第7章-电力电子装置总结优秀PPT.ppt

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1、第第7章章 电力电子装置电力电子装置7.1 开关电源开关电源7.2 有源功率因数校正有源功率因数校正 7.3 不间断电源（不间断电源（UPS）7.4 静止无功补偿装置静止无功补偿装置7.5 变频调速装置变频调速装置7.6 电力电子系统牢靠性概述电力电子系统牢靠性概述 指起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的指起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的直流稳压电源。直流稳压电源。稳压电源：稳压电源：通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。简称开关电源简称开关电源(Switching Power Supply)(Switching Power Supply)，指

2、起电压，指起电压调整功能的器件始终以开关方式工作的一种直流稳压电源。调整功能的器件始终以开关方式工作的一种直流稳压电源。1 1、线性稳压电源：、线性稳压电源：2 2、开关稳压电源：、开关稳压电源：7.1.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理1 1、线性稳压电源：、线性稳压电源：优点：优良的纹波及动态响应特性；优点：优良的纹波及动态响应特性；缺点：（缺点：（1）输入接受）输入接受50Hz工频变压器，体积浩大；工频变压器，体积浩大；（2）电压调整器件工作在线性放大区内）电压调整器件工作在线性放大区内,损耗大损耗大,效率低；效率低；（3）过载实力差。过载实力差。图图7.1.1线性稳压电源方框图线

3、性稳压电源方框图7.1.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理2 2、开关电源、开关电源：50Hz单相沟通单相沟通220V电压或三相沟通电压或三相沟通220V/380V电压经电压经EMI防电磁干扰电源滤波器，干防电磁干扰电源滤波器，干脆整流滤波，然后再将滤波后的直流电压经变换电脆整流滤波，然后再将滤波后的直流电压经变换电路变换为数十或数百路变换为数十或数百kHz的高频方波或准方波电压，的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压通过高频变压器隔离并降压(或升压或升压)后，再经高频后，再经高频整流、滤波电路，最终输出直流电压。通过取样、整流、滤波电路，最终输出直流电压。通过取样、比较、放大

4、及限制、驱动电路，限制变换器中功率比较、放大及限制、驱动电路，限制变换器中功率开关管的占空比，便能得到稳定的输出电压。开关管的占空比，便能得到稳定的输出电压。图图7.1.2开关电源原理框图开关电源原理框图工作原理：工作原理：7.1.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理图图7.1.2开关电源原理框图开关电源原理框图开关管占空比定义为：开关管占空比定义为：D=Ton/Ts；其中其中Ts为开关管的开关周期为开关管的开关周期,Ton为一个周期内导通用时间为一个周期内导通用时间。两种变更占空比的限制方式两种变更占空比的限制方式：1）脉冲宽度调制限制）脉冲宽度调制限制(PWM)7.1.1 开关电源的工

5、作原理开关电源的工作原理2 2、开关电源、开关电源：2）脉冲频率调制限制）脉冲频率调制限制(PFM)图图7.1.3PWM限制方式限制方式1）脉冲宽度限制：脉冲宽度限制：保持开关频率保持开关频率(开关周期开关周期Ts)不变，通过变更不变，通过变更Ton来变更来变更占空比占空比D，从而达到变更输出电压的目的。，从而达到变更输出电压的目的。假如占空比D越大，则经滤波 后的输出电压也就越高。保持导通时间保持导通时间Ton不变，通过变更开关频率不变，通过变更开关频率(即开关周期即开关周期)而达到变更占空比的目的。而达到变更占空比的目的。p 工作频率不固定，造成滤波器设计困难。工作频率不固定，造成滤波器设

6、计困难。7.1.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理2）脉冲频率限制：）脉冲频率限制：开关电源优点：开关电源优点：（1）功耗小、效率高。）功耗小、效率高。（2）体积小、重量轻。）体积小、重量轻。（3）稳压范围宽。）稳压范围宽。（4）电路形式敏捷多样。）电路形式敏捷多样。开关电源缺点：开关电源缺点：开关电源缺点：开关电源缺点：主要是存在开关噪声干扰。主要是存在开关噪声干扰。7.1.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理7.1.2 开关电源的应用开关电源的应用 1、开关电源的应用、开关电源的应用图图7.1.4直流操作电源电路原理图直流操作电源电路原理图 主电路接受半桥变换电路，额定输出直流电

