電力電子資料第七章

1、第7章 電力電子裝置,7.1 開關(guān)電源 7.2 有源功率因數(shù)校正 7.3 不間斷電源（UPS） 7.4 靜止無功補償裝置 7.5 變頻調(diào)速裝置 7.6 電力電子系統(tǒng)可靠性概述,開關(guān)電源的工作原理,7.1.1,指起電壓調(diào)整功能的器件始終工作在線性放大區(qū)的直流穩(wěn)壓電源,穩(wěn)壓電源：通常分為線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源,簡稱開關(guān)電源(Switching Power Supply)，指起電壓調(diào)整功能的器件始終以開關(guān)方式工作的一種直流穩(wěn)壓電源,1、線性穩(wěn)壓電源,2、開關(guān)穩(wěn)壓電源,7.1.1,1、線性穩(wěn)壓電源,優(yōu)點：優(yōu)良的紋波及動態(tài)響應(yīng)特性,缺點：（1）輸入采用50Hz工頻變壓器，體積龐大； （2）電壓調(diào)整器

2、件工作在線性放大區(qū)內(nèi),損耗大,效率低； （3） 過載能力差,圖7.1.1 線性穩(wěn)壓電源方框圖,開關(guān)電源的工作原理,7.1.1,2、開關(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的高頻方波或準方波電壓，通過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。通過取樣、比較、放大及控制、驅(qū)動電路，控制變換器中功率開關(guān)管的占空比，便能得到穩(wěn)定的輸出電壓,圖7.1.2 開關(guān)電源原理框圖,工作原理,開關(guān)電源的工作原理,7.1.1,圖7.1.2 開關(guān)電源原理框

3、圖,開關(guān)管占空比定義為：D=Ton/Ts,其中Ts為開關(guān)管的開關(guān)周期,Ton為一個周期內(nèi)導(dǎo)通用時間,兩種改變占空比的控制方式,1）脈沖寬度調(diào)制控制(PWM,開關(guān)電源的工作原理,2、開關(guān)電源,2）脈沖頻率調(diào)制控制(PFM,7.1.1,圖7.1.3 PWM控制方式,1） 脈沖寬度控制： 保持開關(guān)頻率(開關(guān)周期Ts)不變，通過改變Ton來改變 占空比 D，從而達到改變輸出電壓的目的,如果占空比D越大，則經(jīng)濾波 后的輸出電壓也就越高,保持導(dǎo)通時間Ton不變，通過改變開關(guān)頻率(即開關(guān)周期) 而達到改變占空比的目的,工作頻率不固定，造成濾波器設(shè)計困難,開關(guān)電源的工作原理,2）脈沖頻率控制,7.1.1,開關(guān)

4、電源優(yōu)點,1）功耗小、效率高,2）體積小、重量輕,3）穩(wěn)壓范圍寬,4）電路形式靈活多樣,開關(guān)電源缺點,主要是存在開關(guān)噪聲干擾,開關(guān)電源的工作原理,7.1.2,開關(guān)電源的應(yīng)用,1、開關(guān)電源的應(yīng)用,圖7.1.4 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,7.1.2,2、各功能塊的具體電路簡介,1) 交流進線濾波器,圖7.1.5 交流進線EMI濾波器,該濾波器能同時抑制共模和差模干擾信號,電路結(jié)構(gòu)： Cc1、Lc和Cc2構(gòu)成的低通濾波器用來抑制共模干擾信號，其中Lc稱為共模電感，其兩組線圈匝數(shù)相等，但繞向相反，對差模信號的阻抗為零，而對 共模信號產(chǎn)

