電力電子技術(shù)課件：第10章 電力電子技術(shù)的應用

1、第10章電力電子技術(shù)的應用 10.1 晶閘管直流電動機系統(tǒng) 10.2 變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng) 10.3 不間斷電源 10.4 開關電源 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)中的應用 10.7 電力電子技術(shù)的其他應用 本章小結(jié) 110.1 晶閘管直流電動機系統(tǒng) 10.1.1 工作于整流狀態(tài)時 10.1.2 工作于有源逆變狀態(tài)時 10.1.3 直流可逆電力拖動系統(tǒng)210.1.1 工作于整流狀態(tài)時晶閘管可控整流裝置帶直流電動機負載組成的系統(tǒng)，習慣稱為晶閘管直流電動機系統(tǒng)，是電力拖動系統(tǒng)中主要的一種，也是可控整流裝置的主要用途之一。 直流電動機負載除本身有電阻、電感外，還有一個反

2、電動勢E，為了平穩(wěn)負載電流的脈動，通常在電樞回路串聯(lián)一平波電抗器，保證整流電流在較大范圍內(nèi)連續(xù)。 圖10-1 三相半波帶電動機負載且加平波電抗器時的電壓電流波形 310.1.1 工作于整流狀態(tài)時觸發(fā)晶閘管，待電動機啟動達穩(wěn)態(tài)后，由于電動機有較大的機械慣量，故其轉(zhuǎn)速和反電動勢都基本無脈動，此時整流電壓的平均值由電動機的反電動勢及電路中負載平均電流Id所引起的各種電壓降所平衡，平衡方程為 式中， ，其中RB為變壓器的等效電阻，RM為電樞電阻，為重疊角引起的電壓降所折合的電阻； 為晶閘管本身的管壓降。 在電動機負載電路中，電流由負載轉(zhuǎn)矩所決定，當電動機的負載較輕時，對應的負載電流也小，在小電流情況下

3、，特別在低速時，由于電感的儲能減小，往往不足以維持電流連續(xù)，從而出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象。 (10-1)410.1.1 工作于整流狀態(tài)時電流連續(xù)時電動機的機械特性 三相半波電流連續(xù)時的電動機機械特性 直流電動機的反電動勢為 因為 ，故反電動勢特性方程為 轉(zhuǎn)速與電流的機械特性關系式為 三相橋式全控整流電路電動機負載時的機械特性方程為 圖10-2 三相半波電流連續(xù)時以電流表示的電動機機械特性 (10-2)(10-3)(10-4)(10-5) 的值一般為1V左右，所以忽略；調(diào)節(jié)角，即可調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。 510.1.1 工作于整流狀態(tài)時電流斷續(xù)時電動機的機械特性 由于整流電壓是一個脈動的直流電壓，當電動機的

4、負載減小時，平波電抗器中的電感儲能減小，致使電流斷續(xù)，此時電動機的機械特性也就呈現(xiàn)出非線性。 電流斷續(xù)時機械特性的特點 分析=60時的情況，當Id=0，忽略 ，此時的反電動勢 為 ，而實際上，晶閘管導通時相電壓瞬時值為 ，大于 ，也即Id不為零，所以 才是理想空載點。圖10-3 電流斷續(xù)時電動勢的特性曲線 在電流斷續(xù)情況下， 時，電動機的實際空載反電動勢都是 ；當 以后，空載反電動勢將由 決定。 610.1.1 工作于整流狀態(tài)時圖10-4 考慮電流斷續(xù)時不同時反電動勢的特性曲線123460 當電流斷續(xù)時，電動機的理想空載轉(zhuǎn)速抬高，這是電流斷續(xù)時電動機機械特性的第一個特點；第二個特點是，在電流斷

5、續(xù)區(qū)內(nèi)電動機的機械特性變軟，即負載電流變化很小也可引起很大的轉(zhuǎn)速變化。大的反電動勢特性，其電流斷續(xù)區(qū)的范圍（以虛線表示）要比小時的電流斷續(xù)區(qū)大，這是由于愈大，變壓器加給晶閘管陽極上的負電壓時間愈長，電流要維持導通，必須要求平波電抗器儲存較大的磁能，而電抗器的L為一定值的情況下，要有較大的電流Id才行；故隨著的增加，進入斷續(xù)區(qū)的電流值加大，這是電流斷續(xù)時電動機機械特性的第三個特點。 710.1.1 工作于整流狀態(tài)時電流斷續(xù)時電動機機械特性可由下面三個式子準確地得出 式中， ， ，L為回路總電感。 (10-6)(10-7)(10-8)810.1.1 工作于整流狀態(tài)時一般只要主電路電感足夠大，可以只

6、考慮電流連續(xù)段，完全按線性處理，當?shù)退佥p載時，斷續(xù)作用顯著，可改用另一段較陡的特性來近似處理。 整流電路為三相半波時，在最小負載電流為Idmin時，為保證電流連續(xù)所需的主回路電感量（單位為mH）為 對于三相橋式全控整流電路帶電動機負載的系統(tǒng)，有 L中包括整流變壓器的漏電感、電樞電感和平波電抗器的電感，前者數(shù) 值都較小，有時可忽略；Idmin一般取電動機額定電流的5%10%。 三相橋式全控整流電壓的脈動頻率比三相半波的高一倍，因而所需平波電抗器的電感量也可相應減小約一半。 (10-9)(10-10)9 因為 ，可求得電動機的機械特性方程式 10.1.2 工作于有源逆變狀態(tài)時電流連續(xù)時電動機的機械

