西交大電力電子技術(shù)第10章

1、3-1第第1010章電力電子技術(shù)的應(yīng)用章電力電子技術(shù)的應(yīng)用 10.1 10.1 晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 10.2 10.2 變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng)變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng) 10.3 10.3 不間斷電源不間斷電源 10.4 10.4 開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)電源 10.5 10.5 功率因數(shù)校正技術(shù)功率因數(shù)校正技術(shù) 10.6 10.6 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 10.7 10.7 電力電子技術(shù)的其他應(yīng)用電力電子技術(shù)的其他應(yīng)用 本章小結(jié)本章小結(jié) 3-210.1 晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 10.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)工作于整流狀態(tài)時(shí) 10.1.2 工作于有源逆變狀

2、態(tài)時(shí)工作于有源逆變狀態(tài)時(shí) 10.1.3 直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)3-310.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)晶閘管可控整流裝置帶直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載，稱為晶閘管直晶閘管可控整流裝置帶直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載，稱為晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，是直流拖動(dòng)系統(tǒng)中主要的一種，也是可控流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，是直流拖動(dòng)系統(tǒng)中主要的一種，也是可控整流裝置的主要用途之一。整流裝置的主要用途之一。 直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載除本身有直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載除本身有電阻電阻、電感電感外，還有外，還有反電動(dòng)反電動(dòng)勢(shì)勢(shì)E，為減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，通，為減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，通常在電樞回路串聯(lián)常在電樞回路串聯(lián)平波電抗平波電抗器器，保證電流在較大范圍內(nèi)，保證電流在較大范圍內(nèi)連續(xù)。

3、連續(xù)。 圖圖10-1 三相半波帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載且加平波電抗器時(shí)三相半波帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載且加平波電抗器時(shí)的電壓電流波形的電壓電流波形 3-410.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)電動(dòng)機(jī)工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)有較大機(jī)械慣量，其電動(dòng)機(jī)工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)有較大機(jī)械慣量，其轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)都基本無(wú)脈動(dòng)，此時(shí)整流回路電壓方程為轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)都基本無(wú)脈動(dòng)，此時(shí)整流回路電壓方程為： UIREUdMd在電動(dòng)機(jī)負(fù)載電路中，電流由在電動(dòng)機(jī)負(fù)載電路中，電流由負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩所決定，當(dāng)電動(dòng)所決定，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載較輕時(shí)，對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流也小，在小電流情況下，機(jī)的負(fù)載較輕時(shí)，對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流也小，在小電流情況下，特別在低速時(shí)，由于電感的

4、儲(chǔ)能減小，往往不足以維持電特別在低速時(shí)，由于電感的儲(chǔ)能減小，往往不足以維持電流連續(xù)，從而出現(xiàn)流連續(xù)，從而出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象電流斷續(xù)現(xiàn)象。 (10-1)3-510.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)電流連續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性電流連續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 三相半波電流連續(xù)時(shí)的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性三相半波電流連續(xù)時(shí)的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性 直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)為直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)為 nCEeM反電動(dòng)勢(shì)特性方程為反電動(dòng)勢(shì)特性方程為 UIRUEdMcos17. 12轉(zhuǎn)速與電流的機(jī)械特性關(guān)系式為轉(zhuǎn)速與電流的機(jī)械特性關(guān)系式為 edeCUIRCUncos17. 12三相橋式電路的機(jī)械特性為三相橋式電路的機(jī)械特性為 deeICRCUnc

5、os34. 22圖圖10-2 三相半波電流連續(xù)時(shí)以三相半波電流連續(xù)時(shí)以電流表示的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性電流表示的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性 (10-2)(10-3)(10-4)(10-5) 的值一般為的值一般為1V左右，左右，所以忽略；調(diào)節(jié)角所以忽略；調(diào)節(jié)角 ，即可，即可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 U3-610.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 由于整流電壓是一個(gè)脈動(dòng)的直流電壓，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載減小時(shí)，由于整流電壓是一個(gè)脈動(dòng)的直流電壓，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載減小時(shí)，致使電流斷續(xù)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性也就呈現(xiàn)出致使電流斷續(xù)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性也就呈現(xiàn)出非線性非線性。 電

6、流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性的特點(diǎn)電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性的特點(diǎn) =60 時(shí)，時(shí)， 才是才是理想空載點(diǎn)理想空載點(diǎn)。22U圖圖10-3 電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)勢(shì)的特性曲線電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)勢(shì)的特性曲線 在電流斷續(xù)情況下，在電流斷續(xù)情況下， 時(shí)，時(shí)，電動(dòng)機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)都是電動(dòng)機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)都是 ；當(dāng)；當(dāng) 以后，空載反電動(dòng)勢(shì)將由以后，空載反電動(dòng)勢(shì)將由 決定。決定。 6022U60) 3cos(22U3-710.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)圖圖10-4 考慮電流斷續(xù)時(shí)不同考慮電流斷續(xù)時(shí)不同 時(shí)時(shí)反電動(dòng)勢(shì)的特性曲線反電動(dòng)勢(shì)的特性曲線 1 2 3 460 當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)：當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)：1.電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速抬高理想空載轉(zhuǎn)速抬高；2

7、. 在電流斷續(xù)區(qū)內(nèi)電動(dòng)機(jī)的在電流斷續(xù)區(qū)內(nèi)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械機(jī)械特性變軟特性變軟。3.隨著隨著 的增加，進(jìn)入斷續(xù)區(qū)的電的增加，進(jìn)入斷續(xù)區(qū)的電流值加大流值加大。 3-810.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性：電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性： ctgctgMeeUE1)6sin()6sin(cos22ctgctgeeMeeCUCEn1)6sin()6sin(cos222)6cos()6cos(cos22322nUCZUIed式中，式中， ， ，L為回路總電感。為回路總電感。 RLtg122LRZ(10-6)(10-7)(10-8)3-9電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程式電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程式：10.1.2 工作

8、于有源逆變狀態(tài)時(shí)RIEUdMd電流連續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性電流連續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 電壓平衡方程式為電壓平衡方程式為 逆變時(shí)由于逆變時(shí)由于 ，EM反接，得反接，得 cos0ddUU)0cos(RIUEddM)cos(10RIUCdden正組變流器反組變流器n321Id42341 = =2 = =2321423411= 1; 1=12= 2; 2=2 增大方向 增大方向 增大方向 增大方向圖圖10-5 電動(dòng)機(jī)在四象限中的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)在四象限中的機(jī)械特性 上式的負(fù)號(hào)表示逆變時(shí)電動(dòng)上式的負(fù)號(hào)表示逆變時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與整流時(shí)相反；機(jī)的轉(zhuǎn)向與整流時(shí)相反；調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 就就可改變電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速可改變電動(dòng)機(jī)的

9、運(yùn)行轉(zhuǎn)速。(10-11)(10-12)3-1010.1.2 工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性可由下面三個(gè)式子準(zhǔn)確地得出電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性可由下面三個(gè)式子準(zhǔn)確地得出 eeUEMctgctg676721sinsincos2eeeeMCUCEnctgctg67672sinsincos2nUCZUIed22267cos67coscos223當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性不僅和當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性不僅和逆變角逆變角有關(guān)，而且和有關(guān)，而且和電路參數(shù)電路參數(shù)、導(dǎo)通角導(dǎo)通角等有關(guān)系。等有關(guān)系。 (10-13)(10-14)(10-15)3-1110.1

