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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 组合变流电路：将组合变流电路：将AC/DC、DC/DC、AC/AC和和DC/AC四大类四大类基本变流基本变流 电路中的某几种组合起来，实现一定的新功能。电路中的某几种组合起来，实现一定的新功能。间接交流变流电路：间接交流变流电路：先整流先整流+后逆变后逆变应用：应用：变压变频变流电路变压变频变流电路（Variable Voltage Var
2、iable FrequencyVVVF），），主要用作主要用作变频器变频器。恒压恒频变流电路恒压恒频变流电路（Constant Voltage Constant FrequencyCVCF），），主要用作主要用作不间断电源不间断电源（Uninterruptable Power SupplyUPS）。间接直流变流电路间接直流变流电路：先逆变：先逆变+后整流后整流应用：各种开关电源（应用：各种开关电源（Switching Mode Power SupplySMPS）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。需要定期维护。需要定期维护。最高速度和容
3、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，交流调速系统才得到迅速的发展，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。其应用已在逐步取代传
4、统的直流传动系统。10.2 变频器和交流调速系统变频器和交流调速系统交直交变频器（交直交变频器（Variable Voltage Variable Frequency，简，简称称VVVF电源电源）是由）是由AC/DC、DC/AC两类基本的变流电路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。出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，通常要求具有再生反馈电力的能力再生反馈电力的能力。10
5、.2.1 交直交变频器交直交变频器1电压型间接交流变流电路电压型间接交流变流电路 不能再生反馈的电压型间接交流变流电路不能再生反馈的电压型间接交流变流电路10.2.1 交直交变频器交直交变频器 在负载能量反馈到中间直流电路时，将导致电容电压在负载能量反馈到中间直流电路时，将导致电容电压升高，称为泵升电压，能量无法反馈回交流电源，泵升电升高，称为泵升电压，能量无法反馈回交流电源，泵升电压会危及整个电路安全。压会危及整个电路安全。带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路当泵升电压超过一定数值时，使当泵升电压超过一定数值时，使V0导通，把从负载反馈导通
6、，把从负载反馈的能量消耗在的能量消耗在R0上上。10.2.1 交直交变频器交直交变频器 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当负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状当负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状 态，态，将电能反馈回电网。将电能反馈回电网。10.2.1 交直交变频器交直交变频器 整流和逆变均为整流和逆变均为PWM控制的电压型间接交流变流电路控制的电压型间接交流变流电路整流和逆变电路均采用整流和逆变电路均采用PWM控制，能量可双向流动。控制，能量可双向流动。输入输出电流均为正弦波，输入功率因数高，且可实现电输入输出
7、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。动机四象限运行。10.2.1 交直交变频器交直交变频器2电流型间接交流变流电路电流型间接交流变流电路不能再生反馈电力的电流型间接交流变流电路不能再生反馈电力的电流型间接交流变流电路 整流电路为不可控的二极管整流时，电路不能将负载侧整流电路为不可控的二极管整流时，电路不能将负载侧的能量反馈到电源侧。的能量反馈到电源侧。10.2.1 交直交变频器交直交变频器 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为使电路具备再生反馈电力的能力，整流电路采用晶闸管可控整为使电路具备再生反馈电力的能力，整流电路采用晶闸管可控整
8、流电路。流电路。负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态，使中间负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态，使中间直流电压反极性。直流电压反极性。10.2.1 交直交变频器交直交变频器逆变为逆变为PWM控制的电流型间接交流变流电路控制的电流型间接交流变流电路通过对逆变电路的通过对逆变电路的PWM控制使输出为正弦波控制使输出为正弦波 电流型交电流型交直直交交PWM变频电路变频电路10.2.1 交直交变频器交直交变频器整流和逆变均为整流和逆变均为PWM控制的电流型间接交流变流电路控制的电流型间接交流变流电路通过对整流和逆变电路的通过对整流和逆变电路的PWM控制使输入输出均为正弦波控制使输入输
9、出均为正弦波10.2.1 交直交变频器交直交变频器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：(1)恒压频比（恒压频比（U/f）控制；控制；(2)转差频率控制；转差频率控制；(3)矢量控制；矢量控制；(4)直接转矩控制等。直接转矩控制等。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1、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（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励磁
10、电流增大，引起功率因数和效率的降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，以维持定，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。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恒压频比控制电路实例恒压频比控制电路实例为转速为转速开环开环的控制方式，系统的静、动态性能有限的控制方式，系统的静、动态性能有限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2转差频率控制转差频率控制 为转速为转速闭环闭环的控制
