電力電子技術(shù)典型應(yīng)用

1、第8章電力電子技術(shù)典型應(yīng)用8.18.28.38.48.58.6開關(guān)電源有源功率因數(shù)校正 不間斷電源（UPS） 靜止無功補償裝置 變頻調(diào)速裝置電力電子系統(tǒng)可靠性概述8.1開關(guān)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。1、線性穩(wěn)壓電源：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。2、開關(guān)穩(wěn)壓電源：簡稱開關(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。8.1開關(guān)電源8.1.18.1.2開關(guān)電源的工作原理開關(guān)電源的應(yīng)用8.1.1開關(guān)電源的工作原理1、線性穩(wěn)壓電源：優(yōu)點：優(yōu)良的紋波及動態(tài)響應(yīng)特性；缺點：（1）輸入采

2、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)內(nèi),損耗大,效率低；（3）過載能力差。圖8.1.1 線性穩(wěn)壓電源方框圖8.1.12、開關(guān)電源：開關(guān)電源的工作原理圖8.1.2 開關(guān)電源原理框圖工作原理：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)動電路，控制變換器 的占空比，便能得到穩(wěn)定的輸出電壓。率開關(guān)管8.1.1開關(guān)電源的工作原

3、理2、開關(guān)電源：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為一個周期內(nèi)導(dǎo)通用時間 。兩種改變占空比的控制方式 ：1）脈沖寬度調(diào)制控制(PWM)2）脈沖頻率調(diào)制控制(PFM)圖8.1.2 開關(guān)電源原理框圖8.1.1開關(guān)電源的工作原理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。2）脈沖頻率控制：圖8.1.3PWM控制方式保持導(dǎo)通時間Ton不變，通過改變開關(guān)頻率(即開關(guān)周期)而達到改變占空比的目的。工作頻率不固定，造成濾波器設(shè)計困難。8.1.1開關(guān)電源的

4、工作原理開關(guān)電源優(yōu)點：（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：主要是存在開關(guān)噪聲干擾。8.1.1開關(guān)電源的工作原理1、開關(guān)電源的應(yīng)用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。圖8.1.4 直流操作電源電路原理圖8.1.2開關(guān)電源的應(yīng)用2、各功能塊的具體電路簡介：(1) 交流進線濾波器作用：防止開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲進入電網(wǎng)，或者防止電網(wǎng)的噪聲進入開關(guān)電源內(nèi)部，干擾開關(guān)電源的正常工作。該濾波器能同時抑制共模和差模干擾信號。 電路結(jié)構(gòu)： Cc1、Lc和Cc2構(gòu)成的低通濾波器用來抑制共模干擾信號，其中Lc稱為共模

5、電感，其兩組線圈匝數(shù)相等，但繞向 相反，對差模信號的阻抗為零，而對共模信號產(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。圖8.1.5 交流進線EMI濾波器8.1.2開關(guān)電源的應(yīng)用啟動浪涌電流抑制電路(2) 啟動浪涌電流抑制電路限流電阻小功率電源：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，同時在電阻的兩端并接晶閘管開關(guān)。啟動浪涌電流抑制電路(3) 輸出整流電路小功率電源通常采用半波整流電路，而對于大功率電源則采用全波或橋式整流電路。半波整流輸出整流電路8.1.2開關(guān)電源的應(yīng)用PWM控制器SG3525引腳說明腳

6、：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)時間，定時電容范圍為0.001F0.1F；腳：振蕩器放電端，外接電阻來控制死區(qū)時間，電阻范圍為0500；腳：軟起動端，外接軟起動電容，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信號端，該腳為高電平時，,用于故障保護；輸出驅(qū)動脈沖信號被腳：A路驅(qū)動信號輸出；腳：輸出級

7、集電極電壓；腳：B路驅(qū)動信號輸出；腳：接地;圖8.1.6 SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)腳：電源，其范圍因為8V35V；腳：內(nèi)部+5V基準(zhǔn)電壓輸出。8.1.2開關(guān)電源的應(yīng)用(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UOF與電壓給定信號UOG相減，其誤差信號經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后形成輸出電感的電流給定，再與電感電流的反饋信號IOF相減得電流誤差信號，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。該PWM信號再通過驅(qū)動電路去驅(qū)動主電路IGBT。(5) IGBT驅(qū)動電路該驅(qū)動模塊為混合集成電路，將IGB

