電力電子裝置要點(diǎn)課件

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(bǔ)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 第1頁(yè)，共62頁(yè)。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(jiǎn)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：第2頁(yè)，共62頁(yè)。7.1.11、線性穩(wěn)壓電源：優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)良的紋波及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；缺點(diǎn)：（1）輸入采用50Hz工頻變壓器，體

2、積龐大； （2）電壓調(diào)整器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)電源的工作原理第3頁(yè)，共62頁(yè)。7.1.12、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(zhǔn)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(dòng)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)電源的工作原理第

3、4頁(yè)，共62頁(yè)。7.1.1圖7.1.2 開關(guān)電源原理框圖開關(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(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通用時(shí)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)第5頁(yè)，共62頁(yè)。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(dá)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(shí)間Ton不變，通過改變開關(guān)頻率(即開關(guān)周期)而達(dá)到改變占空比的目的。 工作頻率不固定

4、，造成濾波器設(shè)計(jì)困難。 開關(guān)電源的工作原理 2）脈沖頻率控制：第6頁(yè)，共62頁(yè)。7.1.1 開關(guān)電源優(yōu)點(diǎn)：（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(diǎn)：主要是存在開關(guān)噪聲干擾。 開關(guān)電源的工作原理第7頁(yè)，共62頁(yè)。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。 第8頁(yè)，共62頁(yè)。7.1.2 2、各功能塊的具體電路簡(jiǎn)介： (1) 交流進(jìn)線濾波器圖7.1.5 交流進(jìn)線EMI濾波器 該濾波器能同時(shí)抑制共模和差模干擾信號(hào)。 電路結(jié)構(gòu)：

5、Cc1、Lc和Cc2構(gòu)成的低通濾波器用來抑制共模干擾信號(hào)，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(duì)差模信號(hào)的阻抗為零，而對(duì)共模信號(hào)產(chǎn)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(hào)。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(jìn)入電網(wǎng)，或者防止電網(wǎng)的噪聲進(jìn)入開關(guān)電源內(nèi)部，干擾開關(guān)電源的正常工作。 第9頁(yè)，共62頁(yè)。7.1.2 (2) 啟動(dòng)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(fù)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(shí)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，

6、而對(duì)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(dòng)浪涌電流抑制電路限流電阻啟動(dòng)浪涌電流抑制電路 輸出整流電路 半波整流第10頁(yè)，共62頁(yè)。7.1.2PWM控制器SG3525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(hào)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(shí)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(shí)間，定時(shí)電容范圍為0.001F0.1F；腳：

7、振蕩器放電端，外接電阻來控制死區(qū)時(shí)間，電阻范圍為0500； 腳：軟起動(dòng)端，外接軟起動(dòng)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(hào)封鎖端，該腳為高電平時(shí)， 輸出驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)被封鎖,用于故障保護(hù)；腳：A路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出； 腳：接地;腳：輸出級(jí)集電極電壓；腳：B路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出；腳：電源，其范圍因?yàn)?V35V；腳：內(nèi)部+5V基準(zhǔn)電壓輸出。第11頁(yè)，共62頁(yè)。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(hào)UOF與電壓給定信號(hào)UOG相減，其誤差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后形成輸出電感的電流給定，再與

8、電感電流的反饋信號(hào)IOF相減得電流誤差信號(hào)，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(hào)。該P(yáng)WM信號(hào)再通過驅(qū)動(dòng)電路去驅(qū)動(dòng)主電路IGBT。 (5) IGBT驅(qū)動(dòng)電路 該驅(qū)動(dòng)模塊為混合集成電路，將IGBT的驅(qū)動(dòng)和過流保護(hù)集于一體，能驅(qū)動(dòng)電壓為600V和1200V系列電流容量不大于400AIGBT。 圖7.1.7 IGBT驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)電源的應(yīng)用 第12頁(yè)，共62頁(yè)。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(bǔ)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 第13頁(yè)，共62頁(yè)。7.有源功

9、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(yùn)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(shí)，濾波效果不能保證，動(dòng)態(tài)特性差。 3）可能會(huì)與電網(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(diǎn)： 1）方法簡(jiǎn)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)第14頁(yè)，共62頁(yè)。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(jìn)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；

