1、第10章電力電子技術(shù)的應(yīng)用 10.1 晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 10.2 變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng) 10.3 不間斷電源 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) 110.1 晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 10.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí) 10.1.2 工作于有源逆變狀態(tài)時(shí) 10.1.3 直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)210.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)晶閘管可控整流裝置帶直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載組成的系統(tǒng)，習(xí)慣稱為晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，是電力拖動(dòng)系統(tǒng)中主要的一種，也是可控整流裝置的主要用途之一。 直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載除本身有電阻、電感外，還有一個(gè)反

2、電動(dòng)勢(shì)E，為了平穩(wěn)負(fù)載電流的脈動(dòng)，通常在電樞回路串聯(lián)一平波電抗器，保證整流電流在較大范圍內(nèi)連續(xù)。 圖10-1 三相半波帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載且加平波電抗器時(shí)的電壓電流波形 310.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)觸發(fā)晶閘管，待電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)達(dá)穩(wěn)態(tài)后，由于電動(dòng)機(jī)有較大的機(jī)械慣量，故其轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)都基本無脈動(dòng)，此時(shí)整流電壓的平均值由電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)及電路中負(fù)載平均電流Id所引起的各種電壓降所平衡，平衡方程為 式中， ，其中RB為變壓器的等效電阻，RM為電樞電阻，為重疊角引起的電壓降所折合的電阻； 為晶閘管本身的管壓降。 在電動(dòng)機(jī)負(fù)載電路中，電流由負(fù)載轉(zhuǎn)矩所決定，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載較輕時(shí)，對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流也小，在小電流情況下

3、，特別在低速時(shí)，由于電感的儲(chǔ)能減小，往往不足以維持電流連續(xù)，從而出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象。 (10-1)410.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)電流連續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 三相半波電流連續(xù)時(shí)的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性 直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)為 因?yàn)?，故反電動(dòng)勢(shì)特性方程為 轉(zhuǎn)速與電流的機(jī)械特性關(guān)系式為 三相橋式全控整流電路電動(dòng)機(jī)負(fù)載時(shí)的機(jī)械特性方程為 圖10-2 三相半波電流連續(xù)時(shí)以電流表示的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性 (10-2)(10-3)(10-4)(10-5) 的值一般為1V左右，所以忽略；調(diào)節(jié)角，即可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 510.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 由于整流電壓是一個(gè)脈動(dòng)的直流電壓，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的

4、負(fù)載減小時(shí)，平波電抗器中的電感儲(chǔ)能減小，致使電流斷續(xù)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性也就呈現(xiàn)出非線性。 電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性的特點(diǎn) 分析=60時(shí)的情況，當(dāng)Id=0，忽略 ，此時(shí)的反電動(dòng)勢(shì) 為 ，而實(shí)際上，晶閘管導(dǎo)通時(shí)相電壓瞬時(shí)值為 ，大于 ，也即Id不為零，所以 才是理想空載點(diǎn)。圖10-3 電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)勢(shì)的特性曲線 在電流斷續(xù)情況下， 時(shí)，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際空載反電動(dòng)勢(shì)都是 ；當(dāng) 以后，空載反電動(dòng)勢(shì)將由 決定。 610.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)圖10-4 考慮電流斷續(xù)時(shí)不同時(shí)反電動(dòng)勢(shì)的特性曲線123460 當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速抬高，這是電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的第一個(gè)特點(diǎn)；第二個(gè)特點(diǎn)是，在電流斷

5、續(xù)區(qū)內(nèi)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟，即負(fù)載電流變化很小也可引起很大的轉(zhuǎn)速變化。大的反電動(dòng)勢(shì)特性，其電流斷續(xù)區(qū)的范圍（以虛線表示）要比小時(shí)的電流斷續(xù)區(qū)大，這是由于愈大，變壓器加給晶閘管陽極上的負(fù)電壓時(shí)間愈長(zhǎng)，電流要維持導(dǎo)通，必須要求平波電抗器儲(chǔ)存較大的磁能，而電抗器的L為一定值的情況下，要有較大的電流Id才行；故隨著的增加，進(jìn)入斷續(xù)區(qū)的電流值加大，這是電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的第三個(gè)特點(diǎn)。 710.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性可由下面三個(gè)式子準(zhǔn)確地得出 式中， ， ，L為回路總電感。 (10-6)(10-7)(10-8)810.1.1 工作于整流狀態(tài)時(shí)一般只要主電路電感足夠大，可以只

6、考慮電流連續(xù)段，完全按線性處理，當(dāng)?shù)退佥p載時(shí)，斷續(xù)作用顯著，可改用另一段較陡的特性來近似處理。 整流電路為三相半波時(shí)，在最小負(fù)載電流為Idmin時(shí)，為保證電流連續(xù)所需的主回路電感量（單位為mH）為 對(duì)于三相橋式全控整流電路帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載的系統(tǒng)，有 L中包括整流變壓器的漏電感、電樞電感和平波電抗器的電感，前者數(shù) 值都較小，有時(shí)可忽略；Idmin一般取電動(dòng)機(jī)額定電流的5%10%。 三相橋式全控整流電壓的脈動(dòng)頻率比三相半波的高一倍，因而所需平波電抗器的電感量也可相應(yīng)減小約一半。 (10-9)(10-10)9 因?yàn)?，可求得電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式 10.1.2 工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)電流連續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械

7、特性 電壓平衡方程式為 逆變時(shí)由于 ，EM反接，得 正組變流器反組變流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a =b =p2a =b =p2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向圖10-5 電動(dòng)機(jī)在四象限中的機(jī)械特性 上式的負(fù)號(hào)表示逆變時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與整流時(shí)相反；調(diào)節(jié)就可改變電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，值愈 小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速愈高；反之則轉(zhuǎn)速愈低。 (10-11)(10-12)1010.1.2 工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性可由下面三個(gè)式子準(zhǔn)確地得出 當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性不

