第7章電力電子裝置

1、第第7章章 電力電子裝置電力電子裝置7.1 開關(guān)電源開關(guān)電源7.2 有源功率因數(shù)校正有源功率因數(shù)校正 7.3 不間斷電源（不間斷電源（UPS）7.4 靜止無功補(bǔ)償裝置靜止無功補(bǔ)償裝置7.5 變頻調(diào)速裝置變頻調(diào)速裝置7.6 電力電子系統(tǒng)可靠性概述電力電子系統(tǒng)可靠性概述 指起電壓調(diào)整功能的器件始終工作在線性放大區(qū)的指起電壓調(diào)整功能的器件始終工作在線性放大區(qū)的直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源：穩(wěn)壓電源：通常分為線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。通常分為線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。 簡稱開關(guān)電源簡稱開關(guān)電源(Switching Power Supply)(Switching Power Supply)，

2、指起電壓，指起電壓調(diào)整功能的器件始終以開關(guān)方式工作的一種直流穩(wěn)壓電源。調(diào)整功能的器件始終以開關(guān)方式工作的一種直流穩(wěn)壓電源。 1 1、線性穩(wěn)壓電源：、線性穩(wěn)壓電源：2 2、開關(guān)穩(wěn)壓電源：、開關(guān)穩(wěn)壓電源：7.1.1 開關(guān)電源的工作原理開關(guān)電源的工作原理1 1、線性穩(wěn)壓電源：、線性穩(wěn)壓電源：優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)良的紋波及動態(tài)響應(yīng)特性；優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)良的紋波及動態(tài)響應(yīng)特性；缺點(diǎn)：（缺點(diǎn)：（1 1）輸入采用）輸入采用50Hz50Hz工頻變壓器，體積龐大；工頻變壓器，體積龐大； （2 2）電壓調(diào)整器件工作在線性放大區(qū)內(nèi)）電壓調(diào)整器件工作在線性放大區(qū)內(nèi),損耗大損耗大,效率低；效率低； （3 3） 過載能力差。過載能力差。圖圖

3、7.1.1 線性穩(wěn)壓電源方框圖線性穩(wěn)壓電源方框圖 7.1.1 開關(guān)電源的工作原理開關(guān)電源的工作原理2 2、開關(guān)電源、開關(guān)電源： 50Hz單相交流單相交流220V電壓或三相交流電壓或三相交流220V/380V電壓經(jīng)電壓經(jīng)EMI防電磁防電磁干擾電源濾波器，直接整流濾波，然后再將濾波后的直流電壓經(jīng)變換干擾電源濾波器，直接整流濾波，然后再將濾波后的直流電壓經(jīng)變換電路變換為數(shù)十或數(shù)百電路變換為數(shù)十或數(shù)百kHz的高頻方波或準(zhǔn)方波電壓，通過高頻變壓器的高頻方波或準(zhǔn)方波電壓，通過高頻變壓器隔離并降壓隔離并降壓(或升壓或升壓)后，再經(jīng)高頻整流、濾波電路，最后輸出直流電壓。后，再經(jīng)高頻整流、濾波電路，最后輸出直流

4、電壓。通過取樣、比較、放大及控制、驅(qū)動電路，控制變換器中功率開關(guān)管通過取樣、比較、放大及控制、驅(qū)動電路，控制變換器中功率開關(guān)管的占空比，便能得到穩(wěn)定的輸出電壓。的占空比，便能得到穩(wěn)定的輸出電壓。圖圖7.1.2 開關(guān)電源原理框圖開關(guān)電源原理框圖工作原理：工作原理：7.1.1 開關(guān)電源的工作原理開關(guān)電源的工作原理圖圖7.1.2 開關(guān)電源原理框圖開關(guān)電源原理框圖開關(guān)管占空比定義為：開關(guān)管占空比定義為：D=Ton/Ts； 其中其中Ts為開關(guān)管的開關(guān)周期為開關(guān)管的開關(guān)周期,Ton為一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通用時(shí)間為一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通用時(shí)間 。 兩種改變占空比的控制方式兩種改變占空比的控制方式 ：1）脈沖寬度調(diào)制控制）脈

5、沖寬度調(diào)制控制(PWM)7.1.1 開關(guān)電源的工作原理開關(guān)電源的工作原理2 2、開關(guān)電源、開關(guān)電源：2）脈沖頻率調(diào)制控制）脈沖頻率調(diào)制控制(PFM)圖圖7.1.3 PWM控制方式控制方式 1） 脈沖寬度控制：脈沖寬度控制： 保持開關(guān)頻率保持開關(guān)頻率(開關(guān)周期開關(guān)周期Ts)不變，通過改變不變，通過改變Ton來改變來改變占空比占空比 D，從而達(dá)到改變輸出電壓的目的。，從而達(dá)到改變輸出電壓的目的。 如果占空比如果占空比D越大，則經(jīng)濾波越大，則經(jīng)濾波 后的輸出電壓也就越高。后的輸出電壓也就越高。 保持導(dǎo)通時(shí)間保持導(dǎo)通時(shí)間Ton不變，通過改變開關(guān)頻率不變，通過改變開關(guān)頻率(即開關(guān)周期即開關(guān)周期)而達(dá)到改

6、變占空比的目的。而達(dá)到改變占空比的目的。 p 工作頻率不固定，造成濾波器設(shè)計(jì)困難。工作頻率不固定，造成濾波器設(shè)計(jì)困難。 7.1.1 開關(guān)電源的工作原理開關(guān)電源的工作原理 2）脈沖頻率控制：）脈沖頻率控制： 開關(guān)電源優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)電源優(yōu)點(diǎn)：（1）功耗小、效率高。）功耗小、效率高。 （2）體積小、重量輕。）體積小、重量輕。 （3）穩(wěn)壓范圍寬。）穩(wěn)壓范圍寬。 （4）電路形式靈活多樣。）電路形式靈活多樣。 主要是存在開關(guān)噪聲干擾。主要是存在開關(guān)噪聲干擾。 7.1.1 開關(guān)電源的工作原理開關(guān)電源的工作原理7.1.2 開關(guān)電源的應(yīng)用開關(guān)電源的應(yīng)用 1、開關(guān)電源的應(yīng)用、開關(guān)電源的應(yīng)用圖圖7.1.4 直流操作電源

7、電路原理圖直流操作電源電路原理圖 主電路采用半橋變換電路，額定輸出直流電壓為主電路采用半橋變換電路，額定輸出直流電壓為220V，輸，輸出電流為出電流為10A。 2、各功能塊的具體電路簡介：、各功能塊的具體電路簡介： (1) 交流進(jìn)線濾波器交流進(jìn)線濾波器圖圖7.1.5 交流進(jìn)線交流進(jìn)線EMI濾波器濾波器 該濾波器能同時(shí)抑制共模和差模干擾信號。該濾波器能同時(shí)抑制共模和差模干擾信號。 電路結(jié)構(gòu)：電路結(jié)構(gòu)： Cc1、Lc和和Cc2構(gòu)成的低通濾波器用來抑制共模干構(gòu)成的低通濾波器用來抑制共模干擾信號，其中擾信號，其中Lc稱為共模電感，其兩組線圈匝數(shù)相等，但繞向稱為共模電感，其兩組線圈匝數(shù)相等，但繞向相反，

