学习电力电子技术典型应用 PPT课件.ppt

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1、第第8章章 电力电子技术典型应用电力电子技术典型应用8.1 开关电源开关电源8.2 有源功率因数校正有源功率因数校正 8.3 不间断电源（不间断电源（UPS）8.4 静止无功补偿装置静止无功补偿装置8.5 变频调速装置变频调速装置8.6 电力电子系统可靠性概述电力电子系统可靠性概述 8.1 开关电源开关电源 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。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)(Swit

2、ching Power Supply)，指起电压调整功，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。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：8.1 开关电源开关电源 8.1.1 开关电源的工作原理 8.1.2 开关电源的应用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 1）输入采用）输入采用50Hz50Hz工频变压器，体积庞大；工频变压器，体积庞大；（2 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,

3、损耗大损耗大,效率低；效率低；（3 3）过载能力差。过载能力差。图图8.1.1线性稳压电源方框图线性稳压电源方框图8.1.1 开关电源的工作原理2 2、开关电源、开关电源：50Hz单相交流单相交流220V电压或三相交流电压或三相交流220V/380V电压经电压经EMI防电磁干扰电防电磁干扰电源滤波器，直接整流滤波，然后再将滤波后的直流电压经变换电路变换为数十源滤波器，直接整流滤波，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或数百kHz的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压(或升压或升压)后，后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直

4、流电压。通过取样、比较、放大及控制、再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。通过取样、比较、放大及控制、驱动电路，控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。驱动电路，控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。图图8.1.2开关电源原理框图开关电源原理框图工作原理：工作原理：8.1.1 开关电源的工作原理图图8.1.2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。两种改变占空比的控制方式两种改变占空比的控制方式：1）脉冲宽

5、度调制控制）脉冲宽度调制控制(PWM)2 2、开关电源、开关电源：2）脉冲频率调制控制）脉冲频率调制控制(PFM)8.1.1 开关电源的工作原理图图8.1.3PWM控制方式控制方式 1）脉冲宽度控制：脉冲宽度控制：保持开关频率保持开关频率(开关周期开关周期Ts)不变，通过改变不变，通过改变Ton来改变来改变占空比占空比D，从而达到改变输出电压的目的。，从而达到改变输出电压的目的。如果占空比如果占空比D越大，则经滤波越大，则经滤波后的输出电压也就越高。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，通过改变开关频率不变，通过改变开关频率(即开关周期即开关周期)而达到改变占空比的目的。而

6、达到改变占空比的目的。工作频率不固定，造成滤波器设计困难。工作频率不固定，造成滤波器设计困难。2）脉冲频率控制：）脉冲频率控制：8.1.1 开关电源的工作原理 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）电路形式灵活多样。）电路形式灵活多样。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。8.1.1 开关电源的工作原理 1、开关电源的应用、开关电源的应用图图8.1.4直流操作电源电路原理图直流操作电源电路原理图 主电路采用半桥变换电路，额

7、定输出直流电压为主电路采用半桥变换电路，额定输出直流电压为220V，输出电流，输出电流为为10A。8.1.1 开关电源的工作原理2、各功能块的具体电路简介：、各功能块的具体电路简介：(1)交流进线滤波器交流进线滤波器图图8.1.5交流进线交流进线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。8.1.2开关电源的应用开关电源的应用 作用：作用：防止开关电源产生的噪声进入电网，或者防止电网的噪声进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。入开关电源内部，干扰开关电源的正常工作。电路结构：电路结构：C

8、c1、Lc和和Cc2构成的低通滤波器用来抑制共模干扰信号，构成的低通滤波器用来抑制共模干扰信号，其中其中Lc称为共模电感，其两组线圈匝数相等，但绕向相反，对差模信称为共模电感，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。(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：在整流桥的直流侧小功率电源：在整流桥的直流侧和滤波电容之间串联具有负温度系数和滤波电容之间串联具有负温度系数的热敏电阻。的热敏电阻。大功率