8、僅和逆變角有關(guān)，而且和電路參數(shù)、導(dǎo)通角等有關(guān)系。 (10-13)(10-14)(10-15)1110.1.2 工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)正組變流器反組變流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a =b =p2a =b =p2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向圖10-5 電動(dòng)機(jī)在四象限中的機(jī)械特性 圖10-5中右下的虛線以左的部分為逆變電流斷續(xù)時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，其特點(diǎn)是：理想空載轉(zhuǎn)速上翹很多，機(jī)械特性變軟，且呈現(xiàn)非線性。 逆變狀態(tài)的機(jī)械特性是整流狀態(tài)的延續(xù)，縱觀控制角由小變大（如/6 5/6），電動(dòng)機(jī)

9、的機(jī)械特性則逐漸的由第1象限往下移，進(jìn)而到達(dá)第4象限；第2象限里也為逆變狀態(tài)，與它對(duì)應(yīng)的整流狀態(tài)的機(jī)械特性則表示在第3象限里。第1、第4象限中的特性和第3、第2象限中的特性是分別屬于兩組變流器的，它們輸出整流電壓的極性彼此相反，故分別標(biāo)以正組和反組變流器。 運(yùn)行工作點(diǎn)由第1（第3）象限的特性，轉(zhuǎn)到第2（第4）象限的特性時(shí)，表明電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)運(yùn)行轉(zhuǎn)入發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行；相應(yīng)的變流器的工況由整流轉(zhuǎn)為逆變。 12直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng) 電路結(jié)構(gòu) 圖10-6a是有環(huán)流接線，圖10-6b是無環(huán)流接線，環(huán)流是指只在兩組變流器之間流動(dòng)而不經(jīng)過負(fù)載的電流。 根據(jù)電動(dòng)機(jī)所需的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來決定哪一組變流器工作及其相應(yīng)的工作狀

10、態(tài)：整流或逆變。 四象限運(yùn)行時(shí)的工作情況 第1象限，正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，正組橋工作在整流狀態(tài)，1/2，EMUd （下標(biāo)中有表示整流，下標(biāo)1表示正組橋，下標(biāo)2表示反組橋）。 10.1.3 直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)圖10-6 兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路13第2象限，正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，反組橋工作在逆變狀態(tài)，2/2)，EMUd（下標(biāo)中有表示逆變）。第3象限，反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行，反組橋工作在整流狀態(tài)，2/2，EMUd。第4象限，反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，正組橋工作在逆變狀態(tài)， 1/2) ， EMUd 。10.1.3 直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)圖10-6 兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路。1410.1.3 直

11、流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)圖10-6 (c)直流可逆拖動(dòng)系統(tǒng)，能方便地實(shí)現(xiàn)正反向運(yùn)轉(zhuǎn)外，還能實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。 由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的過程 從1組橋切換到2組橋工作，并要求2組橋在逆變狀態(tài)下工作，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入第2象限（之前運(yùn)行在第1象限）作正轉(zhuǎn)發(fā)電運(yùn)行，電磁轉(zhuǎn)矩變成制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械能經(jīng)2組橋逆變?yōu)榻涣麟娔芑仞侂娋W(wǎng)。 改變2組橋的逆變角，使之由小變大直至=/2（n=0），如繼續(xù)增大，即/2，2組橋?qū)⑥D(zhuǎn)入整流狀態(tài)下工作，電動(dòng)機(jī)開始反轉(zhuǎn)進(jìn)入第3象限的電動(dòng)運(yùn)行。 電動(dòng)機(jī)從反轉(zhuǎn)到正轉(zhuǎn)，其過程則由第3象限經(jīng)第4象限最終運(yùn)行在第1象限上。 1510.1.3 直流可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)對(duì)環(huán)流的不同處理方法，反并聯(lián)可逆電路又

12、可分為幾種不同的控制方案，如配合控制有環(huán)流（即=工作制）、可控環(huán)流、邏輯控制無環(huán)流和錯(cuò)位控制無環(huán)流等。 對(duì)于=配合控制的有環(huán)流可逆系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，對(duì)正、反兩組變流器同時(shí)輸入觸發(fā)脈沖，并嚴(yán)格保證=的配合控制關(guān)系，兩組變流器的輸出電壓平均值相等，且極性相抵，之間沒有直流環(huán)流；但輸出電壓瞬時(shí)值不等，會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)環(huán)流，為防止環(huán)流只經(jīng)晶閘管流過而使電源短路，必須串入環(huán)流電抗器LC限制環(huán)流。 工程上使用較廣泛的邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)不設(shè)置環(huán)流電抗器，控制原則是：兩組橋在任何時(shí)刻只有一組投入工作（另一組關(guān)斷），所以在兩組橋之間就不存在環(huán)流；變流器之間的切換過程是由邏輯單元控制的，故稱為邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)。 1

13、610.2 變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng) 10.2.1 交直交變頻器 10.2.2 交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式1710.2 變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng)引言直流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn) 受使用環(huán)境條件制約。 需要定期維護(hù)。 最高速度和容量受限制。交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 克服了直流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)。 交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。 節(jié)能。 高精度，快速響應(yīng)。交流電機(jī)的控制技術(shù)較為復(fù)雜，對(duì)所需的電力電子變換器要求也較高，所以直到近二十年時(shí)間，隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)才得到迅速的發(fā)展，其應(yīng)用已在逐步取代傳統(tǒng)的直流傳動(dòng)系統(tǒng)。 1810.2.1 交直交變頻器交直交變頻器（Variable Voltag