8、對差模信號的阻抗為零，而對相反，對差模信號的阻抗為零，而對共模信號產(chǎn)生很大的阻抗。共模信號產(chǎn)生很大的阻抗。 Cd1、Ld和和Cd2構(gòu)成的低通濾波器構(gòu)成的低通濾波器則用來抑制差模干擾信號。則用來抑制差模干擾信號。 作用：作用：防止開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲進(jìn)入電網(wǎng)，或者防止電網(wǎng)的防止開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲進(jìn)入電網(wǎng)，或者防止電網(wǎng)的噪聲進(jìn)入開關(guān)電源內(nèi)部，干擾開關(guān)電源的正常工作。噪聲進(jìn)入開關(guān)電源內(nèi)部，干擾開關(guān)電源的正常工作。 7.1.2 開關(guān)電源的應(yīng)用開關(guān)電源的應(yīng)用 (2) 啟動浪涌電流抑制電路啟動浪涌電流抑制電路 小功率電源：在整流橋的直小功率電源：在整流橋的直流側(cè)和濾波電容之間串聯(lián)具有負(fù)流側(cè)和濾波電容之間串聯(lián)

9、具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。溫度系數(shù)的熱敏電阻。 大功率電路：將上述熱敏電大功率電路：將上述熱敏電阻換成普通電阻，同時(shí)在電阻的阻換成普通電阻，同時(shí)在電阻的兩端并接晶閘管開關(guān)。兩端并接晶閘管開關(guān)。(3) 輸出整流電路輸出整流電路 小功率電源通常采用半波整小功率電源通常采用半波整流電路，而對于大功率電源則采流電路，而對于大功率電源則采用全波或橋式整流電路。用全波或橋式整流電路。 啟動浪涌電流抑制啟動浪涌電流抑制電路電路限流電阻限流電阻啟動浪涌電流抑制電路啟動浪涌電流抑制電路 輸出整流電路輸出整流電路 半波整流半波整流7.1.2 開關(guān)電源的應(yīng)用開關(guān)電源的應(yīng)用 PWM控制器控制器SG3525引腳說明引腳

10、說明圖圖7.1.6 SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 腳：誤差放大器反相輸入端；腳：誤差放大器反相輸入端； 腳：誤差放腳：誤差放大器同相輸入端；大器同相輸入端；腳：同步信號輸入端，同步脈沖的頻率應(yīng)比腳：同步信號輸入端，同步脈沖的頻率應(yīng)比振蕩器頻率振蕩器頻率fS要低一些；要低一些；腳：振蕩器輸出；腳：振蕩器輸出；腳：振蕩器外接定時(shí)電阻腳：振蕩器外接定時(shí)電阻RT端，端， RT值為值為2k150k；腳：振蕩器外接電容腳：振蕩器外接電容CT端，振蕩器頻率為端，振蕩器頻率為fS 1/CT(0.7RT+3R0);其中其中R0為為腳與腳與腳之間跨腳之間跨接的電阻，用來調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，定時(shí)電容范圍接的電阻，用來

11、調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，定時(shí)電容范圍為為0.001F0.1F；腳：振蕩器放電端，外接電阻來控制死區(qū)時(shí)腳：振蕩器放電端，外接電阻來控制死區(qū)時(shí)間，電阻范圍為間，電阻范圍為0500； 腳：軟起動端，外接軟起動電容，該電容由腳：軟起動端，外接軟起動電容，該電容由內(nèi)部內(nèi)部Uref的的50A恒流源充電。恒流源充電。腳：誤差放大器的輸出端；腳：誤差放大器的輸出端；腳：腳：PWM信號封鎖端，該腳為高電平時(shí)，信號封鎖端，該腳為高電平時(shí)， 輸出驅(qū)動脈沖信號被封鎖輸出驅(qū)動脈沖信號被封鎖,用于故障保護(hù)；用于故障保護(hù)；腳：腳：A路驅(qū)動信號輸出；路驅(qū)動信號輸出； 腳：接地腳：接地;腳：輸出級集電極電壓；腳：輸出級集電極電壓；腳：腳

12、：B路驅(qū)動信號輸出；路驅(qū)動信號輸出；腳：電源，其范圍因?yàn)槟_：電源，其范圍因?yàn)?V35V；腳：內(nèi)部腳：內(nèi)部+5V基準(zhǔn)電壓輸出。基準(zhǔn)電壓輸出。7.1.2 開關(guān)電源的應(yīng)用開關(guān)電源的應(yīng)用 (4) 控制電路（控制電路（SG3525） 該開關(guān)電源采用雙環(huán)控制方式，電壓環(huán)為外環(huán)控制，開關(guān)電源采用雙環(huán)控制方式，電壓環(huán)為外環(huán)控制，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)控制。輸出電壓的反饋信號電流環(huán)為內(nèi)環(huán)控制。輸出電壓的反饋信號UOF與電壓給定與電壓給定信號信號UOG相減，其誤差信號經(jīng)相減，其誤差信號經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后形成輸出電感的調(diào)節(jié)器后形成輸出電感的電流給定，再與電感電流的反饋信號電流給定，再與電感電流的反饋信號IOF相減得電流誤差信相減

13、得電流誤差信號，經(jīng)號，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后送入調(diào)節(jié)器后送入PWM控制器控制器SG3525，然后與控制，然后與控制器內(nèi)部三角波比較形成器內(nèi)部三角波比較形成PWM信號。該信號。該P(yáng)WM信號再通過驅(qū)信號再通過驅(qū)動電路去驅(qū)動主電路動電路去驅(qū)動主電路IGBT。 (5) IGBT驅(qū)動電路驅(qū)動電路 該驅(qū)動模塊為混合集成電該驅(qū)動模塊為混合集成電路，將路，將IGBT的驅(qū)動和過流保的驅(qū)動和過流保護(hù)集于一體，能驅(qū)動電壓為護(hù)集于一體，能驅(qū)動電壓為600V和和1200V系列電流容量不系列電流容量不大于大于400AIGBT。 圖圖7.1.7 IGBT驅(qū)動電路驅(qū)動電路7.1.2 開關(guān)電源的應(yīng)用開關(guān)電源的應(yīng)用 7.2 有源功率因數(shù)

14、校正有源功率因數(shù)校正 電網(wǎng)諧波電流不僅引起變壓器和供電線路過熱，降電網(wǎng)諧波電流不僅引起變壓器和供電線路過熱，降低電器的額定值，并且產(chǎn)生電磁干擾，影響其他電子低電器的額定值，并且產(chǎn)生電磁干擾，影響其他電子設(shè)備正常運(yùn)行。設(shè)備正常運(yùn)行。 1、采用無源校正抑制諧波、采用無源校正抑制諧波: 2）電網(wǎng)阻抗或頻率發(fā)生變化時(shí)，濾波效果不能保證，）電網(wǎng)阻抗或頻率發(fā)生變化時(shí)，濾波效果不能保證，動態(tài)特性差。動態(tài)特性差。 3）可能會與電網(wǎng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振，將諧波電流放大，）可能會與電網(wǎng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振，將諧波電流放大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。從而導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。 4）LC濾波器體積龐大。濾波器體積龐大。特點(diǎn)：

15、特點(diǎn)： 1 1）方法簡單可靠，并且在穩(wěn)態(tài)條件下不產(chǎn)生電磁干擾。）方法簡單可靠，并且在穩(wěn)態(tài)條件下不產(chǎn)生電磁干擾。( (在主電路中串入無源在主電路中串入無源LC濾波器濾波器) )7.2 有源功率因數(shù)校正有源功率因數(shù)校正 與無源校正抑制諧波的區(qū)別：與無源校正抑制諧波的區(qū)別： 能進(jìn)一步抑制裝置的低次諧波，提高裝置的功率因數(shù)。能進(jìn)一步抑制裝置的低次諧波，提高裝置的功率因數(shù)。與一般的開關(guān)電源的區(qū)別：與一般的開關(guān)電源的區(qū)別： （1） PFC電路不僅反饋輸出電壓，還反饋輸入平均電流；電路不僅反饋輸出電壓，還反饋輸入平均電流； （2） PFC電路的電流環(huán)基準(zhǔn)信號為電壓環(huán)誤差信號與全電路的電流環(huán)基準(zhǔn)信號為電壓環(huán)誤