7、压为220V，输出电流为10A。2、各功能块的具体电路简介：、各功能块的具体电路简介：(1)沟通进线滤波器沟通进线滤波器图图7.1.5沟通进线沟通进线EMI滤波器滤波器 该滤波器能同时抑制共模和差模干扰信号。该滤波器能同时抑制共模和差模干扰信号。电路结构：电路结构：Cc1、Lc和和Cc2构成的低通滤波器用来抑制共模干构成的低通滤波器用来抑制共模干扰信号，其中扰信号，其中Lc称为共模电感，其两组线圈匝数相等，但绕向称为共模电感，其两组线圈匝数相等，但绕向相反，对差模信号的阻抗为零，而对相反，对差模信号的阻抗为零，而对共模信号产生很大的阻抗。共模信号产生很大的阻抗。Cd1、Ld和和Cd2构成的低通

8、滤波器构成的低通滤波器则用来抑制差模干扰信号。则用来抑制差模干扰信号。作用：作用：防止开关电源产生的噪声进入电网，或者防止电网的防止开关电源产生的噪声进入电网，或者防止电网的噪声进入开关电源内部，干扰开关电源的正常工作。噪声进入开关电源内部，干扰开关电源的正常工作。7.1.2 开关电源的应用开关电源的应用(2)启动浪涌电流抑制电路启动浪涌电流抑制电路 小功率电源：在整流桥的直小功率电源：在整流桥的直流侧和滤波电容之间串联具有负流侧和滤波电容之间串联具有负温度系数的热敏电阻。温度系数的热敏电阻。大功率电路：将上述热敏电阻换成一般电阻，同时在电阻的两端并接晶闸管开关。(3)输出整流电输出整流电路路

9、 小功率电源通常接受半波整流电路，而对于大功率电源则接受全波或桥式整流电路。启动浪涌电流抑制启动浪涌电流抑制电路电路限流电阻限流电阻启动浪涌电流抑制电路启动浪涌电流抑制电路 输出整流电路输出整流电路半波整流半波整流7.1.2 开关电源的应用开关电源的应用 PWM限制器限制器SG3525引脚说明引脚说明图图7.1.6SG3525的内部结构的内部结构脚：误差放大器反相输入端；脚：误差放大器反相输入端；脚：误差放脚：误差放大器同相输入端；大器同相输入端；脚：同步信号输入端，同步脉冲的频率应比脚：同步信号输入端，同步脉冲的频率应比振荡器频率振荡器频率fS要低一些；要低一些；脚：振荡器输出；脚：振荡器输

10、出；脚：振荡器外接定时电阻脚：振荡器外接定时电阻RT端，端，RT值为值为2k150k；脚：振荡器外接电容脚：振荡器外接电容CT端，振荡器频率为端，振荡器频率为fS1/CT(0.7RT+3R0);其中其中R0为为脚与脚与脚之间脚之间跨接的电阻，用来调整死区时间，定时电容范跨接的电阻，用来调整死区时间，定时电容范围为围为0.001F0.1F；脚：振荡器放电端，外接电阻来限制死区时脚：振荡器放电端，外接电阻来限制死区时间，电阻范围为间，电阻范围为0500；脚：软起动端，外接软起动电容，该电容由脚：软起动端，外接软起动电容，该电容由内部内部Uref的的50A恒流源充电。恒流源充电。脚：误差放大器的输出

11、端；脚：误差放大器的输出端；脚：脚：PWM信号封锁端，该脚为高电平常，信号封锁端，该脚为高电平常，输出驱动脉冲信号被封锁输出驱动脉冲信号被封锁,用于故障爱护；用于故障爱护；脚：脚：A路驱动信号输出；路驱动信号输出；脚：接地脚：接地;脚：输出级集电极电压；脚：输出级集电极电压；脚：脚：B路驱动信号输出；路驱动信号输出；脚：电源，其范围因为脚：电源，其范围因为8V35V；脚：内部脚：内部+5V基准电压输出。基准电压输出。7.1.2 开关电源的应用开关电源的应用(4)限制电路（限制电路（SG3525）该开关电源接受双环限制方式，电压环为外环限制，电流环为内环限制。输出电压的反馈信号UOF与电压给定信

12、号UOG相减，其误差信号经PI调整器后形成输出电感的电流给定，再与电感电流的反馈信号IOF相减得电流误差信号，经PI调整器后送入PWM限制器SG3525，然后与限制器内部三角波比较形成PWM信号。该PWM信号再通过驱动电路去驱动主电路IGBT。(5)IGBT驱动电路驱动电路 该驱动模块为混合集成电路，将IGBT的驱动和过流爱护集于一体，能驱动电压为600V和1200V系列电流容量不大于400AIGBT。图图7.1.7IGBT驱动电路驱动电路7.1.2 开关电源的应用开关电源的应用 7.2 有源功率因数校正有源功率因数校正 电网谐波电流不仅引起变压器和供电线路过热，降电网谐波电流不仅引起变压器和