7、特性 電壓平衡方程式為 逆變時由于 ，EM反接，得 正組變流器反組變流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a =b =p2a =b =p2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向圖10-5 電動機在四象限中的機械特性 上式的負號表示逆變時電動機的轉(zhuǎn)向與整流時相反；調(diào)節(jié)就可改變電動機的運行轉(zhuǎn)速，值愈 小，相應的轉(zhuǎn)速愈高；反之則轉(zhuǎn)速愈低。 (10-11)(10-12)1010.1.2 工作于有源逆變狀態(tài)時電流斷續(xù)時電動機的機械特性 電動機機械特性可由下面三個式子準確地得出 當電流斷續(xù)時電動機的機械特性不

8、僅和逆變角有關，而且和電路參數(shù)、導通角等有關系。 (10-13)(10-14)(10-15)1110.1.2 工作于有源逆變狀態(tài)時正組變流器反組變流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a =b =p2a =b =p2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向圖10-5 電動機在四象限中的機械特性 圖10-5中右下的虛線以左的部分為逆變電流斷續(xù)時電動機的機械特性，其特點是：理想空載轉(zhuǎn)速上翹很多，機械特性變軟，且呈現(xiàn)非線性。 逆變狀態(tài)的機械特性是整流狀態(tài)的延續(xù)，縱觀控制角由小變大（如/6 5/6），電動機

9、的機械特性則逐漸的由第1象限往下移，進而到達第4象限；第2象限里也為逆變狀態(tài)，與它對應的整流狀態(tài)的機械特性則表示在第3象限里。第1、第4象限中的特性和第3、第2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反，故分別標以正組和反組變流器。 運行工作點由第1（第3）象限的特性，轉(zhuǎn)到第2（第4）象限的特性時，表明電動機由電動運行轉(zhuǎn)入發(fā)電制動運行；相應的變流器的工況由整流轉(zhuǎn)為逆變。 12直流可逆電力拖動系統(tǒng) 電路結(jié)構(gòu) 圖10-6a是有環(huán)流接線，圖10-6b是無環(huán)流接線，環(huán)流是指只在兩組變流器之間流動而不經(jīng)過負載的電流。 根據(jù)電動機所需的運轉(zhuǎn)狀態(tài)來決定哪一組變流器工作及其相應的工作狀

10、態(tài)：整流或逆變。 四象限運行時的工作情況 第1象限，正轉(zhuǎn)，電動機作電動運行，正組橋工作在整流狀態(tài)，1/2，EMUd （下標中有表示整流，下標1表示正組橋，下標2表示反組橋）。 10.1.3 直流可逆電力拖動系統(tǒng)圖10-6 兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路13第2象限，正轉(zhuǎn)，電動機作發(fā)電運行，反組橋工作在逆變狀態(tài)，2/2)，EMUd（下標中有表示逆變）。第3象限，反轉(zhuǎn)，電動機作電動運行，反組橋工作在整流狀態(tài)，2/2，EMUd。第4象限，反轉(zhuǎn)，電動機作發(fā)電運行，正組橋工作在逆變狀態(tài)， 1/2) ， EMUd 。10.1.3 直流可逆電力拖動系統(tǒng)圖10-6 兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路。1410.1.3 直

11、流可逆電力拖動系統(tǒng)圖10-6 (c)直流可逆拖動系統(tǒng)，能方便地實現(xiàn)正反向運轉(zhuǎn)外，還能實現(xiàn)回饋制動。 由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的過程 從1組橋切換到2組橋工作，并要求2組橋在逆變狀態(tài)下工作，電動機進入第2象限（之前運行在第1象限）作正轉(zhuǎn)發(fā)電運行，電磁轉(zhuǎn)矩變成制動轉(zhuǎn)矩，電動機軸上的機械能經(jīng)2組橋逆變?yōu)榻涣麟娔芑仞侂娋W(wǎng)。 改變2組橋的逆變角，使之由小變大直至=/2（n=0），如繼續(xù)增大，即/2，2組橋?qū)⑥D(zhuǎn)入整流狀態(tài)下工作，電動機開始反轉(zhuǎn)進入第3象限的電動運行。 電動機從反轉(zhuǎn)到正轉(zhuǎn)，其過程則由第3象限經(jīng)第4象限最終運行在第1象限上。 1510.1.3 直流可逆電力拖動系統(tǒng)根據(jù)對環(huán)流的不同處理方法，反并聯(lián)可逆電路又

12、可分為幾種不同的控制方案，如配合控制有環(huán)流（即=工作制）、可控環(huán)流、邏輯控制無環(huán)流和錯位控制無環(huán)流等。 對于=配合控制的有環(huán)流可逆系統(tǒng)，當系統(tǒng)工作時，對正、反兩組變流器同時輸入觸發(fā)脈沖，并嚴格保證=的配合控制關系，兩組變流器的輸出電壓平均值相等，且極性相抵，之間沒有直流環(huán)流；但輸出電壓瞬時值不等，會產(chǎn)生脈動環(huán)流，為防止環(huán)流只經(jīng)晶閘管流過而使電源短路，必須串入環(huán)流電抗器LC限制環(huán)流。 工程上使用較廣泛的邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)不設置環(huán)流電抗器，控制原則是：兩組橋在任何時刻只有一組投入工作（另一組關斷），所以在兩組橋之間就不存在環(huán)流；變流器之間的切換過程是由邏輯單元控制的，故稱為邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)。 1

13、610.2 變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng) 10.2.1 交直交變頻器 10.2.2 交流電機變頻調(diào)速的控制方式1710.2 變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng)引言直流調(diào)速傳動系統(tǒng)的缺點 受使用環(huán)境條件制約。 需要定期維護。 最高速度和容量受限制。交流調(diào)速傳動系統(tǒng)的優(yōu)點 克服了直流調(diào)速傳動系統(tǒng)的缺點。 交流電動機結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。 節(jié)能。 高精度，快速響應。交流電機的控制技術(shù)較為復雜，對所需的電力電子變換器要求也較高，所以直到近二十年時間，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，其應用已在逐步取代傳統(tǒng)的直流傳動系統(tǒng)。 1810.2.1 交直交變頻器交直交變頻器（Variable Voltag

