電力電子-陳堅(jiān)-第9章 多級(jí)組合

第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用1電力電子學(xué)—電力電子變換和控制技術(shù)（第三版）陳堅(jiān)編著華中科技大學(xué)第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用29.1變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)9.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)9.3晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)9.4交流異步電動(dòng)機(jī)變頻變速傳動(dòng)系統(tǒng)*9.5AC/DC—DC/AC恒壓、橫頻（CVCF）不間斷電源UPS9.6帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源9.7熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源9.8感應(yīng)加熱電源、電焊和電磁灶電源第九章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用3組合型電力電子變換電源主要特點(diǎn)滿足高檔負(fù)載的供電要求減小對(duì)其供電電源的負(fù)面影響可能比一級(jí)變換電源裝置（如帶工頻變壓器的變換器）重量更輕、體積更小、效率更高第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用49.1變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)9.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)9.3晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)9.4交流異步電動(dòng)機(jī)變頻變速傳動(dòng)系統(tǒng)*9.5AC/DC—DC/AC恒壓、橫頻（CVCF）不間斷電源UPS9.6帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源9.7熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源9.8感應(yīng)加熱電源、電焊和電磁灶電源第九章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用5變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)傳統(tǒng)發(fā)電（同步發(fā)電機(jī)發(fā)電）轉(zhuǎn)子運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速，同時(shí)定子側(cè)交流電壓的頻率恒定恒速、恒頻交流發(fā)電雙饋風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)子并不運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速，但定子側(cè)交流電壓的頻率恒定變速、恒頻交流發(fā)電第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用6直驅(qū)型永磁同步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)AC/DC—DC/DC—DC/AC三級(jí)變換系統(tǒng)第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用7直驅(qū)型永磁同步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)2.AC/DC—DC/AC兩級(jí)變換系統(tǒng)第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用8繞線型轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁雙饋異步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙饋發(fā)電電機(jī)為繞線式異步電機(jī)變流器Ⅱ輸出頻率f2、電壓V2的三相交流電流i2給三相轉(zhuǎn)子繞組發(fā)電機(jī)的定子向電網(wǎng)送電（饋電）需要升速齒輪箱第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用9變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)小結(jié)直驅(qū)型發(fā)電雙饋型發(fā)電不需要增速齒輪箱變流器的功率應(yīng)按發(fā)電機(jī)全功率設(shè)計(jì)需要增速齒輪箱變流器功率為變速范圍的轉(zhuǎn)差功率第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用109.1變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)9.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)9.3晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)9.4交流異步電動(dòng)機(jī)變頻變速傳動(dòng)系統(tǒng)*9.5AC/DC—DC/AC恒壓、橫頻（CVCF）不間斷電源UPS9.6帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源9.7熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源9.8感應(yīng)加熱電源、電焊和電磁灶電源第九章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用11太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)特點(diǎn)光伏電池輸出的電壓較低，容量小，需要串、并聯(lián)組合使用太陽能電池單元的輸出電壓、電流伏安特性和輸出功率特性受太陽光照強(qiáng)度和溫度影響----設(shè)計(jì)有最大功率點(diǎn)跟蹤控制（MPPT）

常在發(fā)電系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能裝置第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用129.1變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)9.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

9.3晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)9.4交流異步電動(dòng)機(jī)變頻變速傳動(dòng)系統(tǒng)*9.5AC/DC—DC/AC恒壓、橫頻（CVCF）不間斷電源UPS9.6帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源9.7熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源9.8感應(yīng)加熱電源、電焊和電磁灶電源第九章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用13晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)

交流輸電直流輸電輸電距離、容量受限長(zhǎng)距離輸電電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定降低輸電距離、容量不受限不存在因傳輸功率過大而引起發(fā)電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定問題需要3根輸電線，線路損耗較大需要2根輸電線，線路損耗較大能把兩個(gè)不同頻率的交流電力系統(tǒng)連接在一起相互交換功率第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用14晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)

第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用15晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)(續(xù))

