第8章電力電子裝置(組合變流電路)

教案編寫(xiě)：肖強(qiáng)暉廖無(wú)限授課教師：肖強(qiáng)暉電氣工程系電氣工程教研室現(xiàn)代電力電子技術(shù)ModernPowerElectronics第8章電力電子安裝重點(diǎn)和難點(diǎn)1、間接交流變流電路可分為電壓型和電流型，掌握它們的各種構(gòu)成方式及特點(diǎn)2、交直交變頻器與交流電機(jī)構(gòu)成變頻調(diào)速系統(tǒng)，重點(diǎn)了解恒壓頻比控制方法，并了解轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等其他控制方法：3、CVCF變流電路主要用于UPS，掌握其根本構(gòu)成方式，特點(diǎn)及主電路構(gòu)造。4、掌握間接直流變換電路中的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程為直流——交流——直流，交流環(huán)節(jié)含有變壓器。第8章電力電子安裝概述8.1組合變流電路8.2開(kāi)關(guān)電源8.3有源功率因數(shù)校正8.4不延續(xù)電源〔UPS〕8.5靜止無(wú)功補(bǔ)償安裝8.6變頻調(diào)速安裝本章小結(jié)本章概述1〕常用的電力電子安裝通常是由前述章節(jié)所學(xué)的不同電路組成，本章重點(diǎn)講述有關(guān)這些電力電子安裝根本組合變流電路。2〕另外還要引見(jiàn)電力電子安裝幾個(gè)典型的運(yùn)用第8章電力電子安裝概述8.1組合變流電路8.2開(kāi)關(guān)電源8.3有源功率因數(shù)校正8.4不延續(xù)電源〔UPS〕8.5靜止無(wú)功補(bǔ)償安裝8.6變頻調(diào)速安裝本章小結(jié)8.1組合變流電路引言8.1.1間接交流變流電路8.1.2間接直流變流電路引言8.1組合變流電路引言8.1.1間接交流變流電路8.1.2間接直流變流電路8.1.1間接交流變流電路8.1.1間接交流變流電路8.1.1.1間接交流變流電路原理8.1.1.2交直交變頻器8.1.1.3恒壓恒頻〔CVCF〕電源8.1.1.1間接交流變流電路原理8.1.1.1間接交流變流電路原理8.1.1.1間接交流變流電路原理8.1.1.1間接交流變流電路原理8.1.1.1間接交流變流電路原理8.1.1間接交流變流電路8.1.1.1間接交流變流電路原理8.1.1.2交直交變頻器8.1.1.3恒壓恒頻〔CVCF〕電源8.1.1.2交直交變頻器8.1.1.2交直交變頻器8.1.1.2交直交變頻器8.1.1.2交直交變頻器8.1.1.2交直交變頻器8.1.1.2交直交變頻器8.1.1.2交直交變頻器8.1.1間接交流變流電路8.1.1.1間接交流變流電路原理8.1.1.2交直交變頻器8.1.1.3恒壓恒頻〔CVCF〕電源8.1.1.3恒壓恒頻〔CVCF〕電源8.1.1.3恒壓恒頻〔CVCF〕電源8.1.1.3恒壓恒頻〔CVCF〕電源8.1.1.3恒壓恒頻〔CVCF〕電源8.1組合變流電路引言8.1.1間接交流變流電路8.1.2間接直流變流電路8.1.2間接直流變流電路8.1.2間接直流變流電路8.1.2.1正激電路8.1.2.2反邀電路8.1.2.3半橋電路8.1.2.4全橋電路8.1.2.5推挽電路8.1.2.6全波整流和全橋整流8.1.2.7開(kāi)關(guān)電源8.1.2.1正激電路8.1.2.1正激電路8.1.2間接直流變流電路8.1.2.1正激電路8.1.2.2反邀電路8.1.2.3半橋電路8.1.2.4全橋電路8.1.2.5推挽電路8.1.2.6全波整流和全橋整流8.1.2.7開(kāi)關(guān)電源8.1.2.2反邀電路8.1.2.2反邀電路8.1.2間接直流變流電路8.1.2.1正激電路8.1.2.2反邀電路8.1.2.3半橋電路8.1.2.4全橋電路8.1.2.5推挽電路8.1.2.6全波整流和全橋整流8.1.2.7開(kāi)關(guān)電源8.1.2.3半橋電路8.1.2.3半橋電路8.1.2間接直流變流電路8.1.2.1正激電路8.1.2.2反邀電路8.1.2.3半橋電路8.1.2.4全橋電路8.1.2.5推挽電路8.1.2.6全波整流和全橋整流8.1.2.7開(kāi)關(guān)電源8.1.2.4全橋電路8.1.2.4全橋電路8.1.2間接直流變流電路8.1.2.1正激電路8.1.2.2反邀電路8.1.2.3半橋電路8.1.2.4全橋電路8.1.2.5推挽電路8.1.2.6全波整流和全橋整流8.1.2.7開(kāi)關(guān)電源8.1.2.5推挽電路8.1.2.5推挽電路8.1.2.5推挽電路8.1.2間接直流變流電路8.1.2.1正激電路8.1.2.2反邀電路8.1.2.3半橋電路8.1.2.4全橋電路8.1.2.5推挽電路8.1.2.6全波整流和全橋整流8.1.2.7開(kāi)關(guān)電源8.1.2.6全波整流和全橋整流8.1.2.6全波整流和全橋整流8.1.2.6全波整流和全橋整流8.1.2間接直流變流電路8.1.2.1正激電路8.1.2.2反邀電路8.1.2.3半橋電路8.1.2.4全橋電路8.1.2.5推挽電路8.1.2.6全波整流和全橋整流8.1.2.7開(kāi)關(guān)電源8.1.2.7開(kāi)關(guān)電源有關(guān)開(kāi)關(guān)電源的詳細(xì)內(nèi)容，請(qǐng)參見(jiàn)下一節(jié)第8章電力電子安裝概述8.1組合變流電路8.2開(kāi)關(guān)電源8.3有源功率因數(shù)校正8.4不延續(xù)電源〔UPS〕8.5靜止無(wú)功補(bǔ)償安裝8.6變頻調(diào)速安裝本章小結(jié)8.2開(kāi)關(guān)電源概述8.2.1開(kāi)關(guān)電源的任務(wù)原理8.2.2開(kāi)關(guān)電源的運(yùn)用開(kāi)關(guān)電源——概述指起電壓調(diào)整功能的器件一直任務(wù)在線性放大區(qū)的直流穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源：通常分為線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。