电力电子技术在工程中的应用.ppt

梁南丁电力电子技术1第第6 6章章 电力电子技术在工程中的应用电力电子技术在工程中的应用6.1 6.1 交交-直直-交组合变流电路交组合变流电路6.2 6.2 直直-交交-直组合变流电路直组合变流电路 6.3 6.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 2v组合变流电路：组合变流电路：是将AC/DC、DC/DC、AC/AC和DC/AC四大类 基本变流电路中的某几种基本的变流电路组合起来，以实现一定的 新功能。v间间接接交交流流变变流流电电路路：先将交流整流为直流，再逆变为交流，是先整流后逆变的组合。应用：应用：交直交变频电路（Variable Voltage Variable FrequencyVVVF），主要用作变频器。恒压恒频变流电路（Constant Voltage Constant FrequencyCVCF），主要用作不间断电源（Uninterruptable Power SupplyUPS）。v间间接接直直流流变变流流电电路路：先将直流逆变为交流，再整流为直流电，是先逆变后整流的组合。应用：应用：各种开关电源（Switching Mode Power SupplySMPS）3交交-直直-交组合变流电路交组合变流电路v交交-直直-交组合变流电路主要按电压型、电流型进行分类。交组合变流电路主要按电压型、电流型进行分类。v交交-直直-交组合变流电路，其逆变部分多采用交组合变流电路，其逆变部分多采用PWM控制。控制。6.1.16.1.1交交-直直-交组合变流电路原理交组合变流电路原理1电压型交电压型交-直直-交组合变流电路交组合变流电路电压型交-直-交组合变流电路在负载能量反馈到中间直流电路时，将导致电容电压升高，称为泵升电压，如果能量无法反馈回交流电源，泵升电压会危及整个电路的安全图图6.1 不能再生反馈的电压型不能再生反馈的电压型交交-直直-交组合交组合变流电路变流电路4为使电路具备再生反馈电力的能力，可采用：为使电路具备再生反馈电力的能力，可采用：带有泵升电压限制电路的电压型交-直-交组合变流电路当泵升电压超过一定数值时，使V0导通，把从负载反馈的能量消耗在R0上。如图 图带有泵升电压限制电路的电压图带有泵升电压限制电路的电压型型交交-直直-交组合交组合变流电路变流电路 利用可控变流器实现再生反馈的电压型交利用可控变流器实现再生反馈的电压型交-直直-交组合变流电路交组合变流电路当负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态，将电能反馈回电网。如图图利用可控变流器实现再生反馈图利用可控变流器实现再生反馈的电压型的电压型交交-直直-交组合交组合变流电路变流电路 5整流和逆变均为PWM控制的电压型交-直-交组合变流电路整流和逆变电路的构成完全相同，均采用PWM控制，能量可双向流动。输入输出电流均为正弦波，输入功率因数高，且可实现电动机四象限运行。图整流和逆变均为图整流和逆变均为PWM控制的电控制的电压型压型交交-直直-交组合交组合变流电路变流电路 62电流型交电流型交-直直-交组合变流电路交组合变流电路整流电路为不可控的二极管整流时，电路不能将负载侧的能量反馈到电源侧。如图为使电路具备再生反馈电力的能力，可采用：整流电路采用晶闸管可控整流电路。负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态，使中间直流电压反极性。如图图采用可控整流的电流型图采用可控整流的电流型交交-直直-交组合交组合变流电路变流电路图不能再生反馈电力的电流型图不能再生反馈电力的电流型交交-直直-交组合交组合变流电路变流电路7整流和逆变均为PWM控制的电流型间接交流变流电路通过对整流电路的PWM控制使输入电流为正弦波，并使输入功率因数为1。如图6.7,图图电流型交图电流型交直直交交PWM变频变频电路电路图整流和逆变均为图整流和逆变均为PWM控制的电流型间控制的电流型间接交流变流电路接交流变流电路 86.1.2 交交-直直-交组合变流电路的控制方式交组合变流电路的控制方式晶闸管直流电动机传动系统存在一些固有的缺点：(1)受使用环境条件制约；(2)需要定期维护；(3)最高速度和容量受限制等。交流调速传动系统除了克服直流调速传动系统的缺点外还具有：(1)交流电动机结构简单，可靠性高；(2)节能；(3)高精度，快速响应等优点。采用变频调速方式时，无论电机转速高低，转差功率的消耗基本不变，系统效率是各种交流调速方式中最高的，具有显著的节能效果，是交流调速传动应用最多的一种方式。