直流輸電實(shí)現(xiàn)輸電線的首端采用高壓晶閘管相控整流器，把交流電變?yōu)橹绷麟娸旊娋€末端采用高壓晶閘管相控有源逆變器把直流電變?yōu)榻涣麟娬髌?、逆變器中晶閘管由很多晶閘管串聯(lián)構(gòu)成，并由多個(gè)三相橋變換器組合，構(gòu)成復(fù)合型高壓、大功率整流器、逆變器缺點(diǎn)：輸電系統(tǒng)存在嚴(yán)重的諧波，且功率因數(shù)低第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用169.1變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)9.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)9.3晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)9.4交流異步電動(dòng)機(jī)變頻變速傳動(dòng)系統(tǒng)*9.5AC/DC—DC/AC恒壓、橫頻（CVCF）不間斷電源UPS9.6帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源9.7熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源9.8感應(yīng)加熱電源、電焊和電磁灶電源第九章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用17轉(zhuǎn)速：交流異步電動(dòng)機(jī)變頻變速傳動(dòng)系統(tǒng)

電磁轉(zhuǎn)矩：運(yùn)行區(qū)域：S<SM第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用18交流異步電動(dòng)機(jī)變頻變速傳動(dòng)系統(tǒng)(續(xù))調(diào)速方案：改變逆變器輸出頻率主磁通密度：實(shí)現(xiàn)方案：在改變輸出頻率時(shí)，應(yīng)同時(shí)改變電壓-----恒壓頻比第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用19交流異步電動(dòng)機(jī)變頻變速傳動(dòng)系統(tǒng)(續(xù))

調(diào)速類型：繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率控制變速傳動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速：調(diào)速方案：改變變流器Ⅱ輸出給轉(zhuǎn)子的電壓的頻率f2

第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用209.1變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)9.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)9.3晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)9.4交流異步電動(dòng)機(jī)變頻變速傳動(dòng)系統(tǒng)*9.5AC/DC—DC/AC恒壓、橫頻（CVCF）不間斷電源UPS9.6帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源9.7熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源9.8感應(yīng)加熱電源、電焊和電磁灶電源第九章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用21AC/DC—DC/AC恒壓、恒頻（CVCF）不間斷電源UPS背景：某些關(guān)鍵負(fù)載不允許供電中斷，同時(shí)供電質(zhì)量要求高UPS：是由整流器、逆變器、附加半導(dǎo)體固態(tài)開關(guān)（又稱為靜態(tài)開關(guān)）和儲(chǔ)能環(huán)節(jié)（如蓄電池等）所構(gòu)成的交流恒壓恒頻電源UPS分類在線雙變換式（doubleconversiononline）后備式（passivestandby）第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用229.5.1典型在線雙變換式UPS工作模式市電正常時(shí)：輸入開關(guān)S閉合、靜態(tài)開關(guān)S1閉合、S2斷開市電異常時(shí)：輸入開關(guān)S斷開、靜態(tài)開關(guān)S1閉合、S2斷開特點(diǎn)：負(fù)載一直由逆變器供電，供電質(zhì)量、可靠性高第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用239.5.2典型后備式UPS工作模式市電正常時(shí)：負(fù)載由市電供電市電異常時(shí)：負(fù)載由逆變器供電特點(diǎn)：供電質(zhì)量、可靠性高不及在線雙變換UPS，在切換過程中存在短暫供電中斷分類冷后備UPS熱后備UPS第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用249.1變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)9.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

9.3晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)9.4交流異步電動(dòng)機(jī)變頻變速傳動(dòng)系統(tǒng)*9.5AC/DC—DC/AC恒壓、橫頻（CVCF）不間斷電源UPS9.6帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源9.7熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源9.8感應(yīng)加熱電源、電焊和電磁灶電源第九章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用25帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源25背景：各種電子設(shè)備和各種控制系統(tǒng)中的控制電源都需要低壓直流電源AC/DC相控整流方案：變換器重量、體積大，給公用電網(wǎng)注入諧波電流，污染電網(wǎng)并降低電網(wǎng)功率因數(shù)帶功率因數(shù)校正器（PFC）的直流開關(guān)電源系統(tǒng)：電源重量體積小，對(duì)電網(wǎng)污染小解決方案第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用269.6.1含升壓（Boost）型功率因數(shù)校正器的高頻整流若無電容C1，直流電壓Vdc為頻率100Hz的正弦半波直流電壓，脈動(dòng)很大若有電容C1，僅在電源半周的tp期間且Vdc>Vc時(shí)才有電流ip，C1越大Vc脈動(dòng)越小，但電源脈沖電流i1寬度更窄、更尖，畸變更大第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用279.6.1含升壓（Boost）型功率因數(shù)校正器的高頻整流(續(xù))

