电力电子技术第4版第7章电力电子装置ppt课件

1、第第7 7章章 电力电子安装电力电子安装电力电子技术电力电子技术(第第4版版) 定义：由根本电力电子电路组成的用于电能的变换和控定义：由根本电力电子电路组成的用于电能的变换和控制的安装称为电力电子安装制的安装称为电力电子安装Power Electronic Equipment Power Electronic Equipment ),),又称为变流安装。又称为变流安装。 用途： 直流电源可由整流器或直流变流器组成，用于直流电动机调速、金属焊接、充电、电镀和科学仪器等的电源；交流电源可由变频器组成，分为变频变压电源用于交流笼型异步电动机调速、恒频恒压电源构成交流不延续电源、交流稳压电源、中频感加

2、热电源、高频加热电源等；利用电力电子器件的快速开关性能，还可构成无功补偿安装、静止式无触点大功率开关以替代传统的电磁式有触点大功率开关。 目前变流安装正沿着智能化、模块化、小型化、高效和高可靠性方向开展，使之运用领域不断扩展。第第7章章 电力电子安装电力电子安装n 7.1 电力电子安装的普通模型电力电子安装的普通模型n 7.2 开关电源开关电源n 7.3 有源功率因数校正有源功率因数校正 n 7.4 不延续电源不延续电源UPSn 7.5 静止无功补偿安装静止无功补偿安装n 7.6 变频调速安装变频调速安装 普通情况下电力电普通情况下电力电子安装由控制电路、驱子安装由控制电路、驱动电路、检测电路

3、和以动电路、检测电路和以电力电子器件为中心的电力电子器件为中心的主电路组成，如图主电路组成，如图7.1.1所示。所示。7.1.1 电力电子的普通模型电力电子的普通模型图图7.1.1 7.1.1 电力电子安装的普通组成电力电子安装的普通组成 电力电子安装是电能变换设备，它的运用现场不可防止电力电子安装是电能变换设备，它的运用现场不可防止存在严重电磁干扰。强干扰信号窜入安装中除能够直接使电存在严重电磁干扰。强干扰信号窜入安装中除能够直接使电力电子器件误动作外，还会干扰安装的控制电路，使安装误力电子器件误动作外，还会干扰安装的控制电路，使安装误动作。动作。抗干扰的技术措施：抗干扰的技术措施： 抑制干

4、扰信号的强度，例如交流继电器、交流接触器触抑制干扰信号的强度，例如交流继电器、交流接触器触点并联电容，可减小触点通断时的电火花干扰；点并联电容，可减小触点通断时的电火花干扰； 合理布线以减小导线间的分布电容、分布电感和互感，合理布线以减小导线间的分布电容、分布电感和互感，防止干扰信号窜入；防止干扰信号窜入； 实施电磁屏蔽；实施电磁屏蔽； 正确选择接地点并良好接地；正确选择接地点并良好接地； 加强电路本身的抗干扰才干，设计时选用抗干扰性能好加强电路本身的抗干扰才干，设计时选用抗干扰性能好的电子元件；的电子元件； 控制电路共用直流稳压电源时，电路各部分应单独引线控制电路共用直流稳压电源时，电路各部

5、分应单独引线； 在信号强度允许条件下尽量降低各单元电路的输入、输在信号强度允许条件下尽量降低各单元电路的输入、输出阻抗；出阻抗； 采用变压器耦合等隔离手段，将控制电路与信号源或控采用变压器耦合等隔离手段，将控制电路与信号源或控制电路与电力电子安装的主电路在电路上隔离，防止干制电路与电力电子安装的主电路在电路上隔离，防止干扰信号窜入。扰信号窜入。7.1.1 电力电子的普通模型电力电子的普通模型第第7 7章章 电力电子安装电力电子安装n 7.1 电力电子安装的普通模型电力电子安装的普通模型n 7.2 开关电源开关电源n 7.3 有源功率因数校正有源功率因数校正 n 7.4 不延续电源不延续电源UP

6、Sn 7.5 静止无功补偿安装静止无功补偿安装n 7.6 变频调速安装变频调速安装7.2.1 开关电源的任务原理开关电源的任务原理 稳压电源：稳压电源： 线性稳压电源：指起电压调整功能的器件一直任线性稳压电源：指起电压调整功能的器件一直任务在线性放大区的直流稳压电源。务在线性放大区的直流稳压电源。开关稳压电源：简称开关电源开关稳压电源：简称开关电源(Switching Power (Switching Power Supply)Supply)，指起电压调整功能的器件一直以开关方式，指起电压调整功能的器件一直以开关方式任务的一种直流稳压电源。任务的一种直流稳压电源。 1 1、线性稳压电源：、线性