笼型异步电动机的定子频率控制方式，有：(1)恒压频比（U/f）控制；(2)转差频率控制；(3)矢量控制；(4)直接转矩控制等。91)恒压频比控制恒压频比控制为避免电动机因频率变化导致磁饱和而造成励磁电流增大，引起功率因数和效率的降低，需对变频器的电压和频率的比率进行控制，使该比率保持恒定，即恒压频比控制，以维持气隙磁通为额定值。恒压频比控制是比较简单，被广泛采用的控制方式。该方式被用于转速开环的交流调速系统，适用于生产机械对调速系统的静、动态性能要求不高的场合。工作原理：工作原理：转速给定既作为调节加减速的频率f指令值，同时经过适当分压，作为定子电压U1的指令值。该比例决定了U/f比值，由于频率和电压由同一给定值控制，因此可以保证压频比为恒定。1变压变频（变压变频（VVVF）电路控制方式）电路控制方式图图6.9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图采用恒压频比控制的变频调速系统框图10在给定信号之后设置的给定积分器，将阶跃给定信号转换为按设定 斜率逐渐变化的斜坡信号ugt，从而使电动机的电压和转速都平缓地 升高或降低，避免产生冲击。给定积分器输出的极性代表电机转向，幅值代表输出电压、频率。绝对值变换器输出ugt的绝对值uabs，电压频率控制环节根据uabs及ugt的极性得出电压及频率的指令信号，经PWM生成环节形成控制逆变器的PWM信号，再经驱动电路控制变频器中IGBT的通断，使变频器输出所需频率、相序和大小的交流电压，从而控制交流电机的转速和转向。图图6.9 采用恒压频比控制的变频调速系统框图采用恒压频比控制的变频调速系统框图112)转差频率控制转差频率控制在稳态情况下，当稳态气隙磁通恒定时，异步电机电磁转矩近似与转差角频率w ws s成正比。因此，控制w ws s就相当于控制转矩。采用转速闭环的转差频率控制，使定子频率w w1 1 =w wr r +w ws s，则w1随实际转速w wr r增加或减小，得到平滑而稳定的调速，保证了较高的调速范围。转差频率控制方式可达到较好的静态性能，但这种方法是基于稳态模型的，得不到理想的动态性能。123矢量控制矢量控制异步电动机的数学模型是高阶、非线性、强耦合的多变量系统。传统设计方法无法达到理想的动态性能。矢量控制方式基于异步电机的按转子磁链定向的动态模型，将定子电流分解为励磁分量和与此垂直的转矩分量，参照直流调速系统的控制方法，分别独立地对两个电流分量进行控制，类似直流调速系统中的双闭环控制方式。控制系统较为复杂，但可获得与直流电机调速相当的控制性能。4直接转矩控制直接转矩控制直接转矩控制方法同样是基于动态模型的，其控制闭环中的内环，直接采用了转矩反馈，并采用砰砰控制，可以得到转矩的快速动态响应。并且控制相对要简单许多。13 2 恒压恒频（恒压恒频（CVCF）电源）电源CVCF电源主要用作不间断电源（电源主要用作不间断电源（UPS）。UPS广泛应用于各种对交流供电可靠性和供电质量要求高的场合。UPS基本工作原理是，基本工作原理是，市电正常时，由市电供电，市电经整流器整流为直流，再逆变为50Hz恒频恒压的交流电向负载供电。同时，整流器输出给蓄电池充电，保证蓄电池的电量充足。此时负载可得到的高质量的交流电压，具有稳压、稳频性能，也称为稳压稳频电源。图图6.10 UPS基本结构原理图基本结构原理图14市电异常乃至停电时，蓄电池的直流电经逆变器变换为 恒频恒压交流电继续向负载供电，供电时间取决于蓄电池 容量的大小。为了保证长时间不间断供电，可采用柴油发电机（简称油机）作为后备电源。如图增加旁路电源系统，可使负载供电可靠性进一步提高。如图图图6.11 用柴油发电机作用柴油发电机作为后备电源的为后备电源的UPS 图图6.12 具有旁路电源系统的具有旁路电源系统的UPS 15UPS主电路结构主电路结构图是小容量UPS的主电路，整流部分使用二极管整流器和直流斩波器（PFC），可获得较高的交流输入功率因数，逆变器部分使用IGBT并采用PWM控制，可获得良好的控制性能。图所示为使用GTO的大容量UPS主电路。采用PWM控制的逆变器开关频率较低，通过多重化联结降低输出电压中的谐波分量。图图6.13 小容量小容量UPS主电路主电路 图图6.14 大功率大功率UPS主电路主电路 166.2 6.2 直直-交交-直组合变流电路直组合变流电路间接直流变流电路：先将直流逆变为交流，再整流为直流电，也称为直交直电路。图图6.15 6.15 间接直流变流电路的结构间接直流变流电路的结构 采用这种结构的变换原因：输出端与输入端需要隔离。某些应用中需要相互隔离的多路输出。输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1。