電力電子技術(shù)第五版課件第10章電力電子技術(shù)的應(yīng)用3456匯編

1、第10章電力電子技術(shù)的應(yīng)用 10.1 晶閘管直流電動機系統(tǒng) 10.2 變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng) 10.3 不間斷電源(dinyun) 10.4 開關(guān)電源 10.5 功率因數(shù)校正技術(shù) 10.6 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 10.7 電力電子技術(shù)的其他應(yīng)用 本章小結(jié) 共二十六頁2/7010.3 不間斷電源(dinyun)不間斷電源（Uninterruptible Power Supply UPS）是當交流輸入電源（習慣稱為市電）發(fā)生異常(ychng)或斷電時，還能繼續(xù)向負載供電，并能保證供電質(zhì)量，使負載供電不受影響的裝置。廣義地說，UPS包括輸出為直流和輸出為交流兩種情況，目前通常是指輸出為交流的

2、情況UPS是恒壓恒頻（CVCF）電源中的主要產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于各種對交流供電可靠性和供電質(zhì)量要求高的場合。 圖10-15 UPS基本結(jié)構(gòu)原理圖UPS的結(jié)構(gòu)原理 圖10-15給出了UPS最基本的結(jié)構(gòu)原理 基本工作原理是，當市電正常時，由市電供電，當市電異常乃至停電時，由蓄電池向逆變器供電，因此從負載側(cè)看，供電不受市電停電的影響；在市電正常時，負載也可以由逆變器供電，此時負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)量問題（如電壓波動、頻率波動、波形畸變和瞬時停電等）時，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)頻的性能，因此也稱為穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。 共二十六頁3/7010.3 不

3、間斷電源(dinyun)圖10-16 具有(jyu)旁路開關(guān)的UPS系統(tǒng)圖10-17 用柴油發(fā)電機作為后備電源的UPS為保證市電異?；蚰孀兤鞴收蠒r負載供電的切換，實際的UPS產(chǎn)品中多數(shù)都設(shè)置了旁路開關(guān)，如圖10-16所示，市電與逆變器提供的CVCF電源由轉(zhuǎn)換開關(guān)S切換；還需注意的是，在市電旁路電源與CVCF電源之間切換時，必須保證兩個電壓的相位一致，通常采用鎖相同步的方法。在市電斷電時由于由蓄電池提供電能，供電時間取決于蓄電池容量的大小，有很大的局限性，為了保證長時間不間斷供電，可采用柴油發(fā)電機（簡稱油機）作為后備電源，如圖10-17所示，蓄電池只需作為市電與油機之間的過渡，容量可以比較小。共

4、二十六頁4/7010.3 不間斷電源(dinyun)圖10-18 小容量(rngling)UPS主電路圖10-19 大功率UPS主電路 UPS的主電路結(jié)構(gòu) 容量較小的UPS主電路 整流部分使用二極管整流器和直流斬波器（用作PFC），可獲得較高的交流輸入功率因數(shù)。 由于逆變器部分使用IGBT并采用PWM控制，可獲得良好的控制性能。 使用GTO的大容量UPS主電路 逆變器部分采用PWM控制，具有調(diào)節(jié)電壓和改善波形的功能。 為減少GTO的開關(guān)損耗，采用較低的開關(guān)頻率。 輸出電壓中所含的最低次諧波為11次，從而使交流濾波器小型化。 共二十六頁5/7010.4 開關(guān)電源 10.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu) 1

5、0.4.2 開關(guān)電源的控制方式(fngsh) 10.4.3 開關(guān)電源的應(yīng)用共二十六頁6/7010.4 開關(guān)電源引言(ynyn)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(dinl)需要12V、15V等，這就需要專門設(shè)計電源裝置來提供這些電壓，通常要求電源裝置能達到一定的穩(wěn)壓精度，還要能夠提供足夠大的電流。 線性電源和開關(guān)電源 圖10-20所示為線性電源，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。 圖10-21所示為開關(guān)電源，先整流濾波、后經(jīng)高頻逆變得到高頻交流電壓，然后由高頻變壓器降壓、再整流濾波。 開關(guān)電源在效率、體

6、積和重量等方面都遠遠優(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。 圖10-20 線性電源的基本電路結(jié)構(gòu) 圖10-21 半橋型開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu) 共二十六頁7/7010.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)(jigu)圖10-22 開關(guān)電源的能量(nngling)變換過程交流輸入的開關(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。 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，較為先進的開關(guān)電源采用有源的功率因數(shù)校正(Power Factor Correction - PFC)電路。 高頻逆變變壓器高頻整流電路是開關(guān)電源的核心部分，具體的電路采用的是隔離型直

