第10章 電力電子技術(shù)的應(yīng)用(沖突2012-06-14 09-12-51)

1、1第第1010章電力電子技術(shù)的應(yīng)用章電力電子技術(shù)的應(yīng)用 10.1 10.1 晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 10.2 10.2 變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng)變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng) 10.3 10.3 不間斷電源不間斷電源 10.4 10.4 開關(guān)電源開關(guān)電源 10.5 10.5 功率因數(shù)校正技術(shù)功率因數(shù)校正技術(shù) 10.6 10.6 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 10.7 10.7 電力電子技術(shù)的其他應(yīng)用電力電子技術(shù)的其他應(yīng)用 本章小結(jié)本章小結(jié) 210.1 晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 10.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)工作于整流狀態(tài)時(shí) 10.1.2 工作

2、于有源逆變狀態(tài)時(shí)工作于有源逆變狀態(tài)時(shí) 10.1.3 直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)310.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)工作于整流狀態(tài)時(shí)晶閘管可控整流裝置帶直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載組成的系統(tǒng)，習(xí)慣稱為晶閘管直流晶閘管可控整流裝置帶直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載組成的系統(tǒng)，習(xí)慣稱為晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，是電力拖動(dòng)系統(tǒng)中主要的一種，也是可控整流裝置的主要用途電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，是電力拖動(dòng)系統(tǒng)中主要的一種，也是可控整流裝置的主要用途之一。之一。 直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載除本身有直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載除本身有電阻電阻、電感電感外，還有一個(gè)外，還有一個(gè)反電動(dòng)勢反電動(dòng)勢E，為了平穩(wěn)，為了平穩(wěn)負(fù)載電流的脈動(dòng)，通常在電樞回路串聯(lián)一負(fù)載電流的脈動(dòng)，通常在電樞

3、回路串聯(lián)一平波電抗器平波電抗器，保證整流電流在較大，保證整流電流在較大范圍內(nèi)連續(xù)。范圍內(nèi)連續(xù)。 圖圖10-1 三相半波帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載且加平波電抗器時(shí)的電壓電流波形三相半波帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載且加平波電抗器時(shí)的電壓電流波形 410.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)工作于整流狀態(tài)時(shí)23XRRRBMB觸發(fā)晶閘管，待電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)達(dá)穩(wěn)態(tài)后，由于電動(dòng)機(jī)有較大的機(jī)械慣觸發(fā)晶閘管，待電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)達(dá)穩(wěn)態(tài)后，由于電動(dòng)機(jī)有較大的機(jī)械慣量，故其轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢都基本無脈動(dòng)，此時(shí)整流電壓的平均值由電量，故其轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢都基本無脈動(dòng)，此時(shí)整流電壓的平均值由電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢及電路中負(fù)載平均電流動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢及電路中負(fù)載平均電流Id所引起的各種電

4、壓降所平衡，所引起的各種電壓降所平衡，平衡方程為平衡方程為 UIREUdMd式中，式中， ，其中，其中RB為變壓器的等效電阻，為變壓器的等效電阻，RM為電樞電阻，為電樞電阻，為重疊角引起的電壓降所折合的電阻；為重疊角引起的電壓降所折合的電阻； 為晶閘管本身的管壓降。為晶閘管本身的管壓降。 23XBU在電動(dòng)機(jī)負(fù)載電路中，電流由在電動(dòng)機(jī)負(fù)載電路中，電流由負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩所決定，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載較所決定，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載較輕時(shí)，對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流也小，在小電流情況下，特別在低速時(shí)，由于輕時(shí)，對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流也小，在小電流情況下，特別在低速時(shí)，由于電感的儲(chǔ)能減小，往往不足以維持電流連續(xù)，從而出現(xiàn)電感的儲(chǔ)能減小，

5、往往不足以維持電流連續(xù)，從而出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象電流斷續(xù)現(xiàn)象。 (10-1)510.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)工作于整流狀態(tài)時(shí)電流連續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性電流連續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 三相半波電流連續(xù)時(shí)的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性三相半波電流連續(xù)時(shí)的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性 直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢為直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢為 nCEeM因?yàn)橐驗(yàn)?，故反電動(dòng)勢特性，故反電動(dòng)勢特性方程為方程為 cos17. 12UUdUIRUEdMcos17. 12轉(zhuǎn)速與電流的機(jī)械特性關(guān)系式為轉(zhuǎn)速與電流的機(jī)械特性關(guān)系式為 edeCUIRCUncos17. 12三相橋式全控整流電路電動(dòng)機(jī)負(fù)三相橋式全控整流電路電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)的機(jī)械特性方程為載時(shí)的機(jī)械特性方

6、程為 deeICRCUncos34. 22圖圖10-2 三相半波電流連續(xù)時(shí)以三相半波電流連續(xù)時(shí)以電流表示的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性電流表示的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性 (10-2)(10-3)(10-4)(10-5) 的值一般為的值一般為1V左右，左右，所以忽略；調(diào)節(jié)角所以忽略；調(diào)節(jié)角 ，即可，即可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 U610.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)工作于整流狀態(tài)時(shí)電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 由于整流電壓是一個(gè)脈動(dòng)的直流電壓，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載減小時(shí)，由于整流電壓是一個(gè)脈動(dòng)的直流電壓，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載減小時(shí)，平波電抗器中的電感儲(chǔ)能減小，致使電流斷續(xù)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特平波電抗

7、器中的電感儲(chǔ)能減小，致使電流斷續(xù)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性也就呈現(xiàn)出性也就呈現(xiàn)出非線性非線性。 電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性的特點(diǎn)電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性的特點(diǎn) 分析分析 =60 時(shí)的情況，當(dāng)時(shí)的情況，當(dāng)Id=0，忽略忽略 ，此時(shí)的反電動(dòng)勢，此時(shí)的反電動(dòng)勢 為為 ，而實(shí)際，而實(shí)際上，晶閘管導(dǎo)通時(shí)相電壓瞬時(shí)值為上，晶閘管導(dǎo)通時(shí)相電壓瞬時(shí)值為 ，大于，大于 ，也即，也即Id不為零，所以不為零，所以 才是才是理想空載點(diǎn)理想空載點(diǎn)。U0E220585. 060cos17. 1UUE22U0E22U圖圖10-3 電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)勢的特性曲線電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)勢的特性曲線 在電流斷續(xù)情況下，在電流斷續(xù)情況下， 時(shí)，時(shí)，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際

8、空載反電動(dòng)勢都是電動(dòng)機(jī)的實(shí)際空載反電動(dòng)勢都是 ；當(dāng)；當(dāng) 以后，空載反電動(dòng)勢將以后，空載反電動(dòng)勢將由由 決定。決定。 6022U60) 3cos(22U710.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)工作于整流狀態(tài)時(shí)圖圖10-4 考慮電流斷續(xù)時(shí)不同考慮電流斷續(xù)時(shí)不同 時(shí)時(shí)反電動(dòng)勢的特性曲線反電動(dòng)勢的特性曲線 1 2 3 460 當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)理想空載轉(zhuǎn)速抬高速抬高，這是電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特，這是電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的第一個(gè)特點(diǎn)；第二個(gè)特點(diǎn)是，在電性的第一個(gè)特點(diǎn)；第二個(gè)特點(diǎn)是，在電流斷續(xù)區(qū)內(nèi)電動(dòng)機(jī)的流斷續(xù)區(qū)內(nèi)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟機(jī)械特性變軟，即，即負(fù)載電流變化很小也可

