第9章 电力电子技术应用

1第九章电力电子技术应用第一节大功率开关稳压电源第二节不间断电源(UPS)第三节PSPICE在电力电子技术仿真中的应用第四节MATLAB在电力电子技术仿真中的应用本章小节2第一节大功率开关稳压电源一、开关电源的基本结构开关电源的基本结构是：电网上的交流电通过工频整流滤波为固定直流电，通过高频逆变功率变换得到20~50kHz的交流电，再经过高频整流与滤波，得到所要求的直流电源。其核心部分是用全控器件再逆变电路中以高频的开关进行DC/AC功率变换，故此类电源简称开关电源。3图9-1开关电源原理图28V/100A开关电源的原理框图4当开关电源由于负载电流减小或交流输入电压的升高而引起输出直流电压升高时，由脉宽调制PWM环节控制，使逆变器中功率开关器件的导通时间缩短，逆变器输出脉宽变窄，从而使输出电压下降；反之，使逆变器输出脉宽展宽，由此实现输出直流电压的稳定与调节。稳压调压的原理5二、开关电源主电路工作原理图9-2开关电路主电路6开关电源主电路图9-2中，220V交流输入，经开关S、电源滤波与MDC40A/800V硅桥整流滤波，变换为300V左右的恒定直流，再经限流电阻(四个200/8W并联)输入高频逆变器，进行功率变换。逆变器为电压型半桥式电路，由两只IGBT管(V1、V2)、电容C1、C2以及高频变压器组成，将直流电变换为20kHz的正负矩形波电压。该高频电压经Tr降压，电压比约为5.3：l，送至高频整流桥进行全波整流与滤波，得到稳定的28V直流电压。7三、IGBT管的驱动与控制1）IGBT管的驱动电路8三、IGBT管的驱动与控制由脉宽调制集成块CW494的8、11脚输出相位差180º、频率为20kHz、脉宽可调的驱动信号，经比较器(4050集成块)整形缓冲和分立元件功放电路(亦可用EXB等系列集成功放)，送到IGBT管的G、E脚，导通正脉冲的幅度为15V，要求输出回路阻抗值很小，以保证IGBT的快速开通与较小的通态管压降。为了可靠关断，电路中设置2CW5B6稳压管，使关断时管子承受一6V左右的负偏压。9三、IGBT管的驱动与控制2)脉宽调制控制图9-5CW494集成脉冲调制器管脚排列及内部功能框图10三、IGBT管的驱动与控制(1)锯齿波振荡器其振荡频率由5、6脚外接RT、CT参数决定[f≈1/(RTCT))，对于双端输出，其振荡频率调整为2倍的逆变器频率(40kHz)。(2)脉宽调制(PWM)控制主要由PWM比较器实现。振荡器产生的锯齿波经反相输入比较器负端，与两个误差放大器输出的误差电压进行比较，其输入、输出波形如图9-6所示。11三、IGBT管的驱动与控制当误差电压小于锯齿波电压(已反相)时，输出低电平，当误差电压大于锯齿波电压时，输出高电平。图9-6中示出两种误差电压时比较器输出脉冲波形。改变误差电压即可方便地调节脉冲宽度。图9-6PWM比较器输入、输出波形12三、IGBT管的驱动与控制13脚是输出方式控制，高电平时使两晶体管在正、负半周交替通断为双端输出，适用于推挽、半桥和全桥逆变电路；13脚低电平时，触发器封锁，两输出晶体管同时通断，可用于单端逆变，此时两管并联工作，输出驱动电流可达400mA。输出端8、9、11、10脚有两种连接：一种是8、11脚接电源，9、10脚接负载发射极输出；另一种是9、10脚接地，8、11脚经电阻接电源，由集电极8、11脚输出13三、IGBT管的驱动与控制(3)死区时间控制死区时间由死区控制比较器来实现。CW494的死区时间由4脚外接电阻设定，设定死区时间约为振荡周期的5％。(4)稳压与过电压、过电流保护稳压和保护功能由两个误差放大器来完成。14第二节不间断电源(UPS)一、不间断电源的发展和分类1、后备式不间断电源（offlineUPS，或称back一upUPS）图9-7后备式不间断电源框图151、后备式不间断电源后备式不间断电源（offlineUPS，或称back一upUPS）是一种结构简单、运行可靠性高的后备电源系统。它一般由逆变器、充电器、交流稳压器(AVR)、电源滤波器(EMl)、切换开关等构成，如图9-7所示。当市电正常时，市电经过输入电源滤波器(EMl)、交流稳压器(AVR)后分为两路。一路通过切换开关，由输出端电源滤波器(EMl)输出；另一路经充电器对后备电池充电。当市电异常时，启动逆变器，转换开关转向逆变器。162、在线式不间断电源图9-8在线式不间断电源框图17在线式不间断电源工作原理当市电正常情况下，输入市电经滤波器输入到有源功率因数校正整流电路PFC，使输入功率因数接近l。由PFC电路输出稳定的直流电压与电池升压电路输出电压经二极管VDl、VD2在直流母线上并联。电池升压电路的输出电压略低于PFC整流器输出电压，所以在市电正常情况下，由PFC整流后的市电向逆变器提供能量。当市电出现异常情况时，PFC输出将低于电池升压输出，这时由电池升压后向逆变器提供能量，这时充电器停止工作。18逆变器是UPS中重要的组成部分之一。现在都选用IGBT管作为主功率变换器的开关管，逆变器的调制频率为20kHz。由逆变控制器、H形桥式逆变器、驱动和保护电路组成。