《电力电子技术》课件-第七章 电力电子装置应用实例

第七章电力电子装置应用实例7.1开关电源7.2有源功率因数校正装置7.3不间断电源7.4晶闸管中频电源7.5通用变频器

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现代电力电子技术已经成为信息产业与传统产业之间的重要接口，强电与弱电之间的重要桥梁。它不仅是机电一体化中的一项关键技术，而且也是在广泛的应用领域里支持多项高新技术发展的基础技术。当微电子技术与电力电子技术紧密结合时，具有现代电力电子技术特征的应用装置就显示了它独到的功能。第七章电力电子装置应用实例

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随着全控型器件(目前主要是功率MOSFET与IGBT)的广泛应用以及脉宽调制(PWM)技术的成熟，高频开关稳压电源获得极快发展。第七章电力电子装置应用实例7.1开关电源7.1.1概述

开关稳压电源简称开关电源（SwitchingPowerSupply），其基本工作原理是：将电网50Hz的交流电直接进行整流滤波变为高压直流电，通过开关管组成的逆变电路得到20～50kHz的高频交流电，再经过高频变压器降压后进行整流和滤波，得到所需的直流电。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.1开关电源

开关电源的核心部分是用全控型器件在逆变电路中以高频率的开通与关断进行功率变换，故此类电源简称开关电源。由于功率管工作在开关状态，变压器和滤波器工作在高频状态，所以开关电源效率高，体积小。

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本节以某产品28V/100A开关电源为例，分析主电路与脉宽调制(PWM)控制的工作原理。该电源主要技术指标如下：输入电压：单相交流220V±15%输出电压：直流28V输出电流：100A电压调整率：≤1%负载调整率：≤1%输出纹波：Urms≤50mV、Urp-p≤150mV额定效率：≥80%功率因数：≥0.8MTBF(平均无故障时间)：≥6000h

高校教材网7.1.2开关电源主电路工作原理第七章电力电子装置应用实例7.1开关电源

调压稳压的基本原理是：当开关电源由于负载减小或交流输入电压的升高引起输出直流电压升高时，由PWM环节控制，使逆变器中IGBT导通时间缩短，逆变器输出脉宽变窄，从而使输出电压下降；反之使逆变器输出脉宽变宽，由此实现输出直流电压的稳定与调节。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.1开关电源图7-1开关电源的原理框图

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图7-2为开关电源主电路，220V交流输入，经开关S、电源滤波器、桥式整流，变换为300V左右的直流电，再经限流电阻(200Ω/8W四个并联)输入高频逆变器，进行功率变换。逆变器为电压型半桥式电路，由两只IGBT管(VIl、VI2)、电容（C1、C2）以及高频变压器组成，将直流电变换为20kHz的正负矩形波电压。该高频交变电压经变压器T1降压后，送至全波整流与滤波电路，得到稳定的28V直流电压。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.1开关电源图7-2开关电源主电路

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.1开关电源1、半桥式逆变器的工作原理图7-3半桥式逆变电路

电压型逆变器的特点是输出电压为矩形波、输出电流近似正弦波，电路如图7-3所示。

高校教材网2、高频整流

20kHz高频交流的整流由高频变压器和全波整流电路组成。高频变压器对电路工作是十分重要的，其作用是电压变换、功率传递和输入、输出隔离。工作时要防止变压器磁路饱和，否则励磁电流会大大增加。第七章电力电子装置应用实例7.1开关电源

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.1开关电源3、滤波、软启动和软开关高频装置必须考虑射频干扰(RFI)与电磁干扰(EMI)以及谐波影响，用于有效抑制和吸收电网可能出现的强脉冲对电源的干扰，同时线路滤波器具有良好的共模和差模插入损耗，有效地抑制电源产生的高频干扰信号影响电网。开关电源一般设置交流限流延时，当交流电源合闸时，为了限止对大电容的充电电流，防止整流桥过流，在合闸时串接限流电阻(200Ω/8W)，一般调整在500ms后将电阻短接。

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3、滤波、软启动和软开关软启动功能是指在脉宽调制控制中，启动时使IGBT管驱动信号的脉宽由零逐渐展宽，使直流输出电压与电流逐步建立，避免启动冲击。软开关技术是高频开关电路中实现零电压开通(ZVS)、零电流关断(ZCS)的先进技术，是减少开关损耗，提高开关频率和取消缓冲电路的有效手段。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.1开关电源7.1.3控制电路图7-4CW494集成脉宽调制器管脚排列及内部功能框