14、e Variable Frequency，簡(jiǎn)稱VVVF電源 ）是由AC/DC、DC/AC兩類基本的變流電路組合形成，又稱為間接交流變流電路，最主要的優(yōu)點(diǎn)是輸出頻率不再受輸入電源頻率的制約。 再生反饋電力的能力 當(dāng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)需要頻繁、快速制動(dòng)時(shí)，通常要求具有再生反饋電力的能力。 圖10-7所示的電壓型交直交變頻電路不能再生反饋電力。 其整流部分采用的是不可控整流，它和電容器之間的直流電壓和直流電流極性不變，只能由電源向直流電路輸送功率，而不能由直流電路向電源反饋電力。 逆變電路的能量是可以雙向流動(dòng)的，若負(fù)載能量反饋到中間直流電路，而又不能反饋回交流電源，這將導(dǎo)致電容電壓升高，稱為泵升電壓，泵升電

15、壓過高會(huì)危及整個(gè)電路的安全。 圖10-7 不能再生反饋的電壓型間接交流變流電路 1910.2.1 交直交變頻器圖10-8 帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路 圖10-9 利用可控變流器實(shí)現(xiàn)再生反饋的電壓型間接交流變流電路 圖10-10 整流和逆變均為PWM控制的電壓型間接交流變流電路 使電路具備再生反饋電力能力的方法 圖10-8的電路中加入一個(gè)由電力晶體管V0和能耗電阻R0組成的泵升電壓限制電路，當(dāng)泵升電壓超過一定數(shù)值時(shí)，使V0導(dǎo)通，把從負(fù)載反饋的能量消耗在R0上，這種電路可運(yùn)用于對(duì)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)間有一定要求的調(diào)速系統(tǒng)中。 圖10-9所示的電路增加了一套變流電路，使其工作于有源逆變狀態(tài)

16、，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)；當(dāng)負(fù)載回饋能量時(shí)，中間直流電壓極性不變，而電流反向，通過控制變流器將電能反饋回電網(wǎng)。 圖10-10是整流電路和逆變電路都采用PWM控制的間接交流變流電路，可簡(jiǎn)稱雙PWM電路，該電路輸入輸出電流均為正弦波，輸入功率因數(shù)高，且可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行，但由于整流、逆變部分均為PWM控制且需要采用全控型器件，控制較復(fù)雜，成本也較高。 2010.2.1 交直交變頻器圖10-11 采用可控整流的電流型間接交流變流電路 圖10-12 電流型交直交PWM變頻電路 圖10-13 整流和逆變均為PWM控制的電流型間接交流變流電路 圖10-11給出了可以再生反饋電力的電流型間接交流變流電路

17、，當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，中間直流電路的電流極性不能改變，要實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，只需調(diào)節(jié)可控整流電路的觸發(fā)角，使中間直流電壓反極性即可。圖10-12給出了實(shí)現(xiàn)基于上述原理的電路圖，為適用于較大容量的場(chǎng)合，將主電路中的器件換為GTO，逆變電路輸出端的電容C是為吸收GTO關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的過電壓而設(shè)置的，它也可以對(duì)輸出的PWM電流波形起濾波作用。 電流型間接交流變流電路也可采用雙PWM電路，為了吸收換流時(shí)的過電壓，在交流電源側(cè)和交流負(fù)載側(cè)都設(shè)置了電容器；可四象限運(yùn)行，同時(shí)通過對(duì)整流電路的PWM控制可使輸入電流為正弦波，并使輸入功率因數(shù)為1。 2110.2.2 交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式籠型異步電動(dòng)機(jī)的定子頻率控制方式

18、 恒壓頻比控制 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速主要由電源頻率和極對(duì)數(shù)決定，改變電源（定子）頻率可對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，同時(shí)為了不使電動(dòng)機(jī)因頻率變化導(dǎo)致磁飽和而造成勵(lì)磁電流增大，引起功率因數(shù)和效率的降低，需對(duì)變頻器的電壓和頻率的比率進(jìn)行控制，使該比率保持恒定，即恒壓頻比控制，以維持氣隙磁通為額定值。 圖10-14 采用恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖 圖10-14給出了一個(gè)實(shí)例，轉(zhuǎn)速給定既作為調(diào)節(jié)加減速度的頻率f指令值，同時(shí)經(jīng)過適當(dāng)分壓，也被作為定子電壓V1的指令值，該f指令值和V1指令值之比就決定了V/f比值，由于頻率和電壓由同一給定值控制，因此可以保證壓頻比為恒定；電機(jī)的轉(zhuǎn)向由變頻器輸出電壓的相序決定，不需要由

19、頻率和電壓給定信號(hào)反映極性。 2210.2.2 交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制方式轉(zhuǎn)差頻率控制 為轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制方式，可提高調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 從異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型可以證明，當(dāng)穩(wěn)態(tài)氣隙磁通恒定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)差角頻率s成正比，因此，控制s就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率控制，使定子頻率1= r+ s ，則1隨實(shí)際轉(zhuǎn)速r增加或減小，得到平滑而穩(wěn)定的調(diào)速，保證了較高的調(diào)速范圍和動(dòng)態(tài)性能。 這種方法是基于電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的，仍然不能得到理想的動(dòng)態(tài)性能。矢量控制 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。 矢量控制方式基于異步電機(jī)的按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，將定子電流分解為勵(lì)磁分量和

20、與此垂直的轉(zhuǎn)矩分量，參照直流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法，分別獨(dú)立地對(duì)兩個(gè)電流分量進(jìn)行控制，類似直流調(diào)速系統(tǒng)中的雙閉環(huán)控制方式。 該方式需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和磁鏈的解耦，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。 直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制方法同樣是基于電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型，其控制閉環(huán)中的內(nèi)環(huán)，直接采用了轉(zhuǎn)矩反饋，并采用砰砰控制，可以得到轉(zhuǎn)矩的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并且控制相對(duì)要簡(jiǎn)單許多。 2310.3 不間斷電源不間斷電源（Uninterruptible Power Supply UPS）是當(dāng)交流輸入電源（習(xí)慣稱為市電）發(fā)生異常或斷電時(shí)，還能繼續(xù)向負(fù)載供電，并能保證供電質(zhì)量，使負(fù)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