7、流直流變流電路。 高性能開關(guān)電源中普遍采用了軟開關(guān)技術(shù)。 可以采用給高頻變壓器設(shè)計多個二次側(cè)繞組的方法來實現(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1路作為輸出電壓反饋，因此也就只有這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，而且其中1路的負載變化時，其它路的電壓也會跟著變化。 圖10-23 多路輸出的整流電路 共二十六頁8/7010.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)(jigu)直流輸入的開關(guān)電源 也稱為直流直流變換器(DC-DC Converter)，分為隔離型和非隔離型，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Buck、Boost、Buck-Boo

8、st等電路。 負載點穩(wěn)壓器(POL-Point Of the Load regulator) 僅僅為1個專門的元件（通常是一個大規(guī)模集成電路芯片）供電的直流直流變換器。 計算機主板上給CPU和存儲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(yuq)是POL的輸出電壓往往較低，為了提高效率，經(jīng)常采用同步Buck (Sync Buck)電路，該電路的結(jié)構(gòu)為Buck，但二極管也采用MOSFET，利用其低導(dǎo)通電阻的特點來降低電路中的通態(tài)損耗，其原理類似同步整流電路。圖10-24 a)同步降壓電路 圖10-24 b)同步升壓電路 共二十六頁9/7010.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)(jigu

9、)圖10-25 通信(tng xn)電源系統(tǒng) 分布式電源系統(tǒng) 在通信交換機、巨型計算機等復(fù)雜的電子裝置中，供電的路數(shù)太多，總功率太大，難以用一個開關(guān)電源完成，因此出現(xiàn)了分布式的電源系統(tǒng)。 如圖10-25，一次電源完成交流直流的隔離變換，其輸出連接到直流母線上，直流母線連接到交換機中每塊電路板，電路板上都有自己的DC-DC變換器，將48V轉(zhuǎn)換為電路所需的各種電壓；大容量的蓄電池組保證停電的時候交換機還能正常工作 。 一次電源采用多個開關(guān)電源并聯(lián)的方案，每個開關(guān)電源僅僅承擔一部分功率，并聯(lián)運行的每個開關(guān)電源有時也被成稱為“模塊”，當其中個別模塊發(fā)生故障時，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)運行，這被稱為“冗余”。 共

10、二十六頁10/7010.4.2 開關(guān)電源的控制(kngzh)方式圖10-26 開關(guān)電源的控制系統(tǒng)(kn zh x tn) 圖10-27 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10-26 所示，采用反饋控制，控制器根據(jù)誤差e來調(diào)整控制量vc。 電壓模式控制 圖10-26 所示即為電壓模式控制，僅有一個輸出電壓反饋控制環(huán)。 其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，但有一個顯著的缺點是不能有效的控制電路中的電流。電流模式控制 在電壓反饋環(huán)內(nèi)增加了電流反饋控制環(huán)，電壓控制器的輸出信號作為電流環(huán)的參考信號，給這一信號設(shè)置限幅，就可以限值電路中的最大電流，達到短路和過載保護的目的，還可以實現(xiàn)恒流控制。 共二十六頁1

11、1/7010.4.2 開關(guān)電源的控制(kngzh)方式圖10-28 峰值電流模式控制(kngzh)的原理 峰值電流模式控制 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，主要的波形如圖10-28b所示。 基本的原理：開關(guān)的開通由時鐘CLK信號控制，CLK信號每隔一定的時間就使RS觸發(fā)器置位，使開關(guān)開通；開關(guān)開通后iL上升，當iL達到電流給定值iR后，比較器輸出信號翻轉(zhuǎn)，并復(fù)位RS觸發(fā)器，使開關(guān)關(guān)斷。 a)b)共二十六頁12/7010.4.2 開關(guān)電源的控制(kngzh)方式圖10-29 平均電流模式控制(kngzh)的原理 a)b) 峰值電流模式控制的不足：該方法控制電感電流的峰

12、值，而不是電感電流的平均值，且二者之間的差值隨著M1和M2的不同而改變，這對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相比較，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，容易造成比較器的誤動作，使電感電流發(fā)生不規(guī)則的波動。平均電流模式控制 平均電流模式控制采用PI調(diào)節(jié)器作為電流調(diào)節(jié)器，并將調(diào)節(jié)器輸出的控制量uc與鋸齒波信號uS相比較，得到周期固定、占空比變化的PWM信號，用以控制開關(guān)的通與斷。 共二十六頁13/7010.4.3 開關(guān)電源的應(yīng)用(yngyng)開關(guān)電源廣泛用于各種電子設(shè)備、儀器，以及家電等，如臺式計算機和筆記本