7、稳压电源：优点：优点： 优良的纹涉及动态呼应特性；优良的纹涉及动态呼应特性；缺陷：缺陷：1输入采用输入采用50Hz工频变压器，体积庞大；工频变压器，体积庞大； 2电压调整器件任务在线性放大区内电压调整器件任务在线性放大区内,损耗大损耗大,效率低；效率低； 3 过载才干差。过载才干差。图图7.2.1 7.2.1 线性稳压电源方框图线性稳压电源方框图 7.2.1 开关电源的任务原理开关电源的任务原理2 2、开关稳压电源：、开关稳压电源： 50Hz单相交流单相交流220V电压或三相交流电压或三相交流220V/380V电压经电压经EMI防电磁干扰电源滤波器，直防电磁干扰电源滤波器，直接整流滤波，然后再

8、将滤波后的直流电压经变换电接整流滤波，然后再将滤波后的直流电压经变换电路变换为数十或数百路变换为数十或数百kHz的高频方波或准方波电压的高频方波或准方波电压，经过高频变压器隔离并降压，经过高频变压器隔离并降压(或升压或升压)后，再经高后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。经过取样频整流、滤波电路，最后输出直流电压。经过取样、比较、放大及控制、驱动电路，控制变换器中功、比较、放大及控制、驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，便能得到稳定的输出电压。率开关管的占空比，便能得到稳定的输出电压。图图7.2.2 7.2.2 开关电源原理框图开关电源原理框图任务原理：任务原理：7.2.1 开关

9、电源的任务原理开关电源的任务原理图图7.2.2 开关电源原理框图开关电源原理框图开关管占空比定义为：开关管占空比定义为：D=Ton/Ts；其中其中Ts为开关管的开关周期为开关管的开关周期,Ton为一个周期内导通用时间为一个周期内导通用时间 。两种改动占空比的控制方式两种改动占空比的控制方式 ：1脉冲宽度调制控制脉冲宽度调制控制(PWM) 2脉冲频率调制控制脉冲频率调制控制(PFM)2 2、开关稳压电源：、开关稳压电源：7.2.1 开关电源的任务原理开关电源的任务原理图图7.2.3 PWM控制方式控制方式 1 脉冲宽度控制：脉冲宽度控制： 坚持开关频率坚持开关频率(开关周期开关周期Ts)不变，经

10、过改动不变，经过改动Ton来来 改动改动占空比占空比 D，从而到达改动输出电压的目的。假设占空比，从而到达改动输出电压的目的。假设占空比D越越大，那么经滤波后的输出电压也就越高。大，那么经滤波后的输出电压也就越高。 2脉冲频率控制：脉冲频率控制：坚持导通时间坚持导通时间Ton不变，经过改动开关频率不变，经过改动开关频率(即开关即开关周期周期)而到达改动占空比的目的。而到达改动占空比的目的。任务频率不固定，呵斥滤波器设计困难。任务频率不固定，呵斥滤波器设计困难。 7.2.1 开关电源的任务原理开关电源的任务原理 开关电源优点：开关电源优点：1功耗小、效率高。功耗小、效率高。 2体积小、分量轻。体

11、积小、分量轻。 3稳压范围宽。稳压范围宽。 4电路方式灵敏多样。电路方式灵敏多样。 主要是存在开关噪声干扰。主要是存在开关噪声干扰。 7.2.1 开关电源的任务原理开关电源的任务原理7.2.2开关电源的运用开关电源的运用 1、开关电源的运用、开关电源的运用图图7.2.4 直流操作电源电路原理图直流操作电源电路原理图 主电路采用半桥变换电路，额定输出直流电压为220V，输出电流为10A。 2、电路简介：、电路简介：交流进线滤波器交流进线滤波器作用：防止开关电源产生的噪声进入电网，或者防止作用：防止开关电源产生的噪声进入电网，或者防止电网的噪声进入开关电源内部，干扰开关电源的正常任务。电网的噪声进

12、入开关电源内部，干扰开关电源的正常任务。该滤波器能同时抑制共模和差模干扰信号。该滤波器能同时抑制共模和差模干扰信号。电路构造：电路构造： Cc1、Lc和和Cc2构成的低通滤波器用来抑制构成的低通滤波器用来抑制共模干扰信号，其中共模干扰信号，其中Lc称为共模电感，其两组线圈匝数相等，称为共模电感，其两组线圈匝数相等，但绕向相反，对差模信号的阻抗为零，而对共模信号产生很但绕向相反，对差模信号的阻抗为零，而对共模信号产生很大的阻抗。大的阻抗。图图7.2.5 交流进线交流进线EMI滤波器滤波器 Cd1、Ld和和Cd2构成的低通滤波器构成的低通滤波器那么用来抑制差模干扰信号。那么用来抑制差模干扰信号。

13、7.2.2开关电源的运用开关电源的运用 (2) 启动浪涌电流抑制电路启动浪涌电流抑制电路 小功率电源：在整流桥的直流侧和滤波电容之间串联具有负温度系数的热敏电阻。大功率电路：将上述热敏电阻换成普通电阻，同时在电阻的两端并接晶闸管开关。 (3) 输出整流电路输出整流电路 小功率电源通常采用半波整流电路，而对于大功率电源那么采用全波或桥式整流电路。 7.2.2开关电源的运用开关电源的运用 PWM控制器控制器SG3525图图7.2.6 SG35257.2.6 SG3525的内部构造的内部构造 脚：误差放大器反相输入端；脚：误差放大器反相输入端；脚：同步信号输入端，同步脉冲的频率应比振荡脚：同步信号输

