電力電子技術(shù)第五版課件第10章電力電子技術(shù)的應(yīng)用3456匯編

1、第10章電力電子技術(shù)的應(yīng)用 10.1 晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 10.2 變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng) 10.3 不間斷電源(dinyun) 10.4 開關(guān)電源 10.5 功率因數(shù)校正技術(shù) 10.6 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 10.7 電力電子技術(shù)的其他應(yīng)用 本章小結(jié) 共二十六頁(yè)2/7010.3 不間斷電源(dinyun)不間斷電源（Uninterruptible Power Supply UPS）是當(dāng)交流輸入電源（習(xí)慣稱為市電）發(fā)生異常(ychng)或斷電時(shí)，還能繼續(xù)向負(fù)載供電，并能保證供電質(zhì)量，使負(fù)載供電不受影響的裝置。廣義地說(shuō)，UPS包括輸出為直流和輸出為交流兩種情況，目前通常是指輸出為交流的

2、情況UPS是恒壓恒頻（CVCF）電源中的主要產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于各種對(duì)交流供電可靠性和供電質(zhì)量要求高的場(chǎng)合。 圖10-15 UPS基本結(jié)構(gòu)原理圖UPS的結(jié)構(gòu)原理 圖10-15給出了UPS最基本的結(jié)構(gòu)原理 基本工作原理是，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，因此從負(fù)載側(cè)看，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，此時(shí)負(fù)載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（如電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、波形畸變和瞬時(shí)停電等）時(shí)，也能獲得正常的恒壓恒頻的正弦波交流輸出，并且具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的性能，因此也稱為穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。 共二十六頁(yè)3/7010.3 不

3、間斷電源(dinyun)圖10-16 具有(jyu)旁路開關(guān)的UPS系統(tǒng)圖10-17 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)置了旁路開關(guān)，如圖10-16所示，市電與逆變器提供的CVCF電源由轉(zhuǎn)換開關(guān)S切換；還需注意的是，在市電旁路電源與CVCF電源之間切換時(shí)，必須保證兩個(gè)電壓的相位一致，通常采用鎖相同步的方法。在市電斷電時(shí)由于由蓄電池提供電能，供電時(shí)間取決于蓄電池容量的大小，有很大的局限性，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，如圖10-17所示，蓄電池只需作為市電與油機(jī)之間的過(guò)渡，容量可以比較小。共

4、二十六頁(yè)4/7010.3 不間斷電源(dinyun)圖10-18 小容量(rngling)UPS主電路圖10-19 大功率UPS主電路 UPS的主電路結(jié)構(gòu) 容量較小的UPS主電路 整流部分使用二極管整流器和直流斬波器（用作PFC），可獲得較高的交流輸入功率因數(shù)。 由于逆變器部分使用IGBT并采用PWM控制，可獲得良好的控制性能。 使用GTO的大容量UPS主電路 逆變器部分采用PWM控制，具有調(diào)節(jié)電壓和改善波形的功能。 為減少GTO的開關(guān)損耗，采用較低的開關(guān)頻率。 輸出電壓中所含的最低次諧波為11次，從而使交流濾波器小型化。 共二十六頁(yè)5/7010.4 開關(guān)電源 10.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu) 1

5、0.4.2 開關(guān)電源的控制方式(fngsh) 10.4.3 開關(guān)電源的應(yīng)用共二十六頁(yè)6/7010.4 開關(guān)電源引言(ynyn)在各種電子設(shè)備中，需要多路不同電壓供電，如數(shù)字電路需要5V、3.3V、2.5V等，模擬電路(dinl)需要12V、15V等，這就需要專門設(shè)計(jì)電源裝置來(lái)提供這些電壓，通常要求電源裝置能達(dá)到一定的穩(wěn)壓精度，還要能夠提供足夠大的電流。 線性電源和開關(guān)電源 圖10-20所示為線性電源，先用工頻變壓器降壓，然后經(jīng)過(guò)整流濾波后，由線性調(diào)壓得到穩(wěn)定的輸出電壓。 圖10-21所示為開關(guān)電源，先整流濾波、后經(jīng)高頻逆變得到高頻交流電壓，然后由高頻變壓器降壓、再整流濾波。 開關(guān)電源在效率、體

6、積和重量等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于線性電源，因此已經(jīng)基本取代了線型電源，成為電子設(shè)備供電的主要電源形式。 圖10-20 線性電源的基本電路結(jié)構(gòu) 圖10-21 半橋型開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu) 共二十六頁(yè)7/7010.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)(jigu)圖10-22 開關(guān)電源的能量(nngling)變換過(guò)程交流輸入的開關(guān)電源 交流輸入、直流輸出的開關(guān)電源將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。 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關(guān)電源的核心部分，具體的電路采用的是隔離型直