9、引起很大的轉(zhuǎn)速負(fù)載電流變化很小也可引起很大的轉(zhuǎn)速變化。變化。 大的反電動(dòng)勢特性，其電流斷續(xù)區(qū)大的反電動(dòng)勢特性，其電流斷續(xù)區(qū)的范圍（以虛線表示）要比的范圍（以虛線表示）要比 小時(shí)的電小時(shí)的電流斷續(xù)區(qū)大，這是由于流斷續(xù)區(qū)大，這是由于 愈大，變壓器愈大，變壓器加給晶閘管陽極上的負(fù)電壓時(shí)間愈長，加給晶閘管陽極上的負(fù)電壓時(shí)間愈長，電流要維持導(dǎo)通，必須要求平波電抗器電流要維持導(dǎo)通，必須要求平波電抗器儲(chǔ)存較大的磁能，而電抗器的儲(chǔ)存較大的磁能，而電抗器的L為一定為一定值的情況下，要有較大的電流值的情況下，要有較大的電流Id才行；才行；故故隨著隨著 的增加，進(jìn)入斷續(xù)區(qū)的電流值的增加，進(jìn)入斷續(xù)區(qū)的電流值加大加大，

10、這是電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性，這是電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的第三個(gè)特點(diǎn)。的第三個(gè)特點(diǎn)。 810.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)工作于整流狀態(tài)時(shí)電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性可由下面三個(gè)式子準(zhǔn)確地得出電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性可由下面三個(gè)式子準(zhǔn)確地得出 ctgctgMeeUE1)6sin()6sin(cos22ctgctgeeMeeCUCEn1)6sin()6sin(cos222)6cos()6cos(cos22322nUCZUIed式中，式中， ， ，L為回路總電感。為回路總電感。 RLtg122LRZ(10-6)(10-7)(10-8)910.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)工作于整流狀態(tài)時(shí)一般只要主電路電感足夠

11、大，可以只考慮電流連續(xù)段，完全按線性處理，一般只要主電路電感足夠大，可以只考慮電流連續(xù)段，完全按線性處理，當(dāng)?shù)退佥p載時(shí)，斷續(xù)作用顯著，可改用另一段較陡的特性來近似處理。當(dāng)?shù)退佥p載時(shí)，斷續(xù)作用顯著，可改用另一段較陡的特性來近似處理。 整流電路為三相半波時(shí)，在最小負(fù)載電流為整流電路為三相半波時(shí)，在最小負(fù)載電流為Idmin時(shí)，為保證電流連續(xù)所時(shí)，為保證電流連續(xù)所需的主回路電感量（單位為需的主回路電感量（單位為mH）為）為 min246.1dIUL 對(duì)于三相橋式全控整流電路帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載的系統(tǒng)，有對(duì)于三相橋式全控整流電路帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載的系統(tǒng)，有min2693. 0dIUL L中包括中包括整流變壓器的漏電感

12、整流變壓器的漏電感、電樞電感電樞電感和和平波電抗器的電感平波電抗器的電感，前者數(shù)，前者數(shù) 值都較小，有時(shí)可忽略；值都較小，有時(shí)可忽略；Idmin一般取電動(dòng)機(jī)額定電流的一般取電動(dòng)機(jī)額定電流的5%10%。 三相橋式全控整流電壓的脈動(dòng)頻率比三相半波的高一倍，因而所需平波三相橋式全控整流電壓的脈動(dòng)頻率比三相半波的高一倍，因而所需平波電抗器的電感量也可相應(yīng)減小約一半。電抗器的電感量也可相應(yīng)減小約一半。 (10-9)(10-10)10 因?yàn)橐驗(yàn)?，可求得電動(dòng)機(jī)，可求得電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式的機(jī)械特性方程式 10.1.2 工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)RIEUdMdnCEeM電流連續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械

13、特性電流連續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 電壓平衡方程式為電壓平衡方程式為 逆變時(shí)由于逆變時(shí)由于 ，EM反接，得反接，得 cos0ddUU)0cos(RIUEddM)cos(10RIUCdden正組變流器反組變流器n321Id42341 = =2 = =2321423411= 1; 1=12= 2; 2=2 增大方向 增大方向 增大方向 增大方向圖圖10-5 電動(dòng)機(jī)在四象限中的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)在四象限中的機(jī)械特性 上式的負(fù)號(hào)表示逆變時(shí)電動(dòng)機(jī)的上式的負(fù)號(hào)表示逆變時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與整流時(shí)相反；轉(zhuǎn)向與整流時(shí)相反；調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 就可改變電就可改變電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速動(dòng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速， 值愈值愈 小，相應(yīng)的小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速愈高；

14、反之則轉(zhuǎn)速愈低。轉(zhuǎn)速愈高；反之則轉(zhuǎn)速愈低。 (10-11)(10-12)1110.1.2 工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性可由下面三個(gè)式子準(zhǔn)確地得出電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性可由下面三個(gè)式子準(zhǔn)確地得出 eeUEMctgctg676721sinsincos2eeeeMCUCEnctgctg67672sinsincos2nUCZUIed22267cos67coscos223當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性不僅和當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性不僅和逆變角逆變角有關(guān)，而且和有關(guān)，而且和電路參數(shù)電路參數(shù)、導(dǎo)通導(dǎo)通角角等有關(guān)系。等有關(guān)系。 (10-

15、13)(10-14)(10-15)1210.1.2 工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)正組變流器反組變流器n321Id42341 = =2 = =2321423411= 1; 1=12= 2; 2=2 增大方向 增大方向 增大方向 增大方向圖圖10-5 電動(dòng)機(jī)在四象限中的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)在四象限中的機(jī)械特性 圖圖10-5中右下的虛線以左的部分為逆變中右下的虛線以左的部分為逆變電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，其特點(diǎn)是：電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，其特點(diǎn)是：理想空載轉(zhuǎn)速上翹很多理想空載轉(zhuǎn)速上翹很多，機(jī)械特性變軟機(jī)械特性變軟，且呈現(xiàn)非線性且呈現(xiàn)非線性。 逆變狀態(tài)的機(jī)械特性是整流狀態(tài)的延續(xù)，逆變狀態(tài)的

16、機(jī)械特性是整流狀態(tài)的延續(xù)，縱觀控制角縱觀控制角 由小變大（如由小變大（如 /6 5/6），電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性則逐漸的由第），電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性則逐漸的由第1象限往下移，進(jìn)而到達(dá)第象限往下移，進(jìn)而到達(dá)第4象限；第象限；第2象象限里也為逆變狀態(tài)，與它對(duì)應(yīng)的整流狀態(tài)限里也為逆變狀態(tài)，與它對(duì)應(yīng)的整流狀態(tài)的機(jī)械特性則表示在第的機(jī)械特性則表示在第3象限里。象限里。第第1、第、第4象限中的特性和第象限中的特性和第3、第、第2象限象限中的特性是分別屬于兩組變流器的，它們中的特性是分別屬于兩組變流器的，它們輸出整流電壓的極性彼此相反，故分別標(biāo)輸出整流電壓的極性彼此相反，故分別標(biāo)以以正組正組和和反組變流器反組變流器。

