电力电子技术电力电子技术 第 8 章 组合变流电路 上海电力学院电子教研室
引言 1. 基本变流电路 : AC/DC DC/DC AC/AC 和 DC/AC 共四大类 2. 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 两类组合变流电路 间接交流变流电路 : 间接直流变流电路 : AC/DC DC/AC AC DC AC 应用 : VVVF 电源 : 主要用作交流电动 机调速用变频器 DC/AC AC/DC DC AC DC 应用 : SMPS(Swiching Mode Power Supply, 开关电源 ) CVCF 电源 : 用作 UPS( 不间断电源 ) 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 2
8.1 间接交流变流电路 AC/DC DC/AC AC DC AC 8.1.1 间接交流变流电路原理 1. 电压型间接交流变流电路 1 不能再生反馈的电压型间接交流变流电路 不控整流, 输出直流电压 电流极性不变, 能量传递单方向 AC ( 电源 ) C, 电压型逆变电路的特征 负载能量反馈到中间直流电路时, 将导致电容电压升高, 称为泵升电压, 如果能量无法反馈回交流电源, 泵升电压会危及整个电路的安全 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 3 AC ( 负载 ) 多采用 PWM 控制 向电动机供电时, 即交直交变频电路
8.1 间接交流变流电路 8.1.1 间接交流变流电路原理 2 具备再生反馈能力的电压型间接交流变流电路 ⅰ) 带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路 ⅱ) 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 AC 电源 AC 负载 AC 电源 V 0 R 0 AC 负载 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 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 4
8.1 间接交流变流电路 8.1.1 间接交流变流电路原理 ⅲ ) 整流和逆变均为 PWM 控制的电压型间接交流变流电路 AC 电源 AC 负载 该电路的优点 : 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 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 5
8.1.1 间接交流变流电路原理 8.1 间接交流变流电路 2. 电流型间接交流变流电路 1 不能再生反馈电力的电流型间接交流变流电路 2 具备再生反馈能力的电流型间接交流变流电路 ⅰ) 采用可控整流的电流型间接交流变流电路 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 I d AC 电源 AC 负载 AC 电源 U d U L AC 负载 再生反馈输送功率功率流向 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 6
8.1 间接交流变流电路 8.1.1 间接交流变流电路原理 图 8-6 的原理电路 整流 L d 逆变 VT 1 VT 3 VT 5 M 3 VT 4 VT 6 VT 2 C 图 8-7 电流型交 直 交 PWM 变频电路 ⅱ) 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波, 并使输入功率因数为 1 电源 a b c U V 负载 W 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 7
8.1 间接交流变流电路 8.1.1 间接交流变流电路原理间接交流变流电路的典型应用之一 : 几种调速传动方式 : 用作交流电动机调速的 VVVF 变流电路 P11 1 晶闸管直流电动机传动系统 过去的主流, 存在固有的缺点 2 交流调速传动系统 逐步取代传统的直流传动系统 其中, 变频调速是应用最多的一种方式 变频调速系统效率高, 节能效果显著, 正在推广 对笼型异步电动机的变频调速非常典型 笼型异步电动机的几种定子频率控制方式 : (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 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 8
8.1.1 间接交流变流电路原理 8.1 间接交流变流电路 (1) 恒压频比控制 由恒磁通原理 U 1 =4.44 f Φ 定子所接电源电压 电源频率 定子绕组匝数 气隙磁通 为维持气隙磁通为额定值, 应使压频比 U 1 / f 恒定 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 9
8.1.2 交直交变频器 (1) 恒压频比控制 8.1 间接交流变流电路 图 8-9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图 M u * co 转速给定 u g u abs u f 指令 电压及频率控制 PWM 生成驱动 电机动正 反转 工作原理 : 给定积分器 绝对值变换器 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, 由于频率和电压由同一给定值控制, 因此可以保证压频比为恒定 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 10
8.1 间接交流变流电路 8.1.3 恒压恒频 (CVCF) 电源 CVCF (Consan Volage Consan Frequency) 电源, 主要用作 UPS(Uninerrupable Power Supply, 不间断电源 ) UPS 基本工作原理 市电 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 整流器 逆变器 电站 银行 医疗设备等 再逆变为 50Hz 恒频恒压的交流电向负载供电 负载 市电正常时, 由市电供电, 整流为直流 同时, 整流器输出给蓄电池充电, 保证蓄电池的电量充足 蓄电池 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 11 图 8-10 UPS 基本结构原理图 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
8.1.3 恒压恒频 (CVCF) 电源 市电 油机 图 8-11 用柴油发电机作为后备电源的 UPS S 1 2 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 整流器 蓄电池 逆变器 市电异常乃至停电时, 由蓄电池为逆变器提供直流电, 供电时间取决于蓄电池的容量 市电 油机 负载 8.1 间接交流变流电路 图 8-12 具有旁路电源系统的 UPS 为防止逆变器发生故障, 增加旁路电源系统, 使负载供电可靠性进一步提高 旁路电源 3 负载整流器逆变器 1 4 S 2 S 1 转换开关 2 CVCF 电源蓄电 P15 池 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 12