簡(jiǎn)稱開(kāi)關(guān)電源(SwitchingPowerSupply)，指起電壓調(diào)整功能的器件一直以開(kāi)關(guān)方式任務(wù)的一種直流穩(wěn)壓電源。1、線性穩(wěn)壓電源：2、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源：8.2開(kāi)關(guān)電源概述8.2.1開(kāi)關(guān)電源的任務(wù)原理8.2.2開(kāi)關(guān)電源的運(yùn)用1、線性穩(wěn)壓電源：優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)良的紋涉及動(dòng)態(tài)呼應(yīng)特性；缺陷：〔1〕輸入采用50Hz工頻變壓器，體積龐大；〔2〕電壓調(diào)整器件任務(wù)在線性放大區(qū)內(nèi),損耗大,效率低；〔3〕過(guò)載才干差。圖8.29線性穩(wěn)壓電源方框圖8.2.1開(kāi)關(guān)電源的任務(wù)原理2、開(kāi)關(guān)電源：50Hz單相交流220V電壓或三相交流220V/380V電壓經(jīng)EMI防電磁干擾電源濾波器，直接整流濾波，然后再將濾波后的直流電壓經(jīng)變換電路變換為數(shù)十或數(shù)百kHz的高頻方波或準(zhǔn)方波電壓，經(jīng)過(guò)高頻變壓器隔離并降壓(或升壓)后，再經(jīng)高頻整流、濾波電路，最后輸出直流電壓。經(jīng)過(guò)取樣、比較、放大及控制、驅(qū)動(dòng)電路，控制變換器中功率開(kāi)關(guān)管的占空比，便能得到穩(wěn)定的輸出電壓。圖8.30開(kāi)關(guān)電源原理框圖任務(wù)原理：8.2.1開(kāi)關(guān)電源的任務(wù)原理圖8.30開(kāi)關(guān)電源原理框圖開(kāi)關(guān)管占空比定義為：D=Ton/Ts；其中Ts為開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)周期,Ton為一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通用時(shí)間。兩種改動(dòng)占空比的控制方式：1〕脈沖寬度調(diào)制控制(PWM)2、開(kāi)關(guān)電源：2〕脈沖頻率調(diào)制控制(PFM)8.2.1開(kāi)關(guān)電源的任務(wù)原理圖8.31PWM控制方式1〕脈沖寬度控制：堅(jiān)持開(kāi)關(guān)頻率(開(kāi)關(guān)周期Ts)不變，經(jīng)過(guò)改動(dòng)Ton來(lái)改動(dòng)占空比D，從而到達(dá)改動(dòng)輸出電壓的目的。假設(shè)占空比D越大，那么經(jīng)濾波后的輸出電壓也就越高。堅(jiān)持導(dǎo)通時(shí)間Ton不變，經(jīng)過(guò)改動(dòng)開(kāi)關(guān)頻率(即開(kāi)關(guān)周期)而到達(dá)改動(dòng)占空比的目的。任務(wù)頻率不固定，呵斥濾波器設(shè)計(jì)困難。2〕脈沖頻率控制：8.2.1開(kāi)關(guān)電源的任務(wù)原理〔1〕功耗小、效率高。〔2〕體積小、分量輕?！?〕穩(wěn)壓范圍寬?！?〕電路方式靈敏多樣。開(kāi)關(guān)電源缺陷：主要是存在開(kāi)關(guān)噪聲干擾。開(kāi)關(guān)電源優(yōu)點(diǎn)：8.2.1開(kāi)關(guān)電源的任務(wù)原理8.2開(kāi)關(guān)電源概述8.2.1開(kāi)關(guān)電源的任務(wù)原理8.2.2開(kāi)關(guān)電源的運(yùn)用圖8.32直流操作電源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220V，輸出電流為10A。1、開(kāi)關(guān)電源的運(yùn)用8.2.2開(kāi)關(guān)電源的運(yùn)用2、各功能塊的詳細(xì)電路簡(jiǎn)介：(1)交流進(jìn)線濾波器圖8.33交流進(jìn)線EMI濾波器該濾波器能同時(shí)抑制共模和差模干擾信號(hào)。電路構(gòu)造：Cc1、Lc和Cc2構(gòu)成的低通濾波器用來(lái)抑制共模干擾信號(hào)，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(duì)差模信號(hào)的阻抗為零，而對(duì)共模信號(hào)產(chǎn)生很大的阻抗。Cd1、Ld和Cd2構(gòu)成的低通濾波器那么用來(lái)抑制差模干擾信號(hào)。作用：防止開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲進(jìn)入電網(wǎng)，或者防止電網(wǎng)的噪聲進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部，干擾開(kāi)關(guān)電源的正常任務(wù)。8.2.2開(kāi)關(guān)電源的運(yùn)用(2)啟動(dòng)浪涌電流抑制電路小功率電源：在整流橋的直流側(cè)和濾波電容之間串聯(lián)具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。大功率電路：將上述熱敏電阻換成普通電阻，同時(shí)在電阻的兩端并接晶閘管開(kāi)關(guān)。