10、.2 工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)正組變流器反組變流器n321Id42341 = =2 = =2321423411= 1; 1=12= 2; 2=2 增大方向 增大方向 增大方向 增大方向圖圖10-5 電動(dòng)機(jī)在四象限中的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)在四象限中的機(jī)械特性 圖圖10-5中右下的虛線以左的部分為中右下的虛線以左的部分為逆變電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，逆變電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，其特點(diǎn)是：其特點(diǎn)是：理想空載轉(zhuǎn)速上翹理想空載轉(zhuǎn)速上翹，機(jī)械機(jī)械特性變軟特性變軟，且呈現(xiàn)非線性且呈現(xiàn)非線性。 逆變狀態(tài)的機(jī)械特性是整流狀態(tài)的逆變狀態(tài)的機(jī)械特性是整流狀態(tài)的延續(xù)，縱觀控制角延續(xù)，縱觀控制角 由小變大，電動(dòng)由小變大，電

11、動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性則逐漸的由第機(jī)的機(jī)械特性則逐漸的由第1象限往象限往下移，進(jìn)而到達(dá)第下移，進(jìn)而到達(dá)第4象限；第象限；第2象限里象限里也為逆變狀態(tài)，與它對(duì)應(yīng)的整流狀態(tài)也為逆變狀態(tài)，與它對(duì)應(yīng)的整流狀態(tài)的機(jī)械特性則表示在第的機(jī)械特性則表示在第3象限里。象限里。第第1、第、第4象限中的特性和第象限中的特性和第3、第、第2象限中的特性是分別屬于兩組變流器象限中的特性是分別屬于兩組變流器的，它們輸出整流電壓的極性彼此相的，它們輸出整流電壓的極性彼此相反，故分別標(biāo)以反，故分別標(biāo)以正組正組和和反組變流器反組變流器。 3-12直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng) 電路結(jié)構(gòu)：根據(jù)電動(dòng)機(jī)電路結(jié)構(gòu)：根據(jù)電動(dòng)機(jī)所需的運(yùn)

12、轉(zhuǎn)狀態(tài)來(lái)決定哪一所需的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來(lái)決定哪一組變流器工作及其相應(yīng)的工組變流器工作及其相應(yīng)的工作狀態(tài)：整流或逆變。作狀態(tài)：整流或逆變。 四象限運(yùn)行時(shí)的工作情四象限運(yùn)行時(shí)的工作情況況 第第1象限，正轉(zhuǎn)，電象限，正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，正組橋工動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，正組橋工作在整流狀態(tài)，作在整流狀態(tài)， 1 /2，EMUd （下標(biāo)中有（下標(biāo)中有 表示整表示整流，下標(biāo)流，下標(biāo)1表示正組橋，下表示正組橋，下標(biāo)標(biāo)2表示反組橋）。表示反組橋）。 10.1.3 直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)圖圖10-6 兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路3-13第第2象限，正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作象限，正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，反組橋工作在

13、逆發(fā)電運(yùn)行，反組橋工作在逆變狀態(tài)，變狀態(tài)， 2 /2)，EMUd （下標(biāo)中有（下標(biāo)中有 表示逆表示逆變）。變）。第第3象限，反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作象限，反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，反組橋工作在整電動(dòng)運(yùn)行，反組橋工作在整流狀態(tài)，流狀態(tài)， 2 /2，EMUd 。第第4象限，反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作象限，反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，正組橋工作在逆發(fā)電運(yùn)行，正組橋工作在逆變狀態(tài)，變狀態(tài)， 1 /2) ， EMUd 。10.1.3 直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)圖圖10-6 兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路。3-1410.1.3 直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)圖圖10-6 (c)直流可逆拖動(dòng)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)直流可逆拖動(dòng)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)正

14、正反向運(yùn)轉(zhuǎn)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，還能實(shí)現(xiàn)，還能實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)回饋制動(dòng)。 由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的過(guò)程由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的過(guò)程 從從1組橋切換到組橋切換到2組橋工作，組橋工作，2組橋在逆變狀態(tài)下工作，電動(dòng)組橋在逆變狀態(tài)下工作，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入第機(jī)進(jìn)入第2象限作正轉(zhuǎn)發(fā)電運(yùn)行，象限作正轉(zhuǎn)發(fā)電運(yùn)行，電磁轉(zhuǎn)矩變成制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，機(jī)械能電磁轉(zhuǎn)矩變成制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，機(jī)械能逆變回饋電網(wǎng)。逆變回饋電網(wǎng)。 改變改變2組橋的逆變角組橋的逆變角 ，由，由小變大直至小變大直至 = /2（n=0），繼續(xù)），繼續(xù)增大增大 ，即，即 /2，2組橋?qū)⑥D(zhuǎn)入組橋?qū)⑥D(zhuǎn)入整流狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)進(jìn)入整流狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)進(jìn)入第第3象限的電動(dòng)運(yùn)行。象限的電動(dòng)運(yùn)行。 電動(dòng)機(jī)從反轉(zhuǎn)到正

15、轉(zhuǎn)，其過(guò)電動(dòng)機(jī)從反轉(zhuǎn)到正轉(zhuǎn)，其過(guò)程則由第程則由第3象限經(jīng)第象限經(jīng)第4象限最終運(yùn)象限最終運(yùn)行在第行在第1象限上。象限上。 3-1510.1.3 直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)對(duì)環(huán)流的不同處理方法，反并聯(lián)可逆電路分為：配合控制有環(huán)流（即=工作制）、可控環(huán)流、邏輯控制無(wú)環(huán)流和錯(cuò)位控制無(wú)環(huán)流等。 對(duì)于=配合控制的有環(huán)流可逆系統(tǒng)，對(duì)正、反兩組變流器同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖，并嚴(yán)格保證=的配合控制關(guān)系，兩組變流器的輸出電壓平均值相等，極性相抵，沒(méi)有直流環(huán)流；但輸出電壓瞬時(shí)值不等，會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)環(huán)流，為防止環(huán)流使電源短路，必須串入環(huán)流電抗器LC。 邏輯無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)不設(shè)置環(huán)流電抗器，兩組橋在任何時(shí)刻只有一組投入工作（另一組關(guān)

16、斷），所以在兩組橋之間就不存在環(huán)流；變流器之間的切換過(guò)程由邏輯單元控制，故稱為邏輯控制無(wú)環(huán)流系統(tǒng)。 3-1610.2 變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng) 10.2.1 交直交變頻器交直交變頻器 10.2.2 交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式3-1710.2 變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng)引言直流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)直流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn) 受使用環(huán)境條件制約。受使用環(huán)境條件制約。 需要定期維護(hù)。需要定期維護(hù)。 最高速度和容量受限制。最高速度和容量受限制。交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 克服了直流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)?？朔酥绷髡{(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)。 交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。交流電動(dòng)機(jī)結(jié)