14、入端，同步脉冲的频率应比振荡器频率器频率fS要低一些；要低一些；脚：振荡器输出；脚：振荡器输出；脚：振荡器外接定时电阻脚：振荡器外接定时电阻RT端，端， RT值为值为2k150k；脚：振荡器外接电容脚：振荡器外接电容CT端，振荡器频率为端，振荡器频率为fS 1/CT(0.7RT+3R0);其中其中R0为脚与脚之间跨接的为脚与脚之间跨接的电阻，用来调理死区时间，定时电容范围为电阻，用来调理死区时间，定时电容范围为0.001F0.1F；脚：振荡器放电端，外接电阻来控制死区时间，脚：振荡器放电端，外接电阻来控制死区时间，电阻范围为电阻范围为0500； 脚：软起动端，外接软起动电容，该电容由内部脚：软

15、起动端，外接软起动电容，该电容由内部Uref的的50A恒流源充电。恒流源充电。脚：误差放大器的输出端；脚：误差放大器的输出端；脚：脚：PWM信号封锁端，该脚为高电平常，信号封锁端，该脚为高电平常， 输出驱动脉冲信号被封锁输出驱动脉冲信号被封锁,用于缺点维护；用于缺点维护；脚：脚：A路驱动信号输出；路驱动信号输出； 脚：接地脚：接地;脚：输出级集电极电压；脚：输出级集电极电压；脚：脚：B路驱动信号输出；路驱动信号输出；脚：电源，其范围由于脚：电源，其范围由于8V35V；脚：内部脚：内部+5V基准电压输出。基准电压输出。脚：误差放大器同相输入端；脚：误差放大器同相输入端；7.2.2开关电源的运用开

16、关电源的运用 (4) 控制电路控制电路SG3525 采用双环控制方式，电压环为外环控制，电流环为内环控制。输出电压的反响信号UOF与电压给定信号UOG相减，其误差信号经PI调理器后构成输出电感的电流给定，再与电感电流的反响信号IOF相减得电流误差信号，经PI调理器后送入PWM控制器SG3525，然后与控制器内部三角波比较构成PWM信号。该PWM信号再经过驱动电路去驱动主电路IGBT。 (5) IGBT驱动电路驱动电路 该驱动模块为混合集成电路，将IGBT的驱动和过流维护集于一体，能驱动电压为600V和1200V系列电流容量不大于400AIGBT。 图图7.2.7 IGBT驱动电路驱动电路7.2

17、.2开关电源的运用开关电源的运用 第第7章章 电力电子安装电力电子安装n 7.1 电力电子安装的普通模型电力电子安装的普通模型n 7.2 开关电源开关电源n 7.3 有源功率因数校正有源功率因数校正 n 7.4 不延续电源不延续电源UPSn 7.5 静止无功补偿安装静止无功补偿安装n 7.6 变频调速安装变频调速安装7.3有源功率因数校正有源功率因数校正 电网谐波电流不仅引起变压器和供电线路过热，降低电器的额定值，并且产生电磁干扰，影响其他电子设备正常运转。 1、采用无源校正抑制谐波、采用无源校正抑制谐波:特点：特点：1方法简单可靠，并且在稳态条件下不产生电磁干扰。方法简单可靠，并且在稳态条件

18、下不产生电磁干扰。 2电网阻抗或频率发生变化时，滤波效果不能保证，电网阻抗或频率发生变化时，滤波效果不能保证，动态特性差。动态特性差。 3能够会与电网阻抗发生并联谐振，将谐波电流放大，能够会与电网阻抗发生并联谐振，将谐波电流放大，从而导致系统无法正常任务。从而导致系统无法正常任务。4LC滤波器体积庞大。滤波器体积庞大。 1特点：特点：与无源校正抑制谐波的区别：与无源校正抑制谐波的区别： 能进一步抑制安装的低次谐波，提高安装的功率因数。能进一步抑制安装的低次谐波，提高安装的功率因数。与普通的开关电源的区别：与普通的开关电源的区别： 1 PFC电路不仅反响输出电压，还反响输入平均电流；电路不仅反响

19、输出电压，还反响输入平均电流； 2 PFC电路的电流环基准信号为电压环误差信号与全电路的电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号的乘积。波整流电压取样信号的乘积。2任务原理：任务原理：有源功率因数校正技术有源功率因数校正技术(Actite Power Filter Correction ，简称简称APFC或或PFC)就是在传统的整流电路中参与有源开关，就是在传统的整流电路中参与有源开关，经过控制有源开关的通断来强迫输入电流跟随输入电压的经过控制有源开关的通断来强迫输入电流跟随输入电压的变化，从而获得接近正弦波的输入电流和接近变化，从而获得接近正弦波的输入电流和接近1的功率因数。的功