21、情況，目前通常是指輸出為交流的情況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(duì)交流供電可靠性和供電質(zhì)量要求高的場(chǎng)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(dāng)市電正常時(shí)，由市電供電，當(dāng)市電異常乃至停電時(shí)，由蓄電池向逆變器供電，因此從負(fù)載側(cè)看，供電不受市電停電的影響；在市電正常時(shí)，負(fù)載也可以由逆變器供電，此時(shí)負(fù)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(dòng)、頻率波動(dòng)、波形畸變和瞬時(shí)停電等）時(shí)，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。

22、2410.3 不間斷電源圖10-16 具有旁路開關(guān)的UPS系統(tǒng)圖10-17 用柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源的UPS為保證市電異?；蚰孀兤鞴收蠒r(shí)負(fù)載供電的切換，實(shí)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(shí)，必須保證兩個(gè)電壓的相位一致，通常采用鎖相同步的方法。在市電斷電時(shí)由于由蓄電池提供電能，供電時(shí)間取決于蓄電池容量的大小，有很大的局限性，為了保證長(zhǎng)時(shí)間不間斷供電，可采用柴油發(fā)電機(jī)（簡(jiǎn)稱油機(jī)）作為后備電源，如圖10-17所示，蓄電池只需作為市電與油機(jī)之間的過渡，容量可以比較小。2510.3

23、 不間斷電源圖10-18 小容量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。 2610.4 開關(guān)電源 10.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu) 10.4.2 開關(guān)電源的控制方式 10.4.3 開關(guān)電源的應(yīng)用2710.4

24、 開關(guān)電源引言在各種電子設(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，模擬電路需要12V、15V等，這就需要專門設(shè)計(jì)電源裝置來提供這些電壓，通常要求電源裝置能達(dá)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、體積和重量等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)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

25、電路結(jié)構(gòu) 圖10-21 半橋型開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu) 2810.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)圖10-22 開關(guān)電源的能量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(jìn)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(jì)多個(gè)二次側(cè)繞組的方法來實(shí)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

26、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(fù)載變化時(shí)，其它路的電壓也會(huì)跟著變化。 圖10-23 多路輸出的整流電路 2910.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)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-Boost等電路。 負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器(POL-Point Of the Load regulator) 僅僅為1個(gè)專門的元件（通常是一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片）供電的直流直流變換器。 計(jì)算機(jī)主板上給CPU和存

27、儲(chǔ)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(diǎn)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 3010.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)圖10-25 通信電源系統(tǒng) 分布式電源系統(tǒng) 在通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)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(gè)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

28、到直流母線上，直流母線連接到交換機(jī)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(shí)候交換機(jī)還能正常工作 。 一次電源采用多個(gè)開關(guān)電源并聯(lián)的方案，每個(gè)開關(guān)電源僅僅承擔(dān)一部分功率，并聯(lián)運(yùn)行的每個(gè)開關(guān)電源有時(shí)也被成稱為“模塊”，當(dāng)其中個(gè)別模塊發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)運(yùn)行，這被稱為“冗余”。 3110.4.2 開關(guān)電源的控制方式圖10-26 開關(guān)電源的控制系統(tǒng) 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

29、制，僅有一個(gè)輸出電壓反饋控制環(huán)。 其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)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(hào)作為電流環(huán)的參考信號(hào)，給這一信號(hào)設(shè)置限幅，就可以限值電路中的最大電流，達(dá)到短路和過載保護(hù)的目的，還可以實(shí)現(xiàn)恒流控制。 3210.4.2 開關(guān)電源的控制方式圖10-28 峰值電流模式控制的原理 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(shí)鐘CLK信號(hào)控制，CLK信號(hào)每隔一定的時(shí)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(dāng)iL

30、達(dá)到電流給定值iR后，比較器輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)，并復(fù)位RS觸發(fā)器，使開關(guān)關(guān)斷。 a)b)3310.4.2 開關(guān)電源的控制方式圖10-29 平均電流模式控制的原理 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(duì)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(hào)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(hào)，容易造成比較器的誤動(dòng)作，使電感電流發(fā)生不規(guī)則的波動(dòng)。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

31、波信號(hào)uS相比較，得到周期固定、占空比變化的PWM信號(hào)，用以控制開關(guān)的通與斷。 3410.4.3 開關(guān)電源的應(yīng)用開關(guān)電源廣泛用于各種電子設(shè)備、儀器，以及家電等，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)和筆記本計(jì)算機(jī)的電源，電視機(jī)、DVD播放機(jī)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(jī)等移動(dòng)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(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等大型設(shè)備的電源也是開關(guān)電源，但功率較大，可達(dá)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(jī)床、自動(dòng)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(xué)過

32、程等，功率可達(dá)幾十幾百kW；在X光機(jī)、微波發(fā)射機(jī)、雷達(dá)等設(shè)備中，大量使用的是高壓、小電流輸出的開關(guān)電源。 3510.5 功率因數(shù)校正技術(shù) 10.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理 10.5.2 單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)3610.5 功率因數(shù)校正技術(shù)引言以開關(guān)電源為代表的各種電力電子裝置帶來一些負(fù)面的問題：輸入電流不是正弦波，就涉及到諧波和功率因數(shù)的問題。功率因數(shù)校正PFC (Power Factor Correction)技術(shù)即對(duì)電流脈沖的幅度進(jìn)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

33、二極管元件，對(duì)電路中的電流脈沖進(jìn)行抑制，以降低電流諧波含量，提高功率因數(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(duì)輸入電流的波形進(jìn)行控制，使之成為與電源電壓同相的正弦波。 373810.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理圖10-30 典型的單相有源PFC電路及主要原理波形 單相功率因數(shù)校正電路的基本原理 實(shí)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(hào) 和實(shí)際的直流電壓ud比較后送入PI調(diào)節(jié)器，得到指令信號(hào)id，id和整流后正弦電壓相乘得到輸入電流的指令信號(hào)i*，該指令信號(hào)和實(shí)際電感電流信號(hào)比較后，通過滯環(huán)對(duì)開關(guān)器件進(jìn)行控制，便可使輸入直流電流跟蹤指令值，這樣交流