14、e Variable Frequency，簡稱VVVF電源 ）是由AC/DC、DC/AC兩類基本的變流電路組合形成，又稱為間接交流變流電路，最主要的優(yōu)點是輸出頻率不再受輸入電源頻率的制約。 再生反饋電力的能力 當負載電動機需要頻繁、快速制動時，通常要求具有再生反饋電力的能力。 圖10-7所示的電壓型交直交變頻電路不能再生反饋電力。 其整流部分采用的是不可控整流，它和電容器之間的直流電壓和直流電流極性不變，只能由電源向直流電路輸送功率，而不能由直流電路向電源反饋電力。 逆變電路的能量是可以雙向流動的，若負載能量反饋到中間直流電路，而又不能反饋回交流電源，這將導致電容電壓升高，稱為泵升電壓，泵升電

15、壓過高會危及整個電路的安全。 圖10-7 不能再生反饋的電壓型間接交流變流電路 1910.2.1 交直交變頻器圖10-8 帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路 圖10-9 利用可控變流器實現(xiàn)再生反饋的電壓型間接交流變流電路 圖10-10 整流和逆變均為PWM控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 圖10-8的電路中加入一個由電力晶體管V0和能耗電阻R0組成的泵升電壓限制電路，當泵升電壓超過一定數(shù)值時，使V0導通，把從負載反饋的能量消耗在R0上，這種電路可運用于對電動機制動時間有一定要求的調(diào)速系統(tǒng)中。 圖10-9所示的電路增加了一套變流電路，使其工作于有源逆變狀態(tài)

16、，可實現(xiàn)電動機的再生制動；當負載回饋能量時，中間直流電壓極性不變，而電流反向，通過控制變流器將電能反饋回電網(wǎng)。 圖10-10是整流電路和逆變電路都采用PWM控制的間接交流變流電路，可簡稱雙PWM電路，該電路輸入輸出電流均為正弦波，輸入功率因數(shù)高，且可實現(xiàn)電動機四象限運行，但由于整流、逆變部分均為PWM控制且需要采用全控型器件，控制較復雜，成本也較高。 2010.2.1 交直交變頻器圖10-11 采用可控整流的電流型間接交流變流電路 圖10-12 電流型交直交PWM變頻電路 圖10-13 整流和逆變均為PWM控制的電流型間接交流變流電路 圖10-11給出了可以再生反饋電力的電流型間接交流變流電路

17、，當電動機制動時，中間直流電路的電流極性不能改變，要實現(xiàn)再生制動，只需調(diào)節(jié)可控整流電路的觸發(fā)角，使中間直流電壓反極性即可。圖10-12給出了實現(xiàn)基于上述原理的電路圖，為適用于較大容量的場合，將主電路中的器件換為GTO，逆變電路輸出端的電容C是為吸收GTO關斷時產(chǎn)生的過電壓而設置的，它也可以對輸出的PWM電流波形起濾波作用。 電流型間接交流變流電路也可采用雙PWM電路，為了吸收換流時的過電壓，在交流電源側(cè)和交流負載側(cè)都設置了電容器；可四象限運行，同時通過對整流電路的PWM控制可使輸入電流為正弦波，并使輸入功率因數(shù)為1。 2110.2.2 交流電機變頻調(diào)速的控制方式籠型異步電動機的定子頻率控制方式

18、 恒壓頻比控制 異步電動機的轉(zhuǎn)速主要由電源頻率和極對數(shù)決定，改變電源（定子）頻率可對電動機進行調(diào)速，同時為了不使電動機因頻率變化導致磁飽和而造成勵磁電流增大，引起功率因數(shù)和效率的降低，需對變頻器的電壓和頻率的比率進行控制，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。 圖10-14 采用恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖 圖10-14給出了一個實例，轉(zhuǎn)速給定既作為調(diào)節(jié)加減速度的頻率f指令值，同時經(jīng)過適當分壓，也被作為定子電壓V1的指令值，該f指令值和V1指令值之比就決定了V/f比值，由于頻率和電壓由同一給定值控制，因此可以保證壓頻比為恒定；電機的轉(zhuǎn)向由變頻器輸出電壓的相序決定，不需要由

19、頻率和電壓給定信號反映極性。 2210.2.2 交流電機變頻調(diào)速的控制方式轉(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)的動態(tài)性能。 從異步電機穩(wěn)態(tài)模型可以證明，當穩(wěn)態(tài)氣隙磁通恒定時，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隨實際轉(zhuǎn)速r增加或減小，得到平滑而穩(wěn)定的調(diào)速，保證了較高的調(diào)速范圍和動態(tài)性能。 這種方法是基于電機穩(wěn)態(tài)模型的，仍然不能得到理想的動態(tài)性能。矢量控制 異步電動機的數(shù)學模型是高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。 矢量控制方式基于異步電機的按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的動態(tài)數(shù)學模型，將定子電流分解為勵磁分量和

20、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，分別獨立地對兩個電流分量進行控制，類似直流調(diào)速系統(tǒng)中的雙閉環(huán)控制方式。 該方式需要實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和磁鏈的解耦，控制系統(tǒng)較為復雜。 直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制方法同樣是基于電機的動態(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)矩的快速動態(tài)響應，并且控制相對要簡單許多。 2310.3 不間斷電源不間斷電源（Uninterruptible Power Supply UPS）是當交流輸入電源（習慣稱為市電）發(fā)生異?；驍嚯姇r，還能繼續(xù)向負載供電，并能保證供電質(zhì)量，使負載供電不受影響的裝置。廣義地說，UPS包括輸出為直流和輸出為交流兩種