5、生很大的阻抗。 Cd1、Ld和Cd2構(gòu)成的低通濾波器 則用來抑制差模干擾信號,開關(guān)電源的應(yīng)用,作用：防止開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲進入電網(wǎng)，或者防止電網(wǎng)的噪聲進入開關(guān)電源內(nèi)部，干擾開關(guān)電源的正常工作,7.1.2,2) 啟動浪涌電流抑制電路,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，同時在電阻的兩端并接晶閘管開關(guān),3) 輸出整流電路,小功率電源通常采用半波整流電路，而對于大功率電源則采用全波或橋式整流電路,開關(guān)電源的應(yīng)用,啟動浪涌電流抑制電路,限流電阻,啟動浪涌電流抑制電路,輸出整流電路,半波整流,7.1.2,PWM控制器SG3525

6、引腳說明,開關(guān)電源的應(yīng)用,圖7.1.6 SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu),腳：誤差放大器反相輸入端； 腳：誤差放大器同相輸入端； 腳：同步信號輸入端，同步脈沖的頻率應(yīng)比振蕩器頻率fS要低一些； 腳：振蕩器輸出； 腳：振蕩器外接定時電阻RT端， RT值為2k150k； 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為腳與腳之間跨接的電阻，用來調(diào)節(jié)死區(qū)時間，定時電容范圍為0.001F0.1F； 腳：振蕩器放電端，外接電阻來控制死區(qū)時間，電阻范圍為0500； 腳：軟起動端，外接軟起動電容，該電容由內(nèi)部Uref的50A恒流源充電。 腳：誤差放大器的輸出端； 腳：PWM信號封

7、鎖端，該腳為高電平時， 輸出驅(qū)動脈沖信號被封鎖,用于故障保護； 腳：A路驅(qū)動信號輸出； 腳：接地; 腳：輸出級集電極電壓； 腳：B路驅(qū)動信號輸出； 腳：電源，其范圍因為8V35V； 腳：內(nèi)部+5V基準電壓輸出,7.1.2,4) 控制電路（SG3525,該開關(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。輸出電壓的反饋信號UOF與電壓給定信號UOG相減，其誤差信號經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后形成輸出電感的電流給定，再與電感電流的反饋信號IOF相減得電流誤差信號，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后送入PWM控制器SG3525，然后與控制器內(nèi)部三角波比較形成PWM信號。該PWM信號再通過驅(qū)動電路去驅(qū)動主電路IGBT,5)

8、 IGBT驅(qū)動電路,該驅(qū)動模塊為混合集成電路，將IGBT的驅(qū)動和過流保護集于一體，能驅(qū)動電壓為600V和1200V系列電流容量不大于400AIGBT,圖7.1.7 IGBT驅(qū)動電路,開關(guān)電源的應(yīng)用,第7章 電力電子裝置,7.1 開關(guān)電源 8.2 有源功率因數(shù)校正 7.3 不間斷電源（UPS） 7.4 靜止無功補償裝置 7.5 變頻調(diào)速裝置 7.6 電力電子系統(tǒng)可靠性概述,7,有源功率因數(shù)校正,電網(wǎng)諧波電流不僅引起變壓器和供電線路過熱，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)備正常運行,1、采用無源校正抑制諧波,2）電網(wǎng)阻抗或頻率發(fā)生變化時，濾波效果不能保證，動態(tài)特性差,3）可能會與電

9、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)無法正常工作,4）LC濾波器體積龐大,特點,1）方法簡單可靠，并且在穩(wěn)態(tài)條件下不產(chǎn)生電磁干擾,在主電路中串入無源LC濾波器,7,有源功率因數(shù)校正,與無源校正抑制諧波的區(qū)別： 能進一步抑制裝置的低次諧波，提高裝置的功率因數(shù)。 與一般的開關(guān)電源的區(qū)別： （1）PFC電路不僅反饋輸出電壓，還反饋輸入平均電流； （2） PFC電路的電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號的乘積,1）特點,2、有源功率因數(shù)校正電路（PFC,2）工作原理,有源功率因數(shù)校正技術(shù)(Actite Power Filter Correction ， 簡稱APFC或PFC

