新第3版0_第9章

1、第第9 9章章 多级开关电路组合型电力电子变多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用换电源的应用 电力电子学电力电子学电力电子变换和控制技术（第三版）电力电子变换和控制技术（第三版）第第9 9章章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用 9.1 变速恒频交流发电系统 9.2 太阳能光伏发电系统 9.3 晶闸管相控整流-有源逆变的直流输电系统 9.4 交流异步电动机变频变速传动系统 *9.5 AC/DC-DC/AC恒压、恒频（CVCF）不间断电源UPS 9.6 带功率因数校正（APFC）的开关电源和充电电源 9.7 荧光灯-电子镇流器照明电源 9.8 感

2、应加热电源、电焊和电磁灶电源 主主要要特特点点满足负载对供电电源品质和特性要求满足负载对供电电源品质和特性要求改善或消除对其供电电源的影响改善或消除对其供电电源的影响比一级变换电源装置（如带工频变压器的变比一级变换电源装置（如带工频变压器的变换器）重量更轻、体积更小、效率更高换器）重量更轻、体积更小、效率更高组合型电力电子变换电源 9.1 变速恒频交流发电系统 9.2 太阳能光伏发电系统 9.3 晶闸管相控整流-有源逆变的直流输电系统 9.4 交流异步电动机变频变速传动系统 *9.5 AC/DC-DC/AC恒压、恒频（CVCF）不间断电源UPS 9.6 带功率因数校正（APFC）的开关电源和充

3、电电源 9.7 荧光灯-电子镇流器照明电源 9.8 感应加热电源、电焊和电磁灶电源 第第9 9章章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用 9.1.1 直驱型永磁同步电机风力发电系统直驱型永磁同步电机风力发电系统9.1.2 绕线型转子交流励磁双馈异步电机风力发电系统绕线型转子交流励磁双馈异步电机风力发电系统9.1.3 变速恒频交流发电系统小结变速恒频交流发电系统小结9.1 变速恒频交流发电系统 9.1 变速恒频交流发电系统 传统发电传统发电（同步发电机发电）（同步发电机发电）转子运行在同转子运行在同步转速，同时步转速，同时定子侧交流电定子侧交流电压的大

4、小、频压的大小、频率恒定率恒定恒速恒频恒速恒频变速恒频发电变速恒频发电转子转速可变，转子转速可变，但定子侧交流但定子侧交流电压的大小、电压的大小、频率恒定频率恒定变速恒频变速恒频9.1.1 直驱型永磁同步电机风力发电系统直驱型永磁同步电机风力发电系统9.1.2 绕线型转子交流励磁双馈异步电机风力发电系统 9.1.3 变速恒频交流发电系统小结9.1 变速恒频交流发电系统 9.1.1 直驱型永磁同步电机风力发电系统 1. AC/DC-DC/DC-DC/AC1. AC/DC-DC/DC-DC/AC三级变换系统三级变换系统9.1.1 直驱型永磁同步电机风力发电系统 2. AC/DC-DC/AC2. A

5、C/DC-DC/AC两级变换系统两级变换系统9.1.1 直驱型永磁同步电机风力发电系统9.1.2 绕线型转子交流励磁双馈异步电机风力发电系统绕线型转子交流励磁双馈异步电机风力发电系统 9.1.3 变速恒频交流发电系统小结9.1 变速恒频交流发电系统 9.1.2 绕线型转子交流励磁双馈异步电机风力发电系统 绕线转子绕线转子异步电机异步电机双馈发电双馈发电电机为绕线式异步电机变流器输出频率f2、电压V2的三相交流电流i2给三相转子绕组发电机的定子向电网送电（馈电）需要升速齿轮箱21fffS9.1.1 直驱型永磁同步电机风力发电系统9.1.2 绕线型转子交流励磁双馈异步电机风力发电系统 9.1.3

6、变速恒频交流发电系统小结变速恒频交流发电系统小结9.1 变速恒频交流发电系统 变速恒频交流发电系统小结直驱型永磁直驱型永磁同步发电系统同步发电系统绕线转子异步电机绕线转子异步电机双馈型发电双馈型发电不需要增速齿轮箱变流器的功率应按发电机全功率设计需要增速齿轮箱变流器功率为变速范围的转差功率第第9 9章章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用 9.1 变速恒频交流发电系统 9.2 太阳能光伏发电系统 9.3 晶闸管相控整流-有源逆变的直流输电系统 9.4 交流异步电动机变频变速传动系统 *9.5 AC/DC-DC/AC恒压、恒频（CVCF）不间断电源U