11、方式，可提高调速系统的动态性能。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证明，当稳态气隙磁通恒定时，从异步电机稳态模型可证明，当稳态气隙磁通恒定时，电磁转矩近似与转差角频率电磁转矩近似与转差角频率 s成正比，因此，控制成正比，因此，控制 s就相当就相当于控制转矩，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。定的调速，保证了较高的调速范围和动态性能。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
12、型的，仍然不能得到理想的，仍然不能得到理想的动态性能。的动态性能。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3矢量控制矢量控制 异步电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，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行控速系统的控制方法，分别独立地对两个电流分量进行控制制 该方式需要该方式
13、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，控制系统较为复杂为复杂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4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动态模型的，其控制闭直接转矩控制方法同样是基于动态模型的，其控制闭环中的内环，直接采用了转矩反馈，并采用砰环中的内环，直接采用了转矩反馈，并采用砰砰控制，可砰控制，可以得到转矩的快速动态响应。并且控制相对要简单许多。以得到转矩的快速动态响应。并且控制相对要简单许多。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不间断电源（不间断电源（Uninterruptible Power
14、Supply UPS）当交流输入电源（市电）发生异常或断电时，还能继当交流输入电源（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。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，包括输出为直流和输出为交流两种情况，目前通常指输出为交流的情况目前通常指输出为交流的情况恒压恒频（恒压恒频（CVCF）电）电源源，广泛应用于各种对交流供电可靠性和供电质量要求高，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。的场合。10.3 不间断电源不间断电源 UPS基本工作原理基本工作原理当市电
15、正常时，由市电供电，当市电异常乃至停电当市电正常时，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。在市电正常时，负载也可时，由蓄电池向逆变器供电。在市电正常时，负载也可以由逆变器供电，此时负载可得到的高质量的交流电压，以由逆变器供电，此时负载可得到的高质量的交流电压，具有稳压、稳频性能，也称为稳压稳频电源。具有稳压、稳频性能，也称为稳压稳频电源。10.3 不间断电源不间断电源 具有旁路开关的具有旁路开关的UPS系统系统为保证市电异常或逆变器故障时负载供电的切换，实际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UPS产品中多数都设置了产品中多数都设置了旁路开关旁路开关在市电旁路
16、电源与在市电旁路电源与CVCF电源之间切换时，必须保证两个电电源之间切换时，必须保证两个电压的相位一致，通常采用压的相位一致，通常采用锁相同步锁相同步的方法。的方法。10.3 不间断电源不间断电源 市电异常乃至停电时，蓄电池的直流电经逆变器变市电异常乃至停电时，蓄电池的直流电经逆变器变换为恒频恒压交流电继续向负载供电，供电时间取决于换为恒频恒压交流电继续向负载供电，供电时间取决于蓄电池容量的大小。蓄电池容量的大小。为了保证长时间不间断供电，可采用柴油发电机为了保证长时间不间断供电，可采用柴油发电机（油机）作后备电源。（油机）作后备电源。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
17、 10.3 不间断电源不间断电源 具有旁路电源系统的具有旁路电源系统的UPS 10.3 不间断电源不间断电源增加旁路电源系统，可使负载供电可靠性进一步提高。增加旁路电源系统，可使负载供电可靠性进一步提高。UPS主电路结构主电路结构小容量的小容量的UPS 整流部分使用二极管整流器和直流斩波器（整流部分使用二极管整流器和直流斩波器（PFC），），可获得较高的交流输入功率因数，逆变器部分使用可获得较高的交流输入功率因数，逆变器部分使用IGBT并并采用采用PWM控制，可获得良好的控制性能。控制，可获得良好的控制性能。10.3 不间断电源不间断电源大容量大容量UPS 采用采用PWM控制的逆变器开关频率较
18、低，通过多重化联结控制的逆变器开关频率较低，通过多重化联结降低输出电压中的谐波分量。降低输出电压中的谐波分量。10.3 不间断电源不间断电源在各种电子设备中，需要多路不同电压供电，如数字电在各种电子设备中，需要多路不同电压供电，如数字电路需要路需要5V、3.3V、2.5V等，模拟电路需要等，模拟电路需要12V、15V等，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。流。线性电源和开关电源线性电源和开关电源开关电源在效率、体积和重量等方
19、面都远远优于线性电源，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。电源形式。线性电源的基本电路结构线性电源的基本电路结构 半桥型开关电源电路结构半桥型开关电源电路结构 10.4 开关电源开关电源引言引言 整流电路普遍采用二极管构成的桥式电路，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电路。采用有源的功率因数校正电路。开关电源的核心：开关电源的核心：高频逆变变压器高高频逆变变压器高频