17、構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。 節(jié)能。節(jié)能。交流電機(jī)的控制技術(shù)較為復(fù)雜，對(duì)所需的電力電子變換交流電機(jī)的控制技術(shù)較為復(fù)雜，對(duì)所需的電力電子變換器要求也較高，所以直到近二十年時(shí)間，隨著電力電子技器要求也較高，所以直到近二十年時(shí)間，隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)才得到迅速的發(fā)展，術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)才得到迅速的發(fā)展，其應(yīng)用已在逐步取代傳統(tǒng)的直流傳動(dòng)系統(tǒng)。其應(yīng)用已在逐步取代傳統(tǒng)的直流傳動(dòng)系統(tǒng)。 3-1810.2.1 交直交變頻器交直交變頻器（交直交變頻器（Variable Voltage Variable Frequency，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱VVVF電電源源 ）由）由AC/DC、DC/AC兩

18、類基本變流電路組合形成，最主要的優(yōu)點(diǎn)是兩類基本變流電路組合形成，最主要的優(yōu)點(diǎn)是輸出頻率不再受輸入電源頻率的制約。輸出頻率不再受輸入電源頻率的制約。 當(dāng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)需要頻繁、快速制動(dòng)時(shí)，要求具有當(dāng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)需要頻繁、快速制動(dòng)時(shí)，要求具有再生反饋電力的能力再生反饋電力的能力。 圖圖10-7所示的電壓型交直交變所示的電壓型交直交變頻電路不能再生反饋電力。頻電路不能再生反饋電力。 整流部分采用不可控整流，整流部分采用不可控整流，它和電容器之間的直流電壓和電流它和電容器之間的直流電壓和電流極性不變，只能由電源向直流電路極性不變，只能由電源向直流電路輸送功率。輸送功率。 逆變電路的能量可以雙向流逆變電路的能

19、量可以雙向流動(dòng)的，若負(fù)載能量反饋到中間直流動(dòng)的，若負(fù)載能量反饋到中間直流電路，將導(dǎo)致電容電壓升高（稱為電路，將導(dǎo)致電容電壓升高（稱為泵升電壓）泵升電壓），危及電路安全。，危及電路安全。 圖圖10-7 不能再生反饋的電不能再生反饋的電壓型間接交流變流電路壓型間接交流變流電路 3-1910.2.1 交直交變頻器圖圖10-8 帶有泵升電壓限制電路帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路的電壓型間接交流變流電路 圖圖10-9 利用可控變流器實(shí)現(xiàn)再生反利用可控變流器實(shí)現(xiàn)再生反饋的電壓型間接交流變流電路饋的電壓型間接交流變流電路 圖圖10-10 整流和逆變均為整流和逆變均為PWM控控制的電壓型間接交流

20、變流電路制的電壓型間接交流變流電路 使電路具備再生反饋電力能力的方法使電路具備再生反饋電力能力的方法 加入加入泵升電壓限制電路泵升電壓限制電路，把從負(fù)載反，把從負(fù)載反饋的能量消耗在饋的能量消耗在R0上。上。 增加了一套增加了一套變流電路變流電路，使其工作于有，使其工作于有源逆變狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)；源逆變狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)； 整流電路和逆變電路都采用整流電路和逆變電路都采用PWM控控制的間接交流變流電路，可簡(jiǎn)稱制的間接交流變流電路，可簡(jiǎn)稱雙雙PWM電路電路，電路輸入輸出電流均為正弦波，輸，電路輸入輸出電流均為正弦波，輸入功率因數(shù)高，且可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)入功率因數(shù)高，且可實(shí)現(xiàn)

21、電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行。行。 3-2010.2.1 交直交變頻器圖圖10-11 采用可控整流的電流型間接交流變流電路采用可控整流的電流型間接交流變流電路 圖圖10-12 電流型交電流型交直直交交PWM變頻電路變頻電路 圖圖10-13 整流和逆變均為整流和逆變均為PWM控制的電流型間接交流變流電控制的電流型間接交流變流電路路 圖圖10-11為可以再生反饋電力的電為可以再生反饋電力的電流型間接交流變流電路，當(dāng)電動(dòng)機(jī)流型間接交流變流電路，當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，中間直流電路的電流極性制動(dòng)時(shí)，中間直流電路的電流極性不能改變，要實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，只需不能改變，要實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，只需調(diào)節(jié)可控整流電路的觸發(fā)角，使中調(diào)節(jié)可控整流

22、電路的觸發(fā)角，使中間直流電壓反極性即可。間直流電壓反極性即可。 電流型間接交流變流電路也可采電流型間接交流變流電路也可采用雙用雙PWM電路；可四象限運(yùn)行，電路；可四象限運(yùn)行，同時(shí)通過(guò)對(duì)整流電路的同時(shí)通過(guò)對(duì)整流電路的PWM控制控制可使輸入電流為正弦波，并使輸入可使輸入電流為正弦波，并使輸入功率因數(shù)為功率因數(shù)為1。 3-2110.2.2 交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式籠型異步電動(dòng)機(jī)的定子頻率控制方式籠型異步電動(dòng)機(jī)的定子頻率控制方式 恒壓頻比控制恒壓頻比控制 為了不使電動(dòng)機(jī)因頻率變化導(dǎo)致磁飽和而造成勵(lì)磁電流增大，為了不使電動(dòng)機(jī)因頻率變化導(dǎo)致磁飽和而造成勵(lì)磁電流增大，引起功率因數(shù)和效率的降低，需對(duì)變頻器的

23、電壓和頻率的比率進(jìn)行控引起功率因數(shù)和效率的降低，需對(duì)變頻器的電壓和頻率的比率進(jìn)行控制，使該比率保持恒定，即恒壓頻比控制，以維持制，使該比率保持恒定，即恒壓頻比控制，以維持氣隙磁通為額定值氣隙磁通為額定值。 圖圖10-14 采用恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖采用恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖 3-2210.2.2 交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率控制 為轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制方式，可提高調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 當(dāng)穩(wěn)態(tài)氣隙磁通恒定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)差角頻率s成正比，因此，控制s就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率控制，使定子頻率1= r+ s ，則1隨實(shí)際轉(zhuǎn)速r增加或減小，得到平滑而穩(wěn)定

24、的調(diào)速，保證了較高的調(diào)速范圍和動(dòng)態(tài)性能。 這種方法是基于電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的，仍然不能得到理想的動(dòng)態(tài)性能。3-2310.2.2 交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式矢量控制 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。 矢量控制方式基于異步電機(jī)的按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，將定子電流分解為勵(lì)磁分量和與此垂直的轉(zhuǎn)矩分量，參照直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法，分別獨(dú)立地對(duì)兩個(gè)電流分量進(jìn)行控制，類似直流調(diào)速系統(tǒng)中的雙閉環(huán)控制方式。 該方式需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和磁鏈的解耦，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。 直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制方法同樣是基于電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型，其控制閉環(huán)中的內(nèi)環(huán)，直接采用了轉(zhuǎn)矩反饋，并采用砰砰控制，可以得到轉(zhuǎn)矩的快速