10、)就是在傳統(tǒng)的整流電路中加入有源開關(guān)， 通過控制有源開關(guān)的通斷來強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),7.1,PFC技術(shù)的工作原理,圖7.2.1 BoostPFC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及基準電壓Ur，乘法器，電流誤差放大器CA，脈寬調(diào)制器和驅(qū)動電路,輸出電壓Uo和基準電壓Ur比較后，誤差信號經(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相乘以后形成基準電流信號?；鶞孰娏餍盘柵c電流反饋信號相減，誤差信號經(jīng)電流誤差放大器CA后再與鋸齒波相比較形成PWM信號，然后經(jīng)

11、驅(qū)動電路控制主電路開關(guān)S的通斷，使電流跟蹤基準電流信號變化,工作原理,7.2,PFC集成控制電路UC3854及其應(yīng)用,圖7.2.2 UC3854內(nèi)部結(jié)構(gòu)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的門極驅(qū)動電路，7.5V基準電壓等,7.2,圖7.2.3輸出功率為250W時 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，只需改變主電路中的電感L1和電流檢測電阻RS、控制電路中的電流控制環(huán)參數(shù),輸出電壓Uo由下式

12、確定,PFC集成控制電路UC3854及其應(yīng)用,第7章 電力電子裝置,7.1 開關(guān)電源 7.2 有源功率因數(shù)校正 7.3 不間斷電源（UPS） 7.4 靜止無功補償裝置 7.5 變頻調(diào)速裝置 7.6 電力電子系統(tǒng)可靠性概述,7.3,不間斷電源,Uninterrupitable Power System, 簡稱UPS,UPS電源裝置在保證不間斷供電的同時，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，在計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、郵電通信、銀行證劵、電力系統(tǒng)、工業(yè)控制、醫(yī)療、交通、航空等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,不間斷電源,7.3.1,UPS的分類,1、后備式UPS,根據(jù)工作方式，UPS電源分,圖7.

13、3.1 后備式UPS的基本結(jié)構(gòu),市電存在時，逆變器不工作，市電經(jīng)交流穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，向負載供電，同時充電器工作，對蓄電池組浮充電。 市電掉電時，逆變器工作，將蓄電池供給的直流電壓變換成穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的交流電壓，繼續(xù)向負載供電,輸出電壓波形有方波、準方波和正弦波三種方式,特點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、運行效率高、價格便宜，但其輸出電壓穩(wěn)壓精度差，市電掉電時，輸出有轉(zhuǎn)換時間。適于小功率,7.3.1,2、在線式UPS,圖7.3.2 在線式UPS的基本結(jié)構(gòu),正常工作時，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給負載。 當市電掉電時，由蓄電池組向逆變器供電，以保證負載不間斷供電,如果逆變

14、器發(fā)生故障，UPS則通過靜態(tài)開關(guān)切換到旁路，直接由市電供電。當故障消失后，UPS又 重新切換到由逆變器向負載供電,特點：總是處于穩(wěn)壓、穩(wěn)頻供電狀態(tài)，輸出電壓動態(tài)響應(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,7.3.2,UPS電源中的整流器,1）對于小功率UPS，整流器一般采用二極管整流電路，它的作用是向逆變器提供直流電源。蓄電池充電由專門的充電器來完成,2）對于中大功率UPS，整流器一般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，還要向蓄電池進行充電， 因此，整流器的輸出電壓必須是可控的,3）減少UPS注入電網(wǎng)的諧波電流的方法： （1）增加整流電路

15、的相數(shù) ； （2）在整流器的輸入側(cè)增加有源或無源濾波器,4）目前，比較先進的UPS采用PWM整流電路，可以做到注入電網(wǎng)的電流基本接近正弦波，使其功率因數(shù)接近1，大大降低了UPS對電網(wǎng)的諧波污染,概述,7.3.2,工作原理,PWM整流電路,圖7.3.3 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使交流電流is產(chǎn)生很小的脈動。如果忽略這種脈動，is為頻率與電源頻率相同的正弦波。在交流電源電壓us一定時，is的幅值和相位由uAB中