7、PS 9.6 带功率因数校正（APFC）的开关电源和充电电源 9.7 荧光灯-电子镇流器照明电源 9.8 感应加热电源、电焊和电磁灶电源 9.2 太阳能光伏发电系统 特特点点光伏电池输出的电压较低，容量小，需要串、光伏电池输出的电压较低，容量小，需要串、并联组合使用。并联组合使用。太阳能电池单元的输出电压、电流伏安特性太阳能电池单元的输出电压、电流伏安特性和输出功率特性受太阳光照强度和温度影和输出功率特性受太阳光照强度和温度影响响设计有最大功率点跟踪控制设计有最大功率点跟踪控制MPPT（Maximum Power Point Tracking） 常在发电系统中引入储能装置常在发电系统中引入储能

8、装置第第9 9章章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用 9.1 变速恒频交流发电系统 9.2 太阳能光伏发电系统 9.3 晶闸管相控整流-有源逆变的直流输电系统 9.4 交流异步电动机变频变速传动系统 *9.5 AC/DC-DC/AC恒压、恒频（CVCF）不间断电源UPS 9.6 带功率因数校正（APFC）的开关电源和充电电源 9.7 荧光灯-电子镇流器照明电源 9.8 感应加热电源、电焊和电磁灶电源 9.3 晶闸管相控整流有源逆变的直流输电系统 交流输电交流输电直流输电直流输电输电距离、容量受限输电距离、容量受限长距离输电电力系统的安全稳定降低长

9、距离输电电力系统的安全稳定降低输电距离、容量不受限输电距离、容量不受限不存在因传输功率过大而引起发电不存在因传输功率过大而引起发电机运行不稳定问题机运行不稳定问题需要需要3 3根输电线，线路损耗较大根输电线，线路损耗较大需要需要2根输电线，线路损耗较大根输电线，线路损耗较大能把两个不同频率的交流电力系统能把两个不同频率的交流电力系统连接在一起相互交换功率连接在一起相互交换功率输电线首端相控整流器输电线首端相控整流器输电线末端相控有源逆变器输电线末端相控有源逆变器9.3 晶闸管相控整流有源逆变的直流输电系统（续） 直流直流输电输电实现实现输电线的首端采用高压晶闸管相控整流器，把输电线的首端采用高

10、压晶闸管相控整流器，把交流电变为直流电。交流电变为直流电。输电线末端采用高压晶闸管相控有源逆变器把输电线末端采用高压晶闸管相控有源逆变器把直流电变为交流电。直流电变为交流电。整流器、逆变器中晶闸管由很多晶闸管串联构整流器、逆变器中晶闸管由很多晶闸管串联构成，并由多个三相桥变换器组合，构成复合型成，并由多个三相桥变换器组合，构成复合型高压、大功率整流器、逆变器。高压、大功率整流器、逆变器。缺点：缺点：输电系统存在严重的谐波，且功率因数低。输电系统存在严重的谐波，且功率因数低。9.3 晶闸管相控整流有源逆变的直流输电系统（续） 第第9 9章章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用多级开关电路组

11、合型电力电子变换电源的应用 9.1 变速恒频交流发电系统 9.2 太阳能光伏发电系统 9.3 晶闸管相控整流-有源逆变的直流输电系统 9.4 交流异步电动机变频变速传动系统 *9.5 AC/DC-DC/AC恒压、恒频（CVCF）不间断电源UPS 9.6 带功率因数校正（APFC）的开关电源和充电电源 9.7 荧光灯-电子镇流器照明电源 9.8 感应加热电源、电焊和电磁灶电源 电磁转矩：电磁转矩：转速：转速：9.4 交流异步电动机变频变速传动系统 SSP60(1)(1)fNSNSN2PemmmSmm3224eNVTTSSfXSSSSSS2PemS34NVTfX12XXX运行区域：运行区域： SV

