第八電力電子裝置學習教案

1、會計學1第八第八(d b) 電力電子裝置電力電子裝置第一頁，共61頁。1 1、線性穩(wěn)壓電源：、線性穩(wěn)壓電源：優(yōu)點優(yōu)點(yudin)：優(yōu)良的紋波及動態(tài)響應特性；：優(yōu)良的紋波及動態(tài)響應特性；缺點：（缺點：（1）輸入采用）輸入采用50Hz工頻變壓器，體積龐大；工頻變壓器，體積龐大； （2）電壓調整器件）電壓調整器件(qjin)工作在線性放大區(qū)內工作在線性放大區(qū)內,損耗大損耗大,效率低；效率低； （3） 過載能力差。過載能力差。圖線性穩(wěn)壓電源方框圖圖線性穩(wěn)壓電源方框圖 開關電源的工作開關電源的工作(gngzu)原理原理第1頁/共61頁第二頁，共61頁。2 2、開關電源、開關電源：圖開關電源原理圖開關電

2、源原理(yunl)(yunl)框圖框圖工作工作(gngzu)原理：原理：開關電源的工作原理開關電源的工作原理第2頁/共61頁第三頁，共61頁。圖開關電源原理圖開關電源原理(yunl)框框圖圖開關開關(kigun)管占空比定義為：管占空比定義為：D=Ton/Ts； 其中其中Ts為開關管的開關周期為開關管的開關周期(zhuq),Ton為一個周期為一個周期(zhuq)內導內導通用時間通用時間 。 兩種改變占空比的控制方式兩種改變占空比的控制方式 ：1）脈沖寬度調制控制）脈沖寬度調制控制(PWM)開關電源的工作原理開關電源的工作原理2 2、開關電源、開關電源：2）脈沖頻率調制控制）脈沖頻率調制控制(P

3、FM)第3頁/共61頁第四頁，共61頁。圖控制圖控制(kngzh)方式方式 l 1） 脈沖寬度控制：脈沖寬度控制：l 保持開關頻率保持開關頻率(開關周期開關周期(zhuq)Ts)不變，通過不變，通過改變改變Ton來改變來改變l占空比占空比 D，從而達到改變輸出電壓的目的。，從而達到改變輸出電壓的目的。 p 如果占空比D越大，則經(jīng)濾波(lb)p 后的輸出電壓也就越高。 l保持導通時間保持導通時間Ton不變，通過改變開關頻率不變，通過改變開關頻率(即開關周期即開關周期)而達到改變占空比的目的。而達到改變占空比的目的。 p 工作頻率不固定，造成濾波器設計困難。工作頻率不固定，造成濾波器設計困難。 開

4、關電源的工作原理開關電源的工作原理 2）脈沖頻率控制：）脈沖頻率控制：第4頁/共61頁第五頁，共61頁。（1）功耗）功耗(n ho)小、效率高。小、效率高。 （2）體積小、重量輕。）體積小、重量輕。 （3）穩(wěn)壓）穩(wěn)壓(wn y)范圍寬。范圍寬。 （4）電路形式靈活多樣。）電路形式靈活多樣。 主要是存在開關噪聲干擾。主要是存在開關噪聲干擾。 開關電源的工作原理開關電源的工作原理第5頁/共61頁第六頁，共61頁。開關電源的應用開關電源的應用(yngyng) 圖直流操作電源圖直流操作電源(dinyun)電路原理圖電路原理圖 主電路采用半橋變換電路，額定輸出直流電壓為主電路采用半橋變換電路，額定輸出直

5、流電壓為220V，輸出電流為，輸出電流為10A。 第6頁/共61頁第七頁，共61頁。 2、各功能塊的具體電路、各功能塊的具體電路(dinl)簡介：簡介： (1) 交流交流(jioli)進線濾波器進線濾波器圖交流圖交流(jioli)進線進線EMI濾波濾波器器 該濾波器能同時抑制共模和差模干擾信號。該濾波器能同時抑制共模和差模干擾信號。 電路結構：電路結構： Cc1、Lc和和Cc2構成的低通濾波器用來抑制共模干擾信號，其中構成的低通濾波器用來抑制共模干擾信號，其中Lc稱為共模電感，其兩組線圈匝數(shù)相等，但繞向相反，對差模信號的阻抗為零，而對稱為共模電感，其兩組線圈匝數(shù)相等，但繞向相反，對差模信號的阻

6、抗為零，而對共模信號產生很大的阻抗。共模信號產生很大的阻抗。 Cd1、Ld和和Cd2構成的低通濾波器構成的低通濾波器則用來抑制差模干擾信號。則用來抑制差模干擾信號。開關電源的應用開關電源的應用 作用：作用：防止開關電源產生的噪聲進入電網(wǎng)，或者防止電網(wǎng)的噪聲進入開關電源內部，干擾開關電源的正常工作。防止開關電源產生的噪聲進入電網(wǎng)，或者防止電網(wǎng)的噪聲進入開關電源內部，干擾開關電源的正常工作。 第7頁/共61頁第八頁，共61頁。 (2) 啟動啟動(qdng)浪涌電流抑制電路浪涌電流抑制電路 小功率電源：在整流橋的直流側和濾波電容之間串聯(lián)具有負溫度系數(shù)(xsh)的熱敏電阻。 大功率電路：將上述(shn

7、gsh)熱敏電阻換成普通電阻，同時在電阻的兩端并接晶閘管開關。(3) 輸出整流電路輸出整流電路 小功率電源通常采用半波整流電路，而對于大功率電源則采用全波或橋式整流電路。小功率電源通常采用半波整流電路，而對于大功率電源則采用全波或橋式整流電路。 開關電源的應用開關電源的應用 啟動浪涌電流抑制電啟動浪涌電流抑制電路路限流電阻限流電阻啟動浪涌電流抑制電路啟動浪涌電流抑制電路 輸出整流電路輸出整流電路 半波整流半波整流第8頁/共61頁第九頁，共61頁。PWM控制器控制器SG3525引腳說明引腳說明(shumng)開關電源的應用開關電源的應用(yngyng) 圖的內部結構圖的內部結構 腳：誤差放大器反

