组合变流电路学习教案

1、会计学1组合组合(zh)变流电路变流电路第一页，共31页。8-2基本的变流电路基本的变流电路 第第2 25 5章介绍章介绍(jisho)(jisho)的的AC/DCAC/DC、DC/DCDC/DC、AC/ACAC/AC和和DC/ACDC/AC四大类基本的变流电路四大类基本的变流电路 。组合变流电路组合变流电路 将某几种基本的变流电路组合起来，以实现一定的新功能，即构成组合变流电路。将某几种基本的变流电路组合起来，以实现一定的新功能，即构成组合变流电路。间接交流变流电路间接交流变流电路 先将交流整流为直流，再将直流逆变为交流，是先整流后逆变的组合先将交流整流为直流，再将直流逆变为交流，是先整流后

2、逆变的组合间接直流变流电路间接直流变流电路 先将直流逆变为交流，再将交流整流为直流，是先逆变后整流的组合先将直流逆变为交流，再将交流整流为直流，是先逆变后整流的组合间接交流变流电路由整流电路、中间间接交流变流电路由整流电路、中间(zhngjin)(zhngjin)直流电路和逆变电路构直流电路和逆变电路构成。成。分为电压型间接交流变流电路和电流型间接交流变流电路分为电压型间接交流变流电路和电流型间接交流变流电路间接交流变流电路的逆变部分多采用间接交流变流电路的逆变部分多采用PWMPWM控制。控制。 第1页/共31页第二页，共31页。8-3不能再生反馈电力的电压型间接交流变流电路的整流部分采不能再

3、生反馈电力的电压型间接交流变流电路的整流部分采用的是不可控整流，它只能由电源向直流电路输送功率，而用的是不可控整流，它只能由电源向直流电路输送功率，而不能反馈电力。图中逆变电路的能量是可以双向流动的，若不能反馈电力。图中逆变电路的能量是可以双向流动的，若负载能量反馈到中间直流电路，将导致负载能量反馈到中间直流电路，将导致(dozh)(dozh)电容电压升电容电压升高，称为泵升电压。高，称为泵升电压。1 1）电压型间接交）电压型间接交流流 变流电路变流电路图8-1 不能再生反馈的电压型间接交流变流电路当负载为电动机时，通常要求间接交流变流电路当负载为电动机时，通常要求间接交流变流电路(dinl)

4、具有再生反馈电力的能具有再生反馈电力的能力，要求输出电压的大小和频率可调，此时该电路力，要求输出电压的大小和频率可调，此时该电路(dinl)又名交直交变频电路又名交直交变频电路(dinl)。第2页/共31页第三页，共31页。8-4带有带有泵升电压限制电路泵升电压限制电路的电压的电压型间接交流变流电路。型间接交流变流电路。 当泵升电压超过一定数值当泵升电压超过一定数值时，使时，使V V0 0导通，把从负载反馈的导通，把从负载反馈的能量消耗在能量消耗在R R0 0上。上。图图8 82 2 带有泵升电压限制电带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路路的电压型间接交流变流电路利用利用可控变流器实现

5、再生反馈可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流变流电路。的电压型间接交流变流电路。 当负载回馈能量时，可控当负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态，将变流器工作于有源逆变状态，将电能反馈回电网。电能反馈回电网。图图8 83 3 利用可控变流器实现再生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反馈的电压型间接交流变流电路第3页/共31页第四页，共31页。8-5整流和逆变均为整流和逆变均为PWMPWM控制的电压型间接交流变流电路。控制的电压型间接交流变流电路。整流和逆变电路的构成完全相同，均采用整流和逆变电路的构成完全相同，均采用PWMPWM控制，能量可双向流动。输入控制，能量可双向