10、（2） PFC電路的電流環(huán)基準(zhǔn)信號(hào)為電壓環(huán)誤差信號(hào)與全波整流電壓取樣信號(hào)的乘積。1）特點(diǎn)：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(jiǎn)稱APFC或PFC)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(qiáng)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)。 第15頁(yè)，共62頁(yè)。7.1PFC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(zhǔn)電壓Ur，乘法器，電流誤差

11、放大器CA，脈寬調(diào)制器和驅(qū)動(dòng)電路。 輸出電壓Uo和基準(zhǔn)電壓Ur比較后，誤差信號(hào)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(hào)相乘以后形成基準(zhǔn)電流信號(hào)?；鶞?zhǔn)電流信號(hào)與電流反饋信號(hào)相減，誤差信號(hào)經(jīng)電流誤差放大器CA后再與鋸齒波相比較形成PWM信號(hào)，然后經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制主電路開關(guān)S的通斷，使電流跟蹤基準(zhǔn)電流信號(hào)變化。 工作原理：第16頁(yè)，共62頁(yè)。7.2PFC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(dòng)電路，7.5V基準(zhǔn)電壓等 。第17頁(yè)，

12、共62頁(yè)。7.2 圖7.2.3輸出功率為250W時(shí)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(shí)，只需改變主電路中的電感L1和電流檢測(cè)電阻RS、控制電路中的電流控制環(huán)參數(shù)。 輸出電壓Uo由下式確定：PFC集成控制電路UC3854及其應(yīng)用 第18頁(yè)，共62頁(yè)。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(bǔ)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 第19頁(yè)，共62頁(yè)。7.3不間斷電源 Uninterrupi

13、table Power System, 簡(jiǎn)稱UPS UPS電源裝置在保證不間斷供電的同時(shí)，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(jì)算機(jī)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：第20頁(yè)，共62頁(yè)。7.3.1UPS的分類 1、后備式UPS 根據(jù)工作方式，UPS電源分 ：圖7.3.1 后備式UPS的基本結(jié)構(gòu) 市電存在時(shí)，逆變器不工作，市電經(jīng)交流穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，向負(fù)載供電，同時(shí)充電器工作，對(duì)蓄電池組浮充電。 市電掉電時(shí)，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(fù)載供電。 輸出電壓波形有方波、準(zhǔn)

14、方波和正弦波三種方式。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、運(yùn)行效率高、價(jià)格便宜，但其輸出電壓穩(wěn)壓精度差，市電掉電時(shí)，輸出有轉(zhuǎn)換時(shí)間。適于小功率。 第21頁(yè)，共62頁(yè)。7.3.1 2、線式UPS 圖7.3.2 在線式UPS的基本結(jié)構(gòu) 正常工作時(shí)，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(fù)載。 當(dāng)市電掉電時(shí)，由蓄電池組向逆變器供電，以保證負(fù)載不間斷供電。 如果逆變器發(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(dāng)故障消失后，UPS又重新切換到由逆變器向負(fù)載供電。 特點(diǎn)：總是處于穩(wěn)壓、穩(wěn)頻供電狀態(tài)，輸出電壓動(dòng)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。U

15、PS的分類 第22頁(yè)，共62頁(yè)。7.3.2UPS電源中的整流器 1）對(duì)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(duì)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(shí)，還要向蓄電池進(jìn)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(jìn)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(duì)電網(wǎng)的諧波污染

16、。 概述：第23頁(yè)，共62頁(yè)。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(gè)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(huì)使交流電流is產(chǎn)生很小的脈動(dòng)。如果忽略這種脈動(dòng)，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(shí)，is的幅值和相位由uAB中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。 第24頁(yè)，共62頁(yè)。7.2 直流輸出

17、電壓給定信號(hào)Ud*和實(shí)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(biāo)準(zhǔn)正弦波相乘后形成交流輸入電流的給定信號(hào)is*，is*與實(shí)際的交流輸入電流is進(jìn)行比較，誤差信號(hào)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(hào)比較形成PWM信號(hào)。 該P(yáng)WM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后去驅(qū)動(dòng)主電路開關(guān)器件，便可使實(shí)際的交流輸入電流跟蹤指令值，從而達(dá)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 7.3.2PWM整流電路 單相PWM整流電路采用直接電流控制時(shí)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 第25頁(yè)，共62頁(yè)。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U

