chapter 7 電力電子變流技術(shù)的應(yīng)用.ppt

1、第7章 電力電子裝置,7.1 開(kāi)關(guān)電源 7.2 不間斷電源（UPS） 7.3 變頻調(diào)速裝置 7.4 電力電子系統(tǒng)可靠性概述,電力電子裝置,7.1.1 開(kāi)關(guān)電源的工作原理,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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。,簡(jiǎn)稱開(kāi)關(guān)電源(Switching Power Supply)，指起電壓調(diào)整功能的器件始終以開(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源：,7.1 開(kāi)關(guān)電源,1、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，體積龐大； （2）電壓調(diào)整器件工作在線性放大區(qū)

2、內(nèi),損耗大,效率低； （3） 過(guò)載能力差。,圖7.1.1 線性穩(wěn)壓電源方框圖,2、開(kāi)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(guò)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。,圖7.1.2 開(kāi)關(guān)電源原理框圖,工作原理：,7.1.2 開(kāi)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。,7.2 不間斷電源,Uninterrupitable Po

3、wer 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：,7.2.1 UPS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。,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

4、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。,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(guò)靜態(tài)開(kāi)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。,7.2.2 UPS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，蓄電池充電由專門(mén)的

5、充電器來(lái)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。,3）減少UPS注入電網(wǎng)的諧波電流的方法：,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。,概述：,工作原理,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(kāi)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

6、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。,直流輸出電壓給定信號(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(kāi)關(guān)器件，便可使實(shí)際的交流輸入電流跟蹤指

7、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,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,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，為濾去開(kāi)關(guān)頻率噪聲，輸出采用LC濾波電路，且采用較小的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接聯(lián)系，從而減少干擾。,7.2.3 UPS電源中的逆變器,7.2.4 UPS的靜態(tài)開(kāi)關(guān),為了進(jìn)一步提高UPS電源的可靠性，在線式UPS均裝有靜態(tài)開(kāi)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(wú)間斷地將負(fù)載切換到市電上，由市電直接供電。,圖7.2.4 單相輸出UPS

8、的 靜態(tài)開(kāi)關(guān)原理圖,1、工作原理：,2、電路結(jié)構(gòu)：,靜態(tài)開(kāi)關(guān)的主電路一般由兩只晶閘管開(kāi)關(guān)反并聯(lián)組成，一只晶閘管用于通過(guò)正半周電流，另一只晶閘管則用于通過(guò)負(fù)半周電流。,7.3 變頻調(diào)速裝置,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。,7.3.1 變頻調(diào)速的基本控制方式,（1）基頻以下的變頻調(diào)速,（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,7.3.2 變頻調(diào)速裝置的分類,（1） 間接

9、變頻調(diào)速裝置,圖7.5.1 間接變頻裝置的三種機(jī)構(gòu)形式,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。,（2）直接變頻裝置,圖7.3.2 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(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。,7.3.3 SPWM變頻調(diào)速裝置,圖7.5.3 開(kāi)環(huán)控制的SPWM的變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,可靠性的基本概念,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(wú)故障時(shí)間,7.4 電力電子系統(tǒng)可靠性概述,電磁兼容性概述,電磁干擾EMI（Electromagnetic nterference） 電磁敏感度EMS（Electromagnetic Susceptibility）,電氣、電子設(shè)備能夠在它自己