34、側(cè)電流波形將近似成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)。3910.5.1 功率因數(shù)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(shí)，iL增長(zhǎng)，S斷時(shí)，iL下降，因此控制S的占空比按正弦絕對(duì)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(duì)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。 4010.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理圖10-31 三相單開關(guān)PFC電路圖10-32 三相單開關(guān)PFC電路的工作波形三相功率因數(shù)校正電路的

35、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(gè)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(fù)向），S關(guān)斷后，三相電感電流通過D7向負(fù)載側(cè)流動(dòng)，并迅速下降到零。 在每一個(gè)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波。 4110.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理 在分析中略去了電流波形中非陰影部分

36、，因此實(shí)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4210.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理開關(guān)電源中采用有源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(duì)電網(wǎng)的干擾，滿足了現(xiàn)行諧波限制標(biāo)準(zhǔn)。 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(duì)

37、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(kuò)大，能適應(yīng)世界各國(guó)不同的電網(wǎng)電壓，極大的提高電源裝置的可靠性和靈活性。 由于升壓斬波電路的穩(wěn)壓作用，整流電路輸出電壓波動(dòng)顯著減小，使后級(jí)DC-DC變換電路的工作點(diǎn)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(jiǎn)單，僅有1個(gè)全控開關(guān)器件。該電路容易實(shí)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)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(diǎn)。4310.5.2 單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)單級(jí)PFC變換器拓?fù)涫菍⒐β室驍?shù)校正電路中的開關(guān)元件與后級(jí)DC-DC變換器中的開關(guān)元件

38、合并和復(fù)用，將兩部分電路合而為一。單級(jí)變換器的優(yōu)點(diǎn) 開關(guān)器件數(shù)減少，主電路體積及成本可以降低。 控制電路通常只有一個(gè)輸出電壓控制閉環(huán)，簡(jiǎn)化了控制電路。 有些單級(jí)變換器拓?fù)渲胁糠州斎肽芰靠梢灾苯觽鬟f到輸出側(cè)，不經(jīng)過兩級(jí)變換，所以效率可能高于兩級(jí)變換器。 4410.5.2 單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)圖10-33 典型的boost型單級(jí)PFC AC/DC變換器 單級(jí)PFC變換器 適合于小功率電源，以單相變換器為主，主要性能指標(biāo)包括：效率、元件數(shù)量、輸入電流畸變率等，這些指標(biāo)在很大程度上取決于電路的拓?fù)湫问健?工作原理 開關(guān)在一個(gè)開關(guān)周期中按照一定的占空比導(dǎo)通，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入電源通過開關(guān)給升壓電路中的L1

39、儲(chǔ)能，同時(shí)C1通過開關(guān)給反激變壓器儲(chǔ)能。 開關(guān)關(guān)斷時(shí)，輸入電源與L1一起給C1充電，反激變壓器同時(shí)向副邊電路釋放能量。 開關(guān)的占空比由輸出電壓調(diào)節(jié)器決定，在輸入電壓及負(fù)載一定的情況下，C1兩端電壓在工作過程中基本保持不變，開關(guān)的占空比也基本保持不變；輸入功率中的100Hz波動(dòng)由C1進(jìn)行平滑濾波。 4510.5.2 單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)單級(jí)PFC電路的特點(diǎn) 單級(jí)PFC電路減少了主電路的開關(guān)器件數(shù)量，使主電路體積及成本降低。同時(shí)控制電路通常只有一個(gè)輸出電壓控制閉環(huán)，簡(jiǎn)化了控制電路 單級(jí)PFC變換器減少了元件的數(shù)量，但是，單級(jí)PFC變換器元件的額定值都比較高，所以單級(jí)PFC變換器僅在小功率時(shí)整個(gè)裝置

40、的成本和體積才具有優(yōu)勢(shì)，對(duì)于大功率場(chǎng)合，兩級(jí)PFC變換器比較適合。 單級(jí)PFC變換器的輸入電流畸變率明顯高于兩級(jí)變換器，特別是僅采用輸出電壓控制閉環(huán)的Boost型變換器。 4610.6 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用10.6.1 高壓直流輸電10.6.2 無功功率控制10.6.3 電力系統(tǒng)諧波抑制10.6.4 電能質(zhì)量控制、柔性交流輸電與定制 電力技術(shù)4710.6.1 高壓直流輸電圖10-34 高壓直流輸電系統(tǒng)的基本原理和典型結(jié)構(gòu) 高壓直流輸電（High Voltage DC TransmissionHVDC）是電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中最早開始的應(yīng)用領(lǐng)域，20世紀(jì)50年代以來，當(dāng)電力電子技術(shù)的

41、發(fā)展帶來了可靠的高壓大功率交直流轉(zhuǎn)換技術(shù)之后，高壓直流輸電越來越受到人們的關(guān)注。原理和典型結(jié)構(gòu) 原理 發(fā)電廠輸出交流電，由變壓器（換流變壓器）將電壓升高后送到晶閘管整流器，由晶閘管整流器將高壓交流變?yōu)楦邏褐绷鳌?經(jīng)直流輸電線路輸送到電能的接受端。 4810.6.1 高壓直流輸電圖10-34 高壓直流輸電系統(tǒng)的基本原理和典型結(jié)構(gòu) 在受端電能又經(jīng)過晶閘管逆變器由直流變回交流，再經(jīng)變壓器降壓后配送到各個(gè)用戶。典型結(jié)構(gòu) 圖10-34是典型的采用十二脈波換流器的雙極高壓直流輸電線路。 雙極是指其輸電線路兩端的每端都由兩個(gè)額定電壓相等的換流器串聯(lián)聯(lián)結(jié)而成，具有兩根傳輸導(dǎo)線，分別為正極和負(fù)極，每端兩個(gè)換流器

