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1、2022年12月3日星期六,1,组合变流电路,第8章 组合变流电路,AC/DCDC/DCAC/ACDC/AC,几种基本的变流电路组合起来,间接交流变流电路,先将交流整流为直流，再逆变为交流，是先整流后逆变的组合,间接直流变流电路,先将直流逆变为交流，再整流为直流电，是先逆变后整流的组合,2022年12月3日星期六,2,间接交流变流电路,输出交流电压和频率均不变，主要用作不间断电源,输出电压和频率均可变， 主要用作变频器,交直交变频电路,恒压恒频变流电路,间接直流变流电路 主要用于各种开关电源,2022年12月3日星期六,3,第8章 组合变流电路,8.1 间接交流变流电路8.2 间接直流变流电路
2、,2022年12月3日星期六,4,8.1.1间接交流变流电路原理8.1.2 交直交变频器8.1.3 恒压恒频（CVCF）电源,8.1 间接交流变流电路原理,2022年12月3日星期六,5,1电压型间接交流变流电路,图8-1 不能再生反馈的电压型间接交流变流电路,8.1.1间接交流变流电路原理,向电动机供电时，均要求输出电压的大小和频率可调，更常用名称是交直交变频电路图8-1中电路整流部分采用的是不可控整流，它和电容器之间的直流电压和直流电流极性不变，只能由电源向直流电路输送功率，不能由直流电路向电源反馈电力,2022年12月3日星期六,6,1电压型间接交流变流电路,图8-1 不能再生反馈的电压
3、型间接交流变流电路,8.1.1间接交流变流电路原理,图中逆变电路的能量可双向流动，若负载能量反馈到中间直流电路，将导致电容电压升高，称其为泵升电压 该能量无法反馈回交流电源，电容只能承担少量的反馈能量，泵升电压过高危及整个电路的安全,2022年12月3日星期六,7,图8-2 带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路,带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路,在中间直流电容两端并联一个由电力晶体管V0 和能耗电阻R0组成的泵升电压限制电路当泵升电压超过一定数值时，使V0导通，把从负载反馈的能量消耗在R0上这种电路可运用于对电动机制动时间有一定要求的调速系统中,2022年12月3日星期六,
4、8,图8-3 利用可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流变流电路,利用可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流变流电路,增加一套变流电路，使其工作于有源逆变状态，以实现电动机的再生制动 当负载回馈能量时，中间直流电压上升，使不可控整流电路停止工作，可控变流器工作于有源逆变状态，中间直流电压极性不变，电流反向，通过可控变流器将电能反馈回电网,2022年12月3日星期六,9,2电流型间接交流变流电路,图8-5 不能再生反馈电力的电流型间接交流变流电路,整流电路为不可控的二极管整流，输出电压和电流的极性均不可变，电路不能将负载侧的能量反馈到电源侧 若负载为电动机，需再生反馈电力时，只需将电路中的不可控
5、整流电路换成可控变流电路即可,2022年12月3日星期六,10,图8-4 整流和逆变均为PWM控制的电压型间接交流变流电路,整流和逆变均为PWM控制的电压型间接交流变流电路,整流和逆变电路都采用PWM控制的间接交流变流电路，简称双PWM电路 整流和逆变电路的交流电源通过交流电抗器和整流电路联接通过对整流电路PWM控制，可使输入电流为正弦波且与电源电压同相位,2022年12月3日星期六,11,图8-4 整流和逆变均为PWM控制的电压型间接交流变流电路,整流和逆变均为PWM控制的电压型间接交流变流电路,当负载为电动机时，电动机可工作在电动运行状态，也可工作在再生制动状态 改变输出交流电压的相序可使
6、电动机正转或反转，可实现电动机四象限运行,2022年12月3日星期六,12,图8-6 采用可控整流的电流型间接交流变流电路,当电动机制动时，中间直流电路的电流极性不能改变，调节可控整流电路的触发角，使中间直流电压反极性可实现再生制动 与电压型相比，整流部分只用一套可控变流电路，整体结构相对简单,2022年12月3日星期六,13,图8-7 电流型交直交PWM变频电路,负载为三相异步电动机，为适用较大容量的场合，将主电路中的器件换为GTO，每个GTO串联二极管以承受反向电压 逆变电路输出端电容C是为吸收GTO关断时产生的过电压而设置的，可对输出的PWM电流波形起滤波作用,2022年12月3日星期六
7、,14,图8-8 整流和逆变均为PWM控制的电流型间接交流变流电路,为了吸收换流时的过电压，在交流电源侧和交流负载侧设置了电容起，当向异步电动机供电时，电动机即可工作在电动状态，又可工作在再生制动 状态，且可正反转，四象限运行 电路通过对整流电路的PWM控制使输入电流为正弦波，并使输入功率因数为1,2022年12月3日星期六,15,8.1.2 交直交变频器,变频调速系统,交直交变频器与交流电动机构成交流调速传动,交流调速传动系统优点,克服直流调速传动系统的缺点交流电动机结构简单可靠性高节能高精度响应快速,采用变频调速方式，无论电机转速高低，转差功率的消耗基本不变，系统效率是各种交流调速方式中最