18、PS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。第26頁(yè)，共62頁(yè)。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(duì)于小功率UPS，開關(guān)器件一般為MOSFET，而對(duì)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?yàn)殚_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(shí)現(xiàn)逆變器與負(fù)載隔離，避免它們之間電的直

19、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)：第27頁(yè)，共62頁(yè)。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(biāo)準(zhǔn)正弦波發(fā)生器，便產(chǎn)生與市電同步的標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)。該信號(hào)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(shí)值給定信號(hào)u*，再與輸出電壓瞬時(shí)值反饋信號(hào)uf相減，誤差信號(hào)經(jīng)P調(diào)節(jié)器后，再與三角載波信號(hào)相比較，得到PWM信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電路后分別去驅(qū)動(dòng)主電路的開關(guān)器件，從而達(dá)到控制輸出電壓的目的。 UPS電源中的逆變器 2、工作原理：第28頁(yè)，共62頁(yè)。7.3.4 UPS的靜態(tài)開關(guān) 為了進(jìn)一步提高UPS電源

20、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(hù)檢修時(shí)，無間斷地將負(fù)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(fù)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，第29頁(yè)，共62頁(yè)。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(shí)，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)開關(guān)1的觸發(fā)脈沖，因此，靜態(tài)開關(guān)1和靜態(tài)開

21、關(guān)2同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)，市電和逆變器同時(shí)向負(fù)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(diǎn)：第30頁(yè)，共62頁(yè)。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(shí)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(huì)造成負(fù)載短時(shí)間斷電。 工作原理：特 點(diǎn)：第31頁(yè)，共62頁(yè)。第7章 電力電子裝置7.1 開關(guān)電源7.2 有源功

22、率因數(shù)校正 7.3 不間斷電源（UPS）7.4 靜止無功補(bǔ)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 第32頁(yè)，共62頁(yè)。7.4 靜止無功補(bǔ)償裝置根椐所采用的電力電子器件，靜止無功補(bǔ)償裝置分為兩大類型： 1、采用晶閘管開關(guān)的靜止無功補(bǔ)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(bǔ)償裝置： 也即（靜止無功發(fā)生器（Static Var GeneratorSVG）或高級(jí)靜 止無功補(bǔ)償裝置（AdTanced Sta

23、tic Var CompensatorASVC）。 1、組成：由電力電子器件與儲(chǔ)能元件構(gòu)成。2、特點(diǎn)：在于能快速調(diào)節(jié)容性和感性無功功率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。3、應(yīng)用：常用于防止電網(wǎng)中部分沖擊性負(fù)荷引起的電壓波動(dòng)干擾、重負(fù)荷突然投切造成的無功功率強(qiáng)烈變化。（Static Var CompensatorSVC）第33頁(yè)，共62頁(yè)。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(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器串聯(lián)，這樣的電路并聯(lián)到電網(wǎng)上，就相當(dāng)于電感負(fù)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(shí)的工作波形與交流調(diào)壓電路完全相同。第34頁(yè)，共62頁(yè)。晶閘

24、管投切電容器(TSC) 工作原理：7.4.2圖7.4.2 TSC單相機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)原理圖 工作時(shí)，TSC與電網(wǎng)并聯(lián)，當(dāng)控制電路檢測(cè)到電網(wǎng)需要無功補(bǔ)償時(shí)，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(jìn)行無功補(bǔ)償；當(dāng)電網(wǎng)不需要無功補(bǔ)償時(shí)，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(shí)際上就是斷續(xù)可調(diào)的吸收容性無功功率的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。 TSC由兩個(gè)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。第35頁(yè)，共62頁(yè)。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(jìn)制方案，即

