第10章 电力电子技术的应用

1、电力电子技术电力电子技术 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 本章小结本章小结 第第10章电力电子技术的应用章电力电子技术的应用电力电子技术电力电子技术210.1 晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统 10.1.1 工作于整流状态工作于整流状态电力电子技术电力电子技术310.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时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

2、电感外，还有一个外，还有一个反电动势反电动势E，通常在电枢回路串联一通常在电枢回路串联一平波电抗器平波电抗器，保证电流连续。，保证电流连续。 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 电力电子技术电力电子技术410.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时23XRRRBMB触发晶闸管，待电动机启动达稳态后，由于惯量，反电动势都触发晶闸管，待电动机启动达稳态后，由于惯量，反电动势都基本无脉动，平衡方程为基本无脉动，平衡方程为 UIREUdMd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，

3、为重叠角引为重叠角引起的电压降所折合的电阻；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。 23XBU电流由电流由负载转矩负载转矩所决定，在小电流情况下，由于电感的储能所决定，在小电流情况下，由于电感的储能减小，往往不足以维持电流连续，从而出现减小，往往不足以维持电流连续，从而出现电流断续现象电流断续现象。 (10-1)电力电子技术电力电子技术510.1.1 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 nCEeMc

4、os17. 12UUdUIRUEdMcos17. 12edeCUIRCUncos17. 12三相桥式的机械特性方程为三相桥式的机械特性方程为 deeICRCUncos34. 22图图10-2 三相半波电流连续时以三相半波电流连续时以电流表示的电动机机械特性电流表示的电动机机械特性 (10-2)(10-3)(10-4)(10-5) 的值一般为的值一般为1V左右，左右，所以忽略；调节角所以忽略；调节角 ，即可，即可调节电动机的转速。调节电动机的转速。 U电力电子技术电力电子技术610.1.1 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电流断续时电动机的机械特性性 由于整流电压是一个脉

5、动由于整流电压是一个脉动的直流电压，当电动机的负载的直流电压，当电动机的负载减小时，平波电抗器中的电感减小时，平波电抗器中的电感储能减小，致使电流断续，此储能减小，致使电流断续，此时电动机的机械特性也就呈现时电动机的机械特性也就呈现出出非线性非线性。 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电力电子技术电力电子技术710.1.1 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 时时反电动势的特性曲线反电动势的特性曲线 1 2 3 460 当电流断续时，电动机的当电流断续时，电动机的理想空理想空载转速抬高载转速抬高，这是电流断续时电动

6、，这是电流断续时电动机机械特性的第一个特点；第二个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，即负载电流变化很小也可引起很大的转速变化。小也可引起很大的转速变化。电力电子技术电力电子技术810.2 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电力电子技术电力电子技术910.2 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

7、制约。 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。趋势趋势:交流调速系统逐步取代传统的直流传动系统。交流调速系统逐步取代传统的直流传动系统。 电力电子技术电力电子技术1010.2.1 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

8、AC/DC、DC/AC组合形成。组合形成。 再生反馈电力的能力再生反馈电力的能力 要求具有要求具有再生反馈电力的能力再生反馈电力的能力。 图图10-7不具再生反馈电力。不具再生反馈电力。 其整流部分不能由直流电其整流部分不能由直流电路向电源反馈电力。路向电源反馈电力。 若负载能量反馈到中间直若负载能量反馈到中间直流电路，导致流电路，导致泵升电压泵升电压危及整个危及整个电路安全。电路安全。 图图10-7 不能再生反馈的电不能再生反馈的电压型间接交流变流电路压型间接交流变流电路 电力电子技术电力电子技术1110.2.1 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带有泵升电压限制电路

9、的电压型间接交流变流电路的电压型间接交流变流电路 图图10-9 利用可控变流器实现再生反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馈的电压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控控制的电压型间接交流变流电路制的电压型间接交流变流电路 使电路具备再生反馈能力的方法使电路具备再生反馈能力的方法 图图10-8V0和能耗电阻和能耗电阻R0组成的组成的泵泵升电压限制电路升电压限制电路。 图图10-9增加了一套增加了一套变流电路变流电路。 图图10-10是整流电路和逆变电路都是整流电路和逆变电路都采用采用PWM控制，简称控制，简称双双PWM电路电路。 输入功率因数高

10、，且可实现电动输入功率因数高，且可实现电动机四象限运行，控制较复杂，成本也机四象限运行，控制较复杂，成本也较高。较高。 电力电子技术电力电子技术1210.2.2 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 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，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

11、一个给出了一个实例，该实例，该f指令值和指令值和V1指令指令值之比就决定了值之比就决定了V/f比值比值。 电力电子技术电力电子技术1310.2.2 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 1= r+ s ，则，则 1随实际转速随实际转速 r增加或减小，可调速，保证增加或减小，可调速，保证了较大的调速范围。了较大的调速范围。 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，不能得到理想动态性能。的，不能得到理想动态性能。矢量控制矢量控制 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。 直接转矩控制

12、直接转矩控制 采用采用Bang-Bang控制控制，转矩动态响应快，控制相对简单。，转矩动态响应快，控制相对简单。 电力电子技术电力电子技术1410.3 不间断电源不间断电源不间断电源（不间断电源（Uninterruptible Power Supply UPS）。）。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，目包括输出为直流和输出为交流两种情况，目前通常是指交流前通常是指交流恒压恒频（恒压恒频（CVCF）电源）电源。 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 结构原理结构原理 当市电正常时，由市电供电，当当市电正常时，由市电供电，当市电异