20、率因数。 2、有源功率因数校正电路、有源功率因数校正电路PFC 7.3有源功率因数校正有源功率因数校正 7.3.1PFC技术的任务原理技术的任务原理 图图7.3.1 BoostPFC电路电路 主电路由单相桥式整流电路和主电路由单相桥式整流电路和Boost 变换电路组成，虚变换电路组成，虚线框内为控制电路，包含电压误差放大器线框内为控制电路，包含电压误差放大器VA及基准电压及基准电压Ur，乘法器，电流误差放大器乘法器，电流误差放大器CA，脉宽调制器和驱动电路。，脉宽调制器和驱动电路。任务原理：任务原理：输出电压输出电压Uo和基准电压和基准电压Ur比较比较后，误差信号经电压误差放大器后，误差信号经

21、电压误差放大器VA以后送入乘法器以后送入乘法器M，与全波整，与全波整流电压取样信号相乘以后构成基流电压取样信号相乘以后构成基准电流信号。基准电流信号与电准电流信号。基准电流信号与电流反响信号相减，误差信号经电流反响信号相减，误差信号经电流误差放大器流误差放大器CA后再与锯齿波相后再与锯齿波相比较构成比较构成PWM信号，然后经驱动信号，然后经驱动电路控制主电路开关电路控制主电路开关S的通断，使的通断，使电流跟踪基准电流信号变化。电流跟踪基准电流信号变化。 7.3.2PFC集成控制电路集成控制电路UC3854及其运用及其运用 图图7.3.2 UC3854内部构造框图内部构造框图 UC3854包含电

22、压放大器VA，模拟乘法/除法器M，电流放大器CA，固定频率PWM脉宽调制器，功率MOSFET的门极驱动电路，7.5V基准电压等 。图图7.3.3由由UC3854构成的构成的PFC电路原理图电路原理图 控制芯片UC3854适用的功率范围比较宽，5KW以下的单相boost-PFC电路均可以采用该芯片作为控制器。输出功率不同时，只需改动主电路中的电感L1和电流检测电阻RS、控制电路中的电流控制环参数。 输出电压输出电压Uo由下式确定：由下式确定：V5 . 7221 RRRUO7.3.2PFC集成控制电路集成控制电路UC3854及其运用及其运用 第第7章章 电力电子安装电力电子安装n 7.1 电力电子

23、安装的普通模型电力电子安装的普通模型n 7.2 开关电源开关电源n 7.3 有源功率因数校正有源功率因数校正 n 7.4 不延续电源不延续电源UPSn 7.5 静止无功补偿安装静止无功补偿安装n 7.6 变频调速安装变频调速安装7.4不延续电源不延续电源 UPS电源安装在保证不延续供电的同时，还能提供稳压、电源安装在保证不延续供电的同时，还能提供稳压、稳频和波形失真度极小的高质量正弦波电源。稳频和波形失真度极小的高质量正弦波电源。 目前，在计算机网络系统、邮电通讯、银行证劵、电力目前，在计算机网络系统、邮电通讯、银行证劵、电力系统、工业控制、医疗、交通、航空等领域得到广泛运用。系统、工业控制、

24、医疗、交通、航空等领域得到广泛运用。不延续电源：不延续电源：Uninterrupitable Power System, Uninterrupitable Power System, 简称简称UPSUPS7.4.1UPS的分类的分类 1、后备式、后备式UPS 图图7.4.1 后备式后备式UPS的根本构造的根本构造 市电存在时，逆变器不任务，市电经交流稳压器稳压后，向负载供电，同时充电器任务，对蓄电池组浮充电。 市电掉电时，逆变器任务，将蓄电池供应的直流电压变换成稳压、稳频的交流电压，继续向负载供电。 输出电压波形有方波、准方波和正弦波三种方式。输出电压波形有方波、准方波和正弦波三种方式。 特点

25、：构造简单、本钱低、运转效率高、价钱廉价，但特点：构造简单、本钱低、运转效率高、价钱廉价，但其输出电压稳压精度差，市电掉电时，输出有转换时间。适其输出电压稳压精度差，市电掉电时，输出有转换时间。适于小功率。于小功率。 2、线式、线式UPS 图图7.4.2 在线式在线式UPS的根本构造的根本构造 正常任务时，市电经整流器变成直流后，再经逆变器变换正常任务时，市电经整流器变成直流后，再经逆变器变换成稳压、稳频的正弦波交流电压供应负载。成稳压、稳频的正弦波交流电压供应负载。 当市电掉电时，由蓄电池组向逆变器供电，以保证负载不当市电掉电时，由蓄电池组向逆变器供电，以保证负载不延续供电。延续供电。 假设

26、逆变器发生缺点，UPS那么经过静态开关切换到旁路，直接由市电供电。当缺点消逝后，UPS又重新切换到由逆变器向负载供电。 特点：总是处于稳压、稳频供电形状，输出电压动态呼应特性好，波形畸变小，其供电质量明显优于后备式UPS。7.4.1UPS的分类的分类 7.4.2UPS电源中的整流器电源中的整流器 1对于小功率UPS，整流器普通采用二极管整流电路，它的作用是向逆变器提供直流电源。蓄电池充电由专门的充电器来完成。 2对于中大功率UPS，整流器普通采用相控式整流电路,它具有双重功能，在向逆变器提供直流电源的同时，还要向蓄电池进展充电，因此，整流器的输出电压必需是可控的。3减少UPS注入电网的谐波电流