8、相輸入端；腳：誤差放大器反相輸入端；腳：同步信號輸入端，同步脈沖的頻率應比振蕩腳：同步信號輸入端，同步脈沖的頻率應比振蕩器頻率器頻率fS要低一些；要低一些；腳：振蕩器輸出；腳：振蕩器輸出；腳：振蕩器外接定時電阻腳：振蕩器外接定時電阻RT端，端， RT值為值為2k150k；腳：振蕩器外接電容腳：振蕩器外接電容CT端，振蕩器頻率為端，振蕩器頻率為fS 1/CT(0.7RT+3R0);其中其中R0為腳與腳之間跨接的為腳與腳之間跨接的電阻，用來調節(jié)死區(qū)時間，定時電容范圍為電阻，用來調節(jié)死區(qū)時間，定時電容范圍為0.001F0.1F；腳：振蕩器放電端，外接電阻來控制死區(qū)時間，腳：振蕩器放電端，外接電阻來控

9、制死區(qū)時間，電阻范圍為電阻范圍為0500； 腳：軟起動端，外接軟起動電容，該電容由內部腳：軟起動端，外接軟起動電容，該電容由內部Uref的的50A恒流源充電。恒流源充電。腳：誤差放大器的輸出端；腳：誤差放大器的輸出端；腳：腳：PWM信號封鎖端，該腳為高電平時，信號封鎖端，該腳為高電平時， 輸出驅動脈沖信號被封鎖輸出驅動脈沖信號被封鎖,用于故障用于故障(gzhng)保護；保護；腳：腳：A路驅動信號輸出；路驅動信號輸出； 腳：接地腳：接地;腳：輸出級集電極電壓；腳：輸出級集電極電壓；腳：腳：B路驅動信號輸出；路驅動信號輸出；腳：電源，其范圍因為腳：電源，其范圍因為8V35V；腳：內部腳：內部+5V

10、基準電壓輸出?；鶞孰妷狠敵?。腳：誤差放大器同相輸入端；腳：誤差放大器同相輸入端；第9頁/共61頁第十頁，共61頁。(4) 控制電路（控制電路（SG3525） 該開關電源采用雙環(huán)控制方式，電壓環(huán)為外環(huán)控制，電流環(huán)為內環(huán)控制。輸出電壓的反饋信號UOF與電壓給定信號UOG相減，其誤差信號經(jīng)PI調節(jié)器后形成輸出電感的電流給定，再與電感電流的反饋信號IOF相減得電流誤差信號，經(jīng)PI調節(jié)器后送入PWM控制器SG3525，然后與控制器內部三角波比較形成PWM信號。該PWM信號再通過(tnggu)驅動電路去驅動主電路IGBT。 (5) IGBT驅動驅動(q dn)電路電路 該驅動模塊為混合集成電路，將IGBT

11、的驅動和過流保護集于一體，能驅動電壓為600V和1200V系列(xli)電流容量不大于400AIGBT。 圖驅動電路圖驅動電路開關電源的應用開關電源的應用 第10頁/共61頁第十一頁，共61頁。第11頁/共61頁第十二頁，共61頁。8.有源功率因數(shù)有源功率因數(shù)(n l yn sh)校正校正 電網(wǎng)諧波電流(dinli)不僅引起變壓器和供電線路過熱，降低電器的額定值，并且產生電磁干擾，影響其他電子設備正常運行。 1、采用無源校正、采用無源校正(jiozhng)抑制諧波抑制諧波: 2）電網(wǎng)阻抗或頻率發(fā)生變化時，濾波效果不能保證，動態(tài)特性差。）電網(wǎng)阻抗或頻率發(fā)生變化時，濾波效果不能保證，動態(tài)特性差。

12、3）可能會與電網(wǎng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振，將諧波電流放大，從而導致系統(tǒng)無法正常工作。）可能會與電網(wǎng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振，將諧波電流放大，從而導致系統(tǒng)無法正常工作。4）LC濾波器體積龐大。濾波器體積龐大。特點：特點： 1 1）方法簡單可靠，并且在穩(wěn)態(tài)條件下不產生電磁干擾。）方法簡單可靠，并且在穩(wěn)態(tài)條件下不產生電磁干擾。( (在主電路中串入無源在主電路中串入無源LC濾波器濾波器) )第12頁/共61頁第十三頁，共61頁。8.有源功率因數(shù)有源功率因數(shù)(n l yn sh)校正校正 與無源校正抑制諧波的區(qū)別與無源校正抑制諧波的區(qū)別(qbi)： 能進一步抑制裝置的低次諧波，提高裝置的功率因數(shù)。能進一步抑制裝置的低次

13、諧波，提高裝置的功率因數(shù)。與一般的開關電源的區(qū)別與一般的開關電源的區(qū)別(qbi)： （1） PFC電路不僅反饋輸出電壓，還反饋輸入平均電流；電路不僅反饋輸出電壓，還反饋輸入平均電流； （2） PFC電路的電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號的乘積。電路的電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號的乘積。1）特點）特點(tdin)：2、有源功率因數(shù)校正電路（、有源功率因數(shù)校正電路（PFC）2）工作原理）工作原理： 有源功率因數(shù)校正技術有源功率因數(shù)校正技術(Actite Power Filter Correction ，簡稱簡稱APFC或或PFC)就是在傳統(tǒng)的整流電路中加

14、入有源開關，就是在傳統(tǒng)的整流電路中加入有源開關，通過控制有源開關的通斷來強迫輸入電流跟隨輸入電壓的通過控制有源開關的通斷來強迫輸入電流跟隨輸入電壓的變化，從而獲得接近正弦波的輸入電流和接近變化，從而獲得接近正弦波的輸入電流和接近1的功率因數(shù)。的功率因數(shù)。 第13頁/共61頁第十四頁，共61頁。8.1PFC技術的工作技術的工作(gngzu)原理原理 圖圖PFC電路電路(dinl) 主電路由單相橋式整流電路和主電路由單相橋式整流電路和Boost 變換電路組成變換電路組成(z chn)，虛線框內為控制電路，包含電壓誤差放大器，虛線框內為控制電路，包含電壓誤差放大器VA及基準電壓及基準電壓Ur，乘法器