17、 運(yùn)行工作點(diǎn)由第運(yùn)行工作點(diǎn)由第1（第（第3）象限的特性，）象限的特性，轉(zhuǎn)到第轉(zhuǎn)到第2（第（第4）象限的特性時(shí)，表明電動(dòng)）象限的特性時(shí)，表明電動(dòng)機(jī)由機(jī)由電動(dòng)運(yùn)行電動(dòng)運(yùn)行轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)入發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行；相應(yīng)的；相應(yīng)的變流器的變流器的工況工況由由整流轉(zhuǎn)為逆變整流轉(zhuǎn)為逆變。 13直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng) 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu) 圖圖10-6a是是有環(huán)流有環(huán)流接線，接線，圖圖10-6b是是無環(huán)流無環(huán)流接線，環(huán)流是接線，環(huán)流是指只在兩組變流器之間流動(dòng)而指只在兩組變流器之間流動(dòng)而不經(jīng)過負(fù)載的電流。不經(jīng)過負(fù)載的電流。 根據(jù)電動(dòng)機(jī)所需的運(yùn)轉(zhuǎn)根據(jù)電動(dòng)機(jī)所需的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來決定哪一組變流器工作狀態(tài)來決定哪一

18、組變流器工作及其相應(yīng)的工作狀態(tài)：整流或及其相應(yīng)的工作狀態(tài)：整流或逆變。逆變。 四象限運(yùn)行時(shí)的工作情況四象限運(yùn)行時(shí)的工作情況 第第1象限，正轉(zhuǎn)，電動(dòng)象限，正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，正組橋工作在機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，正組橋工作在整流狀態(tài)，整流狀態(tài)， 1 /2，EMUd （下標(biāo)中有（下標(biāo)中有 表示整流，下標(biāo)表示整流，下標(biāo)1表示正組橋，下標(biāo)表示正組橋，下標(biāo)2表示反組表示反組橋）。橋）。 10.1.3 直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)圖圖10-6 兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路14第第2象限，正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作象限，正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，反組橋工作在逆發(fā)電運(yùn)行，反組橋工作在逆變狀態(tài)，變

19、狀態(tài)， 2 /2)，EMUd （下標(biāo)中有（下標(biāo)中有 表示逆表示逆變）。變）。第第3象限，反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作象限，反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，反組橋工作在整電動(dòng)運(yùn)行，反組橋工作在整流狀態(tài)，流狀態(tài)， 2 /2，EMUd 。第第4象限，反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作象限，反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，正組橋工作在逆發(fā)電運(yùn)行，正組橋工作在逆變狀態(tài)，變狀態(tài)， 1 /2) ， EMUd 。10.1.3 直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)圖圖10-6 兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路。1510.1.3 直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)圖圖10-6 (c)直流可逆拖動(dòng)系統(tǒng)，能方便地實(shí)直流可逆拖動(dòng)系統(tǒng)，能方

20、便地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)正反向運(yùn)轉(zhuǎn)正反向運(yùn)轉(zhuǎn)外，還能實(shí)現(xiàn)外，還能實(shí)現(xiàn)回饋制回饋制動(dòng)動(dòng)。 由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的過程由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的過程 從從1組橋切換到組橋切換到2組橋工作，并組橋工作，并要求要求2組橋在逆變狀態(tài)下工作，電動(dòng)組橋在逆變狀態(tài)下工作，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入第機(jī)進(jìn)入第2象限（之前運(yùn)行在第象限（之前運(yùn)行在第1象象限）作正轉(zhuǎn)發(fā)電運(yùn)行，電磁轉(zhuǎn)矩變限）作正轉(zhuǎn)發(fā)電運(yùn)行，電磁轉(zhuǎn)矩變成制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械能成制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械能經(jīng)經(jīng)2組橋逆變?yōu)榻涣麟娔芑仞侂娋W(wǎng)。組橋逆變?yōu)榻涣麟娔芑仞侂娋W(wǎng)。 改變改變2組橋的逆變角組橋的逆變角 ，使之由，使之由小變大直至小變大直至 = /2（n=0），如繼續(xù)），如繼續(xù)增大增大 ，即，即

21、/2，2組橋?qū)⑥D(zhuǎn)入整流組橋?qū)⑥D(zhuǎn)入整流狀態(tài)下工作，電動(dòng)機(jī)開始反轉(zhuǎn)進(jìn)入狀態(tài)下工作，電動(dòng)機(jī)開始反轉(zhuǎn)進(jìn)入第第3象限的電動(dòng)運(yùn)行。象限的電動(dòng)運(yùn)行。 電動(dòng)機(jī)從反轉(zhuǎn)到正轉(zhuǎn)，其過程電動(dòng)機(jī)從反轉(zhuǎn)到正轉(zhuǎn)，其過程則由第則由第3象限經(jīng)第象限經(jīng)第4象限最終運(yùn)行在象限最終運(yùn)行在第第1象限上。象限上。 1610.1.3 直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)對(duì)環(huán)流的不同處理方法，反并聯(lián)可逆電路又可分為根據(jù)對(duì)環(huán)流的不同處理方法，反并聯(lián)可逆電路又可分為幾種不同的控制方案，如配合控制有環(huán)流（即幾種不同的控制方案，如配合控制有環(huán)流（即 = 工作工作制）、可控環(huán)流、邏輯控制無環(huán)流和錯(cuò)位控制無環(huán)流等。制）、可控環(huán)流、邏輯控制無環(huán)流

22、和錯(cuò)位控制無環(huán)流等。 對(duì)于對(duì)于 = 配合控制的有環(huán)流可逆系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，配合控制的有環(huán)流可逆系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，對(duì)正、反兩組變流器同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖，并嚴(yán)格保證對(duì)正、反兩組變流器同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖，并嚴(yán)格保證 = 的配合控制關(guān)系，的配合控制關(guān)系，兩組變流器的輸出電壓平均值相兩組變流器的輸出電壓平均值相等，且極性相抵，之間沒有直流環(huán)流；等，且極性相抵，之間沒有直流環(huán)流；但輸出電壓瞬時(shí)但輸出電壓瞬時(shí)值不等，會(huì)產(chǎn)生值不等，會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)環(huán)流脈動(dòng)環(huán)流，為防止環(huán)流只經(jīng)晶閘管流過，為防止環(huán)流只經(jīng)晶閘管流過而使電源短路，必須串入而使電源短路，必須串入環(huán)流電抗器環(huán)流電抗器LC限制環(huán)流。限制環(huán)流。 工程上使用較廣泛

23、的工程上使用較廣泛的邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)不設(shè)置環(huán)流不設(shè)置環(huán)流電抗器，控制原則是：兩組橋在任何時(shí)刻只有一組投入電抗器，控制原則是：兩組橋在任何時(shí)刻只有一組投入工作（另一組關(guān)斷），所以在兩組橋之間就不存在環(huán)流；工作（另一組關(guān)斷），所以在兩組橋之間就不存在環(huán)流；變流器之間的切換過程是由邏輯單元控制的，故稱為邏變流器之間的切換過程是由邏輯單元控制的，故稱為邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)。輯控制無環(huán)流系統(tǒng)。 1710.2 變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng)變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng) 10.2.1 交直交變頻器交直交變頻器 10.2.2 交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式1810.2 變頻器和交流調(diào)速系