9、电路：将上述热敏电阻换大功率电路：将上述热敏电阻换成普通电阻，同时在电阻的两端并接成普通电阻，同时在电阻的两端并接晶闸管开关。晶闸管开关。(3)输出整流电路输出整流电路 小功率电源通常采用半波整流电小功率电源通常采用半波整流电路，而对于大功率电源则采用全波路，而对于大功率电源则采用全波或桥式整流电路。或桥式整流电路。8.1.2开关电源的应用开关电源的应用启动浪涌电流抑制电启动浪涌电流抑制电路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PWM控制器控制器SG3525引脚说明引脚说明8.1.2开关电源的应用开关电源的应用图图8.1.6SG3

10、525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：误差放大器脚：误差放大器同相输入端；同相输入端；脚脚：同同步步信信号号输输入入端端，同同步步脉脉冲冲的的频频率率应应比比振振荡荡器频率器频率fS要低一些；要低一些；脚：振荡器输出；脚：振荡器输出；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；脚脚：振振荡荡器器外外接接电电容容CT端端，振振荡荡器器频频率率为为fS1/CT(0.7RT+3R0);其其中中R0为为脚脚与与脚脚之之间间跨跨接接的的电电阻阻，用用来来调调节节死死区区时时间间，定定时时电电容容范范围围为为0.001F0.

11、1F；脚脚：振振荡荡器器放放电电端端，外外接接电电阻阻来来控控制制死死区区时时间间，电阻范围为电阻范围为0500；脚脚：软软起起动动端端，外外接接软软起起动动电电容容，该该电电容容由由内内部部Uref的的50A恒流源充电。恒流源充电。脚：误差放大器的输出端；脚：误差放大器的输出端；脚：脚：PWM信号封锁端，该脚为高电平时，信号封锁端，该脚为高电平时，输出驱动脉冲信号被封锁输出驱动脉冲信号被封锁,用于故障保护；用于故障保护；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

12、，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。(4)控制电路（控制电路（SG3525）该开关电源采用双环控制方式，电压环为外环控制，电流环开关电源采用双环控制方式，电压环为外环控制，电流环为内环控制。输出电压的反馈信号为内环控制。输出电压的反馈信号UOF与电压给定信号与电压给定信号UOG相减，相减，其误差信号经其误差信号经PI调节器后形成输出电感的电流给定，再与电感电调节器后形成输出电感的电流给定，再与电感电流的反馈信号流的反馈信号IOF相减得电流误差信号，经相减得电流误差信号，经PI调节器后送入调节器后送入PWM控制器控制器SG3525，然后与控制器内部三角波比较

13、形成，然后与控制器内部三角波比较形成PWM信号。信号。该该PWM信号再通过驱动电路去驱动主电路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，该驱动模块为混合集成电路，将将IGBT的驱动和过流保护集于一的驱动和过流保护集于一体，能驱动电压为体，能驱动电压为600V和和1200V系列电流容量不大于系列电流容量不大于400AIGBT。图图8.1.7IGBT驱动电路驱动电路8.1.2 开关电源的应用开关电源的应用第第8章章 电力电子技术典型应用电力电子技术典型应用8.1 开关电源开关电源8.2 有源功率因数校正有源功率因数校正 8.3 不间断电源（不

14、间断电源（UPS）8.4 静止无功补偿装置静止无功补偿装置8.5 变频调速装置变频调速装置8.6 电力电子系统可靠性概述电力电子系统可靠性概述 8.2 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，降低电电网谐波电流不仅引起变压器和供电线路过热，降低电器的额定值，并且产生电磁干扰，影响其他电子设备正常运器的额定值，并且产生电磁干扰，影响其他电子设备正常运行。行。1、采用无源校正抑制谐波、采用无源校正抑制谐波:2）电网阻抗或频率发生变化时，滤波效果不能保证，动态）电网阻抗或频率发生变化时，滤波效果不能保证，动态特性差。特性差。3）可能会与电网阻抗发生并联谐振，将谐波

15、电流放大，从而）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。导致系统无法正常工作。4）LC滤波器体积庞大。滤波器体积庞大。特点：特点：1 1）方法简单可靠，并且在稳态条件下不产生电磁干扰。）方法简单可靠，并且在稳态条件下不产生电磁干扰。(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)8.2 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别：与无源校正抑制谐波的区别：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别：与一般的开关电源的区别：（1）PFC电路不仅反馈输出电压，还反馈输

