第10章 电力电子技术的应用

1、第10章电力电子技术的应用，10.1晶闸管直流电动机系统10.2逆变器和交流调速系统10.3不间断电源10.4开关电源10.5功率因数校正技术10.6电力电子技术在电力系统中的应用10.7电力电子技术的其他应用， 10.1晶闸管直流电动机系统10.1.1在整流状态下工作时10.1.2在有源逆变器状态下工作时10.1.3直流可逆电力拖动系统，3、直流可逆电力拖动系统电路结构图10-6a有环流布线，图10-6b没有环流布线，环流是指两组变压器之间根据电动机所需的运行状态，决定哪组变流器的工作和与其对应的工作状态：整流或逆变器。 四象限运转时的动作状况第一象限，正转，电动机为电动运转，正组桥为整流状

2、态，1/2，EMUd (下标中显示逆变器)。 第3象限、反转、电动机为电动运转、逆组合桥为整流状态、2/2 )、EMUd。 10.1.3直流可逆电力拖动系统，图10-6两组变压器的反并联可逆线路。 直流可逆拖动系统，能容易地实现正反运转和再生制动。10.2逆变器和交流调速系统、10.2.1交流电动机的逆变调速的控制方式、10.2.1交流变换器、交流变换器(variablevoltagevariablefrequency，简称VVVF电源)为DC/。 由AC的基本逆变器电路的组合形成，也称为间接交流逆变器电路，最主要的优点是输出频率不受输入电源频率的制约。 再生反馈电力的能力负载电动机需要频繁、

3、急速的制动时，通常要求再生反馈电力的能力。 图10-7所示的电压型交直转换电路不能再生反馈电力。 其整流部分采用了无法控制的整流，与电容器之间的直流电压和直流电流的极性不变，只能从电源向直流电路输送电力，不能从直流电路向电源反馈电力。 逆变器电路的能量可以双向流过，负载能量被反馈到中间直流电路，如果不被反馈到交流电源，电容电压就会上升，被称为泵吸电压，泵吸电压过高会威胁电路整体的安全。 图10-7不能再生反馈的电压型间接交流逆变器电路，图10.2.1正交逆变器，图10-8带泵升压限制电路的电压型间接交流逆变器电路，用图10-9控制变换器实现再生反馈的电压型间接交流逆变器电路， 图10-10整流

4、和逆变器都是使PWM控制的电压型间接交流逆变器电路电路具有再生反馈电力能力的方法在图10-8的电路上追加由电力晶体管V0和能量电阻R0构成的泵上升电压限制电路，在泵上升电压超过一定值时，使V0导通图10-9所示的电路追加了逆变器电路，在有源逆变器状态下工作，负载了能够实现电动机再生制动的再生能量时，中间直流电压的极性不变化，电流成为相反方向，通过控制转换器将电力反馈给电网。 图10-10是整流电路和逆变器电路都采用PWM控制的间接交流变流器电路，能简称为双PWM电路，该电路的输入输出电流都是正弦波，输入功率因数高，能实现电动机的四象限运转，整流、逆变器部分都是PWM控制，全控制型的器件、10.

5、2.1交直转换器，图10-11是控制整流的电流型间接交流转换电路，图10-12电流型交直转换电路，图10-13整流和逆变器都采用PWM控制的电流型间接交流转换电路，图10-11提供能再生反馈电力的电流型间接交流转换电路中间直流电路的电流极性不变，为了实现再生制动，调节控制整流电路的触发角，使中间直流电压为相反极性即可。图10-12实现基于上述原理的电路图，在应用于大容量的情况下，将主电路中的设备置换为GTO，逆变器电路的输出端的电容器c为了吸收GTO截止时产生的过电压而设置，还可以过滤到输出的PWM电流波形。 电流型间接交流逆变器电路也可以采用双PWM电路，为了吸收换流时的过电压，可以进行在交

6、流电源侧和交流负载侧双方设置电容器的四象限运转，同时通过向整流电路的PWM控制，可以使输入电流成为正弦波，使输入功率因数为1。 10.3不间断电源、不间断电源(uninterruptivepowersupply-ups )是在交流输入电源(有被称为商用电源的习惯)发生异常或停电时，继续向负载供给电力，保证电力供给的质量，不影响向负载供给电力的装置。 广义上，UPS包含输出为直流和输出为交流两种情况，目前，输出为交流时UPS是恒压恒频(CVCF )电源的主要产品之一，在交流供电可靠性和供电质量高时被广泛应用。 图10-15 UPS的基本结构原理图，UPS的结构原理的基本动作原理是：商用电源正常的