(3)輸出整流電路小功率電源通常采用半波整流電路，而對(duì)于大功率電源那么采用全波或橋式整流電路。啟動(dòng)浪涌電流抑制電路限流電阻啟動(dòng)浪涌電流抑制電路輸出整流電路半波整流8.2.2開(kāi)關(guān)電源的運(yùn)用PWM控制器SG3525引腳闡明圖8.34SG3525的內(nèi)部構(gòu)造①腳：誤差放大器反相輸入端；③腳：同步信號(hào)輸入端，同步脈沖的頻率應(yīng)比振蕩器頻率fS要低一些；④腳：振蕩器輸出；⑤腳：振蕩器外接定時(shí)電阻RT端，RT值為2kΩ～150kΩ；⑥腳：振蕩器外接電容CT端，振蕩器頻率為fS＝1/CT(0.7RT+3R0);其中R0為⑤腳與⑦腳之間跨接的電阻，用來(lái)調(diào)理死區(qū)時(shí)間，定時(shí)電容范圍為0.001μF～0.1μF；⑦腳：振蕩器放電端，外接電阻來(lái)控制死區(qū)時(shí)間，電阻范圍為0～500Ω；⑧腳：軟起動(dòng)端，外接軟起動(dòng)電容，該電容由內(nèi)部Uref的50μA恒流源充電。⑨腳：誤差放大器的輸出端；⑩腳：PWM信號(hào)封鎖端，該腳為高電平常，輸出驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)被封鎖,用于缺點(diǎn)維護(hù)；⑾腳：A路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出；⑿腳：接地;⒀腳：輸出級(jí)集電極電壓；⒁腳：B路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出；⒂腳：電源，其范圍由于8V～35V；⒃腳：內(nèi)部+5V基準(zhǔn)電壓輸出。②腳：誤差放大器同相輸入端；8.2.2開(kāi)關(guān)電源的運(yùn)用(4)控制電路〔SG3525〕該開(kāi)關(guān)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(nèi)環(huán)控制。輸出電壓的反響信號(hào)UOF與電壓給定信號(hào)UOG相減，其誤差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)理器后構(gòu)成輸出電感的電流給定，再與電感電流的反響信號(hào)IOF相減得電流誤差信號(hào)，經(jīng)PI調(diào)理器后送入PWM控制器SG3525，然后與控制器內(nèi)部三角波比較構(gòu)成PWM信號(hào)。該P(yáng)WM信號(hào)再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去驅(qū)動(dòng)主電路IGBT。(5)IGBT驅(qū)動(dòng)電路該驅(qū)動(dòng)模塊為混合集成電路，將IGBT的驅(qū)動(dòng)和過(guò)流維護(hù)集于一體，能驅(qū)動(dòng)電壓為600V和1200V系列電流容量不大于400AIGBT。圖8.35IGBT驅(qū)動(dòng)電路8.2.2開(kāi)關(guān)電源的運(yùn)用第8章電力電子安裝概述8.1組合變流電路8.2開(kāi)關(guān)電源8.3有源功率因數(shù)校正8.4不延續(xù)電源〔UPS〕8.5靜止無(wú)功補(bǔ)償安裝8.6變頻調(diào)速安裝本章小結(jié)電網(wǎng)諧波電流不僅引起變壓器和供電線路過(guò)熱，降低電器的額定值，并且產(chǎn)生電磁干擾，影響其他電子設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。1、采用無(wú)源校正抑制諧波:2〕電網(wǎng)阻抗或頻率發(fā)生變化時(shí)，濾波效果不能保證，動(dòng)態(tài)特性差。3〕能夠會(huì)與電網(wǎng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振，將諧波電流放大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常任務(wù)。4〕LC濾波器體積龐大。特點(diǎn)：1〕方法簡(jiǎn)單可靠，并且在穩(wěn)態(tài)條件下不產(chǎn)生電磁干擾。(在主電路中串入無(wú)源LC濾波器)8.3有源功率因數(shù)校正與無(wú)源校正抑制諧波的區(qū)別：能進(jìn)一步抑制安裝的低次諧波，提高安裝的功率因數(shù)。與普通的開(kāi)關(guān)電源的區(qū)別：〔1〕

PFC電路不僅反響輸出電壓，還反響輸入平均電流；〔2〕PFC電路的電流環(huán)基準(zhǔn)信號(hào)為電壓環(huán)誤差信號(hào)與全波整流電壓取樣信號(hào)的乘積。1〕特點(diǎn)：2、有源功率因數(shù)校正電路〔PFC〕2〕任務(wù)原理：有源功率因數(shù)校正技術(shù)(ActitePowerFilterCorrection，簡(jiǎn)稱APFC或PFC)就是在傳統(tǒng)的整流電路中參與有源開(kāi)關(guān)，經(jīng)過(guò)控制有源開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)強(qiáng)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1的功率因數(shù)。8.3有源功率因數(shù)校正圖8.36Boost－PFC電路主電路由單相橋式整流電路和Boost變換電路組成，虛線框內(nèi)為控制電路，包含電壓誤差放大器VA及基準(zhǔn)電壓Ur，乘法器，電流誤差放大器CA，脈寬調(diào)制器和驅(qū)動(dòng)電路。