8、T的驅(qū)動和過流保護集于一體，能驅(qū)動電壓為600V和1200V系列電流容量不大于400AIGBT。圖8.1.7 IGBT驅(qū)動電路第8章電力電子技術(shù)典型應(yīng)用8.18.28.38.48.58.6開關(guān)電源有源功率因數(shù)校正 不間斷電源（UPS） 靜止無功補償裝置 變頻調(diào)速裝置電力電子系統(tǒng)可靠性概述8.2 有源功率因數(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)備正常運行。1、采用無源校正抑制諧波:特點：(在主電路中串入無源LC濾波器)1）方法簡單可靠，并且在穩(wěn)態(tài)條件下不產(chǎn)生電磁干擾。2） 電網(wǎng)阻抗或頻率發(fā)生變化時，濾波效果不能保證， 動態(tài)特性差。3）

9、 可能會與電網(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。8.2有源功率因數(shù)校正2、有源功率因數(shù)校正電路（PFC）1）特點：與無源校正抑制諧波的區(qū)別：能進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）（2）PFC電路不僅反饋輸出電壓，還反饋輸入平均電流； PFC電路的電流環(huán)基準(zhǔn)信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號的乘積。2）工作原理：有源功率因數(shù)校正技術(shù)(ActitePower Filter Correction ，簡稱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)的通斷來強迫輸入電流跟隨輸入

10、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)。8.2 有源功率因數(shù)校正8.2.18.2.2PFC技術(shù)的工作原理PFC集成控制電路UC3854及其應(yīng)用8.2.1PFC技術(shù)的工作原理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，電流誤差放大器CA，脈寬調(diào)制器和驅(qū)動電路。工作原理：輸出電壓Uo和基準(zhǔn)電壓Ur比較后，誤差信號經(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相乘以后形成基準(zhǔn)電流信號?；鶞?zhǔn)電流信號與電流反饋信號相減，誤差信號經(jīng)電流誤差放大器CA后再與鋸齒波相比較形成PWM信號，然后經(jīng)驅(qū)動電路

11、控制主電路開關(guān)S的通斷，使電流跟蹤基準(zhǔn)電流信號變化。圖8.2.1 BoostPFC電路8.2.2PFC集成控制電路UC3854及其應(yīng)用圖8.2.2 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)動電路，7.5V基準(zhǔn)電壓等 。8.2.2PFC集成控制電路UC3854及其應(yīng)用控制芯片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，只需改變主電路中的電感L1和電流檢測電阻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：= R1

12、 + R2 7.5VUOR圖8.2.3輸出功率為250W時 由UC3854構(gòu)成的PFC電路原理圖2第8章電力電子技術(shù)典型應(yīng)用8.18.28.38.48.58.6開關(guān)電源有源功率因數(shù)校正 不間斷電源（UPS） 靜止無功補償裝置 變頻調(diào)速裝置電力電子系統(tǒng)可靠性概述8.3不間斷電源不間斷電源：UninterrupitablePowerSystem, 簡稱UPSUPS電源裝置在保證不間斷供電的同時，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，在計算機網(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。8.3不間斷電源（UPS）8.3.18.3.28.

13、3.38.3.48.3.5UPS的分類UPS電源中的整流器PWM整流電路UPS電源中的逆變器UPS的靜態(tài)開關(guān)8.3.1UPS的分類根據(jù)工作方式，UPS電源分 ：1、后備式UPS市電存在時，逆變器不工 作，市電經(jīng)交流穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后， 向負載供電，同時充電器工作， 對蓄電池組浮充電。市電掉電時，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)向負載供電。圖8.3.1后備式UPS的基本結(jié)構(gòu)輸出電壓波形有方波、準(zhǔn)方波和正弦波三種方式。特點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、運行效率高、價格便宜，但其輸出電壓穩(wěn)壓精度差，市電掉電時，輸出有轉(zhuǎn)換時間。適于小功率。8.3.1UPS的分類2、線式UPS正常工作

14、時，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載。當(dāng)市電掉電時，由蓄電池組向逆變器供電，以保證負載不間斷供電。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載供電。特點：總是處于穩(wěn)壓、穩(wěn)頻供電狀態(tài)，輸出電壓動態(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。圖8.3.2 在線式UPS的基本結(jié)構(gòu)8.3.2UPS電源中的整流器概述：1） 對于小功率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） 對于中大功率UPS，整流器一般采用相控