25、動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并且控制相對(duì)簡(jiǎn)單。 3-2410.3 不間斷電源不間斷電源（Uninterruptible Power Supply UPS）是當(dāng)交流輸入電源發(fā)生異常時(shí)，還能繼續(xù)向負(fù)載供電，并能保證供電質(zhì)量的裝置。圖圖10-15 UPS基本結(jié)構(gòu)原理圖基本結(jié)構(gòu)原理圖UPS的結(jié)構(gòu)原理 當(dāng)市電正常時(shí)，由市電供電，當(dāng)市電異常乃至停電時(shí)，由蓄電池向逆變器供電，供電不受市電停電的影響； 在市電正常時(shí)，負(fù)載也可以由逆變器供電，得到的交流電壓比市電電壓質(zhì)量高，即使市電發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，也能獲得正常的恒壓恒頻的正弦波交流輸出。3-2510.3 不間斷電源圖圖10-16 具有旁路開(kāi)關(guān)的具有旁路開(kāi)關(guān)的UPS系統(tǒng)系統(tǒng)圖圖10

26、-17 用柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源的用柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源的UPS為保證市電異?；蚰孀兤鞴收蠒r(shí)負(fù)載供電的切換，實(shí)際的UPS產(chǎn)品中多數(shù)都設(shè)置了旁路開(kāi)關(guān)。在市電斷電時(shí)由蓄電池提供電能，供電時(shí)間取決于蓄電池容量的大小，為了保證長(zhǎng)時(shí)間不間斷供電，可采用柴油發(fā)電機(jī)（簡(jiǎn)稱油機(jī)）作為后備電源。3-2610.3 不間斷電源圖圖10-18 小容量小容量UPS主電路主電路圖圖10-19 大功率大功率UPS主電路主電路 UPS的主電路結(jié)構(gòu)的主電路結(jié)構(gòu) 容量較小的容量較小的UPS主電路主電路 整流使用二極管整流器和整流使用二極管整流器和直流斬波器（用作直流斬波器（用作PFC），獲得），獲得較高的輸入功率因數(shù)。較高的輸

27、入功率因數(shù)。 逆變器部分使用逆變器部分使用IGBT并并采用采用PWM控制，可獲得良好的控制，可獲得良好的控制性能?？刂菩阅?。 大容量大容量UPS主電路主電路 逆變器部分采用逆變器部分采用PWM控控制，具有調(diào)節(jié)電壓和改善波形制，具有調(diào)節(jié)電壓和改善波形的功能。的功能。 為減少為減少GTO的開(kāi)關(guān)損耗，的開(kāi)關(guān)損耗，采用較低的開(kāi)關(guān)頻率。采用較低的開(kāi)關(guān)頻率。 輸出電壓中所含的最低次輸出電壓中所含的最低次諧波為諧波為11次。次。 3-2710.4 開(kāi)關(guān)電源 10.4.1 開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu) 10.4.2 開(kāi)關(guān)電源的控制方式開(kāi)關(guān)電源的控制方式 10.4.3 開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用3-2810.

28、4 開(kāi)關(guān)電源引言線性電源和開(kāi)關(guān)電源線性電源和開(kāi)關(guān)電源 線性電源線性電源，先用工頻變壓器降壓，然后經(jīng)過(guò)整流濾波后，由線性，先用工頻變壓器降壓，然后經(jīng)過(guò)整流濾波后，由線性調(diào)壓得到穩(wěn)定的輸出電壓。調(diào)壓得到穩(wěn)定的輸出電壓。 開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)電源，先整流濾波、后經(jīng)高頻逆變得到高頻交流電壓，然后，先整流濾波、后經(jīng)高頻逆變得到高頻交流電壓，然后由高頻變壓器降壓、再整流濾波。由高頻變壓器降壓、再整流濾波。 開(kāi)關(guān)電源在效率、體積和重量等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于線性電源，已經(jīng)開(kāi)關(guān)電源在效率、體積和重量等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于線性電源，已經(jīng)基本取代了線性電源，成為電子設(shè)備供電的主要電源形式?；救〈司€性電源，成為電子設(shè)備供電的主要電源

29、形式。 圖圖10-20 線性電源的基本電路結(jié)構(gòu)線性電源的基本電路結(jié)構(gòu) 圖圖10-21 半橋型開(kāi)關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)半橋型開(kāi)關(guān)電源電路結(jié)構(gòu) 3-2910.4.1 開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)圖圖10-22 開(kāi)關(guān)電源的能量變換過(guò)程開(kāi)關(guān)電源的能量變換過(guò)程交流輸入的開(kāi)關(guān)電源 整流電路普遍采用二極管構(gòu)成的橋式電路，直流側(cè)采用大電容濾波，較為先進(jìn)的開(kāi)關(guān)電源采用有源的功率因數(shù)校正(Power Factor Correction - PFC)電路。 高頻逆變變壓器高頻整流電路是開(kāi)關(guān)電源的核心，電路采用的是隔離型直流直流變流電路。 高性能開(kāi)關(guān)電源中普遍采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。 可以采用給高頻變壓器設(shè)計(jì)多個(gè)二次側(cè)繞組的方法來(lái)多組隔離輸出，

30、但是僅能選擇1路作為輸出電壓反饋，因此也就只有這1路的電壓的穩(wěn)壓精度較高，其它路的穩(wěn)壓精度都較低。 圖圖10-23 多路輸多路輸出的整流電路出的整流電路 3-3010.4.1 開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)直流輸入的開(kāi)關(guān)電源直流輸入的開(kāi)關(guān)電源 也稱也稱直流直流變換器直流直流變換器(DC-DC)，分為，分為隔離型隔離型和和非隔離型非隔離型，。，。 負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器(POL-Point Of the Load regulator) 僅僅為僅僅為1個(gè)專門的元件供電的直流直流變換器。個(gè)專門的元件供電的直流直流變換器。 計(jì)算機(jī)主板上給計(jì)算機(jī)主板上給CPU和存儲(chǔ)器供電的電源都是典型的和存儲(chǔ)器供電的電源都是典型的P

31、OL。 非隔離的直流直流變換器、尤其是非隔離的直流直流變換器、尤其是POL的輸出電壓往往較低，的輸出電壓往往較低，為了提高效率，經(jīng)常采用為了提高效率，經(jīng)常采用同步同步Buck (Sync Buck)電路電路降低電路中的通降低電路中的通態(tài)損耗，其原理類似同步整流電路。態(tài)損耗，其原理類似同步整流電路。圖圖10-24 a)同步降壓電路同步降壓電路 圖圖10-24 b)同步升壓電路同步升壓電路 3-3110.4.1 開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)圖圖10-25 通信電源系統(tǒng)通信電源系統(tǒng) 分布式電源系統(tǒng)分布式電源系統(tǒng) 用于在通信交換機(jī)、巨型計(jì)算用于在通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等復(fù)雜的電子裝置中。機(jī)等復(fù)雜的電子裝置中。 一次