15、，電流誤差放大器，乘法器，電流誤差放大器CA，脈寬調制器和驅動電路。，脈寬調制器和驅動電路。 輸出電壓輸出電壓Uo和基準電壓和基準電壓Ur比較后，誤差信號經(jīng)電壓誤差放大器比較后，誤差信號經(jīng)電壓誤差放大器VA以后送入乘法器以后送入乘法器M，與全波整流電壓取樣信號相乘以后形成基準電流信號?；鶞孰娏餍盘柵c電流反饋信號相減，誤差信號經(jīng)電流誤差放大器，與全波整流電壓取樣信號相乘以后形成基準電流信號?；鶞孰娏餍盘柵c電流反饋信號相減，誤差信號經(jīng)電流誤差放大器CA后再與鋸齒波相比較形成后再與鋸齒波相比較形成PWM信號，然后經(jīng)驅動電路控制主電路開關信號，然后經(jīng)驅動電路控制主電路開關S的通斷，使電流跟蹤基準電流信

16、號變化。的通斷，使電流跟蹤基準電流信號變化。 工作原理：工作原理：第14頁/共61頁第十五頁，共61頁。8.2PFC集成集成(j chn)控制電路控制電路UC3854及其應用及其應用 圖內部結構框圖圖內部結構框圖(kungt) UC3854包含(bohn)電壓放大器VA，模擬乘法/除法器M，電流放大器CA，固定頻率PWM脈寬調制器，功率MOSFET的門極驅動電路，7.5V基準電壓等 。第15頁/共61頁第十六頁，共61頁。8.2 圖輸出功率為圖輸出功率為250W時時由由UC3854構成構成(guchng)的的PFC電路原電路原理圖理圖 控制芯片UC3854適用的功率范圍比較寬，5KW以下的單相

17、(dn xin)boost-PFC電路均可以采用該芯片作為控制器。 輸出功率不同時(tngsh)，只需改變主電路中的電感L1和電流檢測電阻RS、控制電路中的電流控制環(huán)參數(shù)。 輸出電壓輸出電壓Uo由下式確定：由下式確定：V5 . 7221RRRUOPFC集成控制電路集成控制電路UC3854及其應用及其應用 第16頁/共61頁第十七頁，共61頁。第17頁/共61頁第十八頁，共61頁。8.3不間斷電源不間斷電源(dinyun) Uninterrupitable Power System, Uninterrupitable Power System, 簡稱簡稱(jinchng)UPS(jinchng)

18、UPS UPS電源裝置在保證不間斷供電的同時，還能提供穩(wěn)壓電源裝置在保證不間斷供電的同時，還能提供穩(wěn)壓(wn y)、穩(wěn)頻和波形失真度極小的高質量正弦波電源。、穩(wěn)頻和波形失真度極小的高質量正弦波電源。 目前，在計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)、郵電通信、銀行證劵、電力系統(tǒng)、工業(yè)控制、醫(yī)療、交通、航空等領域得到廣泛應用。目前，在計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)、郵電通信、銀行證劵、電力系統(tǒng)、工業(yè)控制、醫(yī)療、交通、航空等領域得到廣泛應用。不間斷電源：不間斷電源：第18頁/共61頁第十九頁，共61頁。UPS的分類的分類(fn li) l 1、后備式、后備式UPS 根據(jù)根據(jù)(gnj)工作方式，工作方式，UPS電源分電源分 ：圖后備式圖后備

19、式UPS的基本的基本(jbn)結結構構 市電存在時，逆變器不工作，市電經(jīng)交流穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，向負載供電，同時充電器工作，對蓄電池組浮充電。市電存在時，逆變器不工作，市電經(jīng)交流穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，向負載供電，同時充電器工作，對蓄電池組浮充電。 市電掉電時，逆變器工作，將蓄電池供給的直流電壓變換成穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的交流電壓，繼續(xù)向負載供電。市電掉電時，逆變器工作，將蓄電池供給的直流電壓變換成穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的交流電壓，繼續(xù)向負載供電。 輸出電壓波形有輸出電壓波形有方波方波、準方波準方波和和正弦波正弦波三種方式。三種方式。 特點：特點：結構簡單、成本低、運行效率高、價格便宜，但其輸出電壓穩(wěn)壓精度差，市電掉電時，輸出有轉

20、換時間。適于小功率。結構簡單、成本低、運行效率高、價格便宜，但其輸出電壓穩(wěn)壓精度差，市電掉電時，輸出有轉換時間。適于小功率。 第19頁/共61頁第二十頁，共61頁。l 2、線式、線式UPS 圖在線圖在線(zi xin)式式UPS的基本結構的基本結構 正常工作時，市電經(jīng)整流器變成直流后，再經(jīng)逆變器變換成穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的正弦波交流電壓供給(gngj)負載。 當市電掉電時，由蓄電池組向逆變器供電，以保證負載不間斷供電。 如果(rgu)逆變器發(fā)生故障，UPS則通過靜態(tài)開關切換到旁路，直接由市電供電。當故障消失后，UPS又重新切換到由逆變器向負載供電。 特點：特點：總是處于穩(wěn)壓、穩(wěn)頻供電狀態(tài)，輸出電壓動態(tài)響

21、應特性好，波形畸變小，其供電質量明顯優(yōu)于后備式總是處于穩(wěn)壓、穩(wěn)頻供電狀態(tài)，輸出電壓動態(tài)響應特性好，波形畸變小，其供電質量明顯優(yōu)于后備式UPS。UPS的分類的分類 第20頁/共61頁第二十一頁，共61頁。UPS電源電源(dinyun)中的整流器中的整流器 1）對于小功率UPS，整流器一般采用二極管整流電路，它的作用是向逆變器提供直流電源。蓄電池充電由專門(zhunmn)的充電器來完成。 2）對于中大功率UPS，整流器一般(ybn)采用相控式整流電路,它具有雙重功能，在向逆變器提供直流電源的同時，還要向蓄電池進行充電， 因此，整流器的輸出電壓必須是可控的。 l 3）減少減少UPS注入電網(wǎng)的諧波電流