42、的串聯(lián)連接點(diǎn)接地。 兩極獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)一極停止運(yùn)行時(shí)，另一極以大地作回路還可以帶一半的負(fù)荷，這樣就提高了運(yùn)行的可靠性，也有利于分期建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)；單極高壓直流輸電系統(tǒng)只用一根傳輸導(dǎo)線（一般為負(fù)極），以大地或海水作為回路。 4910.6.1 高壓直流輸電高壓直流輸電的優(yōu)勢(shì) 更有利于進(jìn)行遠(yuǎn)距離和大容量的電能傳輸或者海底或地下電纜傳輸。 不受輸電線路的感性和容性參數(shù)的限制。 直流輸電線導(dǎo)體沒有積膚效應(yīng)問題，相同輸電容量下直流輸電線路的占地面積也小。 短距離送電可采用基于全控型電力電子器件的電壓型變流器，性能更優(yōu)。 更有利于電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)。 更容易解決同步、穩(wěn)定性等等復(fù)雜問題。 更有利于系統(tǒng)控制。 通過對(duì)換流

43、器的有效控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸?shù)挠泄β实目焖俣鴾?zhǔn)確的控制，還能阻尼功率振蕩、改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性、限制短路電流。 5010.6.2 無功功率控制在電力系統(tǒng)中，對(duì)無功功率的控制是非常重要的，通過對(duì)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)良的無功補(bǔ)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(shí)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(gè)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(shí)可能出現(xiàn)的

44、沖擊電流；在實(shí)際工程中，為避免容量較大的電容器組同時(shí)投入或切斷會(huì)對(duì)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(duì)無功的需求而改變投入電容器的容量，TSC實(shí)際上就成為斷續(xù)可調(diào)的動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償器。 圖10-35 TSC基本原理圖a) 基本單元單相簡(jiǎn)圖 b) 分組投切單相簡(jiǎn)圖5110.6.2 無功功率控制圖10-36 TSC理想投切時(shí)刻原理說明TSC運(yùn)行時(shí)晶閘管投入時(shí)刻的原則 該時(shí)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(huì)產(chǎn)生躍變，也就不會(huì)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(shí)電源電壓的變化率為零，因此在投入時(shí)刻iC為零，之后才按

45、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(shí)uC已由上次導(dǎo)通時(shí)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(shí)刻導(dǎo)通VT2，以后每半個(gè)周波輪流觸發(fā)VT1和VT2；切除這條電容支路時(shí)，如在t2時(shí)刻iC已降為零，VT2關(guān)斷， uC保持在VT2導(dǎo)通結(jié)束時(shí)的電源電壓負(fù)峰值，為下一次投入電容器做了準(zhǔn)備。 5210.6.2 無功功率控制圖10-37 晶閘管和二極管反并聯(lián)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(shí)uC總會(huì)維持在電源電壓峰值。 這種電路成本稍低，但因?yàn)槎O管不可控，響應(yīng)速度要慢一些，投切電容器的最

46、大時(shí)間滯后為一個(gè)周波。 5310.6.2 無功功率控制晶閘管控制電抗器（TCR ） 晶閘管交流調(diào)壓電路帶電感性負(fù)載的一個(gè)典型應(yīng)用，圖10-38所示為TCR的典型電路，可以看出是支路控制三角聯(lián)結(jié)方式的晶閘管三相交流調(diào)壓電路。 通過對(duì)角的控制，可以連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器的電流，從而調(diào)節(jié)電路從電網(wǎng)中吸收的無功功率，如配以固定電容器，則可以在從容性到感性的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率。 圖10-38 晶閘管控制電抗器(TCR)電路電抗器中所含電阻很小，可以近似看成純電感負(fù)載，因此 的移相范圍為90180。 5410.6.2 無功功率控制圖10-39 TCR電路負(fù)載相電流和輸入線電流波形a) =120 b) =1

47、35 c) =160圖10-39給出了分別為120、135和160時(shí)TCR電路的負(fù)載相電流和輸入線電流的波形。5510.6.2 無功功率控制靜止無功發(fā)生器 靜止無功發(fā)生器SVG在本書中專指由自換相的電力電子橋式變流器來進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置。 SVG分為采用電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型。 采用電壓型橋式電路的SVG如圖10-40a，直流側(cè)采用的是電容，還需再串聯(lián)上連接電抗器才能并入電網(wǎng)。 采用電流型橋式電路的SVG如圖10-40b，直流側(cè)采用的是電感，還需在交流側(cè)并聯(lián)上吸收換相產(chǎn)生的過電壓的電容器才能并入電網(wǎng)。圖10-40 SVG的電路基本結(jié)構(gòu)圖a）采用電壓型橋式電路 b）采用電流型

48、橋式電路5610.6.2 無功功率控制SVG（采用電壓型橋式電路）的工作原理 由于運(yùn)行效率的原因迄今投入實(shí)用的SVG大都采用電壓型橋式電路。 SVG可以等效地被視為幅值和相位均可以控制的一個(gè)與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源，通過交流電抗器連接到電網(wǎng)上。 設(shè)電網(wǎng)電壓和SVG輸出的交流電壓分別用相量 和 表示，改變 的幅值及其相對(duì)于 的相位，就可以改變連接電抗上的電壓，從而控制SVG從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值，也就控制了SVG吸收無功功率的性質(zhì)和大小。 圖10-41 SVG等效電路及工作原理 a） 單相等效電路 b） 工作相量圖 5710.6.2 無功功率控制與傳統(tǒng)SVC相比較 傳統(tǒng)的以TCR為代表的SV