32、電源完成交流直流的隔一次電源完成交流直流的隔離變換，輸出到直流母線上，系統(tǒng)離變換，輸出到直流母線上，系統(tǒng)中每塊電路板上的中每塊電路板上的DC-DC變換器將變換器將母線轉(zhuǎn)換為電路所需電壓；大容量母線轉(zhuǎn)換為電路所需電壓；大容量的蓄電池組保證停電的時(shí)系統(tǒng)仍能的蓄電池組保證停電的時(shí)系統(tǒng)仍能正常工作正常工作 。 一次電源采用多個(gè)開(kāi)關(guān)電源一次電源采用多個(gè)開(kāi)關(guān)電源“模塊模塊”并聯(lián)的方案，當(dāng)其中個(gè)別并聯(lián)的方案，當(dāng)其中個(gè)別模塊發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)模塊發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)運(yùn)行，這被稱為運(yùn)行，這被稱為“冗余冗余”。 3-3210.4.2 開(kāi)關(guān)電源的控制方式圖圖10-26 開(kāi)關(guān)電源的控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源的控制

33、系統(tǒng) 圖圖10-27 電流模式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)電流模式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 開(kāi)關(guān)電源采用開(kāi)關(guān)電源采用反饋控制反饋控制，控制器根據(jù)誤差控制器根據(jù)誤差e來(lái)調(diào)整控制來(lái)調(diào)整控制量量vc。 電壓模式控制電壓模式控制 圖圖10-26 所示即為電壓模所示即為電壓模式控制，僅有一個(gè)輸出式控制，僅有一個(gè)輸出電壓電壓反饋控制環(huán)反饋控制環(huán)。電流模式控制電流模式控制 在電壓反饋環(huán)內(nèi)增加了在電壓反饋環(huán)內(nèi)增加了電流反饋控制環(huán)電流反饋控制環(huán)，電壓控制，電壓控制器的輸出信號(hào)作為電流環(huán)的器的輸出信號(hào)作為電流環(huán)的給定。給定。 3-3310.4.2 開(kāi)關(guān)電源的控制方式圖圖10-28 峰值電流模式控制的原理峰值電流模式控制的原理 峰值電流模

34、式控制峰值電流模式控制 開(kāi)關(guān)的開(kāi)通由開(kāi)關(guān)的開(kāi)通由時(shí)鐘時(shí)鐘CLK信號(hào)信號(hào)控制，控制，CLK信號(hào)每隔一定的時(shí)間就使信號(hào)每隔一定的時(shí)間就使RS觸發(fā)器觸發(fā)器置位，使開(kāi)關(guān)開(kāi)通；開(kāi)關(guān)開(kāi)通后置位，使開(kāi)關(guān)開(kāi)通；開(kāi)關(guān)開(kāi)通后iL上升，當(dāng)上升，當(dāng)iL達(dá)到電流給定達(dá)到電流給定值值iR后，比較器輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)，并復(fù)位后，比較器輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)，并復(fù)位RS觸發(fā)器，使開(kāi)關(guān)關(guān)斷。觸發(fā)器，使開(kāi)關(guān)關(guān)斷。 a)b)3-3410.4.2 開(kāi)關(guān)電源的控制方式圖圖10-29 平均電流模式控制的原理平均電流模式控制的原理 a)b) 峰值電流模式控制的不足：該方法控峰值電流模式控制的不足：該方法控制電感電流的峰值，而不是電感電流的制電感電流的峰值

35、，而不是電感電流的平均值；峰值電流模式控制電路中將電平均值；峰值電流模式控制電路中將電感電流直接與電流給定信號(hào)相比較，但感電流直接與電流給定信號(hào)相比較，但電感電流中通常含有一些開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生電感電流中通常含有一些開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，容易的噪聲信號(hào)，容易造成比較器的誤動(dòng)作造成比較器的誤動(dòng)作，使電感電流發(fā)生不規(guī)則的波動(dòng)。使電感電流發(fā)生不規(guī)則的波動(dòng)。平均電流模式控制平均電流模式控制 平均電流模式控制采用平均電流模式控制采用PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器作為作為電流調(diào)節(jié)器，并將調(diào)節(jié)器輸出的控制量電流調(diào)節(jié)器，并將調(diào)節(jié)器輸出的控制量uc與鋸齒波信號(hào)與鋸齒波信號(hào)uS相比較，得到周期固相比較，得到周期固定、占空比變化的定

36、、占空比變化的PWM信號(hào)，用以控信號(hào)，用以控制開(kāi)關(guān)的通與斷。制開(kāi)關(guān)的通與斷。 3-3510.4.3 開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源廣泛用于各種電子設(shè)備、儀器，以及家電等，這些電源功率通常僅有幾十W幾百W；手機(jī)等移動(dòng)電子設(shè)備的充電器也是開(kāi)關(guān)電源，但功率僅有幾W；通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等大型設(shè)備的電源功率較大，可達(dá)數(shù)kW數(shù)百kW；工業(yè)上也大量應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源，為其控制電路供電。 開(kāi)關(guān)電源還可以用于蓄電池充電、電火花加工，電鍍、電解等電化學(xué)過(guò)程等，功率可達(dá)幾十幾百kW；在X光機(jī)、微波發(fā)射機(jī)、雷達(dá)等設(shè)備中，大量使用高壓、小電流輸出的開(kāi)關(guān)電源。 3-3610.5 功率因數(shù)校正技術(shù) 10.5.1 功率因數(shù)校正電路的基

37、本原理功率因數(shù)校正電路的基本原理 10.5.2 單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)3-3710.5 功率因數(shù)校正技術(shù)引言以開(kāi)關(guān)電源為代表的電力電子裝置帶來(lái)負(fù)面的問(wèn)題：輸入電流非正弦波，產(chǎn)生諧波和功率因數(shù)問(wèn)題。功率因數(shù)校正PFC (Power Factor Correction)技術(shù)即對(duì)電流脈沖進(jìn)行抑制，使電流波形盡量接近正弦波的技術(shù)，分成無(wú)源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩種。 無(wú)源功率因數(shù)校正技術(shù)通過(guò)在二極管整流電路中增加電感、電容等無(wú)源元件和二極管元件，對(duì)電路中的電流脈沖進(jìn)行抑制。 有源功率因數(shù)校正技術(shù)采用全控開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電路對(duì)輸入電流波形進(jìn)行控制，使之成為與電源電壓同相的正弦

38、波。 3-3810.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理圖圖10-30 典型的單相有源典型的單相有源PFC電路及主要原理波形電路及主要原理波形 單相功率因數(shù)校正電路的基本原理單相功率因數(shù)校正電路的基本原理 給定信號(hào)和實(shí)際的直流電壓給定信號(hào)和實(shí)際的直流電壓ud比較后送入比較后送入調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器，得到指令信號(hào)，得到指令信號(hào)id，id和整流后正弦電壓相乘得到輸入電流的指令信號(hào)和整流后正弦電壓相乘得到輸入電流的指令信號(hào)i*，該指令信號(hào)和實(shí)，該指令信號(hào)和實(shí)際電感電流信號(hào)比較后，通過(guò)際電感電流信號(hào)比較后，通過(guò)滯環(huán)滯環(huán)對(duì)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行控制，便可使輸入對(duì)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行控制，便可使輸入直流電流跟蹤指令值，這樣交流側(cè)電流