16、基波分量的幅值及其與us的相位差決定。改變uAB中基波分量的幅值和相位，就可以使is與us同相位，電路工作在整流狀態(tài)，且功率因數(shù)為1,7.2,直流輸出電壓給定信號Ud*和實際的直流 電壓Ud比較后送入PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出即為整流器交流輸入電流的幅值，它與標準正弦波相乘后形成交流輸入電流的給定信號is*，is*與實際的交流輸入電流is進行比較，誤差信號經(jīng)比例調(diào)節(jié)器放大后送入比較器，再與三角載波信號比較形成PWM信號。 該PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路后去驅(qū)動主電路開關(guān)器件，便可使實際的交流輸入電流跟蹤指令值，從而達到控制輸出電壓的目的,圖7.3.4 直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,7.3.2,PWM整流電

17、路,單相PWM整流電路采用直接電流控制時的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖,7.3.3,UPS電源中的逆變器,通常采用輸出電壓諧波系數(shù)HF來恒量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，分析逆變器的工作原理,HF越小，則說明UPS輸出電壓波形越接近理想的正弦波,7.3.3,圖7.3.5 UPS逆變器及其控制原理框圖,主電路采用全橋逆變電路，對于小功率UPS，開關(guān)器件一般為MOSFET，而對于大功率UPS，則采用IGBT。為濾去開關(guān)頻率噪聲，輸出采用LC濾波電路，因為開

18、關(guān)頻率一般大于20kHz，因此，采用較小的LC濾波器。輸出隔離變壓器實現(xiàn)逆變器與負載隔離，避免它們之間電的直接聯(lián)系，從而減少干擾,UPS電源中的逆變器,1、電路結(jié)構(gòu),7.3.3,圖7.3.5 UPS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，將其輸入標準正弦波發(fā)生器，便產(chǎn)生與市電同步的標準正弦波信號。該信號與輸出有效值調(diào)節(jié)器的輸出相乘后得到輸出電壓瞬時值給定信號u*，再與輸出電壓瞬時值反饋信號uf相減，誤差信號經(jīng)P調(diào)節(jié)器后，再與三角載波信號相比較，得到PWM信號，該信號經(jīng)驅(qū)動動電路后分別去驅(qū)動主電路的開關(guān)器件，從而達到控制輸出電壓的目的,UPS電源中的逆變器,2

19、、工作原理,7.3.4,UPS的靜態(tài)開關(guān),為了進一步提高UPS電源的可靠性，在線式UPS均裝有靜態(tài)開關(guān)，將市電作為UPS的后備電源，在UPS發(fā)生故障或維護檢修時，無間斷地將負載切換到市電上，由市電直接供電,圖7.3.6 單相輸出UPS的 靜態(tài)開關(guān)原理圖,1）同步切換：先通后斷； 2）非同步切換 ：先斷后通,1、工作原理,一只晶閘管用于通過正半周電流，另一只晶閘管則用于通過負半周電流,2、電路結(jié)構(gòu),3、靜態(tài)開關(guān)的切換方式,靜態(tài)開關(guān)的主電路一般由兩只晶閘管開關(guān)反并聯(lián)組成,7.3.4,UPS的靜態(tài)開關(guān),圖7.3.6 單相輸出UPS的靜態(tài)開關(guān)原理圖,切換時，首先觸發(fā)靜態(tài)開關(guān)2，使之導(dǎo)通，然后再封鎖靜態(tài)