7、情况下，商用电源供给电力，商用电源异常或停电的情况下，从蓄电池向逆变器供给电力，因此从负载侧来看，电力供给不受商用电源停电的影响，商用电源正常的情况下，负载从逆变器开始此时，从负载得到的交流电压比商用电源的电压品质高，即使在商用电源发生了品质问题(电压变动、频率变动、波形失真、瞬时停电等)的情况下，也能够得到正常的恒定电压恒定频率的正弦波交流输出，具有稳定化、稳定化的性能，因此也称为稳定化电源。 10.3不间断电源、具备图10-16旁路开关的UPS系统、将图10-17柴油发电机作为备用电源的UPS、为了保证商用异常和逆变器故障时的负载电力的切换，在实际的UPS产品中多设置了旁路开关，图10-1

8、7 请注意商用和逆变器供给的CVCF电源通过转换开关s切换，另外，在切换商用旁路电源和CVCF电源时，必须保证两个电压的相位一致，通常采用相位同步方式。 由于在商用电源停电时由蓄电池供给电力，所以电力供给时间依赖于蓄电池容量的大小，有很大的限度，为了保证长时间不间断电力供给，可以采用柴油发电机(简称为油发动机)作为备用电源，如图10-17所示，蓄电池在商用电源和油发动机之间如果在10.3不间断电源、图10-18小容量UPS主电路、图10-19大电力UPS主电路、UPS主电路构成小容量UPS主电路整流部中使用二极管整流器和直流斩波器(作为PFC使用)，则能够得到高交流输入功率因数。 逆变器部使用

9、IGBT，采用PWM控制，因此可获得良好的控制性能。 使用GTO的大容量UPS主电路逆变器部采用PWM控制，具有调节电压和改善波形的功能。 为了减少GTO的开关损失，采用了低开关频率。 输出电压中包含的最低高次谐波为11次，使交流滤波器小型化。10.4开关电源、10.4.1开关电源的结构10.4.2开关电源的控制方式10.4.3开关电源的应用、10.4.1开关电源的结构、图10-22开关电源的能量转换过程、交流输入的开关电源整流电路一般采用由二极管构成的桥接电路，直流侧采用大容量滤波器，比较先进的开关电源采用主动的功率因数校正(PFC )电路。 高频逆变器-变压器-高频整流电路是开关电源的核心

10、部分，具体电路采用绝缘型直流变流器电路。 高性能开关电源一般采用软开关技术。10.4.1开关电源的构成，直流输入的开关电源也被称为直流-直流转换器(DC-DC Converter )，分为绝缘型和非绝缘型，绝缘型多采用回扫、正励磁、半桥等绝缘型电路、图10-24 a )同步降压电路，图10-24 b )同步升压电路，10.4.2开关电源控制方式，图10-26开关电源的控制系统，图10-27电流模式控制系统的构成，典型的开关电源控制系统如图10-26所示电压模式控制图10-26所示的是电压模式控制，输出电压反馈控制环路只有一个。 其优点是结构简单，但存在有效控制电路中没有电流流过的显着缺点。 电

11、流模式控制在电压反馈环路中追加电流反馈控制环路，将电压控制器的输出信号作为电流环路的基准信号，通过在该信号上设置限位，可以实现限制电路中的最大电流，实现短路和过负载保护的目的，也可以实现恒流控制。 10.4.2开关电源的控制方式、图10-28峰值电流模式控制的原理、峰值电流模式控制峰值电流模式控制系统中的电流控制环路的结构示于图10-28a，主要波形示于图10-28b。 基本原理：开关的导通由时钟CLK信号控制，CLK信号每隔一定时间设定RS触发器，当接通开关的开关导通时iL上升，在iL达到电流供给值iR时，比较器的输出信号反转，RS触发器a )，b )，10.4.2开关电源的控制方式，图10