49、C，由于其所能提供的最大電流分別是受其并聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器的阻抗特性限制的，因而隨著電壓的降低而減小，因此SVG的運(yùn)行范圍比傳統(tǒng)SVC大。 SVG的調(diào)節(jié)速度更快，而且在采取多重化或PWM技術(shù)等措施后可大大減少補(bǔ)償電流中諧波的含量。 SVG使用的電抗器和電容元件遠(yuǎn)比SVC中使用的電抗器和電容要小，這將大大縮小裝置的體積和成本。 SVG還可以在必要時(shí)短時(shí)間內(nèi)向電網(wǎng)提供一定量的有功功率。 SVG的控制方法和控制系統(tǒng)要比傳統(tǒng)SVC復(fù)雜，另外SVG要使用數(shù)量較多的較大容量自關(guān)斷器件，其價(jià)格目前仍比SVC使用的普通晶閘管高得多。 5810.6.2 無功功率控制SVG發(fā)展的共同特點(diǎn) SVG的主電路由早期的

50、以多重化的方波變流器為主要形式，已發(fā)展為以PWM變流器為主要形式。 SVG的變流器中所采用的電力半導(dǎo)體器件已由早期的以GTO為主，已逐步發(fā)展為采用IGBT和IGCT，采用IGBT的趨勢(shì)更為明顯。 SVG的補(bǔ)償目標(biāo)已由早期的以對(duì)輸電系統(tǒng)的補(bǔ)償為主，擴(kuò)展到了對(duì)配電系統(tǒng)補(bǔ)償，甚至負(fù)荷補(bǔ)償?shù)雀鱾€(gè)層次。 5910.6.3 電力系統(tǒng)諧波抑制抑制諧波有兩條基本思路，一是裝設(shè)補(bǔ)償裝置，設(shè)法補(bǔ)償其產(chǎn)生的諧波；另一條就是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改進(jìn)，使其不產(chǎn)生諧波，同時(shí)還不消耗無功功率，或者根據(jù)需要能對(duì)其功率因數(shù)進(jìn)行控制，即采用高功率因數(shù)變流器。調(diào)諧濾波器 是傳統(tǒng)的補(bǔ)償諧波的主要手段。 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既可補(bǔ)償諧波，又

51、可補(bǔ)償無功，一直被廣泛應(yīng)用于對(duì)電力系統(tǒng)中諧波和無功功率的補(bǔ)償。 有源電力濾波器（Active Power FilterAPF） 有源電力濾波器的思想最早提出于上世紀(jì)60年代末，1976年確立了有源電力濾波器的完整概念和主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上世紀(jì)80年代以來，由于新型電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，PWM逆變技術(shù)的發(fā)展，以及基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)方法的提出，有源電力濾波器才得以迅速發(fā)展。 6010.6.3 電力系統(tǒng)諧波抑制圖10-42 有源電力濾波器的基本原理和典型電流波形圖10-43 有源電力濾波器的變流電路有源電力濾波器的基本原理 如圖10-42所示，有源電力濾波器檢測(cè)出負(fù)載電流 iL中的

52、諧波電流 iLh，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生與iLh大小相等而方向相反的補(bǔ)償電流 iC，從而使流入電網(wǎng)的電流iS只含有基波分量 iLf。與LC無源濾波器相比，有源濾波能對(duì)變化的諧波進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)頻率和阻抗的影響。有源電力濾波器的變流電路可分為電壓型和電流型，目前實(shí)用的裝置大都是電壓型；從與補(bǔ)償對(duì)象的連接方式來看，有源電力濾波器又可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。 串聯(lián)型APF通過變壓器連在電源和負(fù)載間，相當(dāng)于一個(gè)受控電壓源，既可補(bǔ)償電流，也可消除電壓畸變。 并聯(lián)型6110.6.4 電能質(zhì)量控制、柔性交流輸電與定制電力技術(shù)應(yīng)用電力電子技術(shù)不僅可以有效地控制無功功率從而保障系統(tǒng)電壓的幅度，

53、可以補(bǔ)償諧波從而保障供電電壓的波形，而且可以解決不對(duì)稱、電壓幅度暫低（voltage sag）和電壓閃變（flicker）等各種穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的電能質(zhì)量問題，這被稱為采用電力電子裝置的電能質(zhì)量控制技術(shù)。 電力電子裝置包括SVC和SVG，APF，用來補(bǔ)償電壓暫低的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（Dynamic Voltage RestorerDVR），以及用來綜合補(bǔ)償多種電能質(zhì)量問題的串聯(lián)型電能質(zhì)量控制器、并聯(lián)型電能質(zhì)量控制器和通用電能質(zhì)量控制器（Universal Power Quality ControllerUPQC）等。將電力電子技術(shù)應(yīng)用于輸電系統(tǒng)中，可以顯著增強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)的控制能力、大幅提高系統(tǒng)的輸電能力，這

54、就是所謂的柔性交流輸電系統(tǒng)（Flexible AC Transmission SystemFACTS）。 采用的典型電力電子裝置有SVC 、SVG 、晶閘管投切串聯(lián)電容器（Thyristor Switched Series CapacitorTSSC）、晶閘管控制串聯(lián)電容器（Thyristor Controlled Series CapacitorTCSC）和靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（Static Synchronous Series CompensatorSSSC）等可控串聯(lián)補(bǔ)償器，以及統(tǒng)一潮流控制器（Unified Power Flow ControllerUPFC）等。 6210.6.4 電能

55、質(zhì)量控制、柔性交流輸電與定制電力技術(shù)將電力電子技術(shù)應(yīng)用于配電系統(tǒng)中，可以有效提高配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和供電可靠性，從而保障按照用戶所需供電，這就是所謂的“定制電力”或者“用戶電力”（Custom Power）。 采用的典型電力電子裝置有SVC、SVG、APF和動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器DVR等電能質(zhì)量控制裝置以外，還包括由反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成的固態(tài)切換開關(guān)（Solid State Transfer SwitchSSTS）等。最近興起的新能源發(fā)電所產(chǎn)生的電能大都需要經(jīng)過各種電力電子裝置的變換和控制才能夠給用戶使用或者聯(lián)網(wǎng)，電力電子技術(shù)的應(yīng)用全面覆蓋了電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電和配電三大環(huán)節(jié)。 6310.7 電力電子技