13、計算機的電源，電視機、DVD播放機的電源，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W幾百W；手機等移動電子設(shè)備的充電器也是開關(guān)電源，但功率僅有幾W；通信交換機、巨型計算機等大型設(shè)備的電源也是開關(guān)電源，但功率較大，可達數(shù)kW數(shù)百kW；工業(yè)上也大量應(yīng)用開關(guān)電源，如數(shù)控機床、自動化流水線中，采用各種規(guī)格的開關(guān)電源為其控制電路供電。 開關(guān)電源還可以用于蓄電池充電、電火花加工，電鍍、電解等電化學過程等，功率可達幾十幾百kW；在X光機、微波(wib)發(fā)射機、雷達等設(shè)備中，大量使用的是高壓、小電流輸出的開關(guān)電源。 共二十六頁14/7010.5 功率因數(shù)(n l yn sh)校正

14、技術(shù) 10.5.1 功率因數(shù)(n l yn sh)校正電路的基本原理 10.5.2 單級功率因數(shù)校正技術(shù)共二十六頁15/7010.5 功率因數(shù)(n l yn sh)校正技術(shù)以開關(guān)電源為代表的各種電力電子裝置帶來一些負面的問題：輸入電流不是正弦波，就涉及到諧波(xi b)和功率因數(shù)的問題。功率因數(shù)校正PFC (Power Factor Correction)技術(shù)即對電流脈沖的幅度進行抑制，使電流波形盡量接近正弦波的技術(shù)，分成無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩種。 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，對電路中的電流脈沖進行抑制，以降低電流諧波含量，提高

15、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)電路對輸入電流的波形進行控制，使之成為與電源電壓同相的正弦波。 共二十六頁16/7010.5.1 功率因數(shù)(n l yn sh)校正電路的基本原理圖10-30 典型的單相有源PFC電路及主要(zhyo)原理波形 單相功率因數(shù)校正電路的基本原理 實際上是二極管整流電路加上升壓型斬波電路構(gòu)成的。 原理 給定信號 和實際的直流電壓ud比較后送入PI調(diào)節(jié)器，得到指令信號id，id和整流后正弦電壓相乘得到輸入電流的指令信號i*，該指令信號和實際電感電流信號比較后，通過滯環(huán)對開關(guān)器件進行控制，便可使輸入直流電流跟蹤指令值，這樣交流側(cè)電流波形將近似成

16、為與交流電壓同相的正弦波，跟蹤誤差在由滯環(huán)環(huán)寬所決定的范圍內(nèi)。共二十六頁17/7010.5.1 功率因數(shù)(n l yn sh)校正電路的基本原理圖10-30 典型的單相(dn xin)有源PFC電路及主要原理波形 在升壓斬波電路中，只要輸入電壓不高于輸出電壓，電感L的電流就完全受開關(guān)S的通斷控制；S通時，iL增長，S斷時，iL下降，因此控制S的占空比按正弦絕對值規(guī)律變化，且與輸入電壓同相，就可以控制iL波形為正弦絕對值，從而使輸入電流的波形為正弦波，且與輸入電壓同相，輸入功率因數(shù)為1。 共二十六頁18/7010.5.1 功率因數(shù)校正(jiozhng)電路的基本原理圖10-31 三相(sn xi

17、n)單開關(guān)PFC電路圖10-32 三相單開關(guān)PFC電路的工作波形三相功率因數(shù)校正電路的基本原理 電路是工作在電流不連續(xù)模式的升壓斬波電路，LALC的電流在每個開關(guān)周期內(nèi)都是不連續(xù)的；電路中的二極管都采用快速恢復(fù)二極管，電路的輸出電壓高于輸入線間電壓峰值。 工作原理 S開通后，電感電流值均從零開始線性上升（正向或負向），S關(guān)斷后，三相電感電流通過D7向負載側(cè)流動，并迅速下降到零。 在每一個開關(guān)周期中，電感電流是三角形或接近三角形的電流脈沖，其峰值與輸入電壓成正比；假設(shè)S關(guān)斷后電流iA下降很快，iA的平均值將主要取決于陰影部分的面積，這樣iA平均值與輸入電壓成正比，因此輸入電流經(jīng)濾波后將近似為正弦