19逆变控制器由基准正弦波发生器、误差放大器与PWM调制器构成。逆变器的输出电压、反馈信号和基准正弦波信号送到误差放大器，其输出误差信号再与20kHz三角波通过电压比较器进行比较，调制出PWM信号，如图9-9所示。图9-9逆变控制器输出的PWM波形20硬件保护电路的主要功能是死区抑制时间的产生、逆变器关闭的执行、4个桥臂驱动信号的产生等。PWM信号和正／负信号来自单片机，经过死区抑制时间1μs后分4路送至桥臂的驱动器。死区抑制时间的长短取决于IGBT开通和关闭速度及驱动自身的延时。21图9-10驱动电路驱动电路如图22驱动电路如图9-10所示，它由隔离的辅助电源和驱动器EXB840构成，完成对4个IGBT管的控制。驱动器同时带有过饱和保护的功能。驱动电路与GE之间的导线连接必须用双绞线，而且要尽量的短，以克服驱动过程的干扰。23第三节PSPICE在电力电子技术仿真中的应用PSPICE则是由美国Microsim公司在SPICE2G版本的基础上升级并用于PC机上的SPICE版本，其中采用自由格式语言的5.0版本自80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6.0版本开始引入图形界面。24晶闸管整流电路PSPICE仿真以一个简单的带有电阻性负载的晶闸管半波整流电路为例图9-15晶闸管半波整流电路25晶闸管整流电路PSPICE仿真晶闸管电路的模拟程序如下：1CESCRC149M10SIMPLEOPERATIONTEST2．SUBCKTSCRM3213RGATE25204VGS5105SSCR3461SSCR6CSWITCH34450pF7VAS4108．MODELSSCRVSWITCH(RON=.01259+ROFF=103000VON=1VOFF=0)10FSENSE16POLY(2)VGSVAS050112611RSENSE61112CR6110UF13．ENDS14XSCRM320SCRM15VCATE20PULSE()525．2US．2US2US100US)16VSOURSE70SIN(02501000000)17RLOAD37．482518．OPTIONNOMODNOPAGERELTOL19．WIDTHOUT=13220．TRAN．2US100US0．2US21．PROBE22．END晶闸管整流电路PSPICE仿真27PSPICE仿真输出波形28上面这个例子是直接用编程方式实现仿真的，高版本的PSPICE软件引入了图形编程技术，并且在它的器件模型库中增加了许多新器件的模型，PSPICE8.0中还添加了IGBT模型卡，这使得电力电子电路的仿真变的更容易、直观，电路的连接，参数的设置都只须在鼠标的拖放，属性的设置下完成。29第四节MATLAB在电力电子技术仿真中的应用一、MATLAB语言简介1.MATLAB是一种功能强、效率高、便于进行科学和工程计算的交互式软件包，采用直译式语言进行编程。2.在MATLAB的动态仿真工具SIMULINK环境下的电力系统工具箱（PowerSystemBlockset）中有一个电力电子元件模块库（PowerElectronics）。利用它建立电力电子装置的简化模型（如基频模型）并连接成系统，即可直接进行控制器的设计和仿真。30第四节MATLAB在电力电子技术仿真中的应用图9-14电力系统工具箱（PowerSystemBlockset）模块库5.3版本后在电力系统工具箱中有一个电力电子元件模块库（PowerElectronics）31第四节MATLAB在电力电子技术仿真中的应用在电力电子元件模块库中包含了理想开关元件、二极管、晶闸管、功率场效应管、可关断晶闸管、绝缘栅双极晶体管等多种功率开关元件模型，以及由构成的桥式电路图9-15电力电子元件模块库（PowerElectronics）中各开关元件模型32二、仿真示例1、三相半波可控整流电路的仿真示例图9-16三相半波可控整流电路的仿真电路图33图9-17仿真输出电压及电流波形342、交-直-交电压型逆变器仿真示例图9-18交-直-交电压型逆变器仿真电路图35（a）逆变器输入电压波形（b）逆变器输出电压波形图9-20仿真输出波形36（c）电机输出转速波形（d）电机输出转矩波形37本章小结1.电力电子技术的应用目前几乎遍及工业的各个领域，已被广泛地应用于高品质交直流电源、电力系统、变频调速、新能源发电及各种工业与民用电器等领域。因此在本章中举了几个典型的电力电子技术的应用实例，如开关电源，UPS等。电力电子技术因应用需求不断向前发展，新技术的出现又会使许多应用产品更新换代，还会开拓更多更新的应用领域。382.仿真技术在电力电子电路方面的应用，是其众多应用中很重要的一部分，成为开展这方面研究的必不可少的重要工具。在电力电子电路的设计中，计算机仿真主要用于设计方案的验证、系统性能的预测、新产品潜在问题的发现以及解决问题方法的评价等。3.常用的电力电子仿真软件有Pspice，Saber，Simplis和MATLAB等。通常把电源电子仿真软件分为两种：侧重于电路的仿真器和侧重于方程求解的仿真器，其中PSPICE、和MATLAB分别是两类仿真器的代表。