21、情況，目前通常是指輸出為交流的情況UPS是恒壓恒頻（CVCF）電源中的主要產(chǎn)品之一，廣泛應用于各種對交流供電可靠性和供電質(zhì)量要求高的場合。 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，當市電正常時，由市電供電，當市電異常乃至停電時，由蓄電池向逆變器供電，因此從負載側(cè)看，供電不受市電停電的影響；在市電正常時，負載也可以由逆變器供電，此時負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)量問題（如電壓波動、頻率波動、波形畸變和瞬時停電等）時，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。

22、2410.3 不間斷電源圖10-16 具有旁路開關的UPS系統(tǒng)圖10-17 用柴油發(fā)電機作為后備電源的UPS為保證市電異?；蚰孀兤鞴收蠒r負載供電的切換，實際的UPS產(chǎn)品中多數(shù)都設置了旁路開關，如圖10-16所示，市電與逆變器提供的CVCF電源由轉(zhuǎn)換開關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，必須保證兩個電壓的相位一致，通常采用鎖相同步的方法。在市電斷電時由于由蓄電池提供電能，供電時間取決于蓄電池容量的大小，有很大的局限性，為了保證長時間不間斷供電，可采用柴油發(fā)電機（簡稱油機）作為后備電源，如圖10-17所示，蓄電池只需作為市電與油機之間的過渡，容量可以比較小。2510.3

23、 不間斷電源圖10-18 小容量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的開關損耗，采用較低的開關頻率。 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。 2610.4 開關電源 10.4.1 開關電源的結(jié)構(gòu) 10.4.2 開關電源的控制方式 10.4.3 開關電源的應用2710.4

24、 開關電源引言在各種電子設備中，需要多路不同電壓供電，如數(shù)字電路需要5V、3.3V、2.5V等，模擬電路需要12V、15V等，這就需要專門設計電源裝置來提供這些電壓，通常要求電源裝置能達到一定的穩(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。 開關電源在效率、體積和重量等方面都遠遠優(yōu)于線性電源，因此已經(jīng)基本取代了線型電源，成為電子設備供電的主要電源形式。 圖10-20 線性電源的基本

25、電路結(jié)構(gòu) 圖10-21 半橋型開關電源電路結(jié)構(gòu) 2810.4.1 開關電源的結(jié)構(gòu)圖10-22 開關電源的能量變換過程交流輸入的開關電源 交流輸入、直流輸出的開關電源將交流電轉(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，較為先進的開關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電源的核心部分，具體的電路采用的是隔離型直流直流變流電路。 高性能開關電源中普遍采用了軟開關技術(shù)。 可以采用給高頻變壓器設計多個二次側(cè)繞組的方法來實現(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

26、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路的負載變化時，其它路的電壓也會跟著變化。 圖10-23 多路輸出的整流電路 2910.4.1 開關電源的結(jié)構(gòu)直流輸入的開關電源 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-Boost等電路。 負載點穩(wěn)壓器(POL-Point Of the Load regulator) 僅僅為1個專門的元件（通常是一個大規(guī)模集成電路芯片）供電的直流直流變換器。 計算機主板上給CPU和存

27、儲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，利用其低導通電阻的特點來降低電路中的通態(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 3010.4.1 開關電源的結(jié)構(gòu)圖10-25 通信電源系統(tǒng) 分布式電源系統(tǒng) 在通信交換機、巨型計算機等復雜的電子裝置中，供電的路數(shù)太多，總功率太大，難以用一個開關電源完成，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

28、到直流母線上，直流母線連接到交換機中每塊電路板，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候交換機還能正常工作 。 一次電源采用多個開關電源并聯(lián)的方案，每個開關電源僅僅承擔一部分功率，并聯(lián)運行的每個開關電源有時也被成稱為“模塊”，當其中個別模塊發(fā)生故障時，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)運行，這被稱為“冗余”。 3110.4.2 開關電源的控制方式圖10-26 開關電源的控制系統(tǒng) 圖10-27 電流模式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 典型的開關電源控制系統(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

29、制，僅有一個輸出電壓反饋控制環(huán)。 其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，但有一個顯著的缺點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作為電流環(huán)的參考信號，給這一信號設置限幅，就可以限值電路中的最大電流，達到短路和過載保護的目的，還可以實現(xiàn)恒流控制。 3210.4.2 開關電源的控制方式圖10-28 峰值電流模式控制的原理 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：開關的開通由時鐘CLK信號控制，CLK信號每隔一定的時間就使RS觸發(fā)器置位，使開關開通；開關開通后iL上升，當iL

30、達到電流給定值iR后，比較器輸出信號翻轉(zhuǎn)，并復位RS觸發(fā)器，使開關關斷。 a)b)3310.4.2 開關電源的控制方式圖10-29 平均電流模式控制的原理 a)b) 峰值電流模式控制的不足：該方法控制電感電流的峰值，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，這對很多需要精確控制電感電流平均值的開關電源來說是不能允許的；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相比較，但電感電流中通常含有一些開關過程產(chǎn)生的噪聲信號，容易造成比較器的誤動作，使電感電流發(fā)生不規(guī)則的波動。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

31、波信號uS相比較，得到周期固定、占空比變化的PWM信號，用以控制開關的通與斷。 3410.4.3 開關電源的應用開關電源廣泛用于各種電子設備、儀器，以及家電等，如臺式計算機和筆記本計算機的電源，電視機、DVD播放機的電源，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；手機等移動電子設備的充電器也是開關電源，但功率僅有幾W；通信交換機、巨型計算機等大型設備的電源也是開關電源，但功率較大，可達數(shù)kW數(shù)百kW；工業(yè)上也大量應用開關電源，如數(shù)控機床、自動化流水線中，采用各種規(guī)格的開關電源為其控制電路供電。 開關電源還可以用于蓄電池充電、電火花加工，電鍍、電解等電化學過