13、供电线路过热，降低电器的额定值，并且产生电磁干扰，影响其他电子低电器的额定值，并且产生电磁干扰，影响其他电子设备正常运行。设备正常运行。1、接受无源校正抑制谐波、接受无源校正抑制谐波:2）电网阻抗或频率发生变更时，滤波效果不能保证，）电网阻抗或频率发生变更时，滤波效果不能保证，动态特性差。动态特性差。3）可能会与电网阻抗发生并联谐振，将谐波电流放大，）可能会与电网阻抗发生并联谐振，将谐波电流放大，从而导致系统无法正常工作。从而导致系统无法正常工作。4）LC滤波器体积浩大。滤波器体积浩大。特点：特点：1 1）方法简洁牢靠，并且在稳态条件下不产生电磁干扰。）方法简洁牢靠，并且在稳态条件下不产生电磁

14、干扰。(在主电路中串入无源在主电路中串入无源LC滤波器滤波器)7.2 有源功率因数校正有源功率因数校正 与无源校正抑制谐波的区分：与无源校正抑制谐波的区分：能进一步抑制装置的低次谐波，提高装置的功率因数。能进一步抑制装置的低次谐波，提高装置的功率因数。与一般的开关电源的区分：与一般的开关电源的区分：（1）PFC电路不仅反馈输出电压，还反馈输入平均电流；电路不仅反馈输出电压，还反馈输入平均电流；（2）PFC电路的电流环基准信号为电压环误差信号与全电路的电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号的乘积。波整流电压取样信号的乘积。1）特点：）特点：2、有源功率因数校正电路（、有源功率因数校

15、正电路（PFC）2）工作原理：）工作原理：有源功率因数校正技术有源功率因数校正技术(Actite Power Filter Correction(Actite Power Filter Correction，简称简称APFCAPFC或或PFC)PFC)就是在传统的整流电路中加入有源开关，就是在传统的整流电路中加入有源开关，通过限制有源开关的通断来强迫输入电流跟随输入电压的通过限制有源开关的通断来强迫输入电流跟随输入电压的变更，从而获得接近正弦波的输入电流和接近变更，从而获得接近正弦波的输入电流和接近1 1的功率因数。的功率因数。7.1 PFC技术的工作原理技术的工作原理 图图7.2.1Boos

16、tPFC电路电路主电路由单相桥式整流电路和主电路由单相桥式整流电路和Boost变换电路组成，虚变换电路组成，虚线框内为限制电路，包含电压误差放大器线框内为限制电路，包含电压误差放大器VA及基准电压及基准电压Ur，乘法器，电流误差放大器乘法器，电流误差放大器CA，脉宽调制器和驱动电路。，脉宽调制器和驱动电路。输出电压Uo和基准电压Ur比较后，误差信号经电压误差放大器VA以后送入乘法器M，与全波整流电压取样信号相乘以后形成基准电流信号。基准电流信号与电流反馈信号相减，误差信号经电流误差放大器CA后再与锯齿波相比较形成PWM信号，然后经驱动电路限制主电路开关S的通断，使电流跟踪基准电流信号变更。工作

17、原理：工作原理：图图7.2.2UC3854内部结构框图内部结构框图 UC3854包含电压放大器包含电压放大器VA，模拟乘法，模拟乘法/除法器除法器M，电流放大器电流放大器CA，固定频率，固定频率PWM脉宽调制器，功率脉宽调制器，功率MOSFET的门极驱动电路，的门极驱动电路，7.5V基准电压等基准电压等。7.2 PFC集成限制电路集成限制电路UC3854及其应用及其应用 图图7.2.3输出功率为输出功率为250W时时由由UC3854构成的构成的PFC电路原理图电路原理图 限制芯片UC3854适用的功率范围比较宽，5KW以下的单相boost-PFC电路均可以接受该芯片作为限制器。输出功率不同时，

18、只需变更主电路中的电感L1和电流检测电阻RS、限制电路中的电流限制环参数。输出电压输出电压Uo由下式确定：由下式确定：7.2 PFC集成限制电路集成限制电路UC3854及其应用及其应用 7.3 不间断电源不间断电源 UninterrupitablePowerSystem,简称简称UPSUPS电电源源装装置置在在保保证证不不间间断断供供电电的的同同时时，还还能能供供应应稳压、稳频和波形失真度微小的高质量正弦波电源。稳压、稳频和波形失真度微小的高质量正弦波电源。目目前前，在在计计算算机机网网络络系系统统、邮邮电电通通信信、银银行行证证劵劵、电电力力系系统统、工工业业限限制制、医医疗疗、交交通通、航