16、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电电路路的的电电流流环环基基准准信信号号为为电电压压环环误误差差信信号号与与全全波波整整流流电压取样信号的乘积。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(ActitePowerFilterCorrection，简称简称APFC或或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，通过控制有源开关的通断来强迫输入电流跟随输入电压的通过控制有源开关的通断来强迫输入电流跟随输入电压的变

17、化，从而获得接近正弦波的输入电流和接近变化，从而获得接近正弦波的输入电流和接近1的功率因数。的功率因数。8.2 有源功率因数校正 8.2.1 PFC技术的工作原理技术的工作原理 8.2.2 PFC集成控制电路集成控制电路UC3854及其及其 应用应用8.2.1PFC技术的工作原理技术的工作原理 图图8.2.1BoostPFC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，虚线框变换电路组成，虚线框内为控制电路，包含电压误差放大器内为控制电路，包含电压误差放大器VA及基准电压及基准电压Ur，乘法器，乘法器，电流误差放大器电流误差放大器CA，脉宽调制器和驱动电路

18、。，脉宽调制器和驱动电路。输出电压输出电压Uo和基准电压和基准电压Ur比较后，比较后，误差信号经电压误差放大器误差信号经电压误差放大器VA以后送以后送入乘法器入乘法器M，与全波整流电压取样信，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信号经电流误差放大器CA后再与锯齿后再与锯齿波相比较形成波相比较形成PWM信号，然后经驱信号，然后经驱动电路控制主电路开关动电路控制主电路开关S的通断，使的通断，使电流跟踪基准电流信号变化。电流跟踪基准电流信号变化。工作原理：工作原理：8.

19、2.2 PFC集成控制电路集成控制电路UC3854及其应用及其应用 图图8.2.2UC3854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，电流放大器大器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的门极驱的门极驱动电路，动电路，7.5V基准电压等基准电压等。图图8.2.3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 控制芯片控制芯片UC3854适用的适用的功率范围比较宽，功率范围比较宽，5KW以下以下的单相的单相boost-PFC电路均可以电路均可以采

20、用该芯片作为控制器。采用该芯片作为控制器。输出功率不同时，只需改变输出功率不同时，只需改变主电路中的电感主电路中的电感L1和电流检测和电流检测电阻电阻RS、控制电路中的电流控、控制电路中的电流控制环参数。制环参数。输出电压输出电压Uo由下式确定：由下式确定：8.2.2 PFC集成控制电路集成控制电路UC3854及其应用及其应用 第第8章章 电力电子技术典型应用电力电子技术典型应用8.1 开关电源开关电源8.2 有源功率因数校正有源功率因数校正 8.3 不间断电源（不间断电源（UPS）8.4 静止无功补偿装置静止无功补偿装置8.5 变频调速装置变频调速装置8.6 电力电子系统可靠性概述电力电子系

21、统可靠性概述 8.3 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，还还能能提提供供稳稳压压、稳频和波形失真度极小的高质量正弦波电源。稳频和波形失真度极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、工业控制、医疗、交通、航空等领域得到广泛应用。统、工业控制、医疗、交通、航空等领域得到广泛应用。不间断电源：不间断电源：8.3 不间断电源（不间断电源（UPS）8.3.1 UPS的分类的分类 8.3.2 UPS电源中

22、的整流器电源中的整流器 8.3.3 PWM整流电路整流电路 8.3.4 UPS电源中的逆变器电源中的逆变器 8.3.5 UPS的静态开关的静态开关8.3.1UPS的分类的分类 1、后备式、后备式UPS根据工作方式，根据工作方式，UPS电源分电源分：图图8.3.1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，市电存在时，逆变器不工作，市电经交流稳压器稳压后，向负载市电经交流稳压器稳压后，向负载供电，同时充电器工作，对蓄电池供电，同时充电器工作，对蓄电池组浮充电。组浮充电。市电掉电时，逆变器工作，将市电掉电时，逆变器工作，将蓄电池供给的直流电压变换成稳压、蓄电池供给的直流电压变

23、换成稳压、稳频的交流电压，继续向负载供电。稳频的交流电压，继续向负载供电。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：特点：结构简单、成本低、运行效率高、价格便宜，但其输结构简单、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。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。2、线式、线式UPS 图图8.3.2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、稳频的正弦波交流电压供给负载。压