22、的方法：注入電網(wǎng)的諧波電流的方法： （1）增加整流電路的相數(shù)）增加整流電路的相數(shù) ； （2）在整流器的輸入側增加有源或無源濾波器）在整流器的輸入側增加有源或無源濾波器 。l 4）目前，比較先進的目前，比較先進的UPS采用采用PWM整流電路，可以做到注入電網(wǎng)的電流基本接近正弦波，使其功率因數(shù)接近整流電路，可以做到注入電網(wǎng)的電流基本接近正弦波，使其功率因數(shù)接近1，大大降低了，大大降低了UPS對電網(wǎng)的諧波污染。對電網(wǎng)的諧波污染。 概述：概述：第21頁/共61頁第二十二頁，共61頁。 工作工作(gngzu)原原理理PWM整流整流(zhngli)電路電路 圖單相圖單相PWM整流電路整流電路(dinl)的

23、原理框圖的原理框圖 在在PWM整流電路的交流輸入端整流電路的交流輸入端AB產生一個正弦波調制產生一個正弦波調制PWM波波uAB，uAB中中除了含有與電源同頻率的基波分量外，還含有與開關頻率有關的高次諧波除了含有與電源同頻率的基波分量外，還含有與開關頻率有關的高次諧波。由于電感。由于電感Ls的濾波作用，這些高次諧波電壓只會使交流電流的濾波作用，這些高次諧波電壓只會使交流電流is產生很小的脈產生很小的脈動。如果忽略這種脈動，動。如果忽略這種脈動，is為頻率與電源頻率相同的正弦波。在交流電為頻率與電源頻率相同的正弦波。在交流電源電壓源電壓us一定時，一定時，is的幅值和相位由的幅值和相位由uAB中基

24、波分量的幅值及其與中基波分量的幅值及其與us的相位差的相位差決定。改變決定。改變uAB中基波分量的幅值和相位，就可以使中基波分量的幅值和相位，就可以使is與與us同相位，電路同相位，電路工作在整流狀態(tài)，且功率因數(shù)為工作在整流狀態(tài)，且功率因數(shù)為1。 第22頁/共61頁第二十三頁，共61頁。7.2 直流輸出(shch)電壓給定信號Ud*和實際的直流 電壓Ud比較后送入PI調節(jié)器，PI調節(jié)器的輸出(shch)即為整流器交流輸入電流的幅值，它與標準正弦波相乘后形成交流輸入電流的給定信號is*，is*與實際的交流輸入電流is進行比較，誤差信號經(jīng)比例調節(jié)器放大后送入比較器，再與三角載波信號比較形成PWM信

25、號。 該PWM信號經(jīng)驅動電路后去驅動主電路開關器件，便可使實際的交流輸入電流跟蹤指令值，從而達到控制輸出(shch)電壓的目的。 圖直接電流圖直接電流(dinli)控制系統(tǒng)結構圖控制系統(tǒng)結構圖 PWM整流整流(zhngli)電路電路 單相單相PWM整流電路采用直接電流控制時的控制系統(tǒng)結構簡圖整流電路采用直接電流控制時的控制系統(tǒng)結構簡圖 第23頁/共61頁第二十四頁，共61頁。 UPS電源電源(dinyun)中的逆變器中的逆變器 通常(tngchng)采用輸出電壓諧波系數(shù)HF來恒量UPS輸出電壓的波形質量的好壞。電壓諧波系數(shù)定義為： 式中： U1為輸出電壓基波分量的有效值， Un為諧波分量的有效

26、值。%1001UUHFn 正弦波輸出UPS通常采用SPWM逆變器。下面以單相輸出UPS為例，分析逆變器的工作(gngzu)原理。 HF越小，則說明越小，則說明UPS輸出電壓波形越接近理想的正弦波。輸出電壓波形越接近理想的正弦波。第24頁/共61頁第二十五頁，共61頁。圖逆變器及其控制原理圖逆變器及其控制原理(yunl)(yunl)框圖框圖 主電路采用全橋逆變電路，對于主電路采用全橋逆變電路，對于(duy)(duy)小功率小功率UPSUPS，開關器件一，開關器件一般為般為MOSFETMOSFET，而對于，而對于(duy)(duy)大功率大功率UPSUPS，則采用，則采用IGBTIGBT。為濾去開

27、關頻。為濾去開關頻率噪聲，輸出采用率噪聲，輸出采用LCLC濾波電路，因為開關頻率一般大于濾波電路，因為開關頻率一般大于20kHz20kHz，因此，因此，采用較小的，采用較小的LCLC濾波器。輸出隔離變壓器實現(xiàn)逆變器與負載隔離，避濾波器。輸出隔離變壓器實現(xiàn)逆變器與負載隔離，避免它們之間電的直接聯(lián)系，從而減少干擾。免它們之間電的直接聯(lián)系，從而減少干擾。 UPS電源電源(dinyun)中的逆變器中的逆變器 1 1、電路結構：、電路結構：第25頁/共61頁第二十六頁，共61頁。圖逆變器及其控制原理圖逆變器及其控制原理(yunl)(yunl)框圖框圖 市電市電us經(jīng)同步鎖相電路得到與市電同步的經(jīng)同步鎖相

28、電路得到與市電同步的50Hz方波，將其輸入標準正弦波發(fā)生方波，將其輸入標準正弦波發(fā)生器，便產生器，便產生(chnshng)與市電同步的標準正弦波信號。該信號與輸出有效值調節(jié)器與市電同步的標準正弦波信號。該信號與輸出有效值調節(jié)器的輸出相乘后得到輸出電壓瞬時值給定信號的輸出相乘后得到輸出電壓瞬時值給定信號u*，再與輸出電壓瞬時值反饋信號，再與輸出電壓瞬時值反饋信號uf相減相減，誤差信號經(jīng)，誤差信號經(jīng)P調節(jié)器后，再與三角載波信號相比較，得到調節(jié)器后，再與三角載波信號相比較，得到PWM信號，該信號經(jīng)驅動信號，該信號經(jīng)驅動動電路后分別去驅動主電路的開關器件，從而達到控制輸出電壓的目的。動電路后分別去驅動