20、開關(guān)1的觸發(fā)脈沖，因此，靜態(tài)開關(guān)1和靜態(tài)開關(guān)2同時導(dǎo)通，此時，市電和逆變器同時向負載供電,3、靜態(tài)開關(guān)的切換方式,1）同步切換：先通后斷,1）能保證在切換的過程中供電不間斷。 （2）在切換的過程中，逆變器必須跟蹤市電的頻率、相位和幅值。防止產(chǎn)生環(huán)流，燒壞逆變器,工作原理,特 點,7.3.4,UPS的靜態(tài)開關(guān),圖7.3.6 單相輸出UPS的靜態(tài)開關(guān)原理圖,先封鎖正在導(dǎo)通的靜態(tài)開關(guān)觸發(fā)脈沖，延遲一段時間，待導(dǎo)通的靜態(tài)開關(guān)關(guān)斷后，再觸發(fā)另外一路靜態(tài)開關(guān),3、靜態(tài)開關(guān)的切換方式,2）非同步切換 ：先斷后通,會造成負載短時間斷電,工作原理,特 點,第7章 電力電子裝置,7.1 開關(guān)電源 7.2 有源功率

21、因數(shù)校正 7.3 不間斷電源（UPS） 7.4 靜止無功補償裝置 7.5 變頻調(diào)速裝置 7.6 電力電子系統(tǒng)可靠性概述,7.4,靜止無功補償裝置,根椐所采用的電力電子器件，靜止無功補償裝置分為兩大類型： 1、采用晶閘管開關(guān)的靜止無功補償裝置： 1）晶閘管控制電抗器（ Thyristor Controlled Reactor TCR） 2）晶閘管投切電容器（Thyristor SwitchedCapacitor TSC） 2、采用自換相變流器的靜止無功補償裝置： 也即（靜止無功發(fā)生器（Static Var GeneratorSVG）或高級靜 止無功補償裝置（AdTanced Static Var

22、 CompensatorASVC,1、組成：由電力電子器件與儲能元件構(gòu)成。 2、特點：在于能快速調(diào)節(jié)容性和感性無功功率，實現(xiàn)動態(tài)補償。 3、應(yīng)用：常用于防止電網(wǎng)中部分沖擊性負荷引起的電壓波動干擾、重負荷突然投切造成的無功功率強烈變化,Static Var CompensatorSVC,晶閘管控制電抗器(TCR,7.4.1,基本原理,圖7.4.1 TCR的基本原理圖,其單相基本結(jié)構(gòu)是兩個反并聯(lián)的晶閘管與一個電抗器串聯(lián)，這樣的電路并聯(lián)到電網(wǎng)上，就相當于電感負載的交流調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)。 其工作原理和不同觸發(fā)角時的工作波形與交流調(diào)壓電路完全相同,晶閘管投切電容器(TSC,工作原理,7.4.2,圖7.4.2

23、 TSC單相機構(gòu)及其控制系統(tǒng)原理圖,工作時，TSC與電網(wǎng)并聯(lián)，當控制電路檢測到電網(wǎng)需要無功補償時，觸發(fā)晶閘管靜態(tài)開關(guān)并使之導(dǎo)通，這樣，便將電容器接入電網(wǎng)，進行無功補償；當電網(wǎng)不需要無功補償時，關(guān)斷晶閘管靜態(tài)開關(guān)，從而切斷電容器與電網(wǎng)的聯(lián)接。 因此，TSC實際上就是斷續(xù)可調(diào)的吸收容性無功功率的動態(tài)無功補償裝置,TSC由兩個反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成的靜態(tài)開關(guān)與電容器串聯(lián)組成,晶閘管投切電容器(TSC,1、TSC主電路,7.4.2,一般將電容器分成幾組，每組均可由晶閘管投切，如圖7.4.3所示。電容器分組通常采用二進制方案，即采用n-1個電容值為C的電容和一個電容值為C/2的電容，這樣的分組可以使組合成的

