1、武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,1,第10章電力電子技術(shù)的應(yīng)用 10.1 晶閘管直流電動機(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),武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,2,10.3 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情況，目前通常是指

2、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)用于各種對交流供電可靠性和供電質(zhì)量要求高的場合。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,3,10.3 不間斷電源,圖10-15 UPS基本結(jié)構(gòu)原理圖,UPS的基本結(jié)構(gòu)及工作原理：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、頻率波動、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。,武漢

3、科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,4,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。 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，為了保證長時(shí)間不間斷供電，可采用柴油發(fā)電機(jī)（簡稱油機(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。,10.3 不間斷電源,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,5,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,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,6,UPS的

4、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。,10.3 不間斷電源,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,7,圖10-18 小容量UPS主電路,圖10-19 大功率UPS主電路,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,8,10.4 開關(guān)電源,10.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu) 1

5、0.4.2 開關(guān)電源的控制方式 10.4.3 開關(guān)電源的應(yīng)用,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,9,10.4 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。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,10,10.4 開關(guān)電源引言,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

6、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)基本取代了線性電源，成為電子設(shè)備供電的主要電源形式。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,11,10.4 開關(guān)電源引言,圖10-20 線性電源的基本電路結(jié)構(gòu),圖10-21 半橋型開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu),武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,12,10.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu),交流輸入的開關(guān)電源（屬于交-直變換電路） 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(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。

7、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)，其它路的電壓也會跟著變化。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,13,10.4.1 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,圖10-23 多路輸出的整流電路,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,14,10.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu),直流輸入的開關(guān)電源（直流-直流變換器） 分為隔離型和非隔離型。隔離型多采用反激、正激、半橋等隔

8、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。 微機(jī)主板給CPU和存儲器供電的電源都是典型的POL。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,15,10.4.1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu),圖10-24 a)同步降壓電路,圖10-24 b)同步升壓電路,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,16,10.4.2 開關(guān)電源的控制方式,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（

9、圖10-26） 僅有一個(gè)輸出電壓反饋控制環(huán)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，顯著缺點(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作為電流環(huán)的參考信號，給這一信號設(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。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,17,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),10.4.2 開關(guān)電源的控制方式,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,18,10.4.3 開關(guān)電源的應(yīng)用,廣泛用于各種電子設(shè)備、儀器，以及家電等，如臺式計(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

10、，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。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,19,10.4.3 開關(guān)電源的應(yīng)用,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。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,20,1

11、0.5 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 單級功率因數(shù)校正技術(shù),武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,21,10.5 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）即對電流脈沖的幅度進(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、電容等無源元件和二極管元件，對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

12、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。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,22,10.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理,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 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id，id和整流后正弦電壓相乘得到輸入電流的指令信號i*，該指令信號和實(shí)際電感電流信號比較后，通過滯環(huán)對開關(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)。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,23,10.5.1 功率因數(shù)校正電路

13、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,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,24,10.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理,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，S斷時(shí)，iL下降，因此控制S的占空比按正弦絕對值規(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。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,25,10.6 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

14、.4 電能質(zhì)量控制、柔性交流輸電與定制 電力技術(shù),武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,26,10.6.1 高壓直流輸電,高壓直流輸電是電力電子技術(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 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?。再?jīng)直流輸電線路輸送到電能的接受端。 電能在受端經(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。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,27,10.6.1 高壓直流輸電,典型結(jié)構(gòu) 圖

15、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。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,28,圖10-34 高壓直流輸電系統(tǒng)的基本原理和典型結(jié)構(gòu),10.6.1 高壓直流輸電,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,29,10.6.1 高壓直流輸電,高壓直流輸電的

16、優(yōu)勢 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。 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。通過對換流器的有效控制可以實(shí)現(xiàn)對傳輸?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。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,30,10.6.2 無功功率控制,在電力系統(tǒng)中，對無功功率的控制是非常重要的，通過對無功功率的控制，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

17、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。 TSC的工作原理就是用交流電力電子開關(guān)來投入或者切除電容器。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,31,圖10-35 TSC基本原理圖 a) 基本單元單相簡圖 b) 分組投切單相簡圖,10.6.2 無功功率控制,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)的小電感用于抑制電容器投入電網(wǎng)時(shí)可能出現(xiàn)的沖擊電流。 在實(shí)際工程中，為避免容量較大的電容器組同時(shí)投入或切斷會對電網(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)的動態(tài)無功功率補(bǔ)償器。,武

18、漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,32,10.6.2 無功功率控制,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產(chǎn)生躍變，也就不會產(chǎn)生沖擊電流。 一般來說，理想情況下，希望電容器預(yù)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。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,33,圖10-36 TSC理想投切時(shí)刻原理說明,10.6.2 無功功率控制,導(dǎo)通開始時(shí)刻，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

19、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。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,34,10.6.2 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，投切電容器的最大時(shí)間滯后為一個(gè)周波。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,35,10.6.2 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

20、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。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,36,10.6.2 無功功率控制,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。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,37,10.6.2 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) =135 c)

21、 =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。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,38,10.7 電力電子技術(shù)的其他應(yīng)用,10.7.1 電子鎮(zhèn)流器 10.7.2 焊機(jī)電源,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,39,10.7.1 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、制作工藝都會加劇這一功耗使鎮(zhèn)流器發(fā)熱。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,40,10.7.1 電子鎮(zhèn)流器,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。

22、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)，以抑止對電網(wǎng)的污染和對電子設(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容器之間，設(shè)置一級功率因數(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)。,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,41,10.7.1 電子鎮(zhèn)流器,圖10-44 電子鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)框圖,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,42,10.7.1 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

23、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)流器的輸出級電路通常采用LC串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，燈的啟動通過LC電路發(fā)生串聯(lián)諧振，利用啟動電容兩端產(chǎn)生的高壓脈沖將燈引燃，在燈啟動之后，電感元件對燈起限流作用，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。,圖10-44 電子鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)框圖,武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,43,10.7.1 電子鎮(zhèn)流器,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)流器地輸出信號采樣，一旦出現(xiàn)燈開路或燈不能啟動等異常狀態(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-