电力电子装置-开关电源的工作原理

1、第第7章章 电力电子装置电力电子装置7.1 开关电源开关电源7.2 不间断电源（不间断电源（UPS）7.3 变频调速装置变频调速装置7.4 电力电子系统可靠性概述电力电子系统可靠性概述 7.1.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理 指起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的指起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的直流稳压电源。直流稳压电源。稳压电源：稳压电源：通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。 简称开关电源简称开关电源(Switching Power Supply)(Switching Power Supply)，指起电压，指起电压调整功能的器件

2、始终以开关方式工作的一种直流稳压电源。调整功能的器件始终以开关方式工作的一种直流稳压电源。 1 1、线性稳压电源：、线性稳压电源：2 2、开关稳压电源：、开关稳压电源：7.1 开关电源开关电源1 1、线性稳压电源：、线性稳压电源：优点：优良的纹波及动态响应特性；优点：优良的纹波及动态响应特性；缺点：（缺点：（1 1）输入采用）输入采用50Hz50Hz工频变压器，体积庞大；工频变压器，体积庞大； （2 2）电压调整器件工作在线性放大区内）电压调整器件工作在线性放大区内,损耗大损耗大,效率低；效率低； （3 3） 过载能力差。过载能力差。图图7.1.1 线性稳压电源方框图线性稳压电源方框图 2 2

3、、开关电源、开关电源： 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防电磁防电磁干扰电源滤波器，直接整流滤波，然后再将滤波后的直流电压经变换干扰电源滤波器，直接整流滤波，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电路变换为数十或数百kHz的高频方波或准方波电压，通过高频变压器的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压隔离并降压(或升压或升压)后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。图图7.1.2 开关电源原理框图开关电源原理框图工作原理：工作原理：7.1.2 开关电源的应用开关

4、电源的应用 图图7.1.4 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，输出电流为10A。 返回返回7.2 不间断电源不间断电源 Uninterrupitable Power System, 简称简称UPS UPS电源装置在保证不间断供电的同时，还能提供电源装置在保证不间断供电的同时，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。稳压、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、邮电通信、银行证劵、目前，在计算机网络系统、邮电通信、银行证劵、电力系统、工业控制

5、、医疗、交通、航空等领域得到电力系统、工业控制、医疗、交通、航空等领域得到广泛应用。广泛应用。不间断电源：不间断电源：7.2.1 UPS的分类的分类 1、后备式、后备式UPS 根据工作方式，根据工作方式，UPS电源分电源分 ：图图7.3.1 后备式后备式UPS的基本结构的基本结构 市电存在时，逆变器不工作，市市电存在时，逆变器不工作，市电经交流稳压器稳压后，向负载供电，电经交流稳压器稳压后，向负载供电，同时充电器工作，对蓄电池组浮充电。同时充电器工作，对蓄电池组浮充电。 市电掉电时，逆变器工作，将蓄市电掉电时，逆变器工作，将蓄电池供给的直流电压变换成稳压、稳电池供给的直流电压变换成稳压、稳频的

6、交流电压，继续向负载供电。频的交流电压，继续向负载供电。 特点：特点：结构简单、成本低、运行效率高、价格便宜，但其输出电结构简单、成本低、运行效率高、价格便宜，但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。压稳压精度差，市电掉电时，输出有转换时间。适于小功率。 2、线式、线式UPS 图图7.3.2 在线式在线式UPS的基本结构的基本结构 正常工作时，市电经整流器变成直流后，再经逆变器变换成稳压、正常工作时，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给负载。稳频的正弦波交流电压供给负载。 当市电掉电时，由蓄电池组向逆变器供电，以保证负载不间断供电。当市

7、电掉电时，由蓄电池组向逆变器供电，以保证负载不间断供电。 如果逆变器发生故障，如果逆变器发生故障，UPS则通过静则通过静态开关切换到旁路，直接由市电供电。当态开关切换到旁路，直接由市电供电。当故障消失后，故障消失后，UPS又又重新切换到由逆变器向负载供电。重新切换到由逆变器向负载供电。 特点：特点：总是处于稳压、稳频供电状态，总是处于稳压、稳频供电状态，输出电压动态响应特性好，波形畸变小，输出电压动态响应特性好，波形畸变小，其供电质量明显优于后备式其供电质量明显优于后备式UPS。7.2.2 UPS电源中的整流器电源中的整流器 1）对于小功率）对于小功率UPS，整流器一般采用二极管整流电路，整流

8、器一般采用二极管整流电路，蓄电池充电由专门的充电器来完成。蓄电池充电由专门的充电器来完成。 2）对于中大功率）对于中大功率UPS，整流器一般采用相控式整流电路，整流器一般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，还要向蓄电池进行充电。蓄电池进行充电。 3）减少）减少UPS注入电网的谐波电流的方法：注入电网的谐波电流的方法： 4）目前，比较先进的）目前，比较先进的UPS采用采用PWM整流电路，可以做到整流电路，可以做到注入电网的电流基本接近正弦波，使其功率因数接近注入电网的电流基本接近正弦波，使其功率因数接近1，大，大大

9、降低了大降低了UPS对电网的谐波污染。对电网的谐波污染。 概述：概述： 工作原理工作原理图图7.3.3 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，还含有与开关频率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。由于电感有关的高次谐波。由于电感Ls的滤波作用，这些高次谐波电压只会使的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流交流电流is产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，is为频率与电源频

10、率为频率与电源频率相同的正弦波。在交流电源电压相同的正弦波。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中基中基波分量的幅值及其与波分量的幅值及其与us的相位差决定。改变的相位差决定。改变uAB中基波分量的幅值和相中基波分量的幅值和相位，就可以使位，就可以使is与与us同相位，电路工作在整流状态，且功率因数为同相位，电路工作在整流状态，且功率因数为1。 直流输出电压给定信号直流输出电压给定信号Ud*和实际的直流和实际的直流 电压电压Ud比较后送入比较后送入PI调调节器，节器，PI调节器的输出即为整流器交流输入电流的幅值，它与标准正调节器的输出即为整流器交流输入电流的