29、主電路的開關器件，從而達到控制輸出電壓的目的。 UPS電源電源(dinyun)中的逆變器中的逆變器 2 2、工作原理、工作原理：第26頁/共61頁第二十七頁，共61頁。UPS的靜態(tài)的靜態(tài)(jngti)開關開關 為了進一步提高UPS電源的可靠性，在線式UPS均裝有靜態(tài)開關，將市電作為UPS的后備電源，在UPS發(fā)生故障或維護檢修時，無間斷地將負載切換(qi hun)到市電上，由市電直接供電。圖單相輸出圖單相輸出(shch)UPS(shch)UPS的的 靜態(tài)開關原理圖靜態(tài)開關原理圖 1 1）同步切換：先通后斷；）同步切換：先通后斷； 2 2）非同步切換）非同步切換 ：先斷后通先斷后通 ；1 1、工作

30、原理、工作原理：一只晶閘管用于通過正半周電流，另一只晶閘管則用于通過負半周電流。一只晶閘管用于通過正半周電流，另一只晶閘管則用于通過負半周電流。2 2、電路結構：、電路結構：3 3、靜態(tài)開關的切換方式：、靜態(tài)開關的切換方式： 靜態(tài)開關的主電路一般由兩只晶閘管開關反并聯(lián)組成，靜態(tài)開關的主電路一般由兩只晶閘管開關反并聯(lián)組成，第27頁/共61頁第二十八頁，共61頁。UPS的靜態(tài)的靜態(tài)(jngti)開關開關 圖單相輸出圖單相輸出(shch)UPS(shch)UPS的靜態(tài)開關原的靜態(tài)開關原理圖理圖 切換時，首先觸發(fā)靜態(tài)開關切換時，首先觸發(fā)靜態(tài)開關2，使之導通，然后再封鎖靜態(tài)開關，使之導通，然后再封鎖靜態(tài)

31、開關1的觸發(fā)脈沖，的觸發(fā)脈沖，因此因此(ync)，靜態(tài)開關，靜態(tài)開關1和靜態(tài)開關和靜態(tài)開關2同時導通，此時，市電和逆變器同時向負載供同時導通，此時，市電和逆變器同時向負載供電。電。3 3、靜態(tài)開關的切換方式：、靜態(tài)開關的切換方式：1 1）同步切換：先通后斷）同步切換：先通后斷 （1）能保證在切換的過程中供電不間斷。）能保證在切換的過程中供電不間斷。 （2）在切換的過程中，逆變器必須跟蹤市電的頻率、相位和幅值。防止產生環(huán)流，燒壞逆變器。）在切換的過程中，逆變器必須跟蹤市電的頻率、相位和幅值。防止產生環(huán)流，燒壞逆變器。工作原理：工作原理：特特 點：點：第28頁/共61頁第二十九頁，共61頁。UPS

32、的靜態(tài)的靜態(tài)(jngti)開關開關 圖單相圖單相(dn xin)(dn xin)輸出輸出UPSUPS的靜態(tài)開關原的靜態(tài)開關原理圖理圖 先封鎖正在導通的靜態(tài)開關觸發(fā)脈沖，延遲一段時間，待導通的靜態(tài)開關關斷后先封鎖正在導通的靜態(tài)開關觸發(fā)脈沖，延遲一段時間，待導通的靜態(tài)開關關斷后(dun hu)(dun hu)，再觸發(fā)另外一路靜態(tài)開關。，再觸發(fā)另外一路靜態(tài)開關。 3 3、靜態(tài)開關的切換方式：、靜態(tài)開關的切換方式： 2 2）非同步切換）非同步切換 ：先斷后通：先斷后通 會造成負載短時間斷電。會造成負載短時間斷電。 工作原理：工作原理：特特 點：點：第29頁/共61頁第三十頁，共61頁。第30頁/共61

33、頁第三十一頁，共61頁。8.4 靜止無功補償靜止無功補償(bchng)裝置裝置根椐所采用的電力電子器件，靜止無功根椐所采用的電力電子器件，靜止無功(w n)補償裝置分為兩補償裝置分為兩大類型：大類型： 1、采用晶閘管開關的靜止無功、采用晶閘管開關的靜止無功(w n)補償裝置：補償裝置： 1）晶閘管控制電抗器（）晶閘管控制電抗器（ Thyristor Controlled Reactor TCR） 2）晶閘管投切電容器（）晶閘管投切電容器（Thyristor SwitchedCapacitor TSC） 2、采用自換相變流器的靜止無功、采用自換相變流器的靜止無功(w n)補償裝置：補償裝置： 也

34、即（靜止無功也即（靜止無功(w n)發(fā)生器（發(fā)生器（Static Var GeneratorSVG）或高級靜）或高級靜 止無功止無功(w n)補償裝置（補償裝置（AdTanced Static Var CompensatorASVC）。）。 1、組成：由電力電子器件與儲能元件構成。、組成：由電力電子器件與儲能元件構成。2、特點：在于能快速調節(jié)容性和感性無功功率，實現(xiàn)動態(tài)補償。、特點：在于能快速調節(jié)容性和感性無功功率，實現(xiàn)動態(tài)補償。3、應用：常用于防止、應用：常用于防止(fngzh)電網(wǎng)中部分沖擊性負荷引起的電壓電網(wǎng)中部分沖擊性負荷引起的電壓波動干擾、重負荷突然投切造成的無功功率強烈變化。波動干

35、擾、重負荷突然投切造成的無功功率強烈變化。（Static Var CompensatorSVC）第31頁/共61頁第三十二頁，共61頁。晶閘管控制晶閘管控制(kngzh)電抗電抗器器(TCR) 圖的基本原理圖圖的基本原理圖 其單相基本結構其單相基本結構(jigu)是兩個反并聯(lián)的晶閘管與一是兩個反并聯(lián)的晶閘管與一個電抗器串聯(lián)，這樣的電路并聯(lián)到電網(wǎng)上，就相當于電感個電抗器串聯(lián)，這樣的電路并聯(lián)到電網(wǎng)上，就相當于電感負載的交流調壓電路結構負載的交流調壓電路結構(jigu)。 其工作原理和不同觸發(fā)角時的工作波形與交流調壓其工作原理和不同觸發(fā)角時的工作波形與交流調壓電路完全相同。電路完全相同。第32頁/共