8.1.3 恒压恒频 (CVCF) 电源 UPS 主电路结构 小容量的 UPS 二极管整流和直流斩波器 (PFC), 可获得较高的交流输入功率因数 整流器 斩波器 DCL 8.1 间接交流变流电路 直流滤波器逆变器 PWM 控制逆变器, 可获得良好的控制性能 交流滤波器 交流开关 市电 负载 图 8-13 小容量 UPS 主电路 蓄电池 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 13
8.1.3 恒压恒频 (CVCF) 电源 大容量 UPS 主电路 蓄电池晶闸管开关 整流器 PWM 控制的逆变器, 开关频率较低 GTO 逆变器 8.1 间接交流变流电路 多重化联结, 降低输出电压中的谐波分量 逆变器用变压器 晶闸管开关 市电 交流滤波器 晶闸管开关 负载 旁路电源 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 14 图 8-14 大功率 UPS 主电路
8.2 间接直流变流电路 组成框图 : 直流逆变交流交流整流脉动直流直流变压器滤波器电路电路 从直流到直流, 为什么不采用直流斩波呢? 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 15
8.2 间接直流变流电路 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 1 4. 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 当工作频率高于 20kHz 这一人耳的听觉极限时, 可避免变压器和电感产生噪音? 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 16
8.2 间接直流变流电路 器件 逆变电路通常使用全控型器件, 整流电路中通常采用快恢复二极管 肖特基二极管或 MOSFET 构成的同步整流电路 (SynchronousRecifier) 间接直流变流电路分类 单端电路 : 变压器中流过的是直流脉动电流, 如正激电路和反激电路 双端电路 : 变压器中的电流为正负对称的交流电流 如半桥 全桥和推挽电路 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 17
8.2 间接直流变流电路 8.2.1 正激电路 VD 1 电路的工作过程开关 S 开通后 S 关断后 S 关断后承受的电压 U i + 1 u S = (1 + ) U 3 3 1 2 W 3 VD 3 i W 1 S O u S S W2 L VD 2 + U o 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, 随着时间的增加而线性的增长, 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一段时间内降回零, 这一过程称为变压器的磁心复位 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 18 U i O i L O i S O
8.2.1 正激电路 8.2 间接直流变流电路 变压器的磁心复位时间为 ( 复位过程图 8-18) = 输出电压 : 输出滤波电感电流连续的情况下 : U U rs o = i 2 1 1 3 T on on (8-1) (8-2) 输出电感电流不连续时, 输出电压 U o 将高于式 (8-2) 的计算值, 并随负载减小而升高, 在负载为零的极限情况下, 2 U o = U i 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 19 1
8.2.2 反激电路 8.2 间接直流变流电路 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 工作过程 S 开通后 U i + 1 2 VD + U W o 1 W 2 S S 关断后 图 8-19 反激电路原理图 S 关断后的电压为 : 1 u S = U i + U o 2 S O u S U i O i S O i VD on off 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 20 O 图 8-20 反激电路的理想化波形
8.2.2 反激电路 8.2 间接直流变流电路 v 反激电路的工作模式 : 电流连续模式 : 当 S 开通时,2 绕组中的电流 尚未下降到零 输出电压关系 : U U o i 1 off (8-3) 电流断续模式 :S 开通前,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, U o, 因此反激电路不应工作于负载开路状态 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 21 = 2 on
8.2.3 半桥电路 S 何种类型逆变电路 1 与 S 2 交替导通, 使变压器一次侧形成幅值为? 何特点? 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 工作过程? 输出幅值? 如何改变输出大小? S 1 导通时, 二极管 VD 1 处于通态, S 2 导通时, 二极管 VD 2 处于通态, C 1 + S 1 U i 1 2 S 2 W 2 3 + W 1 W C 3 2 VD 1 VD 2 + u d 图 8-21 半桥电路原理图 S 1 S 2 都关断时, 变压器绕组 1 中的电流为零,VD 1 和 VD 2 都处于通态, 各分担一半的电流 L + U o 8.2 间接直流变流电路 S 1 S 2 都关 S 1 或 S 2 导断时,i L 逐通时 i L 逐渐下降渐上升图 8-22 半桥电路的理想化波形 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 22
8.2.3 半桥电路 8.2 间接直流变流电路 S 1 和 S 2 断态时承受的峰值电压均为 U i 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, 因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和 输出电压 : 当 i L 连续时 U U o = i 如果 i L 不连续, 输出电压 U 0 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 U = o 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 23 2 1 2 1 T U 2 on i (8-4)