輸出電壓Uo和基準(zhǔn)電壓Ur比較后，誤差信號(hào)經(jīng)電壓誤差放大器VA以后送入乘法器M，與全波整流電壓取樣信號(hào)相乘以后構(gòu)成基準(zhǔn)電流信號(hào)。基準(zhǔn)電流信號(hào)與電流反響信號(hào)相減，誤差信號(hào)經(jīng)電流誤差放大器CA后再與鋸齒波相比較構(gòu)成PWM信號(hào)，然后經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制主電路開(kāi)關(guān)S的通斷，使電流跟蹤基準(zhǔn)電流信號(hào)變化。PFC技術(shù)的任務(wù)原理8.3有源功率因數(shù)校正PFC集成控制電路UC3854及其運(yùn)用圖8.37UC3854內(nèi)部構(gòu)造框圖UC3854包含電壓放大器VA，模擬乘法/除法器M，電流放大器CA，固定頻率PWM脈寬調(diào)制器，功率MOSFET的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路，7.5V基準(zhǔn)電壓等。8.3有源功率因數(shù)校正圖8.38輸出功率為250W時(shí)由UC3854構(gòu)成的PFC電路原理圖控制芯片UC3854適用的功率范圍比較寬，5KW以下的單相boost-PFC電路均可以采用該芯片作為控制器。輸出功率不同時(shí)，只需改動(dòng)主電路中的電感L1和電流檢測(cè)電阻RS、控制電路中的電流控制環(huán)參數(shù)。輸出電壓Uo由下式確定：PFC集成控制電路UC3854及其運(yùn)用8.3有源功率因數(shù)校正BoostPFC單相整流器的主電路1.主電路構(gòu)造在實(shí)踐運(yùn)用中，BoostPFC單相整流器的主電路如以下圖所示?！狿FC控制電路運(yùn)用和設(shè)計(jì)舉例8.3有源功率因數(shù)校正BoostPFC單相整流器的主電路1.主電路構(gòu)造在以下圖中，主電路包括直流側(cè)平波電感LA〔又稱Boost電感〕、單相不可控整流電路、IGBT回路、緩沖吸收回路、高頻整流二極管、直流側(cè)濾波電容、均壓電阻、以及電網(wǎng)側(cè)電壓、電流檢測(cè)電路和直流側(cè)電壓檢測(cè)電路等幾個(gè)部分。——PFC控制電路運(yùn)用和設(shè)計(jì)舉例8.3有源功率因數(shù)校正在BoostPFC單相整流器的實(shí)踐運(yùn)用主電路中還有一個(gè)軟起動(dòng)電路部分，在圖中沒(méi)有畫(huà)出〔是與直流側(cè)電壓欠壓維護(hù)聯(lián)鎖控制的〕。BoostPFC單相整流器的主電路在單相220V電網(wǎng)中，QA〔IGBT器件〕選用600V耐壓的新型NPT-IGBT器件；直流側(cè)濾波電容C6和C7選用300VDC耐壓的電解電容器；R6和R7是均壓電阻，以堅(jiān)持C6和C7上的電壓平衡，同時(shí)作為BoostPFC單相整流器的固定負(fù)載，普通可以按R6和R7的總功耗為整流器額定功率的2～8‰選??；R3和C3是并聯(lián)高頻濾波回路，C3選取500V或600V耐壓的無(wú)極性電容器；——PFC控制電路運(yùn)用和設(shè)計(jì)舉例8.3有源功率因數(shù)校正R2和C2組成了IGBT的緩沖吸收回路，R1和C1組成了整流二極管DA的緩沖吸收回路，其中R1和R2采用無(wú)感功率電阻，C1和C2采用1200V的無(wú)感吸收電容，DA選用快恢復(fù)二極管。直流側(cè)電壓的給定值的選擇要根據(jù)電網(wǎng)電壓的允許動(dòng)搖范圍而定，例如——PFC控制電路運(yùn)用和設(shè)計(jì)舉例8.3有源功率因數(shù)校正由于中間回路與電網(wǎng)之間存在著復(fù)雜的能量交換過(guò)程，普通在實(shí)踐產(chǎn)品中選擇10～30p.u.〔標(biāo)么值〕作為中間回路支撐電容器的取值。實(shí)踐上，在BoostPFC單相整流器中還必需設(shè)置一些必要的維護(hù)措施，以保證整流器的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。普通均設(shè)置有如下維護(hù)：——PFC控制電路運(yùn)用和設(shè)計(jì)舉例8.3有源功率因數(shù)校正①電網(wǎng)電壓的過(guò)壓維護(hù)，采用帶回差的維護(hù)；②電網(wǎng)電壓的欠壓維護(hù)〔回差維護(hù)〕；③交流輸入電流的過(guò)流維護(hù)〔鎖死維護(hù)〕；④交流輸入電流的過(guò)載維護(hù)〔鎖死維護(hù)〕；⑤直流側(cè)電壓的欠壓維護(hù)〔回差維護(hù)〕，并且與整流器的軟起動(dòng)維護(hù)聯(lián)鎖去控制軟起動(dòng)電路；⑥直流側(cè)電壓的過(guò)壓維護(hù)〔鎖死維護(hù)〕；⑦IGBT模塊的過(guò)溫維護(hù)〔回差維護(hù)〕等。2.控制構(gòu)造采用平均電流控制的構(gòu)造框圖如以下圖所示。目前，商品化的BoostPFC單相整流器采用Unitrode公司消費(fèi)的UC3854A/B集成控制芯片作為平均電流控制方案的中心器件。UC3854A/B集成控制芯片可以到達(dá)的最正確控制效果為：①電網(wǎng)輸入電流的諧波畸變率控制在5%以下；②電網(wǎng)輸入功率因數(shù)控制在0.95以上，最好可到達(dá)0.99?！