電力電子-陳堅-第9章 多級組合

第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用1電力電子學—電力電子變換和控制技術(shù)（第三版）陳堅編著華中科技大學第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用29.1變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)9.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)9.3晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)9.4交流異步電動機變頻變速傳動系統(tǒng)*9.5AC/DC—DC/AC恒壓、橫頻（CVCF）不間斷電源UPS9.6帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源9.7熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源9.8感應(yīng)加熱電源、電焊和電磁灶電源第九章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用3組合型電力電子變換電源主要特點滿足高檔負載的供電要求減小對其供電電源的負面影響可能比一級變換電源裝置（如帶工頻變壓器的變換器）重量更輕、體積更小、效率更高第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用49.1變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)9.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)9.3晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)9.4交流異步電動機變頻變速傳動系統(tǒng)*9.5AC/DC—DC/AC恒壓、橫頻（CVCF）不間斷電源UPS9.6帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源9.7熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源9.8感應(yīng)加熱電源、電焊和電磁灶電源第九章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用5變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)傳統(tǒng)發(fā)電（同步發(fā)電機發(fā)電）轉(zhuǎn)子運行在同步轉(zhuǎn)速，同時定子側(cè)交流電壓的頻率恒定恒速、恒頻交流發(fā)電雙饋風力發(fā)電轉(zhuǎn)子并不運行在同步轉(zhuǎn)速，但定子側(cè)交流電壓的頻率恒定變速、恒頻交流發(fā)電第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用6直驅(qū)型永磁同步電機風力發(fā)電系統(tǒng)AC/DC—DC/DC—DC/AC三級變換系統(tǒng)第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用7直驅(qū)型永磁同步電機風力發(fā)電系統(tǒng)2.AC/DC—DC/AC兩級變換系統(tǒng)第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用8繞線型轉(zhuǎn)子交流勵磁雙饋異步電機風力發(fā)電系統(tǒng)雙饋發(fā)電電機為繞線式異步電機變流器Ⅱ輸出頻率f2、電壓V2的三相交流電流i2給三相轉(zhuǎn)子繞組發(fā)電機的定子向電網(wǎng)送電（饋電）需要升速齒輪箱第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用9變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)小結(jié)直驅(qū)型發(fā)電雙饋型發(fā)電不需要增速齒輪箱變流器的功率應(yīng)按發(fā)電機全功率設(shè)計需要增速齒輪箱變流器功率為變速范圍的轉(zhuǎn)差功率第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用109.1變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)9.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)9.3晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)9.4交流異步電動機變頻變速傳動系統(tǒng)*9.5AC/DC—DC/AC恒壓、橫頻（CVCF）不間斷電源UPS9.6帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源9.7熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源9.8感應(yīng)加熱電源、電焊和電磁灶電源第九章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用11太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)特點光伏電池輸出的電壓較低，容量小，需要串、并聯(lián)組合使用太陽能電池單元的輸出電壓、電流伏安特性和輸出功率特性受太陽光照強度和溫度影響----設(shè)計有最大功率點跟蹤控制（MPPT）

常在發(fā)電系統(tǒng)中引入儲能裝置第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用129.1變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)9.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

9.3晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)9.4交流異步電動機變頻變速傳動系統(tǒng)*9.5AC/DC—DC/AC恒壓、橫頻（CVCF）不間斷電源UPS9.6帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源9.7熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源9.8感應(yīng)加熱電源、電焊和電磁灶電源第九章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用13晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)

交流輸電直流輸電輸電距離、容量受限長距離輸電電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定降低輸電距離、容量不受限不存在因傳輸功率過大而引起發(fā)電機運行不穩(wěn)定問題需要3根輸電線，線路損耗較大需要2根輸電線，線路損耗較大能把兩個不同頻率的交流電力系統(tǒng)連接在一起相互交換功率第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用14晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)

第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用15晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)(續(xù))