39、波形將近似成為與交流電壓同直流電流跟蹤指令值，這樣交流側(cè)電流波形將近似成為與交流電壓同相的正弦波。相的正弦波。3-3910.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理圖圖10-30 典型的單相有源典型的單相有源PFC電路及主要原理波形電路及主要原理波形 在升壓斬波電路中，只要輸入電壓不高于輸出電壓，電感在升壓斬波電路中，只要輸入電壓不高于輸出電壓，電感L的電流的電流就完全受開(kāi)關(guān)就完全受開(kāi)關(guān)S的通斷控制；的通斷控制；S通時(shí)，通時(shí)，iL增長(zhǎng)，增長(zhǎng)，S斷時(shí)，斷時(shí)，iL下降，因此下降，因此控控制制S的占空比按正弦絕對(duì)值規(guī)律變化，且與輸入電壓同相的占空比按正弦絕對(duì)值規(guī)律變化，且與輸入電壓同相，就可以控，就可以控

40、制制iL波形為正弦絕對(duì)值，從而使輸入電流的波形為正弦波，且與輸入波形為正弦絕對(duì)值，從而使輸入電流的波形為正弦波，且與輸入電壓同相，輸入功率因數(shù)為電壓同相，輸入功率因數(shù)為1。 3-4010.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理圖圖10-31 三相單開(kāi)關(guān)三相單開(kāi)關(guān)PFC電路電路圖圖10-32 三相單開(kāi)關(guān)三相單開(kāi)關(guān)PFC電路的工作波形電路的工作波形三相功率因數(shù)校正電路的基本三相功率因數(shù)校正電路的基本原理原理 電路是工作在電流不連續(xù)模電路是工作在電流不連續(xù)模式的升壓斬波電路。式的升壓斬波電路。 工作原理工作原理 S開(kāi)通后，電感電流值均從開(kāi)通后，電感電流值均從零開(kāi)始線性上升，零開(kāi)始線性上升，S關(guān)斷后，三相

41、關(guān)斷后，三相電感電流通過(guò)電感電流通過(guò)D7向負(fù)載側(cè)流動(dòng)，向負(fù)載側(cè)流動(dòng)，并迅速下降到零。并迅速下降到零。 在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，電電感電流是三角形或接近三角形的感電流是三角形或接近三角形的電流脈沖電流脈沖，其峰值與輸入電壓成，其峰值與輸入電壓成正比；輸入電流經(jīng)濾波后將近似正比；輸入電流經(jīng)濾波后將近似為正弦波。為正弦波。 3-4110.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理開(kāi)關(guān)電源中采用有源PFC電路帶來(lái)以下好處 功率因數(shù)提高，諧波電流減小，降低了電源對(duì)電網(wǎng)的干擾。 在輸入相同有功功率的條件下，輸入電流有效值減小，降低了對(duì)線路、開(kāi)關(guān)、連接件等電流容量的要求。 電源允許輸入電壓范圍擴(kuò)大，

42、能適應(yīng)世界各國(guó)不同的電網(wǎng)電壓，極大的提高電源裝置的可靠性和靈活性。 由于升壓斬波電路的穩(wěn)壓作用，整流電路輸出電壓波動(dòng)顯著減小，有利于提高后級(jí)DC-DC變換電路的控制精度和效率。單相PFC電路較為簡(jiǎn)單，應(yīng)用非常廣泛；三相有源功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜，成本也很高，三相功率因數(shù)校正技術(shù)的仍是研究的熱點(diǎn)。3-4210.5.2 單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)單級(jí)PFC變換器拓?fù)涫菍⒐β室驍?shù)校正電路中的開(kāi)關(guān)元件與后級(jí)DC-DC變換器中的開(kāi)關(guān)元件合并和復(fù)用，將兩部分電路合而為一。單級(jí)變換器的優(yōu)點(diǎn) 開(kāi)關(guān)器件數(shù)減少，主電路體積及成本可以降低。 控制電路通常只有一個(gè)輸出電壓控制閉環(huán)，簡(jiǎn)化了控制電路。 有些單級(jí)變換器

43、拓?fù)渲胁糠州斎肽芰靠梢灾苯觽鬟f到輸出側(cè)，不經(jīng)過(guò)兩級(jí)變換，所以效率可能高于兩級(jí)變換器。 3-4310.5.2 單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)圖圖10-33 典型的典型的boost型單級(jí)型單級(jí)PFC AC/DC變換器變換器 單級(jí)單級(jí)PFC變換器變換器 適合于適合于小功率電源小功率電源，以，以單相變換器單相變換器為主，主要性能指標(biāo)包括：效為主，主要性能指標(biāo)包括：效率、元件數(shù)量、輸入電流畸變率等，這些指標(biāo)在很大程度上取決于率、元件數(shù)量、輸入電流畸變率等，這些指標(biāo)在很大程度上取決于電電路的拓?fù)湫问铰返耐負(fù)湫问健?工作原理工作原理 開(kāi)關(guān)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中按照一定的占空比導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中按照一定的

44、占空比導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入電源通過(guò)開(kāi)關(guān)給升壓電路中的輸入電源通過(guò)開(kāi)關(guān)給升壓電路中的L1儲(chǔ)能，同時(shí)儲(chǔ)能，同時(shí)C1通過(guò)開(kāi)關(guān)給通過(guò)開(kāi)關(guān)給反激變反激變壓器壓器儲(chǔ)能。儲(chǔ)能。 開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，輸入電源與開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，輸入電源與L1一起給一起給C1充電，反激變壓器同時(shí)向充電，反激變壓器同時(shí)向副邊電路釋放能量。副邊電路釋放能量。3-4410.5.2 單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)單級(jí)PFC電路的特點(diǎn) 單級(jí)PFC電路減少了主電路的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量，使主電路體積及成本降低。同時(shí)控制電路通常只有一個(gè)輸出電壓控制閉環(huán)，簡(jiǎn)化了控制電路 單級(jí)PFC變換器減少了元件的數(shù)量，但是，單級(jí)PFC變換器元件的額定值都比較高，所以單級(jí)PFC變換器僅在

45、小功率時(shí)整個(gè)裝置的成本和體積才具有優(yōu)勢(shì)，對(duì)于大功率場(chǎng)合，兩級(jí)PFC變換器比較適合。 單級(jí)PFC變換器的輸入電流畸變率明顯高于兩級(jí)變換器，特別是僅采用輸出電壓控制閉環(huán)的Boost型變換器。 3-4510.6 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用10.6.1 高壓直流輸電高壓直流輸電10.6.2 無(wú)功功率控制無(wú)功功率控制10.6.3 電力系統(tǒng)諧波抑制電力系統(tǒng)諧波抑制10.6.4 電能質(zhì)量控制、柔性交流輸電與定電能質(zhì)量控制、柔性交流輸電與定 制電力技術(shù)制電力技術(shù)3-4610.6.1 高壓直流輸電圖圖10-34 高壓直流輸電系統(tǒng)的基本原理和典型結(jié)構(gòu)高壓直流輸電系統(tǒng)的基本原理和典型結(jié)構(gòu) 原理和典型結(jié)構(gòu)原理和典