15、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，還要向蓄電池進行充電，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對電網(wǎng)的諧波污染。8.3.3PWM整流電路工作原理在PWM整流電路的交流輸入端AB產(chǎn)生一個正弦波調(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使交流

16、電流is產(chǎn)生很小的脈動。如果忽略這種脈動，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，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。圖8.3.3 單相PWM整流電路的原理框圖8.3.3PWM整流電路單相PWM整流電路采用直接電流控制時的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖圖8.3.4 直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖直流輸出電壓給定信號U *和實際的直流 電壓U 比較后送入PI調(diào)dd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is*，is*與

17、實際的交流輸入電流is進行比較，誤差信號經(jīng)比例調(diào)節(jié)器放大后送入比較器，再與三角載 波信號比較形成PWM信號。該PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路后去驅(qū)動主電路開關(guān)器件，便可使實際的交流輸入電流跟蹤指令值，從而達到控制輸出電壓的目的。8.3.3PWM整流電路通常采用輸出電壓諧波系數(shù)HF來恒量UPS輸出電壓的波形質(zhì)量的好壞。電壓諧波系數(shù)定義為：= Un100%HFU1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。HF越小，則說明UPS輸出電壓波形越接近理想的正弦波。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。8.3.41、電路結(jié)構(gòu)：UPS電源中的逆

18、變器主電路采用全橋逆變電路，對于小功率UPS，開關(guān)器件一般為MOSFET，而對于大功率UPS，則采用IGBT。為濾去開關(guān)頻率噪聲， 輸出采用LC濾波電路，因為開關(guān)頻率一般大于20kHz，因此，采用較小的LC濾波器。輸出隔離變壓器實現(xiàn)逆變器與負載隔離，避免它們之間電的直接聯(lián)系，從而減少干擾。圖8.3.5 UPS逆變器及其控制原理框圖8.3.42、工作原理：UPS電源中的逆變器市電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。該信號與輸 出有效值調(diào)節(jié)器的輸出相乘后得到輸出電壓瞬時值給定信號u*，再與 輸出電壓瞬時值反饋信號uf相減，誤

19、差信號經(jīng)P調(diào)節(jié)器后，再與三角載 波信號相比較，得到PWM信號，該信號經(jīng)驅(qū)動動電路后分別去驅(qū)動主電路的開關(guān)器件，從而達到控制輸出電壓的目的。圖8.3.5 UPS逆變器及其控制原理框圖8.3.51、工作原理：UPS的靜態(tài)開關(guān)為了進一步提高UPS電源的可靠性，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)生故障或維護檢修時，無間斷地將負載切換到市電上，由市電 直接供電。2、電路結(jié)構(gòu)：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，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半周電流。3、靜態(tài)開關(guān)的切換方式：1）同步切換：先通后斷；2）非同步切換 ：先斷后通 ；圖8.3.

20、6 單相輸出UPS的靜態(tài)開關(guān)原理圖8.3.5UPS的靜態(tài)開關(guān)3、靜態(tài)開關(guān)的切換方式：1）同步切換：先通后斷工作原理：切換時，首先觸發(fā)靜態(tài)開關(guān)2，使之導(dǎo)通，然后再靜態(tài)開關(guān)1的觸發(fā)脈沖，因此，靜態(tài)開關(guān)1和靜態(tài)開關(guān)2同時導(dǎo)通，此時，市電和逆變器同時向負載供電。特點：（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。圖8.3.6 單相輸出UPS的靜態(tài)開關(guān)原理圖8.3.5UPS的靜態(tài)開關(guān)3、靜態(tài)開關(guān)的切換方式：2）非同步切換工作原理：先斷后通先正在導(dǎo)通的靜態(tài)開關(guān)觸發(fā)脈沖，延遲一段時間，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)

21、。特點：圖8.3.6單相輸出UPS的靜態(tài)開關(guān)原理圖會造成負載短時間斷電。第8章電力電子技術(shù)典型應(yīng)用8.18.28.38.48.58.6開關(guān)電源有源功率因數(shù)校正 不間斷電源（UPS） 靜止無功補償裝置 變頻調(diào)速裝置電力電子系統(tǒng)可靠性概述8.4靜止無功補償裝置（Static Var CompensatorSVC）1、組成：由電力電子器件與儲能元件構(gòu)成。2、特點：在于能快速調(diào)節(jié)容性和感性無功功率，實現(xiàn)動態(tài)補償。3、應(yīng)用：常用于防止電網(wǎng)中部分沖擊性負荷引起的電壓波動干擾、 重負荷突然投切造成的無功功率強烈變化。根椐所采用的電力電子器件，靜止無功補償裝置分為兩大類型：1、采用晶閘管開關(guān)的靜止無功補償裝置