24、電容值有2n級,圖7. 4. 3 TSC主電路,2、零電壓投入問題,為使補償電容器的投入與切除過程不引發(fā)主電路的涌流沖擊，必須選擇準備投入的電容器上的電壓為電網(wǎng)線電壓的正或負峰值且電壓極性相同的時刻，切除時只要撤消觸發(fā)信號即可，開關(guān)在電流過零之后會自行關(guān)斷,圖7.4.4 晶閘管電壓過 零觸發(fā)電路示意圖,晶閘管投切電容器(TSC,3、電容器投切判據(jù)與信號檢測,7.4.2,在圖7.4.5中設(shè)節(jié)點相電壓為,圖7.4.5 節(jié)點相電壓與負載電流,負載電流為,上式中，ip(t)和iq(t)分別為有功電流分量和無功電流分量。 當t=2k時,可見，只要測量在相電壓正向過零時刻的負載電流，就可知對應(yīng)的無功電流最

25、大值IQM。這種無功電流檢測方法簡單、快速（在一個周期內(nèi)只要采樣一次,1）以無功電流為投切判據(jù),1）以無功電流為投切判據(jù),晶閘管投切電容器(TSC,7.4.2,上式C即為全補償所需投切的電容量，C為負值，則是切除相應(yīng)容量的電容器；反之，則應(yīng)投入相應(yīng)容量的電容器,圖8.4.6中，電壓信號經(jīng)濾波后由過零脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生相電壓，正向過零脈沖信號，作為采樣保持器的采樣開關(guān)信號，于是采樣保持器的輸出就是無功電流幅值。 圖7.4.5中，iL=ic+is ，如果使iq=ic ，則實現(xiàn)了完全補償,圖7.4.6 無功電流為投切 判據(jù)的檢測電路原理圖,由,和,可得,2）以無功功率為投切判據(jù),晶閘管投切電容器(TS

26、C,7.4.2,可讓單片機通過/轉(zhuǎn)換同時對和信號在一個周期內(nèi)進行次采樣，得到 2個數(shù)據(jù)，由此進行下述離散運算得到UBC、IA和PBC,對于對稱三相補償，只要取任意兩相電壓（線電壓）和另一相電流，就可測得無功功率,圖7.4.7 檢測A相電流 和BC相線電壓向量圖,由于PBC=UBCIAsin，則功率因數(shù)為,4、控制器原理框圖,晶閘管投切電容器(TSC,7.4.2,圖7.4.8 TSC控制器原理框圖,TSC的控制器主要由單片機、鍵盤接口電路、液晶顯示接口電路、數(shù)據(jù)存儲器、同步電壓檢測、電壓電流和頻率檢測，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7.4.8所示,靜止無功發(fā)生器(SVG,7

27、.4.3,工作原理,圖7.4.9 SVG基本電路結(jié)構(gòu),適當調(diào)節(jié)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)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康?圖7.4.9給出了采用自換相電壓型橋式的SVG基本電路結(jié)構(gòu),靜止無功發(fā)生器(SVG,7.4.3,工作原理,圖7.4.10 SVG等效電路及其工作原理,通過同步電路控制，使 與 同頻同相，然后改變 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,僅考慮基波頻率時 SVG工作原理可以用圖7.4.10（a）所示的單相等效電路來說明,當 大于 時，電流超前電壓90，SVG吸收容性無功功率； 當 小

28、于 時，電流滯后電壓90，SVG吸收感性無功功率,變頻調(diào)速裝置,7.5,若均勻地改變定子頻率 ，則可以平滑地改變電機的轉(zhuǎn)速,由交流電機的轉(zhuǎn)速公式,可以看出,因此，在各種異步電機調(diào)速系統(tǒng)中，變頻 調(diào)速的性能最好，使得交流電機的調(diào)速性能可 與直流電機相媲美，同時效率高，是交流調(diào)速 的主要發(fā)展方向,變頻調(diào)速的基本控制方式,1）基頻以下的變頻調(diào)速,7.5.1,2）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)速的基本控制方式,1）基頻以下的變頻調(diào)速,7.5.1,三相異步電動機的每相電動勢為： 式中： 定子每相感應(yīng)電動勢的有效值； 定子電源頻率； 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； 基