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.1开关电源CW494集成脉宽调制器是控制部分的核心。该集成块与美国TEXAS公司生产的TL495功能一致。其管脚排列及内部功能框图如图7-4所示。1、锯齿波振荡器振荡频率由5、6脚外接RT、CT参数决定[f≈1/(RTCT)]，对于双端输出，其振荡频率调整为2倍的逆变器频率（40kHz）。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.1开关电源2、脉宽调制控制(PWM)

脉宽调制主要由PWM比较器实现，振荡器产生的锯齿波经反相输入比较器负端，与两个误差放大器输出的误差电压进行比较，其输入输出波形如图7-5所示，当误差电压小于锯齿波电压(已反相)时输出低电平，当误差电压大于锯齿波电压时，输出高电平。图中画出了两种不同误差电压时，比较器输出脉冲的波形。改变误差电压即可方便地调节脉冲宽度。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.1开关电源图7-5PWM比较器输入输出波形

高校教材网3、死区时间控制对于桥式逆变电路，从一个IGBT管关断到另一个IGBT管导通之间，必须留有死区时间，死区时间由死区控制比较器来实现。CW494的最小输出死区时间由4脚外接电阻设定，通常设定死区时间约为振荡周期的5%。第七章电力电子装置应用实例7.1开关电源

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.1开关电源4、稳压与过电压、过电流保护稳压和保护功能由两个误差放大器来完成。通常误差放大器输入“负”端接基准电压，可由14脚分压供给，“正”端接开关电源的电压、电流采样信号。当交流输入欠电压或过电压时误差电压增大，使误差电压与锯齿波无交点，不输出脉冲，封锁逆变桥，实现过电压、欠电压保护。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.2有源功率因数校正装置7.2.1概述

随着电力电子技术的发展，越来越多的电力电子设备接入电网运行。这些设备的输入端一般是桥式整流和电容滤波电路，其二极管只有在输入电压大于直流输出电压时才导通，时间很短。因此，输入电流是尖顶波，造成交流输入电流严重畸变，由此产生大量的谐波注入电网。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.2有源功率因数校正装置7.2.1概述

电网谐波电流不仅引起变压器和供电线路过热，影响电器的性能，并且产生电磁干扰，影响其他电子设备正常运行。许多国家和组织制订了限制用电设备谐波的标准，对用电设备注入电网的谐波和功率因数都作了明确具体的限制。这就要求生产电力电子装置的厂家必须采取措施来抑制其产品的谐波，提高功率因数。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.2有源功率因数校正装置

抑制谐波的传统方法是采用无源校正，即在主电路中串入无源LC滤波器。该方法虽然简单可靠，并且在稳态条件下不产生电磁干扰，但是，它有以下缺点：1、滤波效果与电网阻抗、频率有关，动态性能差。2、滤波元件可能会与电网阻抗发生并联谐振，导致系统无法正常工作。3、滤波要求越高，滤波器体积越大。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.2有源功率因数校正装置

解决上述问题的有效方法是在整流桥与滤波电容之间加一级功率因数校正环节。在电力电子设备中采用功率因数校正(PFC)技术，对于降低高次谐波电流对电网的干扰、提高设备效率、节约能源是十分必要的。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.2有源功率因数校正装置7.2.2有源功率因数校正的工作原理有源功率因数校正技术(ActivePowerFilterCorrection，简称APFC或PFC)就是在传统的整流电路中加入有源开关，通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l的功率因数。目前，单相电路的PFC技术已经成熟，三相PFC电路处于研制阶段。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.2有源功率因数校正装置图7-6升压—PFC电路

有源功率因数校正电路的形式多种多样，从原理上说，任何一种DC/DC变换电路都可用作PFC主电路。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.2有源功率因数校正装置PFC的工作原理如下：输出电压Uo与基准电压Ur比较后，误差信号经电压误差放大器VA放大后送入乘法器，与全波整流电压取样信号相乘以后形成基准电流信号。基准电流信号与电流反馈信号相减，误差信号经电流误差放大器CA后再与锯齿波相比较形成PWM信号。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.2有源功率因数校正装置