7、流直流變流電路。 高性能開關(guān)電源中普遍采用了軟開關(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)實(shí)現(xiàn)不同電壓的多組輸出，而且這些不同的輸出之間是相互隔離的，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，而且其中1路的負(fù)載變化時(shí)，其它路的電壓也會(huì)跟著變化。 圖10-23 多路輸出的整流電路 共二十六頁(yè)8/7010.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)(jigu)直流輸入的開關(guān)電源 也稱為直流直流變換器(DC-DC Converter)，分為隔離型和非隔離型，隔離型多采用反激、正激、半橋等隔離型電路，而非隔離型采用Buck、Boost、Buck-Boo

8、st等電路。 負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器(POL-Point Of the Load regulator) 僅僅為1個(gè)專門的元件（通常是一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片）供電的直流直流變換器。 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POL。 非隔離的直流直流變換器、尤其(yuq)是POL的輸出電壓往往較低，為了提高效率，經(jīng)常采用同步Buck (Sync Buck)電路，該電路的結(jié)構(gòu)為Buck，但二極管也采用MOSFET，利用其低導(dǎo)通電阻的特點(diǎn)來(lái)降低電路中的通態(tài)損耗，其原理類似同步整流電路。圖10-24 a)同步降壓電路 圖10-24 b)同步升壓電路 共二十六頁(yè)9/7010.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)(jigu

9、)圖10-25 通信(tng xn)電源系統(tǒng) 分布式電源系統(tǒng) 在通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等復(fù)雜的電子裝置中，供電的路數(shù)太多，總功率太大，難以用一個(gè)開關(guān)電源完成，因此出現(xiàn)了分布式的電源系統(tǒng)。 如圖10-25，一次電源完成交流直流的隔離變換，其輸出連接到直流母線上，直流母線連接到交換機(jī)中每塊電路板，電路板上都有自己的DC-DC變換器，將48V轉(zhuǎn)換為電路所需的各種電壓；大容量的蓄電池組保證停電的時(shí)候交換機(jī)還能正常工作 。 一次電源采用多個(gè)開關(guān)電源并聯(lián)的方案，每個(gè)開關(guān)電源僅僅承擔(dān)一部分功率，并聯(lián)運(yùn)行的每個(gè)開關(guān)電源有時(shí)也被成稱為“模塊”，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)運(yùn)行，這被稱為“冗余”。 共

10、二十六頁(yè)10/7010.4.2 開關(guān)電源的控制(kngzh)方式圖10-26 開關(guān)電源的控制系統(tǒng)(kn zh x tn) 圖10-27 電流模式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 典型的開關(guān)電源控制系統(tǒng)如圖10-26 所示，采用反饋控制，控制器根據(jù)誤差e來(lái)調(diào)整控制量vc。 電壓模式控制 圖10-26 所示即為電壓模式控制，僅有一個(gè)輸出電壓反饋控制環(huán)。 其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)是不能有效的控制電路中的電流。電流模式控制 在電壓反饋環(huán)內(nèi)增加了電流反饋控制環(huán)，電壓控制器的輸出信號(hào)作為電流環(huán)的參考信號(hào)，給這一信號(hào)設(shè)置限幅，就可以限值電路中的最大電流，達(dá)到短路和過(guò)載保護(hù)的目的，還可以實(shí)現(xiàn)恒流控制。 共二十六頁(yè)1

11、1/7010.4.2 開關(guān)電源的控制(kngzh)方式圖10-28 峰值電流模式控制(kngzh)的原理 峰值電流模式控制 峰值電流模式控制系統(tǒng)中電流控制環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖10-28a所示，主要的波形如圖10-28b所示。 基本的原理：開關(guān)的開通由時(shí)鐘CLK信號(hào)控制，CLK信號(hào)每隔一定的時(shí)間就使RS觸發(fā)器置位，使開關(guān)開通；開關(guān)開通后iL上升，當(dāng)iL達(dá)到電流給定值iR后，比較器輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)，并復(fù)位RS觸發(fā)器，使開關(guān)關(guān)斷。 a)b)共二十六頁(yè)12/7010.4.2 開關(guān)電源的控制(kngzh)方式圖10-29 平均電流模式控制(kngzh)的原理 a)b) 峰值電流模式控制的不足：該方法控制電感電流的峰

