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第10章电力电子技术的应用10.1晶闸管直流电动机系统10.2变频器和交流调速系统10.3不间断电源10.4开关电源10.5功率因数校正技术10.6电力电子技术在电力系统中的应用10.7电力电子技术的其他应用本章小结2/7010.3不间断电源■不间断电源（UninterruptiblePowerSupply—UPS）是当交流输入电源（习惯称为市电）发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响的装置。■广义地说，UPS包括输出为直流和输出为交流两种情况，目前通常是指输出为交流的情况UPS是恒压恒频（CVCF）电源中的主要产品之一，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。图10-15UPS基本结构原理图■UPS的结构原理◆图10-15给出了UPS最基本的结构原理☞基本工作原理是，当市电正常时，由市电供电，当市电异常乃至停电时，由蓄电池向逆变器供电，因此从负载侧看，供电不受市电停电的影响；在市电正常时，负载也可以由逆变器供电，此时负载得到的交流电压比市电电压质量高，即使市电发生质量问题（如电压波动、频率波动、波形畸变和瞬时停电等）时，也能获得正常的恒压恒频的正弦波交流输出，并且具有稳压、稳频的性能，因此也称为稳压稳频电源。3/7010.3不间断电源图10-16具有旁路开关的UPS系统图10-17用柴油发电机作为后备电源的UPS◆为保证市电异常或逆变器故障时负载供电的切换，实际的UPS产品中多数都设置了旁路开关，如图10-16所示，市电与逆变器提供的CVCF电源由转换开关S切换；还需注意的是，在市电旁路电源与CVCF电源之间切换时，必须保证两个电压的相位一致，通常采用锁相同步的方法。◆在市电断电时由于由蓄电池提供电能，供电时间取决于蓄电池容量的大小，有很大的局限性，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10-17所示，蓄电池只需作为市电与油机之间的过渡，容量可以比较小。4/7010.3不间断电源图10-18小容量UPS主电路图10-19大功率UPS主电路■UPS的主电路结构◆容量较小的UPS主电路☞整流部分使用二极管整流器和直流斩波器（用作PFC），可获得较高的交流输入功率因数。☞由于逆变器部分使用IGBT并采用PWM控制，可获得良好的控制性能。◆使用GTO的大容量UPS主电路☞逆变器部分采用PWM控制，具有调节电压和改善波形的功能。☞为减少GTO的开关损耗，采用较低的开关频率。☞输出电压中所含的最低次谐波为11次，从而使交流滤波器小型化。5/7010.4开关电源10.4.1开关电源的结构10.4.2开关电源的控制方式10.4.3开关电源的应用6/7010.4开关电源·引言■在各种电子设备中，需要多路不同电压供电，如数字电路需要5V、3.3V、2.5V等，模拟电路需要±12V、±15V等，这就需要专门设计电源装置来提供这些电压，通常要求电源装置能达到一定的稳压精度，还要能够提供足够大的电流。■线性电源和开关电源◆图10-20所示为线性电源，先用工频变压器降压，然后经过整流滤波后，由线性调压得到稳定的输出电压。◆图10-21所示为开关电源，先整流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然后由高频变压器降压、再整流滤波。◆开关电源在效率、体积和重量等方面都远远优于线性电源，因此已经基本取代了线型电源，成为电子设备供电的主要电源形式。+-Vref~220V~220V图10-20线性电源的基本电路结构图10-21半桥型开关电源电路结构7/7010.4.1开关电源的结构变压器高频整流滤波器直流高频交流高频交流脉动直流直流高频逆变整流电路工频交流图10-22开关电源的能量变换过程■交流输入的开关电源◆交流输入、直流输出的开关电源将交流电转换为直流电。