36、61頁第三十三頁，共61頁。晶閘管投切電容器晶閘管投切電容器(TSC)圖單相機構圖單相機構(jgu)(jgu)及其控制系統(tǒng)原理圖及其控制系統(tǒng)原理圖 工作時，工作時，TSCTSC與電網(wǎng)并聯(lián)，當控制電路檢測到電網(wǎng)需要無功補償時，觸發(fā)晶閘管靜態(tài)開關并使之導通，這樣，便將電容器接入電網(wǎng)，進行無功補償；當電網(wǎng)不需要無功補償時，關斷晶閘管靜態(tài)開關，從而切斷與電網(wǎng)并聯(lián)，當控制電路檢測到電網(wǎng)需要無功補償時，觸發(fā)晶閘管靜態(tài)開關并使之導通，這樣，便將電容器接入電網(wǎng)，進行無功補償；當電網(wǎng)不需要無功補償時，關斷晶閘管靜態(tài)開關，從而切斷(qi dun)(qi dun)電容器與電網(wǎng)的聯(lián)接。電容器與電網(wǎng)的聯(lián)接。 因此，因此

37、，TSCTSC實際上就是斷續(xù)可調的吸收容性無功功率的動態(tài)無功補償裝置。實際上就是斷續(xù)可調的吸收容性無功功率的動態(tài)無功補償裝置。 TSC由兩個反并聯(lián)的晶閘管構成的靜態(tài)開關與電容器串聯(lián)組成。由兩個反并聯(lián)的晶閘管構成的靜態(tài)開關與電容器串聯(lián)組成。第33頁/共61頁第三十四頁，共61頁。晶閘管投切電容器晶閘管投切電容器(TSC) 一般將電容器分成幾組，每組均可由晶閘管投切，如圖所示。電容器分組通常采用二進制方案，即采用n-1個電容值為C的電容和一個(y )電容值為C/2的電容，這樣的分組可以使組合成的電容值有2n級。 圖圖8. 4. 3 TSC8. 4. 3 TSC主主電路電路(dinl) (dinl)

38、 2、零電壓投入問題、零電壓投入問題 為使補償電容器的投入與切除過程不引發(fā)主電路的涌流沖擊，必須選擇準備投入的電容器上的電壓為電網(wǎng)線電壓的正或負峰值且電壓極性相同的時刻，切除時只要撤消觸發(fā)信號即可，開關在電流過零之后會自行關斷。為使補償電容器的投入與切除過程不引發(fā)主電路的涌流沖擊，必須選擇準備投入的電容器上的電壓為電網(wǎng)線電壓的正或負峰值且電壓極性相同的時刻，切除時只要撤消觸發(fā)信號即可，開關在電流過零之后會自行關斷。圖晶閘管電壓過圖晶閘管電壓過 零觸發(fā)電路示意圖零觸發(fā)電路示意圖 第34頁/共61頁第三十五頁，共61頁。晶閘管投切電容器晶閘管投切電容器(TSC)在圖中設節(jié)點在圖中設節(jié)點(ji di

39、n)(ji din)相電壓相電壓為：為： tUtupsin2)(圖節(jié)點圖節(jié)點(ji din)相電壓與負載電流相電壓與負載電流 負載電流為：負載電流為： )()(cossin2sincos2)(tititItItiqpL 上式中，上式中，ip(t)和和iq(t)分別為有功電流分量和無功電流分量。分別為有功電流分量和無功電流分量。 當當t=2k時：時：QMLIIkisin2)2( 可見，只要測量在相電壓正向過零時刻的負載電流，就可知對應的無功電可見，只要測量在相電壓正向過零時刻的負載電流，就可知對應的無功電流最大值流最大值IQM。這種無功電流檢測方法簡單、快速（在一個周期內只要。這種無功電流檢測方

40、法簡單、快速（在一個周期內只要采樣一次）。采樣一次）。（1）以無功電流為投切判據(jù)）以無功電流為投切判據(jù)第35頁/共61頁第三十六頁，共61頁。（1）以無功）以無功(w n)電流為投切電流為投切判據(jù)判據(jù)晶閘管投切電容器晶閘管投切電容器(TSC)tUCdtduCipccos2tItIiQMqcoscossin2UICQM2 上式上式C即為全補償即為全補償(bchng)所需投切的電容量，所需投切的電容量，C為負值，則是切除相應容量的電容器；反之，則應投入相應容量的電容器。為負值，則是切除相應容量的電容器；反之，則應投入相應容量的電容器。 圖中，電壓(diny)信號經(jīng)濾波后由過零脈沖發(fā)生電路產生相電壓

41、(diny)，正向過零脈沖信號，作為采樣保持器的采樣開關信號，于是采樣保持器的輸出就是無功電流幅值。 圖中，iL=ic+is ，如果使iq=ic ，則實現(xiàn)了完全補償。圖無功電流為投切圖無功電流為投切 判據(jù)的檢測電路原理圖判據(jù)的檢測電路原理圖 由由和和可得可得第36頁/共61頁第三十七頁，共61頁。晶閘管投切電容器晶閘管投切電容器(TSC) 可讓單片機通過/轉換同時對和信號在一個周期內進行次采樣，得到(d do) 2個數(shù)據(jù)，由此進行下述離散運算得到(d do)UBC、IA和PBC ： BCuAiNkAkBCiNI121NkBCkBCuNU121NkAkBCkBCiuNP11l 對于對稱對于對稱(