12、-29平均电流模式控制的原理，a )，b )，峰值电流模式控制的不足：该方法不是控制电感电流的平均值，而是控制电感电流的峰值，两者的差根据M1和M2而变化， 在需要正确控制电感电流的平均值的大多数开关电源中不允许的峰值电流模式控制电路中，将感应电流与直接给与电流的信号进行比较，但是感应电流通常包含在开关过程中产生的噪声信号，容易引起比较器的误动作，在感应电流中产生不规则的变动。 平均电流模式控制采用PI调节器作为电流调节器，将调节器输出的控制量uc与锯齿波信号uS进行比较，得到周期一定且占空比变化的PWM信号，控制开关的接通断开。 10.4.3开关电源的应用，开关电源广泛应用于各种电子设备、设

13、备、家电等。 例如，台式电脑和笔记本电脑电源、电视、DVD播放器的电源、家用空调、冰箱的计算机控制电路的电源等，这些电源电力通常只有几十W几百w的手机等移动电子设备的充电器也是开关电源，但电力只有几w 大型计算机等大型设备的电源也是开关电源，电力在数kW数百kW大的工业上也大量应用开关电源，例如在NC机床、自动化生产线上，采用各种规格的开关电源向其控制电路供电。 开关电源也可以用于蓄电池充电、放电加工、电镀、电解等电化学工艺等，电力能达到数十数百kW的x线机、微波发射机、雷达等设备中，多使用高压、小电流输出的开关电源。10.5功率因数校正技术、10.5.1功率因数校正电路的基本原理10.5.2

14、一级功率因数校正技术、10.5功率因数校正技术引言、以开关电源为代表的各种电力电子装置带来了负面问题：输入电流不是正弦波，而是涉及高次谐波和功率因数的问题。 功率因数校正PFC (Power Factor Correction )技术是一种抑制电流脉冲的宽度，尽可能使电流波形接近正弦波的技术，可分为受功率率校正和能功率率校正。无源功率因数校正技术通过在二极管整流电路中追加电感、电容器等无源元件和二极管元件，抑制电路中的电流脉冲，降低电流高次谐波含量，提高功率因数。 有源功率因数校正技术使用包括全控制的开关元件的开关电路进行控制，以使输入电流的波形变为与电源电压同相的正弦波。 10.5.1功率因

15、数校正电路的基本原理，图10-30典型的单相有源PFC电路和主要原理波形，单相功率因数校正电路的基本原理实际上由二极管整流电路和升压型斩波电路构成。 将原理给定的信号与实际的直流电压ud进行比较，发送给PI调节器，将指令信号id、id与整流后正弦波电压相乘，得到输入电流的指令信号i*。 如果对该指令信号和实际的电感电流信号进行比较，则通过以滞后来控制开关元件，能够使输入直流电流追随指令值，交流侧电流波形近似于与交流电压同相的正弦波，在由滞后环路宽度决定的范围内存在追踪误差。10.5.1功率因数校正电路的基本原理、图10-30典型的单相有源PFC电路和主要的原理波形，在升压斩波电路中，如果输入电

16、压为输出电压以下，则电感器l的电流完全控制为开关s的接通断开，在s接通时iL增加，在s断开时iL降低，因此， 控制s的占空比按照正弦绝对值有规律地变化，可以与输入电压同相，将iL波形控制为正弦绝对值，输入电流的波形为正弦波，与输入电压同相，输入功率因数为1。 10.5.1功率因数校正电路的基本原理、图10-31三相单相开关PFC电路、图10-32三相单相开关PFC电路的工作波形、三相功率因数校正电路的基本原理电路是在电流不连续模式下工作的升压斩波电路，LALC的电流在每个开关周期是不连续的电路中的二极管工作原理s接通后，电感电流值全部从零直线上升(正方向或负方向)，s断开时，三相电感电流通过D

17、7流向负载侧，迅速下降到零。 在各开关周期中，感应电流是三角形或接近三角形的电流脉冲，假设其峰值与输入电压成比例，如果在s断开后电流iA急速下降，则iA的平均值主要依赖于阴影部分的面积，iA的平均值与输入电压成比例，因此输入电流被滤波而接近正弦波10.5.1功率因数校正电路的基本原理是从分析中省略了电流波形中没有阴影的部分，因此实际的电流波形与正弦波相比稍微失真，输出直流电压高时，开关s断开，电流下降快，省略的电流面积小时，电流波形越接近正弦波，波形的失真越小。 该电路在电流断续模式下工作，电路中的电流峰值高，开关设备的导通损失和开关损失都很大，适合36kW的中小电力电源。图10-31三相单相开关PFC电路、图10-32三相单相开关