第8章 组合变流电路 主要内容：间接交流变流电路，交—直—交变频电路（VVVF），恒压恒频变流电路（CVCF），间接直流变流电路（间接DC/DC变换器），开关电源。 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，再逆变为交流，是先整流后逆变的组合。 应用： 交直交变频电路（Variable Voltage Variable Frequency—VVVF），主要用作变频器。 恒压恒频变流电路（Constant Voltage Constant Frequency—CVCF），主要用作不间断电源（Uninterruptable Power Supply——UPS）。 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 Supply——SMPS） 1 间接交流变流电路 （1）间接交流变流电路原理 a 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 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。 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。 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8-2 带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路  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  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 b 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 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 （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。 a 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。 工作原理：转速给定既作为调节加减速的频率f指令值，同时乘以适当比例作为定子电压V1的指令值。该比例决定了V/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 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。 b．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。 (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。  图8-10 UPS基本结构原理图 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。 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。 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 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），可获得较高的输入功率因数，逆变器部分使用IGBT并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UPS主电路  图8-14 大功率UPS主电路 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。 间接直流变流电路分为单端(Single End)和双端(Double End)电路两大类： 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。 （1） 正激电路 电路的工作过程： 开关S开通后，变压器绕组N1两端的电压为上正下负，与其耦合的N2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。S关断后变压器的激磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为 。 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。  图 8-16 正激电路的原理图  图 8-17 正激电路的理想化波形 变压器的磁心复位时间为：  (8-1) 输出电压： 输出滤波电感电流连续的情况下：  (8-2) 输出电感电流不连续时，输出电压Uo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， 。  图 8-18 磁心复位过程 （2） 反激电路  图 8-19 反激电路原理图  图 8-20 反激电路的理想化波形 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，VD处于断态，N1绕组的电流线性增长，电感储能增加； S关断后，N1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放。 反激电路的工作模式： 电流连续模式：当S开通时，N2绕组中的电流尚未下降到零。 输出电压关系：  (8-3) 电流断续模式：S开通前，N2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。 （3） 半桥电路  图 8-21 半桥电路原理图  图 8-22 半桥电路的理想化波形 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。 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： 当滤波电感L的电流连续时：  (8-4) 如果输出电感电流不连续，输出电压Uo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， 。 （4） 全桥电路  图 8-23 全桥电路原理图  图 8-24 全桥电路的理想化波形 工作过程： 全桥逆变电路中，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，二极管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。 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电流，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， 。 （5） 推挽电路  图 8-25 推挽电路原理图  图 8-26 推挽电路的理想化波形 工作过程： 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，改变占空比就可以改变输出电压。 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的电流也逐渐上升。 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。 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。 输出电压： 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， 。 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  全桥变压器双向激磁，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  半桥变压器双向激磁，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  推挽变压器双向激磁，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   （6） 全波整流和全桥整流  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为全波整流电路和全桥整流电路。 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）。 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。 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 同步整流电路原理图 （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。 　 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。 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。