第8章电力电子装置(组合变流电路)

教案编写：肖强晖廖无限授课教师：肖强晖电气工程系电气工程教研室现代电力电子技术ModernPowerElectronics第8章电力电子装置重点和难点1、间接交流变流电路可分为电压型和电流型，掌握它们的各种构成方式及特点2、交直交变频器与交流电机构成变频调速系统，重点理解恒压频比控制方法，并了解转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等其他控制方法：3、CVCF变流电路主要用于UPS，掌握其基本构成方式，特点及主电路结构。4、掌握间接直流变换电路中的能量转换过程为直流——交流——直流，交流环节含有变压器。第8章电力电子装置•概述•8.1组合变流电路•8.2开关电源•8.3有源功率因数校正•8.4不间断电源（UPS）•8.5静止无功补偿装置•8.6变频调速装置•本章小结本章概述•1）常用的电力电子装置通常是由前述章节所学的不同电路组成，本章重点讲述有关这些电力电子装置基本组合变流电路。•2）另外还要介绍电力电子装置几个典型的应用第8章电力电子装置•概述•8.1组合变流电路•8.2开关电源•8.3有源功率因数校正•8.4不间断电源（UPS）•8.5静止无功补偿装置•8.6变频调速装置•本章小结8.1组合变流电路•引言•8.1.1间接交流变流电路•8.1.2间接直流变流电路引言8.1组合变流电路•引言•8.1.1间接交流变流电路•8.1.2间接直流变流电路8.1.1间接交流变流电路8.1.1间接交流变流电路•8.1.1.1间接交流变流电路原理•8.1.1.2交直交变频器•8.1.1.3恒压恒频（CVCF）电源8.1.1.1间接交流变流电路原理8.1.1.1间接交流变流电路原理8.1.1.1间接交流变流电路原理8.1.1.1间接交流变流电路原理8.1.1.1间接交流变流电路原理8.1.1间接交流变流电路•8.1.1.1间接交流变流电路原理•8.1.1.2交直交变频器•8.1.1.3恒压恒频（CVCF）电源8.1.1.2交直交变频器8.1.1.2交直交变频器8.1.1.2交直交变频器8.1.1.2交直交变频器8.1.1.2交直交变频器8.1.1.2交直交变频器8.1.1.2交直交变频器8.1.1间接交流变流电路•8.1.1.1间接交流变流电路原理•8.1.1.2交直交变频器•8.1.1.3恒压恒频（CVCF）电源8.1.1.3恒压恒频（CVCF）电源8.1.1.3恒压恒频（CVCF）电源8.1.1.3恒压恒频（CVCF）电源8.1.1.3恒压恒频（CVCF）电源8.1组合变流电路•引言•8.1.1间接交流变流电路•8.1.2间接直流变流电路8.1.2间接直流变流电路8.1.2间接直流变流电路•8.1.2.1正激电路•8.1.2.2反邀电路•8.1.2.3半桥电路•8.1.2.4全桥电路•8.1.2.5推挽电路•8.1.2.6全波整流和全桥整流•8.1.2.7开关电源8.1.2.1正激电路8.1.2.1正激电路8.1.2间接直流变流电路•8.1.2.1正激电路•8.1.2.2反邀电路•8.1.2.3半桥电路•8.1.2.4全桥电路•8.1.2.5推挽电路•8.1.2.6全波整流和全桥整流•8.1.2.7开关电源8.1.2.2反邀电路8.1.2.2反邀电路8.1.2间接直流变流电路•8.1.2.1正激电路•8.1.2.2反邀电路•8.1.2.3半桥电路•8.1.2.4全桥电路•8.1.2.5推挽电路•8.1.2.6全波整流和全桥整流•8.1.2.7开关电源8.1.2.3半桥电路8.1.2.3半桥电路8.1.2间接直流变流电路•8.1.2.1正激电路•8.1.2.2反邀电路•8.1.2.3半桥电路•8.1.2.4全桥电路•8.1.2.5推挽电路•8.1.2.6全波整流和全桥整流•8.1.2.7开关电源8.1.2.4全桥电路8.1.2.4全桥电路8.1.2间接直流变流电路•8.1.2.1正激电路•8.1.2.2反邀电路•8.1.2.3半桥电路•8.1.2.4全桥电路•8.1.2.5推挽电路•8.1.2.6全波整流和全桥整流•8.1.2.7开关电源8.1.2.5推挽电路8.1.2.5推挽电路8.1.2.5推挽电路8.1.2间接直流变流电路•8.1.2.1正激电路•8.1.2.2反邀电路•8.1.2.3半桥电路•8.1.2.4全桥电路•8.1.2.5推挽电路•8.1.2.6全波整流和全桥整流•8.1.2.7开关电源8.1.2.6全波整流和全桥整流8.1.2.6全波整流和全桥整流8.1.2.6全波整流和全桥整流8.1.2间接直流变流电路•8.1.2.1正激电路•8.1.2.2反邀电路•8.1.2.3半桥电路•8.1.2.4全桥电路•8.1.2.5推挽电路•8.1.2.6全波整流和全桥整流•8.1.2.7开关电源8.1.2.7开关电源有关开关电源的详细内容，请参见下一节第8章电力电子装置•概述•8.1组合变流电路•8.2开关电源•8.3有源功率因数校正•8.4不间断电源（UPS）•8.5静止无功补偿装置•8.6变频调速装置•本章小结8.2开关电源•概述•8.2.1开关电源的工作原理•8.2.2开关电源的应用开关电源——概述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。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(SwitchingPowerSupply)，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。1、线性稳压电源：2、开关稳压电源：8.2开关电源•概述•8.2.1开关电源的工作原理•8.2.2开关电源的应用1、线性稳压电源：优点：优良的纹波及动态响应特性；缺点：（1）输入采用50Hz工频变压器，体积庞大；（2）电压调整器件工作在线性放大区内,损耗大,效率低；（3）过载能力差。