19、航空空等等领领域域得得到到广泛应用。广泛应用。不间断电源：不间断电源：1、后备式、后备式UPS依据工作方式，依据工作方式，UPS电源分电源分：图图7.3.1后备式后备式UPS的基本结构的基本结构 市电存在时，逆变器不工作，市电经沟通稳压器稳压后，向负载供电，同时充电器工作，对蓄电池组浮充电。市电掉电时，逆变器工作，将蓄电池供应的直流电压变换成稳压、稳频的沟通电压，接着向负载供电。输出电压波形有输出电压波形有方波方波、准方波准方波和和正弦波正弦波三种方式。三种方式。特点：结构简洁、成本低、运行效率高、价格便宜，但其输出电压稳压精度差，市电掉电时，输出有转换时间。适于小功率。7.3.1UPS的分类

20、的分类 2、在线式、在线式UPS 图图7.3.2在线式在线式UPS的基本结构的基本结构 正常工作时，市电经整流器变成直流后，再经逆变器变换成稳压、稳频的正弦波沟通电压供应负载。当市电掉电时，由蓄电池组向逆变器供电，以保证负载不间断供电。假如逆变器发生故障，UPS则通过静态开关切换到旁路，干脆由市电供电。当故障消逝后，UPS又重新切换到由逆变器向负载供电。特点：特点：总是处于稳压、稳频供电总是处于稳压、稳频供电状态，输出电压动态响应特性好，状态，输出电压动态响应特性好，波形畸变小，其供电质量明显优于波形畸变小，其供电质量明显优于后备式后备式UPS。7.3.1UPS的分类的分类 7.3.2UPS电

21、源中的整流器电源中的整流器 1）对于小功率UPS，整流器一般接受二极管整流电路，它的作用是向逆变器供应直流电源。蓄电池充电由特地的充电器来完成。2）对于中大功率UPS，整流器一般接受相控式整流电路，它具有双重功能，在向逆变器供应直流电源的同时，还要向蓄电池进行充电。因此，整流器的输出电压必需是可控的。3）削减）削减UPS注入电网的谐波电流的方法：注入电网的谐波电流的方法：（1）增加整流电路的相数）增加整流电路的相数；（2）在整流器的输入侧增加有源或无源滤波器）在整流器的输入侧增加有源或无源滤波器。4）目前，比较先进的UPS接受PWM整流电路，可以做到注入电网的电流基本接近正弦波，使其功率因数接

22、近1，大大降低了UPS对电网的谐波污染。概述：概述：工作原理工作原理图图7.3.3单相单相PWM整流电路的原理框图整流电路的原理框图 在PWM整流电路的沟通输入端AB产生一个正弦波调制PWM波uAB，uAB中除了含有与电源同频率的基波重量外，还含有与开关频率有关的高次谐波。由于电感Ls的滤波作用，这些高次谐波电压只会使沟通电流is产生很小的脉动。假如忽视这种脉动，is为频率与电源频率相同的正弦波。在沟通电源电压us确定时，is的幅值和相位由uAB中基波重量的幅值及其与us的相位差确定。变更uAB中基波重量的幅值和相位，就可以使is与us同相位，电路工作在整流状态，且功率因数为1。7.3.2PW

23、M整流电路整流电路 直流输出电压给定信号Ud*和实际的直流 电压Ud比较后送入PI调整器，PI调整器的输出即为整流器沟通输入电流的幅值，它与标准正弦波相乘后形成沟通输入电流的给定信号is*，is*与实际的沟通输入电流is进行比较，误差信号经比例调整器放大后送入比较器，再与三角载波信号比较形成PWM信号。该PWM信号经驱动电路后去驱动主电路开关器件，便可使实际的沟通输入电流跟踪指令值，从而达到限制输出电压的目的。图图7.3.4干脆电流限制系统结构图干脆电流限制系统结构图7.3.2PWM整流电路整流电路 单相单相PWMPWM整流电路接受干脆电流限制时的限制系统结构简图整流电路接受干脆电流限制时的限

24、制系统结构简图 通常接受输出电压谐波系数HF来恒量UPS输出电压的波形质量的好坏。电压谐波系数定义为：式中：U1为输出电压基波重量的有效值，Un为谐波重量的有效值。正弦波输出UPS通常接受SPWM逆变器。下面以单相输出UPS为例，分析逆变器的工作原理。HF越小，则说明越小，则说明UPS输出电压波形越接近志向的正弦波。输出电压波形越接近志向的正弦波。7.3.3UPS电源中的逆变器电源中的逆变器图图7.3.5 UPS7.3.5 UPS逆变器及其限制原理框图逆变器及其限制原理框图 主电路接受全桥逆变电路，对于小功率主电路接受全桥逆变电路，对于小功率UPSUPS，开关器件一般为，开关器件一般为MOSF