11、幅值，它与标准正弦波相乘后形成交流输入电流的给定信号弦波相乘后形成交流输入电流的给定信号i is s* *，i is s* *与实际的交流输入电与实际的交流输入电流流is进行比较，误差信号经比例调节器放大后送入比较器，再与三角载进行比较，误差信号经比例调节器放大后送入比较器，再与三角载波信号比较形成波信号比较形成PWM信号。信号。 该该PWM信号经驱动电路后去驱动主电路开关器件，便可使实际的信号经驱动电路后去驱动主电路开关器件，便可使实际的交流输入电流跟踪指令值，从而达到控制输出电压的目的。交流输入电流跟踪指令值，从而达到控制输出电压的目的。 图图7.3.4 直接电流控制系统结构图直接电流控制

12、系统结构图 单相单相PWM整流电路采用直接电流控制时的控制系统结构简图整流电路采用直接电流控制时的控制系统结构简图 图图7.3.5 UPS逆变器及其控制原理框图逆变器及其控制原理框图 主电路采用全桥逆变电路，为滤去开关频率噪声，输出采用主电路采用全桥逆变电路，为滤去开关频率噪声，输出采用LC滤波电路，且采用较小的滤波电路，且采用较小的LC滤波器。输出隔离变压器实现逆变器与滤波器。输出隔离变压器实现逆变器与负载隔离，避免它们之间电的直接联系，从而减少干扰。负载隔离，避免它们之间电的直接联系，从而减少干扰。 7.2.3 UPS电源中的逆变器电源中的逆变器 7.2.4 UPS的静态开关的静态开关 为

13、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均装均装有静态开关，将市电作为有静态开关，将市电作为UPS的后备电源，在的后备电源，在UPS发生故发生故障或维护检修时，无间断地将负载切换到市电上，由市电障或维护检修时，无间断地将负载切换到市电上，由市电直接供电。直接供电。图图7.2.4 单相输出单相输出UPS的的 静态开关原理图静态开关原理图 1 1、工作原理：、工作原理：2 2、电路结构：、电路结构： 静态开关的主电路一般由静态开关的主电路一般由两只晶闸管开关反并联组成，两只晶闸管开关反并联组成，一只晶闸管用于通过正半周一只晶闸管用于通过正半周电流，另一只晶闸管

14、则用于电流，另一只晶闸管则用于通过负半周电流。通过负半周电流。返回返回7.3 变频调速装置变频调速装置 若均匀地改变定子频率若均匀地改变定子频率 ，则可以平滑地改变电机的转速。，则可以平滑地改变电机的转速。由交流电机的转速公式：由交流电机的转速公式：可以看出：可以看出：PSfn/ )1(60 f 因此，在各种异步电机调速系统中，变频调速的性能最好，因此，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媲美，同时效率高，是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，是交流调速的主要发展方向。交流调速的主要发展方向。7.3.1 变频调速的基本控制方式变频

15、调速的基本控制方式 （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 （5）控制直接转矩）控制直接转矩 （4）矢量控制）矢量控制7.3.2 变频调速装置的分类变频调速装置的分类 （1） 间接变频调速装置间接变频调速装置 图图7.5.1 间接变频装置的三种机构形式间接变频装置的三种机构形式 按照电路结构和控制方式的不同，间接变频装置又可以分为三种，如图按照电路结构和控制方式的不同，间接变频装置又可以分为三种，如图7.5.1（a）、（）、（b）、（）、（c）所示。）所示。（2）直接变频装置）直接变频装置 图图7.3.2 直接变

16、频装置直接变频装置 直接变频装置的结构如图直接变频装置的结构如图7.5.2所示，它采用交一交变所示，它采用交一交变频电路，只用一个变换环节，直接将恒压恒频的交流电频电路，只用一个变换环节，直接将恒压恒频的交流电源变换成源变换成VVVF电源。根据输出波形，直接变频装置可电源。根据输出波形，直接变频装置可以分成方波形和正弦波型两种。以分成方波形和正弦波型两种。 此类变频装置一般只用于低速大容量的调速系统，如此类变频装置一般只用于低速大容量的调速系统，如轧钢机、球磨机、水泥回转窑等。轧钢机、球磨机、水泥回转窑等。 7.3.3 SPWM变频调速装置变频调速装置 图图7.5.3 开环控制的开环控制的SP

17、WM的变频调速系统结构简图的变频调速系统结构简图返回返回可靠性的基本概念可靠性的基本概念 为元件或系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功为元件或系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。能的能力。1、元件或系统的可靠性、元件或系统的可靠性: 2、失效：、失效： 3、可靠性指标：、可靠性指标： 描述一个元件、装置或系统的可靠程度的数量化的指标。描述一个元件、装置或系统的可靠程度的数量化的指标。当元件、装置或系统不能完成规定的功能时，称之为失效。当元件、装置或系统不能完成规定的功能时，称之为失效。 4、常用可靠性指标：、常用可靠性指标： 可靠度、失效率和平均无故障时间可靠度、失效率和平均无故障时间 7.4 电力电子系统可靠性概述电力电子系统可靠性概述 电磁兼容性概述电磁兼容性概述 电磁干扰电磁干扰EMI（Electromagnetic nterference） 电磁敏感度电磁敏感度EMS（Electromagnetic Susceptibility） 电气、电子设备能够在它自己所产生的电磁环境以电气、电子设备能够在它自己所产生的电磁环境以及它所处的复杂的