8-1
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
8-2
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。
8-3
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 。
8-4
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
8-5
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
8-6
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 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。 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
8-7
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
8-8
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。
8-9
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。
8-10
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。
8-11
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 。
8-12
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。
图 8-9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图
8-13
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 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 8-9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图
8-14
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 。
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 。
8-15
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 。
8-16
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 。
8-17
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 。
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。
8-18
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。
8-19
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 。
8-20
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。
8-21
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。
8-22
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
8-23
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
uS
iL
iS
O
t
t
t
t
Ui
O
O
O
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，所以 S关断后承受的电压为 。
iS UN
Nu )1(
3
1
1）正激电路 (Forward)的工作过程
8-24
8.2.1 正激电路
BR
BS
B
HO
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 i
1
2
o UN
NU?
2）变压器的磁心复位
on
3
1
rst tN
Nt?
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
8-25
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
uS
iS
iVD
ton toff
t
t
t
t
Ui
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,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。
8-26
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：
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，,因此反激电路不应工作于负载开路状态。
o f f
on
1
2
i
o
t
t
N
N
U
U?
oU
(8-3)
图 8-20 反激电路的理想化波形
S
uS
iS
iVD
ton toff
t
t
t
t
Ui
O
O
O
O
图 8-19 反激电路原理图
8-27
8.2.3 半桥电路
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。改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压 ud的平均值，也就改变了输出电压 Uo。
S1导通时，二极管 VD1处于通态，
S2导通时，二极管 VD2处于通态 ;
当两个开关都关断时，变压器绕组
N1中的电流为零,VD1和 VD2都处于通态，各分担一半的电流。
S1或 S2导通时电感 L的电流逐渐上升，
两个开关都关断时，电感 L的电流逐渐下降。 S1和 S2断态时承受的峰值电压均为 Ui。
1） 工作过程图 8-21 半桥电路原理图
S1
S2
uS1
uS2
iS1
iS2
iD1
iS2
t
T t
t
t
t
t
t
t
ton
Ui
Ui
iL
iL
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-22 半桥电路的理想化波形
8-28
8.2.3 半桥电路
2） 数量关系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 。
图 8-21 半桥电路原理图
S1
S2
uS1
uS2
iS1
iS2
iD1
iS2
t
T t
t
t
t
t
t
t
ton
Ui
Ui
iL
iL
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-22 半桥电路的理想化波形当滤波电感 L的电流连续时：
如果输出电感电流不连续，输出电压
U0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，
T
t
N
N
U
U on
1
2
i
o?
2
i
1
2
o
U
N
NU?
(8-4)
8-29
8.2.4 全桥电路全桥电路中，互为对角的两个开关 同时 导通，同一侧半桥上下两开关 交替导通，使变压器一次侧形成幅值为 Ui
的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。
当 S1与 S4开通后,VD1和 VD4处于通态，
电感 L的电流逐渐上升；
S2与 S3开通后，二极管 VD2和 VD3处于通态，电感 L的电流也上升。
当 4个开关都关断时,4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感 L的电流逐渐下降。 S1和 S2断态时承受的峰值电压均为 Ui。
1） 工作过程图 8-23 全桥电路原理图
S1
S2
uS1
uS2
iS1
iS2
iD1
iS2
ton
T
t
t
t
t
t
t
t
t
2Ui
2Ui
iL
iL
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-24 全桥电路的理想化波形
8-30
8.2.4 全桥电路如果 S1,S4与 S2,S3的导通时间不对称，则交流电压 uT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，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。
2） 数量关系滤波电感电流连续时：
(8-5)
输出电感电流断续时,输出电压 Uo
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：
T
t
N
N
U
U on
1
2
i
o 2?
i
1
2
o UN
NU?
