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1、第第1010章电力电子技术的应用章电力电子技术的应用 10.1 10.1 晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统 10.2 10.2 变频器和交流调速系统变频器和交流调速系统 10.3 10.3 不间断电源不间断电源 10.4 10.4 开关电源开关电源 10.5 10.5 功率因数校正技术功率因数校正技术 10.6 10.6 电力电子技术在电力系统中的应用电力电子技术在电力系统中的应用 本章小结本章小结*本PPT参考王兆安等编的电力电子技术第五版配套课件资源*1/6010.1 晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统 10.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时 10.1.2 工作于有源
2、逆变状态时工作于有源逆变状态时 10.1.3 直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统2/6010.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的系统，习惯称为晶闸管直流电动机系统，晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的系统，习惯称为晶闸管直流电动机系统，是电力拖动系统中主要的一种，也是可控整流装置的主要用途之一。是电力拖动系统中主要的一种，也是可控整流装置的主要用途之一。直流电动机负载除本身有直流电动机负载除本身有电阻电阻、电感电感外，还有一个外，还有一个反电动势反电动势E，为了平稳负载电流的，为了平稳负载电流的脉动，通常在电枢回路串联一脉动，通常在电枢回
3、路串联一平波电抗器平波电抗器，保证整流电流在较大范围内连续。，保证整流电流在较大范围内连续。图图10-1 三相半波带电动机负载且加平波电抗器时的电压电流波形三相半波带电动机负载且加平波电抗器时的电压电流波形 3/6010.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时触发晶闸管，待电动机启动达稳态后，由于电动机有较大的机械惯量，故其转速和反电动触发晶闸管，待电动机启动达稳态后，由于电动机有较大的机械惯量，故其转速和反电动势都基本无脉动，此时整流电压的平均值由电动机的反电动势及电路中负载平均电流势都基本无脉动，此时整流电压的平均值由电动机的反电动势及电路中负载平均电流Id所引所引起的各种电压降所平衡，
4、平衡方程为起的各种电压降所平衡，平衡方程为 式中，式中，其中，其中RB为变压器的等效电阻，为变压器的等效电阻，RM为电枢电阻，为电枢电阻，为重叠角引起的电压降所折合的电阻；为重叠角引起的电压降所折合的电阻；为晶闸管本身的管压降。为晶闸管本身的管压降。在电动机负载电路中，电流由在电动机负载电路中，电流由负载转矩负载转矩所决定，当电动机的负载较轻时，对应的负载所决定，当电动机的负载较轻时，对应的负载电流也小，在小电流情况下，特别在低速时，由于电感的储能减小，往往不足以维持电电流也小，在小电流情况下，特别在低速时，由于电感的储能减小，往往不足以维持电流连续，从而出现流连续，从而出现电流断续现象电流断
5、续现象。(10-1)4/6010.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时电流连续时电动机的机械特性电流连续时电动机的机械特性 三相半波电流连续时的电动机机械特性三相半波电流连续时的电动机机械特性 直流电动机的反电动势为直流电动机的反电动势为 因为因为 ，故反电动势特性方程为，故反电动势特性方程为 转速与电流的机械特性关系式为转速与电流的机械特性关系式为 三相桥式全控整流电路电动机负载时的机械特性方程为三相桥式全控整流电路电动机负载时的机械特性方程为 图图10-2 三相半波电流连续时以电流表示三相半波电流连续时以电流表示的电动机机械特性的电动机机械特性(10-2)(10-3)(10-4)(10
6、-5)的值一般为的值一般为1V左右，所以忽略；左右，所以忽略；调节角调节角，即可调节电动机的转速。，即可调节电动机的转速。5/6010.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时电流断续时电动机的机械特性电流断续时电动机的机械特性 由于整流电压是一个脉动的直流电压，当电动机的负载减小时，平波电抗器中的电感由于整流电压是一个脉动的直流电压，当电动机的负载减小时，平波电抗器中的电感储能减小，致使电流断续，此时电动机的机械特性也就呈现出储能减小，致使电流断续，此时电动机的机械特性也就呈现出非线性非线性。电流断续时机械特性的特点电流断续时机械特性的特点 分析分析=60 时的情况，当时的情况，当Id=0，