狿FC控制電路運(yùn)用和設(shè)計(jì)舉例8.3有源功率因數(shù)校正BoostPFC單相整流器控制構(gòu)造框圖3.BoostPFC控制技術(shù)的特點(diǎn)①具有電路構(gòu)造簡(jiǎn)單緊湊、交流輸入電壓范圍寬、動(dòng)態(tài)性能良好等等優(yōu)點(diǎn)；②對(duì)單相電網(wǎng)輸入電流的補(bǔ)償效果好，但是嚴(yán)重依賴于電網(wǎng)電壓的波形質(zhì)量，也就是說(shuō)對(duì)電網(wǎng)電壓波形的順應(yīng)性差；③直流平波電感的設(shè)計(jì)應(yīng)該以控制其溫升為目的，以提高其運(yùn)用壽命；——PFC控制電路運(yùn)用和設(shè)計(jì)舉例8.3有源功率因數(shù)校正BoostPFC單相整流器的主電路④QA〔IGBT器件〕回路中應(yīng)適當(dāng)?shù)卮胍粋€(gè)限流電阻或飽和電感〔圖4-5中的RQ或LQ〕，以降低IGBT器件的損壞率；⑤高頻整流二極管DA采用快恢復(fù)二極管，以縮短反向恢復(fù)時(shí)間，減小器件的損耗；⑥直流側(cè)濾波用電解電容器的容量太大，在實(shí)踐產(chǎn)品中有的竟然采用30p.u.的取值，比三相PWM整流器的直流側(cè)電解電容器取值〔≤4.0p.u.〕大得太多；⑦能量只能一方向流動(dòng)，即只能從電網(wǎng)流向負(fù)載?！狿FC控制電路運(yùn)用和設(shè)計(jì)舉例8.3有源功率因數(shù)校正BoostPFC單相整流器的主電路第8章電力電子安裝概述8.1組合變流電路8.2開(kāi)關(guān)電源8.3有源功率因數(shù)校正8.4不延續(xù)電源〔UPS〕8.5靜止無(wú)功補(bǔ)償安裝8.6變頻調(diào)速安裝本章小結(jié)——UninterrupitablePowerSystem,簡(jiǎn)稱UPSUPS電源安裝在保證不延續(xù)供電的同時(shí)，還能提供穩(wěn)壓、穩(wěn)頻和波形失真度極小的高質(zhì)量正弦波電源。

目前，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、郵電通訊、銀行證劵、電力系統(tǒng)、工業(yè)控制、醫(yī)療、交通、航空等領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。不延續(xù)電源：8.4不延續(xù)電源〔UPS〕UPS的分類1、后備式UPS根據(jù)任務(wù)方式，UPS電源分：圖8.39后備式UPS的根本構(gòu)造市電存在時(shí)，逆變器不任務(wù)，市電經(jīng)交流穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，向負(fù)載供電，同時(shí)充電器任務(wù)，對(duì)蓄電池組浮充電。市電掉電時(shí)，逆變器任務(wù)，將蓄電池供應(yīng)的直流電壓變換成穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的交流電壓，繼續(xù)向負(fù)載供電。輸出電壓波形有方波、準(zhǔn)方波和正弦波三種方式。特點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單、本錢(qián)低、運(yùn)轉(zhuǎn)效率高、價(jià)錢(qián)廉價(jià)，但其輸出電壓穩(wěn)壓精度差，市電掉電時(shí)，輸出有轉(zhuǎn)換時(shí)間。適于小功率。8.4不延續(xù)電源〔UPS〕2、線式UPS圖8.40在線式UPS的根本構(gòu)造正常任務(wù)時(shí)，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應(yīng)負(fù)載。當(dāng)市電掉電時(shí)，由蓄電池組向逆變器供電，以保證負(fù)載不延續(xù)供電。假設(shè)逆變器發(fā)生缺點(diǎn)，UPS那么經(jīng)過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)切換到旁路，直接由市電供電。當(dāng)缺點(diǎn)消逝后，UPS又重新切換到由逆變器向負(fù)載供電。特點(diǎn)：總是處于穩(wěn)壓、穩(wěn)頻供電形狀，輸出電壓動(dòng)態(tài)呼應(yīng)特性好，波形畸變小，其供電質(zhì)量明顯優(yōu)于后備式UPS。UPS的分類8.4不延續(xù)電源〔UPS〕——UPS電源中的整流器1〕對(duì)于小功率UPS，整流器普通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(mén)的充電器來(lái)完成。2〕對(duì)于中大功率UPS，整流器普通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(shí)，還要向蓄電池進(jìn)展充電，因此，整流器的輸出電壓必需是可控的。3〕減少UPS注入電網(wǎng)的諧波電流的方法：〔1〕添加整流電路的相數(shù)；〔2〕在整流器的輸入側(cè)添加有源或無(wú)源濾波器。4〕目前，比較先進(jìn)的UPS采用PWM整流電路，可以做到注入電網(wǎng)的電流根本接近正弦波，使其功率因數(shù)接近1，大大降低了UPS對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。概述：8.4不延續(xù)電源〔UPS〕任務(wù)原理——PWM整流電路圖8.41單相PWM整流電路的原理框圖在PWM整流電路的交流輸入端AB產(chǎn)生一個(gè)正弦波調(diào)制PWM波uAB，uAB中除了含有與電源同頻率的基波分量外，還含有與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)的高次諧波。由于電感Ls的濾波作用，這些高次諧波電壓只會(huì)使交流電流is產(chǎn)生很小的脈動(dòng)。假設(shè)忽略這種脈動(dòng)，is為頻率與電源頻率一樣的正弦波。