8、高的，具有显著的节能效果,2022年12月3日星期六,16,1. 恒压频比控制,为了不使电动机因频率变化导致磁饱和而造成励磁电流增大,引起功率因数和效率的降低，需对变频器的电压和频率的比率进行控制，使该比率保持恒定，维持气隙磁通为额定值,2022年12月3日星期六,17,图8-9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图,转速给定既作为调节加减速的频率f指令值，同时经过适当分压，作为定子电压U1的指令值 f指令值和U1指令值之比决定了U/f比值，由于频率和电压由同一给定值控制，因此可保证压频比为恒定,2022年12月3日星期六,18,图8-9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图,在给定信号后加有给定
9、积分器，可将阶跃给定信号转换为按设定斜率逐渐变化的斜坡信号ugt ，使电动机的电压和转速都平稳地升降为使电动机可正反转，给定信号可正可负，但电动机的转向由变频器输出电压的相序决定,2022年12月3日星期六,19,图8-9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图,用绝对值变换器 将 ugt变换为绝对值信号uabs，经电压频率控制环节处理后，得到电压及频率的指令信号 ，经PWM生成环节形成控制逆变器的PWM信号，再经驱动电路控制变频器中IGBT的通断，使变频器输出所需频率、相序和大小的交流电压，从而控制交流电机的转速和转向,2022年12月3日星期六,20,2转差频率控制,转差频率控制方式 当稳态气
10、隙磁通恒定时，异步电机电磁转矩近似与转差角频率s成正比如能保持稳态转子全磁链恒定，则转矩与s成正比控制ws就相当于控制转矩采用转速闭环的转差频率控制，使定子频率w1=wr + ws ，则w1随实际转速wr增加或减小，得到平滑而稳定的调速，保证了较高的调速范围这种方法是基于稳态模型的，得不到理想的动态性能,2022年12月3日星期六,21,3矢量控制,矢量控制方式基于异步电机的按转子磁链定向的动态模型，将定子电流分解为励磁分量和与此垂直的转矩分量，参照直流调速系统的控制方法，分别独立地对两个电流分量进行控制，类似直流调速系统中的双闭环控制方式矢量控制方式需要实现转速和磁链的解耦，控制系统较为复杂
11、，但可获得与直流电机调速相当的控制性能,2022年12月3日星期六,22,4直接转矩控制,直接转矩控制方法同样是基于动态模型的，其控制闭环中的内环，直接采用了转矩反馈，并采用砰砰控制，可以得到转矩的快速动态响应。并且控制相对要简单许多,2022年12月3日星期六,23,8.1.3 恒压恒频（CVCF）电源,图8-10 UPS基本结构原理图,UPS是当交流输入电源发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量的装置,CVCF电源主要用作不间断电源（UPS）,2022年12月3日星期六,24,8.1.3 恒压恒频（CVCF）电源,图8-10 UPS基本结构原理图,CVCF电源主要用作不间断
12、电源（UPS）,UPS基本工作原理市电正常时，由市电供电，市电经整流器整流为直流，再逆变为50Hz恒频恒压的交流电向负载供电。同时，整流器输出给蓄电池充电，保证蓄电池的电量充足,2022年12月3日星期六,25,8.1.3 恒压恒频（CVCF）电源,图8-10 UPS基本结构原理图,CVCF电源主要用作不间断电源（UPS）,UPS基本工作原理此时负载可得到的高质量的交流电压，获得正常的恒压恒频的正弦波交流输出，具有稳压、稳频性能，也称为稳压稳频电源,2022年12月3日星期六,26,8.1.3 恒压恒频（CVCF）电源,图8-10 UPS基本结构原理图,CVCF电源主要用作不间断电源（UPS）
13、,UPS基本工作原理市电异常乃至停电时，蓄电池的直流电经逆变器变换为恒频恒压交流电继续向负载供电，供电时间取决于蓄电池容量的大小,2022年12月3日星期六,27,图8-11 用柴油发电机作为后备电源的UPS,柴油发电机作为后备电源，一旦市电停电，则在蓄电池投入工作之后，即启动油机由油机代替市电向整流器供电图中UPS的结构只能保证市电断电时负载供电不中断，一旦逆变器发生故障负载供电即中断,2022年12月3日星期六,28,图8-12 具有旁路电源系统的UPS,增加旁路电源系统，可使负载供电可靠性进一步提高，旁路电源与逆变器提供的CVCF电源由转换开关S2切换，若逆变器发生故障，可由开关自动切换
14、为市电旁路电源供电在市电旁路电源与CVCF电源之间切换时，必须保证两个电压的相位一致，采用锁相同步方法,2022年12月3日星期六,29,图8-13 小容量UPS主电路,小容量较小的UPS主电路，整流部分使用二极管整流器和直流斩波器进行功率因数校正，可获得较高的交流输入功率因数，逆变器部分使用IGBT并采用PWM控制，可获得良好的控制性能,2022年12月3日星期六,30,图8-14 大功率UPS主电路,大容量UPS主电路逆变器部分采用PWM控制具有调节电压和改善波形的功能。为减少GTO的开关损耗，采用较低的开关频率。逆变器采用PWM控制，可消除较低次谐波,2022年12月3日星期六,31,间