27、的方法： 1添加整流电路的相数 ； 2在整流器的输入侧添加有源或无源滤波器 。4目前，比较先进的UPS采用PWM整流电路，可以做到注入电网的电流根本接近正弦波，使其功率因数接近1，大大降低了UPS对电网的谐波污染。 概述：概述： UPS电源中的电源中的PWM整流电路整流电路 图图7.4.3 单相单相PWM整流电路的原理框图整流电路的原理框图在在PWM整流电路的交流输入端整流电路的交流输入端AB产生一个正弦波调制产生一个正弦波调制PWM波波uAB，uAB中除了含有与电源同频率的基波分量外，还含有与开关频中除了含有与电源同频率的基波分量外，还含有与开关频率有关的高次谐波。由于电感率有关的高次谐波。

28、由于电感Ls的滤波作用，这些高次谐波电压只会的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流使交流电流is产生很小的脉动。假设忽略这种脉动，产生很小的脉动。假设忽略这种脉动，is为频率与电源频为频率与电源频率一样的正弦波。在交流电源电压率一样的正弦波。在交流电源电压us一定时，一定时，is的幅值和相位由的幅值和相位由uAB中中基波分量的幅值及其与基波分量的幅值及其与us的相位差决议。改动的相位差决议。改动uAB中基波分量的幅值中基波分量的幅值和相位，就可以使和相位，就可以使is与与us同相位，电路任务在整流形状，且功率因数为同相位，电路任务在整流形状，且功率因数为1。 7.4.2UPS电源中的整流器

29、电源中的整流器 直流输出电压给定信号Ud*和实践的直流 电压Ud比较后送入PI调理器，PI调理器的输出即为整流器交流输入电流的幅值，它与规范正弦波相乘后构成交流输入电流的给定信号is*，is*与实践的交流输入电流is进展比较，误差信号经比例调理器放大后送入比较器，再与三角载波信号比较构成PWM信号。 该PWM信号经驱动电路后去驱动主电路开关器件，便可使实践的交流输入电流跟踪指令值，从而到达控制输出电压的目的。 图图7.4.4 直接电流控制系统构造图直接电流控制系统构造图 单相单相PWMPWM整流电路采用直接电流控制时的控制系统构造简图整流电路采用直接电流控制时的控制系统构造简图 UPS电源中的

30、电源中的PWM整流电路整流电路 7.4.2UPS电源中的整流器电源中的整流器 7.4.3UPS电源中的逆变器电源中的逆变器 通常采用输出电压谐波系数HF来恒量UPS输出电压的波形质量的好坏。电压谐波系数定义为： 式中： U1为输出电压基波分量的有效值， Un为谐波分量的有效值。HF越小，那么阐明UPS输出电压波形越接近理想的正弦波。%1001 UUHFn图图7.4.5 UPS7.4.5 UPS逆变器及其控制原理框逆变器及其控制原理框图图 正弦波输出正弦波输出UPS通常采用通常采用SPWM逆变器。逆变器。主电路采用全桥逆变电路，对于小功率主电路采用全桥逆变电路，对于小功率UPS，开关器件普通为，

31、开关器件普通为MOSFET，而对于大功率，而对于大功率UPS，那么采用，那么采用IGBT。为滤去开关频率噪声，。为滤去开关频率噪声，输出采用输出采用LC滤波电路，由于开关频率普通大于滤波电路，由于开关频率普通大于20kHz，因此，采用较小，因此，采用较小的的LC滤波器。输出隔离变压器实现逆变器与负载隔离，防止它们之间电滤波器。输出隔离变压器实现逆变器与负载隔离，防止它们之间电的直接联络，从而减少干扰。的直接联络，从而减少干扰。 1 1、电路构造：、电路构造： 7.4.3UPS电源中的逆变器电源中的逆变器 图图7.4.5 UPS7.4.5 UPS逆变器及其控制原理框逆变器及其控制原理框图图 市电

32、市电us经同步锁相电路得到与市电同步的经同步锁相电路得到与市电同步的50Hz方波，将其输入规方波，将其输入规范正弦波发生器，便产生与市电同步的规范正弦波信号。该信号与输范正弦波发生器，便产生与市电同步的规范正弦波信号。该信号与输出有效值调理器的输出相乘后得到输出电压瞬时值给定信号出有效值调理器的输出相乘后得到输出电压瞬时值给定信号u*，再与，再与输出电压瞬时值反响信号输出电压瞬时值反响信号uf相减，误差信号经相减，误差信号经P调理器后，再与三角载调理器后，再与三角载波信号相比较，得到波信号相比较，得到PWM信号，该信号经驱动动电路后分别去驱动主信号，该信号经驱动动电路后分别去驱动主电路的开关器