16、差信號與全波整流電壓取樣信號的乘積。波整流電壓取樣信號的乘積。1）特點(diǎn)：）特點(diǎn)：2、有源功率因數(shù)校正電路（、有源功率因數(shù)校正電路（PFC）2）工作原理：）工作原理： 有源功率因數(shù)校正技術(shù)有源功率因數(shù)校正技術(shù)(Actite Power Filter Correction ，簡稱簡稱APFC或或PFC)就是在傳統(tǒng)的整流電路中加入有源開關(guān)，就是在傳統(tǒng)的整流電路中加入有源開關(guān)，通過控制有源開關(guān)的通斷來強(qiáng)迫輸入電流跟隨輸入電壓的通過控制有源開關(guān)的通斷來強(qiáng)迫輸入電流跟隨輸入電壓的變化，從而獲得接近正弦波的輸入電流和接近變化，從而獲得接近正弦波的輸入電流和接近1的功率因數(shù)。的功率因數(shù)。 7.1 PFC技術(shù)的

17、工作原理技術(shù)的工作原理 圖圖7.2.1 BoostPFC電路電路 主電路由單相橋式整流電路和主電路由單相橋式整流電路和Boost 變換電路組成，虛變換電路組成，虛線框內(nèi)為控制電路，包含電壓誤差放大器線框內(nèi)為控制電路，包含電壓誤差放大器VA及基準(zhǔn)電壓及基準(zhǔn)電壓Ur，乘法器，電流誤差放大器乘法器，電流誤差放大器CA，脈寬調(diào)制器和驅(qū)動電路。，脈寬調(diào)制器和驅(qū)動電路。 輸出電壓輸出電壓Uo和基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電壓Ur比比較后，誤差信號經(jīng)電壓誤差放大較后，誤差信號經(jīng)電壓誤差放大器器VA以后送入乘法器以后送入乘法器M，與全波，與全波整流電壓取樣信號相乘以后形成整流電壓取樣信號相乘以后形成基準(zhǔn)電流信號?；鶞?zhǔn)電流信

18、號與基準(zhǔn)電流信號?；鶞?zhǔn)電流信號與電流反饋信號相減，誤差信號經(jīng)電流反饋信號相減，誤差信號經(jīng)電流誤差放大器電流誤差放大器CA后再與鋸齒波后再與鋸齒波相比較形成相比較形成PWM信號，然后經(jīng)驅(qū)信號，然后經(jīng)驅(qū)動電路控制主電路開關(guān)動電路控制主電路開關(guān)S的通斷，的通斷，使電流跟蹤基準(zhǔn)電流信號變化。使電流跟蹤基準(zhǔn)電流信號變化。 工作原理：工作原理：圖圖7.2.2 UC3854內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 UC3854包含電壓放大器包含電壓放大器VA，模擬乘法，模擬乘法/除法器除法器M，電流放大器電流放大器CA，固定頻率，固定頻率PWM脈寬調(diào)制器，功率脈寬調(diào)制器，功率MOSFET的門極驅(qū)動電路，的門極驅(qū)動電路，7.

19、5V基準(zhǔn)電壓等基準(zhǔn)電壓等 。7.2 PFC集成控制電路集成控制電路UC3854及其應(yīng)用及其應(yīng)用 圖圖7.2.3輸出功率為輸出功率為250W時(shí)時(shí)由由UC3854構(gòu)成的構(gòu)成的PFC電路原理圖電路原理圖 控制芯片控制芯片UC3854適用適用的功率范圍比較寬，的功率范圍比較寬，5KW以下的單相以下的單相boost-PFC電路電路均可以采用該芯片作為控均可以采用該芯片作為控制器。制器。 輸出功率不同時(shí)，只需輸出功率不同時(shí)，只需改變主電路中的電感改變主電路中的電感L1和電和電流檢測電阻流檢測電阻RS、控制電路中、控制電路中的電流控制環(huán)參數(shù)。的電流控制環(huán)參數(shù)。 輸出電壓輸出電壓Uo由下式確定：由下式確定：V

20、5 . 7221RRRUO7.2 PFC集成控制電路集成控制電路UC3854及其應(yīng)用及其應(yīng)用 7.3 不間斷電源不間斷電源 Uninterrupitable Power System, 簡稱簡稱UPS UPS電源裝置在保證不間斷供電的同時(shí)，還能提供電源裝置在保證不間斷供電的同時(shí)，還能提供穩(wěn)壓、穩(wěn)頻和波形失真度極小的高質(zhì)量正弦波電源。穩(wěn)壓、穩(wěn)頻和波形失真度極小的高質(zhì)量正弦波電源。 目前，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、郵電通信、銀行證劵、目前，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、郵電通信、銀行證劵、電力系統(tǒng)、工業(yè)控制、醫(yī)療、交通、航空等領(lǐng)域得到電力系統(tǒng)、工業(yè)控制、醫(yī)療、交通、航空等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。廣泛應(yīng)用。不間斷電源：不間斷

21、電源： 1、后備式、后備式UPS 根據(jù)工作方式，根據(jù)工作方式，UPS電源分電源分 ：圖圖7.3.1 后備式后備式UPS的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) 市電存在時(shí)，逆變器不工市電存在時(shí)，逆變器不工作，市電經(jīng)交流穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，作，市電經(jīng)交流穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，向負(fù)載供電，同時(shí)充電器工作，向負(fù)載供電，同時(shí)充電器工作，對蓄電池組浮充電。對蓄電池組浮充電。 市電掉電時(shí)，逆變器工作，市電掉電時(shí)，逆變器工作，將蓄電池供給的直流電壓變換將蓄電池供給的直流電壓變換成穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的交流電壓，繼成穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的交流電壓，繼續(xù)向負(fù)載供電。續(xù)向負(fù)載供電。 輸出電壓波形有輸出電壓波形有方波方波、準(zhǔn)方波準(zhǔn)方波和和正弦波正弦波三種方式。三種方式

22、。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、運(yùn)行效率高、價(jià)格便宜，結(jié)構(gòu)簡單、成本低、運(yùn)行效率高、價(jià)格便宜，但其輸出電壓穩(wěn)壓精度差，市電掉電時(shí)，輸出有轉(zhuǎn)換時(shí)間。但其輸出電壓穩(wěn)壓精度差，市電掉電時(shí)，輸出有轉(zhuǎn)換時(shí)間。適于小功率。適于小功率。 7.3.1 UPS的分類的分類 2、在線式、在線式UPS 圖圖7.3.2 在線式在線式UPS的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) 正常工作時(shí)，市電經(jīng)整流器變成直流后，再經(jīng)逆變器變正常工作時(shí)，市電經(jīng)整流器變成直流后，再經(jīng)逆變器變換成穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的正弦波交流電壓供給負(fù)載。換成穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的正弦波交流電壓供給負(fù)載。 當(dāng)市電掉電時(shí)，由蓄電池組向逆變器供電，以保證負(fù)載當(dāng)市電掉電時(shí)，由蓄電池組向逆變器供

