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

10.4開(kāi)關(guān)電源

10.5功率因數(shù)校正技術(shù)本章小結(jié)

第10章電力電子技術(shù)的應(yīng)用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)310.1.1工作于整流狀態(tài)時(shí)■直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載除本身有電阻、電感外，還有一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)E，通常在電樞回路串聯(lián)一平波電抗器，保證電流連續(xù)。

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)的電壓電流波形

410.1.1工作于整流狀態(tài)時(shí)■觸發(fā)晶閘管，待電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)達(dá)穩(wěn)態(tài)后，由于慣量，反電動(dòng)勢(shì)都基本無(wú)脈動(dòng)，平衡方程為

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。

■電流由負(fù)載轉(zhuǎn)矩所決定，在小電流情況下，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)電流斷續(xù)現(xiàn)象。

(10-1)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

◆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

?三相橋式的機(jī)械特性方程為

圖10-2三相半波電流連續(xù)時(shí)以電流表示的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性

(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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

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◆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)，平波電抗器中的電感儲(chǔ)能減小，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。

圖10-3電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)勢(shì)的特性曲線710.1.1工作于整流狀態(tài)時(shí)圖10-4考慮電流斷續(xù)時(shí)不同時(shí)反電動(dòng)勢(shì)的特性曲線1<2<3<60，5>4>60

?當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速抬高，這是電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的第一個(gè)特點(diǎn)；第二個(gè)特點(diǎn)是，在電流斷續(xù)區(qū)內(nèi)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟，即負(fù)載電流變化很小也可引起很大的轉(zhuǎn)速變化。810.2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(jī)變頻調(diào)速的控制方式910.2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)

◆受使用環(huán)境條件制約。

◆需要定期維護(hù)。

◆最高速度和容量受限制?！鼋涣髡{(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)。

◆交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。

◆節(jié)能。

◆高精度，快速響應(yīng)?！鲒厔?shì):交流調(diào)速系統(tǒng)逐步取代傳統(tǒng)的直流傳動(dòng)系統(tǒng)。

1010.2.1交直交變頻器■交直交變頻器（VariableVoltageVariableFrequency，簡(jiǎn)稱VVVF電源）是由AC/DC、DC/AC組合形成?！鲈偕答侂娏Φ哪芰?/p>

◆要求具有再生反饋電力的能力?！魣D10-7不具再生反饋電力。

?其整流部分不能由直流電路向電源反饋電力。?若負(fù)載能量反饋到中間直流電路，導(dǎo)致泵升電壓危及整個(gè)電路安全。

圖10-7不能再生反饋的電壓型間接交流變流電路

1110.2.1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(shí)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能力的方法?圖10-8V0和能耗電阻R0組成的泵升電壓限制電路。

?圖10-9增加了一套變流電路。

?圖10-10是整流電路和逆變電路都采用PWM控制，簡(jiǎn)稱雙PWM電路。

?輸入功率因數(shù)高，且可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行，控制較復(fù)雜，成本也較高。

1210.2.2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

◆恒壓頻比控制

?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(gè)實(shí)例，該f指令值和V1指令值之比就決定了V/f比值。

1310.2.2交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式◆轉(zhuǎn)差頻率控制

?1=r+s

，則1隨實(shí)際轉(zhuǎn)速r增加或減小，可調(diào)速，保證了較大的調(diào)速范圍。?這種方法是基于電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的，不能得到理想動(dòng)態(tài)性能?！羰噶靠刂?/p>

?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

?采用Bang-Bang控制，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制相對(duì)簡(jiǎn)單。

1410.3不間斷電源■不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply—UPS）?！鰪V義地說(shuō)，UPS包括輸出為直流和輸出為交流兩種情況，目前通常是指交流恒壓恒頻（CVCF）電源。

圖10-15UPS基本結(jié)構(gòu)原理圖■UPS的結(jié)構(gòu)原理

◆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；在市電正常時(shí)，負(fù)載也可以由逆變器供電，也稱為穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。

1510.3不間斷電源圖10-16具有旁路開(kāi)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◆設(shè)置了旁路開(kāi)關(guān)，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?！暨€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。1610.3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

?二極管整流器和直流斬波器（用作PFC），高功率因數(shù)。?逆變器部分使用IGBT并采用PWM控制。

◆GTO大容量UPS主電路

?逆變器部分采用PWM控制。?GTO較低開(kāi)關(guān)頻率。1710.4開(kāi)關(guān)電源

10.4.1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

10.4.3開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用1810.4開(kāi)關(guān)電源·引言■在各種電子設(shè)備中，需要多路不同電壓供電，如5V、3.3V、2.5V、±12V、±15V等?！鲂枰獙ｉT設(shè)計(jì)電源裝置來(lái)提供這些電壓，通常要求穩(wěn)壓精度，足夠大的電流?！鲩_(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，因此已經(jīng)基本取代了線型電源，成為主要電源形式。

圖10-20線性電源的基本電路結(jié)構(gòu)

圖10-21半橋型開(kāi)關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)

1910.4.1開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)圖10-22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

◆交流輸入、直流輸出。

◆整流電路或加PFC電路。

◆高頻逆變－變壓器－高頻整流，隔離型直流直流變流電路?！羝毡椴捎昧塑涢_(kāi)關(guān)技術(shù)。

◆可用多個(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。

圖10-23多路輸出的整流電路

2010.4.1開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)■直流輸入的開(kāi)關(guān)電源

◆也稱為DC-DCConverter，隔離型多采用反激、正激、半橋等，而非隔離型采用Buck、Boost、Buck-Boost等電路?！舴歉綦x的直流－直流變換器經(jīng)常采用同步Buck。圖10-24a)同步降壓電路

圖10-24b)同步升壓電路

2110.4.1開(kāi)關(guān)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)每個(gè)開(kāi)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(kāi)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”。

2210.4.2開(kāi)關(guān)電源的控制方式2310.4.3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，功率通常僅有幾W～幾百W；■還可以用于通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等大型設(shè)備的電源也是開(kāi)關(guān)電源，但功率較大，可達(dá)數(shù)kW～數(shù)百kW。

■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，大量使用的是高壓、小電流輸出的開(kāi)關(guān)電源。

2410.5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(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)2510.5功率因數(shù)校正技術(shù)·引言■功率因數(shù)校正PFC(PowerFactorCorrection)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。

◆有源功率因數(shù)校正技術(shù)采用全控開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成開(kāi)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正弦波。

2610.5.1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(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

?使輸入直流電流跟蹤指令值，這樣交流側(cè)電流波形將近似成為與交流電壓同相的正弦波。2710.5.1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

◆輸入功率因數(shù)提高，輸入諧波電流減小。

◆在輸入相同有功功率的條件下，輸入電流有效值明顯減小。

◆由于有升壓斬波電路，電源允許的輸入電壓范圍擴(kuò)大。

◆由于升壓斬