33、件，从而到达控制输出电压的目的。电路的开关器件，从而到达控制输出电压的目的。 2 2、任务原理：、任务原理： 7.4.3UPS电源中的逆变器电源中的逆变器 7.4.4UPS的静态开关的静态开关 1、任务原理：、任务原理：为了进一步提高为了进一步提高UPS电源的可靠性，在线式电源的可靠性，在线式UPS均装有静态开关，将市均装有静态开关，将市电作为电作为UPS的后备电源，在的后备电源，在UPS发生缺点或维护检修时，无延续地将负载切发生缺点或维护检修时，无延续地将负载切换到市电上，由市电直接供电。换到市电上，由市电直接供电。2、电路构造：、电路构造：静态开关的主电路普通由两只晶闸管开关反并联组成，静

34、态开关的主电路普通由两只晶闸管开关反并联组成，图图7.4.6 7.4.6 单相输出单相输出UPSUPS的静态的静态开关原理图开关原理图 一只晶闸管用于经过正半周一只晶闸管用于经过正半周电流，另一只晶闸管那么用于电流，另一只晶闸管那么用于经过负半周电流。经过负半周电流。3、静态开关的切换方式：、静态开关的切换方式：1同步切换：先通后断；同步切换：先通后断；2非同步切换非同步切换 ：先断后通：先断后通 ； 图图7.4.6 7.4.6 单相输出单相输出UPSUPS的静态开关原理的静态开关原理图图 3 3、静态开关的切换方式：、静态开关的切换方式：1同步切换：先通后断同步切换：先通后断任务原理：切换时

35、，首先触发静态开关任务原理：切换时，首先触发静态开关2，使之导通，然，使之导通，然后再封锁静态开关后再封锁静态开关1的触发脉冲，因此，静态开关的触发脉冲，因此，静态开关1和静态开和静态开关关2同时导通，此时，市电和逆变器同时向负载供电。同时导通，此时，市电和逆变器同时向负载供电。特点：特点： 能保证在切换的过程中供电能保证在切换的过程中供电不延续。不延续。 在切换的过程中，逆变器必需在切换的过程中，逆变器必需跟踪市电的频率、相位和幅值。防跟踪市电的频率、相位和幅值。防止产生环流，烧坏逆变器。止产生环流，烧坏逆变器。7.4.4UPS的静态开关的静态开关 图图7.4.6 7.4.6 单相输出单相输

36、出UPSUPS的静态开关原理的静态开关原理图图 2 2非同步切换非同步切换 ：先断后通：先断后通任务原理：任务原理：先封锁正在导通的静态开先封锁正在导通的静态开关触发脉冲，延迟一段时间，关触发脉冲，延迟一段时间，待导通的静态开关关断后，再待导通的静态开关关断后，再触发另外一路静态开关。触发另外一路静态开关。特点：特点：会呵斥负载短时延续电。会呵斥负载短时延续电。 3 3、静态开关的切换方式：、静态开关的切换方式：7.4.4UPS的静态开关的静态开关 第第7章章 电力电子安装电力电子安装n 7.1 电力电子安装的普通模型电力电子安装的普通模型n 7.2 开关电源开关电源n 7.3 有源功率因数校

37、正有源功率因数校正 n 7.4 不延续电源不延续电源UPSn 7.5 静止无功补偿安装静止无功补偿安装n 7.6 变频调速安装变频调速安装 7.5 静止无功补偿安装静止无功补偿安装1、组成：由电力电子器件与储能元件构成。、组成：由电力电子器件与储能元件构成。2、特点：在于能快速调理容性和感性无功功率，实现动态补偿。、特点：在于能快速调理容性和感性无功功率，实现动态补偿。3、运用：常用于防止电网中部分冲击性负荷引起的电压动摇干扰、重、运用：常用于防止电网中部分冲击性负荷引起的电压动摇干扰、重负荷忽然投切呵斥的无功功率剧烈变化。负荷忽然投切呵斥的无功功率剧烈变化。4、分类：、分类：1采用晶闸管开关

38、的静止无功补偿安装：采用晶闸管开关的静止无功补偿安装： 晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器 Thyristor Controlled Reactor TCR 晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器Thyristor SwitchedCapacitor TSC 2采用自换相变流器的静止无功补偿安装：采用自换相变流器的静止无功补偿安装：静止无功发生器静止无功发生器Static Var GeneratorSVG高级静止无功补偿安装高级静止无功补偿安装AdTanced Static Var CompensatorASVC。 7.5.1晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器(TCR) 图图7.5.1 TCR7.5.1

39、 TCR的根本原理图的根本原理图 根本原理：根本原理： 单相根本构造是两个反并联的晶闸管与一个电单相根本构造是两个反并联的晶闸管与一个电抗器串联，这样的电路并联到电网上，就相当于电抗器串联，这样的电路并联到电网上，就相当于电感负载的交流调压电路构造。感负载的交流调压电路构造。 任务原理和不同触发角时的任务波形与交流任务原理和不同触发角时的任务波形与交流调压电路完全一样。调压电路完全一样。7.5.2晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器(TSC) 图图7.5.2 TSC7.5.2 TSC单相机构及其控制系统原理单相机构及其控制系统原理图图 任务原理：任务原理： TSC TSC由两个反并联的晶闸管构成的