23、電，以保證負(fù)載不間斷供電。不間斷供電。 如果逆變器發(fā)生故障，如果逆變器發(fā)生故障，UPS則則通過靜態(tài)開關(guān)切換到旁路，直接由通過靜態(tài)開關(guān)切換到旁路，直接由市電供電。當(dāng)故障消失后，市電供電。當(dāng)故障消失后，UPS又又重新切換到由逆變器向負(fù)載供電。重新切換到由逆變器向負(fù)載供電。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：總是處于穩(wěn)壓、穩(wěn)頻供電總是處于穩(wěn)壓、穩(wěn)頻供電狀態(tài)，輸出電壓動態(tài)響應(yīng)特性好，狀態(tài)，輸出電壓動態(tài)響應(yīng)特性好，波形畸變小，其供電質(zhì)量明顯優(yōu)于波形畸變小，其供電質(zhì)量明顯優(yōu)于后備式后備式UPS。7.3.1 UPS的分類的分類 7.3.2 UPS電源中的整流器電源中的整流器 1）對于小功率）對于小功率UPS，整流器一般采用二極管

24、整流電路，整流器一般采用二極管整流電路，它的作用是向逆變器提供直流電源。蓄電池充電由專門的充它的作用是向逆變器提供直流電源。蓄電池充電由專門的充電器來完成。電器來完成。 2）對于中大功率）對于中大功率UPS，整流器一般采用相控式整流電，整流器一般采用相控式整流電路，它具有雙重功能，在向逆變器提供直流電源的同時(shí)，還路，它具有雙重功能，在向逆變器提供直流電源的同時(shí)，還要向蓄電池進(jìn)行充電。要向蓄電池進(jìn)行充電。 因此，整流器的輸出電壓必須是可控的。因此，整流器的輸出電壓必須是可控的。 3）減少）減少UPS注入電網(wǎng)的諧波電流的方法：注入電網(wǎng)的諧波電流的方法： （1）增加整流電路的相數(shù)）增加整流電路的相數(shù)

25、 ； （2）在整流器的輸入側(cè)增加有源或無源濾波器）在整流器的輸入側(cè)增加有源或無源濾波器 。 4）目前，比較先進(jìn)的）目前，比較先進(jìn)的UPS采用采用PWM整流電路，可以做整流電路，可以做到注入電網(wǎng)的電流基本接近正弦波，使其功率因數(shù)接近到注入電網(wǎng)的電流基本接近正弦波，使其功率因數(shù)接近1，大大降低了大大降低了UPS對電網(wǎng)的諧波污染。對電網(wǎng)的諧波污染。 概述：概述： 工作原理工作原理圖圖7.3.3 單相單相PWM整流電路的原理框圖整流電路的原理框圖 在在PWM整流電路的交流輸入端整流電路的交流輸入端AB產(chǎn)生一個(gè)正弦波調(diào)制產(chǎn)生一個(gè)正弦波調(diào)制PWM波波uAB，uAB中除了含有與電源同頻率的基波分量外，還含有

26、與開關(guān)頻率中除了含有與電源同頻率的基波分量外，還含有與開關(guān)頻率有關(guān)的高次諧波。由于電感有關(guān)的高次諧波。由于電感Ls的濾波作用，這些高次諧波電壓只會使的濾波作用，這些高次諧波電壓只會使交流電流交流電流is產(chǎn)生很小的脈動。如果忽略這種脈動，產(chǎn)生很小的脈動。如果忽略這種脈動，is為頻率與電源頻率為頻率與電源頻率相同的正弦波。在交流電源電壓相同的正弦波。在交流電源電壓us一定時(shí)，一定時(shí)，is的幅值和相位由的幅值和相位由uAB中基中基波分量的幅值及其與波分量的幅值及其與us的相位差決定。改變的相位差決定。改變uAB中基波分量的幅值和相中基波分量的幅值和相位，就可以使位，就可以使is與與us同相位，電路工

27、作在整流狀態(tài)，且功率因數(shù)為同相位，電路工作在整流狀態(tài)，且功率因數(shù)為1。 7.3.2 PWM整流電路整流電路 直流輸出電壓給定信號直流輸出電壓給定信號Ud*和實(shí)際的直流和實(shí)際的直流 電壓電壓Ud比較后送入比較后送入PI調(diào)調(diào)節(jié)器，節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出即為整流器交流輸入電流的幅值，它與標(biāo)準(zhǔn)正調(diào)節(jié)器的輸出即為整流器交流輸入電流的幅值，它與標(biāo)準(zhǔn)正弦波相乘后形成交流輸入電流的給定信號弦波相乘后形成交流輸入電流的給定信號i is s* *，i is s* *與實(shí)際的交流輸入電與實(shí)際的交流輸入電流流is進(jìn)行比較，誤差信號經(jīng)比例調(diào)節(jié)器放大后送入比較器，再與三角載進(jìn)行比較，誤差信號經(jīng)比例調(diào)節(jié)器放大后送入比較器，

28、再與三角載波信號比較形成波信號比較形成PWM信號。信號。 該該P(yáng)WM信號經(jīng)驅(qū)動電路后去驅(qū)動主電路開關(guān)器件，便可使實(shí)際的信號經(jīng)驅(qū)動電路后去驅(qū)動主電路開關(guān)器件，便可使實(shí)際的交流輸入電流跟蹤指令值，從而達(dá)到控制輸出電壓的目的。交流輸入電流跟蹤指令值，從而達(dá)到控制輸出電壓的目的。 圖圖7.3.4 直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 7.3.2 PWM整流電路整流電路 單相單相PWM整流電路采用直接電流控制時(shí)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖整流電路采用直接電流控制時(shí)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 通常采用輸出電壓諧波系數(shù)通常采用輸出電壓諧波系數(shù)HF來恒量來恒量UPS輸出電壓的波輸出電壓的波形質(zhì)量的好壞。電壓諧波系數(shù)定義

29、為：形質(zhì)量的好壞。電壓諧波系數(shù)定義為： 式中：式中： U1為輸出電壓基波分量的有效值，為輸出電壓基波分量的有效值， Un為諧波分量的有效值。為諧波分量的有效值。%1001UUHFn 正弦波輸出正弦波輸出UPS通常采用通常采用SPWM逆變器。下面以單相輸逆變器。下面以單相輸出出UPSUPS為例，分析逆變器的工作原理。為例，分析逆變器的工作原理。 HF越小，則說明越小，則說明UPS輸出電壓波形越接近理想的正弦波。輸出電壓波形越接近理想的正弦波。 7.3.3 UPS電源中的逆變器電源中的逆變器 圖圖7.3.5 UPS逆變器及其控制原理框圖逆變器及其控制原理框圖 主電路采用全橋逆變電路，對于小功率主電

30、路采用全橋逆變電路，對于小功率UPS，開關(guān)器件一般為，開關(guān)器件一般為MOSFET，而對于大功率，而對于大功率UPS，則采用，則采用IGBT。為濾去開關(guān)頻率噪聲，。為濾去開關(guān)頻率噪聲，輸出采用輸出采用LC濾波電路，因?yàn)殚_關(guān)頻率一般大于濾波電路，因?yàn)殚_關(guān)頻率一般大于20kHz，因此，采用較，因此，采用較小的小的LC濾波器。輸出隔離變壓器實(shí)現(xiàn)逆變器與負(fù)載隔離，避免它們?yōu)V波器。輸出隔離變壓器實(shí)現(xiàn)逆變器與負(fù)載隔離，避免它們之間電的直接聯(lián)系，從而減少干擾。之間電的直接聯(lián)系，從而減少干擾。 1 1、電路結(jié)構(gòu)：、電路結(jié)構(gòu)： 7.3.3 UPS電源中的逆變器電源中的逆變器 圖圖7.3.5 UPS逆變器及其控制原