24、統(tǒng)變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng)引言引言直流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)直流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn) 受使用環(huán)境條件制約。受使用環(huán)境條件制約。 需要定期維護(hù)。需要定期維護(hù)。 最高速度和容量受限制。最高速度和容量受限制。交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 克服了直流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)?？朔酥绷髡{(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)。 交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。 節(jié)能。節(jié)能。 高精度，快速響應(yīng)。高精度，快速響應(yīng)。交流電機(jī)的控制技術(shù)較為復(fù)雜，對(duì)所需的電力電子變換交流電機(jī)的控制技術(shù)較為復(fù)雜，對(duì)所需的電力電子變換器要求也較高，所以直到近二十年時(shí)間，隨著電力電子技器要求也較高，所以直到近二十年時(shí)間，隨著電

25、力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)才得到迅速的發(fā)展，術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)才得到迅速的發(fā)展，其應(yīng)用已在逐步取代傳統(tǒng)的直流傳動(dòng)系統(tǒng)。其應(yīng)用已在逐步取代傳統(tǒng)的直流傳動(dòng)系統(tǒng)。 1910.2.1 交直交變頻器交直交變頻器交直交變頻器（交直交變頻器（Variable Voltage Variable Frequency，簡稱，簡稱VVVF電源電源 ）是）是由由AC/DC、DC/AC兩類基本的變流電路組合形成，又稱為間接交流變流電路，兩類基本的變流電路組合形成，又稱為間接交流變流電路，最主要的優(yōu)點(diǎn)是輸出頻率不再受輸入電源頻率的制約。最主要的優(yōu)點(diǎn)是輸出頻率不再受輸入電源頻率的制約。 再生反饋

26、電力的能力再生反饋電力的能力 當(dāng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)需要頻繁、快速制動(dòng)時(shí)，通常要求具有當(dāng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)需要頻繁、快速制動(dòng)時(shí)，通常要求具有再生反饋電力的能再生反饋電力的能力力。 圖圖10-7所示的電壓型交直交變頻電所示的電壓型交直交變頻電路不能再生反饋電力。路不能再生反饋電力。 其整流部分采用的是不可控整流，其整流部分采用的是不可控整流，它和電容器之間的直流電壓和直流電流它和電容器之間的直流電壓和直流電流極性不變，只能由電源向直流電路輸送極性不變，只能由電源向直流電路輸送功率，而不能由直流電路向電源反饋電功率，而不能由直流電路向電源反饋電力。力。 逆變電路的能量是可以雙向流動(dòng)逆變電路的能量是可以雙向流動(dòng)的，若

27、負(fù)載能量反饋到中間直流電路，的，若負(fù)載能量反饋到中間直流電路，而又不能反饋回交流電源，這將導(dǎo)致電而又不能反饋回交流電源，這將導(dǎo)致電容電壓升高，稱為容電壓升高，稱為泵升電壓泵升電壓，泵升電壓，泵升電壓過高會(huì)危及整個(gè)電路的安全。過高會(huì)危及整個(gè)電路的安全。 圖圖10-7 不能再生反饋的電不能再生反饋的電壓型間接交流變流電路壓型間接交流變流電路 2010.2.1 交直交變頻器交直交變頻器圖圖10-8 帶有泵升電壓限制電路帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路的電壓型間接交流變流電路 圖圖10-9 利用可控變流器實(shí)現(xiàn)再生反利用可控變流器實(shí)現(xiàn)再生反饋的電壓型間接交流變流電路饋的電壓型間接交流變流電路

28、 圖圖10-10 整流和逆變均為整流和逆變均為PWM控控制的電壓型間接交流變流電路制的電壓型間接交流變流電路 使電路具備再生反饋電力能力的方法使電路具備再生反饋電力能力的方法 圖圖10-8的電路中加入一個(gè)由電力晶體管的電路中加入一個(gè)由電力晶體管V0和能耗電阻和能耗電阻R0組成的組成的泵升電壓限制電路泵升電壓限制電路，當(dāng)泵，當(dāng)泵升電壓超過一定數(shù)值時(shí)，使升電壓超過一定數(shù)值時(shí)，使V0導(dǎo)通，把從負(fù)載導(dǎo)通，把從負(fù)載反饋的能量消耗在反饋的能量消耗在R0上，這種電路可運(yùn)用于對(duì)上，這種電路可運(yùn)用于對(duì)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)間有一定要求的調(diào)速系統(tǒng)中。電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)間有一定要求的調(diào)速系統(tǒng)中。 圖圖10-9所示的電路增加了一套所

29、示的電路增加了一套變流電路變流電路，使其工作于有源逆變狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的再使其工作于有源逆變狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)；當(dāng)負(fù)載回饋能量時(shí)，中間直流電壓極生制動(dòng)；當(dāng)負(fù)載回饋能量時(shí)，中間直流電壓極性不變，而電流反向，通過控制變流器將電能性不變，而電流反向，通過控制變流器將電能反饋回電網(wǎng)。反饋回電網(wǎng)。 圖圖10-10是整流電路和逆變電路都采用是整流電路和逆變電路都采用PWM控制的間接交流變流電路，可簡稱控制的間接交流變流電路，可簡稱雙雙PWM電路電路，該電路輸入輸出電流均為正弦波，該電路輸入輸出電流均為正弦波，輸入功率因數(shù)高，且可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行，輸入功率因數(shù)高，且可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行，但

30、由于整流、逆變部分均為但由于整流、逆變部分均為PWM控制且需要控制且需要采用全控型器件，控制較復(fù)雜，成本也較高。采用全控型器件，控制較復(fù)雜，成本也較高。 2110.2.1 交直交變頻器交直交變頻器圖圖10-11 采用可控整流的電流型間接交流變流電路采用可控整流的電流型間接交流變流電路 圖圖10-12 電流型交電流型交直直交交PWM變頻電路變頻電路 圖圖10-13 整流和逆變均為整流和逆變均為PWM控制的電流型間接交流變流電控制的電流型間接交流變流電路路 圖圖10-11給出了可以再生反饋電力的給出了可以再生反饋電力的電流型間接交流變流電路，當(dāng)電動(dòng)機(jī)制電流型間接交流變流電路，當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，中間直

31、流電路的電流極性不能改動(dòng)時(shí)，中間直流電路的電流極性不能改變，要實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，只需調(diào)節(jié)可控整變，要實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，只需調(diào)節(jié)可控整流電路的觸發(fā)角，使中間直流電壓反極流電路的觸發(fā)角，使中間直流電壓反極性即可。性即可。圖圖10-12給出了實(shí)現(xiàn)基于上述原理的給出了實(shí)現(xiàn)基于上述原理的電路圖，為適用于電路圖，為適用于較大容量的場合較大容量的場合，將，將主電路中的器件換為主電路中的器件換為GTO，逆變電路，逆變電路輸出端的電容輸出端的電容C是為吸收是為吸收GTO關(guān)斷時(shí)產(chǎn)關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的過電壓而設(shè)置的，它也可以對(duì)輸出生的過電壓而設(shè)置的，它也可以對(duì)輸出的的PWM電流波形起濾波作用。電流波形起濾波作用。 電流型間接交流變