6、流动。输入(shr)(shr)输出电流均为正弦波，输入输出电流均为正弦波，输入(shr)(shr)功率因数高，且可实现电动机四象限运行。功率因数高，且可实现电动机四象限运行。第4页/共31页第五页，共31页。8-6整流电路为不可控的二极管整流时，电路不能将负载侧的能量反馈到电源侧。 图8-5 不能再生反馈电力的电流型间接交流变流电路图8-6 采用可控整流的电流型间接交流变流电路为使电路具备再生反馈电力的能力，可采用：整流电路采用晶闸管可控整流电路。负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态，使中间直流电压反极性。第5页/共31页第六页，共31页。8-7整流和逆变均为PWM控制的电流型间接交流

7、变流电路通过对整流电路的PWM控制使输入电流为正弦并使输入功率因数为1。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图8-7 电流型交-直-交PWM变频电路实现再生反馈的电路图实现再生反馈的电路图负载为三相异步电动机负载为三相异步电动机，适用于较大容量的场，适用于较大容量的场合。合。第6页/共31页第七页，共31页。8-8晶闸管直流电动机传动系统存在一些固有的缺点：(1) 受使用环境条件制约；(2) 需要定期维护；(3) 最高速度和容量受限制等。交流调速传动系统除了克服直流调速传动系统的缺点外还具有：(1) 交流电动机结构简单，可靠性高；(2) 节能；(3) 高精度，快速响应等优

8、点。采用变频调速方式时，无论电机转速高低，转差功率(gngl)的消耗基本不变，系统效率是各种交流调速方式中最高的，具有显著的节能效果，是交流调速传动应用最多的一种方式。笼型异步电动机的定子频率控制方式，有：(1) 恒压频比(U/f)控制；(2) 转差频率控制；(3) 矢量控制；(4) 直接转矩控制等。1 1）恒压频比控制）恒压频比控制为避免电动机因频率变化导致磁饱和而造成励磁电流增大为避免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，即恒压的降低，需对变频器的电压和频率的比率进行控制，使该比

9、率保持恒定，即恒压频比控制，以维持气隙磁通为额定值。频比控制，以维持气隙磁通为额定值。恒压频比控制是比较简单，被广泛采用的控制方式。该方式被用于转速开环的交恒压频比控制是比较简单，被广泛采用的控制方式。该方式被用于转速开环的交流调速系统，适用于生产流调速系统，适用于生产(shngchn)(shngchn)机械对调速系统的静、动态性能要求不高机械对调速系统的静、动态性能要求不高的场合。的场合。第7页/共31页第八页，共31页。8-9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转速给定既作为调节加减速的频率f f 指令值，同时经过适当分压，作为定子电压指令值，同时经过

10、适当分压，作为定子电压U1U1的指令值。该比例决定了的指令值。该比例决定了U/fU/f比值，可以保证压频比为恒定。比值，可以保证压频比为恒定。在给定信号之后设置的给定积分器，将阶跃给定信号转换为按设定斜率逐渐变化在给定信号之后设置的给定积分器，将阶跃给定信号转换为按设定斜率逐渐变化的斜坡信号的斜坡信号ugtugt，从而，从而(cng r)(cng r)使电动机的电压和转速都平缓地升高或降低，避免使电动机的电压和转速都平缓地升高或降低，避免产生冲击。产生冲击。给定积分器输出的极性代表给定积分器输出的极性代表(dibio)(dibio)电机转向，幅值代表电机转向，幅值代表(dibio)(dibio

11、)输出电压、频率。绝输出电压、频率。绝对值变换器输出对值变换器输出ugtugt的绝对值的绝对值uabsuabs，电压频率控制环节根据，电压频率控制环节根据uabsuabs及及ugtugt的极性得出电压及频率的极性得出电压及频率的指令信号，经的指令信号，经PWMPWM生成环节形成控制逆变器的生成环节形成控制逆变器的PWMPWM信号，再经驱动电路控制变频器中信号，再经驱动电路控制变频器中IGBTIGBT的的通断，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。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。第8页/共31页第九页，共31页。