32、程等，功率可達幾十幾百kW；在X光機、微波發(fā)射機、雷達等設備中，大量使用的是高壓、小電流輸出的開關電源。 3510.5 功率因數(shù)校正技術(shù) 10.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理 10.5.2 單級功率因數(shù)校正技術(shù)3610.5 功率因數(shù)校正技術(shù)引言以開關電源為代表的各種電力電子裝置帶來一些負面的問題：輸入電流不是正弦波，就涉及到諧波和功率因數(shù)的問題。功率因數(shù)校正PFC (Power Factor Correction)技術(shù)即對電流脈沖的幅度進行抑制，使電流波形盡量接近正弦波的技術(shù)，分成無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩種。 無源功率因數(shù)校正技術(shù)通過在二極管整流電路中增加電感、電容等無源元件和

33、二極管元件，對電路中的電流脈沖進行抑制，以降低電流諧波含量，提高功率因數(shù)。 有源功率因數(shù)校正技術(shù)采用全控開關器件構(gòu)成的開關電路對輸入電流的波形進行控制，使之成為與電源電壓同相的正弦波。 373810.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理圖10-30 典型的單相有源PFC電路及主要原理波形 單相功率因數(shù)校正電路的基本原理 實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 和實際的直流電壓ud比較后送入PI調(diào)節(jié)器，得到指令信號id，id和整流后正弦電壓相乘得到輸入電流的指令信號i*，該指令信號和實際電感電流信號比較后，通過滯環(huán)對開關器件進行控制，便可使輸入直流電流跟蹤指令值，這樣交流

34、側(cè)電流波形將近似成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)。3910.5.1 功率因數(shù)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S的通斷控制；S通時，iL增長，S斷時，iL下降，因此控制S的占空比按正弦絕對值規(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。 4010.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理圖10-31 三相單開關PFC電路圖10-32 三相單開關PFC電路的工作波形三相功率因數(shù)校正電路的

35、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的電流在每個開關周期內(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（正向或負向），S關斷后，三相電感電流通過D7向負載側(cè)流動，并迅速下降到零。 在每一個開關周期中，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S關斷后電流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波。 4110.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理 在分析中略去了電流波形中非陰影部分

36、，因此實際的電流波形 同正弦波相比有些畸變，如果輸出直流電壓很高，則開關S關斷 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，開關器件的通態(tài)損耗和開關損耗都很大，因此適用于36kW的中小功率電源中。 圖10-31 三相單開關PFC電路圖10-32 三相單開關PFC電路的工作波形4210.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理開關電源中采用有源PFC電路帶來以下好處 輸入功率因數(shù)提高，輸入諧波電流減小，降低了電源對電網(wǎng)的干擾，滿足了現(xiàn)行諧波限制標準。 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

37、線路、開關、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大，能適應世界各國不同的電網(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顯著減小，使后級DC-DC變換電路的工作點保持穩(wěn)定，有利于提高控制精度和效率。單相有源功率因數(shù)校正電路較為簡單，僅有1個全控開關器件。該電路容易實現(xiàn)，可靠性也較高，因此應用非常廣泛；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。4310.5.2 單級功率因數(shù)校正技術(shù)單級PFC變換器拓撲是將功率因數(shù)校正電路中的開關元件與后級DC-DC變換器中的開關元件

38、合并和復用，將兩部分電路合而為一。單級變換器的優(yōu)點 開關器件數(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輸出電壓控制閉環(huán)，簡化了控制電路。 有些單級變換器拓撲中部分輸入能量可以直接傳遞到輸出側(cè)，不經(jīng)過兩級變換，所以效率可能高于兩級變換器。 4410.5.2 單級功率因數(shù)校正技術(shù)圖10-33 典型的boost型單級PFC AC/DC變換器 單級PFC變換器 適合于小功率電源，以單相變換器為主，主要性能指標包括：效率、元件數(shù)量、輸入電流畸變率等，這些指標在很大程度上取決于電路的拓撲形式。 工作原理 開關在一個開關周期中按照一定的占空比導通，開關導通時，輸入電源通過開關給升壓電路中的L1

39、儲能，同時C1通過開關給反激變壓器儲能。 開關關斷時，輸入電源與L1一起給C1充電，反激變壓器同時向副邊電路釋放能量。 開關的占空比由輸出電壓調(diào)節(jié)器決定，在輸入電壓及負載一定的情況下，C1兩端電壓在工作過程中基本保持不變，開關的占空比也基本保持不變；輸入功率中的100Hz波動由C1進行平滑濾波。 4510.5.2 單級功率因數(shù)校正技術(shù)單級PFC電路的特點 單級PFC電路減少了主電路的開關器件數(shù)量，使主電路體積及成本降低。同時控制電路通常只有一個輸出電壓控制閉環(huán)，簡化了控制電路 單級PFC變換器減少了元件的數(shù)量，但是，單級PFC變換器元件的額定值都比較高，所以單級PFC變換器僅在小功率時整個裝置

40、的成本和體積才具有優(yōu)勢，對于大功率場合，兩級PFC變換器比較適合。 單級PFC變換器的輸入電流畸變率明顯高于兩級變換器，特別是僅采用輸出電壓控制閉環(huán)的Boost型變換器。 4610.6 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用10.6.1 高壓直流輸電10.6.2 無功功率控制10.6.3 電力系統(tǒng)諧波抑制10.6.4 電能質(zhì)量控制、柔性交流輸電與定制 電力技術(shù)4710.6.1 高壓直流輸電圖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（High Voltage DC TransmissionHVDC）是電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中最早開始的應用領域，20世紀50年代以來，當電力電子技術(shù)的