交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。工作频率高于20kHz这一人耳的听觉极限，可避免变压器和电感产生噪音。17逆变电路通常使用全控型器件，整流电路中通常采用快恢复二极管、肖特基二极管或MOSFET构成的同步整流电路（Synchronous Rectifier）。间接直流变流电路分为单端(Single End)和双端(Double End)电路两大类。单端电路：变压器中流过的是直流脉动电流，如正激电路和反激电路。双端电路：变压器中的电流为正负对称的交流电流。如半桥、全桥和推挽电路。18单端电路单端电路1正激电路正激电路电路的工作过程电路的工作过程（电路图电路图 波形图波形图）开关S开通后，变压器绕组N1两端的电压为上正下负，与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负。因此VD1处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长；S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断。S关断后变压器的 励磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为。变压器的磁心复位：变压器的磁心复位：开关S开通后，变压器的激磁电流由零开始，随着时间的增加而线性的增长，直到S关断。为防止变压器的激磁电感饱和，必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。图图6.16 正激电路的原理图正激电路的原理图图图6.17 正激电路的理想化波形正激电路的理想化波形19变压器的磁心复位时间为（复位过程图复位过程图）输出电压：输出滤波电感电流连续的情况下：输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下:图图6.18 6.18 磁心复位过程磁心复位过程 20 2 2反激电路反激电路 反激电路及其工作波形分别如图和图所示。反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。工作过程：S开通后，VD处于断态，N1绕组的电流线性增长，电感储能增加；S关断后，N1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放。S关断后的电压为：图图6.19 6.19 反激电路原理图反激电路原理图图图6.20 反激电路的理想化波形反激电路的理想化波形21v反激电路的工作模式：反激电路的工作模式：电流连续模式：当S开通时，N2绕组中的电流尚未下降到零。输出电压关系：电流断续模式：S开通前，N2绕组中的电流已经下降到零。输出电压高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，因此反激电路不应工作于负载开路状态。22 6.2.2 双端电路双端电路1半桥电路半桥电路图图6.21 6.21 半桥电路原理图半桥电路原理图图图6.22 半桥电路的理想化波形半桥电路的理想化波形工作过程：工作过程：S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压。改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。23由于电容的隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。输出电压：输出电压：当滤波电感L的电流连续时：如果输出电感电流不连续，输出电压U0将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，图图6.21 6.21 半桥电路原理图半桥电路原理图图图6.22 半桥电路的理想化波形半桥电路的理想化波形24图图6.23 全桥电路原理图全桥电路原理图图图6.24 全桥电路的理想化波形全桥电路的理想化波形v工作过程：工作过程：全桥逆变电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。当S1与S4开通后，二极管VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升；S2与S3开通后，二极管VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降.S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。