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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,1,第,8,章 组合变流电路,引言,基本的变流电路,第,2,5,章分别介绍的,AC/DC,、,DC/DC,、,AC/AC,和,DC/AC,四大类,基本的变流电路,。,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,。,间接交流变流电路,先将交流电整流为直流电，再将直流电逆变为交流电，是,先整流后逆变,的组合。,间接直流变流电路,先将直流电逆变为交流电，再将交流电整流为直流电，是,先逆变后整流,的组合。,2,8.1,间接交流变流电路,间接交流变流电路由整流电路、中间直流电路和逆变电路构成,。,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,间接交流变流电路的逆变部分多采用,PWM,控制,。,3,8.1,间接交流变流电路,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,4,8.1.1,间接交流变流电路原理,当负载为电动机时，通常要求间接交流变流电路具有,再生反馈电力,的能力，要求输出电压的大小和频率可调，此时该电路又名,交直交变频电路,。,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，若负载能量反馈到中间直流电路，将导致电容电压升高，称为,泵升电压,。,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,5,8.1.1,间接交流变流电路原理,使电路具备,再生反馈电力,的能力的方法：,带有,泵升电压限制电路,的电压型间接交流变流电路。,当泵升电压超过一定数值时，使,V,0,导通，把从负载反馈的能量消耗在,R,0,上。,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,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。,当负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态，将电能反馈回电网。,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,6,8.1.1,间接交流变流电路原理,整流和逆变均为,PWM,控制,的电压型间接交流变流电路。,整流和逆变电路的构成完全相同，均采用,PWM,控制，能量可双向流动。输入输出电流均为正弦波，输入功率因数高，且可实现电动机四象限运行。,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,7,8.1.1,间接交流变流电路原理,2,）,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。,8,8.1.1,间接交流变流电路原理,整流和逆变均为,PWM,控制的电流型间接交流变流电路,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,负载为三相异步电动机，适用于较大容量的场合。,9,8.1.2,交直交变频器,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，快速响应等优点。,采用变频调速方式时，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。,10,8.1.2,交直交变频器,1,）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,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流调速系统，适用于生产机械对调速系统的静、动态性能要求不高的场合。,11,8.1.2,交直交变频器,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,U,1,的指令值。该比例决定了,U/,f,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的斜坡信号,u,gt,，从而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。,图,8-9,采用恒压频比控制的变频调速系统框图,12,8.1.2,交直交变频器,给定积分器输出的极性代表电机转向，幅值代表输出电压、频率。绝对值变换器输出,u,gt,的绝对值,u,abs,，电压频率控制环节根据,u,abs,及,u,gt,的极性得出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。,图,8-9,采用恒压频比控制的变频调速系统框图,13,8.1.2,交直交变频器,2,）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转差角频率成正比。因此，控制,w,s,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,w,1,=,w,r,+,w,s,，则,w,1,随实际转速,w,r,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。,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，得不到理想的动态性能。,14,8.1.2,交直交变频器,3,）,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。,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。,15,8.1.2,交直交变频器,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。,16,8.1.3,恒压恒频,(CVCF),电源,CVCF,电源主要用作不间断电源,(,UPS),。,UPS-Uninterruptible Power Supplies,UPS,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，使负载供电不受影响的装置,。,UPS,广泛应用于各种对交流供电可靠性和供电质量要求高的场合。,17,8.1.3,恒压恒频,(CVCF),电源,1,）,UPS,基本,工作原理,:,图,8-10 UPS,基本结构原理图,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。,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。,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。,18,8.1.3,恒压恒频,(CVCF),电源,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。,19,8.1.3,恒压恒频,(CVCF),电源,2,）,UPS,主电路结构,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。,20,8.2,间接直流变流电路,采用这种结构的变换原因：,输出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。,输出电压与输入电压的比例远小于,1,或远大于,1,。,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。,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,8-15,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，再整流为直流电，也称为直,-,交,-,直电路。,21,8.2,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,22,8.2.1,正激电路,图,8-16,正激电路的原理图,图,8-17,正激电路的理想化波形,S,u,S,i,L,i,S,O,t,t,t,t,U,i,O,O,O,开关,S,开通后，变压器绕组,W,1,两端的电压为上正下负，与其耦合的,W,2,绕组两端的电压也是上正下负。因此,VD,1,处于通态，,VD,2,为断态，电感,L,的电流逐渐增长；,S,关断后，电感,L,通过,VD,2,续流，,VD,1,关断。变压器的励磁电流经,N,3,绕组和,VD,3,流回电源，所以,S,关断后承受的电压为 。,1,）正激电路,(Forward),的工作过程,23,8.2.1,正激电路,B,R,B,S,B,H,O,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,2,）变压器的磁心复位,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,。,变压器的磁心复位时间为,24,8.2.2,反激电路,1,）工作过程：,图,8-20,反激电路的理想化波形,S,u,S,i,S,i,VD,t,on,t,off,t,t,t,t,U,i,O,O,O,O,图,8-19,反激电路原理图,S,开通后，,VD,处于断态，,W,1,绕组的电流线性增长，电感储能增加；,S,关断后，,W,1,绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过,W,2,绕组和,VD,向输出端释放。,25,8.2.2,反激电路,2,）,反激电路的工作模式：,电流连续模式：当,S,开通时，,W,2,绕组中的电流,尚未下降到零,。,输出电压关系：,电流断续模式：,S,开通前，,W,2,绕组中的电流,已经下降到零,。,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。,(8-3),图,8-20,反激电路的理想化波形,S,u,S,i,S,i,VD,t,on,t,off,t,t,t,t,U,i,O,O,O,O,图,8-19,反激电路原理图,26,8.2.3,半桥电路,S,1,与,S,2,交替导通，使变压器一次侧形成幅值为,U,i,/2,的交流电压。改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压,u,d,的平均值，也就改变了输出电压,U,o,。,S,1,导通时，二极管,VD,
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