31、理框圖逆變器及其控制原理框圖 市電市電us經(jīng)同步鎖相電路得到與市電同步的經(jīng)同步鎖相電路得到與市電同步的50Hz方波，將其輸入標(biāo)方波，將其輸入標(biāo)準(zhǔn)正弦波發(fā)生器，便產(chǎn)生與市電同步的標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號。該信號與輸準(zhǔn)正弦波發(fā)生器，便產(chǎn)生與市電同步的標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號。該信號與輸出有效值調(diào)節(jié)器的輸出相乘后得到輸出電壓瞬時(shí)值給定信號出有效值調(diào)節(jié)器的輸出相乘后得到輸出電壓瞬時(shí)值給定信號u*，再與，再與輸出電壓瞬時(shí)值反饋信號輸出電壓瞬時(shí)值反饋信號uf相減，誤差信號經(jīng)相減，誤差信號經(jīng)P調(diào)節(jié)器后，再與三角載調(diào)節(jié)器后，再與三角載波信號相比較，得到波信號相比較，得到PWM信號，該信號經(jīng)驅(qū)動動電路后分別去驅(qū)動主信號，該信號經(jīng)驅(qū)

32、動動電路后分別去驅(qū)動主電路的開關(guān)器件，從而達(dá)到控制輸出電壓的目的。電路的開關(guān)器件，從而達(dá)到控制輸出電壓的目的。 7.3.3 UPS電源中的逆變器電源中的逆變器 2 2、工作原理：、工作原理： 為了進(jìn)一步提高為了進(jìn)一步提高UPS電源的可靠性，在線式電源的可靠性，在線式UPS均裝均裝有靜態(tài)開關(guān)，將市電作為有靜態(tài)開關(guān)，將市電作為UPS的后備電源，在的后備電源，在UPS發(fā)生故發(fā)生故障或維護(hù)檢修時(shí)，無間斷地將負(fù)載切換到市電上，由市電障或維護(hù)檢修時(shí)，無間斷地將負(fù)載切換到市電上，由市電直接供電。直接供電。圖圖7.3.6 單相輸出單相輸出UPS的的 靜態(tài)開關(guān)原理圖靜態(tài)開關(guān)原理圖 1 1）同步切換：先通后斷；）

33、同步切換：先通后斷； 2 2）非同步切換）非同步切換 ：先斷后通先斷后通 ；1 1、工作原理：、工作原理：一只晶閘管用于通過正半一只晶閘管用于通過正半周電流，另一只晶閘管則周電流，另一只晶閘管則用于通過負(fù)半周電流。用于通過負(fù)半周電流。2 2、電路結(jié)構(gòu)：、電路結(jié)構(gòu)：3 3、靜態(tài)開關(guān)的切換方式：、靜態(tài)開關(guān)的切換方式： 靜態(tài)開關(guān)的主電路一般由兩只晶閘管開關(guān)反并聯(lián)組成，靜態(tài)開關(guān)的主電路一般由兩只晶閘管開關(guān)反并聯(lián)組成，7.3.4 UPS的靜態(tài)開關(guān)的靜態(tài)開關(guān) 圖圖7.3.6 單相輸出單相輸出UPS的靜態(tài)開關(guān)原理圖的靜態(tài)開關(guān)原理圖 切換時(shí)，首先觸發(fā)靜態(tài)開關(guān)切換時(shí)，首先觸發(fā)靜態(tài)開關(guān)2 2，使之導(dǎo)通，然后再封鎖

34、靜態(tài)開關(guān)，使之導(dǎo)通，然后再封鎖靜態(tài)開關(guān)1 1的觸發(fā)脈沖，因此，靜態(tài)開關(guān)的觸發(fā)脈沖，因此，靜態(tài)開關(guān)1 1和靜態(tài)開關(guān)和靜態(tài)開關(guān)2 2同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)，市電和同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)，市電和逆變器同時(shí)向負(fù)載供電。逆變器同時(shí)向負(fù)載供電。3 3、靜態(tài)開關(guān)的切換方式：、靜態(tài)開關(guān)的切換方式：1 1）同步切換：先通后斷）同步切換：先通后斷 （1）能保證在切換的過程）能保證在切換的過程中供電不間斷。中供電不間斷。 （2）在切換的過程中，逆）在切換的過程中，逆變器必須跟蹤市電的頻率、相變器必須跟蹤市電的頻率、相位和幅值。防止產(chǎn)生環(huán)流，燒位和幅值。防止產(chǎn)生環(huán)流，燒壞逆變器。壞逆變器。工作原理：工作原理：特特 點(diǎn)：點(diǎn)：7.3.4

35、 UPS的靜態(tài)開關(guān)的靜態(tài)開關(guān) 7.3.4 UPS的靜態(tài)開關(guān)的靜態(tài)開關(guān) 圖圖7.3.6 單相輸出單相輸出UPS的靜態(tài)開關(guān)原理圖的靜態(tài)開關(guān)原理圖 先封鎖正在導(dǎo)通的靜態(tài)先封鎖正在導(dǎo)通的靜態(tài)開關(guān)觸發(fā)脈沖，延遲一段時(shí)開關(guān)觸發(fā)脈沖，延遲一段時(shí)間，待導(dǎo)通的靜態(tài)開關(guān)關(guān)斷間，待導(dǎo)通的靜態(tài)開關(guān)關(guān)斷后，再觸發(fā)另外一路靜態(tài)開后，再觸發(fā)另外一路靜態(tài)開關(guān)。關(guān)。 3 3、靜態(tài)開關(guān)的切換方式：、靜態(tài)開關(guān)的切換方式： 2 2）非同步切換）非同步切換 ：先斷后通：先斷后通 會造成負(fù)載短時(shí)間斷電。會造成負(fù)載短時(shí)間斷電。 工作原理：工作原理：特特 點(diǎn)：點(diǎn)： 7.4 靜止無功補(bǔ)償裝置靜止無功補(bǔ)償裝置根椐所采用的電力電子器件，靜止無功補(bǔ)

36、償裝置分為兩大類型：根椐所采用的電力電子器件，靜止無功補(bǔ)償裝置分為兩大類型： 1、采用晶閘管開關(guān)的靜止無功補(bǔ)償裝置：、采用晶閘管開關(guān)的靜止無功補(bǔ)償裝置： 1）晶閘管控制電抗器（）晶閘管控制電抗器（ Thyristor Controlled Reactor TCR） 2）晶閘管投切電容器（）晶閘管投切電容器（Thyristor SwitchedCapacitor TSC） 2、采用自換相變流器的靜止無功補(bǔ)償裝置：、采用自換相變流器的靜止無功補(bǔ)償裝置： 也即（靜止無功發(fā)生器（也即（靜止無功發(fā)生器（Static Var GeneratorSVG）或高級靜）或高級靜 止無功補(bǔ)償裝置（止無功補(bǔ)償裝置（A

37、dtanced Static Var CompensatorASVC）。）。 1、組成：、組成：由電力電子器件與儲能元件構(gòu)成。由電力電子器件與儲能元件構(gòu)成。2、特點(diǎn)：、特點(diǎn)：在于能快速調(diào)節(jié)容性和感性無功功率，實(shí)現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償。在于能快速調(diào)節(jié)容性和感性無功功率，實(shí)現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償。3、應(yīng)用：、應(yīng)用：常用于防止電網(wǎng)中部分沖擊性負(fù)荷引起的電壓波動干擾、常用于防止電網(wǎng)中部分沖擊性負(fù)荷引起的電壓波動干擾、重負(fù)荷突然投切造成的無功功率強(qiáng)烈變化。重負(fù)荷突然投切造成的無功功率強(qiáng)烈變化。（Static Var CompensatorSVC）7.4.1 晶閘管控制電抗器晶閘管控制電抗器(TCR) 基本原理：基本原理：圖圖7