25、ETMOSFET，而对于大功率，而对于大功率UPSUPS，则接受，则接受IGBTIGBT。为滤去开关频率噪声，输出。为滤去开关频率噪声，输出接受接受LCLC滤波电路，因为开关频率一般大于滤波电路，因为开关频率一般大于20kHz20kHz，因此，接受较小的，因此，接受较小的LCLC滤波器。输出隔离变压器实现逆变器与负载隔离，避开它们之间电的滤波器。输出隔离变压器实现逆变器与负载隔离，避开它们之间电的干脆联系，从而削减干扰。干脆联系，从而削减干扰。1 1、电路结构：、电路结构：7.3.3UPS电源中的逆变器电源中的逆变器图图7.3.5 UPS7.3.5 UPS逆变器及其限制原理框图逆变器及其限制原

26、理框图 市市电电us经经同同步步锁锁相相电电路路得得到到与与市市电电同同步步的的50Hz方方波波，将将其其输输入入标标准准正正弦弦波波发发生生器器，便便产产生生与与市市电电同同步步的的标标准准正正弦弦波波信信号号。该该信信号号与与输输出出有有效效值值调调整整器器的的输输出出相相乘乘后后得得到到输输出出电电压压瞬瞬时时值值给给定定信信号号u*，再再与与输输出出电电压压瞬瞬时时值值反反馈馈信信号号uf相相减减，误误差差信信号号经经P调调整整器器后后，再再与与三三角角载载波波信信号号相相比比较较，得得到到PWM信信号号，该该信信号号经经驱驱动动动动电电路路后后分分别别去去驱驱动动主主电路的开关器件，

27、从而达到限制输出电压的目的。电路的开关器件，从而达到限制输出电压的目的。7.3.3UPS电源中的逆变器电源中的逆变器 2 2、工作原理：、工作原理：为了进一步提高UPS电源的牢靠性，在线式UPS均装有静态开关，将市电作为UPS的后备电源，在UPS发生故障或维护检修时，无间断地将负载切换到市电上，由市电干脆供电。图图7.3.6单相输出单相输出UPS的的 静态开关原理图静态开关原理图 1 1）同步切换：先通后断；）同步切换：先通后断；2 2）非同步切换）非同步切换：先断后通先断后通；1 1、工作原理：、工作原理：一只晶闸管用于通过正半一只晶闸管用于通过正半周电流，另一只晶闸管则周电流，另一只晶闸管

28、则用于通过负半周电流。用于通过负半周电流。2 2、电路结构：、电路结构：3 3、静态开关的切换方式：、静态开关的切换方式：静态开关的主电路一般由两只晶闸管开关反并联组成，静态开关的主电路一般由两只晶闸管开关反并联组成，7.3.4UPS的静态开关的静态开关 图图7.3.6单相输出单相输出UPS的静态开关原理图的静态开关原理图 切换时，首先触发静态开关切换时，首先触发静态开关2 2，使之导通，然后再封锁静态开关，使之导通，然后再封锁静态开关1 1的触发脉冲，因此，静态开关的触发脉冲，因此，静态开关1 1和静态开关和静态开关2 2同时导通，此时，市电和同时导通，此时，市电和逆变器同时向负载供电。逆变

29、器同时向负载供电。3 3、静态开关的切换方式：、静态开关的切换方式：1 1）同步切换：先通后断）同步切换：先通后断（1）能保证在切换的过程中供电）能保证在切换的过程中供电不间断。不间断。（2）在切换的过程中，逆变器必）在切换的过程中，逆变器必需跟踪市电的频率、相位和幅值。防需跟踪市电的频率、相位和幅值。防止产生环流，烧坏逆变器。止产生环流，烧坏逆变器。工作原理：工作原理：特特 点：点：7.3.4UPS的静态开关的静态开关 7.3.4UPS的静态开关的静态开关 图图7.3.6单相输出单相输出UPS的静态开关原理图的静态开关原理图 先封锁正在导通的静态先封锁正在导通的静态开关触发脉冲，延迟一段时开

30、关触发脉冲，延迟一段时间，待导通的静态开关关断间，待导通的静态开关关断后，再触发另外一路静态开后，再触发另外一路静态开关。关。3 3、静态开关的切换方式：、静态开关的切换方式：2 2）非同步切换）非同步切换 ：先断后通：先断后通 会造成负载短时间断电。会造成负载短时间断电。工作原理：工作原理：特特 点：点：7.4静止无功补偿装置静止无功补偿装置根椐所接受的电力电子器件，静止无功补偿装置分为两大类型：根椐所接受的电力电子器件，静止无功补偿装置分为两大类型：1、接受晶闸管开关的静止无功补偿装置：、接受晶闸管开关的静止无功补偿装置：1）晶闸管限制电抗器（）晶闸管限制电抗器（ThyristorCont