29、波繞組系數(shù)； 每極氣隙磁通量,在調(diào)速的過程中，隨著輸入電源的頻率降低，必須相應(yīng)地改變定子電壓U， 以保證氣隙磁通不超過設(shè)計值。 如果使 =常數(shù)，則在調(diào)速過程中可維持 近似不變，這就是恒壓頻比控制方式,7.5.1,當U不變時，隨著電源輸入頻率的降低，將會相應(yīng)增加,變頻調(diào)速的基本控制方式,2）基頻以上的變頻調(diào)速,7.5.1,當電壓U一定時，電機的氣隙磁通隨著頻率f的升高成比例下降，類似直流電機的弱磁調(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，可使電機的轉(zhuǎn)速增加。 由于電機的電壓不能超過其額定電壓，因此在基頻以上調(diào)頻時，U只能保持在額定值,根據(jù)式(7.5.1,變頻調(diào)速裝置的分類,

30、1） 間接變頻調(diào)速裝置,7.5.2,圖7.5.1 間接變頻裝置的三種機構(gòu)形式,間接變頻調(diào)速裝置即交一直一交變頻裝置，首先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，然后再經(jīng)過逆變器將直流變換成電壓和頻率可變的交流電源。 按照電路結(jié)構(gòu)和控制方式的不同，間接變頻裝置又可以分為三種，如圖7.5.1（a）、（b）、（c）所示,變頻調(diào)速裝置的分類,1） 間接變頻調(diào)速裝置,7.5.2,圖7.5.1 間接變頻裝置的三種機構(gòu)形式,a）所示的間接變頻裝置由相控整流電路和逆變電路構(gòu)成，其中整流電路調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，逆變電路控制輸出交流的頻率,b）所示的間接變頻裝置由二極管整流電路、斬波器和逆變器三部分構(gòu)成，其中斬波器用

31、調(diào)節(jié)輸出電壓，逆變器用于調(diào)節(jié)輸出頻率,c）所示的間接變頻裝置由二極管整流電路和PWM逆變器構(gòu)成，其中調(diào)壓和調(diào)頻全部由PWM逆變器完成,2）直接變頻裝置,變頻調(diào)速裝置的分類,7.5.2,圖7.5.2 直接變頻裝置,直接變頻裝置的結(jié)構(gòu)如圖7.5.2所示，它采用交一交變頻電路，只用一個變換環(huán)節(jié)，直接將恒壓恒頻的交流電源變換成VVVF電源。根據(jù)輸出波形，直接變頻裝置可以分成方波形和正弦波型兩種。 此類變頻裝置一般只用于低速大容量的調(diào)速系統(tǒng)，如軋鋼機、球磨機、水泥回轉(zhuǎn)窯等,SPWM變頻調(diào)速裝置,1、結(jié)構(gòu)：由二極管整流電路、能耗制動電路、逆變電路和控制電路組成，逆變電路采用IGBT器件，為三相橋式SPWM

32、逆變電路,7.5.3,圖7.5.3 開環(huán)控制的SPWM的變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖,SPWM變頻調(diào)速裝置,7.5.3,圖7.5.3 開環(huán)控制的SPWM的 變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖,R為外接能耗制動電阻，當電機正常工作時，電力晶體管T截止，沒有電流流過R。當快速停機或逆變器輸出頻率急劇降低時，電機將處于再生發(fā)電狀態(tài)，向濾波電容C充電，直流電壓Ud升高。當升高到最大允許電壓Udmax時，功率晶體管T導(dǎo)通，接入電阻R，電機進行能耗制動，以防止過高危害逆變器的開關(guān)器件,2、能耗制動電路和控制電路的工作原理,1）能耗制動電路,2）控制電路,1）給定積分器：以限定輸出頻率的升降速度。輸出信號的極性決定電機正反轉(zhuǎn)，輸