38、.4.1 TCR的基本原理圖的基本原理圖 其單相基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一其單相基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器串聯(lián)，這樣的電路并聯(lián)到電網(wǎng)上，就相個(gè)電抗器串聯(lián)，這樣的電路并聯(lián)到電網(wǎng)上，就相當(dāng)于電感負(fù)載的交流調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)。當(dāng)于電感負(fù)載的交流調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)。 其工作原理和不同觸發(fā)角時(shí)的工作波形與交其工作原理和不同觸發(fā)角時(shí)的工作波形與交流調(diào)壓電路完全相同。流調(diào)壓電路完全相同。 工作原理：工作原理：圖圖7.4.2 TSC單相機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)原理圖單相機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)原理圖 工作時(shí)，工作時(shí)，TSC與電網(wǎng)并聯(lián)，當(dāng)控制電路檢測到電網(wǎng)需要與電網(wǎng)并聯(lián)，當(dāng)控制電路檢測到電網(wǎng)需要無功補(bǔ)償時(shí)，觸發(fā)晶閘管靜

39、態(tài)開關(guān)并使之導(dǎo)通，這樣，便將無功補(bǔ)償時(shí)，觸發(fā)晶閘管靜態(tài)開關(guān)并使之導(dǎo)通，這樣，便將電容器接入電網(wǎng)，進(jìn)行無功補(bǔ)償；當(dāng)電網(wǎng)不需要無功補(bǔ)償時(shí)，電容器接入電網(wǎng)，進(jìn)行無功補(bǔ)償；當(dāng)電網(wǎng)不需要無功補(bǔ)償時(shí)，關(guān)斷晶閘管靜態(tài)開關(guān)，從而切斷電容器與電網(wǎng)的聯(lián)接。關(guān)斷晶閘管靜態(tài)開關(guān)，從而切斷電容器與電網(wǎng)的聯(lián)接。 因此，因此，TSC實(shí)際上就是斷續(xù)可調(diào)的吸收容性無功功率的實(shí)際上就是斷續(xù)可調(diào)的吸收容性無功功率的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。 TSC由兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成的靜態(tài)開關(guān)與電容器串聯(lián)組成。由兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成的靜態(tài)開關(guān)與電容器串聯(lián)組成。7.4.2 晶閘管投切電容器晶閘管投切電容器(TSC) 1、TSC主電路

40、主電路 一般將電容器分成幾組，每組均一般將電容器分成幾組，每組均可由晶閘管投切，如圖可由晶閘管投切，如圖7.4.3所示。電所示。電容器分組通常采用二進(jìn)制方案，即采容器分組通常采用二進(jìn)制方案，即采用用n-1個(gè)電容值為個(gè)電容值為C的電容和一個(gè)電的電容和一個(gè)電容值為容值為C/2的電容，這樣的分組可以的電容，這樣的分組可以使組合成的電容值有使組合成的電容值有2n級。級。 圖圖7. 4. 3 TSC主電路主電路 2、零電壓投入問題、零電壓投入問題 為使補(bǔ)償電容器的投入與切除為使補(bǔ)償電容器的投入與切除過程不引發(fā)主電路的涌流沖擊，必過程不引發(fā)主電路的涌流沖擊，必須選擇準(zhǔn)備投入的電容器上的電壓須選擇準(zhǔn)備投入的

41、電容器上的電壓為電網(wǎng)線電壓的正或負(fù)峰值且電壓為電網(wǎng)線電壓的正或負(fù)峰值且電壓極性相同的時(shí)刻，切除時(shí)只要撤消極性相同的時(shí)刻，切除時(shí)只要撤消觸發(fā)信號即可，開關(guān)在電流過零之觸發(fā)信號即可，開關(guān)在電流過零之后會自行關(guān)斷。后會自行關(guān)斷。圖圖7.4.4 晶閘管電壓過晶閘管電壓過 零觸發(fā)電路示意圖零觸發(fā)電路示意圖 7.4.2 晶閘管投切電容器晶閘管投切電容器(TSC) 3、電容器投切判據(jù)與信號檢測、電容器投切判據(jù)與信號檢測 在圖在圖7.4.5中設(shè)節(jié)點(diǎn)相電壓為：中設(shè)節(jié)點(diǎn)相電壓為： tUtupsin2)(圖圖7.4.5 節(jié)點(diǎn)相電壓與負(fù)載電流節(jié)點(diǎn)相電壓與負(fù)載電流 負(fù)載電流為：負(fù)載電流為： )()(cossin2sin

42、cos2)(tititItItiqpL 上式中，上式中，ip(t)和和iq(t)分別為有功電流分量和無功電流分量。分別為有功電流分量和無功電流分量。 當(dāng)當(dāng)t=2k時(shí)：時(shí)：QMLIIkisin2)2( 可見，只要測量在相電壓正向過零時(shí)刻的負(fù)載電流，就可知對應(yīng)的可見，只要測量在相電壓正向過零時(shí)刻的負(fù)載電流，就可知對應(yīng)的無功電流最大值無功電流最大值IQM。這種無功電流檢測方法簡單、快速（在一個(gè)周期。這種無功電流檢測方法簡單、快速（在一個(gè)周期內(nèi)只要采樣一次）。內(nèi)只要采樣一次）。（1）以無功電流為投切判據(jù)）以無功電流為投切判據(jù)7.4.2 晶閘管投切電容器晶閘管投切電容器(TSC)（1）以無功電流為投切判

43、據(jù)）以無功電流為投切判據(jù)tUCdtduCipccos2tItIiQMqcoscossin2UICQM2 上式上式C即為全補(bǔ)償所需投切的電容量，即為全補(bǔ)償所需投切的電容量，C為負(fù)值，則是切除相為負(fù)值，則是切除相應(yīng)容量的電容器；反之，則應(yīng)投入相應(yīng)容量的電容器。應(yīng)容量的電容器；反之，則應(yīng)投入相應(yīng)容量的電容器。 圖圖8.4.6中，電壓信號經(jīng)濾波后由中，電壓信號經(jīng)濾波后由過零脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生相電壓，正過零脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生相電壓，正向過零脈沖信號，作為采樣保持器向過零脈沖信號，作為采樣保持器的采樣開關(guān)信號，于是采樣保持器的采樣開關(guān)信號，于是采樣保持器的輸出就是無功電流幅值。的輸出就是無功電流幅值。 圖圖7

44、.4.5中，中，iL=ic+is ，如果使，如果使iq=ic ，則實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償。，則實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償。圖圖7.4.6 無功電流為投切無功電流為投切 判據(jù)的檢測電路原理圖判據(jù)的檢測電路原理圖 由由和和可得可得7.4.2 晶閘管投切電容器晶閘管投切電容器(TSC)（2）以無功功率為投切判據(jù)）以無功功率為投切判據(jù) 可讓單片機(jī)通過可讓單片機(jī)通過/轉(zhuǎn)換同時(shí)對和信號在一個(gè)周轉(zhuǎn)換同時(shí)對和信號在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行次采樣，得到期內(nèi)進(jìn)行次采樣，得到 2個(gè)數(shù)據(jù)，由此進(jìn)行下述個(gè)數(shù)據(jù)，由此進(jìn)行下述離散運(yùn)算得到離散運(yùn)算得到UBC、IA和和PBC ： NkAkBCiNI121NkBCkBCuNU121NkAkBCkBCiuNP

45、11l 對于對稱三相補(bǔ)償，只要取任意兩相電壓對于對稱三相補(bǔ)償，只要取任意兩相電壓（線電壓）和另一相電流，就可測得無功功率。（線電壓）和另一相電流，就可測得無功功率。l l圖圖7.4.7 檢測檢測A相電流相電流l 和和BC相線電壓向量圖相線電壓向量圖2)(1ABCBCIUPPF l由于由于PBC=UBCIAsin，則功率因數(shù)為，則功率因數(shù)為:7.4.2 晶閘管投切電容器晶閘管投切電容器(TSC)4、控制器原理框圖、控制器原理框圖 7.4.2 晶閘管投切電容器晶閘管投切電容器(TSC)圖圖7.4.8 TSC控制器原理框圖控制器原理框圖 l TSC的控制器主要由單片機(jī)、鍵盤接口電路、液晶顯示接口電路