25、采用n-1個(gè)電容值為C的電容和一個(gè)電容值為C/2的電容，這樣的分組可以使組合成的電容值有2n級(jí)。 圖7. 4. 3 TSC主電路 2、零電壓投入問題 為使補(bǔ)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(zhǔn)備投入的電容器上的電壓為電網(wǎng)線電壓的正或負(fù)峰值且電壓極性相同的時(shí)刻，切除時(shí)只要撤消觸發(fā)信號(hào)即可，開關(guān)在電流過零之后會(huì)自行關(guān)斷。圖7.4.4 晶閘管電壓過 零觸發(fā)電路示意圖 第36頁(yè)，共62頁(yè)。晶閘管投切電容器(TSC) 3、電容器投切判據(jù)與信號(hào)檢測(cè) 7.4.2在圖7.4.5中設(shè)節(jié)點(diǎn)相電壓為： 圖7.4.5 節(jié)點(diǎn)相電壓與負(fù)載電流 負(fù)載電流為： 上式中，ip(t)和iq(t)分別為有功電

26、流分量和無功電流分量。 當(dāng)t=2k時(shí)： 可見，只要測(cè)量在相電壓正向過零時(shí)刻的負(fù)載電流，就可知對(duì)應(yīng)的無功電流最大值IQM。這種無功電流檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、快速（在一個(gè)周期內(nèi)只要采樣一次）。（1）以無功電流為投切判據(jù)第37頁(yè)，共62頁(yè)。（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(bǔ)償所需投切的電容量，C為負(fù)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(hào)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(hào)，作為采樣保持器的采樣開關(guān)信號(hào)，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 ，

27、則實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償。圖7.4.6 無功電流為投切 判據(jù)的檢測(cè)電路原理圖 由和可得第38頁(yè)，共62頁(yè)。（2）以無功功率為投切判據(jù) 晶閘管投切電容器(TSC)7.4.2 可讓單片機(jī)通過/轉(zhuǎn)換同時(shí)對(duì)和信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行次采樣，得到 2個(gè)數(shù)據(jù)，由此進(jìn)行下述離散運(yùn)算得到UBC、IA和PBC ： 對(duì)于對(duì)稱三相補(bǔ)償，只要取任意兩相電壓（線電壓）和另一相電流，就可測(cè)得無功功率。 圖7.4.7 檢測(cè)A相電流 和BC相線電壓向量圖由于PBC=UBCIAsin，則功率因數(shù)為:第39頁(yè)，共62頁(yè)。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(jī)、鍵

28、盤接口電路、液晶顯示接口電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、同步電壓檢測(cè)、電壓電流和頻率檢測(cè)，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。 第40頁(yè)，共62頁(yè)。靜止無功發(fā)生器(SVG) 7.4.3 工作原理 圖7.4.9 SVG基本電路結(jié)構(gòu) 適當(dāng)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?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)。第41頁(yè)，共62頁(yè)。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

29、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(shí) 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(dāng) 大于 時(shí)，電流超前電壓90，SVG吸收容性無功功率； 當(dāng) 小于 時(shí)，電流滯后電壓90，SVG吸收感性無功功率。第42頁(yè)，共62頁(yè)。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(jī)的轉(zhuǎn)速。 由交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：可以看出： 因此，在各種異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，變頻調(diào)速的性能最好，使得交流電機(jī)的調(diào)速性能可與直流電機(jī)相媲美，同時(shí)效率高，是交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。第43頁(yè)，共62頁(yè)。變頻調(diào)速的基本控制方式 （1）基頻以下的變頻調(diào)速

30、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）矢量控制第44頁(yè)，共62頁(yè)。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(dòng)機(jī)的每相電動(dòng)勢(shì)為： 式中： 定子每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值； 定子電源頻率； 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； 基波繞組系數(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(jì)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(dāng)U不變時(shí)，隨著電源輸入頻率的降低，將會(huì)相應(yīng)增加。第45頁(yè)，共62頁(yè)。變頻調(diào)速的基本控制方式（2）基頻以

31、上的變頻調(diào)速7.5.1 當(dāng)電壓U一定時(shí)，電機(jī)的氣隙磁通隨著頻率f的升高成比例下降，類似直流電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速增加。 由于電機(jī)的電壓不能超過其額定電壓，因此在基頻以上調(diào)頻時(shí)，U只能保持在額定值。根據(jù)式(7.5.1)：第46頁(yè)，共62頁(yè)。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(jī)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