24、、稳频的正弦波交流电压供给负载。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。供电。如果逆变器发生故障，如果逆变器发生故障，UPS则通过则通过静态开关切换到旁路，直接由市电供电。静态开关切换到旁路，直接由市电供电。当故障消失后，当故障消失后，UPS又又重新切换到由逆变器向负载供电。重新切换到由逆变器向负载供电。特点：特点：总是处于稳压、稳频供电状总是处于稳压、稳频供电状态，输出电压动态响应特性好，波形畸态，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后备式变小，其供电质量明显优于后备式UPS。8.3.1 UPS的分类

25、的分类 1）对于小功率）对于小功率UPS，整流器一般采用二极管整流电路，它的作，整流器一般采用二极管整流电路，它的作用是向逆变器提供直流电源。蓄电池充电由专门的充电器来完成。用是向逆变器提供直流电源。蓄电池充电由专门的充电器来完成。2）对于中大功率）对于中大功率UPS，整流器一般采用相控式整流电路，整流器一般采用相控式整流电路,它具它具有双重功能，在向逆变器提供直流电源的同时，还要向蓄电池进有双重功能，在向逆变器提供直流电源的同时，还要向蓄电池进行充电，行充电，因此，整流器的输出电压必须是可控的。因此，整流器的输出电压必须是可控的。3）减少）减少UPS注入电网的谐波电流的方法：注入电网的谐波电

26、流的方法：（1）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。4）目前，比较先进的）目前，比较先进的UPS采用采用PWM整流电路，可以做到注入整流电路，可以做到注入电网的电流基本接近正弦波，使其功率因数接近电网的电流基本接近正弦波，使其功率因数接近1，大大降低了，大大降低了UPS对电网的谐波污染。对电网的谐波污染。概述：概述：8.3.2 UPS电源中的整流器电源中的整流器工作原理工作原理图图8.3.3单相单相PWM整流电路的原理框图整流电路的原理框图 在在PWM整流电路的交流输入端整流电路的交流输入端AB产生一个正弦波调制产生一个正弦波调制PWM波波uAB，uAB中除了含有与

27、电源同频率的基波分量外，还含有与开关频率有关的高次谐波。中除了含有与电源同频率的基波分量外，还含有与开关频率有关的高次谐波。由于电感由于电感Ls的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流is产生很小的脉动。产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，如果忽略这种脉动，is为频率与电源频率相同的正弦波。在交流电源电压为频率与电源频率相同的正弦波。在交流电源电压us一一定时，定时，is的幅值和相位由的幅值和相位由uAB中基波分量的幅值及其与中基波分量的幅值及其与us的相位差决定。改变的相位差决定。改变uAB中基波分量的幅值和相位，就可以使中基波分量的幅值和相位，就可

28、以使is与与us同相位，电路工作在整流状态，同相位，电路工作在整流状态，且功率因数为且功率因数为1。8.3.3 PWM整流电路整流电路 直流输出电压给定信号直流输出电压给定信号Ud*和实际的直流和实际的直流电压电压Ud比较后送入比较后送入PI调节器，调节器，PI调节器的输出即为整流器交流输入电流的幅值，它与标准正弦波相乘后形成交调节器的输出即为整流器交流输入电流的幅值，它与标准正弦波相乘后形成交流输入电流的给定信号流输入电流的给定信号i is s*，i is s*与实际的交流输入电流与实际的交流输入电流is进行比较，误差信号经进行比较，误差信号经比例调节器放大后送入比较器，再与三角载波信号比较

29、形成比例调节器放大后送入比较器，再与三角载波信号比较形成PWM信号。信号。该该PWM信号经驱动电路后去驱动主电路开关器件，便可使实际的交流输信号经驱动电路后去驱动主电路开关器件，便可使实际的交流输入电流跟踪指令值，从而达到控制输出电压的目的。入电流跟踪指令值，从而达到控制输出电压的目的。图图8.3.4直接电流控制系统结构图直接电流控制系统结构图 单相单相PWM整流电路采用直接电流控制时的控制系统结构简图整流电路采用直接电流控制时的控制系统结构简图 8.3.3 PWM整流电路整流电路 通通常常采采用用输输出出电电压压谐谐波波系系数数HF来来恒恒量量UPS输输出出电电压压的的波波形形质质量的好坏。