15、接直流变流电路中增加了交流环节，也称为直交直电路，主要用于开关电源装置,图 8-15 间接直流变流电路的结构,8.2 间接直流变流电路,2022年12月3日星期六,32,采用间接直流变流电路完成直流-直流的变换的原因1） 输出端与输入端需要隔离2）某些应用中需要相互隔离的多路输出3）输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于14）交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。工作频率高于20kHz这一人耳的听觉极限，可避免变压器和电感产生噪音,2022年12月3日星期六,33,变压器中的电流为正负对称的交流电流,变压器中流过的是直流脉动电流,间接直流变流电路,单端电
16、路,双端电路,正激电路正激电路,半桥电路全桥电路推挽电路,2022年12月3日星期六,34,8.2 间接直流变流电路,8.2.1 正激电路 8.2.2 反激电路8.2.3 半桥电路8.2.4 全桥电路8.2.5 推挽电路 8.2.6 全波整流和全桥整流 8.2.7 开关电源,2022年12月3日星期六,35,图 8-16 正激电路的原理图,图 8-17 正激电路的理想化波形,开关S开通后，变压器绕组W1两端的电压为上正下负，与其耦合的W2绕组两端的电压也是上正下负VD1处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长,8.2.1 正激电路,2022年12月3日星期六,36,8.2.1 正激电路,图
17、 8-16 正激电路的原理图,图 8-17 正激电路的理想化波形,S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断, L的电流逐渐下降S关断后变压器的励磁电流经W3绕组和VD3流回电源，S关断后承受的电压为,2022年12月3日星期六,37,图 8-18 磁心复位过程,变压器的磁心复位开关S开通后，变压器的励磁电流im由零开始，随着时间的增加而线性的增长，直到S关断S关断后到下一次再开通的一段时间内，必须设法使励磁电流降回零，这一过程称为变压器的磁心复位,2022年12月3日星期六,38,(8-1),(8-2),从开关S关断后，变压器励磁电流通过W3绕组流回电源，并逐渐线性的下降为零的时间trst为
18、输出滤波电感电流连续，输出电压与输入电压之比为输出电感电流不连续，数出电压Uo高于式（8-2）得计算，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下,2022年12月3日星期六,39,8.2.2 反激电路,图 8-19 反激电路原理图,图 8-20 反激电路的理想化波形,反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感 S开通后，VD处于断态，绕组W1的电流线性增长，电感储能增加,2022年12月3日星期六,40,图 8-19 反激电路原理图,图 8-20 反激电路的理想化波形,S关断后，绕组W1的电流被切断，变压器中的磁场能量通过绕组W2和VD向输出端释放。S关断后的电压为,8
19、.2.2 反激电路,2022年12月3日星期六,41,反激电路的工作模式,电流连续模式,S开通时，绕组W2中的电流尚未下降到零,电流断续模式,S开通前，W2绕组中的电流已经下降到零,(8-3),输出电压高于式（8-3）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，Uo ，将损坏电路元件,2022年12月3日星期六,42,8.2.3 半桥电路,图 8-21 半桥电路原理图,图 8-22 半桥电路的理想化波形,2022年12月3日星期六,43,图 8-21 半桥电路原理图,图 8-22 半桥电路的理想化波形,电容器C1、C2的中点电压为Ui/2S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为U
20、i/2的交流电压改变开关的占空比，就可改变二次侧整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo,2022年12月3日星期六,44,图 8-21 半桥电路原理图,图 8-22 半桥电路的理想化波形,S1导通时，VD1处于通态，S2导通时，VD2处于通态，当两个开关都关断时，W1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流 S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui,2022年12月3日星期六,45,由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，不易发生变压
21、器的偏磁和直流磁饱和为避免上下两开关在换流过程中的短路，每个开关各自的占空比不能超过50%，应留有裕量当滤波电感L的电流连续时，有如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（8-4）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下,(8-4),2022年12月3日星期六,46,8.2.4 全桥电路,图 8-23 全桥电路原理图,图 8-24 全桥电路的理想化波形,2022年12月3日星期六,47,图 8-23 全桥电路原理图,图 8-24 全桥电路的理想化波形,全桥逆变电路由4个开关组成，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，将直流电压逆变成幅值为Ui的交流电压，加在