32、流電路也可采用雙電流型間接交流變流電路也可采用雙PWM電路，為了吸收換流時(shí)的過電壓，電路，為了吸收換流時(shí)的過電壓，在交流電源側(cè)和交流負(fù)載側(cè)都設(shè)置了電在交流電源側(cè)和交流負(fù)載側(cè)都設(shè)置了電容器；可四象限運(yùn)行，同時(shí)通過對(duì)整流容器；可四象限運(yùn)行，同時(shí)通過對(duì)整流電路的電路的PWM控制可使輸入電流為正弦控制可使輸入電流為正弦波，并使輸入功率因數(shù)為波，并使輸入功率因數(shù)為1。 2210.2.2 交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式籠型異步電動(dòng)機(jī)的定子頻率控制方式籠型異步電動(dòng)機(jī)的定子頻率控制方式 恒壓頻比控制恒壓頻比控制 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速主要由電源頻率和極對(duì)數(shù)決定，改變電源（定子）異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速

33、主要由電源頻率和極對(duì)數(shù)決定，改變電源（定子）頻率可對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，同時(shí)為了不使電動(dòng)機(jī)因頻率變化導(dǎo)致磁飽和而造頻率可對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，同時(shí)為了不使電動(dòng)機(jī)因頻率變化導(dǎo)致磁飽和而造成勵(lì)磁電流增大，引起功率因數(shù)和效率的降低，需對(duì)變頻器的電壓和頻率的成勵(lì)磁電流增大，引起功率因數(shù)和效率的降低，需對(duì)變頻器的電壓和頻率的比率進(jìn)行控制，使該比率保持恒定，即恒壓頻比控制，以維持比率進(jìn)行控制，使該比率保持恒定，即恒壓頻比控制，以維持氣隙磁通為額氣隙磁通為額定值定值。 圖圖10-14 采用恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖采用恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖 圖圖10-14給出了一個(gè)實(shí)例，給出了一個(gè)實(shí)例，轉(zhuǎn)速給定既作為調(diào)

34、節(jié)加減速度的頻轉(zhuǎn)速給定既作為調(diào)節(jié)加減速度的頻率率f指令值，同時(shí)經(jīng)過適當(dāng)分壓，也指令值，同時(shí)經(jīng)過適當(dāng)分壓，也被作為定子電壓被作為定子電壓V1的指令值，該的指令值，該f指指令值和令值和V1指令值之比就決定了指令值之比就決定了V/f比比值值，由于頻率和電壓由同一給定值，由于頻率和電壓由同一給定值控制，因此可以保證壓頻比為恒定；控制，因此可以保證壓頻比為恒定；電機(jī)的轉(zhuǎn)向由變頻器輸出電壓的相電機(jī)的轉(zhuǎn)向由變頻器輸出電壓的相序決定，不需要由頻率和電壓給定序決定，不需要由頻率和電壓給定信號(hào)反映極性。信號(hào)反映極性。 2310.2.2 交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率控制

35、為轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制方式，可提高調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。為轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制方式，可提高調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 從異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型可以證明，當(dāng)穩(wěn)態(tài)氣隙磁通恒定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩近似與從異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型可以證明，當(dāng)穩(wěn)態(tài)氣隙磁通恒定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)差角頻率轉(zhuǎn)差角頻率 s成正比，因此，控制成正比，因此，控制 s就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率控制，使定子頻率差頻率控制，使定子頻率 1= r+ s ，則，則 1隨實(shí)際轉(zhuǎn)速隨實(shí)際轉(zhuǎn)速 r增加或減小，得增加或減小，得到平滑而穩(wěn)定的調(diào)速，保證了較高的調(diào)速范圍和動(dòng)態(tài)性能。到平滑而穩(wěn)定的調(diào)速，保證了較高的調(diào)速范圍和動(dòng)態(tài)性能。 這種方法是

36、基于這種方法是基于電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的，仍然不能得到理想的動(dòng)態(tài)性能。的，仍然不能得到理想的動(dòng)態(tài)性能。矢量控制矢量控制 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是高階高階、非線性非線性、強(qiáng)耦合強(qiáng)耦合的的多變量系統(tǒng)多變量系統(tǒng)。 矢量控制方式基于異步電機(jī)的按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方式基于異步電機(jī)的按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，將定子電，將定子電流分解為勵(lì)磁分量和與此垂直的轉(zhuǎn)矩分量，參照直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法，分流分解為勵(lì)磁分量和與此垂直的轉(zhuǎn)矩分量，參照直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法，分別獨(dú)立地對(duì)兩個(gè)電流分量進(jìn)行控制，類似直流調(diào)速系統(tǒng)中的雙閉環(huán)控制方式。別獨(dú)立地對(duì)兩個(gè)電流分量進(jìn)行控制，類似

37、直流調(diào)速系統(tǒng)中的雙閉環(huán)控制方式。 該方式需要該方式需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和磁鏈的解耦實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和磁鏈的解耦，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制方法同樣是基于電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制方法同樣是基于電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型動(dòng)態(tài)模型，其控制閉環(huán)中的內(nèi)環(huán)，直，其控制閉環(huán)中的內(nèi)環(huán)，直接采用了轉(zhuǎn)矩反饋，并采用接采用了轉(zhuǎn)矩反饋，并采用砰砰砰控制砰控制，可以得到轉(zhuǎn)矩的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并且，可以得到轉(zhuǎn)矩的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并且控制相對(duì)要簡單許多。控制相對(duì)要簡單許多。 2410.3 不間斷電源不間斷電源不間斷電源（不間斷電源（Uninterruptible Power Supply UPS）是當(dāng)交流輸入

38、電源）是當(dāng)交流輸入電源（習(xí)慣稱為市電）發(fā)生異?；驍嚯姇r(shí)，還能繼續(xù)向負(fù)載供電，并能保證供電（習(xí)慣稱為市電）發(fā)生異?；驍嚯姇r(shí)，還能繼續(xù)向負(fù)載供電，并能保證供電質(zhì)量，使負(fù)載供電不受影響的裝置。質(zhì)量，使負(fù)載供電不受影響的裝置。廣義地說，廣義地說，UPS包括輸出為直流和輸出為交流兩種情況，目前通常是指輸包括輸出為直流和輸出為交流兩種情況，目前通常是指輸出為交流的情況出為交流的情況UPS是是恒壓恒頻（恒壓恒頻（CVCF）電源）電源中的主要產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用中的主要產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于各種對(duì)交流供電可靠性和供電質(zhì)量要求高的場合。于各種對(duì)交流供電可靠性和供電質(zhì)量要求高的場合。 圖圖10-15 UPS基本結(jié)構(gòu)原

