电力电子变流技术电子教案.ppt
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1、电力电子变流技术电子教案,第八章:组合变流电路 (参考内容),第八章 组合变流电路,引 言 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 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 本章小结,组合变流电路:是将AC/DC、DC/DC、AC/AC和DC/AC四大类基本变流电路中的某几种基本的变流电路组合起来,以实现一定的新功能。 间接交流变流电路:先将交流整流为直流,再逆变为
2、交流,是先整流后逆变的组合。 应用: 交直交变频电路(Variable Voltage Variable FrequencyVVVF),主要用作变频器。 恒压恒频变流电路(Constant Voltage Constant FrequencyCVCF),主要用作不间断电源(Uninterruptable Power SupplyUPS)。 间接直流变流电路:先将直流逆变为交流,再整流为直流电,是先逆变后整流的组合。 应用:各种开关电源(Switching Mode Power SupplySMPS),引言,8.1 间接交流变流电路,间接交流变流电路主要按电压型、电流型进行分类。 间接交流变流电
3、路,其逆变部分多采用PWM控制。 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 电压型间接交流变流电路在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。,图8-1 不能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,为使电路具备再生反馈电力的能力,可采用: 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,8.1.1 间接交流变流电路原理,利用可控变流器实现再生反馈的
4、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,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,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
5、: 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8-6 采用可控整流的电流型间接交流变流电路,图8-5 不能再生反馈电力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,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。,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
6、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。,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
7、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。,8.1.2 交直交变频器,工作原理: 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,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。,图8-9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图,8.1.2 交直交变频器,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ugt,从而使电动机的电压和转速都平缓地
8、升高或降低,避免产生冲击。 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。,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ws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w1 = wr + ws,则w1随实际转速wr增加或减
9、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。,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。 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
10、,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。,8.1.3 恒压恒频(CVCF)电源,CVCF电源主要用作不间断电源(UPS)。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。 UPS基本工作原理是, 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。,图8-10 UPS基本结构原理图,8.1.3 恒压恒频(CVCF)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
11、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。 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。 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,图8-12 具有旁路电源系统的UPS,8.1.3 恒压恒频(CVCF)电源,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。,图8-13 小容量U
12、PS主电路,图8-14 大功率UPS主电路,8.1.3 恒压恒频(CVCF)电源,图8-13 小容量UPS主电路,图8-14 大功率UPS主电路,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。 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。,8.2 间接直流变流电路,逆变电路
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