8.2.4 全桥电路 何种类型逆变电路? 何特点? 工作过程? 输出幅值? 如何改变输出大小? 工作过程互为对角的两个开关同时导当 S 通, 同一侧半桥上下两开关 1 与 S 4 开通后, VD 交替导通, 使变压器一次侧 1 和 VD 4 处于通态,i L 上升形成幅值为 U i 的交流电压, 改当 S 2 与 S 3 开通后, 变占空比就可以改变输出电 VD 2 和 VD 3 处于通态,i L 上升压 当 S 1 ~S 4 都关断时, VD 1 ~VD 4 都处于通态, 各分担 1/2 i L, i L 逐渐下降. S 1 ~S 4 断态时承受的峰值电压均为 U i U i + S 1 + S 2 u T S 3 - S 4 1 W 1 VD 1 2 W 2 VD 3 L VD VD 4 2 - 图 8-23 全桥电路原理图 + u d + U o 8.2 间接直流变流电路 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 24 图 8-24 全桥电路的理想化波形
8.2.4 全桥电路 8.2 间接直流变流电路 如果 S 1 S 4 与 S 2 S 3 的导通时间不对称, 则交流电压 u T 中将含有直流分量, 会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 输出电压 : 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 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, U = 2 o i 1 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 25 U U o 2 2 i = U 1 T on
8.2 间接直流变流电路 8.2.5 推挽电路 S 1 + 1 U i S 2 1 ' 2 ' 2 VD 1 VD 2 图 8-25 推挽电路原理图 工作过程与半桥电路类似 不同之处 : S 1 和 S 2 断态时承受的峰值电压均为 2 倍 U i L + U o 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 26 S 1 S 2 O O u S1 O u S2 O i S1 O i S2 O i D1 O i S2 O on T 2U i 2U i i L i L 图 8-26 推挽电路的理想化波形 S 1 和 S 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
8.2.5 推挽电路 8.2 间接直流变流电路 输出电压 : 滤波电感 L 电流连续时 : U U o 2 2 i = 1 (8-6) 输出电感电流不连续时, 输出电压 U o 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, T on U = o 2 1 U i 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 27
8.2 间接直流变流电路 8.2.5 推挽电路 表 8-1 各种不同的间接直流变流电路的比较 电路优点缺点功率范围应用领域 正激 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 全桥变压器双向励磁, 容易达到大功率 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 推挽 变压器双向励磁, 变压器一次侧电流回路中只有一有偏磁问题几百 W~ 几 kw 个开关, 通态损耗较小, 电源 2008-5-14 驱动简单上海电力学院电子技术教研室 28 低输入电压的
8.2.6 全波整流和全桥整流 8.2 间接直流变流电路 正激电路 反激电路 半桥电路 全桥电路 推挽电路, 主要讨论逆变电路的情况 下面讨论整流电路的情况 VD 1 L VD 1 VD 3 L + + VD 2 VD 2 VD 4 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 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 29
8.2.6 全波整流和全桥整流 8.2 间接直流变流电路 VD 1 L 全波整流电路的特点 + 优点 : 电感 L 的电流只流过一个二极管, 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是二倍的交流电压幅值, 对器件耐压要求较高, 而且变压器二次侧绕组有中心抽头, 结构较复杂 适用场合 : 输出电压较低的情况下 (<100V) VD 2 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 30
8.2.6 全波整流和全桥整流 8.2 间接直流变流电路 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 : 电感 L 的电流流过两个二极管, 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 VD 1 VD 3 L + VD 2 VD 4 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 31
8.2.6 全波整流和全桥整流 同步整流电路 : 当电路的输出电压非常低时, 可以采用同步整流电路, MOSFET 具有非常小的导通电阻, 降低整流电路的导 通损耗, 进一步提高效率 8.2 间接直流变流电路 电路形式和什么类似? V 1 L + 使用何种开关器件? 为什么? V 2 图 8-28 同步整流电路原理图 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 32
8.2.7 开关电源 8.2 间接直流变流电路 开关电源 : 交 直 交 直电路 间接直流变流电路输入端的直流电源是由交流电网整流得来 交流环节工作频率较高, 变压器和滤波器都大大减小, 体积和重量都远小于相控整流电源, U 1 =4.44 f Φ 此外, 工作频率的提高还有利于控制性能的提高 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 33
本章小结 本章要点如下 : 1. 间接交流变流电路可分为电压型和电流型, 掌握他们的各种构成方式及特点 ; 2. 交直交变频器与交流电机构成变频调速系统, 重点理解恒压频比控制方法, 并了解转差频率控制 矢量控制 直接转矩控制等其他控制方法 ; 3. CVCF 变流电路主要用于 UPS, 掌握其基本构成方式 特点及主电路结构 ; 4. 间接直流变换电路中的能量转换过程为直流 交流 直流, 交流环节含有变压器 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 34
本章小结 5. 常见的间接直流变换电路可以分为单端和双端电路两大类 单端电路包括正激和反激两类 ; 双端电路包括全桥 半桥和推挽三类 每一类电路都可能有多种不同的拓扑形式或控制方法, 本章仅介绍了其中最具代表性的拓扑形式和控制方法 6. 双端电路的整流电路可以有多种形式, 本章介绍了常用的全桥和全波两种, 它们具有各自的特点和不同的应用场合 2008-5-14 上海电力学院电子技术教研室 35