39、理圖基本結(jié)構(gòu)原理圖UPS的結(jié)構(gòu)原理的結(jié)構(gòu)原理 圖圖10-15給出了給出了UPS最基本的結(jié)構(gòu)原理最基本的結(jié)構(gòu)原理 基本工作原理是，當(dāng)市電正常時(shí)，由基本工作原理是，當(dāng)市電正常時(shí)，由市電供電，當(dāng)市電異常乃至停電時(shí)，由蓄電市電供電，當(dāng)市電異常乃至停電時(shí)，由蓄電池向逆變器供電，因此從負(fù)載側(cè)看，供電不池向逆變器供電，因此從負(fù)載側(cè)看，供電不受市電停電的影響；在市電正常時(shí)，負(fù)載也受市電停電的影響；在市電正常時(shí)，負(fù)載也可以由逆變器供電，此時(shí)負(fù)載得到的交流電可以由逆變器供電，此時(shí)負(fù)載得到的交流電壓比市電電壓質(zhì)量高，即使市電發(fā)生質(zhì)量問壓比市電電壓質(zhì)量高，即使市電發(fā)生質(zhì)量問題（如電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、波形畸變和瞬題（如

40、電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、波形畸變和瞬時(shí)停電等）時(shí)，也能獲得正常的恒壓恒頻的時(shí)停電等）時(shí)，也能獲得正常的恒壓恒頻的正弦波交流輸出，并且具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的性正弦波交流輸出，并且具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的性能，因此也稱為能，因此也稱為穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。 2510.3 不間斷電源不間斷電源圖圖10-16 具有旁路開關(guān)的具有旁路開關(guān)的UPS系統(tǒng)系統(tǒng)圖圖10-17 用柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源的用柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源的UPS為保證市電異常或逆變器故障時(shí)為保證市電異?；蚰孀兤鞴收蠒r(shí)負(fù)載供電的切換，實(shí)際的負(fù)載供電的切換，實(shí)際的UPS產(chǎn)品中產(chǎn)品中多數(shù)都設(shè)置了多數(shù)都設(shè)置了旁路開關(guān)旁路開關(guān)，如圖，如圖10-16所示，市電與逆

41、變器提供的所示，市電與逆變器提供的CVCF電電源由轉(zhuǎn)換開關(guān)源由轉(zhuǎn)換開關(guān)S切換；還需注意的是，切換；還需注意的是，在市電旁路電源與在市電旁路電源與CVCF電源之間切電源之間切換時(shí)，必須保證兩個(gè)電壓的相位一換時(shí)，必須保證兩個(gè)電壓的相位一致，通常采用致，通常采用鎖相同步鎖相同步的方法。的方法。在市電斷電時(shí)由于由蓄電池提供在市電斷電時(shí)由于由蓄電池提供電能，供電時(shí)間取決于蓄電池容量電能，供電時(shí)間取決于蓄電池容量的大小，有很大的局限性，為了保的大小，有很大的局限性，為了保證長時(shí)間不間斷供電，可采用證長時(shí)間不間斷供電，可采用柴油柴油發(fā)電機(jī)（簡稱油機(jī)）作為后備電源發(fā)電機(jī)（簡稱油機(jī)）作為后備電源，如圖如圖10-

42、17所示，蓄電池只需作為市所示，蓄電池只需作為市電與油機(jī)之間的過渡，容量可以比電與油機(jī)之間的過渡，容量可以比較小。較小。2610.3 不間斷電源不間斷電源圖圖10-18 小容量小容量UPS主電路主電路圖圖10-19 大功率大功率UPS主電路主電路 UPS的主電路結(jié)構(gòu)的主電路結(jié)構(gòu) 容量較小的容量較小的UPS主電路主電路 整流部分使用二極管整流整流部分使用二極管整流器和直流斬波器（用作器和直流斬波器（用作PFC），），可獲得較高的可獲得較高的交流輸入功率因數(shù)交流輸入功率因數(shù)。 由于逆變器部分使用由于逆變器部分使用IGBT并采用并采用PWM控制控制，可獲得良好的，可獲得良好的控制性能?？刂菩阅堋?使

43、用使用GTO的大容量的大容量UPS主電主電路路 逆變器部分采用逆變器部分采用PWM控制，控制，具有具有調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)電壓和和改善波形改善波形的功能。的功能。 為減少為減少GTO的開關(guān)損耗，的開關(guān)損耗，采用采用較低的開關(guān)頻率較低的開關(guān)頻率。 輸出電壓中所含的最低次輸出電壓中所含的最低次諧波為諧波為11次，從而使交流濾波器次，從而使交流濾波器小型化。小型化。 2710.4 開關(guān)電源開關(guān)電源 10.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)開關(guān)電源的結(jié)構(gòu) 10.4.2 開關(guān)電源的控制方式開關(guān)電源的控制方式 10.4.3 開關(guān)電源的應(yīng)用開關(guān)電源的應(yīng)用2810.4 開關(guān)電源開關(guān)電源引言引言在各種電子設(shè)備中，需要多路不同電壓供

44、電，如數(shù)字電路需要在各種電子設(shè)備中，需要多路不同電壓供電，如數(shù)字電路需要5V、3.3V、2.5V等，模擬電路需要等，模擬電路需要12V、15V等，這就需要專門設(shè)計(jì)電源裝置來提供等，這就需要專門設(shè)計(jì)電源裝置來提供這些電壓，通常要求電源裝置能達(dá)到一定的穩(wěn)壓精度，還要能夠提供足夠大這些電壓，通常要求電源裝置能達(dá)到一定的穩(wěn)壓精度，還要能夠提供足夠大的電流。的電流。 線性電源和開關(guān)電源線性電源和開關(guān)電源 圖圖10-20所示為所示為線性電源線性電源，先用工頻變壓器降壓，然后經(jīng)過整流濾波后，先用工頻變壓器降壓，然后經(jīng)過整流濾波后，由線性調(diào)壓得到穩(wěn)定的輸出電壓。由線性調(diào)壓得到穩(wěn)定的輸出電壓。 圖圖10-21所

45、示為所示為開關(guān)電源開關(guān)電源，先整流濾波、后經(jīng)高頻逆變得到高頻交流電壓，先整流濾波、后經(jīng)高頻逆變得到高頻交流電壓，然后由高頻變壓器降壓、再整流濾波。然后由高頻變壓器降壓、再整流濾波。 開關(guān)電源在效率、體積和重量等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于線性電源，因此已經(jīng)基開關(guān)電源在效率、體積和重量等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于線性電源，因此已經(jīng)基本取代了線型電源，成為電子設(shè)備供電的主要電源形式。本取代了線型電源，成為電子設(shè)備供電的主要電源形式。 圖圖10-20 線性電源的基本電路結(jié)構(gòu)線性電源的基本電路結(jié)構(gòu) 圖圖10-21 半橋型開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)半橋型開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu) 2910.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)圖圖10-22 開關(guān)電

46、源的能量變換過程開關(guān)電源的能量變換過程交流輸入的開關(guān)電源交流輸入的開關(guān)電源 交流輸入、直流輸出的開關(guān)電源將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。交流輸入、直流輸出的開關(guān)電源將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。 整流電路普遍采用二極管構(gòu)成的橋式電路，直流側(cè)采用整流電路普遍采用二極管構(gòu)成的橋式電路，直流側(cè)采用大電容濾波，較為先進(jìn)的開關(guān)電源采用有源的功率因數(shù)校正大電容濾波，較為先進(jìn)的開關(guān)電源采用有源的功率因數(shù)校正(Power Factor Correction - PFC)電路。電路。 高頻逆變變壓器高頻整流電路高頻逆變變壓器高頻整流電路是開關(guān)電源的核心部是開關(guān)電源的核心部分，具體的電路采用的是隔離型直流直流變流電路。分，具體的電