20、整流电路频整流电路，采用隔离型直流直流变流电路。，采用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器设计可以采用给高频变压器设计多个二次侧绕多个二次侧绕组组的方法来得到不同电压的相互隔离的多组输的方法来得到不同电压的相互隔离的多组输出出多路输出的整流电路多路输出的整流电路 10.4.1 开关电源的结构开关电源的结构1、交流输入的开关电源、交流输入的开关电源 AC DC2、直流输入的开关电源直流输入的开关电源 DC DC 分类：分类：隔离型隔离型、非隔离型非隔离型，隔离型多采用反激、正激、半桥等隔离型电路隔离型多采用反激、正
21、激、半桥等隔离型电路非隔离型采用非隔离型采用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)仅为仅为1个专门的元件供电的直流直流变换器。个专门的元件供电的直流直流变换器。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的输出电压往往较的输出电压往往较低，为了提高效率，经常采用低，为了提高效率，经常采用同步同步Buck(Sync Buck)电路电路，该电，该电路的结构为路的结构为Buck，但二极管也采用，但二极管也采用MOSFET，利用其低导通电阻，利用其低导通电阻的特点来降低电
22、路中的通态损耗。的特点来降低电路中的通态损耗。同步降压电路同步降压电路 同步升压电路同步升压电路 10.4.1 开关电源的结构开关电源的结构 通信电源系统通信电源系统 3、分布式电源系统、分布式电源系统 在通信交换机、巨型计在通信交换机、巨型计算机等复杂的电子装置中，算机等复杂的电子装置中，供电的路数太多，总功率太供电的路数太多，总功率太大，难以用一个开关电源完大，难以用一个开关电源完成，因此出现了成，因此出现了分布式的电分布式的电源系统源系统。一次电源采用多个开关一次电源采用多个开关电源并联的方案，每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，电源仅仅承担一部分功率，并联运行的每个
23、开关电源有并联运行的每个开关电源有时也被成称为时也被成称为“模块模块”，当，当其中个别模块发生故障时，其中个别模块发生故障时，系统还能够继续运行，被称系统还能够继续运行，被称为为“冗余冗余”。10.4.1 开关电源的结构开关电源的结构 开关电源的控制系统开关电源的控制系统 典型的开关电源控制系统典型的开关电源控制系统 采用采用反馈控制反馈控制，控制器根据误差，控制器根据误差e来调整控制量来调整控制量vc。10.4.2 开关电源的控制方式开关电源的控制方式1、电压模式控制、电压模式控制 反馈控制系统中，仅有一个输出反馈控制系统中，仅有一个输出电压反馈控制环电压反馈控制环。优点优点 结构简单结构简
24、单 缺点缺点 不能有效的控制电路中的电流。不能有效的控制电路中的电流。10.4.2 开关电源的控制方式开关电源的控制方式2、电流模式控制电流模式控制 在电压反馈环内增加了在电压反馈环内增加了电流反馈控制环电流反馈控制环，电压控制器的，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，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。还可以实现恒流控制。10.4.2 开关电源的控制方式开关电源的控制方式 电流模式控制系统的结构电流模式控制系统的结构 峰值电流
25、模式控制的原理峰值电流模式控制的原理 基本的原理：基本的原理：开关的开通由开关的开通由时钟时钟CLK信号信号控制，控制，CLK信号每隔一定的信号每隔一定的时间就使时间就使RS触发器触发器置位，使开关开通；开关开通后置位，使开关开通；开关开通后iL上升，当上升，当iL达到电流给定值达到电流给定值iR后，比较器输出信号翻转，并复位后，比较器输出信号翻转，并复位RS触发触发器，使开关关断。器，使开关关断。10.4.2 开关电源的控制方式开关电源的控制方式（1）峰值电流模式控制）峰值电流模式控制峰值电流模式控制的不足峰值电流模式控制的不足 该方法控制电感电流的峰值，而不是平均值，这对很多需该方法控制电
26、感电流的峰值，而不是平均值，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，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，容易容易造成比较器的误动作造成比较器的误动作，使电感电流发生不规则的波动。，使电感电流发生不规则的波动。10.4.2 开关电源的控制方式开关电源的控制方式 平均电流模式控制的原理平均电流模式控制的原理 平均电流模式控制采用平均电流模式控制采用PI调
27、节器调节器作为电流调节器，并将作为电流调节器，并将调节器输出的控制量调节器输出的控制量uc与锯齿波信号与锯齿波信号uS相比较，得到周期固相比较，得到周期固定、占空比变化的定、占空比变化的PWM信号，用以控制开关的通与断。信号，用以控制开关的通与断。10.4.2 开关电源的控制方式开关电源的控制方式(2)平均电流模式控制平均电流模式控制10.4.3 开关电源的应用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、如台式计算机和笔记本计算机的电源，电视机、DVD播播放机的电源，以及家用空调器、电冰箱
28、的电脑控制电路放机的电源，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的电源等，这些电源功率通常仅有几十W几百几百W；手；手机等移动电子设备的充电器也是开关电源，但功率仅有机等移动电子设备的充电器也是开关电源，但功率仅有几几W；通信交换机、巨型计算机等大型设备的电源也是；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，可达数开关电源，但功率较大，可达数kW数百数百kW；工业上；工业上也大量应用开关电源，如数控机床、自动化流水线中，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。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、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电解等电化学过程等，功率可达几十几百，功率可达几十几百kW；在；在X光光机、微波发射机、雷达等设备中，大量使用的是高压、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。小电流输出的开关电源。