46、型結(jié)構(gòu) 發(fā)電廠輸出交流電由發(fā)電廠輸出交流電由換流變壓器將升壓后送到換流變壓器將升壓后送到晶晶閘管整流器閘管整流器，轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐?，轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷?。流?經(jīng)經(jīng)直流輸電線路直流輸電線路輸送輸送到電能的接受端。到電能的接受端。 在受端電能又經(jīng)過(guò)晶閘管逆變器由直流變回交流，再經(jīng)變壓器降壓后配送到各個(gè)用戶。 3-4710.6.1 高壓直流輸電圖圖10-34 高壓直流輸電系統(tǒng)的基本原理和典型結(jié)構(gòu)高壓直流輸電系統(tǒng)的基本原理和典型結(jié)構(gòu) 典型結(jié)構(gòu) 采用十二脈波換流器的雙極高壓直流輸電線路。 每端都由兩個(gè)額定電壓相等的換流器串聯(lián)聯(lián)結(jié)而成，具有兩根傳輸導(dǎo)線，分別為正極和負(fù)極，每端兩個(gè)換流器的串聯(lián)連接點(diǎn)接地。 兩極獨(dú)立

47、運(yùn)行，當(dāng)一極停止運(yùn)行時(shí)，另一極以大地作回路還可以帶一半的負(fù)荷，提高了運(yùn)行的可靠性；單極高壓直流輸電系統(tǒng)只用一根傳輸導(dǎo)線（一般為負(fù)極），以大地或海水作為回路。 3-4810.6.1 高壓直流輸電高壓直流輸電的優(yōu)勢(shì) 更有利于遠(yuǎn)距離和大容量電能傳輸或者海底或地下電纜傳輸。 不受輸電線路的感性和容性參數(shù)的限制。 直流輸電線導(dǎo)體沒(méi)有集膚效應(yīng)，占地面積小。 短距離送電可采用基于全控型電力電子器件的電壓型變流器，性能更優(yōu)。 更有利于電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)，解決同步、穩(wěn)定性等復(fù)雜問(wèn)題。 更有利于系統(tǒng)控制，通過(guò)對(duì)換流器的有效控制實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸?shù)挠泄β实目焖俣鴾?zhǔn)確的控制，還能阻尼功率振蕩、改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性、限制短路電流。 3-4

48、910.6.2 無(wú)功功率控制在電力系統(tǒng)中，對(duì)無(wú)功功率的控制是非常重要的，通過(guò)對(duì)無(wú)功功率的控制，可以提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改善供電質(zhì)量。晶閘管投切電容器 交流電力電容器的投入與切斷是控制無(wú)功功率的一種重要手段，晶閘管投切電容器TSC是一種性能優(yōu)良的無(wú)功補(bǔ)償方式。 基本原理是用交流電力電子開(kāi)關(guān)來(lái)投如或者切除電容器，兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管起著把電容C并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開(kāi)的作用。 圖圖10-35 TSC基本原理圖基本原理圖a) 基本單元單相簡(jiǎn)圖基本單元單相簡(jiǎn)圖 b) 分組投切單相簡(jiǎn)圖分組投切單相簡(jiǎn)圖3-5010.6.2 無(wú)功功率控制圖圖10-36 TSC理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明理想投切時(shí)刻原理說(shuō)明TSC

49、運(yùn)行時(shí)晶閘管投入時(shí)刻運(yùn)行時(shí)晶閘管投入時(shí)刻 該時(shí)刻該時(shí)刻交流電源電壓應(yīng)和交流電源電壓應(yīng)和電容器預(yù)先充電的電壓相等電容器預(yù)先充電的電壓相等，這樣電容器電壓不會(huì)產(chǎn)生躍變，這樣電容器電壓不會(huì)產(chǎn)生躍變，也就不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。也就不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。 3-5110.6.2 無(wú)功功率控制圖圖10-37 晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的TSC晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的TSC 由于二極管的作用在電路不導(dǎo)通時(shí)由于二極管的作用在電路不導(dǎo)通時(shí)uC總會(huì)維持在電源總會(huì)維持在電源電壓峰值。電壓峰值。 這種電路成本稍低，但因?yàn)槎O管不可控，這種電路成本稍低，但因?yàn)槎O管不可控，響應(yīng)

50、速度響應(yīng)速度要慢一些要慢一些，投切電容器的最大時(shí)間滯后為一個(gè)周波。，投切電容器的最大時(shí)間滯后為一個(gè)周波。 3-5210.6.2 無(wú)功功率控制晶閘管控制電抗器（TCR ） 晶閘管交流調(diào)壓電路帶電感性負(fù)載的一個(gè)典型應(yīng)用，通常為支路控制三角聯(lián)結(jié)方式的晶閘管三相交流調(diào)壓電路。 通過(guò)對(duì)角的控制，可以連續(xù)調(diào)節(jié)流過(guò)電抗器的電流，從而調(diào)節(jié)電路從電網(wǎng)中吸收的無(wú)功功率。 圖圖10-38 晶閘管控制電抗器晶閘管控制電抗器(TCR)電路電路電抗器中所含電電抗器中所含電阻很小，可以近阻很小，可以近似看成純電感負(fù)似看成純電感負(fù)載，因此載，因此 的移的移相范圍為相范圍為90180。 3-5310.6.2 無(wú)功功率控制圖圖1

51、0-39 TCR電路負(fù)載相電流和輸入線電流波形電路負(fù)載相電流和輸入線電流波形a) =120 b) =135 c) =160圖圖10-39給出了給出了 分別為分別為120、135和和160時(shí)時(shí)TCR電電路的負(fù)載相電流和輸入線電流的波形。路的負(fù)載相電流和輸入線電流的波形。3-5410.6.2 無(wú)功功率控制靜止無(wú)功發(fā)生器靜止無(wú)功發(fā)生器 靜止無(wú)功發(fā)生器靜止無(wú)功發(fā)生器SVG指由自換相的電力電子橋式變流器來(lái)進(jìn)行動(dòng)指由自換相的電力電子橋式變流器來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置。態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置。 SVG分為采用電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型。由于分為采用電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型。由于運(yùn)行效率的

52、原因迄今投入實(shí)用的運(yùn)行效率的原因迄今投入實(shí)用的SVG大都采用電壓型橋式電路。大都采用電壓型橋式電路。圖圖10-40 SVG的電路基本結(jié)構(gòu)圖的電路基本結(jié)構(gòu)圖a）采用電壓型橋式電路）采用電壓型橋式電路 b）采用電流型橋式電路）采用電流型橋式電路3-5510.6.2 無(wú)功功率控制SVG（采用電壓型橋式電路）的（采用電壓型橋式電路）的工作原理工作原理 SVG可以等效地被視為可以等效地被視為幅值和幅值和相位均可以控制的一個(gè)與電網(wǎng)同頻相位均可以控制的一個(gè)與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源率的交流電壓源，通過(guò)交流電抗器，通過(guò)交流電抗器連接到電網(wǎng)上。連接到電網(wǎng)上。 改變改變SVG輸出電壓與電網(wǎng)電壓輸出電壓與電網(wǎng)電壓的相

