1、電力電子變流技術電子教案第八章：組合變流電路（參考內容）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 開關電源本章小結組合變流電路：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?/p>

2、變的組合。應用：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)榻涣鳎僬鳛橹绷麟姡窍饶孀兒笳鞯慕M合。應用：各種開關電源（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。間接交流變流電路，其逆變部分多采用PWM控制。8

3、.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再生反饋的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

4、作于有源逆變狀態(tài)，將電能反饋回電網。圖8-3 利用可控變流器實現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，輸入功率因數高，且可實現電動機四象限運行。 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，電路不能將負載側的能量反饋到電源側。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。負載回饋能量時，可控變流器工作于有

5、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。交流調速傳動系統除了克服直流調速傳動系統的缺點外還具有：(1) 交流電動機結

6、構簡單，可靠性高；(2) 節(jié)能；(3) 高精度，快速響應等優(yōu)點。采用變頻調速方式時，無論電機轉速高低，轉差功率的消耗基本不變，系統效率是各種交流調速方式中最高的，具有顯著的節(jié)能效果，是交流調速傳動應用最多的一種方式。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) 轉差頻率控制；(3) 矢量控制；(4) 直接轉矩控制等。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，引起功率因數和效率的降低，需對變頻器的電壓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

7、制方式。該方式被用于轉速開環(huán)的交流調速系統，適用于生產機械對調速系統的靜、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：轉速給定既作為調節(jié)加減速的頻率f指令值，同時經過適當分壓，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速系統框圖8.1.2 交直交變頻器在給定信號之后設置的給定積分器，將階躍給定信號轉換為按設定斜率逐漸變化的斜坡信號ugt，從而使電動機的電壓和轉速都平緩地升高或降低，避免產生沖擊。給定積分器輸出的極性代表電機轉向，幅值代表輸出電壓、頻率。絕對值變換器輸出ugt的絕對值

8、uabs，電壓頻率控制環(huán)節(jié)根據uabs及ugt的極性得出電壓及頻率的指令信號，經PWM生成環(huán)節(jié)形成控制逆變器的PWM信號，再經驅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速和轉向。8.1.2 交直交變頻器2轉差頻率控制在穩(wěn)態(tài)情況下，當穩(wěn)態(tài)氣隙磁通恒定時，異步電機電磁轉矩近似與轉差角頻率ws成正比。因此，控制ws就相當于控制轉矩。采用轉速閉環(huán)的轉差頻率控制，使定子頻率w1 = wr + ws，則w1隨實際轉速wr增加或減小，得到平滑而穩(wěn)定的調速，保證了較高的調速范圍。轉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

9、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學模型是高階、非線性、強耦合的多變量系統。傳統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矩分量，參照直流調速系統的控制方法，分別獨立地對兩個電流分量進行控制，類似直流調速系統中的雙閉環(huán)控制方式。控制系統較為復雜，但可獲得與直流電機調速相當的控制性能。4直接轉矩控制直接轉矩控制方法同樣是基于動態(tài)模型的，其控制閉環(huán)中的內環(huán)，直接采用了轉矩反饋，并采用砰砰控制，可以得到轉矩的快速動態(tài)響應。并且控制相對要簡單許多。8.1.3 恒壓恒頻（CVCF）電源CVCF電源

10、主要用作不間斷電源（UPS）。UPS廣泛應用于各種對交流供電可靠性和供電質量要求高的場合。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基本結構原理圖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。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，可使負

11、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 具有旁路電源系統的UPS 8.1.3 恒壓恒頻（CVCF）電源UPS主電路結構小容量的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，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控制的逆變器開關頻率較低，通過多重化聯結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 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

12、路間接直流變流電路：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構 采用這種結構的變換原因：輸出端與輸入端需要隔離。某些應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生噪音。8.2 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二極管、肖特基二極管或MOSFET構成的同步整流電路（Synchronous Rectifier）。間接直流變流電路分為單端(Single

13、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關斷后，電感L通過VD2續(xù)流，VD1關斷。S關斷后變壓器的勵磁電流經N3繞組和VD3流回電源，所以S關斷后承受的電壓為 。變壓器的磁心復位：開關S開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨著時間的增加而

14、線性的增長，直到S關斷。為防止變壓器的激磁電感飽和，必須設法使激磁電流在S關斷后到下一次再開通的一段時間內降回零，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關斷后，N1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量

15、通過N2繞組和VD向輸出端釋放。S關斷后的電壓為：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。輸出電壓關系： (8-3)電流斷續(xù)模式：S開通前，N2繞組中的電流已經下降到零。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， ，因此反激電路不應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，使變壓器一次側形成幅值為Ui/2的交流電壓。改變開關的占空

16、比，就可以改變二次側整流電壓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)，當兩個開關都關斷時，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，兩個開關都關斷時，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 半橋電路由于電容的隔直作用，半橋電路對由于兩個開關導通時間不對稱而造成的變壓器一次側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

17、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同時導通，同一側半橋上下兩開關交替導通，使變壓器一次側形成幅值為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個開關都關斷時，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

18、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，會在變壓器一次側產生很大的直流 分量，造成磁路飽和，因此全橋電路應注意避免電壓直流分量的產生，也可以在一次側回路串聯一個電容，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

19、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。S1和S2同時導通，相當于變壓器一次側繞組短路，因此應避免兩個開關同時導通。8.2.5 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電路優(yōu)點缺點功率范圍應用領域正激電路較簡單，成本

20、低，可靠性高，驅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，容易達到大功率結構復雜，成本高，有直通問題，可靠性低，需要復雜的多組隔離驅動電路幾百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，變壓器一次側電流回路中只有一個開關，通態(tài)損耗較小，驅動簡單

21、有偏磁問題幾百W幾kW低輸入電壓的電源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，元件數較少。缺點：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，而且變壓器二次側繞組有中心抽頭，結構較復雜。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

22、的電壓僅為交流電壓幅值，變壓器的繞組結構較為簡單。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 8-28 同步整流電路原理圖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整流得來，所構成的交直交直電路，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。本章小結本章要點如下： 1間接交流變流電路可分為電壓型和電流型，掌握 他們的各種構成方式及特點； 2交直交變頻器與交流電機構成變頻調速系統，重點 理解恒壓頻比控制方法，并了解轉差頻率控制、矢 量控制、直接轉矩控制等其他控制方法； 3CVCF變流電路主要用于UPS，掌握其基本構成方 式、特點及主電路結構； 4間接直流變換電路中的能量轉換過程為直流交流 直流，交流