直流輸電實現(xiàn)輸電線的首端采用高壓晶閘管相控整流器，把交流電變?yōu)橹绷麟娸旊娋€末端采用高壓晶閘管相控有源逆變器把直流電變?yōu)榻涣麟娬髌?、逆變器中晶閘管由很多晶閘管串聯(lián)構(gòu)成，并由多個三相橋變換器組合，構(gòu)成復合型高壓、大功率整流器、逆變器缺點：輸電系統(tǒng)存在嚴重的諧波，且功率因數(shù)低第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用169.1變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)9.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)9.3晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)9.4交流異步電動機變頻變速傳動系統(tǒng)*9.5AC/DC—DC/AC恒壓、橫頻（CVCF）不間斷電源UPS9.6帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源9.7熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源9.8感應(yīng)加熱電源、電焊和電磁灶電源第九章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用17轉(zhuǎn)速：交流異步電動機變頻變速傳動系統(tǒng)

電磁轉(zhuǎn)矩：運行區(qū)域：S<SM第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用18交流異步電動機變頻變速傳動系統(tǒng)(續(xù))調(diào)速方案：改變逆變器輸出頻率主磁通密度：實現(xiàn)方案：在改變輸出頻率時，應(yīng)同時改變電壓-----恒壓頻比第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用19交流異步電動機變頻變速傳動系統(tǒng)(續(xù))

調(diào)速類型：繞線型異步電動機轉(zhuǎn)差頻率控制變速傳動系統(tǒng)電機轉(zhuǎn)速：調(diào)速方案：改變變流器Ⅱ輸出給轉(zhuǎn)子的電壓的頻率f2

第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用209.1變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)9.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)9.3晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)9.4交流異步電動機變頻變速傳動系統(tǒng)*9.5AC/DC—DC/AC恒壓、橫頻（CVCF）不間斷電源UPS9.6帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源9.7熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源9.8感應(yīng)加熱電源、電焊和電磁灶電源第九章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用21AC/DC—DC/AC恒壓、恒頻（CVCF）不間斷電源UPS背景：某些關(guān)鍵負載不允許供電中斷，同時供電質(zhì)量要求高UPS：是由整流器、逆變器、附加半導體固態(tài)開關(guān)（又稱為靜態(tài)開關(guān)）和儲能環(huán)節(jié)（如蓄電池等）所構(gòu)成的交流恒壓恒頻電源UPS分類在線雙變換式（doubleconversiononline）后備式（passivestandby）第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用229.5.1典型在線雙變換式UPS工作模式市電正常時：輸入開關(guān)S閉合、靜態(tài)開關(guān)S1閉合、S2斷開市電異常時：輸入開關(guān)S斷開、靜態(tài)開關(guān)S1閉合、S2斷開特點：負載一直由逆變器供電，供電質(zhì)量、可靠性高第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用239.5.2典型后備式UPS工作模式市電正常時：負載由市電供電市電異常時：負載由逆變器供電特點：供電質(zhì)量、可靠性高不及在線雙變換UPS，在切換過程中存在短暫供電中斷分類冷后備UPS熱后備UPS第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用249.1變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)9.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

9.3晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)9.4交流異步電動機變頻變速傳動系統(tǒng)*9.5AC/DC—DC/AC恒壓、橫頻（CVCF）不間斷電源UPS9.6帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源9.7熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源9.8感應(yīng)加熱電源、電焊和電磁灶電源第九章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用25帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源25背景：各種電子設(shè)備和各種控制系統(tǒng)中的控制電源都需要低壓直流電源AC/DC相控整流方案：變換器重量、體積大，給公用電網(wǎng)注入諧波電流，污染電網(wǎng)并降低電網(wǎng)功率因數(shù)帶功率因數(shù)校正器（PFC）的直流開關(guān)電源系統(tǒng)：電源重量體積小，對電網(wǎng)污染小解決方案第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用269.6.1含升壓（Boost）型功率因數(shù)校正器的高頻整流若無電容C1，直流電壓Vdc為頻率100Hz的正弦半波直流電壓，脈動很大若有電容C1，僅在電源半周的tp期間且Vdc>Vc時才有電流ip，C1越大Vc脈動越小，但電源脈沖電流i1寬度更窄、更尖，畸變更大第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用279.6.1含升壓（Boost）型功率因數(shù)校正器的高頻整流(續(xù))