40、静态开关与电容器串由两个反并联的晶闸管构成的静态开关与电容器串联组成。联组成。 TSC TSC与电网并联，当控制电路检测到电网需求无功补偿时，与电网并联，当控制电路检测到电网需求无功补偿时，触发晶闸管静态开关并使之导通，这样，便将电容器接入电触发晶闸管静态开关并使之导通，这样，便将电容器接入电网，进展无功补偿；当电网不需求无功补偿时，关断晶闸管网，进展无功补偿；当电网不需求无功补偿时，关断晶闸管静态开关，从而切断电容器与电网的联接。静态开关，从而切断电容器与电网的联接。 因此，因此，TSCTSC实践上就是断续可调的吸收容性无功功率的实践上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿安装。动态无

41、功补偿安装。 1、TSC主电路 普通将电容器分成几组，每组均可由晶闸管投切，如图8.4.3所示。电容器分组通常采用二进制方案，即采用n-1个电容值为C的电容和一个电容值为C/2的电容，这样的分组可以使组合成的电容值有2n级。 2、零电压投入问题 为使补偿电容器的投入与切除过程不引发主电路的涌流冲击，必需选择预备投入的电容器上的电压为电网线电压的正或负峰值且电压极性一样的时辰，切除时只需吊销触发信号即可，开关在电流过零之后会自行关断。 图图7.5.3 TSC7.5.3 TSC主电路主电路 图图7.5.4 7.5.4 晶闸管电压过零触晶闸管电压过零触发电路表示图发电路表示图 7.5.2晶闸管投切电

42、容器晶闸管投切电容器(TSC) 3、电容器投切判据与信号检测、电容器投切判据与信号检测 在图在图7.5.57.5.5中设节点相电压为：中设节点相电压为： tUtup sin2)(图图7.5.5 节点相电压与负载电流节点相电压与负载电流 负载电流为：负载电流为： )()(cossin2sincos2)(tititItItiqpL 上式中，ip(t)和iq(t)分别为有功电流分量和无功电流分量。当t=2k时：QMLIIki sin2)2( 可见，只需丈量在相电压正向过零时辰的负载电流，就可知对应的无功电流最大值IQM。这种无功电流检测方法简单、快速在一个周期内只需采样一次。1以无功电流为投切判据以

43、无功电流为投切判据7.5.2晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器(TSC) 1以无功电流为投切判据以无功电流为投切判据tUCdtduCipc cos2 tItIiQMq coscossin2 UICQM 2 上式上式C即为全补偿所需投切的电容量，即为全补偿所需投切的电容量，C为负值，那为负值，那么是切除相应容量的电容器；反之，那么应投入相应容量的么是切除相应容量的电容器；反之，那么应投入相应容量的电容器。电容器。 图7.5.6中，电压信号经滤波后由过零脉冲发生电路产生相电压，正向过零脉冲信号，作为采样坚持器的采样开关信号，于是采样坚持器的输出就是无功电流幅值。 图7.5.5中，iL=ic+is ，

44、假设使iq=ic ，那么实现了完全补偿。图图7.5.6 无功电流为投切判据的无功电流为投切判据的检测电路原理图检测电路原理图 由由和和可得可得7.5.2晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器(TSC) 2 2以无功功率为投切判据以无功功率为投切判据 可让单片机经过/转换同时对和信号在一个周期内进展次采样，得到 2个数据，由此进展下述离散运算得到UBC、IA和PBC ： NkAkBCiNI121 NkBCkBCuNU121 NkAkBCkBCiuNP11 对于对称三相补偿，只需取恣意两相电压对于对称三相补偿，只需取恣意两相电压线电压和另一相电流，就可测得无功功率。线电压和另一相电流，就可测得无功功率。

45、图图7.5.7 7.5.7 检测检测A A相电流相电流BCBC相线电压向量图相线电压向量图2)(1ABCBCIUPPF 由于由于PBC=UBCIAsin，那么功率因数为，那么功率因数为:7.5.2晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器(TSC) 4、控制器原理框图、控制器原理框图 图图7.5.8 TSC7.5.8 TSC控制器原理框控制器原理框图图 TSC的控制器主要由单片机、键盘接口电路、液晶显示接口电路、的控制器主要由单片机、键盘接口电路、液晶显示接口电路、数据存储器、同步电压检测、电压电流和频率检测，还有触发电路等数据存储器、同步电压检测、电压电流和频率检测，还有触发电路等部分组成。该控制器硬

46、件的原理方框图如图部分组成。该控制器硬件的原理方框图如图7.5.8所示。所示。 7.5.2晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器(TSC) 7.5.3静止无功发生器静止无功发生器(SVG) 任务原理任务原理 图图7.5.9 SVG7.5.9 SVG根本电路构造根本电路构造 适当调理桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，就可适当调理桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。功补偿的目的。 图图7.5.97.5.9给出了采用自换相电压型桥式的给出了采用自换相电压型桥式的SVGSVG根本电路构