7、忽略，忽略 ，此时的，此时的反电动势反电动势 为为 ，而实际上，晶闸管导通时相电压瞬时值为，而实际上，晶闸管导通时相电压瞬时值为 ，大于，大于 ，也即，也即Id不为零，所以才是不为零，所以才是理想空载点理想空载点。图图10-3 电流断续时电动势的特性曲线电流断续时电动势的特性曲线6/60 在电流断续情况下，在电流断续情况下，时，电动机的实际空载时，电动机的实际空载反电动势都是反电动势都是 ；当；当 以后，空载反电动势将由以后，空载反电动势将由 决定。决定。10.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时图图10-4 考虑电流断续时不同考虑电流断续时不同 时反电动势时反电动势的特性曲线的特性曲线
8、1 2 3 460 当电流断续时，电动机的当电流断续时，电动机的理想空载转速抬高理想空载转速抬高，这，这是电流断续时电动机机械特性的第一个特点；第二是电流断续时电动机机械特性的第一个特点；第二个特点是，在电流断续区内电动机的个特点是，在电流断续区内电动机的机械特性变软机械特性变软，即负载电流变化很小也可引起很大的转速变化。即负载电流变化很小也可引起很大的转速变化。大的反电动势特性，其电流断续区的范围（以大的反电动势特性，其电流断续区的范围（以虚线表示）要比虚线表示）要比 小时的电流断续区大，这是由于小时的电流断续区大，这是由于 愈大，变压器加给晶闸管阳极上的负电压时间愈长，愈大，变压器加给晶闸
9、管阳极上的负电压时间愈长，电流要维持导通，必须要求平波电抗器储存较大的电流要维持导通，必须要求平波电抗器储存较大的磁能，而电抗器的磁能，而电抗器的L为一定值的情况下，要有较大为一定值的情况下，要有较大的电流的电流Id才行；故才行；故随着随着 的增加，进入断续区的电流的增加，进入断续区的电流值加大值加大，这是电流断续时电动机机械特性的第三个，这是电流断续时电动机机械特性的第三个特点。特点。7/6010.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时电流断续时电动机机械特性可由下面三个式子准确地得出电流断续时电动机机械特性可由下面三个式子准确地得出 式中，式中，L为回路总电感。为回路总电感。(10-6)
10、(10-7)(10-8)8/6010.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时一般只要主电路电感足够大，可以只考虑电流连续段，完全按线性处理，当低速轻载一般只要主电路电感足够大，可以只考虑电流连续段，完全按线性处理，当低速轻载时，断续作用显著，可改用另一段较陡的特性来近似处理。时，断续作用显著，可改用另一段较陡的特性来近似处理。整流电路为三相半波时，在最小负载电流为整流电路为三相半波时，在最小负载电流为Idmin时，为保证电流连续所需的主回路时，为保证电流连续所需的主回路电感量（单位为电感量（单位为mH）为）为 对于三相桥式全控整流电路带电动机负载的系统，有对于三相桥式全控整流电路带电动机负载
11、的系统，有 L中包括中包括整流变压器的漏电感整流变压器的漏电感、电枢电感电枢电感和和平波电抗器的电感平波电抗器的电感，前者数，前者数 值都较小，有时可忽值都较小，有时可忽略；略；Idmin一般取电动机额定电流的一般取电动机额定电流的5%10%。三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波的高一倍，因而所需平波电抗器的电感量也可三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波的高一倍，因而所需平波电抗器的电感量也可相应减小约一半。相应减小约一半。(10-9)(10-10)9/6010.1.2 工作于有源逆变状态时工作于有源逆变状态时 因为因为 ，可求得电动机，可求得电动机的机械特性方程式的机械特性方程式 电
12、流连续时电动机的机械特性电流连续时电动机的机械特性 电压平衡方程式为电压平衡方程式为 逆变时由于逆变时由于 ，EM反接，得反接，得 正组变流器反组变流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a=b=p2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向图图10-5 电动机在四象限中的机械特性电动机在四象限中的机械特性 上式的负号表示逆变时电动机的转向与整流上式的负号表示逆变时电动机的转向与整流时相反；时相反；调节调节 就可改变电动机的运行转速就可改变电动机的运行转速，值值愈愈 小，相应的转速愈高；反之
13、则转速愈低。小，相应的转速愈高；反之则转速愈低。(10-11)(10-12)10/6010.1.2 工作于有源逆变状态时工作于有源逆变状态时电流断续时电动机的机械特性电流断续时电动机的机械特性 电动机机械特性可由下面三个式子准确地得出电动机机械特性可由下面三个式子准确地得出 当电流断续时电动机的机械特性不仅和当电流断续时电动机的机械特性不仅和逆变角逆变角有关，而且和有关，而且和电路参数电路参数、导通角导通角等有关系。等有关系。(10-13)(10-14)(10-15)11/6010.1.2 工作于有源逆变状态时工作于有源逆变状态时正组变流器反组变流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b