12、c时才有电流时才有电流 ip， C1越大越大Vc脉动越小，但电源脉冲电流脉动越小，但电源脉冲电流i1宽度更窄、更尖，畸变更大宽度更窄、更尖，畸变更大不控整流电路工作特点：不控整流电路工作特点：9.6.1 含升压（Boost）型功率因数校正器的高频整流(续) 1. 可实现输入电流可实现输入电流is的波形与交流电源电压的波形与交流电源电压vs的波形同相的波形同相功率因数为功率因数为12. 电压闭环可保证输出电压电压闭环可保证输出电压vO为恒定指令值为恒定指令值 9.6.1 含升压（Boost）型功率因数校正器的高频整流(续) 1.输入电流连续，谐波频率高，输入电流连续，谐波频率高， EMI小；小；

13、 2.输入电感可减少对输入滤波器的要求，可防止电网对主电路高频输入电感可减少对输入滤波器的要求，可防止电网对主电路高频瞬态冲击；瞬态冲击；3.开关器件的电压不超过输出电压值。开关器件的电压不超过输出电压值。主要优点：主要缺点：输入、输出间没有绝缘隔离，适合于输入、输出间没有绝缘隔离，适合于12kW以下负载。以下负载。9.6 带功率因数校正（APFC）的开关电源和充电电源 9.6.1 含升压（BOOST）型功率因数校正器的高频整流9.6.2 9.6.2 带反激式功率因数校正器的高频整流带反激式功率因数校正器的高频整流 9.6.3 电池充电电源9.6.2 带反激式功率因数校正器的高频整流 1.反激

14、式变换器拓扑结构反激式变换器拓扑结构2.反激变换器工作在不连续导电模式（反激变换器工作在不连续导电模式（DCM）3.电源与负载有变压器隔离电源与负载有变压器隔离4.可通过高频变压器实现多路输出可通过高频变压器实现多路输出9.6 带功率因数校正（APFC）的开关电源和充电电源 9.6.1 含升压（BOOST）型功率因数校正器的高频整流9.6.2 带反激式功率因数校正器的高频整流 9.6.3 9.6.3 电池充电电源电池充电电源9.6.3 电池充电电源 1.恒流（限压）充电阶段恒流（限压）充电阶段2.恒压（限流）充电阶段恒压（限流）充电阶段 蓄电池充电特性及充电曲线： 为了消除各单体电池端电压不平

15、衡现象，通过提升电池充电端电压为了消除各单体电池端电压不平衡现象，通过提升电池充电端电压到稍高于浮充电压值的均充电压，而使充电不足的电池容量得到补足。到稍高于浮充电压值的均充电压，而使充电不足的电池容量得到补足。两个充电阶段：9.6.3 电池充电电源(续) 恒流（限压）充电阶段恒流（限压）充电阶段 ： VVRef ， V2下降，下降，D2导通，导通， D1阻断，电流阻断，电流调节器调节器IR退出调节作用，电压调节器退出调节作用，电压调节器VR工作。工作。充电控制原理：第第9 9章章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用 9.1 变速恒频交流发电系统

16、9.2 太阳能光伏发电系统 9.3 晶闸管相控整流-有源逆变的直流输电系统 9.4 交流异步电动机变频变速传动系统 *9.5 AC/DC-DC/AC恒压、恒频（CVCF）不间断电源UPS 9.6 带功率因数校正（APFC）的开关电源和充电电源 9.7 荧光灯-电子镇流器照明电源 9.8 感应加热电源、电焊和电磁灶电源 9.7 荧光灯-电子镇流器照明电源 白炽灯：热光源，电白炽灯：热光源，电- -光光转换效率很低。转换效率很低。荧光灯：冷光源，荧光灯：冷光源， 50Hz电源供电时电电源供电时电- -光转换效率也比钨丝炽热发光光转换效率也比钨丝炽热发光效率高效率高34倍。倍。LED：节能效果非常显