在交流電源電壓us一定時(shí)，is的幅值和相位由uAB中基波分量的幅值及其與us的相位差決議。改動(dòng)uAB中基波分量的幅值和相位，就可以使is與us同相位，電路任務(wù)在整流形狀，且功率因數(shù)為1。8.4不延續(xù)電源〔UPS〕直流輸出電壓給定信號(hào)Ud*和實(shí)踐的直流電壓Ud比較后送入PI調(diào)理器，PI調(diào)理器的輸出即為整流器交流輸入電流的幅值，它與規(guī)范正弦波相乘后構(gòu)成交流輸入電流的給定信號(hào)is*，is*與實(shí)踐的交流輸入電流is進(jìn)展比較，誤差信號(hào)經(jīng)比例調(diào)理器放大后送入比較器，再與三角載波信號(hào)比較構(gòu)成PWM信號(hào)。該P(yáng)WM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后去驅(qū)動(dòng)主電路開(kāi)關(guān)器件，便可使實(shí)踐的交流輸入電流跟蹤指令值，從而到達(dá)控制輸出電壓的目的。圖8.42直接電流控制系統(tǒng)構(gòu)造圖單相PWM整流電路采用直接電流控制時(shí)的控制系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)圖——PWM整流電路8.4不延續(xù)電源〔UPS〕通常采用輸出電壓諧波系數(shù)HF來(lái)恒量UPS輸出電壓的波形質(zhì)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為諧波分量的有效值。正弦波輸出UPS通常采用SPWM逆變器。下面以單相輸出UPS為例，分析逆變器的任務(wù)原理。HF越小，那么闡明UPS輸出電壓波形越接近理想的正弦波。——UPS電源中的逆變器8.4不延續(xù)電源〔UPS〕圖8.43UPS逆變器及其控制原理框圖主電路采用全橋逆變電路，對(duì)于小功率UPS，開(kāi)關(guān)器件普通為MOSFET，而對(duì)于大功率UPS，那么采用IGBT。為濾去開(kāi)關(guān)頻率噪聲，輸出采用LC濾波電路，由于開(kāi)關(guān)頻率普通大于20kHz，因此，采用較小的LC濾波器。輸出隔離變壓器實(shí)現(xiàn)逆變器與負(fù)載隔離，防止它們之間電的直接聯(lián)絡(luò)，從而減少干擾。1、電路構(gòu)造：——UPS電源中的逆變器8.4不延續(xù)電源〔UPS〕圖8.43UPS逆變器及其控制原理框圖市電us經(jīng)同步鎖相電路得到與市電同步的50Hz方波，將其輸入規(guī)范正弦波發(fā)生器，便產(chǎn)生與市電同步的規(guī)范正弦波信號(hào)。該信號(hào)與輸出有效值調(diào)理器的輸出相乘后得到輸出電壓瞬時(shí)值給定信號(hào)u*，再與輸出電壓瞬時(shí)值反響信號(hào)uf相減，誤差信號(hào)經(jīng)P調(diào)理器后，再與三角載波信號(hào)相比較，得到PWM信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電路后分別去驅(qū)動(dòng)主電路的開(kāi)關(guān)器件，從而到達(dá)控制輸出電壓的目的。2、任務(wù)原理：——UPS電源中的逆變器8.4不延續(xù)電源〔UPS〕為了進(jìn)一步提高UPS電源的可靠性，在線式UPS均裝有靜態(tài)開(kāi)關(guān)，將市電作為UPS的后備電源，在UPS發(fā)生缺點(diǎn)或維護(hù)檢修時(shí)，無(wú)延續(xù)地將負(fù)載切換到市電上，由市電直接供電。圖8.44單相輸出UPS的靜態(tài)開(kāi)關(guān)原理圖1〕同步切換：先通后斷；2〕非同步切換：先斷后通；1、任務(wù)原理：一只晶閘管用于經(jīng)過(guò)正半周電流，另一只晶閘管那么用于經(jīng)過(guò)負(fù)半周電流。2、電路構(gòu)造：3、靜態(tài)開(kāi)關(guān)的切換方式：靜態(tài)開(kāi)關(guān)的主電路普通由兩只晶閘管開(kāi)關(guān)反并聯(lián)組成，——UPS的靜態(tài)開(kāi)關(guān)8.4不延續(xù)電源〔UPS〕圖8.44單相輸出UPS的靜態(tài)開(kāi)關(guān)原理圖切換時(shí)，首先觸發(fā)靜態(tài)開(kāi)關(guān)2，使之導(dǎo)通，然后再封鎖靜態(tài)開(kāi)關(guān)1的觸發(fā)脈沖，因此，靜態(tài)開(kāi)關(guān)1和靜態(tài)開(kāi)關(guān)2同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)，市電和逆變器同時(shí)向負(fù)載供電。3、靜態(tài)開(kāi)關(guān)的切換方式：1〕同步切換：先通后斷〔1〕能保證在切換的過(guò)程中供電不延續(xù)?！?〕在切換的過(guò)程中，逆變器必需跟蹤市電的頻率、相位和幅值。防止產(chǎn)生環(huán)流，燒壞逆變器。任務(wù)原理：特點(diǎn)：——UPS的靜態(tài)開(kāi)關(guān)8.4不延續(xù)電源〔UPS〕圖8.44單相輸出UPS的靜態(tài)開(kāi)關(guān)原理圖先封鎖正在導(dǎo)通的靜態(tài)開(kāi)關(guān)觸發(fā)脈沖，延遲一段時(shí)間，待導(dǎo)通的靜態(tài)開(kāi)關(guān)關(guān)斷后，再觸發(fā)另外一路靜態(tài)開(kāi)關(guān)。3、靜態(tài)開(kāi)關(guān)的切換方式：2〕非同步切換：先斷后通會(huì)呵斥負(fù)載短時(shí)延續(xù)電。