然后经驱动电路控制主电路开关S的通断，使电流跟随基准电流信号变化。由于基准电流信号同时受输入交流电压和输出直流电压的控制，因此，当电路的实际电流与基准电流一致时，既能实现输出电压恒定，又能保证输入电流为正弦波，并且与电网电压同相，从而获得接近于1的功率因数。

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集成电路UC3854是美国Unitrode公司生产的PFC控制专用器件，也是目前使用最多的一种PFC集成控制电路，用于控制图7-6所示的PFC变换电路。它内部集成了PFC控制电路所需要的所有功能，应用时，只需增添少量的外围电路，便可构成完整的PFC控制电路。第七章电力电子装置应用实例7.2有源功率因数校正装置7.2.3PFC集成控制电路UC3854及其应用

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.2有源功率因数校正装置

图7-7给出了UC3854内部结构框图。从图中可见，UC3854包含：电压放大器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。其中模拟乘法/除法器M的输出信号IM为基准电流信号，它与乘法器的输入电流IAC的关系为(与图中IM=AB/C对应)：

IM=IAC(UAO-1.5V)/KUrms2

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.2有源功率因数校正装置图7-7UC3854内部结构框图

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.2有源功率因数校正装置

控制芯片UC3854适用的功率范围比较宽，5kW以下的单相升压—PFC电路均可以采用该芯片作为控制器。图7-8给出了输出功率为250W时由UC3854构成的PFC电路原理图。输出功率不同时，只需改变主电路中的电感Ll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U0由下式确定：U0的大小一般选取为380～400V。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.2有源功率因数校正装置图7-8UC3854构成的PFC电路

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.3不间断电源

不间断电源（UPS）装置可以在交流输入电源（市电）发生异常或断电时，还能继续向负载供电，使负载用电不受影响。它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。目前，在计算机网络系统、邮电通信、银行证券、电力系统、工业控制、医疗、交通、航空等领域得到广泛应用。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.3不间断电源7.3.1不间断电源（UPS）的分类

根据工作方式，不间断电源（UPS）分后备式UPS和在线式UPS两大类。

后备式不间断电源（UPS）的基本结构如图7-9所示，它由充电器、蓄电池、逆变器、交流稳压器、转换开关等部分组成。在线式不间断电源（UPS）的基本结构如图7-10所示，它由整流器、逆变器、蓄电池组、静态转换开关等部分组成。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.3不间断电源图7-9后备式UPS结构框图

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.3不间断电源图7-10在线式UPS结构框图

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单相在线式不间断电源（UPS）的典型实例如图7-11所示，它由逆变器主电路、控制电路、驱动电路、电池组、充电器以及滤波、保护等辅助电路组成。当市电出现异常情况时，PFC输出的直流电压将低于电池升压输出电压，这时由电池升压后向逆变器提供能量，同时充电器停止工作。控制器由单片机及其他辅助电路组成，主要负责脉宽调制波的产生、使输出正弦波与市电同步、进行不间断电源（UPS）的管理以及报警和保护。第七章电力电子装置应用实例7.3不间断电源7.3.2单相在线式不间断电源（UPS）应用实例

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.3不间断电源图7-11单相在线式UPS框图

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.3不间断电源7.3.3三相UPS典型实例

三相大功率不间断电源（UPS）的功率范围在10～250kw之间，并联后可达几兆瓦，它一般由整流器、逆变器、电池组、静态旁路开关及维修旁路开关等几部分构成。它的基本框图如图7-12所示。市电输入一般采用三相四线制，380V、50Hz的交流电通过输入断路器、交流接触器输入到三相整流桥。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.3不间断电源图7-12三相UPS框图

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.4晶闸管中频电源

晶闸管中频电源是一种利用晶闸管把50Hz工频交流电变换成中频交流电的设备，主要用于感应加热和熔炼金属，是一种比较先进的静止变频设备。中频电源的基本原理是：通过三相桥式全控整流，将三相交流电整流为大小可调的直流电，经电抗Ld滤波后供给单相逆变器，由逆变器将直流电逆变为中频交流电供给负载，是一种电流型交—直—交变频。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.4晶闸管中频电源