13、常乃至停电时，由蓄电池向市电异常乃至停电时，由蓄电池向逆变器供电；逆变器供电； 在市电正常时，负载也可以由逆在市电正常时，负载也可以由逆变器供电，也称为变器供电，也称为稳压稳频电源稳压稳频电源。 电力电子技术电力电子技术1510.3 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设置了设置了旁路开关旁路开关，必须保证两，必须保证两个电压的相位一致，通常采用个电压的相位一致，通常采用锁锁相同步相同步的方法。的方法。还可采用还可采用柴油发电机（简称油柴油发电机（简称油机）作为后备电源机）作为后

14、备电源，如图，如图10-17所所示，蓄电池只需作为市电与油机示，蓄电池只需作为市电与油机之间的过渡，容量可以比较小。之间的过渡，容量可以比较小。电力电子技术电力电子技术1610.3 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 二极管整流器和直流二极管整流器和直流斩波器（用作斩波器（用作PFC），高），高功功率因数率因数。 逆变器部分使用逆变器部分使用IGBT并采用并采用PWM控制控制。 GTO大容量大容量UPS主电路主电路 逆变器部分采用逆变器部分采用P

15、WM控制。控制。 GTO较低开关频率较低开关频率。电力电子技术电力电子技术1710.4 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电力电子技术电力电子技术1810.4 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，如在各种电子设备中，需要多路不同电压供电，如5V、3.3V、2.5V、12V、15V等。等。需要专门设计电源装置来提供这些电压，通常要求稳压精度，需要专门设计电源装置来提供这些电压，通常要求稳压精度，足够大的电流。足够大的电流。开关电源在效率、体积和重量

16、等方面都远远优于线性电源，因开关电源在效率、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，成为主要电源形式。此已经基本取代了线型电源，成为主要电源形式。 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 电力电子技术电力电子技术1910.4.1 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。交流输入、直流输出。 整流电路或加整流电路或加PFC电路。电路。 高频逆变变压器高频整流高频逆变变压器高频整流，隔离

17、型直流，隔离型直流直流变流电路。直流变流电路。 普遍采用了普遍采用了软开关技术软开关技术。 可用可用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。的多组输出。 图图10-23 多路输多路输出的整流电路出的整流电路 电力电子技术电力电子技术2010.4.1 开关电源的结构开关电源的结构直流输入的开关电源直流输入的开关电源 也称为也称为DC-DC Converter，隔离型多采用反激、正激、半桥，隔离型多采用反激、正激、半桥等，而非隔离型采用等，而非隔离型采用Buck、Boost、Buck-Boost等电路。等电路。 非隔离的直流直流变换器经常采用非隔离的直流直流

18、变换器经常采用同步同步Buck 。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 电力电子技术电力电子技术2110.4.1 开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每个开关电源仅仅承担一部分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功率，并联运行的每个开关电源有时也被成称为源有时也被成称为“模块模块”，当其中个别模块发生故障时，当其中个别模块发生故障时，系统还能够继续运行，这被称系统还能够继续运行，这被称为为“冗余冗余”。 电力电子技术电力电子技术2210.4.2 开关电源的控制方式

19、开关电源的控制方式电力电子技术电力电子技术2310.4.3 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，功率开关电源广泛用于各种电子设备、仪器，以及家电等，功率通常仅有几通常仅有几W几百几百W；还可以用于通信交换机、巨型计算机等大型设备的电源也是还可以用于通信交换机、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。 开关电源还可以用于蓄电池充电、电火花加工，电镀、电解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，功率可达几十几百等电化学过程等，功率可达几十几百kW；在在X光机、微波发射

20、机、雷达等设备中，大量使用的是高压、光机、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。 电力电子技术电力电子技术2410.5 功率因数校正技术功率因数校正技术 10.5.1 功率因数校正电路的基本原理功率因数校正电路的基本原理 10.5.2 单级功率因数校正技术单级功率因数校正技术电力电子技术电力电子技术2510.5 功率因数校正技术功率因数校正技术引引言言功率因数校正功率因数校正PFC (Power Factor Correction)技术即对电流技术即对电流脉冲的幅度进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波的技术，脉冲的幅度进行抑制，使电流波形尽量接近

21、正弦波的技术，分成分成无源功率因数校正无源功率因数校正和和有源功率因数校正有源功率因数校正两种。两种。 有源功率因数校正技术采用全控开关器件构成开关电路对输有源功率因数校正技术采用全控开关器件构成开关电路对输入电流的波形进行控制，使之成为与电源电压同相正弦波。入电流的波形进行控制，使之成为与电源电压同相正弦波。 电力电子技术电力电子技术2610.5.1 功率因数校正电路的基本原理功率因数校正电路的基本原理图图10-30 典型的单相有源典型的单相有源PFC电路及主要原理波形电路及主要原理波形 单相功率因数校正电路的基本原理单相功率因数校正电路的基本原理 实际上是二极管整流电路加上升压型斩波电路构成的。实际上是二极管整流电路加上升压型斩波电路构成的。 原理原理 使输入直流电流跟踪指令值，这样交流侧电流波形将近似使输入直流电流跟踪指令值，这样交流侧电流波形将近似成为与交流电压同相的正弦波。成