出電壓。。S1導(dǎo)通時(shí)，二極極管VD1處于通態(tài)，電電感L的電流逐漸上上升。S2導(dǎo)通時(shí)，二極極管VD2處于通態(tài)，電電感L電流也逐漸上上升。當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都都關(guān)斷時(shí)，VD1和VD2都處于通態(tài)，，各分擔(dān)一半半的電流。S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的的峰值電壓均均為2倍Ui。S1和S2同時(shí)導(dǎo)通，相相當(dāng)于變壓器器一次側(cè)繞組組短路，因此此應(yīng)避免兩個(gè)個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)導(dǎo)通。輸出電壓：濾波電感L電流連續(xù)時(shí)：：(8-6)輸出電感電流流不連續(xù)時(shí)，，輸出電壓Uo將高于式（8-6）的計(jì)算值，，并隨負(fù)載減減小而升高，，在負(fù)載為零零的極限情況況下，。推挽電路8.2.5推挽電路8.2.5表8-1各種不同的間間接直流變流流電路的比較較電路優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域正激電路較簡(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(wèn)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、電解電源等半橋變壓器雙向勵(lì)磁，沒有變壓器偏磁問(wèn)題，開關(guān)較少，成本低有直通問(wèn)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(wèn)題幾百W~幾kW低輸入電壓的電源圖8-27全波整流電路路和全橋整流流電路原理圖圖a）全波整流電路路b）全橋整流電路路全波整流和全全橋整流8.2.6雙端電路中常常用的整流電電路形式為全全波整流電路路和全橋整流電電路。全波整流電路路的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電感L的電流只流過(guò)過(guò)一個(gè)二極管管，回路中只只有一個(gè)二極極管壓降，損損耗小，而且且整流電路中中只需要2個(gè)二極管，元元件數(shù)較少。。缺點(diǎn)：二極管管斷態(tài)時(shí)承受受的反壓是二二倍的交流電電壓幅值，對(duì)對(duì)器件耐壓要要求較高，而而且變壓器二二次側(cè)繞組有有中心抽頭，，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜雜。適用場(chǎng)合：輸輸出電壓較低低的情況下（（<100V）。全波整流和全全橋整流8.2.6全波整流和全全橋整流8.2.6全橋電路的特特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：二極管管在斷態(tài)承受受的電壓僅為為交流電壓幅幅值，變壓器器的繞組結(jié)構(gòu)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。。缺點(diǎn)：電感L的電流流過(guò)兩兩個(gè)二極管，，回路中存在在兩個(gè)二極管管壓降，損耗耗較大，而且且電路中需要要4個(gè)二極管，，元件數(shù)較較多。適用