图8.29线性稳压电源方框图8.2.1开关电源的工作原理2、开关电源：50Hz单相交流220V电压或三相交流220V/380V电压经EMI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(或升压)后，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。图8.30开关电源原理框图工作原理：8.2.1开关电源的工作原理图8.30开关电源原理框图开关管占空比定义为：D=Ton/Ts；其中Ts为开关管的开关周期,Ton为一个周期内导通用时间。两种改变占空比的控制方式：1）脉冲宽度调制控制(PWM)2、开关电源：2）脉冲频率调制控制(PFM)8.2.1开关电源的工作原理图8.31PWM控制方式1）脉冲宽度控制：保持开关频率(开关周期Ts)不变，通过改变Ton来改变占空比D，从而达到改变输出电压的目的。如果占空比D越大，则经滤波后的输出电压也就越高。保持导通时间Ton不变，通过改变开关频率(即开关周期)而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。2）脉冲频率控制：8.2.1开关电源的工作原理（1）功耗小、效率高。（2）体积小、重量轻。（3）稳压范围宽。（4）电路形式灵活多样。开关电源缺点：主要是存在开关噪声干扰。开关电源优点：8.2.1开关电源的工作原理8.2开关电源•概述•8.2.1开关电源的工作原理•8.2.2开关电源的应用图8.32直流操作电源电路原理图主电路采用半桥变换电路，额定输出直流电压为220V，输出电流为10A。1、开关电源的应用8.2.2开关电源的应用2、各功能块的具体电路简介：(1)交流进线滤波器图8.33交流进线EMI滤波器该滤波器能同时抑制共模和差模干扰信号。电路结构：Cc1、Lc和Cc2构成的低通滤波器用来抑制共模干扰信号，其中Lc称为共模电感，其两组线圈匝数相等，但绕向相反，对差模信号的阻抗为零，而对共模信号产生很大的阻抗。Cd1、Ld和Cd2构成的低通滤波器则用来抑制差模干扰信号。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入开关电源内部，干扰开关电源的正常工作。8.2.2开关电源的应用(2)启动浪涌电流抑制电路小功率电源：在整流桥的直流侧和滤波电容之间串联具有负温度系数的热敏电阻。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晶闸管开关。(3)输出整流电路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或桥式整流电路。启动浪涌电流抑制电路限流电阻启动浪涌电流抑制电路输出整流电路半波整流8.2.2开关电源的应用PWM控制器SG3525引脚说明图8.34SG3525的内部结构①脚：误差放大器反相输入端；③脚：同步信号输入端，同步脉冲的频率应比振荡器频率fS要低一些；④脚：振荡器输出；⑤脚：振荡器外接定时电阻RT端，RT值为2kΩ～150kΩ；⑥脚：振荡器外接电容CT端，振荡器频率为fS＝1/CT(0.7RT+3R0);其中R0为⑤脚与⑦脚之间跨接的电阻，用来调节死区时间，定时电容范围为0.001μF～0.1μF；⑦脚：振荡器放电端，外接电阻来控制死区时间，电阻范围为0～500Ω；⑧脚：软起动端，外接软起动电容，该电容由内部Uref的50μA恒流源充电。⑨脚：误差放大器的输出端；⑩脚：PWM信号封锁端，该脚为高电平时，输出驱动脉冲信号被封锁,用于故障保护；⑾脚：A路驱动信号输出；⑿脚：接地;⒀脚：输出级集电极电压；⒁脚：B路驱动信号输出；⒂脚：电源，其范围因为8V～35V；⒃脚：内部+5V基准电压输出。②脚：误差放大器同相输入端；8.2.2开关电源的应用(4)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，电流环为内环控制。输出电压的反馈信号UOF与电压给定信号UOG相减，其误差信号经PI调节器后形成输出电感的电流给定，再与电感电流的反馈信号IOF相减得电流误差信号，经PI调节器后送入PWM控制器SG3525，然后与控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驱动电路该驱动模块为混合集成电路，将IGBT的驱动和过流保护集于一体，能驱动电压为600V和1200V系列电流容量不大于400AIGBT。图8.35IGBT驱动电路8.2.2开关电源的应用第8章电力电子装置•概述•8.1组合变流电路•8.2开关电源•8.3有源功率因数校正•8.4不间断电源（UPS）•8.5静止无功补偿装置•8.6变频调速装置•本章小结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行。1、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，从而导致系统无法正常工作。•4）LC滤波器体积庞大。特点：•1）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LC滤波器)8.3有源功率因数校正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。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波整流电压取样信号的乘积。1）特点：2、有源功率因数校正电路（PFC）2）工作原理：有源功率因数校正技术(ActitePowerFilterCorrection，简称APFC或PFC)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。8.3有源功率因数校正图8.36Boost－PFC电路主电路由单相桥式整流电路和Boost变换电路组成，虚线框内为控制电路，包含电压误差放大器VA及基准电压Ur，乘法器，电流误差放大器CA，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，