◆整流电路普遍采用二极管构成的桥式电路，直流侧采用大电容滤波，较为先进的开关电源采用有源的功率因数校正(PowerFactorCorrection-PFC)电路。◆高频逆变－变压器－高频整流电路是开关电源的核心部分，具体的电路采用的是隔离型直流直流变流电路。◆高性能开关电源中普遍采用了软开关技术。◆可以采用给高频变压器设计多个二次侧绕组的方法来实现不同电压的多组输出，而且这些不同的输出之间是相互隔离的，但是仅能选择1路作为输出电压反馈，因此也就只有这1路的电压的稳压精度较高，其它路的稳压精度都较低，而且其中1路的负载变化时，其它路的电压也会跟着变化。++-图10-23多路输出的整流电路8/7010.4.1开关电源的结构■直流输入的开关电源◆也称为直流－直流变换器(DC-DCConverter)，分为隔离型和非隔离型，隔离型多采用反激、正激、半桥等隔离型电路，而非隔离型采用Buck、Boost、Buck-Boost等电路。◆负载点稳压器(POL-PointOftheLoadregulator)☞仅仅为1个专门的元件（通常是一个大规模集成电路芯片）供电的直流－直流变换器。☞计算机主板上给CPU和存储器供电的电源都是典型的POL。◆非隔离的直流－直流变换器、尤其是POL的输出电压往往较低，为了提高效率，经常采用同步Buck(SyncBuck)电路，该电路的结构为Buck，但二极管也采用MOSFET，利用其低导通电阻的特点来降低电路中的通态损耗，其原理类似同步整流电路。输入输出输入输出图10-24a)同步降压电路图10-24b)同步升压电路9/7010.4.1开关电源的结构AC-DCAC-DC48V直流母线DC-DCDC-DC交流电网负载负载一次电源二次电源图10-25通信电源系统■分布式电源系统◆在通信交换机、巨型计算机等复杂的电子装置中，供电的路数太多，总功率太大，难以用一个开关电源完成，因此出现了分布式的电源系统。◆如图10-25，一次电源完成交流－直流的隔离变换，其输出连接到直流母线上，直流母线连接到交换机中每块电路板，电路板上都有自己的DC-DC变换器，将48V转换为电路所需的各种电压；大容量的蓄电池组保证停电的时候交换机还能正常工作。◆一次电源采用多个开关电源并联的方案，每个开关电源仅仅承担一部分功率，并联运行的每个开关电源有时也被成称为“模块”，当其中个别模块发生故障时，系统还能够继续运行，这被称为“冗余”。10/7010.4.2开关电源的控制方式控制器u*+-ufLCRLVcc＋－PWM比较器锯齿波evcLCVcc电流控制器u*+-ufe电压控制器i*+-ifRL图10-26开关电源的控制系统图10-27电流模式控制系统的结构■典型的开关电源控制系统如图10-26所示，采用反馈控制，控制器根据误差e来调整控制量vc。■电压模式控制◆图10-26所示即为电压模式控制，仅有一个输出电压反馈控制环。◆其优点是结构简单，但有一个显著的缺点是不能有效的控制电路中的电流。■电流模式控制◆在电压反馈环内增加了电流反馈控制环，电压控制器的输出信号作为电流环的参考信号，给这一信号设置限幅，就可以限值电路中的最大电流，达到短路和过载保护的目的，还可以实现恒流控制。11/7010.4.2开关电源的控制方式+-RSSiRiS+UiniSiLLCLKQCLKSiSt0t1t20iR0iLiR图10-28峰值电流模式控制的原理☞峰值电流模式控制√峰值电流模式控制系统中电流控制环的结构如图10-28a所示，主要的波形如图10-28b所示。√基本的原理：开关的开通由时钟CLK信号控制，CLK信号每隔一定的时间就使RS触发器置位，使开关开通；开关开通后iL上升，当iL达到电流给定值iR后，比较器输出信号翻转，并复位RS触发器，使开关关断。a)b)12/7010.4.2开关电源的控制方式+-S-iRiL+UiniLL+-uSucoiLiRe0M1M2MSuSS图10-29平均电流模式控制的原理a)b)√峰值电流模式控制的不足：该方法控制电感电流的峰值，而不是电感电流的平均值，且二者之间的差值随着M1和M2的不同而改变，这对很多需要精确控制电感电流平均值的开关电源来说是不能允许的；峰值电流模式控制电路中将电感电流直接与电流给定信号相比较，但电感电流中通常含有一些开关过程产生的噪声信号，容易造成比较器的误动作，使电感电流发生不规则的波动。