2全桥电路全桥电路 25如果S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流 分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可以在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。输出电压：输出电压：滤波电感电流连续时：输出电感电流断续时，输出电压Uo将高于式（8-5）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，图图6.23 全桥电路原理图全桥电路原理图图图6.24 全桥电路的理想化波形全桥电路的理想化波形263 推挽电路推挽电路图图6.25 推挽电路原理图推挽电路原理图图图6.26 推挽电路的理想化波形推挽电路的理想化波形v工作过程：工作过程：推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N1两端分别形成相位相反的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L的电流逐渐上升。S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L的电流也逐渐上升。当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui。S1和S2同时导通，相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通。27 输出电压：输出电压：滤波电感L电流连续时：输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下:28表表6-1为以上几种电路的相互比较。为以上几种电路的相互比较。294 全波整流和全桥整流全波整流和全桥整流双端电路中常用的整流电路形式为全波整流电路和全桥整流电路，其原理图如图所示。(a)全波整流电路全波整流电路 (b)全桥整流电路全桥整流电路图图6.27 全波整流电路和全桥整流电路原理图全波整流电路和全桥整流电路原理图 全波整流电路的特点全波整流电路的特点优点：电感L的电流只流过一个二极管，回路中只有一个二极管压降，损耗小，而且整流电路中只需要2个二极管，元件数较少。缺点：二极管断态时承受的反压是二倍的交流电压幅值，对器件耐压要求较高，而且变压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。适用场合：输出电压较低的情况下（100V）。30全桥电路的特点全桥电路的特点优点：二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值，变压器的绕组结构较为简单。缺点：电感L的电流流过两个二极管，回路中存在两个二极管压降，损耗较大，而且电路中需要4个二极管，元件数较多。适用场合：高压输出的情况下。同步整流电路：当电路的输出电压非常低时，可以采用同步整流电路，利用低电压MOSFET具有非常小的导通电阻的特性降低整流电路的导通损耗，进一步提高效率。图图6.28 同步整流电路原理图同步整流电路原理图31 6.2.3 开关电源开关电源如果间接直流变流电路输入端的直流电源是由交流电网整流得来，所构成的交直交直电路，通常被称为开关电源。由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节，变压器和滤波器都大大减小，体积和重量都远小于相控整流电源，此外，工作频率的提高还有利于控制性能的提高。32 电力电子技术的应用电力电子技术的应用典型的直流调速系统典型的直流调速系统 1.具有转速负反馈的晶闸管直流调速系统具有转速负反馈的晶闸管直流调速系统 图中Ld为平波电抗器。在此系统中，励磁电流保持恒值，调速是通过调节电动机电枢电压来实现的。比例调节器为控制环节，测速发电机和电位器RP2为检测和反馈环节（RP2调节反馈量），RP 1为给定电位器。图图6.29 具有转速负反馈的直流调速系统原理图具有转速负反馈的直流调速系统原理图33图图6.30 具有转速负反馈的直流调速系统组成框图具有转速负反馈的直流调速系统组成框图 图图6.31 具有转速负反馈的直流调速系统自动调节过程具有转速负反馈的直流调速系统自动调节过程 342.