41、發(fā)展帶來了可靠的高壓大功率交直流轉(zhuǎn)換技術(shù)之后，高壓直流輸電越來越受到人們的關注。原理和典型結(jié)構(gòu) 原理 發(fā)電廠輸出交流電，由變壓器（換流變壓器）將電壓升高后送到晶閘管整流器，由晶閘管整流器將高壓交流變?yōu)楦邏褐绷鳌?經(jīng)直流輸電線路輸送到電能的接受端。 4810.6.1 高壓直流輸電圖10-34 高壓直流輸電系統(tǒng)的基本原理和典型結(jié)構(gòu) 在受端電能又經(jīng)過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用戶。典型結(jié)構(gòu) 圖10-34是典型的采用十二脈波換流器的雙極高壓直流輸電線路。 雙極是指其輸電線路兩端的每端都由兩個額定電壓相等的換流器串聯(lián)聯(lián)結(jié)而成，具有兩根傳輸導線，分別為正極和負極，每端兩個換流器

42、的串聯(lián)連接點接地。 兩極獨立運行，當一極停止運行時，另一極以大地作回路還可以帶一半的負荷，這樣就提高了運行的可靠性，也有利于分期建設和運行維護；單極高壓直流輸電系統(tǒng)只用一根傳輸導線（一般為負極），以大地或海水作為回路。 4910.6.1 高壓直流輸電高壓直流輸電的優(yōu)勢 更有利于進行遠距離和大容量的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。 直流輸電線導體沒有積膚效應問題，相同輸電容量下直流輸電線路的占地面積也小。 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。 更容易解決同步、穩(wěn)定性等等復雜問題。 更有利于系統(tǒng)控制。 通過對換流

43、器的有效控制可以實現(xiàn)對傳輸?shù)挠泄β实目焖俣鴾蚀_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。 5010.6.2 無功功率控制在電力系統(tǒng)中，對無功功率的控制是非常重要的，通過對無功功率的控制，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)良的無功補償方式。 圖10-35是TSC的基本原理圖，可以看出TSC的基本原理實際上是就是用交流電力電子開關來投如或者切除電容器，兩個反并聯(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，只是用來抑制電容器投入電網(wǎng)時可能出現(xiàn)的

44、沖擊電流；在實際工程中，為避免容量較大的電容器組同時投入或切斷會對電網(wǎng)造成較大的沖擊，一般把電容器分成幾組，根據(jù)電網(wǎng)對無功的需求而改變投入電容器的容量，TSC實際上就成為斷續(xù)可調(diào)的動態(tài)無功功率補償器。 圖10-35 TSC基本原理圖a) 基本單元單相簡圖 b) 分組投切單相簡圖5110.6.2 無功功率控制圖10-36 TSC理想投切時刻原理說明TSC運行時晶閘管投入時刻的原則 該時刻交流電源電壓應和電容器預先充電的電壓相等，這樣電容器電壓不會產(chǎn)生躍變，也就不會產(chǎn)生沖擊電流。 一般來說，理想情況下，希望電容器預先充電電壓為電源電壓峰值，這時電源電壓的變化率為零，因此在投入時刻iC為零，之后才按

45、正弦規(guī)律上升；這樣，電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化。 如圖10-36，導通開始時uC已由上次導通時段最后導通的晶閘管VT1充電至電源電壓us的正峰值，t1時刻導通VT2，以后每半個周波輪流觸發(fā)VT1和VT2；切除這條電容支路時，如在t2時刻iC已降為零，VT2關斷， uC保持在VT2導通結(jié)束時的電源電壓負峰值，為下一次投入電容器做了準備。 5210.6.2 無功功率控制圖10-37 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TSC 由于二極管的作用在電路不導通時uC總會維持在電源電壓峰值。 這種電路成本稍低，但因為二極管不可控，響應速度要慢一些，投切電容器的最

46、大時間滯后為一個周波。 5310.6.2 無功功率控制晶閘管控制電抗器（TCR ） 晶閘管交流調(diào)壓電路帶電感性負載的一個典型應用，圖10-38所示為TCR的典型電路，可以看出是支路控制三角聯(lián)結(jié)方式的晶閘管三相交流調(diào)壓電路。 通過對角的控制，可以連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器的電流，從而調(diào)節(jié)電路從電網(wǎng)中吸收的無功功率，如配以固定電容器，則可以在從容性到感性的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率。 圖10-38 晶閘管控制電抗器(TCR)電路電抗器中所含電阻很小，可以近似看成純電感負載，因此 的移相范圍為90180。 5410.6.2 無功功率控制圖10-39 TCR電路負載相電流和輸入線電流波形a) =120 b) =1

47、35 c) =160圖10-39給出了分別為120、135和160時TCR電路的負載相電流和輸入線電流的波形。5510.6.2 無功功率控制靜止無功發(fā)生器 靜止無功發(fā)生器SVG在本書中專指由自換相的電力電子橋式變流器來進行動態(tài)無功補償?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。 采用電壓型橋式電路的SVG如圖10-40a，直流側(cè)采用的是電容，還需再串聯(lián)上連接電抗器才能并入電網(wǎng)。 采用電流型橋式電路的SVG如圖10-40b，直流側(cè)采用的是電感，還需在交流側(cè)并聯(lián)上吸收換相產(chǎn)生的過電壓的電容器才能并入電網(wǎng)。圖10-40 SVG的電路基本結(jié)構(gòu)圖a）采用電壓型橋式電路 b）采用電流型