31、rolledReactorTCR）2）晶闸管投切电容器（）晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchedCapacitorTSC）2、接受自换相变流器的静止无功补偿装置：、接受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（StaticVarGeneratorSVG）或高级静）或高级静止无功补偿装置（止无功补偿装置（AdtancedStaticVarCompensatorASVC）。）。1、组成：由电力电子器件与储能元件构成。、组成：由电力电子器件与储能元件构成。2、特点：在于能快速调整容性和感性无功功率，实现动态补偿。、特点：在于能快速调整容性和感性无功功率

32、，实现动态补偿。3、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、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、重负荷突然投切造成的无功功率猛烈变更。负荷突然投切造成的无功功率猛烈变更。（StaticVarCompensatorSVC）7.4.1晶闸管限制电抗器晶闸管限制电抗器(TCR)基本原理：基本原理：图图7.4.1TCR的基本原理图的基本原理图其单相基本结构是两个反并联的晶闸管与一个其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，就相当于电抗器串联，这样的电路并联到电网上，就相当于电感负载的沟通调压电路结构。电感负载的沟通调压电路结构。

33、其工作原理和不同触发角时的工作波形与沟通其工作原理和不同触发角时的工作波形与沟通调压电路完全相同。调压电路完全相同。工作原理：工作原理：图图7.4.2 TSC7.4.2 TSC单相机构及其限制系统原理图单相机构及其限制系统原理图 工作时，工作时，TSCTSC与电网并联，当限制电路检测到电网须要无与电网并联，当限制电路检测到电网须要无功补偿时，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；当电网不须要无功补偿时，容器接入电网，进行无功补偿；当电网不须要无功补偿时，关断晶闸管静态开关，从而切断电容器与电网的联接。关断晶闸管

34、静态开关，从而切断电容器与电网的联接。因此，因此，TSCTSC事实上就是断续可调的吸取容性无功功率的动事实上就是断续可调的吸取容性无功功率的动态无功补偿装置。态无功补偿装置。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。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。7.4.2晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器(TSC)1、TSC主电路主电路 一般将电容器分成几组，每组均可由晶闸管投切，如图7.4.3所示。电容器分组通常接受二进制方案，即接受n-1个电容值为C的电容和一个电容值为C/2的电容，这样的分组可以使组合成的电容值有2n级。图图7.4.3TSC主电路主电路 2、零电压投入

35、问题零电压投入问题 为使补偿电容器的投入与切除过程不引发主电路的涌流冲击，必需选择准备投入的电容器上的电压为电网线电压的正或负峰值且电压极性相同的时刻，切除时只要撤消触发信号即可，开关在电流过零之后会自行关断。图图7.4.4晶闸管电压过晶闸管电压过 零触发电路示意图零触发电路示意图7.4.2晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器(TSC)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：图图7.4.5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，ip(t)和iq(t)分别为有功电流重量和无功电流重量。当t=2k时：可见，只要

36、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IQM。这种无功电流检测方法简洁、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7.4.2晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器(TSC)（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8.4.6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，于是采样保持器的

37、输出就是无功电流幅值。图7.4.5中，iL=ic+is ，假如使iq=ic，则实现了完全补偿。图图7.4.6无功电流为投切无功电流为投切判据的检测电路原理图判据的检测电路原理图由由和和可得可得7.4.2晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器(TSC)（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一个转换同时对和信号在一个周期内进行次采样，得到周期内进行次采样，得到2个数据，由此进行下个数据，由此进行下述离散运算得到述离散运算得到UBC、IA和和PBC：l对于对称三相补偿，只要取随意两相电压对于对称三相补偿，只要取随意两相电压（线电压）和另一相电流，

38、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。ll图图检测检测A相电流相电流l和和BC相线电压向量图相线电压向量图l由于由于PBC=UBCIAsin，则功率因数为则功率因数为:7.4.2晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器(TSC)4、限制器原理框图、限制器原理框图 7.4.2晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器(TSC)图图7.4.8 TSC7.4.8 TSC限制器原理框限制器原理框图图 lTSC的限制器主要由单片机、键盘接口电路、液晶显示接口电路、的限制器主要由单片机、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，还有触发电路等数据存储器、同步电压检测