为了工作在谐振状态，逆变晶闸管交替触发的频率必须与负载回路的谐振频率相近，这样不仅可得到较高的功率因数与效率，而且当逆变电路输出交变矩形波电压时，负载电路对其基波成分呈现高阻抗，对其它谐波电压可看成短路，所以负载两端电压ud是很好的中频正弦波，而负载电流在大电感Ld作用下为交变矩形波。并联电容C除参与谐振外，还提供负载无功功率，负载电路呈容性使ia超前ua一定角度，达到自动换流关断晶闸管的目的。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.4晶闸管中频电源图7-13晶闸管中频电源主电路

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.4晶闸管中频电源

电源的过压保护措施是：在整流桥交流侧加接六个压敏电阻，标称电压约340V，具有桥臂正反向过电压、线电压正反向过电压以及直流侧过电压保护。过电流保护措施是：在整流桥臂串200A快速熔断器，在交流输入端串三只进线电抗器抑制冲击电流。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.5通用变频器

在各种交流电动机的调速系统中，目前效率最高、性能最好的是变压变频（VVVF）调速系统。交流电动机的变压变频调速系统一般简称为变频器。由于通用变频器使用方便、可靠性高，所以它成为现代自动控制系统的主要组成元件之一。通用变频器不仅在工业各个行业广泛使用，就连家庭也成了通用变频器的应用市场。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.5通用变频器7.5.1通用变频器的基本结构

变频器根据功率的大小，从外形上分为小巧的书本型机构（0.75-37kw）和大功率的柜型结构（45-1500kw）两大类。变频器与外界的联系基本上分三部分：1、主电路接线端：包括接工频电网的输入端和接电动机的电压/频率连续可调的输出端。2、控制端：包括外部控制信号输入端、变频器工作状态指示端、与微机或其他变频器的通讯接口。3、操作面板：包括键盘、液晶显示屏或触摸控制屏。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.5通用变频器7.5.2通用变频器的分类

从变频过程看，变频器可以分为交—直—交变频器和交—交变频器两类。无论是交—直—交变频器还是交—交变频器，从变频电源的性质上看，又可分为电压型变频器和电流型变频器两类。对于交—直—交变压变频装置，电压型变频器和电流型变频器的主要区别在于中间直流环节采用的是电容滤波器还是电感滤波器。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.5通用变频器7.5.3通用变频器的控制方式

变频器可以从基频往下调，也可以从基频往上调。基频以下的变频，为了维持Φm基本不变，采用恒压频比控制方式。这种变频控制方式，可以使交流电动机获得与直流电动机降压调速类似的恒转矩特性。基频以上调频时，电压只能保持在额定值，电动机的磁通随着频率的升高而下降，类似直流电动机的弱磁调速。因此，基频以上的调速属于恒功率调速。除了上述两种基本控制方式外，变频器的控制方式还有转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。

高校教材网1、输入相数和额定电压一般为3相，380v,50Hz。2、输出额定电压UN

输出电压的最大值，一般等于输入电压。3、输出电流IN

允许长时间输出的最大电流。4、输出容量SN（kVA）与输出额定电压UN和输出电流IN成正比。5、配用电动机容量PN（kw）长期连续负载的电动机功率。第七章电力电子装置应用实例7.5通用变频器7.5.4变频器的主要参数

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.5通用变频器6、过载能力：输出电流超过额定电流的允许范围和时间。大多数变频器都规定为150%IN、60s，180%IN、0.5s。7、频率范围：变频器能够输出的最高频率和最低频率。8、频率精度：变频器输出频率的准确程度。用实际输出频率和设定频率之间的最大误差与最高工作频率的百分比来表示。9、频率分辨率：输出频率的最小改变量。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.5通用变频器7.5.5通用变频器控制芯片

变频器产生三相对称交流电的关键是，要有一组SPWM脉冲去控制逆变桥中的各个开关器件。生成SPWM脉冲的方法很多，大致可以分为三类：一是完全由模拟电路生成，二是由数字电路生成，三是由模拟和数字电路相结合生成。

高校教材网第七章电力电子装置应用实例7.5通用变频器SLE4520为三相SPWM集成电路，它是一种应用ACMOS技术制作的低功耗高频大规模集成电路，是一种可编程器件。它能把三个8位数字量