22、：1）晶閘管控制電抗器（ Thyristor Controlled Reactor TCR）2）晶閘管投切電容器（Thyristor Switched2、采用自換相變流器的靜止無功補償裝置：Capacitor TSC）也即（靜止無功發(fā)生器（Static Var GeneratorSVG）或高級靜止無功補償裝置（AdTanced Static Var CompensatorASVC）。8.4靜止無功補償裝置8.4.1晶閘管控制電抗器(TCR)8.4.2晶閘管投切電容器(TSC)8.4.3靜止無功發(fā)生器(SVG)8.4.1基本原理：晶閘管控制電抗器(TCR)其單相基本結(jié)構(gòu)是兩個反并聯(lián)的晶閘管與一個

23、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)角時的工作波形與交流調(diào)壓電路完全相同。圖8.4.1 TCR的基本原理圖8.4.2 工作原理：晶閘管投切電容器(TSC)TSC由兩個反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成的靜態(tài)開關(guān)與電容器串聯(lián)組成。工作時，TSC與電網(wǎng)并聯(lián)，當(dāng)控制電路檢測到電網(wǎng)需要 無功補償時，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)，進行無功補償；當(dāng)電網(wǎng)不需要無功補償時， 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實際上就是斷續(xù)可調(diào)的吸收容性無功功率的動態(tài)無功補償裝置。圖8.4.2 TSC單相機構(gòu)及其控制系統(tǒng)原理圖8.4

24、.2晶閘管投切電容器(TSC) 1、TSC主電路一般將電容器分成幾組，每組均可由晶閘管投切，如圖8.4.3所示。電容器分組通常采用二進制方案，即采用n-1個電容值為C的電容和一個電容值為C/2的電容，這樣的分組可以使組合成的電容值有2n級。圖8. 4. 3TSC主電路2、零電壓投入問題為使補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)線電壓的正或負峰值且電壓極性相同的時刻，切除時只要撤消觸發(fā)信號即可，開關(guān)在電流過零之后會自行關(guān)斷。圖8.4.4 晶閘管電壓過零觸發(fā)電路示意圖8.4.2晶閘管投切電容器(TSC) 3、電容器投切判據(jù)與信號檢測（1）以無功電流

25、為投切判據(jù)在圖8.4.5中設(shè)節(jié)點相電壓為：up (t) =2U sin wt圖8.4.5 節(jié)點相電壓與負載電流負載電流為：iL (t) =2I cosf sin wt +2I sin f coswt = ip (t) + iq (t)上式中，ip(t)和iq(t)分別為有功電流分量和無功電流分量。當(dāng)t=2k時：iL (2kp ) =2I sin f = IQM可見，只要測量在相電壓正向過零時刻的負載電流，就可知對應(yīng)的 無功電流最大值IQM。這種無功電流檢測方法簡單、快速（在一個周期內(nèi)只要采樣一次）。8.4.2晶閘管投切電容器(TSC)（1）以無功電流為投切判據(jù)圖8.4.6中，電壓信號經(jīng)濾波后由

26、過零脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生相電壓，正向過零脈沖信號，作為采樣保持器的采樣開關(guān)信號，于是采樣保持器的輸出就是無功電流幅值。圖8.4.5中，iL=ic+is ，如果使iq=ic ，則實現(xiàn)了完全補償。i= -DC dup = -wDC2U coswt由cdt圖8.4.6 無功電流為投切判據(jù)的檢測電路原理圖2I sin f coswt = IQM coswtiq =和IQM可得DC = -2wU上式C即為全補償所需投切的電容量，C為負值，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。8.4.2晶閘管投切電容器(TSC)（2）以無功功率為投切判據(jù)對于對稱三相補償，只要取任意兩相電壓（線電壓）和另一

27、相電流，就可測得無功功率。由于PBC=UBCIAsin，則功率因數(shù)為:PF =1 - (PBC)2I A圖8.4.7U BC檢測A相電流和BC相線電壓向量圖可讓單片機通過/轉(zhuǎn)換同時對和信號在一個周期內(nèi)進行次采樣，得到 2個數(shù)據(jù)，由此進行下述離散運算得到UBC、IA和PBC ：N11NuBCk iAkk =11Nk =1k =1=PBC=2AkIi=2BCkUuBCBCNNN8.4.2晶閘管投切電容器(TSC) 4、控制器原理框圖TSC的控制器主要由單片機、鍵盤接口電路、液晶顯示接口電路、 數(shù)據(jù)存儲器、同步電壓檢測、電壓電流和頻率檢測，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8.4.