14、=p2a=b=p2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向图图10-5 电动机在四象限中的机械特性电动机在四象限中的机械特性 图图10-5中右下的虚线以左的部分为逆变电流断续时电中右下的虚线以左的部分为逆变电流断续时电动机的机械特性，其特点是：动机的机械特性，其特点是：理想空载转速上翘很多理想空载转速上翘很多，机械特性变软机械特性变软，且呈现非线性且呈现非线性。逆变状态的机械特性是整流状态的延续，纵观控制逆变状态的机械特性是整流状态的延续，纵观控制角角 由小变大（如由小变大（如/6 5/6），电动机的机
15、械特性则逐渐的由第），电动机的机械特性则逐渐的由第1象限往下移，象限往下移，进而到达第进而到达第4象限；第象限；第2象限里也为逆变状态，与它对象限里也为逆变状态，与它对应的整流状态的机械特性则表示在第应的整流状态的机械特性则表示在第3象限里。象限里。第第1、第、第4象限中的特性和第象限中的特性和第3、第、第2象限中的特性是象限中的特性是分别属于两组变流器的，它们输出整流电压的极性彼分别属于两组变流器的，它们输出整流电压的极性彼此相反，故分别标以此相反，故分别标以正组正组和和反组变流器反组变流器。运行工作点由第运行工作点由第1（第（第3）象限的特性，转到第）象限的特性，转到第2（第（第4）象限的
16、特性时，表明电动机由）象限的特性时，表明电动机由电动运行电动运行转入转入发电发电制动运行制动运行；相应的变流器的；相应的变流器的工况工况由由整流转为逆变整流转为逆变。12/6010.1.3 直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统 电路结构电路结构 图图10-6a是是有环流有环流接线，图接线，图10-6b是是无环流无环流接线，环流是指只在两组变流器接线，环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。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定哪一组变流器工作及其相应的工作状态
17、：整流或逆变。态：整流或逆变。四象限运行时的工作情况四象限运行时的工作情况 第第1象限，正转，电动机作电动运象限，正转，电动机作电动运行，正组桥工作在整流状态，行，正组桥工作在整流状态，1/2，EMUd （下标中有（下标中有 表示整流，下标表示整流，下标1表示正组桥，下标表示正组桥，下标2表示反组桥）。表示反组桥）。图图10-6 两组变流器的反并联可逆线路两组变流器的反并联可逆线路13/60动画（正）动画（反）10.1.3 直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统第第2象限，正转，电动机作发电运行，象限，正转，电动机作发电运行，反组桥工作在逆变状态，反组桥工作在逆变状态，2/2)，EMUd（下
18、标（下标中有中有 表示逆变）。表示逆变）。第第3象限，反转，电动机作电动运行，象限，反转，电动机作电动运行，反组桥工作在整流状态，反组桥工作在整流状态，2/2，EMUd。第第4象限，反转，电动机作发电运行，象限，反转，电动机作发电运行，正组桥工作在逆变状态，正组桥工作在逆变状态，1/2)，EMUd 。图图10-6 两组变流器的反并联可逆线路两组变流器的反并联可逆线路。14/6010.1.3 直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统图图10-6(c)直流可逆拖动系统，能方便地实现直流可逆拖动系统，能方便地实现正反向运正反向运转转外，还能实现外，还能实现回馈制动回馈制动。由正转到反转的过程由正转到
19、反转的过程 从从1组桥切换到组桥切换到2组桥工作，并要求组桥工作，并要求2组桥组桥在逆变状态下工作，电动机进入第在逆变状态下工作，电动机进入第2象限（之象限（之前运行在第前运行在第1象限）作正转发电运行，电磁转象限）作正转发电运行，电磁转矩变成制动转矩，电动机轴上的机械能经矩变成制动转矩，电动机轴上的机械能经2组组桥逆变为交流电能回馈电网。桥逆变为交流电能回馈电网。改变改变2组桥的逆变角组桥的逆变角，使之由小变大直，使之由小变大直至至=/2（n=0），如继续增大），如继续增大，即，即 /2，2组桥将转入整流状态下工作，电动机开始反组桥将转入整流状态下工作，电动机开始反转进入第转进入第3象限的电
20、动运行。象限的电动运行。电动机从反转到正转，其过程则由第电动机从反转到正转，其过程则由第3象象限经第限经第4象限最终运行在第象限最终运行在第1象限上。象限上。15/6010.1.3 直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统根据对环流的不同处理方法，反并联可逆电路又可分为几种不同的控制方案，如配合控根据对环流的不同处理方法，反并联可逆电路又可分为几种不同的控制方案，如配合控制有环流（即制有环流（即=工作制）、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等。工作制）、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等。对于对于=配合控制的有环流可逆系统，当系统工作时，对正、反两组变流器同时输入配合控制的有环流