12、值，而不是電感電流的平均值，且二者之間的差值隨著M1和M2的不同而改變，這對(duì)很多需要精確控制電感電流平均值的開關(guān)電源來(lái)說(shuō)是不能允許的；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，但電感電流中通常含有一些開關(guān)過(guò)程產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，容易造成比較器的誤動(dòng)作，使電感電流發(fā)生不規(guī)則的波動(dòng)。平均電流模式控制 平均電流模式控制采用PI調(diào)節(jié)器作為電流調(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)uS相比較，得到周期固定、占空比變化的PWM信號(hào)，用以控制開關(guān)的通與斷。 共二十六頁(yè)13/7010.4.3 開關(guān)電源的應(yīng)用(yngyng)開關(guān)電源廣泛用于各種電子設(shè)備、儀器，以及家電等，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)和筆記本

13、計(jì)算機(jī)的電源，電視機(jī)、DVD播放機(jī)的電源，以及家用空調(diào)器、電冰箱的電腦控制電路的電源等，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)備的電源也是開關(guān)電源，但功率較大，可達(dá)數(shù)kW數(shù)百kW；工業(yè)上也大量應(yīng)用開關(guān)電源，如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化流水線中，采用各種規(guī)格的開關(guān)電源為其控制電路供電。 開關(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(wib)發(fā)射機(jī)、雷達(dá)等設(shè)備中，大量使用的是高壓、小電流輸出的開關(guān)電源。 共二十六頁(yè)14/7010.5 功率因數(shù)(n l yn sh)校正

14、技術(shù) 10.5.1 功率因數(shù)(n l yn sh)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)共二十六頁(yè)15/7010.5 功率因數(shù)(n l yn sh)校正技術(shù)以開關(guān)電源為代表的各種電力電子裝置帶來(lái)一些負(fù)面的問(wèn)題：輸入電流不是正弦波，就涉及到諧波(xi b)和功率因數(shù)的問(wèn)題。功率因數(shù)校正PFC (Power Factor Correction)技術(shù)即對(duì)電流脈沖的幅度進(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，以降低電流諧波含量，提高

15、功率因數(shù)。 有源功率因數(shù)校正技術(shù)采用全控開關(guān)器件構(gòu)成的開關(guān)電路對(duì)輸入電流的波形進(jìn)行控制，使之成為與電源電壓同相的正弦波。 共二十六頁(yè)16/7010.5.1 功率因數(shù)(n l yn sh)校正電路的基本原理圖10-30 典型的單相有源PFC電路及主要(zhyo)原理波形 單相功率因數(shù)校正電路的基本原理 實(shí)際上是二極管整流電路加上升壓型斬波電路構(gòu)成的。 原理 給定信號(hào) 和實(shí)際的直流電壓ud比較后送入PI調(diào)節(jié)器，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)i*，該指令信號(hào)和實(shí)際電感電流信號(hào)比較后，通過(guò)滯環(huán)對(duì)開關(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)電流波形將近似成

16、為與交流電壓同相的正弦波，跟蹤誤差在由滯環(huán)環(huán)寬所決定的范圍內(nèi)。共二十六頁(yè)17/7010.5.1 功率因數(shù)(n l yn sh)校正電路的基本原理圖10-30 典型的單相(dn xin)有源PFC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L的電流就完全受開關(guān)S的通斷控制；S通時(shí)，iL增長(zhǎng)，S斷時(shí)，iL下降，因此控制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，就可以控制iL波形為正弦絕對(duì)值，從而使輸入電流的波形為正弦波，且與輸入電壓同相，輸入功率因數(shù)為1。 共二十六頁(yè)18/7010.5.1 功率因數(shù)校正(jiozhng)電路的基本原理圖10-31 三相(sn xi

17、n)單開關(guān)PFC電路圖10-32 三相單開關(guān)PFC電路的工作波形三相功率因數(shù)校正電路的基本原理 電路是工作在電流不連續(xù)模式的升壓斬波電路，LALC的電流在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)都是不連續(xù)的；電路中的二極管都采用快速恢復(fù)二極管，電路的輸出電壓高于輸入線間電壓峰值。 工作原理 S開通后，電感電流值均從零開始線性上升（正向或負(fù)向），S關(guān)斷后，三相電感電流通過(guò)D7向負(fù)載側(cè)流動(dòng)，并迅速下降到零。 在每一個(gè)開關(guān)周期中，電感電流是三角形或接近三角形的電流脈沖，其峰值與輸入電壓成正比；假設(shè)S關(guān)斷后電流iA下降很快，iA的平均值將主要取決于陰影部分的面積，這樣iA平均值與輸入電壓成正比，因此輸入電流經(jīng)濾波后將近似為正弦