图 8-23 全桥电路原理图
S1
S2
uS1
uS2
iS1
iS2
iD1
iS2
ton
T
t
t
t
t
t
t
t
t
2Ui
2Ui
iL
iL
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-24 全桥电路的理想化波形
8-31
8.2.5 推挽电路图 8-25 推挽电路原理图
S1
S2
uS1
uS2
iS1
iS2
iD1
iS2
ton
T
t
t
t
t
t
t
t
t
2Ui
2Ui
iL
iL
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-26 推挽电路的理想化波形推挽电路中两个开关 S1和 S2交替导通，在绕组 N1和 N,1两端分别形成相位相反的交流电压。
S1导通时,二极管 VD1处于通态,
电感 L的电流逐渐上升 。
S2导通时,二极管 VD2处于通态,
电感 L电流也逐渐上升 。
当两个开关都关断时,VD1和 VD2
都处于通态，各分担一半的电流。
S1和 S2断态时承受的峰值电压均为
2倍 Ui。
1） 工作过程
8-32
8.2.5 推挽电路图 8-25 推挽电路原理图
S1
S2
uS1
uS2
iS1
iS2
iD1
iS2
ton
T
t
t
t
t
t
t
t
t
2Ui
2Ui
iL
iL
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-26 推挽电路的理想化波形
2） 数量关系
S1和 S2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。
滤波电感 L电流连续时：
(8-6)
输出电感电流不连续时,输出电压
Uo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
t
N
N
U
U on
1
2
i
o 2?
i
1
2
o UN
NU?
8-33
8.2.5 推挽电路电路 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 中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题 几百 W~几 kW 低输入电压的电源表 8-1 各种不同的间接直流变流电路的比较
8-34
图 8-27 全波整流电路和全桥整流电路原理图
8.2.6 全波整流和全桥整流双端电路中常用的整流电路形式为全波整流电路和全桥整流电路。
a）全波整流电路
1） 全波整流电路的特点优点：电感 L的电流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较高,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） 。
8-35
8.2.6 全波整流和全桥整流
a）全波整流电路
b）全桥整流电路
2） 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，
变压器的绕组简单。
缺点：电感 L的电流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。
图 8-27 全波整流电路和全桥整流电路原理图
8-36
8.2.6 全波整流和全桥整流
3） 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,利用低电压
MOSFET具有非常小的导通电阻的特性降低整流电路的导通损耗,进一步提高效率 。 图 8-28 同步整流电路原理
8-37
8.2.7 开关电源如果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，所构成的交－直－交－直电路，
通常被称为开关电源。
由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节，
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，此外，工作频率的提高还有利于控制性能的提高。
8-38
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；
8-39
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。
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
8-2
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。
8-3
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 。
8-4
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
8-5
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
8-6
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 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。 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
8-7
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
8-8
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。
8-9
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。
8-10
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。
8-11
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 。
8-12
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。
图 8-9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图
8-13
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 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 8-9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图
8-14
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 。
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 。
8-15
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 。
8-16
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 。
8-17
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 。
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。
8-18
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。
8-19
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 。
8-20
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。
8-21
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。
8-22
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
8-23
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
uS
iL
iS
O
t
t
t
t
Ui
O
O
O
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，所以 S关断后承受的电压为 。
iS UN
Nu )1(
3
1
1）正激电路 (Forward)的工作过程
8-24
8.2.1 正激电路
BR
BS
B
HO
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 i
1
2
o UN
NU?
2）变压器的磁心复位
on
3
1
rst tN
Nt?
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
8-25
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
uS
iS
iVD
ton toff
t
t
t
t
Ui
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,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。
8-26
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：
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，,因此反激电路不应工作于负载开路状态。
o f f
on
1
2
i
o
t
t
N
N
U
U?
oU
(8-3)
图 8-20 反激电路的理想化波形
S
uS
iS
iVD
ton toff
t
t
t
t
Ui
O
O
O
O
图 8-19 反激电路原理图
8-27
8.2.3 半桥电路
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。改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压 ud的平均值，也就改变了输出电压 Uo。
S1导通时，二极管 VD1处于通态，
S2导通时，二极管 VD2处于通态 ;
当两个开关都关断时，变压器绕组
N1中的电流为零,VD1和 VD2都处于通态，各分担一半的电流。
S1或 S2导通时电感 L的电流逐渐上升，
两个开关都关断时，电感 L的电流逐渐下降。 S1和 S2断态时承受的峰值电压均为 Ui。
1） 工作过程图 8-21 半桥电路原理图
S1
S2
uS1
uS2
iS1
iS2
iD1
iS2
t
T t
t
t
t
t
t
t
ton
Ui
Ui
iL
iL
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-22 半桥电路的理想化波形
8-28
8.2.3 半桥电路
2） 数量关系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 。
图 8-21 半桥电路原理图
S1
S2
uS1
uS2
iS1
iS2
iD1
iS2
t
T t
t
t
t
t
t
t
ton
Ui
Ui
iL
iL
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-22 半桥电路的理想化波形当滤波电感 L的电流连续时：
如果输出电感电流不连续，输出电压
U0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，
T
t
N
N
U
U on
1
2
i
o?