21、可逆系统，当系统工作时，对正、反两组变流器同时输入触发脉冲，并严格保证触发脉冲，并严格保证=的配合控制关系，的配合控制关系，两组变流器的输出电压平均值相等，且两组变流器的输出电压平均值相等，且极性相抵，之间没有直流环流；极性相抵，之间没有直流环流；但输出电压瞬时值不等，会产生但输出电压瞬时值不等，会产生脉动环流脉动环流，为防止环，为防止环流只经晶闸管流过而使电源短路，必须串入流只经晶闸管流过而使电源短路，必须串入环流电抗器环流电抗器LC限制环流。限制环流。工程上使用较广泛的工程上使用较广泛的逻辑无环流可逆系统逻辑无环流可逆系统不设置环流电抗器，控制原则是：两组桥在不设置环流电抗器，控制原则是：
22、两组桥在任何时刻只有一组投入工作（另一组关断），所以在两组桥之间就不存在环流；变流任何时刻只有一组投入工作（另一组关断），所以在两组桥之间就不存在环流；变流器之间的切换过程是由逻辑单元控制的，故称为逻辑控制无环流系统。器之间的切换过程是由逻辑单元控制的，故称为逻辑控制无环流系统。16/6010.2 变频器和交流调速系统变频器和交流调速系统 10.2.1 交直交变频器交直交变频器 10.2.2 交流电机变频调速的控制方式交流电机变频调速的控制方式17/6010.2 变频器和交流调速系统变频器和交流调速系统引言引言直流调速传动系统的缺点直流调速传动系统的缺点 受使用环境条件制约。受使用环境条件制约
23、。需要定期维护。需要定期维护。最高速度和容量受限制。最高速度和容量受限制。交流调速传动系统的优点交流调速传动系统的优点 克服了直流调速传动系统的缺点。克服了直流调速传动系统的缺点。交流电动机结构简单，可靠性高。交流电动机结构简单，可靠性高。节能。节能。高精度，快速响应。高精度，快速响应。交流电机的控制技术较为复杂，对所需的电力电子变换器要求也较高，交流电机的控制技术较为复杂，对所需的电力电子变换器要求也较高，所以直到近二十年时间，随着电力电子技术和控制技术的发展，交流调速所以直到近二十年时间，随着电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统才得到迅速的发展，其应用已在逐步取代传统的直流传动系统。
24、系统才得到迅速的发展，其应用已在逐步取代传统的直流传动系统。18/6010.2.1 交直交变频器交直交变频器交直交变频器（交直交变频器（Variable Voltage Variable Frequency，简称，简称VVVF电源电源）是由）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。频率不再受输入电源频率的制约。再生反馈电力的能力再生反馈电力的能力 当负载电动机需要频繁、快速制动时，通常要求具有当负载电动机需要频繁、快速制动时，通常要求具有再
25、生反馈电力的能力再生反馈电力的能力。图图10-7所示的电压型交直交变频电路不能所示的电压型交直交变频电路不能再生反馈电力。再生反馈电力。其整流部分采用的是不可控整流，它和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，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。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，称为回交流
26、电源，这将导致电容电压升高，称为泵泵升电压升电压，泵升电压过高会危及整个电路的安全。，泵升电压过高会危及整个电路的安全。图图10-7 不能再生反馈的电压型间不能再生反馈的电压型间接交流变流电路接交流变流电路 19/6010.2.1 交直交变频器交直交变频器图图10-8 带有泵升电压限制电路的电压型带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路间接交流变流电路 图图10-9 利用可控变流器实现再生反馈的电压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型间接交流变流电路 图图10-10 整流和逆变均为整流和逆变均为PWM控制的电压型控制的电压型间接交流变流电路间接交流变流电路 使电路具备再生反
27、馈电力能力的方法使电路具备再生反馈电力能力的方法 图图10-8的电路中加入一个由电力晶体管的电路中加入一个由电力晶体管V0和能耗电阻和能耗电阻R0组成的组成的泵升电压限制电路泵升电压限制电路，当泵升电压超过一定数值时，当泵升电压超过一定数值时，使使V0导通，把从负载反馈的能量消耗在导通，把从负载反馈的能量消耗在R0上，这种电路可上，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。运用于对电动机制动时间有一定要求的调速系统中。图图10-9所示的电路增加了一套所示的电路增加了一套变流电路变流电路，使其工作于，使其工作于有源逆变状态，可实现电动机的再生制动；当负载回馈能有源逆变状态，可实现电