48、橋式電路5610.6.2 無功功率控制SVG（采用電壓型橋式電路）的工作原理 由于運行效率的原因迄今投入實用的SVG大都采用電壓型橋式電路。 SVG可以等效地被視為幅值和相位均可以控制的一個與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源，通過交流電抗器連接到電網(wǎng)上。 設電網(wǎng)電壓和SVG輸出的交流電壓分別用相量 和 表示，改變 的幅值及其相對于 的相位，就可以改變連接電抗上的電壓，從而控制SVG從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值，也就控制了SVG吸收無功功率的性質(zhì)和大小。 圖10-41 SVG等效電路及工作原理 a） 單相等效電路 b） 工作相量圖 5710.6.2 無功功率控制與傳統(tǒng)SVC相比較 傳統(tǒng)的以TCR為代表的SV

49、C，由于其所能提供的最大電流分別是受其并聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器的阻抗特性限制的，因而隨著電壓的降低而減小，因此SVG的運行范圍比傳統(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)等措施后可大大減少補償電流中諧波的含量。 SVG使用的電抗器和電容元件遠比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還可以在必要時短時間內(nèi)向電網(wǎng)提供一定量的有功功率。 SVG的控制方法和控制系統(tǒng)要比傳統(tǒng)SVC復雜，另外SVG要使用數(shù)量較多的較大容量自關斷器件，其價格目前仍比SVC使用的普通晶閘管高得多。 5810.6.2 無功功率控制SVG發(fā)展的共同特點 SVG的主電路由早期的

50、以多重化的方波變流器為主要形式，已發(fā)展為以PWM變流器為主要形式。 SVG的變流器中所采用的電力半導體器件已由早期的以GTO為主，已逐步發(fā)展為采用IGBT和IGCT，采用IGBT的趨勢更為明顯。 SVG的補償目標已由早期的以對輸電系統(tǒng)的補償為主，擴展到了對配電系統(tǒng)補償，甚至負荷補償?shù)雀鱾€層次。 5910.6.3 電力系統(tǒng)諧波抑制抑制諧波有兩條基本思路，一是裝設補償裝置，設法補償其產(chǎn)生的諧波；另一條就是對電力電子裝置本身進行改進，使其不產(chǎn)生諧波，同時還不消耗無功功率，或者根據(jù)需要能對其功率因數(shù)進行控制，即采用高功率因數(shù)變流器。調(diào)諧濾波器 是傳統(tǒng)的補償諧波的主要手段。 其結(jié)構(gòu)簡單，既可補償諧波，又

51、可補償無功，一直被廣泛應用于對電力系統(tǒng)中諧波和無功功率的補償。 有源電力濾波器（Active Power FilterAPF） 有源電力濾波器的思想最早提出于上世紀60年代末，1976年確立了有源電力濾波器的完整概念和主電路拓撲結(jié)構(gòu)，上世紀80年代以來，由于新型電力半導體器件的出現(xiàn)，PWM逆變技術(shù)的發(fā)展，以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出，有源電力濾波器才得以迅速發(fā)展。 6010.6.3 電力系統(tǒng)諧波抑制圖10-42 有源電力濾波器的基本原理和典型電流波形圖10-43 有源電力濾波器的變流電路有源電力濾波器的基本原理 如圖10-42所示，有源電力濾波器檢測出負載電流 iL中的

52、諧波電流 iLh，根據(jù)檢測結(jié)果產(chǎn)生與iLh大小相等而方向相反的補償電流 iC，從而使流入電網(wǎng)的電流iS只含有基波分量 iLf。與LC無源濾波器相比，有源濾波能對變化的諧波進行迅速的動態(tài)跟蹤補償，而且補償特性不受電網(wǎng)頻率和阻抗的影響。有源電力濾波器的變流電路可分為電壓型和電流型，目前實用的裝置大都是電壓型；從與補償對象的連接方式來看，有源電力濾波器又可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。 串聯(lián)型APF通過變壓器連在電源和負載間，相當于一個受控電壓源，既可補償電流，也可消除電壓畸變。 并聯(lián)型6110.6.4 電能質(zhì)量控制、柔性交流輸電與定制電力技術(shù)應用電力電子技術(shù)不僅可以有效地控制無功功率從而保障系統(tǒng)電壓的幅度，

53、可以補償諧波從而保障供電電壓的波形，而且可以解決不對稱、電壓幅度暫低（voltage sag）和電壓閃變（flicker）等各種穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的電能質(zhì)量問題，這被稱為采用電力電子裝置的電能質(zhì)量控制技術(shù)。 電力電子裝置包括SVC和SVG，APF，用來補償電壓暫低的動態(tài)電壓恢復器（Dynamic Voltage RestorerDVR），以及用來綜合補償多種電能質(zhì)量問題的串聯(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（Universal Power Quality ControllerUPQC）等。將電力電子技術(shù)應用于輸電系統(tǒng)中，可以顯著增強對系統(tǒng)的控制能力、大幅提高系統(tǒng)的輸電能力，這

54、就是所謂的柔性交流輸電系統(tǒng)（Flexible AC Transmission SystemFACTS）。 采用的典型電力電子裝置有SVC 、SVG 、晶閘管投切串聯(lián)電容器（Thyristor Switched Series CapacitorTSSC）、晶閘管控制串聯(lián)電容器（Thyristor Controlled Series CapacitorTCSC）和靜止同步串聯(lián)補償器（Static Synchronous Series CompensatorSSSC）等可控串聯(lián)補償器，以及統(tǒng)一潮流控制器（Unified Power Flow ControllerUPFC）等。 6210.6.4 電能