12、8-103 3）矢量控制）矢量控制异步电动机的数学模型是高阶、非线性、强耦合的多变量系统。传统异步电动机的数学模型是高阶、非线性、强耦合的多变量系统。传统设计方法无法达到理想的动态性能。设计方法无法达到理想的动态性能。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方法，分别独立地对两个电流分量进行(jnxng)(jnxng)控制，类似直流调速控制，类似直流调速系统中的双

13、闭环控制方式。系统中的双闭环控制方式。控制系统较为复杂，但可获得与直流电机调速相当的控制性能。控制系统较为复杂，但可获得与直流电机调速相当的控制性能。4 4）直接转矩控制）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。并且控制相对砰控制，可以得到转矩的快速动态响应。并且控制相对(xingdu)(xingdu)要简单许多。要简单许多。2 2）转差频率控制）转差频率控制在稳态情况下，当稳态气隙磁通恒定时，异步电机电磁转矩近似与

14、转差角频率在稳态情况下，当稳态气隙磁通恒定时，异步电机电磁转矩近似与转差角频率成正比。因此成正比。因此(ync)(ync)，控制，控制wsws就相当于控制转矩。采用转速闭环的转差频率控就相当于控制转矩。采用转速闭环的转差频率控制，使定子频率制，使定子频率w 1 = wr + ws w 1 = wr + ws ，则，则w 1w 1随实际转速随实际转速wrwr增加或减小，得到平滑而增加或减小，得到平滑而稳定的调速，保证了较高的调速范围。稳定的调速，保证了较高的调速范围。转差频率控制方式可达到较好的静态性能，但这种方法是基于稳态模型的，得转差频率控制方式可达到较好的静态性能，但这种方法是基于稳态模型

15、的，得不到理想的动态性能。不到理想的动态性能。第9页/共31页第十页，共31页。8-11CVCFCVCF电源主要用作不间断电源电源主要用作不间断电源(UPS) (UPS) 。 UPS -Uninterruptible Power Supplies UPS -Uninterruptible Power SuppliesUPSUPS是指当交流输入电源（习惯称为市电）发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量是指当交流输入电源（习惯称为市电）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(zhling)(zhling)，使负载供电不受影响的装置。，使负载供电不受影响的装置。UPS

16、UPS广泛应用于各种对交流供电可靠性和供电质量广泛应用于各种对交流供电可靠性和供电质量(zhling)(zhling)要求高的场合。要求高的场合。第10页/共31页第十一页，共31页。8-12图图8-10 UPS8-10 UPS基本结构原理图基本结构原理图市电正常市电正常(zhngchng)(zhngchng)时，由市电供电，市电经整流器整流为时，由市电供电，市电经整流器整流为直流，再逆变为直流，再逆变为50Hz50Hz恒频恒压的交流电向负载供电。同时，整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。流器输出给蓄电池充电，保证蓄电池的电量充足。此时负载可得到的

17、高质量的交流电压，具有稳压、稳频性能，此时负载可得到的高质量的交流电压，具有稳压、稳频性能，也称为稳压稳频电源。也称为稳压稳频电源。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。第11页/共31页第十二页，共31页。8-13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。图8-11 用柴油发电机作为后备电源的UPS 为了保证长时间不间断供电，可采用柴油发电机（简称油机）作为后备电源。第1

18、2页/共31页第十三页，共31页。8-14图8-13 小容量UPS主电路 小容量的UPS，整流部分使用二极管整流器和直流斩波器(PFC)，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。图8-14 大功率UPS主电路 大容量UPS主电路。采用PWM控制的逆变器开关频率较低，通过多重化联结降低输出电压中的谐波分量。 第13页/共31页第十四页，共31页。8-15变压器整流电路滤波器直流交流交流脉动直流直流逆变电路图图 8-158-15 间接直流变流电路的结构间接直流变流电路：先将直流逆变为交流间接直流变流电路：先将直流逆变为交流(jioli)(jiol