28、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。流器将电能反馈回电网。图图10-10是整流电路和逆变电路都采用是整流电路和逆变电路都采用PWM控制的间控制的间接交流变流电路，可简称接交流变流电路，可简称双双PWM电路电路，该电路输入输出，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、逆变部分均为限运行，但由于整流、逆变部分均为PWM控制且需要采控制且需要采用全控型器件，控制较复杂，成本也较高。用全控型器件，
29、控制较复杂，成本也较高。20/6010.2.1 交直交变频器交直交变频器图图10-11 采用可控整流的电流型间接交流变流电路采用可控整流的电流型间接交流变流电路 图图10-12 电流型交电流型交直直交交PWM变频电路变频电路 图图10-13 整流和逆变均为整流和逆变均为PWM控制的电控制的电流型间接交流变流电路流型间接交流变流电路 图图10-11给出了可以再生反馈电力的电流型间接交流变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能改变，要实现再生制动，只需
30、调节可控整流电路的触发角，使中间直流电压反极性即可。发角，使中间直流电压反极性即可。图图10-12给出了实现基于上述原理的电路图，为适用于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较大容量的场合，将主电路中的器件换为，将主电路中的器件换为GTO，逆变电，逆变电路输出端的电容路输出端的电容C是为吸收是为吸收GTO关断时产生的过电压而关断时产生的过电压而设置的，它也可以对输出的设置的，它也可以对输出的PWM电流波形起滤波作用。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电流型间接交流变流电路也可采用双PWM电路，为电路，为了吸收换流时的过电压，在交流电源侧和交流负载侧都了吸收换
31、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，并使输入功率因数控制可使输入电流为正弦波，并使输入功率因数为为1。21/6010.2.2 交流电机变频调速的控制方式交流电机变频调速的控制方式笼型异步电动机的定子频率控制方式笼型异步电动机的定子频率控制方式 恒压频比控制恒压频比控制 异步电动机的转速主要由电源频率和极对数决定，改变电源（定子）频率可对电异步电动机的转速主要由电源频率和极对数决定，改变电源（定子）频率可对电动机进行调速，同时为了不使电动机因频率变化导致磁饱和而造成
32、励磁电流增大，引起动机进行调速，同时为了不使电动机因频率变化导致磁饱和而造成励磁电流增大，引起功率因数和效率的降低，需对变频器的电压和频率的比率进行控制，使该比率保持恒定，功率因数和效率的降低，需对变频器的电压和频率的比率进行控制，使该比率保持恒定，即恒压频比控制，以维持即恒压频比控制，以维持气隙磁通为额定值气隙磁通为额定值。图图10-14 采用恒压频比控制的变频调速系统框图采用恒压频比控制的变频调速系统框图 图图10-14给出了一个实例，转速给给出了一个实例，转速给定既作为调节加减速度的频率定既作为调节加减速度的频率f指令值，同指令值，同时经过适当分压，也被作为定子电压时经过适当分压，也被作
33、为定子电压V1的的指令值，该指令值，该f指令值和指令值和V1指令值之比就决定指令值之比就决定了了V/f比值比值，由于频率和电压由同一给定值，由于频率和电压由同一给定值控制，因此可以保证压频比为恒定；电机控制，因此可以保证压频比为恒定；电机的转向由变频器输出电压的相序决定，不的转向由变频器输出电压的相序决定，不需要由频率和电压给定信号反映极性。需要由频率和电压给定信号反映极性。22/6010.2.2 交流电机变频调速的控制方式交流电机变频调速的控制方式转差频率控制转差频率控制 为转速闭环的控制方式，可提高调速系统的动态性能。为转速闭环的控制方式，可提高调速系统的动态性能。从异步电机稳态模型可以证
34、明，当稳态气隙磁通恒定时，电磁转矩近似与转差角频率从异步电机稳态模型可以证明，当稳态气隙磁通恒定时，电磁转矩近似与转差角频率 s成成正比，因此，控制正比，因此，控制 s就相当于控制转矩，采用转速闭环的转差频率控制，使定子频率就相当于控制转矩，采用转速闭环的转差频率控制，使定子频率 1=r+s，则，则 1随实际转速随实际转速 r增加或减小，得到平滑而稳定的调速，保证了较高的调速范围和动态增加或减小，得到平滑而稳定的调速，保证了较高的调速范围和动态性能。性能。这种方法是基于这种方法是基于电机稳态模型电机稳态模型的，仍然不能得到理想的动态性能。的，仍然不能得到理想的动态性能。矢量控制矢量控制 异步电