具有电压负反馈和电流正反馈的晶闸管直流调速系统具有电压负反馈和电流正反馈的晶闸管直流调速系统调节器的输入信号（亦即综合后的偏差电压）U（UsUfnUfi）（因各信号输入回路电阻均为R0）这样，当TL、n时，Ia、Ufi及Ufn，使 ，从而使输出电压Uo增加，转速n增加，起到了稳定转速的作用。35 3.转速、电流双闭环晶闸管直流调速系统转速、电流双闭环晶闸管直流调速系统图图6.32 转速、电流双闭环直流调速系统原理图转速、电流双闭环直流调速系统原理图36图图6.33 转速、电流双闭环直流调速系统的组成框图转速、电流双闭环直流调速系统的组成框图37图图6.35 速度环的自动调节过程速度环的自动调节过程图图6.34 电流环的自动调节过程电流环的自动调节过程38 直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统图图6.37 6.37 双极式双极式PWMPWM变换器电压和电变换器电压和电流波形流波形图图6.36 双极式双极式H型可逆型可逆PWM变换器电路原理图变换器电路原理图39直流脉宽调速系统具有以下优点：（1）主电路线路简单，需用的功率元件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；（4）系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强；（5）主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高；（6）直流电源采用不可控三相整流时，电网功率因数高。表表6-2 双极式和单极式可逆双极式和单极式可逆PWM变换器的比较（当负数较重时）变换器的比较（当负数较重时）406.3.2 变频器变频器1.变频器的基本构成变频器的基本构成图图6.38 交交-直直-交变频器的基本构成交变频器的基本构成M图图6.39 电压型变频器主电路电压型变频器主电路412.PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法冲量等效原理：冲量等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。因此，可以通过一定的控制方式，用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦波。表表6-3 电压型变频器主回路方式的比较电压型变频器主回路方式的比较42图单相桥式电压型逆变图单相桥式电压型逆变电路电路表表6-4 阻感阻感负载单负载单相相桥桥式式PWM逆逆变电变电路分析路分析（输输出出电压电压uo的正半周，的正半周，V1导导通，通，V3、V4交替交替导导通）通）43 4.PWM集成电路集成电路图图6.43 TL494的引脚排列的引脚排列表表6-5 6-5 TL494集成芯片各引脚的名称、功能和用法集成芯片各引脚的名称、功能和用法1）TL494脉脉宽调宽调制器集成制器集成电电路路44表表6-5 6-5 TL494集成芯片各引脚的名称、功能和用法集成芯片各引脚的名称、功能和用法图图6.43 TL494的引脚排列的引脚排列45 2）SG3525 BMOS电压型电压型PWM控制器集成电路控制器集成电路 图图6.45 SG3525的引脚排列的引脚排列 表表6-6 SG3525芯片各引脚的名称、功能和用法芯片各引脚的名称、功能和用法46表表6-6 SG3525芯片各引脚的名称、功能和用法芯片各引脚的名称、功能和用法图图6.45 SG3525的引脚排列的引脚排列 476.3.3 典型变频调速系统典型变频调速系统 1交交-直直-交电压型变频调速系统交电压型变频调速系统图图6.47 电压型逆变器频率开环调速系统电压型逆变器频率开环调速系统电压控制回路控制整流桥的输出直流电压大小，频率控制回路控制逆变桥的输出频率大小，使电动机定子得到变压变频的交流电。两个控制回路由一个转速给定环节控制。电压控制采用相位控制，改变晶闸管控制角a，即可控制整流桥的直流输出电压大小。电压闭环保证实际电压与给定电压大小一致，同时对前向通道上的扰动信号起抗扰作用。在电压调节器AVR前面设置函数发生器，是为了协调电压与频率的关系，以实现前述的控制方式。这里在额定频率以下实行E1/f1=常数；额定频率以上实行近似恒功率控制方式。频率控制是通过压频变换器、环行分配器、脉冲输出等环节，控制逆变桥晶闸管的开关频率。48 2交交-交变频调速系统交变频调速系统图图6.48 交交-交变频器的频率开环调速系统原理图交变频器的频率开环调速系统原理图给定器给出一频率给定信号 ，经A/D变换器输入计算机，计算机根据 的大小，按照某种控制规律，算出对应的电压给定值后，输出三个相位差120、幅值和频率分别与频率给定信号和电压给定 信号相同的正弦交流电压信号，经D/A变换器作为三个电压调节器AVR的给定电压信号 。