33、出信號的大小控制電機轉(zhuǎn)速的高低；給定積分器的輸出指令信號與三角波比較后形成三相PWM控制信號，再經(jīng)過輸出電路和驅(qū)動電路，控制逆變器中IGBT的通斷，使逆變器輸出所需頻率、相序和大小的交流電壓，從而控制交流電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向； （2）輸出經(jīng)極性鑒別器確定正反轉(zhuǎn)邏輯后，去控制三相標準正弦波的相序，從而決定輸出指令信號的相序。 （3）絕對值運算器：產(chǎn)生輸出頻率和電壓的控制所需要正的信號； （4）函數(shù)發(fā)生器：實現(xiàn)低頻電壓補償，保證整個調(diào)頻范圍內(nèi)實現(xiàn)輸出電壓和頻率的協(xié)調(diào)控制； （5）壓控振蕩器：形成頻率為fi的脈沖信號； （6）三相正弦波發(fā)生器：由壓控振蕩器的輸出信號控制，產(chǎn)生頻率與相同的三相標準正弦波信

34、號，該信號同函數(shù)發(fā)生器的輸出相乘后形成逆變器輸出指令信號,SPWM變頻調(diào)速裝置,7.5.3,圖7.5.3 開環(huán)控制的SPWM的 變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖,電力電子系統(tǒng)可靠性概述,7.6.1 可靠性的基本概念 7.6.2 常用的可靠性指標 7.6.3 電磁兼容性概述,7.6,可靠性的基本概念,對于電力電子裝置或系統(tǒng)來說，其規(guī)定條件指的是環(huán)境溫度和濕度，海拔高度，電磁環(huán)境，電網(wǎng)狀況，儲存條件及其它要求等,7.6.1,為元件或系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力,1、元件或系統(tǒng)的可靠性,2、失效,3、可靠性指標,描述一個元件、裝置或系統(tǒng)的可靠程度的數(shù)量化的指標,當元件、裝置或系統(tǒng)不能完成

35、規(guī)定的功能時，稱之為失效,4、常用可靠性指標,可靠度、失效率和平均無故障時間,常用的可靠性指標,1. 可靠度 R(t,7.6.2,可靠度:為元件或系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)和規(guī)定的使用條件下，正常工作的概率。也可稱之為可靠度函數(shù)。R(t)值的計算是通過壽命試驗得到的； 若以T表示元件或系統(tǒng)的壽命，則事件（Tt）表示元件或系統(tǒng)在0，t時間內(nèi)能正常工作，則可靠度函數(shù)為,若已知元件或系統(tǒng)的壽命T的概率密度函數(shù) ，那么對于給定的t，則有,可靠度函數(shù)和概率密度的圖形見圖8.6.1。圖中說明，隨著時間的推移，T大于t的可能性不斷降低,圖7.6.1 R(t)和f(t)的圖形,7.6.1,7.6.2,2. 失效率,元件

36、或系統(tǒng)的失效率定義為在t時刻以前一直正常工作的條件下， 在t時刻以后單位時間內(nèi)失效的概率，記作 ，表示為,常用的可靠性指標,7.6.2,2) 與 、 的關(guān)系,根據(jù)上述定義，可得到,7.6.3,7.6.4,7.6.5,7.6.6,1) 定義,失效率又稱危險率或風險率，失效率的常用單位是 /h，記作1非特,其中， 是時間的函數(shù)。如果T服從指數(shù)分布，則 為常數(shù),失效類型和浴盆曲線,早期失效型（DFR）：這種失效類型的特點是開始時失效率高，隨著時間的推移逐步減小，造成這種失效的主要原因是設(shè)計和制造上的缺陷、管理不當、檢驗疏忽等。如圖8.6.2所示。 偶然失效型（CFR）：這種失效的特點是，失效率與時間無關(guān)，為一個常數(shù)，這是在使用過程中因某種不可預(yù)測的隨機因素產(chǎn)生的。如圖8.6.3 所示。 耗損失效型（IFR）：這種失效的特點是，失效率隨著時間的推移而增大，造成這種失效的主要原因是元件的老化、疲勞、磨損等。如圖8.6.4所示,常用的可靠性指標,7.6