1、可實(shí)現(xiàn)輸入電流is的波形與交流電源電壓vs的波形同相------功率因數(shù)為12、電壓閉環(huán)可保證輸出電壓Vo為恒定指令值

第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用289.6.1含升壓（Boost）型功率因數(shù)校正器的高頻整流(續(xù))1、輸入電流連續(xù)，諧波頻率高，EMI小

主要優(yōu)點(diǎn)：主要缺點(diǎn)：2、輸入電感可減少對(duì)輸入濾波器的要求，可防止電網(wǎng)對(duì)主電路高頻瞬態(tài)沖擊

3、開關(guān)器件的電壓不超過輸出電壓值

輸入、輸出間沒有絕緣隔離第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用299.6.2帶反激式功率因數(shù)校正器的高頻整流1、反激變換器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）2、反激變換器基本工作原理特點(diǎn)：電源與負(fù)載有變壓器隔離

第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用309.6.3電池充電電源

1、恒流（限壓）充電階段

兩個(gè)充電階段：2、恒壓（限流）充電階段

為了消除各單體電池端電壓不平衡現(xiàn)象，通過提升電池充電端電壓到稍高于浮充電壓值的均充電壓，而使充電不足的電池容量得到補(bǔ)足第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用319.6.3電池充電電源(續(xù))1、恒流（限壓）充電階段：V<VRef

，V2正值很大，二極管D2阻斷，VR不起控制作用，電池的充電電壓V從初值逐漸上升

2、恒壓（限流）充電階段：V>VRef

，V2下降，D2導(dǎo)通，D1阻斷，電流調(diào)節(jié)器IR退出調(diào)節(jié)作用，電壓調(diào)節(jié)器VR工作兩個(gè)充電階段：第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用329.1變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)9.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)9.3晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)9.4交流異步電動(dòng)機(jī)變頻變速傳動(dòng)系統(tǒng)*9.5AC/DC—DC/AC恒壓、橫頻（CVCF）不間斷電源UPS9.6帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源9.7熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源

9.8感應(yīng)加熱電源、電焊和電磁灶電源第九章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用33熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源

1、白熾燈：熱光源，電一光轉(zhuǎn)換效率很低

照明方式：白熾燈與熒光燈差異：2、熒光燈：冷光源，50HZ電源供電時(shí)電一光轉(zhuǎn)換效率也比鎢絲熾熱發(fā)光效率高3-4倍3、LED：節(jié)能效果非常顯著1、電阻溫度系數(shù)為正值2、電阻溫度系數(shù)為負(fù)值-------必須加入鎮(zhèn)流器第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用34熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源(續(xù))

1、串聯(lián)一個(gè)穩(wěn)流電感（壓降VL遠(yuǎn)大于燈光壓降VR），電容CS是用來補(bǔ)償功率因數(shù)，小電容C1用于降低起動(dòng)過程中的過壓和無線電干擾

2、雙金屬片開關(guān)K1（起輝器）在常溫下閉合。合上開關(guān)K后，電源經(jīng)電感L和K1形成回路，使K1發(fā)熱迅速斷開電路，L感應(yīng)高壓反電勢(shì)加在燈管兩個(gè)電極之間使氣體開始放電，點(diǎn)燃燈投入工作。正常工作時(shí)電極溫度高使K1保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。一旦斷開電源開關(guān)K，K1恢復(fù)到閉合狀態(tài)?；驹恚旱?章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用35熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源(續(xù))

電感作鎮(zhèn)流器缺點(diǎn)：采用50HZ電源供電，L值比較大，燈管電流在半個(gè)電源周期脈動(dòng)一次高頻電子鎮(zhèn)流器：燈管供電電壓的頻率為20-25kHz，在相同的電抗時(shí)，可顯著地減小電子鎮(zhèn)流器的重量、體積。且電源電流正弦性好，功率因數(shù)接近于1.0第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用369.1變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)9.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)9.3晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)9.4交流異步電動(dòng)機(jī)變頻變速傳動(dòng)系統(tǒng)*9.5AC/DC—DC/AC恒壓、橫頻（CVCF）不間斷電源UPS9.6帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源9.7熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源9.8感應(yīng)加熱電源、電焊和電磁灶電源第九章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用第9章多級(jí)開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用379.8.1感應(yīng)加熱電源加熱原理：線圈中注入中頻電流，產(chǎn)生中頻交變磁場(chǎng)，在金屬部件中感應(yīng)中頻渦流；金屬部件電阻