42、duchn)三相補償，只要取任意兩相三相補償，只要取任意兩相電壓（線電壓）和另一相電流，就可測得無功功率。電壓（線電壓）和另一相電流，就可測得無功功率。l l圖圖 檢測檢測A相電流相電流l 和和BC相線電壓向量圖相線電壓向量圖2)(1ABCBCIUPPF l由于由于PBC=UBCIAsin，則功率因數(shù)為，則功率因數(shù)為:第37頁/共61頁第三十八頁，共61頁。晶閘管投切電容器晶閘管投切電容器(TSC)圖控制器原理圖控制器原理(yunl)(yunl)框圖框圖 l TSC的控制器主要由單片機、鍵盤接口的控制器主要由單片機、鍵盤接口(ji ku)電路、液晶顯示電路、液晶顯示接口接口(ji ku)電路、

43、數(shù)據(jù)存儲器、同步電壓檢測、電壓電流和頻率檢電路、數(shù)據(jù)存儲器、同步電壓檢測、電壓電流和頻率檢測，還有觸發(fā)電路等部分組成。該控制器硬件的原理方框圖如圖所示測，還有觸發(fā)電路等部分組成。該控制器硬件的原理方框圖如圖所示。 第38頁/共61頁第三十九頁，共61頁。靜止靜止(jngzh)無功發(fā)生無功發(fā)生器器(SVG) 圖基本圖基本(jbn)(jbn)電路結構電路結構 適當調節(jié)橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康?。適當調節(jié)橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康摹?圖給出了采用

44、自換相電壓型橋式的圖給出了采用自換相電壓型橋式的SVG基本電路結構。基本電路結構。第39頁/共61頁第四十頁，共61頁。靜止靜止(jngzh)無功發(fā)生無功發(fā)生器器(SVG) 圖等效電路及其工作圖等效電路及其工作(gngzu)(gngzu)原理原理 通過同步電路控制，使通過同步電路控制，使 與與 同頻同相，然后改變同頻同相，然后改變 的幅值大小即可以控制的幅值大小即可以控制SVGSVG從電網(wǎng)吸收的電流從電網(wǎng)吸收的電流 是超前還是滯后是超前還是滯后9090，并且還能控制該電流的大小。，并且還能控制該電流的大小。 .iUsU.iU.I 僅考慮基波頻率時僅考慮基波頻率時 SVG工作原理可以用圖（工作原

45、理可以用圖（a）所示的單相等效電路來說明。）所示的單相等效電路來說明。 當當 大于大于 時，電流超前電壓時，電流超前電壓90，SVG吸收容性無功功率；吸收容性無功功率； 當當 小于小于 時，電流滯后電壓時，電流滯后電壓90，SVG吸收感性無功功率。吸收感性無功功率。.iUsU.sU.iU第40頁/共61頁第四十一頁，共61頁。變頻變頻(bin pn)調速調速裝置裝置8.5 若均勻若均勻(jnyn)地改變定子頻率地改變定子頻率 ，則可以平，則可以平滑地改變電機的轉速?；馗淖冸姍C的轉速。 由交流電機的轉速由交流電機的轉速(zhun s)公式：公式：可以看出：可以看出：PSfn/ )1(60 f

46、因此，在各種異步電機調速系統(tǒng)中，變頻因此，在各種異步電機調速系統(tǒng)中，變頻調速的性能最好，使得交流電機的調速性能可調速的性能最好，使得交流電機的調速性能可與直流電機相媲美，同時效率高，是交流調速與直流電機相媲美，同時效率高，是交流調速的主要發(fā)展方向。的主要發(fā)展方向。第41頁/共61頁第四十二頁，共61頁。變頻調速的基本控制變頻調速的基本控制(kngzh)方式方式 （2）基頻以上）基頻以上(yshng)的的變頻調速變頻調速（3）轉差頻率控制）轉差頻率控制 （5）控制直接轉矩）控制直接轉矩 （4）矢量控制）矢量控制第42頁/共61頁第四十三頁，共61頁。變頻調速的基本變頻調速的基本(jbn)控制方控

47、制方式式 三相異步電動機的每相電動勢為：三相異步電動機的每相電動勢為： 式中：式中： 定子定子(dngz)每相感應電動勢的有效值；每相感應電動勢的有效值； 定子定子(dngz)電源頻率；電源頻率； 定子定子(dngz)每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； 基波繞組系數(shù)；基波繞組系數(shù)； 每極氣隙磁通量。每極氣隙磁通量。mKfE44. 4EfKm 在調速的過程中，隨著輸入電源的頻率降低，必須相應地改變定子電壓在調速的過程中，隨著輸入電源的頻率降低，必須相應地改變定子電壓U， 以保證氣隙磁通不超過設計值。以保證氣隙磁通不超過設計值。 如果使如果使 =常數(shù)，則在調速過程中可維持常數(shù)，則在調速過程中可維

48、持 近似不變，這就是恒壓頻比控制方式。近似不變，這就是恒壓頻比控制方式。 m（）（）當當U不變時，隨著電源輸入頻率的降低，將會相應增加。不變時，隨著電源輸入頻率的降低，將會相應增加。fU第43頁/共61頁第四十四頁，共61頁。變頻調速的基本控制變頻調速的基本控制(kngzh)方方式式 當電壓當電壓U一定一定(ydng)時，電機的氣隙磁通隨著頻率時，電機的氣隙磁通隨著頻率f的升高成比例下降，類似直流電機的弱磁調速，因此，基頻以上的調速屬恒功率調速。的升高成比例下降，類似直流電機的弱磁調速，因此，基頻以上的調速屬恒功率調速。mKfE 44. 4 電源頻率從基頻向上提高，可使電機的轉速增加。電源頻率

49、從基頻向上提高，可使電機的轉速增加。 由于電機的電壓不能超過其額定電壓，因此在基頻以上調頻時，由于電機的電壓不能超過其額定電壓，因此在基頻以上調頻時，U只能保持在額定值。只能保持在額定值。根據(jù)式：根據(jù)式：第44頁/共61頁第四十五頁，共61頁。變頻變頻(bin pn)調速調速裝置的分類裝置的分類 圖間接變頻裝置的三種機構圖間接變頻裝置的三種機構(jgu)(jgu)形形式式 間接變頻調速裝置即交一直一交變頻裝置，首先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，然后再經(jīng)過逆變器將直流變換成電壓和頻率可變的交流電源。間接變頻調速裝置即交一直一交變頻裝置，首先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，然后再經(jīng)過逆變