18、波。 共二十六頁19/7010.5.1 功率因數(shù)(n l yn sh)校正電路的基本原理 在分析中略去(l q)了電流波形中非陰影部分，因此實際的電流波形 同正弦波相比有些畸變，如果輸出直流電壓很高，則開關(guān)S關(guān)斷 后電流下降就很快，被略去的電流面積就很小，則電流波形同 正弦波的近似程度高，其波形畸變小。 該電路工作于電流斷續(xù)模式，電路中電流峰值高，開關(guān)器件的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都很大，因此適用于36kW的中小功率電源中。 圖10-31 三相單開關(guān)PFC電路圖10-32 三相單開關(guān)PFC電路的工作波形共二十六頁20/7010.5.1 功率因數(shù)(n l yn sh)校正電路的基本原理開關(guān)電源中采用有

19、源PFC電路帶來以下好處 輸入功率因數(shù)提高，輸入諧波電流減小，降低了電源對電網(wǎng)的干擾，滿足了現(xiàn)行諧波限制標準。 在輸入相同有功功率的條件下，輸入電流有效值明顯減小，降低了對線路、開關(guān)、連接件等電流容量的要求。 由于有升壓斬波電路，電源允許的輸入電壓范圍擴大，能適應(yīng)世界各國不同的電網(wǎng)電壓，極大的提高電源裝置(zhungzh)的可靠性和靈活性。 由于升壓斬波電路的穩(wěn)壓作用，整流電路輸出電壓波動顯著減小，使后級DC-DC變換電路的工作點保持穩(wěn)定，有利于提高控制精度和效率。單相有源功率因數(shù)校正電路較為簡單，僅有1個全控開關(guān)器件。該電路容易實現(xiàn)，可靠性也較高，因此應(yīng)用非常廣泛；三相有源功率因數(shù)校正電路結(jié)

20、構(gòu)和控制較復(fù)雜，成本也很高，三相功率因數(shù)校正技術(shù)的仍是研究的熱點。共二十六頁21/7010.6.2 無功功率(w n n l)控制在電力系統(tǒng)中，對無功功率的控制是非常重要的，通過對無功功率的控制，可以提高功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，改善供電質(zhì)量。晶閘管投切電容器 交流電力電容器的投入與切斷是控制無功功率的一種重要手段，晶閘管投切電容器TSC是一種性能優(yōu)良的無功(w n)補償方式。 圖10-35是TSC的基本原理圖，可以看出TSC的基本原理實際上是就是用交流電力電子開關(guān)來投如或者切除電容器，兩個反并聯(lián)的晶閘管起著把電容C并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開的作用，串聯(lián)的電感很小，只是用來抑制電容器投入電網(wǎng)時可能出現(xiàn)

21、的沖擊電流；在實際工程中，為避免容量較大的電容器組同時投入或切斷會對電網(wǎng)造成較大的沖擊，一般把電容器分成幾組，根據(jù)電網(wǎng)對無功的需求而改變投入電容器的容量，TSC實際上就成為斷續(xù)可調(diào)的動態(tài)無功功率補償器。 圖10-35 TSC基本原理圖a) 基本單元單相簡圖 b) 分組投切單相簡圖共二十六頁22/7010.6.2 無功功率(w n n l)控制圖10-36 TSC理想投切時刻原理(yunl)說明TSC運行時晶閘管投入時刻的原則 該時刻交流電源電壓應(yīng)和電容器預(yù)先充電的電壓相等，這樣電容器電壓不會產(chǎn)生躍變，也就不會產(chǎn)生沖擊電流。 一般來說，理想情況下，希望電容器預(yù)先充電電壓為電源電壓峰值，這時電源電

22、壓的變化率為零，因此在投入時刻iC為零，之后才按正弦規(guī)律上升；這樣，電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化。 如圖10-36，導(dǎo)通開始時uC已由上次導(dǎo)通時段最后導(dǎo)通的晶閘管VT1充電至電源電壓us的正峰值，t1時刻導(dǎo)通VT2，以后每半個周波輪流觸發(fā)VT1和VT2；切除這條電容支路時，如在t2時刻iC已降為零，VT2關(guān)斷， uC保持在VT2導(dǎo)通結(jié)束時的電源電壓負峰值，為下一次投入電容器做了準備。 共二十六頁23/7010.6.2 無功功率(w n n l)控制圖10-37 晶閘管和二極管反并聯(lián)(bnglin)方式的TSC晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的TSC 由于二極管的作用在電路不導(dǎo)通時uC總會維持在電源電壓峰值。 這