第7章 组合变流电路

7.1.2 交直交变频器
功能：
变频器是利用同步电动机转速n0随电源频率变 化而变化的特性，实现电动机调速运行的装置。
产生和发展：
变频器产生于20世纪60年代。在20世纪70年代， 随着大功率晶体管、场效应晶体管的出现和性能 不断提高，使变频器的性能有了极大完善和发展。
特点：
调速范围广、平滑性较好、机械特性较硬； 可很好地实现异步电动机的无级调速；
图7-10 UPS基本结构原理图
7.1.3 恒压恒频(CVCF)电源
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。
图7-11 用柴油发电机作 为后备电源的UPS
增加旁路电源系统， 可使负载供电可靠性 进一步提高。
图7-12 具有旁路电源系统的UPS
7.1.3 恒压恒频(CVCF)电源
7.1.2 交直交变频器－控制方式
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w 1 = wr + ws ，则w 1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。 转差频率控制方式可达到较好的静态性能，
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。
7.1 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。
7.1 间接交流变流电路
7.1.3 恒压恒频(CVCF)电源
1）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。 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。
但这种方法是基于稳态模型的，得不到理想 的动态性能。
7.1.2 交直交变频器－控制方式
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。
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。
7.1.2 交直交变频器－控制方式
图7-9 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 压保，证作 压为 频定 比子 为电 恒压 定。U1的指令值。该比例决定了U/f比值，可以 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 按转设速定 都斜 平率 缓逐 地渐 升变 高化或的降斜低坡，信避号免产ugt生，冲从击而。使电动机的电压和
U o N2 ton (7-3)
Ui
N1 toff
电流断续模式：S开通前，W2
绕组中的电流已经下降到零。
输出电压高于式（7-3）的计 算值，并随负载减小而升高， 在负载为零的极限情况
下不，应U工o 作于负，载因开此路反状激态电。路
图 7-19 反激电路原理图
S ton
toff
O
t
Biblioteka Baidu
uS
Ui
t
O
图7-14 大功率UPS主电路
7.2 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，再整流 为直流电，也称为直-交-直电路。
直流
逆变
电路
交流 变压器
交流
整流 电路
脉动直流 滤波器
直流
图 7-15 间接直流变流电路的结构
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。
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。
7.1.1 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 ：
iS
t iVOD
t O 图 7-20 反激电路的理想化波形
7.2.3 半桥电路
1）工作过程
S形1成与幅S2值交为替U导i/通2的，交使流变电压压器。一改次变侧开 关的占空比，就可以改变二次侧整 流出电 电压 压uUdo的。平均值，也就改变了输
图7－3 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
7.1.1 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。 图7－4 整流和逆变均为PWM控制 输入输出电流均为正弦波， 的电压型间接交流变流电路 输入功率因数高，且可实 现电动机四象限运行。
图7-6 采用可控整流的 电流型间接交流变流电路
7.1.1 间接交流变流电路原理
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。
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7-7 电流型交-直-交PWM变频电路
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。
7.2 间接直流变流电路
7.2.1 正激电路 7.2.2 反激电路 7.2.3 半桥电路 7.2.4 全桥电路 7.2.5 推挽电路 7.2.6 全波整流和全桥整流 7.2.7 开关电源
7.2.1 正激电路
1）正激电路(Forward)的工作过程
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
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V0导通，把从负载反馈的能量 消耗在R0上。
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7－2 带有泵升电压限制电路 的电压型间接交流变流电路
可方便地进行恒转矩调速和恒功率调速；
可实现有效的节能；
7.1.2 交直交变频器－分类
根据变流环节分类： 交-直-交变频器、交-交变频器
根据储能环节分类(滤波方式) ： 电压型变频器(C) 、电流型变频器(L)
根据电压调制方式分类： 正弦脉宽调制(SPWM)变频器 脉冲幅度调制(PAM)变频器
根据输入电源的相数分类： 三进三出变频器、一进三出变频器
7.1.1 间接交流变流电路原理 7.1.2 交直交变频器 7.1.3 恒压恒频(CVCF)电源
7.1.1 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。
1）电压型间接交流 变流电路
图7-1 不能再生反馈的电压型间接交流变流电路
以S关断后承受的电压
为
uS
(1
N1 N3
)U
i
。
图 7-16 正激电路的原理图
S
O
t
uS
Ui
O
t
iL
O
t
iS
t O 图 7-17 正激电路的理想化波形
7.2.1 正激电路
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
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。
7.1.2 交直交变频器－控制方式
图7-9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图
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ugt的绝对值uabs，电压频率控制环 节根据uabs及ugt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7-7 整流和逆变均为PWM控制 的电流型间接交流变流电路
7.1.2 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。
7.1.2 交直交变频器-结构
7.1.2 交直交变频器-主电路结构
7.1.2 交直交变频器-控制电路结构
7.1.2 交直交变频器-控制电路结构
7.1.2 交直交变频器－控制方式
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。
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
trst

N1 N3
ton
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
Uo

N2 N1
Ui
B BS
BR O
H
图 7-17 磁心复位过程
7.2.2 反激电路
1）工作过程：
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；
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。
7.1.2 交直交变频器－控制方式
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。
7.1.3 恒压恒频(CVCF)电源
S关断后，W1绕组的电 流被切断，变压器中的 磁场能量通过W2绕组 和VD向输出端释放。
图 7-19 反激电路原理图
S ton
toff
O
t
uS
Ui
t
O
iS
t iVOD
t O 图 7-20 反激电路的理想化波形
7.2.2 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，
W2绕组中的电流尚未下降到 零。输出电压关系：
第7章 组合变流电路
引言 7.1 间接交流变流电路 7.2 间接直流变流电路
第7章 组合变流电路•引言
基本的变流电路
AC/DC、DC/DC、AC/AC和DC/AC四大类 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。
2）UPS主电路结构
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7-13 小容量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。
7.1.1 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。
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。
图7-5 不能再生反馈电力的 电流型间接交流变流电路