55、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、APF和動態(tài)電壓恢復器DVR等電能質(zhì)量控制裝置以外，還包括由反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成的固態(tài)切換開關（Solid State Transfer SwitchSSTS）等。最近興起的新能源發(fā)電所產(chǎn)生的電能大都需要經(jīng)過各種電力電子裝置的變換和控制才能夠給用戶使用或者聯(lián)網(wǎng)，電力電子技術(shù)的應用全面覆蓋了電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電和配電三大環(huán)節(jié)。 6310.7 電力電子技

56、術(shù)的其他應用 10.7.1 電子鎮(zhèn)流器 10.7.2 焊機電源6410.7.1 電子鎮(zhèn)流器在各種氣體放電燈中采用電子鎮(zhèn)流器已成為廣泛采用的節(jié)能措施，傳統(tǒng)的鎮(zhèn)流器是電感式的，電感鎮(zhèn)流器的構(gòu)造本身就會產(chǎn)生渦流，發(fā)生功耗，加之使用的矽鋼片的材料質(zhì)量、制作工藝都會加劇這一功耗使鎮(zhèn)流器發(fā)熱。 電子鎮(zhèn)流器的原理 電子鎮(zhèn)流器的核心是高頻變換電路。 工頻市電電壓在整流之前，首先經(jīng)過射頻干擾(RFI)濾波器濾波，RFI濾波器一般由電感和電容元件組成，用來阻止鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的高次諧波反饋到輸入交流電網(wǎng)，以抑止對電網(wǎng)的污染和對電子設備的干擾，同時也可以防止來自電網(wǎng)的干擾侵入到電子鎮(zhèn)流器。 在其整流器與大容量的濾波電解電

57、容器之間，設置一級功率因數(shù)校正(PFC)升壓型變換電路，其作用就是獲得低電流諧波畸變，實現(xiàn)高功率因數(shù)。 圖10-44 電子鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)框圖6510.7.1 電子鎮(zhèn)流器DC/AC逆變器的功能是將直流電壓變換成高頻電壓，逆變電路全控型開關器件，開關頻率一般為2070kHz，主要有半橋式逆變電路和推挽式逆變電路兩種形式。 高頻電子鎮(zhèn)流器的輸出級電路通常采用LC串聯(lián)諧振網(wǎng)絡，燈的啟動通過LC電路發(fā)生串聯(lián)諧振，利用啟動電容兩端產(chǎn)生的高壓脈沖將燈引燃，在燈啟動之后，電感元件對燈起限流作用，由于電子鎮(zhèn)流器開關頻率較高，故電感器只需要很小體積即可勝任。為使電子鎮(zhèn)流器安全可靠地工作，還要設計輔助電路，比如從鎮(zhèn)流器

58、輸出到DC/AC逆變電路引入反饋網(wǎng)絡，通過控制電路以保證與高頻產(chǎn)生器頻率同步化；或者采用異常狀態(tài)保護電路，將電子鎮(zhèn)流器地輸出信號采樣，一旦出現(xiàn)燈開路或燈不能啟動等異常狀態(tài)，則通過控制電路使振蕩器停振，關斷高頻變換器輸出，從而實現(xiàn)保護功能。圖10-44 電子鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)框圖6610.7.1 電子鎮(zhèn)流器電子鎮(zhèn)流器的主要優(yōu)點 能耗低、效率高 電感的功耗較大。 發(fā)光效率高，熒光燈的發(fā)光效率(簡稱光效)和供電的頻率有關，即隨工作頻率的增加而增加。 具有高功率因數(shù)，因為在電子鎮(zhèn)流器中，具有采用功率因數(shù)校正電路。 在電網(wǎng)電壓波動的情況下，保持燈功率和光輸出的恒定。 6710.7.2 焊機電源電焊機是用電能產(chǎn)生

59、熱量加熱金屬而實現(xiàn)焊接的電氣設備，按照焊接加熱原理的不同分為電弧焊機和電阻焊機兩大類型。 電弧焊機是通過產(chǎn)生電弧使金屬融化而實現(xiàn)焊接；電阻焊機是使焊接金屬通過大電流，利用工件表面接觸電阻產(chǎn)生發(fā)熱而融化實現(xiàn)焊接。 目前基于電力電子變換器采用間接直流變換結(jié)構(gòu)的各種直流焊接電源由于其優(yōu)良的特性而得到了廣泛的應用，這種焊接電源中由于存在高頻逆變環(huán)節(jié)，又常被稱為逆變焊機電源。 圖10-45 弧焊電源的基本結(jié)構(gòu)圖6810.7.2 焊機電源弧焊電源的結(jié)構(gòu)和基本工作原理 工頻市電電壓首先經(jīng)過射頻干擾(RFI)濾波器濾波后被整流為直流，再經(jīng)DC/AC逆變器變換為高頻交流電，經(jīng)變壓器降壓隔離后再經(jīng)過整流和濾波得到

60、平滑的直流電。 逆變電路使用的開關器件通常為全控型電力半導體器件，開關頻率一般為幾k幾十kHz，電路結(jié)構(gòu)為半橋、全橋等形式，弧焊電源的輸出電壓一般只有幾十伏，因此輸出整流電路通常采用全波電路以降低電路的損耗。 圖10-45 弧焊電源的基本結(jié)構(gòu)圖6910.7.2 焊機電源圖10-46 一種弧焊電源的外特性曲線 弧焊電源的輸出電壓電流特性依據(jù)不同的焊接工藝有不同的要求，圖10-46為一種弧焊電源的外特性曲線；弧焊電源的控制電路將檢測電源的輸出電壓及電流，調(diào)整逆變電路開關器件的工作狀態(tài)實現(xiàn)所需的控制特性。與傳統(tǒng)的基于電磁元件的電源相比，由于采用了高頻的中間交流環(huán)節(jié)，大大降低了電源的體積、重量，同時提