32、7.5.1（a）、（b）、（c）所示。第47頁(yè)，共62頁(yè)。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(jī)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。 第48頁(yè)，共62頁(yè)。（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

33、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(gè)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(jī)、球磨機(jī)、水泥回轉(zhuǎn)窯等。 第49頁(yè)，共62頁(yè)。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(dòng)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(jiǎn)圖第50頁(yè)，共62頁(yè)。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(jiǎn)圖 R為外接能耗制動(dòng)

34、電阻，當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí)，電力晶體管T截止，沒有電流流過R。當(dāng)快速停機(jī)或逆變器輸出頻率急劇降低時(shí)，電機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)，向?yàn)V波電容C充電，直流電壓Ud升高。當(dāng)升高到最大允許電壓Udmax時(shí)，功率晶體管T導(dǎo)通，接入電阻R，電機(jī)進(jìn)行能耗制動(dòng)，以防止過高危害逆變器的開關(guān)器件。2、能耗制動(dòng)電路和控制電路的工作原理 1）能耗制動(dòng)電路第51頁(yè)，共62頁(yè)。 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(hào)的極性決定電機(jī)正反轉(zhuǎn)，輸出信號(hào)的大小控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低；給定積分器的輸出指令信號(hào)與三角波比較后形成三相PWM控制信號(hào)，再經(jīng)過輸出電路和驅(qū)動(dòng)電路，控制逆變器中IGBT的通斷，使逆變器輸出所需

35、頻率、相序和大小的交流電壓，從而控制交流電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)正弦波的相序，從而決定輸出指令信號(hào)的相序。 （3）絕對(duì)值運(yùn)算器：產(chǎn)生輸出頻率和電壓的控制所需要正的信號(hào)； （4）函數(shù)發(fā)生器：實(shí)現(xiàn)低頻電壓補(bǔ)償，保證整個(gè)調(diào)頻范圍內(nèi)實(shí)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(hào)； （6）三相正弦波發(fā)生器：由壓控振蕩器的輸出信號(hào)控制，產(chǎn)生頻率與相同的三相標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)，該信號(hào)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(hào)；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(jiǎn)圖第52頁(yè)，共62頁(yè)

36、。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(biāo)7.6.3 電磁兼容性概述7.6第53頁(yè)，共62頁(yè)?？煽啃缘幕靖拍?對(duì)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(chǔ)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(shí)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(biāo)： 描述一個(gè)元件、裝置或系統(tǒng)的可靠程度的數(shù)量化的指標(biāo)。當(dāng)元件、裝置或系統(tǒng)不能完成規(guī)定的功能時(shí)，稱之為失效。 4、常用可靠性指標(biāo)： 可靠度、失效率和平均無故障時(shí)間 第54頁(yè)，共62頁(yè)。常用的可靠性指標(biāo) 1. 可靠

37、度 R(t) 7.6.2 可靠度:為元件或系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)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(jì)算是通過壽命試驗(yàn)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(shí)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(duì)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(shí)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）第55頁(yè)，共62頁(yè)。 2. 失效率 元件或系統(tǒng)的失效率定義為在t時(shí)刻以前一直正常工作的條件下， 在t時(shí)刻以后單位時(shí)

38、間內(nèi)失效的概率，記作 ，表示為：常用的可靠性指標(biāo) 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(xiǎn)率或風(fēng)險(xiǎn)率，失效率的常用單位是 /h，記作1非特。 其中， 是時(shí)間的函數(shù)。如果T服從指數(shù)分布，則 為常數(shù)。第56頁(yè)，共62頁(yè)。 失效類型和浴盆曲線 早期失效型（DFR）：這種失效類型的特點(diǎn)是開始時(shí)失效率高，隨著時(shí)間的推移逐步減小，造成這種失效的主要原因是設(shè)計(jì)和制造上的缺陷、管理不當(dāng)、檢驗(yàn)疏忽等。如圖8.6.2所示。 偶然失效型（CFR）：這種失效的特點(diǎn)是，失效率與時(shí)間無關(guān)，為一個(gè)常數(shù)，這是在使用過程中因某種不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)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(diǎn)是，失效率隨著時(shí)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(biāo) 7.6.2圖