35、动机的数学模型是异步电动机的数学模型是高阶高阶、非线性非线性、强耦合强耦合的的多变量系统多变量系统。矢量控制方式基于异步电机的按转子磁链定向的矢量控制方式基于异步电机的按转子磁链定向的动态数学模型动态数学模型，将定子电流分解为励磁，将定子电流分解为励磁分量和与此垂直的转矩分量，参照直流调速系统的控制方法，分别独立地对两个电流分量进分量和与此垂直的转矩分量，参照直流调速系统的控制方法，分别独立地对两个电流分量进行控制，类似直流调速系统中的双闭环控制方式。行控制，类似直流调速系统中的双闭环控制方式。该方式需要该方式需要实现转速和磁链的解耦实现转速和磁链的解耦，控制系统较为复杂。，控制系统较为复杂。
36、直接转矩控制直接转矩控制 直接转矩控制方法同样是基于电机的直接转矩控制方法同样是基于电机的动态模型动态模型，其控制闭环中的内环，直接采用了转矩，其控制闭环中的内环，直接采用了转矩反馈，并采用反馈，并采用砰砰砰控制砰控制，可以得到转矩的快速动态响应，并且控制相对要简单许多。，可以得到转矩的快速动态响应，并且控制相对要简单许多。23/6010.3 不间断电源不间断电源不间断电源（不间断电源（Uninterruptible Power Supply UPS）是当交流输入电源（习惯称为市）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，使负载供电不受影电）发生异
37、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。响的装置。广义地说，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情况UPS是是恒压恒频（恒压恒频（CVCF）电源）电源中的主要产品之一，广泛应用于各种对交流供电可靠中的主要产品之一，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。性和供电质量要求高的场合。图图10-15 UPS基本结构原理图基本结构原理图UPS的结构原理的结构原理 图图10-15给出了给出了UPS最基本的结构原理最基本的结构原理 基本工作原理是，当市电
38、正常时，由市电供电，当基本工作原理是，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、
39、稳频的性能，因此频的正弦波交流输出，并且具有稳压、稳频的性能，因此也称为也称为稳压稳频电源稳压稳频电源。24/6010.3 不间断电源不间断电源图图10-16 具有旁路开关的具有旁路开关的UPS系统系统图图10-17 用柴油发电机作为后备电源的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为保证市电异常或逆变器故障时负载供电的切换，实际的切换，实际的UPS产品中多数都设置了产品中多数都设置了旁路开旁路开关关，如图，如图10-16所示，市电与逆变器提供的所示，市电与逆变器提供的CVCF电源由转换开关电源由转换开关S切换；还需注意的是，切换；还需注意的是，在市电旁路电源与在
40、市电旁路电源与CVCF电源之间切换时，必电源之间切换时，必须保证两个电压的相位一致，通常采用须保证两个电压的相位一致，通常采用锁相同锁相同步步的方法。的方法。在市电断电时由于由蓄电池提供电能，供电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，可采用性，为了保证长时间不间断供电，可采用柴油柴油发电机（简称油机）作为后备电源发电机（简称油机）作为后备电源，如图，如图10-17所示，蓄电池只需作为市电与油机之间的过渡，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。容量可以比较小。25/6
41、010.3 不间断电源不间断电源图图10-18 小容量小容量UPS主电路主电路图图10-19 大功率大功率UPS主电路主电路 UPS的主电路结构的主电路结构 容量较小的容量较小的UPS主电路主电路 整流部分使用二极管整流器和直流整流部分使用二极管整流器和直流斩波器（用作斩波器（用作PFC），可获得较高的），可获得较高的交流交流输入功率因数输入功率因数。由于逆变器部分使用由于逆变器部分使用IGBT并采用并采用PWM控制控制，可获得良好的控制性能。，可获得良好的控制性能。使用使用GTO的大容量的大容量UPS主电路主电路 逆变器部分采用逆变器部分采用PWM控制，具有控制，具有调调节电压节电压和和改善
42、波形改善波形的功能。的功能。为减少为减少GTO的开关损耗，采用的开关损耗，采用较低较低的开关频率的开关频率。输出电压中所含的最低次谐波为输出电压中所含的最低次谐波为11次，次，从而使交流滤波器小型化。从而使交流滤波器小型化。26/6010.4 开关电源开关电源 10.4.1 开关电源的结构开关电源的结构 10.4.2 开关电源的控制方式开关电源的控制方式 10.4.3 开关电源的应用开关电源的应用27/6010.4 开关电源开关电源引言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，模拟电路需等，模拟电
