81第10章 电力电子技术的应用

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10.1晶闸管直流电动机系统10.1.1工作于整流状态时10.1.2工作于有源逆变状态时10.1.3直流可逆电力拖动系统23■直流可逆电力拖动系统◆电路结构☞图10-6a是有环流接线，图10-6b是无环流接线，环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。☞根据电动机所需的运转状态来决定哪一组变流器工作及其相应的工作状态：整流或逆变。◆四象限运行时的工作情况☞第1象限，正转，电动机作电动运行，正组桥工作在整流状态，1/2，EMUd（下标中有表示整流，下标1表示正组桥，下标2表示反组桥）。10.1.3直流可逆电力拖动系统MM正组反组正组LLc1Lc2LEMEMabcabcabca)b)MEMMEMMEMMEM+-+-+-+-+-+-+-+-电能电能电能电能电网电网电网电网+n-nIdIdIdId正组反组正组反组正组反组正组反组+TT-UdUdUdUd正转整流反转整流正转逆变反转逆变电动运行电动运行发电运行发电运行c)反组图10-6两组变流器的反并联可逆线路☞第2象限，正转，电动机作发电运行，反组桥工作在逆变状态，2/2(2/2)，EMUd（下标中有表示逆变）。☞第3象限，反转，电动机作电动运行，反组桥工作在整流状态，2/2，EMUd。☞第4象限，反转，电动机作发电运行，正组桥工作在逆变状态，1/2(1/2)，EMUd。10.1.3直流可逆电力拖动系统MM正组反组正组LLc1Lc2LEMEMabcabcabca)b)MEMMEMMEMMEM+-+-+-+-+-+-+-+-电能电能电能电能电网电网电网电网+n-nIdIdIdId正组反组正组反组正组反组正组反组+TT-UdUdUdUd正转整流反转整流正转逆变反转逆变电动运行电动运行发电运行发电运行c)反组图10-6两组变流器的反并联可逆线路。◆直流可逆拖动系统，能方便地实现正反向运转外，还能实现回馈制动。410.2变频器和交流调速系统10.2.1交直交变频器10.2.2交流电机变频调速的控制方式510.2.1交直交变频器■交直交变频器（VariableVoltageVariableFrequency，简称VVVF电源）是由AC/DC、DC/AC两类基本的变流电路组合形成，又称为间接交流变流电路，最主要的优点是输出频率不再受输入电源频率的制约。■再生反馈电力的能力◆当负载电动机需要频繁、快速制动时，通常要求具有再生反馈电力的能力。◆图10-7所示的电压型交直交变频电路不能再生反馈电力。☞其整流部分采用的是不可控整流，它和电容器之间的直流电压和直流电流极性不变，只能由电源向直流电路输送功率，而不能由直流电路向电源反馈电力。☞逆变电路的能量是可以双向流动的，若负载能量反馈到中间直流电路，而又不能反馈回交流电源，这将导致电容电压升高，称为泵升电压，泵升电压过高会危及整个电路的安全。图10-7不能再生反馈的电压型间接交流变流电路610.2.1交直交变频器图10-8带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路图10-9利用可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流变流电路图10-10整流和逆变均为PWM控制的电压型间接交流变流电路◆使电路具备再生反馈电力能力的方法☞图10-8的电路中加入一个由电力晶体管V0和能耗电阻R0组成的泵升电压限制电路，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，这种电路可运用于对电动机制动时间有一定要求的调速系统中。☞图10-9所示的电路增加了一套变流电路，使其工作于有源逆变状态，可实现电动机的再生制动；当负载回馈能量时，中间直流电压极性不变，而电流反向，通过控制变流器将电能反馈回电网。☞图10-10是整流电路和逆变电路都采用PWM控制的间接交流变流电路，可简称双PWM电路，该电路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，但由于整流、逆变部分均为PWM控制且需要采用全控型器件，控制较复杂，成本也较高。710.2.1交直交变频器图10-11采用可控整流的电流型间接交流变流电路图10-12电流型交—直—交PWM变频电路图10-13整流和逆变均为PWM控制的电流型间接交流变流电路☞图10-11给出了可以再生反馈电力的电流型间接交流变流电路，当电动机制动时，中间直流电路的电流极性不能改变，要实现再生制动，只需调节可控整流电路的触发角，使中间直流电压反极性即可。☞图10-12给出了实现基于上述原理的电路图，为适用于较大容量的场合，将主电路中的器件换为GTO，逆变电路输出端的电容C是为吸收GTO关断时产生的过电压而设置的，它也可以对输出的PWM电流波形起滤波作用。☞电流型间接交流变流电路也可采用双PWM电路，为了吸收换流时的过电压，在交流电源侧和交流负载侧都设置了电容器；可四象限运行，同时通过对整流电路的PWM控制可使输入电流为正弦波，并使输入功率因数为1。810.3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☞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。910.3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。1010.3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。10.4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1210.4.1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。1310.4.1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。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1410.4.2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。1510.4.2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)1610.4.2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。1710.4.3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。1810.5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1910.5功率因数校正技术·引言■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