50、器將直流變換成電壓和頻率可變的交流電源。 按照電路結構和控制方式的不同，間接變頻裝置又可以分為三種，如圖（按照電路結構和控制方式的不同，間接變頻裝置又可以分為三種，如圖（a）、（）、（b）、（）、（c）所示。）所示。第45頁/共61頁第四十六頁，共61頁。變頻變頻(bin pn)調速調速裝置的分類裝置的分類 圖間接圖間接(jin ji)(jin ji)變頻裝置的三種機變頻裝置的三種機構形式構形式 （a a）所示的間接變頻裝置由相控整流電路和逆變電路構成，其中整流電路）所示的間接變頻裝置由相控整流電路和逆變電路構成，其中整流電路調節(jié)輸出電壓的大小，逆變電路控制輸出交流的頻率。調節(jié)輸出電壓的大小，

51、逆變電路控制輸出交流的頻率。 （b）所示的間接變頻裝置由二極管整流電路、斬波器和逆變器三部分）所示的間接變頻裝置由二極管整流電路、斬波器和逆變器三部分構成，其中斬波器用調節(jié)輸出電壓，逆變器用于調節(jié)輸出頻率。構成，其中斬波器用調節(jié)輸出電壓，逆變器用于調節(jié)輸出頻率。 （c）所示的間接變頻裝置由二極管整流電路和）所示的間接變頻裝置由二極管整流電路和PWM逆變器構成，其中調壓逆變器構成，其中調壓和調頻全部由和調頻全部由PWM逆變器完成。逆變器完成。 第46頁/共61頁第四十七頁，共61頁。變頻調速裝置變頻調速裝置(zhungzh)的分類的分類 圖直接變頻圖直接變頻(bin pn)(bin pn)裝置裝

52、置 直接變頻裝置的結構如圖所示，它采用交一交變頻電路，只用一個變換環(huán)節(jié)，直接將恒壓恒頻的交流電源變換成直接變頻裝置的結構如圖所示，它采用交一交變頻電路，只用一個變換環(huán)節(jié)，直接將恒壓恒頻的交流電源變換成VVVF電源。根據(jù)輸出波形，直接變頻裝置可以分成方波形和正弦波型兩種。電源。根據(jù)輸出波形，直接變頻裝置可以分成方波形和正弦波型兩種。 此類變頻裝置一般只用于低速大容量的調速系統(tǒng)，如軋鋼機、球磨機、水泥回轉窯等。此類變頻裝置一般只用于低速大容量的調速系統(tǒng)，如軋鋼機、球磨機、水泥回轉窯等。 第47頁/共61頁第四十八頁，共61頁。SPWM變頻變頻(bin pn)調速裝置調速裝置 圖開環(huán)控制圖開環(huán)控制(

53、kngzh)的的SPWM的變頻調速系統(tǒng)結構簡圖的變頻調速系統(tǒng)結構簡圖第48頁/共61頁第四十九頁，共61頁。SPWM變頻變頻(bin pn)調速裝置調速裝置 圖開環(huán)控制圖開環(huán)控制(kngzh)的的SPWM的的 變頻調速系統(tǒng)結構簡圖變頻調速系統(tǒng)結構簡圖 R為外接能耗制動電阻，當電機正常工作時，電力晶體管為外接能耗制動電阻，當電機正常工作時，電力晶體管T截止，沒有電流流過截止，沒有電流流過R。當快速停機或逆變器輸出頻率急劇降低時，電機將處于再生發(fā)電狀態(tài)，向濾波電容。當快速停機或逆變器輸出頻率急劇降低時，電機將處于再生發(fā)電狀態(tài)，向濾波電容C充電充電(chng din)，直流電壓，直流電壓Ud升高。當

54、升高到最大允許電壓升高。當升高到最大允許電壓Udmax時，功率晶體管時，功率晶體管T導通，接入電阻導通，接入電阻R，電機進行能耗制動，以防止過高危害逆變器的開關器件。，電機進行能耗制動，以防止過高危害逆變器的開關器件。2、能耗制動電路和控制電路的工作原理、能耗制動電路和控制電路的工作原理 1）能耗制動電路）能耗制動電路第49頁/共61頁第五十頁，共61頁。SPWM變頻變頻(bin pn)調速裝置調速裝置 圖開環(huán)控制圖開環(huán)控制(kngzh)的的SPWM的的 變頻調速系統(tǒng)結構簡圖變頻調速系統(tǒng)結構簡圖第50頁/共61頁第五十一頁，共61頁。電力電子電力電子(dinz)系統(tǒng)可靠性概系統(tǒng)可靠性概述述 8

55、.6第51頁/共61頁第五十二頁，共61頁?？煽啃缘幕靖拍羁煽啃缘幕靖拍?為元件或系統(tǒng)為元件或系統(tǒng)(xtng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的能力。在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的能力。1、元件、元件(yunjin)或系統(tǒng)的可靠性或系統(tǒng)的可靠性: 2、失效：、失效： 3、可靠性指標：、可靠性指標：l 描述一個元件、裝置或系統(tǒng)的可靠程度的數(shù)量化的指標。描述一個元件、裝置或系統(tǒng)的可靠程度的數(shù)量化的指標。l當元件、裝置或系統(tǒng)不能完成規(guī)定的功能時，稱之為失效。當元件、裝置或系統(tǒng)不能完成規(guī)定的功能時，稱之為失效。 4、常用可靠性指標：、常用可靠性指標： 可靠度、失效率和平均無故障時間可靠度、失效率和平均無故障時間 第52頁/共61頁第五十三頁，共61頁。常用常用(chn yn)的可的可靠性指標靠性指標 可靠度可靠度: :為元件或系統(tǒng)在規(guī)定為元件或系統(tǒng)在規(guī)定(gudng)(gudng)時間內和規(guī)定時間內和規(guī)定(gudng)(gudng)的使用條件下，正常工作的概率。也可稱之為可靠度函數(shù)。的使用條件下，正常工作的概率。也可稱