当电压给定信号以一定频率和幅值周期性变化时，变频器输出端就向电动机提供与其对应的交流电，其电压大小与信号电压成正比，频率与信号频率相同。改变给定信号大小，即可使电动机得到变压变频的交流电源。-496.3.4 高压直流输电高压直流输电图图6.49 HVDC典型系统接线图典型系统接线图在远离用电负荷中心的发电站采用直流电（两根输电线）远距离输送同等功率的电能比采用交流电（三根输电线）更加经济。一般而言，直流架空输电线的等价距离约为480650km，若采用地下或海底电缆线路，其等价距离会更小（约为1030km）。由于高压电缆分布电容和充电功率的限制，长距离海底电缆交流输电几乎是不可能的，而直流方式比较适宜。图所示为用直流输电方式连接两个交流系统的典型框图，其中的两个交流电力系统都可能有各自的电源和负载。假定功率方向是从系统A指向系统B。系统A的交流母线电压将被升压到所要求的输电电压水平，然后由A端换流站整流，再经直流线路把电能送向B端。受电端B也有换流站，它把直流电逆变换成交流电，并通过变压器调整到系统B所需的电压等级。这样，从直流输电线传输来的电能经过系统B的交流输电配电线供给用户。506.3.5 静止无功补偿静止无功补偿 根椐所采用的电力电子器件，静止无功补偿装置分为两大类型：根椐所采用的电力电子器件，静止无功补偿装置分为两大类型：1、采用晶闸管开关的静止无功补偿装置：、采用晶闸管开关的静止无功补偿装置：1）晶闸管控制电抗器（）晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor TCR）2）晶闸管投切电容器（）晶闸管投切电容器（Thyristor SwitchedCapacitor TSC）2、采用自换相变流器的静止无功补偿装置：、采用自换相变流器的静止无功补偿装置：也即（静止无功发生器（也即（静止无功发生器（Static Var GeneratorSVG）或高级静）或高级静 止无功补偿装置（止无功补偿装置（AdTanced Static Var CompensatorASVC）。）。1、组成：、组成：由电力电子器件与储能元件构成。由电力电子器件与储能元件构成。2、特点：、特点：在于能快速调节容性和感性无功功率，实现动态补偿。在于能快速调节容性和感性无功功率，实现动态补偿。3、应用：、应用：常用于防止电网中部分冲击性负荷引起的电压波动干扰、重常用于防止电网中部分冲击性负荷引起的电压波动干扰、重负荷突然投切造成的无功功率强烈变化。负荷突然投切造成的无功功率强烈变化。51（1）晶闸管可控电抗器）晶闸管可控电抗器（TCR）基本原理：基本原理：TCR的基本原理图的基本原理图 TCR单相基本结构是两个反并联的晶闸管与一个电抗器串联，单相基本结构是两个反并联的晶闸管与一个电抗器串联，这样的电路并联到电网上，就相当于电感负载的交流调压电路结构。这样的电路并联到电网上，就相当于电感负载的交流调压电路结构。TCR工作原理和不同触发角时的工作波形与交流调压电路完全工作原理和不同触发角时的工作波形与交流调压电路完全相同。相同。52（2）晶闸管投切电容器（）晶闸管投切电容器（TSC）工作原理：工作原理：TSC单相机构及其控制系统原理图单相机构及其控制系统原理图 TSC由两个反并联的晶闸管构成的静态开关与电容器串联组成。工作由两个反并联的晶闸管构成的静态开关与电容器串联组成。工作时，时，TSC与电网并联，当控制电路检测到电网需要无功补偿时，触发晶闸与电网并联，当控制电路检测到电网需要无功补偿时，触发晶闸管静态开关并使之导通，这样，便将电容器接入电网，进行无功补偿；管静态开关并使之导通，这样，便将电容器接入电网，进行无功补偿；当电网不需要无功补偿时，关断晶闸管静态开关，从而切断电容器与电当电网不需要无功补偿时，关断晶闸管静态开关，从而切断电容器与电网的联接。网的联接。因此，因此，TSC实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿装置。装置。53 1、TSC主电路主电路 一般将电容器分成几组，每组均可由一般将电容器分成几组，每组均可由晶闸管投切，如图所示。电容器分组通常晶闸管投切，如图所示。电容器分组通常采用二进制方案，即采用采用二进制方案，即采用n-1个电容值为个电容值为C的电容和一个电容值为的电容和一个电容值为C/2的电容，这样的电容，这样的分组可以使组合成的电容值有的分组可以使组合成的电容值有2n级。级。