30、电压谐波系数定义为：量的好坏。电压谐波系数定义为：式中：式中：U1为输出电压基波分量的有效值，为输出电压基波分量的有效值，Un为谐波分量的有效值。为谐波分量的有效值。正弦波输出正弦波输出UPS通常采用通常采用SPWM逆变器。下面以单相输出逆变器。下面以单相输出UPSUPS为例，分析逆变器的工作原理。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理想的正弦波。输出电压波形越接近理想的正弦波。8.3.3 PWM整流电路整流电路图图8.3.5UPS逆变器及其控制原理框图逆变器及其控制原理框图 主电路采用全桥逆变电路，对于小功率主电路采用全桥逆变电路，对于小功率UPS

31、，开关器件一般为，开关器件一般为MOSFET，而对于大功率，而对于大功率UPS，则采用，则采用IGBT。为滤去开关频率噪声，输出采用。为滤去开关频率噪声，输出采用LC滤滤波电路，因为开关频率一般大于波电路，因为开关频率一般大于20kHz，因此，采用较小的，因此，采用较小的LC滤波器。输出滤波器。输出隔离变压器实现逆变器与负载隔离，避免它们之间电的直接联系，从而减少隔离变压器实现逆变器与负载隔离，避免它们之间电的直接联系，从而减少干扰。干扰。1 1、电路结构：、电路结构：8.3.4 UPS电源中的逆变器电源中的逆变器图图8.3.5UPS逆变器及其控制原理框图逆变器及其控制原理框图 市市电电us经

32、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节节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调调节节器器后后，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电路路的的开开关关器器件件，从从而而

33、达达到到控控制制输输出出电电压压的目的。的目的。2 2、工作原理：、工作原理：8.3.4 UPS电源中的逆变器电源中的逆变器8.3.5UPS的静态开关的静态开关 为了进一步提高为了进一步提高UPS电源的可靠性，在线式电源的可靠性，在线式UPS均装有静态均装有静态开关，将市电作为开关，将市电作为UPS的后备电源，在的后备电源，在UPS发生故障或维护检修发生故障或维护检修时，无间断地将负载切换到市电上，由市电直接供电。时，无间断地将负载切换到市电上，由市电直接供电。图图8.3.6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

34、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周一只晶闸管用于通过正半周电流，另一只晶闸管则用于电流，另一只晶闸管则用于通过负半周电流。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，8.3.5 UPS的静态开关的静态开关 图图8.3.6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

35、1的触发的触发脉冲，因此，静态开关脉冲，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，市电和逆变器同时向同时导通，此时，市电和逆变器同时向负载供电。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）能保证在切换的过程中供电不间断。电不间断。（2）在切换的过程中，逆变器）在切换的过程中，逆变器必须跟踪市电的频率、相位和幅值。必须跟踪市电的频率、相位和幅值。防止产生环流，烧坏逆变器。防止产生环流，烧坏逆变器。工作原理：工作原理：特特 点：点：8.3.5UPS的静态开关的静态开关 图图8.3.6单相

36、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开关先封锁正在导通的静态开关触发脉冲，延迟一段时间，待导触发脉冲，延迟一段时间，待导通的静态开关关断后，再触发另通的静态开关关断后，再触发另外一路静态开关。外一路静态开关。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：第第8章章 电力电子技术典型应用电力电子技术典型应用8.1 开关电源开关电源8.2 有源功率因数校正有源功率因数校正 8.3 不间断电源（不间断电源（UPS）8.4 静止无功

37、补偿装置静止无功补偿装置8.5 变频调速装置变频调速装置8.6 电力电子系统可靠性概述电力电子系统可靠性概述 8.4静止无功补偿装置静止无功补偿装置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（ThyristorControlledReactorTCR）2）晶闸管投切电容器（）晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchedCapacitorTSC）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

38、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：、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、重负荷突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。然投切造成的无功功

39、率强烈变化。（StaticVarCompensatorSVC）8.4 静止无功补偿装置静止无功补偿装置8.4.1晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器(TCR)8.4.2晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器(TSC)8.4.3静止无功发生器静止无功发生器(SVG)8.4.1晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器(TCR)基本原理：基本原理：图图8.4.1TCR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电抗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，就相当于电感负载器串联，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。的交流调压电路结构。其工作