56、術(shù)的其他應(yīng)用 10.7.1 電子鎮(zhèn)流器 10.7.2 焊機(jī)電源6410.7.1 電子鎮(zhèn)流器在各種氣體放電燈中采用電子鎮(zhèn)流器已成為廣泛采用的節(jié)能措施，傳統(tǒng)的鎮(zhèn)流器是電感式的，電感鎮(zhèn)流器的構(gòu)造本身就會(huì)產(chǎn)生渦流，發(fā)生功耗，加之使用的矽鋼片的材料質(zhì)量、制作工藝都會(huì)加劇這一功耗使鎮(zhèn)流器發(fā)熱。 電子鎮(zhèn)流器的原理 電子鎮(zhèn)流器的核心是高頻變換電路。 工頻市電電壓在整流之前，首先經(jīng)過射頻干擾(RFI)濾波器濾波，RFI濾波器一般由電感和電容元件組成，用來阻止鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的高次諧波反饋到輸入交流電網(wǎng)，以抑止對(duì)電網(wǎng)的污染和對(duì)電子設(shè)備的干擾，同時(shí)也可以防止來自電網(wǎng)的干擾侵入到電子鎮(zhèn)流器。 在其整流器與大容量的濾波電解電

57、容器之間，設(shè)置一級(jí)功率因數(shù)校正(PFC)升壓型變換電路，其作用就是獲得低電流諧波畸變，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)。 圖10-44 電子鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)框圖6510.7.1 電子鎮(zhèn)流器DC/AC逆變器的功能是將直流電壓變換成高頻電壓，逆變電路全控型開關(guān)器件，開關(guān)頻率一般為2070kHz，主要有半橋式逆變電路和推挽式逆變電路兩種形式。 高頻電子鎮(zhèn)流器的輸出級(jí)電路通常采用LC串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，燈的啟動(dòng)通過LC電路發(fā)生串聯(lián)諧振，利用啟動(dòng)電容兩端產(chǎn)生的高壓脈沖將燈引燃，在燈啟動(dòng)之后，電感元件對(duì)燈起限流作用，由于電子鎮(zhèn)流器開關(guān)頻率較高，故電感器只需要很小體積即可勝任。為使電子鎮(zhèn)流器安全可靠地工作，還要設(shè)計(jì)輔助電路，比如從鎮(zhèn)流器

58、輸出到DC/AC逆變電路引入反饋網(wǎng)絡(luò)，通過控制電路以保證與高頻產(chǎn)生器頻率同步化；或者采用異常狀態(tài)保護(hù)電路，將電子鎮(zhèn)流器地輸出信號(hào)采樣，一旦出現(xiàn)燈開路或燈不能啟動(dòng)等異常狀態(tài)，則通過控制電路使振蕩器停振，關(guān)斷高頻變換器輸出，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。圖10-44 電子鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)框圖6610.7.1 電子鎮(zhèn)流器電子鎮(zhèn)流器的主要優(yōu)點(diǎn) 能耗低、效率高 電感的功耗較大。 發(fā)光效率高，熒光燈的發(fā)光效率(簡(jiǎn)稱光效)和供電的頻率有關(guān)，即隨工作頻率的增加而增加。 具有高功率因數(shù)，因?yàn)樵陔娮渔?zhèn)流器中，具有采用功率因數(shù)校正電路。 在電網(wǎng)電壓波動(dòng)的情況下，保持燈功率和光輸出的恒定。 6710.7.2 焊機(jī)電源電焊機(jī)是用電能產(chǎn)生

59、熱量加熱金屬而實(shí)現(xiàn)焊接的電氣設(shè)備，按照焊接加熱原理的不同分為電弧焊機(jī)和電阻焊機(jī)兩大類型。 電弧焊機(jī)是通過產(chǎn)生電弧使金屬融化而實(shí)現(xiàn)焊接；電阻焊機(jī)是使焊接金屬通過大電流，利用工件表面接觸電阻產(chǎn)生發(fā)熱而融化實(shí)現(xiàn)焊接。 目前基于電力電子變換器采用間接直流變換結(jié)構(gòu)的各種直流焊接電源由于其優(yōu)良的特性而得到了廣泛的應(yīng)用，這種焊接電源中由于存在高頻逆變環(huán)節(jié)，又常被稱為逆變焊機(jī)電源。 圖10-45 弧焊電源的基本結(jié)構(gòu)圖6810.7.2 焊機(jī)電源弧焊電源的結(jié)構(gòu)和基本工作原理 工頻市電電壓首先經(jīng)過射頻干擾(RFI)濾波器濾波后被整流為直流，再經(jīng)DC/AC逆變器變換為高頻交流電，經(jīng)變壓器降壓隔離后再經(jīng)過整流和濾波得到

60、平滑的直流電。 逆變電路使用的開關(guān)器件通常為全控型電力半導(dǎo)體器件，開關(guān)頻率一般為幾k幾十kHz，電路結(jié)構(gòu)為半橋、全橋等形式，弧焊電源的輸出電壓一般只有幾十伏，因此輸出整流電路通常采用全波電路以降低電路的損耗。 圖10-45 弧焊電源的基本結(jié)構(gòu)圖6910.7.2 焊機(jī)電源圖10-46 一種弧焊電源的外特性曲線 弧焊電源的輸出電壓電流特性依據(jù)不同的焊接工藝有不同的要求，圖10-46為一種弧焊電源的外特性曲線；弧焊電源的控制電路將檢測(cè)電源的輸出電壓及電流，調(diào)整逆變電路開關(guān)器件的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)所需的控制特性。與傳統(tǒng)的基于電磁元件的電源相比，由于采用了高頻的中間交流環(huán)節(jié)，大大降低了電源的體積、重量，同時(shí)提