TSC主电路主电路 2、零电压投入问题零电压投入问题 为为使使补补偿偿电电容容器器的的投投入入与与切切除除过过程程不不引引发发主主电电路路的的涌涌流流冲冲击击，必必须须选选择择准准备备投投入入的的电电容容器器上上的的电电压压为为电电网网线线电电压压的的正正或或负负峰峰值值且且电电压压极极性性相相同同的的时时刻刻，切切除除时时只只要要撤撤消消触触发发信信号号即即可，开关在电流过零之后会自行关断。可，开关在电流过零之后会自行关断。晶闸管电压过零触发电路晶闸管电压过零触发电路示意图示意图 54 3、电容器投切判据与信号检测电容器投切判据与信号检测 在图中设节点相电压为：在图中设节点相电压为：节点相电压与负载电流节点相电压与负载电流 负载电流为：负载电流为：上式中，上式中，ip(t)和和iq(t)分别为有功电流分量和无功电流分量。分别为有功电流分量和无功电流分量。当当t=2k时：时：可见，只要测量在相电压正向过零时刻的负载电流，就可见，只要测量在相电压正向过零时刻的负载电流，就可知对应的无功电流最大值可知对应的无功电流最大值IQM。这种无功电流检测方法简。这种无功电流检测方法简单、快速（在一个周期内只要采样一次）。单、快速（在一个周期内只要采样一次）。（1）以无功电流为投切判据）以无功电流为投切判据55（1）以无功电流为投切判据）以无功电流为投切判据 上上式式C即即为为全全补补偿偿所所需需投投切切的的电电容容量量，C为为负负值值，则则是是切切除除相相应容量的电容器；反之，则应投入相应容量的电容器。应容量的电容器；反之，则应投入相应容量的电容器。图中，电压信号经滤波后由过零脉冲发生电路产生相电压，正图中，电压信号经滤波后由过零脉冲发生电路产生相电压，正向过零脉冲信号，作为采样保持器的采样开关信号，于是采样保持向过零脉冲信号，作为采样保持器的采样开关信号，于是采样保持器的输出就是无功电流幅值。器的输出就是无功电流幅值。前图中，前图中，iL=ic+is ，如果使，如果使iq=ic，则实现了完全补偿。，则实现了完全补偿。无功电流为投切无功电流为投切 判据的判据的检测电路原理图检测电路原理图 由由和和可得可得56（2）以无功功率为投切判据）以无功功率为投切判据 可让单片机通过可让单片机通过/转换同时对和信号在转换同时对和信号在一个周期内进行次采样，得到一个周期内进行次采样，得到 2个数据，由个数据，由此进行下述离散运算得到此进行下述离散运算得到UBC、IA和和PBC：l 对于对称三相补偿，只要取任意两相电压对于对称三相补偿，只要取任意两相电压（线电压）和另一相电流，就可测得无功功率。（线电压）和另一相电流，就可测得无功功率。检测检测A相电流相电流 和和BC相线电相线电压向量图压向量图l由于由于PBC=UBCIAsin，则功率因数为则功率因数为:574、控制器原理框图控制器原理框图 TSC控制器原理框图控制器原理框图 l TSC的控制器主要由单片机、键盘接口电路、液晶显示接口的控制器主要由单片机、键盘接口电路、液晶显示接口电路、数据存储器、同步电压检测、电压电流和频率检测，还有电路、数据存储器、同步电压检测、电压电流和频率检测，还有触发电路等部分组成。该控制器硬件的原理方框图如图所示。触发电路等部分组成。该控制器硬件的原理方框图如图所示。58 6.3.6 静止无功发生器静止无功发生器工作原理工作原理 SVG基本电路结构基本电路结构 适当调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，就可以使该电适当调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。下图给出了采用自换相电压型桥式的下图给出了采用自换相电压型桥式的SVG基本电路结构。基本电路结构。1SVG补偿原理补偿原理59 工作原理工作原理 SVG等效电路及其工作原理等效电路及其工作原理 通过同步电路控制，使通过同步电路控制，使 与与 同频同相，然后改变同频同相，然后改变 的幅值大的幅值大小即可以控制小即可以控制SVG从电网吸收的电流是超前还是滞后从电网吸收的电流是超前还是滞后90，并且还能控制，并且还能控制该电流的大小。该电流的大小。仅考虑基波频率时仅考虑基波频率时 SVG工作原理可以用图（工作原理可以用图（a）所示的单相等效电）所示的单相等效电路来说明。路来说明。当当 大大于于 时时，电电流流超超前前电电压压90，SVG吸吸收收容容性无功功率；性无功功率；当当 小小于于 时时，电电流流滞滞后后电电压压90，SVG吸吸收收感感性无功功率。性无功功率。60 6.3.7 有源电力滤波器有源电力滤波器1电力系统谐波及其抑制电力系统谐波及其抑制并联无源滤波器电路结构简单、初期投资少、运行可靠、维护方便，但由于其滤波特性受系统阻抗的影响，不能适应系统频率变化或系统运行方式的改变。