47、路采用的是隔離型直流直流變流電路。 高性能開關(guān)電源中普遍采用了高性能開關(guān)電源中普遍采用了軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù)。 可以采用給高頻變壓器設(shè)計(jì)可以采用給高頻變壓器設(shè)計(jì)多個(gè)二次側(cè)繞組多個(gè)二次側(cè)繞組的方法來實(shí)的方法來實(shí)現(xiàn)不同電壓的多組輸出，而且這些不同的輸出之間是相互隔現(xiàn)不同電壓的多組輸出，而且這些不同的輸出之間是相互隔離的，但是僅能選擇離的，但是僅能選擇1路作為輸出電壓反饋，因此也就只有路作為輸出電壓反饋，因此也就只有這這1路的電壓的穩(wěn)壓精度較高，其它路的穩(wěn)壓精度都較低，路的電壓的穩(wěn)壓精度較高，其它路的穩(wěn)壓精度都較低，而且其中而且其中1路的負(fù)載變化時(shí)，其它路的電壓也會(huì)跟著變化。路的負(fù)載變化時(shí)，其它路的

48、電壓也會(huì)跟著變化。 圖圖10-23 多路輸多路輸出的整流電路出的整流電路 3010.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)直流輸入的開關(guān)電源直流輸入的開關(guān)電源 也稱為也稱為直流直流變換器直流直流變換器(DC-DC Converter)，分為，分為隔離型隔離型和和非隔離型非隔離型，隔離型多采用反激、正激、半橋等隔離型電路，而非隔離型采用隔離型多采用反激、正激、半橋等隔離型電路，而非隔離型采用Buck、Boost、Buck-Boost等電路。等電路。 負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器(POL-Point Of the Load regulator) 僅僅為僅僅為1個(gè)專門的元件（通常是一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片）

49、供電的直流個(gè)專門的元件（通常是一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片）供電的直流直流變換器。直流變換器。 計(jì)算機(jī)主板上給計(jì)算機(jī)主板上給CPU和存儲(chǔ)器供電的電源都是典型的和存儲(chǔ)器供電的電源都是典型的POL。 非隔離的直流直流變換器、尤其是非隔離的直流直流變換器、尤其是POL的輸出電壓往往較低，為了提的輸出電壓往往較低，為了提高效率，經(jīng)常采用高效率，經(jīng)常采用同步同步Buck (Sync Buck)電路電路，該電路的結(jié)構(gòu)為，該電路的結(jié)構(gòu)為Buck，但二極，但二極管也采用管也采用MOSFET，利用其低導(dǎo)通電阻的特點(diǎn)來降低電路中的通態(tài)損耗，其，利用其低導(dǎo)通電阻的特點(diǎn)來降低電路中的通態(tài)損耗，其原理類似同步整流電路。原理類

50、似同步整流電路。圖圖10-24 a)同步降壓電路同步降壓電路 圖圖10-24 b)同步升壓電路同步升壓電路 3110.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)圖圖10-25 通信電源系統(tǒng)通信電源系統(tǒng) 分布式電源系統(tǒng)分布式電源系統(tǒng) 在通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等復(fù)在通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等復(fù)雜的電子裝置中，供電的路數(shù)太多，雜的電子裝置中，供電的路數(shù)太多，總功率太大，難以用一個(gè)開關(guān)電源完總功率太大，難以用一個(gè)開關(guān)電源完成，因此出現(xiàn)了成，因此出現(xiàn)了分布式的電源系統(tǒng)分布式的電源系統(tǒng)。 如圖如圖10-25，一次電源完成交流，一次電源完成交流直流的隔離變換，其輸出連接到直流直流的隔離變換，其輸出連接到直流母線上，

51、直流母線連接到交換機(jī)中每母線上，直流母線連接到交換機(jī)中每塊電路板，電路板上都有自己的塊電路板，電路板上都有自己的DC-DC變換器，將變換器，將48V轉(zhuǎn)換為電路所需的轉(zhuǎn)換為電路所需的各種電壓；大容量的蓄電池組保證停各種電壓；大容量的蓄電池組保證停電的時(shí)候交換機(jī)還能正常工作電的時(shí)候交換機(jī)還能正常工作 。 一次電源采用多個(gè)開關(guān)電源并聯(lián)一次電源采用多個(gè)開關(guān)電源并聯(lián)的方案，每個(gè)開關(guān)電源僅僅承擔(dān)一部的方案，每個(gè)開關(guān)電源僅僅承擔(dān)一部分功率，并聯(lián)運(yùn)行的每個(gè)開關(guān)電源有分功率，并聯(lián)運(yùn)行的每個(gè)開關(guān)電源有時(shí)也被成稱為時(shí)也被成稱為“模塊模塊”，當(dāng)其中個(gè)別，當(dāng)其中個(gè)別模塊發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)運(yùn)模塊發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)還

52、能夠繼續(xù)運(yùn)行，這被稱為行，這被稱為“冗余冗余”。 3210.4.2 開關(guān)電源的控制方式開關(guān)電源的控制方式圖圖10-26 開關(guān)電源的控制系統(tǒng)開關(guān)電源的控制系統(tǒng) 圖圖10-27 電流模式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)電流模式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 典型的開關(guān)電源控制系統(tǒng)如圖典型的開關(guān)電源控制系統(tǒng)如圖10-26 所示，采用所示，采用反饋控制反饋控制，控，控制器根據(jù)誤差制器根據(jù)誤差e來調(diào)整控制量來調(diào)整控制量vc。 電壓模式控制電壓模式控制 圖圖10-26 所示即為電壓模式所示即為電壓模式控制，僅有一個(gè)輸出控制，僅有一個(gè)輸出電壓反饋控電壓反饋控制環(huán)制環(huán)。 其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但有一其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)是不能有效的

53、控制個(gè)顯著的缺點(diǎn)是不能有效的控制電路中的電流。電路中的電流。電流模式控制電流模式控制 在電壓反饋環(huán)內(nèi)增加了在電壓反饋環(huán)內(nèi)增加了電流電流反饋控制環(huán)反饋控制環(huán)，電壓控制器的輸出，電壓控制器的輸出信號(hào)作為電流環(huán)的參考信號(hào)，給信號(hào)作為電流環(huán)的參考信號(hào)，給這一信號(hào)設(shè)置限幅，就可以限值這一信號(hào)設(shè)置限幅，就可以限值電路中的最大電流，達(dá)到短路和電路中的最大電流，達(dá)到短路和過載保護(hù)的目的，還可以實(shí)現(xiàn)恒過載保護(hù)的目的，還可以實(shí)現(xiàn)恒流控制。流控制。 3310.4.2 開關(guān)電源的控制方式開關(guān)電源的控制方式圖圖10-28 峰值電流模式控制的原理峰值電流模式控制的原理 峰值電流模式控制峰值電流模式控制 峰值電流模式控制系