40、原理和不同触发角时的工作波形与交流调压其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。电路完全相同。8.4.2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：图图8.4.2TSC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 工作时，工作时，TSC与电网并联，当控制电路检测到电网需要无功补与电网并联，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；当电网不需要无功补偿时，关断晶闸管静态开网，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

41、而切断电容器与电网的联接。关，从而切断电容器与电网的联接。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。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。8.4.2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，每组均可一般将电容器分成几组，每组均可由晶闸管投切，如图由晶闸管投切，如图8.4.3所示。电容器所示。电容器分组通常采用二进制方案，即采用分组通常采用二进制方案，即采用n-1个个电容值为电容值为C的电容和

42、一个电容值为的电容和一个电容值为C/2的的电容，这样的分组可以使组合成的电容电容，这样的分组可以使组合成的电容值有值有2n级。级。图图8.4.3TSC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可，开开关关在在电流过零之后会自行关断。电流过零之后会自行关断。图图8.4.4晶闸管电压过

43、晶闸管电压过 零触发电路示意图零触发电路示意图8.4.2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 在图在图8.4.5中设节点相电压为：中设节点相电压为：图图8.4.5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，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，就可知对应的无功电可见，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流最大值IQM。这种无功电流检测方法简单、快速（

44、在一个周期内只要采样一。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）。次）。（1）以无功电流为投切判据）以无功电流为投切判据（1）以无功电流为投切判据）以无功电流为投切判据8.4.2晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器(TSC)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应容容量量的电容器；反之，则应投入相应容量的电容器。的电容器；反之，则应投入相应容量的电容器。图图8.4.6中，电压信号经滤波后由过中，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脉

45、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信号，于是采样保持器的输出就是无功电流幅值。电流幅值。图图8.4.5中，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。图图8.4.6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（2）以无功功率为投切判据）以无功功率为投切判据 8.4.2晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器(TSC)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周期内转换同时对和信号在一个周期内进行次采样，得到进行次采样，得到2个数据，由此进行下述离散运算个数据，由此进行下述离散运算

46、得到得到UBC、IA和和PBC：对于对称三相补偿，只要取任意两相电压（线电对于对称三相补偿，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。压）和另一相电流，就可测得无功功率。图图8.4.7检测检测A相电流相电流和和BC相线电压向量图相线电压向量图由于由于PBC=UBCIAsin，则功率因数为，则功率因数为:4、控制器原理框图、控制器原理框图 8.4.2晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器(TSC)图图8.4.8TSC控制器原理框图控制器原理框图TSC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

47、测、电压电流和频率检测，还有触发电路等部分组成。该控储器、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制器硬件的原理方框图如图8.4.8所示。所示。8.4.3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8.4.9SVG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。目的。图图8.4.9给出了采用自换相电压型桥式的给出了采用自换相电压型桥式的

48、SVG基本电路结构。基本电路结构。8.4.3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8.4.10SVG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 的幅值大小即可以控制的幅值大小即可以控制SVGSVG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9090，并且还能控制该电流的大小。，并且还能控制该电流的大小。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8.4.10（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

49、前电电压压90，SVG吸吸收收容性无功功率；容性无功功率；当当小小于于时时，电电流流滞滞后后电电压压90，SVG吸吸收收感性无功功率。感性无功功率。8.5变频调速装置变频调速装置若若均均匀匀地地改改变变定定子子频频率率，则则可可以以平平滑滑地地改改变变电机的转速。电机的转速。由交流电机的转速公式：由交流电机的转速公式：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，使得交流电机的调速性能可调速的性能最好，使得交流电机的调速性能可与直流电机相媲美，同时效率高，是交流调速与直流电机相媲美，同时效率高，是交流调速的主要发展方向。的主要发展方

50、向。8.5变频调速装置变频调速装置8.5.1变频调速的基本控制方式变频调速的基本控制方式8.5.2变频调速装置的分类变频调速装置的分类8.5.3SPWM变频调速装置变频调速装置8.5.1变频调速的基本控制方式变频调速的基本控制方式（1）基频以下的变频调速）基频以下的变频调速（2）基频以上的变频调速）基频以上的变频调速（3）转差频率控制）转差频率控制 （5）控制直接转矩）控制直接转矩 （4）矢量控制）矢量控制8.5.1变频调速的基本控制方式变频调速的基本控制方式（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