39、、电压电流和频率检测，还有触发电路等部分组成。该限制器硬件的原理方框图如图部分组成。该限制器硬件的原理方框图如图7.4.8所示。所示。工作原理工作原理 图图7.4.9SVG基本电路结构基本电路结构 适当调整桥式电路沟通侧输出电压的相位和幅值，就适当调整桥式电路沟通侧输出电压的相位和幅值，就可以使该电路吸取或者发出满足要求的无功电流，实现动可以使该电路吸取或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。态无功补偿的目的。图图7.4.97.4.9给出了接受自换相电压型桥式的给出了接受自换相电压型桥式的SVGSVG基本电路结构。基本电路结构。7.4.3 静止无功发生器静止无功发生器(SVG)7.

40、4.3静止无功发生器静止无功发生器(SVG)工作原理工作原理 图图7.4.10SVG等效电路及其工作原理等效电路及其工作原理 通过同步电路限制，使通过同步电路限制，使 与与 同频同相，然后变更同频同相，然后变更 的幅值大小即可以限制的幅值大小即可以限制SVGSVG从电网吸取的电流是超前还是滞从电网吸取的电流是超前还是滞后后9090，并且还能限制该电流的大小。，并且还能限制该电流的大小。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）所示的单相等效电路来说明。单相等效电路来说明。当当大大于于时时，电电流流超超前前电电压压90，SVG吸取容性无功功率；吸取容性

41、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吸取感性无功功率。吸取感性无功功率。7.5变频调速装置变频调速装置若若匀匀整整地地变变更更定定子子频频率率，则则可可以以平平滑滑地地变更电机的转速。变更电机的转速。由沟通电机的转速公式：由沟通电机的转速公式：可以看出：可以看出：因此，在各种异步电机调速系统中，变频因此，在各种异步电机调速系统中，变频调速的性能最好，使得沟通电机的调速性能可调速的性能最好，使得沟通电机的调速性能可与直流电机相媲美，同时效率高，是沟通调速与直流电机相媲美，同时效率高，是沟通调速的主要发展方向。的主要发展方向。（1）基频以下的变频调速基频以下

42、的变频调速（2）基频以上的变频调速基频以上的变频调速（3）转差频率限制）转差频率限制（5）干脆转矩限制）干脆转矩限制（4）矢量限制）矢量限制7.5.1 变频调速的基本限制方式变频调速的基本限制方式（1）基频以下的变频调速基频以下的变频调速三相异步电动机的每相电动势为：三相异步电动机的每相电动势为：式中：式中：定子每相感应电动势的有效值；定子每相感应电动势的有效值；定子电源频率；定子电源频率；定子每相绕组串联匝数；定子每相绕组串联匝数；基波绕组系数；基波绕组系数；每极气隙磁通量。每极气隙磁通量。在调速的过程中，随着输入电源的频率降低，必需相应地变更定子电压U，以保证气隙磁通不超过设计值。假如使

43、=常数，则在调速过程中可维持 近似不变，这就是恒压频比限制方式。（7.5.1）当当U不变时，随着电源输入频率的降低，将会相应增加。不变时，随着电源输入频率的降低，将会相应增加。7.5.1 变频调速的基本限制方式变频调速的基本限制方式7.5.1变频调速的基本限制方式变频调速的基本限制方式（2）基频以上的变频调速基频以上的变频调速当当电电压压U确确定定时时，电电机机的的气气隙隙磁磁通通随随着着频频率率f的的上上升升成成比比例例下下降降，类类似似直直流流电电机机的的弱弱磁磁调调速速，因因此此，基基频频以以上上的的调速属恒功率调速。调速属恒功率调速。电源频率从基频向上提高，可使电机的转速增加。电源频率

44、从基频向上提高，可使电机的转速增加。由由于电机的电压不能超过其额定电压，因此在基频以上调频于电机的电压不能超过其额定电压，因此在基频以上调频时，时，U只能保持在额定值。只能保持在额定值。依据式依据式(7.5.1)：（1）间接变频调速装置间接变频调速装置 图图7.5.1间接变频装置的三种机构形式间接变频装置的三种机构形式 间接变频调速装置即交始终一交变频装置，首先将工频沟通电源通过整流器变换成直流，然后再经过逆变器将直流变换成电压和频率可变的沟通电源。依据电路结构和限制方式的不同，间接变频装置又可以分为三种，如图7.5.1（a）、（b）、（c）所示。7.5.2变频调速装置的分类变频调速装置的分类