28、8所示。圖8.4.8 TSC控制器原理框圖8.4.3靜止無功發(fā)生器(SVG)工作原理圖8.4.9給出了采用自換相電壓型橋式的SVG基本電路結(jié)構(gòu)。 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，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康?。圖8.4.9SVG基本電路結(jié)構(gòu)8.4.3工作原理靜止無功發(fā)生器(SVG)僅考慮基波頻率時 SVG工作原理可以用圖8.4.10（a）所示的單相等效電路來說明。.通過同步電路控制，使 Ui 與 U s 同頻同相，然后改變 Ui 的幅值大小即可以控制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。.當(dāng) Ui 大于U s 時，

29、電流超前電壓90，SVG 吸收容.性無功功. 率；當(dāng) Ui小于 U s時，電流滯后電壓90 ，SVG吸收感性無功功率。圖8.4.10 SVG等效電路及其工作原理8.5變頻調(diào)速裝置由交流電機的轉(zhuǎn)速公式：n = 60 f (1 - S) / P可以看出：若均勻地改變定子頻率 f ，則可以平滑地改變電機的轉(zhuǎn)速。因此，在各種異步電機調(diào)速系統(tǒng)中，變頻調(diào)速的性能最好，使得交流電機的調(diào)速性能可 與直流電機相媲美，同時效率高，是交流調(diào)速 的主要發(fā)展方向。8.5變頻調(diào)速裝置8.5.1變頻調(diào)速的基本控制方式8.5.2變頻調(diào)速裝置的分類8.5.3SPWM變頻調(diào)速裝置8.5.1變頻調(diào)速的基本控制方式 （1）基頻以下的

30、變頻調(diào)速 （2）基頻以上的變頻調(diào)速 （3）轉(zhuǎn)差頻率控制 （4）矢量控制 （5）控制直接轉(zhuǎn)矩8.5.1變頻調(diào)速的基本控制方式 （1）基頻以下的變頻調(diào)速三相異步電動機的每相電動勢為：E = 4.44 fwKw Fm（8.5.1）EfKwFm定子每相感應(yīng)電動勢的有效值；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。式中：當(dāng)U不變時，隨著電源輸入頻率的降低，將會相應(yīng)增加。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)計值。=常數(shù)，則在調(diào)速過程中可維持 F m近似不U如果使f變，這就是恒壓頻比控制方式。8.5.2變頻調(diào)速的基本控制方式 （

31、2）基頻以上的變頻調(diào)速電源頻率從基頻向上提高，可使電機的轉(zhuǎn)速增加。 由于電機的電壓不能超過其額定電壓，因此在基頻以上調(diào)頻 時，U只能保持在額定值。根據(jù)式(8.5.1)：E = 4.44 fwKwFm當(dāng)電壓U一定時，電機的氣隙磁通隨著頻率f的升高成比例下降，類似直流電機的弱磁調(diào)速，因此，基頻以上 的調(diào)速屬恒功率調(diào)速。8.5.2變頻調(diào)速裝置的分類 （1） 間接變頻調(diào)速裝置間接變頻調(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8.5.1（a）、（b）、（c

32、）所示。圖8.5.1 間接變頻裝置的三種機構(gòu)形式8.5.2變頻調(diào)速裝置的分類 （1） 間接變頻調(diào)速裝置圖8.5.1 間接變頻裝置的三種機構(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。8.5.2變頻調(diào)速裝置的分類 （2）直接變頻裝置直接變頻裝置的結(jié)構(gòu)如圖8.5.2所示，它采用交一交變 頻電路，只用一個

