第8章 组合变流电路

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电力电子技术
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
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( 双
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
的电压型间接交流变流电路
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图 8-19 反激电路原理图
S O uS Ui O iS ton toff t t
iVD
O t
O
t
图 8-20 反激电路的理想化波形
8.2.3 半桥电路
1)工作过程
S1与S2交替导通,使变压器一次侧 形成幅值为Ui/2的交流电压。改变开 图 8-21 关的占空比,就可以改变二次侧整 S1 ton 流电压ud的平均值,也就改变了输 O S2 出电压Uo。 O uS1 S1导通时,二极管VD1处于通态, O S2导通时,二极管VD2处于通态; uS2 当两个开关都关断时,变压器绕组 O iS1 N1中的电流为零,VD1和VD2都处于 O 通态,各分担一半的电流。 iS2 S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升, O 两个开关都关断时,电感L的电流逐 iD1 O 渐下降。S1和S2断态时承受的峰值 iS2 电压均为Ui。 O
• 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。
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8.1.3 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。
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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U1的指令值。该比例决定了U/f比值,可以保证压 频比为恒定。 在给定信号之后设臵的给定积分器,将阶跃给定信号转换为按 设定斜率逐渐变化的斜坡信号ugt,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。
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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ugt的绝对值uabs,电压频率控制环节根据uabs及ug 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。
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。
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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。
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V0导通,把从负载反馈的能量 消耗在R0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。
S O uS Ui O iS
图 8-19 反激电路原理图
ton toff t t
iVD
O t
O
t
图 8-20 反激电路的理想化波形
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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, W2绕组中的电流尚未下降到 零。输出电压关系: Uo N 2 ton (8-3) 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(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, o ,因此反激电路 U 不应工作于负载开路状态。
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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
8.1.1 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。
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图8-7 电流型交-直-交PWM变频电路
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
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。
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8.1.2 交直交变频器
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8.1.2 交直交变频器
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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。
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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。
• 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。
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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。
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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。
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
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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。 1)电压型间接交流 变流电路
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8.1.2 交直交变频器
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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。
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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臵。
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图8-13 小容量UPS主电路
图8-14 大功率UPS主电路
8.1.3 恒压恒频(CVCF)电源
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8.1.3 恒压恒频(CVCF)电源
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8.2 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 交流
电路
变压器
图8-1 不能再生反馈的电压型间接交流变流电路
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。
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8.1.1 间接交流变流电路原理
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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
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8.2.1 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;
交流
整流 电路
脉动直流
滤波器
直流
图 8-15 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。 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。
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 u (1 N1 )U 。
S
图 8-16 正激电路的原理图 S O uS Ui O iL O iS t t t
N3
i
t O 图 8-17 正激电路的理想化波形
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8.2.1 正激电路
输出电感电 流不连续时
B
BS
BR O H
输出电压
Uo
N2 Ui N1
图 8-18 磁心复位过程
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8.2.2 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; 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。
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图8-10 UPS基本结构原理图
8.1.3 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8-11 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8-12 具有旁路电源系统的UPS
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8.1.3 恒压恒频(CVCF)电源
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。
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。
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。 N1 t t 变压器的磁心复位时间为 rst N3 on
输出滤波电 感电流连续 的情况下
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雷慧杰
第8章 组合变流电路
引言 8.1 间接交流变流电路
8.2 间接直流变流电路
本章小结
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本章学习目标与要求
了解组合变流电路的概念。 理解间接交流变流电路、间接直流变流 电路的构成、特点等。
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本章重点与难点
重点、难点: 间接交流变流电路、间接直流变流电 路的构成、工作原理、特点等 。
图8-4 整流和逆变均为PWM控制
机四象限运行。
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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。 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。
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