45、（1）间接变频调速装置间接变频调速装置 图图7.5.1间接变频装置的三种机构形式间接变频装置的三种机构形式 （a a）所示的间接变频装置由相控整流电路和逆变电路构成，其中）所示的间接变频装置由相控整流电路和逆变电路构成，其中整流电路调整输出电压的大小，逆变电路限制输出沟通的频率。整流电路调整输出电压的大小，逆变电路限制输出沟通的频率。（b b）所示的间接变频装置由二极管整流电路、斩波器和逆变器三）所示的间接变频装置由二极管整流电路、斩波器和逆变器三部分构成，其中斩波器用调整输出电压，逆变器用于调整输出频率。部分构成，其中斩波器用调整输出电压，逆变器用于调整输出频率。（c）所示的间接变频装置由二

46、极管整流电路和）所示的间接变频装置由二极管整流电路和PWM逆变器构成，逆变器构成，其中调压和调频全部由其中调压和调频全部由PWM逆变器完成。逆变器完成。7.5.2变频调速装置的分类变频调速装置的分类（2 2）干脆变频装置）干脆变频装置 7.5.2变频调速装置的分类变频调速装置的分类 图图7.5.2 7.5.2 干脆变频装置干脆变频装置 干脆变频装置的结构如图干脆变频装置的结构如图7.5.2所示，它接受交一交变所示，它接受交一交变频电路，只用一个变换环节，干脆将恒压恒频的沟通电频电路，只用一个变换环节，干脆将恒压恒频的沟通电源变换成源变换成VVVF电源。依据输出波形，干脆变频装置可电源。依据输出

47、波形，干脆变频装置可以分成方波形和正弦波型两种。以分成方波形和正弦波型两种。此类变频装置一般只用于低速大容量的调速系统，如此类变频装置一般只用于低速大容量的调速系统，如轧钢机、球磨机、水泥回转窑等。轧钢机、球磨机、水泥回转窑等。1、结结构构：由由二二极极管管整整流流电电路路、能能耗耗制制动动电电路路、逆逆变变电电路路和和限限制制电电路路组组成成，逆逆变变电电路路接接受受IGBT器器件件，为为三三相相桥桥式式SPWM逆变电路。逆变电路。图图7.5.3开环限制的开环限制的SPWM的变频调速系统结构简图的变频调速系统结构简图7.5.3SPWM变频调速装置变频调速装置 图图7.5.3开环限制的开环限制

48、的SPWM的的变频调速系统结构简图变频调速系统结构简图R为外接能耗制动电阻，为外接能耗制动电阻，当电机正常工作时，电力晶当电机正常工作时，电力晶体管体管T截止，没有电流流过截止，没有电流流过R。当快速停机或逆变器输出频当快速停机或逆变器输出频率急剧降低时，电机将处于率急剧降低时，电机将处于再生发电状态，向滤波电容再生发电状态，向滤波电容C充电，直流电压充电，直流电压Ud上升。当上升。当上升到最大允许电压上升到最大允许电压Udmax时，功率晶体管时，功率晶体管T导通，接入导通，接入电阻电阻R，电机进行能耗制动，电机进行能耗制动，以防止过高危害逆变器的开以防止过高危害逆变器的开关器件。关器件。2、

49、能耗制动电路和限制电路的工作原理、能耗制动电路和限制电路的工作原理1）能耗制动电路）能耗制动电路7.5.3SPWM变频调速装置变频调速装置 2 2）限制电路）限制电路 （1）给给定定积积分分器器：以以限限定定输输出出频频率率的的升升降降速速度度。输输出出信信号号的的极极性性确确定定电电机机正正反反转转，输输出出信信号号的的大大小小限限制制电电机机转转速速的的凹凹凸凸；给给定定积积分分器器的的输输出出指指令令信信号号与与三三角角波波比比较较后后形形成成三三相相PWM限限制制信信号号，再再经经过过输输出出电电路路和和驱驱动动电电路路，限限制制逆逆变变器器中中IGBT的的通通断断，使使逆逆变变器器输

50、输出出所所需需频频率率、相相序序和和大大小小的的沟沟通电压，从而限制沟通电机的转速和转向；通电压，从而限制沟通电机的转速和转向；（2）输输出出经经极极性性鉴鉴别别器器确确定定正正反反转转逻逻辑辑后后，去去限限制制三三相相标标准准正正弦弦波波的的相相序序，从从而而确确定定输输出出指指令令信信号的相序。号的相序。（3）确确定定值值运运算算器器：产产生生输输出出频频率率和和电电压压的的限限制制所须要正的信号；所须要正的信号；（4）函函数数发发生生器器：实实现现低低频频电电压压补补偿偿，保保证证整整个个调频范围内实现输出电压和频率的协调限制；调频范围内实现输出电压和频率的协调限制；（5）压控振荡器：形