33、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、球磨機、水泥回轉(zhuǎn)窯等。圖8.5.2 直接變頻裝置8.5.3SPWM變頻調(diào)速裝置1、結(jié)構(gòu)：由二極管整流電路、能耗制動電路、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。圖8.5.3 開環(huán)控制的SPWM的變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖8.5.3SPWM變頻調(diào)速裝置2、能耗制動電路和控制電路的工作原理1）能耗制動電路R為外接能耗制動電阻，當(dāng)電機正常工作時， 電力晶體管T截止，沒有電流流過R。當(dāng)快速停機或逆變器輸出

34、頻率急劇降低時，電機將處于再生發(fā)電狀態(tài)，向濾波電容C充電，直流電壓Ud升高。當(dāng)升高到最大允許電壓Udmax 時，功率晶體管T導(dǎo)通， 接入電阻R，電機進行能耗制動，以防止過高逆變器的開關(guān)器件。圖8.5.3開環(huán)控制的SPWM的變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖8.5.3SPWM變頻調(diào)速裝置2）控制電路（1） 給定積分器：以限定輸出頻率的升降速度。輸出信號的極性決定電機正反轉(zhuǎn)，輸出信號的大小控制電機轉(zhuǎn)速的高低；給定積分器的輸出指令信號與三角波比較后形成三相PWM控制信號，再經(jīng)過輸出電路和驅(qū)動電路，控制逆變器中IGBT的通斷，使逆變器輸出所需頻率、相序和大小的交流電壓，從而控制交流電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；（2） 輸出經(jīng)極

35、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的相序。（3） 絕對值運算器：產(chǎn)生輸出頻率和電壓的控制所需要正的信號；（4） 函數(shù)發(fā)生器：實現(xiàn)低頻電壓補償，保證整個調(diào)頻范圍內(nèi)實現(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；（6） 三相正弦波發(fā)生器：由壓控振蕩器的輸出信號控制，產(chǎn)生頻率與相同的三相標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號，該信號同函數(shù)發(fā)生器的輸出相乘后形成逆變器輸出指令信號；圖8.5.3 開環(huán)控制的SPWM的變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖8.6電力電子系統(tǒng)可靠性概述8.6.18.6.28.6.3可靠性的基本概念常用的可靠性指標(biāo)電磁兼容性概述8.6.1可靠性的基本

36、概念1、元件或系統(tǒng)的可靠性:為元件或系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)， 完成規(guī)定功能的能力。對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， 儲存條件及其它要求等。2、失效：當(dāng)元件、裝置或系統(tǒng)不能完成規(guī)定的功能時，稱之為失效。3、可靠性指標(biāo)：描述一個元件、裝置或系統(tǒng)的可靠程度的數(shù)量化的指標(biāo)。4、常用可靠性指標(biāo)：可靠度、失效率和平均無故障時間8.6.2R(t)常用的可靠性指標(biāo)1. 可靠度可靠度:為元件或系統(tǒng)在規(guī)定時間內(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)值的計算是通過壽命試驗得到的；若以T表示元件或系統(tǒng)的壽命，則（Tt）表

37、示元件或系統(tǒng)在0，t時間內(nèi)能正常工作，則可靠度函數(shù)為：()T t，t 0P()=Rt（8.6.1）1，t t（8.6.3）DtDt 0其中，l(t )是時間的函數(shù)。如果T服從指數(shù)分布，則l(t )為常數(shù)。(2)l (t )與f (t )、R(t ) 的關(guān)系l (t ) = f (t )（8.6.4）R(t )l (t ) = - d ln R(t )根據(jù)上述定義，可得到：（8.6.5）dt(t ) = exp -l (t )t（8.6.6）Rdt0失效率又稱危險率或風(fēng)險率，失效率的常用單位是10-9 /h，記作1非特。8.6.2常用的可靠性指標(biāo)v 失效類型和浴盆曲線 早期失效型（DFR）：這種失效類型的特點是開始時失效率高，隨著時間的推移逐步減小，造成這種失效的主要原因是設(shè)計和制造上的 缺陷、管理不當(dāng)、檢驗疏忽等。如圖8.6.2所示。 偶然失效型（CFR）：這種失效的特點是，失效率與時間無關(guān)，為一個常數(shù)，這是在使用過程中因某種不可預(yù)測的隨機因素產(chǎn)生的。如圖8.6.3 所示。 耗損失效型（IFR）：這種失效的特點是，失效率隨著時間的推移而增大，造成這種失效的主要原因是元件的老化、疲勞、磨