47、造。根本电路构造。图图7.5.10 SVG7.5.10 SVG等效电路及其任务原等效电路及其任务原理理 经过同步电路控制，使经过同步电路控制，使 与与 同频同相，然后改动同频同相，然后改动 的幅值大小即可以控制的幅值大小即可以控制SVGSVG从电网吸收的电流从电网吸收的电流 是超前还是滞是超前还是滞后后9090，并且还能控制该电流的大小。，并且还能控制该电流的大小。 sU.Uo.I 仅思索基波频率时仅思索基波频率时 SVG SVG任务原理可以用图任务原理可以用图7.5.107.5.10a a所所示的单相等效电路来阐明。示的单相等效电路来阐明。 当当 大于大于 时，电流时，电流超前电压超前电压9

48、0，SVG吸吸收容性无功功率；收容性无功功率； 当当 小于小于 时，电时，电流滞后电压流滞后电压90，SVG吸收感性无功功率。吸收感性无功功率。.UosU.sU.7.5.3静止无功发生器静止无功发生器(SVG) 任务原理任务原理 .Uo.Uo第第7章章 电力电子安装电力电子安装n 7.1 电力电子安装的普通模型电力电子安装的普通模型n 7.2 开关电源开关电源n 7.3 有源功率因数校正有源功率因数校正 n 7.4 不延续电源不延续电源UPSn 7.5 静止无功补偿安装静止无功补偿安装n 7.6 变频调速安装变频调速安装7.6变频调速安装变频调速安装 可以看出：假设均匀地改动定子频率可以看出：

49、假设均匀地改动定子频率 ，那么，那么可以平滑地改动电机的转速。可以平滑地改动电机的转速。 在各种异步电机调速系统中，变频调速的性能在各种异步电机调速系统中，变频调速的性能最好，使得交流电机的调速性能可与直流电机相最好，使得交流电机的调速性能可与直流电机相媲美，同时效率高，是交流调速的主要开展方向。媲美，同时效率高，是交流调速的主要开展方向。 由交流电机的转速公式：由交流电机的转速公式：PSfn/ )1(60 f7.6.1变频调速的根本控制方式变频调速的根本控制方式 1基频以下的变频调速基频以下的变频调速2基频以上的变频调速基频以上的变频调速3转差频率控制转差频率控制4矢量控制矢量控制5控制直接

50、转矩控制直接转矩 1基频以下的变频调速基频以下的变频调速三相异步电动机的每相电动势为：三相异步电动机的每相电动势为： 式中：式中： E定子每相感应电动势的有效值；定子每相感应电动势的有效值；f定子电源频率；定子电源频率；N定子每相绕组串联匝数；定子每相绕组串联匝数；KW基波绕组系数；基波绕组系数；m每极气隙磁通量。每极气隙磁通量。mWfNKE44. 4 m7.6.1 当当U U不变时，随着电源输入频率的降低，将会相应添加。在调速的过不变时，随着电源输入频率的降低，将会相应添加。在调速的过程中，随着输入电源的频率降低，必需相应地改动定子电压程中，随着输入电源的频率降低，必需相应地改动定子电压U

51、U， 以保证气以保证气隙磁通不超越设计值。隙磁通不超越设计值。 假设使假设使 = =常数，那么在调速过程中可维持常数，那么在调速过程中可维持 近似不变，这就近似不变，这就是恒压频比控制方式。是恒压频比控制方式。 fU7.6.1变频调速的根本控制方式变频调速的根本控制方式 2 2基频以上的变频调速基频以上的变频调速 当电压当电压U一定时，电机的气隙磁通随着频率一定时，电机的气隙磁通随着频率f的升高成的升高成比例下降，类似直流电机的弱磁调速，因此，基频以上的比例下降，类似直流电机的弱磁调速，因此，基频以上的调速属恒功率调速。调速属恒功率调速。mWfNKE44. 4 电源频率从基频向上提高，可使电机

52、的转速添加。 由于电机的电压不能超越其额定电压，因此在基频以上调频时，U只能坚持在额定值。根据式根据式(7.6.1)：7.6.1变频调速的根本控制方式变频调速的根本控制方式 7.6.2变频调速安装的分类变频调速安装的分类 1 1 间接变频调速安装间接变频调速安装 图图7.6.1 7.6.1 间接变频安装的三种机构方间接变频安装的三种机构方式式 间接变频调速安装即交不断一交变频安装，首先将工频交流电源经过整流器变换成直流，然后再经过逆变器将直流变换成电压和频率可变的交流电源。 按照电路构造和控制方式的不同，间接变频安装又可以分为三种，如图7.6.1a、b、c所示。1 1 间接变频调速安装间接变频调速安装 图图7.6.1 7.6.1 间接变频安装的三种机构方间接变频安装的三种机构方式式 a a所示的间接变频安装由相控整流电路和逆变电路构成，其中所示的间接变频安装由相控整流电路和逆变电路构成，其中整流电路调理输出电压的大小，逆变电路控制输出交流的频率。整流电路调理输出电压的大小，逆变电路控制输出交流的频率。 b b所示的间接变频安装由二极管整流电路、斩波器和逆变器三所示的间接变频安装由二极管整流电路