任務(wù)原理：特點(diǎn)：——UPS的靜態(tài)開(kāi)關(guān)8.4不延續(xù)電源〔UPS〕第8章電力電子安裝概述8.1組合變流電路8.2開(kāi)關(guān)電源8.3有源功率因數(shù)校正8.4不延續(xù)電源〔UPS〕8.5靜止無(wú)功補(bǔ)償安裝8.6變頻調(diào)速安裝本章小結(jié)8.5靜止無(wú)功補(bǔ)償安裝根椐所采用的電力電子器件，靜止無(wú)功補(bǔ)償安裝分為兩大類型：1、采用晶閘管開(kāi)關(guān)的靜止無(wú)功補(bǔ)償安裝：1〕晶閘管控制電抗器〔ThyristorControlledReactor—TCR〕2〕晶閘管投切電容器〔ThyristorSwitchedCapacitor—TSC〕2、采用自換相變流器的靜止無(wú)功補(bǔ)償安裝：也即〔靜止無(wú)功發(fā)生器〔StaticVarGenerator—SVG〕或高級(jí)靜止無(wú)功補(bǔ)償安裝〔AdTancedStaticVarCompensator—ASVC〕。1、組成：由電力電子器件與儲(chǔ)能元件構(gòu)成。2、特點(diǎn)：在于能快速調(diào)理容性和感性無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。3、運(yùn)用：常用于防止電網(wǎng)中部分沖擊性負(fù)荷引起的電壓動(dòng)搖干擾、重負(fù)荷忽然投切呵斥的無(wú)功功率劇烈變化。——〔StaticVarCompensator—SVC〕晶閘管控制電抗器(TCR)根本原理：圖8.45TCR的根本原理圖其單相根本構(gòu)造是兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器串聯(lián)，這樣的電路并聯(lián)到電網(wǎng)上，就相當(dāng)于電感負(fù)載的交流調(diào)壓電路構(gòu)造。其任務(wù)原理和不同觸發(fā)角時(shí)的任務(wù)波形與交流調(diào)壓電路完全一樣。晶閘管投切電容器(TSC)任務(wù)原理：圖8.46TSC單相機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)原理圖任務(wù)時(shí)，TSC與電網(wǎng)并聯(lián)，當(dāng)控制電路檢測(cè)到電網(wǎng)需求無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，觸發(fā)晶閘管靜態(tài)開(kāi)關(guān)并使之導(dǎo)通，這樣，便將電容器接入電網(wǎng)，進(jìn)展無(wú)功補(bǔ)償；當(dāng)電網(wǎng)不需求無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，關(guān)斷晶閘管靜態(tài)開(kāi)關(guān)，從而切斷電容器與電網(wǎng)的聯(lián)接。因此，TSC實(shí)踐上就是斷續(xù)可調(diào)的吸收容性無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償安裝。TSC由兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成的靜態(tài)開(kāi)關(guān)與電容器串聯(lián)組成。晶閘管投切電容器(TSC)1、TSC主電路普通將電容器分成幾組，每組均可由晶閘管投切，如圖8.4.3所示。電容器分組通常采用二進(jìn)制方案，即采用n-1個(gè)電容值為C的電容和一個(gè)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(jí)。圖8.47TSC主電路2、零電壓投入問(wèn)題為使補(bǔ)償電容器的投入與切除過(guò)程不引發(fā)主電路的涌流沖擊，必需選擇預(yù)備投入的電容器上的電壓為電網(wǎng)線電壓的正或負(fù)峰值且電壓極性一樣的時(shí)辰，切除時(shí)只需吊銷觸發(fā)信號(hào)即可，開(kāi)關(guān)在電流過(guò)零之后會(huì)自行關(guān)斷。圖8.48晶閘管電壓過(guò)零觸發(fā)電路表示圖晶閘管投切電容器(TSC)3、電容器投切判據(jù)與信號(hào)檢測(cè)在圖8.49中設(shè)節(jié)點(diǎn)相電壓為：圖8.49節(jié)點(diǎn)相電壓與負(fù)載電流負(fù)載電流為：上式中，ip(t)和iq(t)分別為有功電流分量和無(wú)功電流分量。當(dāng)ωt=2kπ時(shí)：可見(jiàn)，只需丈量在相電壓正向過(guò)零時(shí)辰的負(fù)載電流，就可知對(duì)應(yīng)的無(wú)功電流最大值IQM。這種無(wú)功電流檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、快速〔在一個(gè)周期內(nèi)只需采樣一次〕?！?〕以無(wú)功電流為投切判據(jù)〔1〕以無(wú)功電流為投切判據(jù)晶閘管投切電容器(TSC)上式△C即為全補(bǔ)償所需投切的電容量，△C為負(fù)值，那么是切除相應(yīng)容量的電容器；反之，那么應(yīng)投入相應(yīng)容量的電容器。圖8.50中，電壓信號(hào)經(jīng)濾波后由過(guò)零脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生相電壓，正向過(guò)零脈沖信號(hào)，作為采樣堅(jiān)持器的采樣開(kāi)關(guān)信號(hào)，于是采樣堅(jiān)持器的輸出就是無(wú)功電流幅值。圖8.49中，iL=ic+is，假設(shè)使iq=ic，那么實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償。