22、变压器一次侧改变开关的占空比就可改变ud的平均值，也就改变了输出电压Uo S1与S4导通后，VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升,2022年12月3日星期六,48,图 8-23 全桥电路原理图,图 8-24 全桥电路的理想化波形,S2与S3导通后，VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui,2022年12月3日星期六,49,图 8-23 全桥电路原理图,图 8-24 全桥电路的理想化波形,如果S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会
23、在变压器一次侧产生很大的直流分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可以在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流,2022年12月3日星期六,50,为避免同一侧半桥上下两开关在换流的过程中发生短暂的同时导通损坏开关，每个开关各自的占空比不能超过50%，应留有裕量滤波电感电流连续时输出电感电流断续时，输出电压Uo将高于式（8-5）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下,(8-5),2022年12月3日星期六,51,8.2.5 推挽电路,图 8-25 推挽电路原理图,图 8-26 推挽电路的理想化波形,2022年12月3日星期六,52,图 8-25 推挽电路原
24、理图,图 8-26 推挽电路的理想化波形,推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在匝数N1和N1绕组两端分别形成相位相反的交流电压改变占空比就可以改变输出电压 S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L的电流逐渐上升 S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L电流也逐渐上升,2022年12月3日星期六,53,图 8-25 推挽电路原理图,图 8-26 推挽电路的理想化波形,当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流 S1或S2导通时，电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降 S1和S2断态时承受的峰值电压均为2Ui,2022年12月3日星期六,54,S1和S
25、2同时导通，相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通，每个开关各自的占空比不能超过50%，还要留有死区滤波电感L电流连续时输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于式（8-6）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下,(8-6),2022年12月3日星期六,55,8.2.6 全波整流和全桥整流,图 8-27 全波整流电路和全桥整流电路原理图a）全波整流电路 b）全桥整流电路,双端电路中常用的整流电路形式为全波整流电路和全桥整流电路,2022年12月3日星期六,56,全波整流电路的特点,优点,任意时刻电感L的电流回路中只有一个二极管压降，损耗小，而且整流电路中只需要2个二
26、极管，元件数较少,缺点,二极管断态时承受的反压是2倍的交流电压幅值，对器件耐压要求较高，而且变压器二次侧绕组有中心抽头，给制造带来麻烦,每个二极管流过的电流平均值是电感L电流平均值的1/2适用场合 输出电压较低的情况下（100V）,2022年12月3日星期六,57,全桥电路的特点,优点,二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值，变压器的绕组结构较为简单,缺点,回路中任意时刻电感L的电流相继流过两个二极管，电流回路中存在两个二极管压降，损耗较大，而且电路中需要4个二极管，元件数较多,每个二极管流过的电流平均值是电感L电流平均值的1/2适用场合 高压输出,2022年12月3日星期六,58,图 8-28 同步整流电路原理图,同步整流电路的特点,优点,低电压MOSFET具有非常小的导通电阻（几m)，可降低整流电路的导通损耗，很高效率,缺点,需要对V1和V2的通与断进行控制，增加了控制电路的复杂性,适用场合电路的输出电压非常低时,2022年12月3日星期六,59,8.2.7 开关电源,开关电源,输入端的直流电源是由交流电网整流得来，构成的交直交直电路,优点,采用了工作频率较高的交流环节，变压器和滤波器都大大减小，同等功率条件下体积和重量都小于相控整流电源工作频率的提高有利于控制性能的提高,2022年12月3日星期六,60,结束!,