43、路需要要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。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线性电源和开关电源 图图10-20所示为所示为线性电源线性电源，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，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。输出电压。图图10-21所示为所示为开关电源开关电源，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，先整流滤波、后经高频逆变得到高频
44、交流电压，然后由高频变压器降压、再整流滤波。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。为电子设备供电的主要电源形式。图图10-20 线性电源的基本电路结构线性电源的基本电路结构 图图10-21 半桥型开关电源电路结构半桥型开关电源电路结构 28/6010.4.1 开关电源的结构开关电源的结构图图10-22 开关电源的能量变换过程开关电源的能量变换过程交流输入的开关电源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
45、直流电。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，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较为先进的开关电源采用有源的功率因数校正(Power Factor Correction-PFC)电路。电路。高频逆变变压器高频整流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。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高性能开关电源中普遍采用了软开关技术软开关技术。可以采用给高频变压
46、器设计可以采用给高频变压器设计多个二次侧绕组多个二次侧绕组的方法来实现不同电压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，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，其它路的电路的负载变化时，其它路的电压也会跟着变化。压也会跟着变化。图图10-23 多路输出的整多路输出的整流电路流电路 29/6010.4.1 开关电源的结构开关电源的结构直流输
47、入的开关电源直流输入的开关电源 也称为也称为直流直流变换器直流直流变换器(DC-DC Converter)，分为，分为隔离型隔离型和和非隔离型非隔离型，隔离型多采用反，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。等电路。负载点稳压器负载点稳压器(POL-Point Of the Load regulator)仅仅为仅仅为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。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。计算机主板上给计算机主板上给CPU和存储
48、器供电的电源都是典型的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，经常采用的输出电压往往较低，为了提高效率，经常采用同步同步Buck(Sync Buck)电路电路，该电路的结构为，该电路的结构为Buck，但二极管也采用，但二极管也采用MOSFET，利用其低导，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。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。图图10-24 a)同步降压电路同步降压电路 图图10-24 b)同步升压电路同步升压电路 30/6010.4.1 开
49、关电源的结构开关电源的结构图图10-25 通信电源系统通信电源系统 分布式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，因此出现了个开关电源完成，因此出现了分布式的电源系统分布式的电源系统。如图如图10-25，一次电源完成交流直流的隔离，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到交换机中每块电路板，电路板上都有自己的DC-DC变换器，
50、将变换器，将48V转换为电路所需的各种电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能正常工作。一次电源采用多个开关电源并联的方案，每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个开关电源有时也被成称为“模块模块”，当其中个，当其中个别模块发生故障时，系统还能够继续运行，这被别模块发生故障时，系统还能够继续运行，这被称为称为“冗余冗余”。31/6010.4.2 开关电源的控制方式开关电源的控制方式图图10-26 开关电源的