圖8.50無(wú)功電流為投切判據(jù)的檢測(cè)電路原理圖由和可得〔2〕以無(wú)功功率為投切判據(jù)晶閘管投切電容器(TSC)可讓單片機(jī)經(jīng)過(guò)Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換同時(shí)對(duì)和信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)展Ｎ次采樣，得到2Ｎ個(gè)數(shù)據(jù)，由此進(jìn)展下述離散運(yùn)算得到UBC、IA和PBC：對(duì)于對(duì)稱三相補(bǔ)償，只需取恣意兩相電壓〔線電壓〕和另一相電流，就可測(cè)得無(wú)功功率。圖8.51檢測(cè)A相電流和BC相線電壓向量圖由于PBC=UBCIAsinΦ，那么功率因數(shù)為:4、控制器原理框圖晶閘管投切電容器(TSC)圖8.52TSC控制器原理框圖TSC的控制器主要由單片機(jī)、鍵盤(pán)接口電路、液晶顯示接口電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、同步電壓檢測(cè)、電壓電流和頻率檢測(cè)，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8.52所示。靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)任務(wù)原理圖8.53SVG根本電路構(gòu)造適當(dāng)調(diào)理橋式電路交流側(cè)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(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?。圖8.53給出了采用自換相電壓型橋式的SVG根本電路構(gòu)造。靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)任務(wù)原理圖8.54SVG等效電路及其任務(wù)原理經(jīng)過(guò)同步電路控制，使與同頻同相，然后改動(dòng)的幅值大小即可以控制SVG從電網(wǎng)吸收的電流是超前還是滯后90°，并且還能控制該電流的大小。僅思索基波頻率時(shí)SVG任務(wù)原理可以用圖8.54〔a〕所示的單相等效電路來(lái)闡明。當(dāng)大于時(shí)，電流超前電壓90°，SVG吸收容性無(wú)功功率；當(dāng)小于時(shí)，電流滯后電壓90°，SVG吸收感性無(wú)功功率。第8章電力電子安裝概述8.1組合變流電路8.2開(kāi)關(guān)電源8.3有源功率因數(shù)校正8.4不延續(xù)電源〔UPS〕8.5靜止無(wú)功補(bǔ)償安裝8.6變頻調(diào)速安裝本章小結(jié)8.6變頻調(diào)速安裝假設(shè)均勻地改動(dòng)定子頻率，那么可以平滑地改動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

由交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：可以看出：因此，在各種異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，變頻調(diào)速的性能最好，使得交流電機(jī)的調(diào)速性能可與直流電機(jī)相媲美，同時(shí)效率高，是交流調(diào)速的主要開(kāi)展方向。8.6變頻調(diào)速安裝〔1〕基頻以下的變頻調(diào)速〔2〕基頻以上的變頻調(diào)速〔3〕轉(zhuǎn)差頻率控制〔5〕控制直接轉(zhuǎn)矩〔4〕矢量控制——變頻調(diào)速的根本控制方式〔1〕基頻以下的變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)的每相電動(dòng)勢(shì)為：

式中：——定子每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值；——定子電源頻率；——定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；——基波繞組系數(shù)；——每極氣隙磁通量。在調(diào)速的過(guò)程中，隨著輸入電源的頻率降低，必需相應(yīng)地改動(dòng)定子電壓U，以保證氣隙磁通不超越設(shè)計(jì)值。假設(shè)使=常數(shù)，那么在調(diào)速過(guò)程中可維持近似不變，這就是恒壓頻比控制方式?！?.6.1〕ω當(dāng)U不變時(shí)，隨著電源輸入頻率的降低，將會(huì)相應(yīng)添加。8.6變頻調(diào)速安裝8.6變頻調(diào)速安裝〔2〕基頻以上的變頻調(diào)速當(dāng)電壓U一定時(shí)，電機(jī)的氣隙磁通隨著頻率f的升高成比例下降，類似直流電機(jī)的弱磁調(diào)速，因此，基頻以上的調(diào)速屬恒功率調(diào)速。電源頻率從基頻向上提高，可使電機(jī)的轉(zhuǎn)速添加。由于電機(jī)的電壓不能超越其額定電壓，因此在基頻以上調(diào)頻時(shí)，U只能堅(jiān)持在額定值。根據(jù)式(8.6.1)：——變頻調(diào)速安裝的分類〔1〕間接變頻調(diào)速安裝圖8.55間接變頻安裝的三種機(jī)構(gòu)方式間接變頻調(diào)速安裝即交不斷一交變頻安裝，首先將工頻交流電源經(jīng)過(guò)整流器變換成直流，然后再經(jīng)過(guò)逆變器將直流變換成電壓和頻率可變的交流電源。按照電路構(gòu)造和控制方式的不同，間接變頻安裝又可以分為三種，如圖8.55〔a〕、〔b〕、