并且，元件参数随环境温度变化而变化，出现失谐现象；此外，还可能发生并联谐振产生谐波放大等问题；由于本身存在的阻尼作用，对波动或快速变化谐波更是无能为力。70年代初有专家提出具有功率处理能力的有源谐波补偿原理，但当时受到器件技术和控制电路技术的限制，一直处在实验室研究阶段。近十几年来随着功率器件水平的长足进步，瞬时无功功率理论和PWM控制技术的不断发展，有源电力滤波器已进人到工业实际应用的新时期。随着系统中非线性特殊负荷日益增多，特别是近年来高度非线性电力电子设备的广泛应用，虽然它们为工业生产用电带来了高效、可控的功率变换和能量调节等好处，但高速开关器件的通断除使系统因无功功率急剧变化引起电压波动和闪变外，还造成电压和电流波形的严重畸变，危害用电设备和通讯系统的稳定运行，谐波污染已成为电力系统一项不容忽视的问题。世界上许多国家已经制定出限制标准，并采取了各种有效的抑制措施。612有源谐波补偿原理有源谐波补偿原理有源电力滤波器与被补偿负荷间的连接形式分串联型和并联型两种。串联型有源滤波器是为改善无源滤波器的滤波特性而提出的，它必须与并联无源滤波器共同使用。由于串联有源滤波电路在基波频率下阻抗为零，在谐波频率下阻抗极高，它相当于一个随频率可调的阻抗电路。因此串联型有源滤波器实际上是谐波隔离器，起到阻断负荷谐波电流注入系统，同时又起到隔离电源侧谐波电压对负荷侧影响的作用。62图图6.59 并联型有源滤波基本原理并联型有源滤波基本原理图图6.60 谐波补偿波形谐波补偿波形 并并联联型有源型有源滤滤波器波器是工业采用较多的一种形式。补偿补偿原理：原理：如图和图。图中的负荷具有非线性特性，它除了从系统吸取基波电流外，还向系统注入高次谐波电流，即iL=（iL）1（iL）k如果电源电压为正弦三相平衡系统，则有源滤波器补偿电流应与负荷高次谐波电流波形相同而方向相反，即ic=一（iL）k。也就是说，若利用开关型逆变器跟踪输出等量反向的补偿电流，则由负荷产生的谐波电流就会被有源滤波器抵消，而不会注入系统造成电网公害。如果做到补偿电流等于基波无功分量与谐波分量的和，则系统电源仅需提供基波有功分量其理想补偿波形如图所示633APF主电路及其控制主电路及其控制图图6.61 电流源型有源滤波器主电路电流源型有源滤波器主电路 图电压源型有源滤波器主电路图电压源型有源滤波器主电路 图和图给出了两种并联型有源滤波器主电路根据逆变器直流侧交换能量的储能元件不同，分为采用电感的电流源型和采用电容的电压源型电压源型是目前采用较多的一种这是因为比起电流源型它有初期投资少，工作效率高，开关器件功率损耗小等优点电压源型直流侧电容上电压，可通过控制信号从交流电源取用少量的有功功率来补偿，便于保持恒定 高次谐波电流的检测方法常用的有三种：简单有效的带阻滤波器，用它阻断基波分量从而获得欲抵消的总谐波分量；利用多组带通滤波或FFT变换，将谐波分量分解出来，继而合成为补偿电流；目前采用最多的是瞬时矢量控制算法APF。64图图6.63 APF控制过程框图控制过程框图APF控制控制过过程程原理框图如所示。其基本控制过程为：将三相电压uA，B，C）和电流iA，B，C）运用瞬时矢量控制算法变换为瞬时实功率pL和瞬时虚功率qL，经过数字滤波和逆变换得到谐波补偿电流控制指令 ，进而将补偿信号与三角形载波信号进行比较，形成PWM逆变器开关动作信号，产生欲控制的功率量。取不同的瞬时功率控制指令，有源滤波器有不同的补偿功能。换言之，它不仅补偿高频谐波电流，还可根据要求补偿无功功率和负序分量等，因此也有专家将其称为有源电力调节器。65本章小结本章小结 1)掌握电压型和电流型交掌握电压型和电流型交-直直-交组合变流电路的各种构成方式及特点。交组合变流电路的各种构成方式及特点。2)常见的直常见的直-交交-直组合变换电路可以分为单端和双端电路两大类。单端直组合变换电路可以分为单端和双端电路两大类。单端电路包括正激和反激两类；双端电路包括全桥、半桥和推挽三类。掌握每电路包括正激和反激两类；双端电路包括全桥、半桥和推挽三类。掌握每一类电路可能具有的不同的拓扑形式或控制方法。一类电路可能具有的不同的拓扑形式或控制方法。3)将交将交-直直-交组合变流电路用作交组合变流电路用作VVVF变频器时，需要视其用途，选择与变频器时，需要视其用途，选择与控制方式相适应的系统。重点理解恒压频比控制方法，并了解转差频率控控制方式相适应的系统。重点理解恒压频比控制方法，并了解转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等控制方法。制、矢量控制、直接转矩控制等控制方法。4)CVCF交流电路主要用于交流电路主要用于UPS，应掌握其基本构成方式、特点及主，应掌握其基本构成方式、特点及主电