☞平均电流模式控制√平均电流模式控制采用PI调节器作为电流调节器，并将调节器输出的控制量uc与锯齿波信号uS相比较，得到周期固定、占空比变化的PWM信号，用以控制开关的通与断。13/7010.4.3开关电源的应用■开关电源广泛用于各种电子设备、仪器，以及家电等，如台式计算机和笔记本计算机的电源，电视机、DVD播放机的电源，以及家用空调器、电冰箱的电脑控制电路的电源等，这些电源功率通常仅有几十W～几百W；手机等移动电子设备的充电器也是开关电源，但功率仅有几W；通信交换机、巨型计算机等大型设备的电源也是开关电源，但功率较大，可达数kW～数百kW；工业上也大量应用开关电源，如数控机床、自动化流水线中，采用各种规格的开关电源为其控制电路供电。■开关电源还可以用于蓄电池充电、电火花加工，电镀、电解等电化学过程等，功率可达几十～几百kW；在X光机、微波发射机、雷达等设备中，大量使用的是高压、小电流输出的开关电源。14/7010.5功率因数校正技术10.5.1功率因数校正电路的基本原理10.5.2单级功率因数校正技术15/7010.5功率因数校正技术■以开关电源为代表的各种电力电子装置带来一些负面的问题：输入电流不是正弦波，就涉及到谐波和功率因数的问题。■功率因数校正PFC(PowerFactorCorrection)技术即对电流脉冲的幅度进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波的技术，分成无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。◆无源功率因数校正技术通过在二极管整流电路中增加电感、电容等无源元件和二极管元件，对电路中的电流脉冲进行抑制，以降低电流谐波含量，提高功率因数。◆有源功率因数校正技术采用全控开关器件构成的开关电路对输入电流的波形进行控制，使之成为与电源电压同相的正弦波。16/7010.5.1功率因数校正电路的基本原理图10-30典型的单相有源PFC电路及主要原理波形■单相功率因数校正电路的基本原理◆实际上是二极管整流电路加上升压型斩波电路构成的。◆原理☞给定信号和实际的直流电压ud比较后送入PI调节器，得到指令信号id，id和整流后正弦电压相乘得到输入电流的指令信号i*，该指令信号和实际电感电流信号比较后，通过滞环对开关器件进行控制，便可使输入直流电流跟踪指令值，这样交流侧电流波形将近似成为与交流电压同相的正弦波，跟踪误差在由滞环环宽所决定的范围内。*du17/7010.5.1功率因数校正电路的基本原理图10-30典型的单相有源PFC电路及主要原理波形☞在升压斩波电路中，只要输入电压不高于输出电压，电感L的电流就完全受开关S的通断控制；S通时，iL增长，S断时，iL下降，因此控制S的占空比按正弦绝对值规律变化，且与输入电压同相，就可以控制iL波形为正弦绝对值，从而使输入电流的波形为正弦波，且与输入电压同相，输入功率因数为1。18/7010.5.1功率因数校正电路的基本原理ABCC+-SLALBLCD1D3D5D2D4D6D7iAiBiCttoSotiATonIAP图10-31三相单开关PFC电路图10-32三相单开关PFC电路的工作波形■三相功率因数校正电路的基本原理◆电路是工作在电流不连续模式的升压斩波电路，LA~LC的电流在每个开关周期内都是不连续的；电路中的二极管都采用快速恢复二极管，电路的输出电压高于输入线间电压峰值。◆工作原理☞S开通后，电感电流值均从零开始线性上升（正向或负向），S关断后，三相电感电流通过D7向负载侧流动，并迅速下降到零。☞在每一个开关周期中，电感电流是三角形或接近三角形的电流脉冲，其峰值与输入电压成正比；假设S关断后电流iA下降很快，iA的平均值将主要取决于阴影部分的面积，这样iA平均值与输入电压成正比，因此输入电流经滤波后将近似为正弦波。19/7010.5.1功率因数校正电路的基本原理☞