46、、的控制器主要由單片機(jī)、鍵盤接口電路、液晶顯示接口電路、數(shù)據(jù)存儲器、同步電壓檢測、電壓電流和頻率檢測，還有觸發(fā)電路等數(shù)據(jù)存儲器、同步電壓檢測、電壓電流和頻率檢測，還有觸發(fā)電路等部分組成。該控制器硬件的原理方框圖如圖部分組成。該控制器硬件的原理方框圖如圖7.4.8所示。所示。 工作原理工作原理 圖圖7.4.9 SVG基本電路結(jié)構(gòu)基本電路結(jié)構(gòu) 適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，就適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康?。態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?圖圖7.4.9給出了采用自換

47、相電壓型橋式的給出了采用自換相電壓型橋式的SVG基本電路結(jié)構(gòu)?；倦娐方Y(jié)構(gòu)。7.4.3 靜止無功發(fā)生器靜止無功發(fā)生器(SVG) 7.4.3 靜止無功發(fā)生器靜止無功發(fā)生器(SVG) 工作原理工作原理 圖圖7.4.10 SVG等效電路及其工作原理等效電路及其工作原理 通過同步電路控制，使通過同步電路控制，使 與與 同頻同相，然后改變同頻同相，然后改變 的幅值大小即可以控制的幅值大小即可以控制SVGSVG從電網(wǎng)吸收的電流是超前還是滯從電網(wǎng)吸收的電流是超前還是滯后后9090，并且還能控制該電流的大小。，并且還能控制該電流的大小。 .iUsU.iU.I 僅考慮基波頻率時(shí)僅考慮基波頻率時(shí) SVG工作原理可

48、以用圖工作原理可以用圖7.4.10（a）所示的單相等效電路來說明。所示的單相等效電路來說明。 當(dāng)當(dāng) 大于大于 時(shí)，電時(shí)，電流超前電壓流超前電壓90，SVG吸收容性無功功率；吸收容性無功功率； 當(dāng)當(dāng) 小于小于 時(shí)，時(shí)，電流滯后電壓電流滯后電壓90，SVG吸收感性無功功率。吸收感性無功功率。.iUsU.sU.iU7.5 變頻調(diào)速裝置變頻調(diào)速裝置 若均勻地改變定子頻率若均勻地改變定子頻率 ，則可以平滑地，則可以平滑地改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 由交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：由交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：可以看出：可以看出：PSfn/ )1(60 f 因此，在各種異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，變頻因此，在各種異步電機(jī)調(diào)速

49、系統(tǒng)中，變頻調(diào)速的性能最好，使得交流電機(jī)的調(diào)速性能可調(diào)速的性能最好，使得交流電機(jī)的調(diào)速性能可與直流電機(jī)相媲美，同時(shí)效率高，是交流調(diào)速與直流電機(jī)相媲美，同時(shí)效率高，是交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。的主要發(fā)展方向。（1）基頻以下的變頻調(diào)速）基頻以下的變頻調(diào)速（2）基頻以上的變頻調(diào)速）基頻以上的變頻調(diào)速（3）轉(zhuǎn)差頻率控制）轉(zhuǎn)差頻率控制 （5）直接轉(zhuǎn)矩控制）直接轉(zhuǎn)矩控制 （4）矢量控制）矢量控制7.5.1 變頻調(diào)速的基本控制方式變頻調(diào)速的基本控制方式（1）基頻以下的變頻調(diào)速）基頻以下的變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)的每相電動勢為：三相異步電動機(jī)的每相電動勢為： 式中：式中： 定子每相感應(yīng)電動勢的有效值；定子每相感應(yīng)

50、電動勢的有效值； 定子電源頻率；定子電源頻率； 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； 基波繞組系數(shù)；基波繞組系數(shù)； 每極氣隙磁通量。每極氣隙磁通量。mKfE44. 4EfKm 在調(diào)速的過程中，隨著輸入電源的頻率降低，必須相在調(diào)速的過程中，隨著輸入電源的頻率降低，必須相應(yīng)地改變定子電壓應(yīng)地改變定子電壓U， 以保證氣隙磁通不超過設(shè)計(jì)值。以保證氣隙磁通不超過設(shè)計(jì)值。 如果使如果使 =常數(shù)，則在調(diào)速過程中可維持常數(shù)，則在調(diào)速過程中可維持 近似不近似不變，這就是恒壓頻比控制方式。變，這就是恒壓頻比控制方式。 m（7.5.1）當(dāng)當(dāng)U不變時(shí)，隨著電源輸入頻率的降低，將會相應(yīng)增加。不變時(shí)，隨著電源輸入

51、頻率的降低，將會相應(yīng)增加。fU7.5.1 變頻調(diào)速的基本控制方式變頻調(diào)速的基本控制方式7.5.1 變頻調(diào)速的基本控制方式變頻調(diào)速的基本控制方式（2）基頻以上的變頻調(diào)速）基頻以上的變頻調(diào)速 當(dāng)電壓當(dāng)電壓U一定時(shí)，電機(jī)的氣隙磁通隨著頻率一定時(shí)，電機(jī)的氣隙磁通隨著頻率f的升高成的升高成比例下降，類似直流電機(jī)的弱磁調(diào)速，因此，基頻以上的比例下降，類似直流電機(jī)的弱磁調(diào)速，因此，基頻以上的調(diào)速屬恒功率調(diào)速。調(diào)速屬恒功率調(diào)速。mKfE 44. 4 電源頻率從基頻向上提高，可使電機(jī)的轉(zhuǎn)速增加。電源頻率從基頻向上提高，可使電機(jī)的轉(zhuǎn)速增加。 由由于電機(jī)的電壓不能超過其額定電壓，因此在基頻以上調(diào)頻于電機(jī)的電壓不能超

52、過其額定電壓，因此在基頻以上調(diào)頻時(shí)，時(shí)，U只能保持在額定值。只能保持在額定值。根據(jù)式根據(jù)式(7.5.1)：（1） 間接變頻調(diào)速裝置間接變頻調(diào)速裝置 圖圖7.5.1 間接變頻裝置的三種機(jī)構(gòu)形式間接變頻裝置的三種機(jī)構(gòu)形式 間接變頻調(diào)速裝置即交一直一交變頻裝置，首先將工頻交間接變頻調(diào)速裝置即交一直一交變頻裝置，首先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，然后再經(jīng)過逆變器將直流變換流電源通過整流器變換成直流，然后再經(jīng)過逆變器將直流變換成電壓和頻率可變的交流電源。成電壓和頻率可變的交流電源。 按照電路結(jié)構(gòu)和控制方式的不同，間接變頻裝置又可以分按照電路結(jié)構(gòu)和控制方式的不同，間接變頻裝置又可以分為三種，如圖為三

53、種，如圖7.5.1（a）、（）、（b）、（）、（c）所示。）所示。7.5.2 變頻調(diào)速裝置的分類變頻調(diào)速裝置的分類 （1） 間接變頻調(diào)速裝置間接變頻調(diào)速裝置 圖圖7.5.1 間接變頻裝置的三種機(jī)構(gòu)形式間接變頻裝置的三種機(jī)構(gòu)形式 （a a）所示的間接變頻裝置由相控整流電路和逆變電路構(gòu)成，其中）所示的間接變頻裝置由相控整流電路和逆變電路構(gòu)成，其中整流電路調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，逆變電路控制輸出交流的頻率。整流電路調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，逆變電路控制輸出交流的頻率。 （b）所示的間接變頻裝置由二極管整流電路、斬波器和逆變器三）所示的間接變頻裝置由二極管整流電路、斬波器和逆變器三部分構(gòu)成，其中斬波器用調(diào)節(jié)輸出