2
i
1
2
o
U
N
NU?
(8-4)
8-29
8.2.4 全桥电路全桥电路中，互为对角的两个开关 同时 导通，同一侧半桥上下两开关 交替导通，使变压器一次侧形成幅值为 Ui
的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。
当 S1与 S4开通后,VD1和 VD4处于通态，
电感 L的电流逐渐上升；
S2与 S3开通后，二极管 VD2和 VD3处于通态，电感 L的电流也上升。
当 4个开关都关断时,4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感 L的电流逐渐下降。 S1和 S2断态时承受的峰值电压均为 Ui。
1） 工作过程图 8-23 全桥电路原理图
S1
S2
uS1
uS2
iS1
iS2
iD1
iS2
ton
T
t
t
t
t
t
t
t
t
2Ui
2Ui
iL
iL
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-24 全桥电路的理想化波形
8-30
8.2.4 全桥电路如果 S1,S4与 S2,S3的导通时间不对称，则交流电压 uT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，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。
2） 数量关系滤波电感电流连续时：
(8-5)
输出电感电流断续时,输出电压 Uo
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：
T
t
N
N
U
U on
1
2
i
o 2?
i
1
2
o UN
NU?
图 8-23 全桥电路原理图
S1
S2
uS1
uS2
iS1
iS2
iD1
iS2
ton
T
t
t
t
t
t
t
t
t
2Ui
2Ui
iL
iL
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-24 全桥电路的理想化波形
8-31
8.2.5 推挽电路图 8-25 推挽电路原理图
S1
S2
uS1
uS2
iS1
iS2
iD1
iS2
ton
T
t
t
t
t
t
t
t
t
2Ui
2Ui
iL
iL
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-26 推挽电路的理想化波形推挽电路中两个开关 S1和 S2交替导通，在绕组 N1和 N,1两端分别形成相位相反的交流电压。
S1导通时,二极管 VD1处于通态,
电感 L的电流逐渐上升 。
S2导通时,二极管 VD2处于通态,
电感 L电流也逐渐上升 。
当两个开关都关断时,VD1和 VD2
都处于通态，各分担一半的电流。
S1和 S2断态时承受的峰值电压均为
2倍 Ui。
1） 工作过程
8-32
8.2.5 推挽电路图 8-25 推挽电路原理图
S1
S2
uS1
uS2
iS1
iS2
iD1
iS2
ton
T
t
t
t
t
t
t
t
t
2Ui
2Ui
iL
iL
O
O
O
O
O
O
O
O
图 8-26 推挽电路的理想化波形
2） 数量关系
S1和 S2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。
滤波电感 L电流连续时：
(8-6)
输出电感电流不连续时,输出电压
Uo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
t
N
N
U
U on
1
2
i
o 2?
i
1
2
o UN
NU?
8-33
8.2.5 推挽电路电路 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 中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题 几百 W~几 kW 低输入电压的电源表 8-1 各种不同的间接直流变流电路的比较
8-34
图 8-27 全波整流电路和全桥整流电路原理图
8.2.6 全波整流和全桥整流双端电路中常用的整流电路形式为全波整流电路和全桥整流电路。
a）全波整流电路
1） 全波整流电路的特点优点：电感 L的电流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较高,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） 。
8-35
8.2.6 全波整流和全桥整流
a）全波整流电路
b）全桥整流电路
2） 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，
变压器的绕组简单。
缺点：电感 L的电流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。
图 8-27 全波整流电路和全桥整流电路原理图
8-36
8.2.6 全波整流和全桥整流
3） 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,利用低电压
MOSFET具有非常小的导通电阻的特性降低整流电路的导通损耗,进一步提高效率 。 图 8-28 同步整流电路原理
8-37
8.2.7 开关电源如果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，所构成的交－直－交－直电路，
通常被称为开关电源。
由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节，
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，此外，工作频率的提高还有利于控制性能的提高。
8-38
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；
8-39
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。