19、i)，再整流为直，再整流为直流电，也称为直流电，也称为直- -交交- -直电路。直电路。采用这种结构的变换原因：采用这种结构的变换原因：输出输出(shch)(shch)端与输入端需要隔离。端与输入端需要隔离。某些应用中需要相互隔离的多路输出某些应用中需要相互隔离的多路输出(shch)(shch)。输出输出(shch)(shch)电压与输入电压的比例远小于电压与输入电压的比例远小于1 1或远大于或远大于1 1。交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波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。工作频率高于电感、滤波电容的体积和重量。工作频率高于20kHz2

20、0kHz这一人这一人耳的听觉极限，可避免变压器和电感产生噪音。耳的听觉极限，可避免变压器和电感产生噪音。第14页/共31页第十五页，共31页。8-16图 8-16 正激电路的原理图图 8-17 正激电路的理想化波形SuSiLiSOttttUiOOO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。因此VD1处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长；S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断。变压器的励磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为 。iSUNNu)1 (311）正激电路(Forward)的工作(gngzu)过程第15页/

21、共31页第十六页，共31页。8-17BRBSBHO图 8-18 磁心复位过程输出电压输出滤波电感电流连续的情况下输出电感电流不连续时TtNNUUon12ioi12oUNNU2）变压器的磁心复位(f wi)on31rsttNNt开关S开通后，变压器的激磁电流由零开始，随时间线性的增长，直到S关断。为防止变压器的激磁电感饱和，必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位变压器的磁心复位。变压器的磁心复位时间为第16页/共31页第十七页，共31页。8-18图 8-20 反激电路的理想化波形 SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO图 8-19 反激

22、电路原理图 S开通后，VD处于断态，W1绕组的电流线性增长，电感储能增加；S关断后，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量(nngling)通过W2绕组和VD向输出端释放。第17页/共31页第十八页，共31页。8-192）反激电路(dinl)的工作模式：电流连续模式：当S开通时，W2绕组中的电流尚未下降尚未下降到零到零。输出电压关系：电流断续模式：S开通前，W2绕组中的电流已经下降到已经下降到零零。 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， ，因此反激电路不应工作于负载开路状态。offon12iottNNUUoU(8-3)图 8-20 反激电路的理想化波

23、形 SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO图 8-19 反激电路原理图 第18页/共31页第十九页，共31页。8-201 1）工作）工作(gngzu)(gngzu)过程过程图 8-21 半桥电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO图 8-22 半桥电路的理想化波形S1S1与与S2S2交替导通，使变压器一次侧形成幅交替导通，使变压器一次侧形成幅值为值为Ui/2Ui/2的交流电压。改变开关的交流电压。改变开关(kigun)(kigun)的占空比，就可以改变二次侧整流电压的占空比，就可以改变二次侧整流电压udud的的

24、平均值，也就改变了输出电压平均值，也就改变了输出电压UoUo。S1S1导通时，二极管导通时，二极管VD1VD1处于通态，处于通态，S2S2导通导通时，二极管时，二极管VD2VD2处于通态处于通态; ;当两个开关当两个开关(kigun)(kigun)都关断时，变压器都关断时，变压器绕组绕组N1N1中的电流为零，中的电流为零，VD1VD1和和VD2VD2都处于通态都处于通态，各分担一半的电流。，各分担一半的电流。S1S1或或S2S2导通时电感导通时电感L L的电流逐渐上升，两的电流逐渐上升，两个开关个开关(kigun)(kigun)都关断时，电感都关断时，电感L L的电流逐的电流逐渐下降。渐下降。

25、S1S1和和S2S2断态时承受的峰值电压均为断态时承受的峰值电压均为UiUi。第19页/共31页第二十页，共31页。8-212）数量(shling)关系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(diny)的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。图 8-21 半桥电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO图 8-22 半桥电路的理想化波形当滤波电感L的电流连续时： 如果输出电感电流不连续，输出电压U0将高于式（8-4）的计算值，并随负载减小