54、電壓，逆變器用于調(diào)節(jié)輸出頻率。部分構(gòu)成，其中斬波器用調(diào)節(jié)輸出電壓，逆變器用于調(diào)節(jié)輸出頻率。 （c）所示的間接變頻裝置由二極管整流電路和）所示的間接變頻裝置由二極管整流電路和PWM逆變器構(gòu)成，逆變器構(gòu)成，其中調(diào)壓和調(diào)頻全部由其中調(diào)壓和調(diào)頻全部由PWM逆變器完成。逆變器完成。 7.5.2 變頻調(diào)速裝置的分類變頻調(diào)速裝置的分類（2）直接變頻裝置）直接變頻裝置 7.5.2 變頻調(diào)速裝置的分類變頻調(diào)速裝置的分類圖圖7.5.2 直接變頻裝置直接變頻裝置 直接變頻裝置的結(jié)構(gòu)如圖直接變頻裝置的結(jié)構(gòu)如圖7.5.2所示，它采用交一交變所示，它采用交一交變頻電路，只用一個(gè)變換環(huán)節(jié)，直接將恒壓恒頻的交流電頻電路，只用

55、一個(gè)變換環(huán)節(jié)，直接將恒壓恒頻的交流電源變換成源變換成VVVF電源。根據(jù)輸出波形，直接變頻裝置可電源。根據(jù)輸出波形，直接變頻裝置可以分成方波形和正弦波型兩種。以分成方波形和正弦波型兩種。 此類變頻裝置一般只用于低速大容量的調(diào)速系統(tǒng)，如此類變頻裝置一般只用于低速大容量的調(diào)速系統(tǒng)，如軋鋼機(jī)、球磨機(jī)、水泥回轉(zhuǎn)窯等。軋鋼機(jī)、球磨機(jī)、水泥回轉(zhuǎn)窯等。 1、結(jié)構(gòu)：、結(jié)構(gòu)：由二極管整流電路、能耗制動電路、逆變電路由二極管整流電路、能耗制動電路、逆變電路和控制電路組成，逆變電路采用和控制電路組成，逆變電路采用IGBT器件，為三相橋式器件，為三相橋式SPWM逆變電路。逆變電路。圖圖7.5.3 開環(huán)控制的開環(huán)控制的S

56、PWM的變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖的變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖7.5.3 SPWM變頻調(diào)速裝置變頻調(diào)速裝置圖圖7.5.3 開環(huán)控制的開環(huán)控制的SPWM的的 變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 R為外接能耗制動電阻，為外接能耗制動電阻，當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí)，電力晶當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí)，電力晶體管體管T截止，沒有電流流過截止，沒有電流流過R。當(dāng)快速停機(jī)或逆變器輸出頻當(dāng)快速停機(jī)或逆變器輸出頻率急劇降低時(shí)，電機(jī)將處于率急劇降低時(shí)，電機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)，向?yàn)V波電容再生發(fā)電狀態(tài)，向?yàn)V波電容C充電，直流電壓充電，直流電壓U Ud d升高。當(dāng)升高。當(dāng)升高到最大允許電壓升高到最大允許電壓U Udmaxdmax時(shí)，時(shí)，功率晶

57、體管功率晶體管T導(dǎo)通，接入電阻導(dǎo)通，接入電阻R，電機(jī)進(jìn)行能耗制動，以防，電機(jī)進(jìn)行能耗制動，以防止過高危害逆變器的開關(guān)器止過高危害逆變器的開關(guān)器件。件。2、能耗制動電路和控制電路的工作原理、能耗制動電路和控制電路的工作原理 1）能耗制動電路）能耗制動電路7.5.3 SPWM變頻調(diào)速裝置變頻調(diào)速裝置 2）控制電路）控制電路 （1）給定積分器：）給定積分器：以限定輸出頻率的升降速度。以限定輸出頻率的升降速度。輸出信號的極性決定電機(jī)正反轉(zhuǎn)，輸出信號的大輸出信號的極性決定電機(jī)正反轉(zhuǎn)，輸出信號的大小控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低；給定積分器的輸出指令小控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低；給定積分器的輸出指令信號與三角波比較后形成三相

58、信號與三角波比較后形成三相PWM控制信號，再控制信號，再經(jīng)過輸出電路和驅(qū)動電路，控制逆變器中經(jīng)過輸出電路和驅(qū)動電路，控制逆變器中IGBT的的通斷，使逆變器輸出所需頻率、相序和大小的交通斷，使逆變器輸出所需頻率、相序和大小的交流電壓，從而控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；流電壓，從而控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向； （2）輸出經(jīng)極性鑒別器）輸出經(jīng)極性鑒別器確定正反轉(zhuǎn)邏輯后，去控確定正反轉(zhuǎn)邏輯后，去控制三相標(biāo)準(zhǔn)正弦波的相序，從而決定輸出指令信制三相標(biāo)準(zhǔn)正弦波的相序，從而決定輸出指令信號的相序。號的相序。 （3）絕對值運(yùn)算器：）絕對值運(yùn)算器：產(chǎn)生輸出頻率和電壓的控制產(chǎn)生輸出頻率和電壓的控制所需要正的信號；所需要正

59、的信號； （4）函數(shù)發(fā)生器：）函數(shù)發(fā)生器：實(shí)現(xiàn)低頻電壓補(bǔ)償，保證整個(gè)實(shí)現(xiàn)低頻電壓補(bǔ)償，保證整個(gè)調(diào)頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸出電壓和頻率的協(xié)調(diào)控制；調(diào)頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸出電壓和頻率的協(xié)調(diào)控制； （5）壓控振蕩器：）壓控振蕩器：形成頻率為形成頻率為fi的脈沖信號；的脈沖信號； （6）三相正弦波發(fā)生器：）三相正弦波發(fā)生器：由壓控振蕩器的輸出信由壓控振蕩器的輸出信號控制，產(chǎn)生頻率與相同的三相標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號，號控制，產(chǎn)生頻率與相同的三相標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號，該信號同函數(shù)發(fā)生器的輸出相乘后形成逆變器輸該信號同函數(shù)發(fā)生器的輸出相乘后形成逆變器輸出指令信號；出指令信號；7.5.3 SPWM變頻調(diào)速裝置變頻調(diào)速裝置圖圖7.5.3 開

60、環(huán)控制的開環(huán)控制的SPWM的的 變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖7.6 電力電子系統(tǒng)可靠性概述電力電子系統(tǒng)可靠性概述 7.6.1 可靠性的基本概念可靠性的基本概念 7.6.2 常用的可靠性指標(biāo)常用的可靠性指標(biāo) 7.6.3 電磁兼容性概述電磁兼容性概述7.6.1 可靠性的基本概念可靠性的基本概念 對于電力電子裝置或系統(tǒng)來說，其規(guī)定條件指的是環(huán)對于電力電子裝置或系統(tǒng)來說，其規(guī)定條件指的是環(huán)境溫度和濕度，海拔高度，電磁環(huán)境，電網(wǎng)狀況，儲存境溫度和濕度，海拔高度，電磁環(huán)境，電網(wǎng)狀況，儲存條件及其它要求等。條件及其它要求等。 為元件或系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成為元件或系統(tǒng)在規(guī)定的條件