53、對(duì)幅值及相位就可以改變連接的相對(duì)幅值及相位就可以改變連接電抗上的電壓，從而控制電抗上的電壓，從而控制SVG從電從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值，也就控網(wǎng)吸收電流的相位和幅值，也就控制了制了SVG吸收無(wú)功功率的性質(zhì)和大吸收無(wú)功功率的性質(zhì)和大小。小。 圖圖10-41 SVG等效電路及工作原理等效電路及工作原理 a） 單相等效電路單相等效電路 b） 工作相量圖工作相量圖 3-5610.6.2 無(wú)功功率控制與傳統(tǒng)SVC相比較 SVC所能提供的最大電流分別是受電抗器和電容器的阻抗特性限制的，因而隨著電壓的降低而減小，SVG的運(yùn)行范圍比傳統(tǒng)SVC大。 SVG的調(diào)節(jié)速度更快，而且在采取多重化或PWM技術(shù)等措施后可

54、大大減少補(bǔ)償電流中諧波的含量。 SVG使用的電抗器和電容元件遠(yuǎn)比SVC中使用的電抗器和電容要小，這將大大縮小裝置的體積和成本。 SVG控制方法復(fù)雜，其價(jià)格目前仍比SVC使用的普通晶閘管高得多。 3-5710.6.3 電力系統(tǒng)諧波抑制抑制諧波有兩條基本思路，一是裝設(shè)補(bǔ)償裝置，設(shè)法補(bǔ)償其產(chǎn)生的諧波；另一條就是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改進(jìn)，使其不產(chǎn)生諧波。調(diào)諧濾波器 是傳統(tǒng)的補(bǔ)償諧波的主要手段。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無(wú)功。 有源電力濾波器（Active Power FilterAPF） 思想提出于上世紀(jì)60年代末，上世紀(jì)80年代以來(lái)，由于新型電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，PWM逆變技術(shù)的發(fā)展，以及

55、基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)方法的提出，有源電力濾波器才得以迅速發(fā)檢測(cè)方法的提出，有源電力濾波器才得以迅速發(fā)展。展。 3-5810.6.3 電力系統(tǒng)諧波抑制圖圖10-42 有源電力濾波器的基本原理和典型電流波形有源電力濾波器的基本原理和典型電流波形圖圖10-43 有源電力濾波器的變流電路有源電力濾波器的變流電路有源電力濾波器的基本原理有源電力濾波器的基本原理 如圖如圖10-42所示，有源電力濾波所示，有源電力濾波器檢測(cè)出負(fù)載電流器檢測(cè)出負(fù)載電流 iL中的諧波電流中的諧波電流 iLh，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生與，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生與iLh大小相等大小相等而方向相反的補(bǔ)償電流而方向相反的補(bǔ)償電流

56、iC，從而使流，從而使流入電網(wǎng)的電流入電網(wǎng)的電流iS只含有基波分量只含有基波分量 iLf。與與LC無(wú)源濾波器相比，有源濾波無(wú)源濾波器相比，有源濾波能對(duì)變化的諧波進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤能對(duì)變化的諧波進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)頻率和補(bǔ)償，而且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)頻率和阻抗的影響。阻抗的影響。有源電力濾波器的變流電路可分為有源電力濾波器的變流電路可分為電壓型電壓型和和電流型電流型，目前實(shí)用的裝置大，目前實(shí)用的裝置大都是電壓型；從與補(bǔ)償對(duì)象的連接方都是電壓型；從與補(bǔ)償對(duì)象的連接方式來(lái)看，有源電力濾波器又可分為式來(lái)看，有源電力濾波器又可分為并并聯(lián)型聯(lián)型和和串聯(lián)型串聯(lián)型。 串聯(lián)型串聯(lián)型APF通過(guò)

57、變壓器連在電源通過(guò)變壓器連在電源和負(fù)載間，相當(dāng)于一個(gè)和負(fù)載間，相當(dāng)于一個(gè)受控電壓源受控電壓源，既可補(bǔ)償電流，也可消除電壓畸變。既可補(bǔ)償電流，也可消除電壓畸變。 并聯(lián)型并聯(lián)型3-5910.6.4 電能質(zhì)量控制、柔性交流輸電與定制電力技術(shù)應(yīng)用電力電子技術(shù)不僅可以有效地控制無(wú)功功率從而保障系統(tǒng)電壓應(yīng)用電力電子技術(shù)不僅可以有效地控制無(wú)功功率從而保障系統(tǒng)電壓的幅度，可以補(bǔ)償諧波從而保障供電電壓的波形，而且可以解決不的幅度，可以補(bǔ)償諧波從而保障供電電壓的波形，而且可以解決不對(duì)稱、電壓幅度暫低（對(duì)稱、電壓幅度暫低（voltage sag）和電壓閃變（）和電壓閃變（flicker）等各種穩(wěn)）等各種穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的

58、電能質(zhì)量問(wèn)題，這被稱為采用電力電子裝置的態(tài)和暫態(tài)的電能質(zhì)量問(wèn)題，這被稱為采用電力電子裝置的電能質(zhì)量電能質(zhì)量控制技術(shù)控制技術(shù)。 電力電子裝置包括電力電子裝置包括SVC和和SVG，APF，用來(lái)補(bǔ)償電壓暫低的動(dòng)態(tài)，用來(lái)補(bǔ)償電壓暫低的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（電壓恢復(fù)器（Dynamic Voltage RestorerDVR），以及用來(lái)綜合），以及用來(lái)綜合補(bǔ)償多種電能質(zhì)量問(wèn)題的串聯(lián)型電能質(zhì)量控制器、并聯(lián)型電能質(zhì)量補(bǔ)償多種電能質(zhì)量問(wèn)題的串聯(lián)型電能質(zhì)量控制器、并聯(lián)型電能質(zhì)量控制器和通用電能質(zhì)量控制器（控制器和通用電能質(zhì)量控制器（Universal Power Quality ControllerUPQC）等。）等。

59、將電力電子技術(shù)應(yīng)用于輸電系統(tǒng)中，可以顯著增強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)的控制能將電力電子技術(shù)應(yīng)用于輸電系統(tǒng)中，可以顯著增強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)的控制能力、大幅提高系統(tǒng)的輸電能力，這就是所謂的力、大幅提高系統(tǒng)的輸電能力，這就是所謂的柔性交流輸電系統(tǒng)柔性交流輸電系統(tǒng)（Flexible AC Transmission SystemFACTS）。 采用的典型電力電子裝置有采用的典型電力電子裝置有SVC 、SVG 、晶閘管投切串聯(lián)電容器、晶閘管投切串聯(lián)電容器（Thyristor Switched Series CapacitorTSSC）、晶閘管控制串）、晶閘管控制串聯(lián)電容器（聯(lián)電容器（Thyristor Controlled Seri

60、es CapacitorTCSC）和靜）和靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（Static Synchronous Series CompensatorSSSC）等可控串聯(lián)補(bǔ)償器，以及統(tǒng)一潮流控制器（）等可控串聯(lián)補(bǔ)償器，以及統(tǒng)一潮流控制器（Unified Power Flow ControllerUPFC）等。）等。 3-6010.6.4 電能質(zhì)量控制、柔性交流輸電與定制電力技術(shù)將電力電子技術(shù)應(yīng)用于配電系統(tǒng)中，可以有效提高配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和供電可靠性，從而保障按照用戶所需供電，這就是所謂的“定制電力”或者“用戶電力”（Custom Power）。 采用的典型電力電子裝置有SVC、SVG、A