18、波。 共二十六頁(yè)19/7010.5.1 功率因數(shù)(n l yn sh)校正電路的基本原理 在分析中略去(l q)了電流波形中非陰影部分，因此實(shí)際的電流波形 同正弦波相比有些畸變，如果輸出直流電壓很高，則開關(guān)S關(guān)斷 后電流下降就很快，被略去的電流面積就很小，則電流波形同 正弦波的近似程度高，其波形畸變小。 該電路工作于電流斷續(xù)模式，電路中電流峰值高，開關(guān)器件的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都很大，因此適用于36kW的中小功率電源中。 圖10-31 三相單開關(guān)PFC電路圖10-32 三相單開關(guān)PFC電路的工作波形共二十六頁(yè)20/7010.5.1 功率因數(shù)(n l yn sh)校正電路的基本原理開關(guān)電源中采用有

19、源PFC電路帶來(lái)以下好處 輸入功率因數(shù)提高，輸入諧波電流減小，降低了電源對(duì)電網(wǎng)的干擾，滿足了現(xiàn)行諧波限制標(biāo)準(zhǔn)。 在輸入相同有功功率的條件下，輸入電流有效值明顯減小，降低了對(duì)線路、開關(guān)、連接件等電流容量的要求。 由于有升壓斬波電路，電源允許的輸入電壓范圍擴(kuò)大，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(zhungzh)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，使后級(jí)DC-DC變換電路的工作點(diǎn)保持穩(wěn)定，有利于提高控制精度和效率。單相有源功率因數(shù)校正電路較為簡(jiǎn)單，僅有1個(gè)全控開關(guān)器件。該電路容易實(shí)現(xiàn)，可靠性也較高，因此應(yīng)用非常廣泛；三相有源功率因數(shù)校正電路結(jié)

20、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)。共二十六頁(yè)21/7010.6.2 無(wú)功功率(w n n l)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(w n)補(bǔ)償方式。 圖10-35是TSC的基本原理圖，可以看出TSC的基本原理實(shí)際上是就是用交流電力電子開關(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)斷開的作用，串聯(lián)的電感很小，只是用來(lái)抑制電容器投入電網(wǎng)時(shí)可能出現(xiàn)

21、的沖擊電流；在實(shí)際工程中，為避免容量較大的電容器組同時(shí)投入或切斷會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大的沖擊，一般把電容器分成幾組，根據(jù)電網(wǎng)對(duì)無(wú)功的需求而改變投入電容器的容量，TSC實(shí)際上就成為斷續(xù)可調(diào)的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償器。 圖10-35 TSC基本原理圖a) 基本單元單相簡(jiǎn)圖 b) 分組投切單相簡(jiǎn)圖共二十六頁(yè)22/7010.6.2 無(wú)功功率(w n n l)控制圖10-36 TSC理想投切時(shí)刻原理(yunl)說(shuō)明TSC運(yùn)行時(shí)晶閘管投入時(shí)刻的原則 該時(shí)刻交流電源電壓應(yīng)和電容器預(yù)先充電的電壓相等，這樣電容器電壓不會(huì)產(chǎn)生躍變，也就不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。 一般來(lái)說(shuō)，理想情況下，希望電容器預(yù)先充電電壓為電源電壓峰值，這時(shí)電源電

22、壓的變化率為零，因此在投入時(shí)刻iC為零，之后才按正弦規(guī)律上升；這樣，電容投入過(guò)程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化。 如圖10-36，導(dǎo)通開始時(shí)uC已由上次導(dǎo)通時(shí)段最后導(dǎo)通的晶閘管VT1充電至電源電壓us的正峰值，t1時(shí)刻導(dǎo)通VT2，以后每半個(gè)周波輪流觸發(fā)VT1和VT2；切除這條電容支路時(shí)，如在t2時(shí)刻iC已降為零，VT2關(guān)斷， uC保持在VT2導(dǎo)通結(jié)束時(shí)的電源電壓負(fù)峰值，為下一次投入電容器做了準(zhǔn)備。 共二十六頁(yè)23/7010.6.2 無(wú)功功率(w n n l)控制圖10-37 晶閘管和二極管反并聯(lián)(bnglin)方式的TSC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)uC總會(huì)維持在電源電壓峰值。 這