54、統(tǒng)中電流控制環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖峰值電流模式控制系統(tǒng)中電流控制環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖10-28a所示，主要的波形所示，主要的波形如圖如圖10-28b所示。所示。 基本的原理：開關(guān)的開通由基本的原理：開關(guān)的開通由時(shí)鐘時(shí)鐘CLK信號(hào)信號(hào)控制，控制，CLK信號(hào)每隔一定的時(shí)間信號(hào)每隔一定的時(shí)間就使就使RS觸發(fā)器觸發(fā)器置位，使開關(guān)開通；開關(guān)開通后置位，使開關(guān)開通；開關(guān)開通后iL上升，當(dāng)上升，當(dāng)iL達(dá)到電流給定值達(dá)到電流給定值iR后，比較器輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)，并復(fù)位后，比較器輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)，并復(fù)位RS觸發(fā)器，使開關(guān)關(guān)斷。觸發(fā)器，使開關(guān)關(guān)斷。 a)b)3410.4.2 開關(guān)電源的控制方式開關(guān)電源的控制方式圖圖10-29 平均電流模式

55、控制的原理平均電流模式控制的原理 a)b) 峰值電流模式控制的不足：該方法控峰值電流模式控制的不足：該方法控制電感電流的峰值，而不是電感電流的制電感電流的峰值，而不是電感電流的平均值，且二者之間的差值隨著平均值，且二者之間的差值隨著M1和和M2的不同而改變，這對(duì)很多需要精確控的不同而改變，這對(duì)很多需要精確控制電感電流平均值的開關(guān)電源來說是不制電感電流平均值的開關(guān)電源來說是不能允許的；峰值電流模式控制電路中將能允許的；峰值電流模式控制電路中將電感電流直接與電流給定信號(hào)相比較，電感電流直接與電流給定信號(hào)相比較，但電感電流中通常含有一些開關(guān)過程產(chǎn)但電感電流中通常含有一些開關(guān)過程產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，容易生

56、的噪聲信號(hào)，容易造成比較器的誤動(dòng)造成比較器的誤動(dòng)作作，使電感電流發(fā)生不規(guī)則的波動(dòng)。，使電感電流發(fā)生不規(guī)則的波動(dòng)。平均電流模式控制平均電流模式控制 平均電流模式控制采用平均電流模式控制采用PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器作為作為電流調(diào)節(jié)器，并將調(diào)節(jié)器輸出的控制量電流調(diào)節(jié)器，并將調(diào)節(jié)器輸出的控制量uc與鋸齒波信號(hào)與鋸齒波信號(hào)uS相比較，得到周期固相比較，得到周期固定、占空比變化的定、占空比變化的PWM信號(hào)，用以控信號(hào)，用以控制開關(guān)的通與斷。制開關(guān)的通與斷。 3510.4.3 開關(guān)電源的應(yīng)用開關(guān)電源的應(yīng)用開關(guān)電源廣泛用于各種電子設(shè)備、儀器，以及家電等，開關(guān)電源廣泛用于各種電子設(shè)備、儀器，以及家電等，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)和筆

57、記本計(jì)算機(jī)的電源，電視機(jī)、如臺(tái)式計(jì)算機(jī)和筆記本計(jì)算機(jī)的電源，電視機(jī)、DVD播播放機(jī)的電源，以及家用空調(diào)器、電冰箱的電腦控制電路放機(jī)的電源，以及家用空調(diào)器、電冰箱的電腦控制電路的電源等，這些電源功率通常僅有幾十的電源等，這些電源功率通常僅有幾十W幾百幾百W；手；手機(jī)等移動(dòng)電子設(shè)備的充電器也是開關(guān)電源，但功率僅有機(jī)等移動(dòng)電子設(shè)備的充電器也是開關(guān)電源，但功率僅有幾幾W；通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等大型設(shè)備的電源也是；通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等大型設(shè)備的電源也是開關(guān)電源，但功率較大，可達(dá)數(shù)開關(guān)電源，但功率較大，可達(dá)數(shù)kW數(shù)百數(shù)百kW；工業(yè)上；工業(yè)上也大量應(yīng)用開關(guān)電源，如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化流水線中，也大量應(yīng)用開

58、關(guān)電源，如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化流水線中，采用各種規(guī)格的開關(guān)電源為其控制電路供電。采用各種規(guī)格的開關(guān)電源為其控制電路供電。 開關(guān)電源還可以用于蓄電池充電、電火花加工，電鍍、開關(guān)電源還可以用于蓄電池充電、電火花加工，電鍍、電解等電化學(xué)過程等，功率可達(dá)幾十幾百電解等電化學(xué)過程等，功率可達(dá)幾十幾百kW；在；在X光光機(jī)、微波發(fā)射機(jī)、雷達(dá)等設(shè)備中，大量使用的是高壓、機(jī)、微波發(fā)射機(jī)、雷達(dá)等設(shè)備中，大量使用的是高壓、小電流輸出的開關(guān)電源。小電流輸出的開關(guān)電源。 3610.5 功率因數(shù)校正技術(shù)功率因數(shù)校正技術(shù) 10.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理功率因數(shù)校正電路的基本原理 10.5.2 單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)單級(jí)

59、功率因數(shù)校正技術(shù)3710.5 功率因數(shù)校正技術(shù)功率因數(shù)校正技術(shù)引言引言以開關(guān)電源為代表的各種電力電子裝置帶來一些負(fù)面的以開關(guān)電源為代表的各種電力電子裝置帶來一些負(fù)面的問題：輸入電流不是正弦波，就涉及到問題：輸入電流不是正弦波，就涉及到諧波諧波和和功率因數(shù)功率因數(shù)的問題。的問題。功率因數(shù)校正功率因數(shù)校正PFC (Power Factor Correction)技術(shù)即對(duì)電技術(shù)即對(duì)電流脈沖的幅度進(jìn)行抑制，使電流波形盡量接近正弦波的流脈沖的幅度進(jìn)行抑制，使電流波形盡量接近正弦波的技術(shù)，分成技術(shù)，分成無源功率因數(shù)校正無源功率因數(shù)校正和和有源功率因數(shù)校正有源功率因數(shù)校正兩種。兩種。 無源功率因數(shù)校正技術(shù)通

60、過在二極管整流電路中增加電無源功率因數(shù)校正技術(shù)通過在二極管整流電路中增加電感、電容等無源元件和二極管元件，對(duì)電路中的電流脈感、電容等無源元件和二極管元件，對(duì)電路中的電流脈沖進(jìn)行抑制，以降低電流諧波含量，提高功率因數(shù)。沖進(jìn)行抑制，以降低電流諧波含量，提高功率因數(shù)。 有源功率因數(shù)校正技術(shù)采用全控開關(guān)器件構(gòu)成的開關(guān)電有源功率因數(shù)校正技術(shù)采用全控開關(guān)器件構(gòu)成的開關(guān)電路對(duì)輸入電流的波形進(jìn)行控制，使之成為與電源電壓同路對(duì)輸入電流的波形進(jìn)行控制，使之成為與電源電壓同相的正弦波。相的正弦波。 3810.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理功率因數(shù)校正電路的基本原理圖圖10-30 典型的單相有源典型的單相有源PF