1、可實現(xiàn)輸入電流is的波形與交流電源電壓vs的波形同相------功率因數(shù)為12、電壓閉環(huán)可保證輸出電壓Vo為恒定指令值

第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用289.6.1含升壓（Boost）型功率因數(shù)校正器的高頻整流(續(xù))1、輸入電流連續(xù)，諧波頻率高，EMI小

主要優(yōu)點：主要缺點：2、輸入電感可減少對輸入濾波器的要求，可防止電網(wǎng)對主電路高頻瞬態(tài)沖擊

3、開關(guān)器件的電壓不超過輸出電壓值

輸入、輸出間沒有絕緣隔離第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用299.6.2帶反激式功率因數(shù)校正器的高頻整流1、反激變換器工作在不連續(xù)導電模式（DCM）2、反激變換器基本工作原理特點：電源與負載有變壓器隔離

第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用309.6.3電池充電電源

1、恒流（限壓）充電階段

兩個充電階段：2、恒壓（限流）充電階段

為了消除各單體電池端電壓不平衡現(xiàn)象，通過提升電池充電端電壓到稍高于浮充電壓值的均充電壓，而使充電不足的電池容量得到補足第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用319.6.3電池充電電源(續(xù))1、恒流（限壓）充電階段：V<VRef

，V2正值很大，二極管D2阻斷，VR不起控制作用，電池的充電電壓V從初值逐漸上升

2、恒壓（限流）充電階段：V>VRef

，V2下降，D2導通，D1阻斷，電流調(diào)節(jié)器IR退出調(diào)節(jié)作用，電壓調(diào)節(jié)器VR工作兩個充電階段：第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用329.1變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)9.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)9.3晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)9.4交流異步電動機變頻變速傳動系統(tǒng)*9.5AC/DC—DC/AC恒壓、橫頻（CVCF）不間斷電源UPS9.6帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源9.7熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源

9.8感應(yīng)加熱電源、電焊和電磁灶電源第九章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用33熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源

1、白熾燈：熱光源，電一光轉(zhuǎn)換效率很低

照明方式：白熾燈與熒光燈差異：2、熒光燈：冷光源，50HZ電源供電時電一光轉(zhuǎn)換效率也比鎢絲熾熱發(fā)光效率高3-4倍3、LED：節(jié)能效果非常顯著1、電阻溫度系數(shù)為正值2、電阻溫度系數(shù)為負值-------必須加入鎮(zhèn)流器第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用34熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源(續(xù))

1、串聯(lián)一個穩(wěn)流電感（壓降VL遠大于燈光壓降VR），電容CS是用來補償功率因數(shù)，小電容C1用于降低起動過程中的過壓和無線電干擾

2、雙金屬片開關(guān)K1（起輝器）在常溫下閉合。合上開關(guān)K后，電源經(jīng)電感L和K1形成回路，使K1發(fā)熱迅速斷開電路，L感應(yīng)高壓反電勢加在燈管兩個電極之間使氣體開始放電，點燃燈投入工作。正常工作時電極溫度高使K1保持斷開狀態(tài)。一旦斷開電源開關(guān)K，K1恢復到閉合狀態(tài)?；驹恚旱?章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用35熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源(續(xù))

電感作鎮(zhèn)流器缺點：采用50HZ電源供電，L值比較大，燈管電流在半個電源周期脈動一次高頻電子鎮(zhèn)流器：燈管供電電壓的頻率為20-25kHz，在相同的電抗時，可顯著地減小電子鎮(zhèn)流器的重量、體積。且電源電流正弦性好，功率因數(shù)接近于1.0第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用369.1變速恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)9.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)9.3晶閘管相控整流—有源逆變的直流輸電系統(tǒng)9.4交流異步電動機變頻變速傳動系統(tǒng)*9.5AC/DC—DC/AC恒壓、橫頻（CVCF）不間斷電源UPS9.6帶功率因數(shù)校正（APFC）的開關(guān)電源和充電電源9.7熒光燈-電子鎮(zhèn)流器照明電源9.8感應(yīng)加熱電源、電焊和電磁灶電源第九章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用第9章多級開關(guān)電路組合型電力電子變換電源的應(yīng)用379.8.1感應(yīng)加熱電源加熱原理：線圈中注入中頻電流，產(chǎn)生中頻交變磁場，在金屬部件中感應(yīng)中頻渦流；金屬部件電阻