26、而升高，在负载为零的极限情况下， TtNNUUon12io2i12oUNNU (8-4)第20页/共31页第二十一页，共31页。8-22全桥电路中，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，使变压器一次侧形成(xngchng)幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。当S1与S4开通后，VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升；S2与S3开通后，二极管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。1）工作(gngzu)过程图 8-23 全桥电

27、路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图 8-24 全桥电路的理想化波形第21页/共31页第二十二页，共31页。8-232）数量(shling)关系滤波电感电流连续时： (8-5)输出电感电流断续时，输出电压U Uo o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： TtNNUUon12io2i12oUNNU 图 8-23 全桥电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图 8-24 全桥电路的理想化波形第22页/共31页

28、第二十三页，共31页。8-24图图 8-25 8-25 推挽电路原理图推挽电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图 8-26 推挽电路的理想化波形推挽电路中两个开关推挽电路中两个开关S1S1和和S2S2交替导交替导通，在绕组通，在绕组N1N1和和N,1N,1两端分别形成相两端分别形成相位相反的交流电压。位相反的交流电压。S1S1导通时，二极管导通时，二极管VD1VD1处于通态，电处于通态，电感感L L的电流逐渐上升。的电流逐渐上升。S2S2导通时，二极管导通时，二极管VD2VD2处于通态，电处于通态，电感感L L电流

29、也逐渐上升。电流也逐渐上升。当两个开关都关断时，当两个开关都关断时，VD1VD1和和VD2VD2都都处于通态，各分担处于通态，各分担(fndn)(fndn)一半的一半的电流。电流。S1S1和和S2S2断态时承受的峰值电断态时承受的峰值电压均为压均为2 2倍倍UiUi。1）工作(gngzu)过程第23页/共31页第二十四页，共31页。8-25图 8-25 推挽电路原理图 S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图 8-26 推挽电路的理想化波形2）数量(shling)关系S1和S2同时导通，相当于变压器一次侧绕组(roz)短路，因此

30、应避免两个开关同时导通。滤波电感L电流连续时：(8-6)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，TtNNUUon12io2i12oUNNU 第24页/共31页第二十五页，共31页。8-26电路优点优点缺点缺点功率范围功率范围应用领域应用领域正正激激电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单变压器单向激磁，利用率低几百W几kW各种中、小功率电源反反激激电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低几W几十W小功率电子设备、计算机设备、消费电子设备电源。全全桥桥变压器双向励磁，容易达到大功

31、率结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路几百W几百kW大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等半半桥桥变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路几百W几kW各种工业用电源，计算机电源等推推挽挽变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题几百W几kW低输入电压的电源表 8-1 各种不同的间接(jin ji)直流变流电路的比较第25页/共31页第二十六页，共31页。8-27图 8-27 全波整流电路和全桥整流电路原理图双端电路中常用的整流双端电路中常用的整流(zhngli)电电路

32、形式为全波整流路形式为全波整流(zhngli)电路和电路和全桥整流全桥整流(zhngli)电路。电路。a）全波整流电路1）全波整流电路的特点优点：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个二极管，元件数较少。缺点：二极管断态时承受的反压较高，对器件耐压要求较高，而且变压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。适用场合：输出电压较低的情况下（100V）。第26页/共31页第二十七页，共31页。8-28a）全波整流(zhngli)电路b）全桥整流电路2）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，变压器的绕组简单。缺点：电感L的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。适用场合：高压输出的情况下。图 8-27 全波整流(zhngli)电路和全桥整流(zhngli)电路原理图第27页/共31页第二十八页，共31页。8-29图图 8-28 8-28 同步整流电路同步整流电路(dinl)(dinl)原理原理3 3）同步整流电路：）同步整流电路：当电路的输出电压非常低时当电路的输出电压非常低时，可以，可以(ky)(ky)采用同步整流采用同步整流电路，利用低电压电路，利用低电压MOSFETMOSFET具具有非常小的导通电阻的特性有非常小的导通