《電力電子技術(shù)》(第四版)第8章組合變流電路.ppt

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1、1,第8章組合變流電路,引言 8.1 間接交流變流電路 8.2 間接直流變流電路 本章小結(jié),2,第8章 組合變流電路引言,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 先將交流電整流為直流電，再將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，是先整流后逆變的組合。 間接直流變流電路 先將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，再將交流電整流為直流電，是先逆變后整流的組合。,3,8.1 間接交流變流電路,間接交流變流電路由整流電路、中間直流電路和逆

2、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。,4,8.1 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,5,8.1.1 間接交流變流電路原理,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。,不能再生反饋電力的電壓型間接交流變流電路的整流部分采用的是不可控整流，它只能由電源向直流電路輸送功率，而不能反饋電力。圖中逆變電路的能量是可以雙向流動的，若負載能量反饋到中間直流電路，將導(dǎo)致

3、電容電壓升高，稱為泵升電壓。,6,8.1.1 間接交流變流電路原理,使電路具備再生反饋電力的能力的方法 ：,7,8.1.1 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84 整流和逆變均為PWM控制的電壓型間接交流變流電路,8,8.1.1 間接交流變流電路原理,2）電流型間接交流變流電路,9,8.1.1 間接交流變流電路原理,10,8.1.2 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

4、；(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。,11,8.1.2 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(dǎo)致磁飽和而造成勵磁電流增大,引起功率

5、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。,12,8.1.2 交直交變頻器,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，可以保證壓頻比為恒定。 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)速都平緩地升高或降低，避免產(chǎn)生沖擊。,圖8-9 采用恒壓頻比控制的變頻

6、調(diào)速系統(tǒng)框圖,13,8.1.2 交直交變頻器,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。,圖8-9 采用恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖,14,8.1.2 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

7、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)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。,15,8.1.2 交直交變頻器,3）矢量控制 異步電動機的數(shù)學(xué)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(fù)雜，但可獲得與直流電機調(diào)速相當?shù)目?/p>

8、制性能。,16,8.1.2 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(yīng)。并且控制相對要簡單許多。,17,8.1.3 恒壓恒頻(CVCF)電源,CVCF電源主要用作不間斷電源(UPS) 。 UPS -Uninterruptible Power Supplies UPS是指當交流輸入電源（習(xí)慣稱為市電）發(fā)生異常或斷電時，還能繼續(xù)向負載供電，并能保證供電質(zhì)量，使負載供電不受影響的裝置。 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。,18,8.1.3 恒壓恒頻(CVCF)電源

9、,1）UPS基本工作原理:,圖8-10 UPS基本結(jié)構(gòu)原理圖,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，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。,19,8.1.3 恒壓恒頻(CVCF)電源,20,8.1.3 恒壓恒頻(CVCF)電源,2）UPS主電路結(jié)構(gòu),21,8.2 間接直流變流電路,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

10、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。,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。,22,8.2 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,23,8.2.1 正激電路,開關(guān)S開通后，變壓器繞組W1兩端的電壓為上正下負，與其耦合的W2繞組兩端的電壓

11、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)斷后，電感L通過VD2續(xù)流，VD1關(guān)斷。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 。,1）正激電路(Forward)的工作過程,24,8.2.1 正激電路,2）變壓器的磁心復(fù)位,開關(guān)S開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨時間線性的增長，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時間內(nèi)降回零，這一過程稱為變壓器的磁心復(fù)位。 變壓器的磁心復(fù)位時間為,25,8.2.2 反激電路,1）工作過程：,S開通后，VD處于斷態(tài)，W1繞組的電流線性增長，電

12、感儲能增加； S關(guān)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。,26,8.2.2 反激電路,2）反激電路的工作模式：,27,8.2.3 半橋電路,S1與S2交替導(dǎo)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(dǎo)通時，二極管VD1處于通態(tài)，S2導(dǎo)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(dān)一半的電流。 S1或S2導(dǎo)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

13、為Ui。,1）工作過程,28,8.2.3 半橋電路,2）數(shù)量關(guān)系,由于電容的隔直作用，半橋電路對由于兩個開關(guān)導(dǎo)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。,29,8.2.4 全橋電路,全橋電路中，互為對角的兩個開關(guān)同時導(dǎo)通，同一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替導(dǎo)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開通后，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(dān)一半的電感電流，電感L的電流逐

14、漸下降。S1和S2斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui。,1）工作過程,30,8.2.4 全橋電路,如果S1、S4與S2、S3的導(dǎo)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，也可在一次側(cè)回路串聯(lián)一個電容，以阻斷直流電流。,,2）數(shù)量關(guān)系,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：,31,8.2.5 推挽電路,推挽電路中兩個開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)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(dǎo)

15、通時，二極管VD1處于通態(tài)，電感L的電流逐漸上升。 S2導(dǎo)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(guān)都關(guān)斷時，VD1和VD2都處于通態(tài)，各分擔(dān)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,32,8.2.5 推挽電路,2）數(shù)量關(guān)系,S1和S2同時導(dǎo)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(dǎo)通。,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，,33,8.2.5 推挽電路,表 8-1 各種不同的間接直流變流電路的比較,34,圖 8-27 全波整流

16、電路和全橋整流電路原理圖,8.2.6 全波整流和全橋整流,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。,,35,8.2.6 全波整流和全橋整流,a）全波整流電路,,圖 8-27 全波整流電路和全橋整流電路原理圖,36,8.2.6 全波整流和全橋整流,3）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(dǎo)通電阻的特性降低整流電路的導(dǎo)通損耗，進一步提高效率。,圖 8-28 同步整流電路原理,37,8.2.7 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

17、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。,38,本章小結(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)含有變壓器；,39,本章小結(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(yīng)用場合。,