17、著。：节能效果非常显著。照明方式：白炽灯与荧光灯差异：电阻温度系数为正值。电阻温度系数为正值。电阻温度系数为负值电阻温度系数为负值必须加入镇流器。必须加入镇流器。9.7 荧光灯-电子镇流器照明电源(续) 串联一个稳流电感（压降串联一个稳流电感（压降VL远大于灯光压降远大于灯光压降VR），电容），电容CS是用来补偿功率是用来补偿功率因数，小电容因数，小电容C1用于降低启动过程中的过压和无线电干扰用于降低启动过程中的过压和无线电干扰 ；双金属片开关双金属片开关K1（起辉器）在常温下闭合。合上开关（起辉器）在常温下闭合。合上开关K后，电源经电感后，电源经电感L和和K1形成回路，使形成回路，使K1发热

18、迅速断开电路，发热迅速断开电路，L感应高压反电势加在灯管两个电极感应高压反电势加在灯管两个电极之间使气体开始放电，点燃灯投入工作。正常工作时电极温度高使之间使气体开始放电，点燃灯投入工作。正常工作时电极温度高使K1保持断保持断开状态。一旦断开电源开关开状态。一旦断开电源开关K，K1恢复到闭合状态。恢复到闭合状态。基本原理：9.7 荧光灯-电子镇流器照明电源(续) 电感作镇流器缺点：采用采用50Hz电源供电，电源供电，L值比较大，灯管电流在半个电源周期脉动一次。值比较大，灯管电流在半个电源周期脉动一次。高频电子镇流器：灯管供电电压的频率为灯管供电电压的频率为2025kHz，在相同的电抗时，可显著

19、减小电子镇流，在相同的电抗时，可显著减小电子镇流器的重量、体积。且电源电流正弦性好，功率因数接近于器的重量、体积。且电源电流正弦性好，功率因数接近于1.0。第第9 9章章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用 9.1 变速恒频交流发电系统 9.2 太阳能光伏发电系统 9.3 晶闸管相控整流-有源逆变的直流输电系统 9.4 交流异步电动机变频变速传动系统 *9.5 AC/DC-DC/AC恒压、恒频（CVCF）不间断电源UPS 9.6 带功率因数校正（APFC）的开关电源和充电电源 9.7 荧光灯-电子镇流器照明电源 9.8 感应加热电源、电焊和电磁灶电

20、源 9.8 感应加热电源、电焊和电磁灶电源 9.8.1 9.8.1 感应加热电源感应加热电源9.8.2 9.8.2 高频电焊电源高频电焊电源 9.8.3 9.8.3 电池灶电源电池灶电源9.8 感应加热电源、电焊和电磁灶电源 9.8.1 9.8.1 感应加热电源感应加热电源9.8.2 高频电焊电源 9.8.3 电池灶电源9.8.1 感应加热电源加热原理：线圈中注入中频电流，产生中频交变磁场，在金属部件中感应中频涡线圈中注入中频电流，产生中频交变磁场，在金属部件中感应中频涡流；金属部件电阻耗损在金属部件内部转化为热能。流；金属部件电阻耗损在金属部件内部转化为热能。加热电源：晶闸管逆变器为中频谐振

21、式逆变器，输出频率跟踪感应加热线圈和晶闸管逆变器为中频谐振式逆变器，输出频率跟踪感应加热线圈和C构构成的谐振频率成的谐振频率fr（一般逆变器的输出频率（一般逆变器的输出频率f略高于谐振频率略高于谐振频率fr，为晶闸管，为晶闸管提供负载换流的条件）。提供负载换流的条件）。9.8 感应加热电源、电焊和电磁灶电源 9.8.1 感应加热电源9.8.2 9.8.2 高频电焊电源高频电焊电源 9.8.3 电池灶电源9.8.2 高频电焊电源滤滤波波器器高高频频逆逆变变器器高高频频变变压压器器二二极极管管整整流流器器输输出出二二极极管管全全桥桥整整流流器器5 50 0H Hz z输输入入L普通电焊机：将电网将电网50Hz交流电经变压器降压再整流成低压（如交流电经变压器降压再整流成低压（如50V）直流作电焊）直流作电焊电源电源重量、体积大，焊接特性调控不理想重量、体积大，焊接特性调控不理想 。高频电焊机：采用采用AC/DC- -DC/AC- -AC/DC三级变换，用中频变压器取代了三级变换，用中频变压器取代了50Hz工工频变压器，故重量轻、体