电力电子-陈坚-第9章 多级组合

第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用1电力电子学—电力电子变换和控制技术（第三版）陈坚编著华中科技大学第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用29.1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*9.5AC/DC—DC/AC恒压、横频（CVCF）不间断电源UPS9.6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、电焊和电磁灶电源第九章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用3组合型电力电子变换电源主要特点满足高档负载的供电要求减小对其供电电源的负面影响可能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、效率更高第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用49.1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*9.5AC/DC—DC/AC恒压、横频（CVCF）不间断电源UPS9.6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、电焊和电磁灶电源第九章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用5变速恒频交流发电系统传统发电（同步发电机发电）转子运行在同步转速，同时定子侧交流电压的频率恒定恒速、恒频交流发电双馈风力发电转子并不运行在同步转速，但定子侧交流电压的频率恒定变速、恒频交流发电第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用6直驱型永磁同步电机风力发电系统AC/DC—DC/DC—DC/AC三级变换系统第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用7直驱型永磁同步电机风力发电系统2.AC/DC—DC/AC两级变换系统第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用8绕线型转子交流励磁双馈异步电机风力发电系统双馈发电电机为绕线式异步电机变流器Ⅱ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）需要升速齿轮箱第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用9变速恒频交流发电系统小结直驱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9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用109.1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*9.5AC/DC—DC/AC恒压、横频（CVCF）不间断电源UPS9.6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、电焊和电磁灶电源第九章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用11太阳能光伏发电系统特点光伏电池输出的电压较低，容量小，需要串、并联组合使用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响----设计有最大功率点跟踪控制（MPPT）

常在发电系统中引入储能装置第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用129.1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*9.5AC/DC—DC/AC恒压、横频（CVCF）不间断电源UPS9.6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、电焊和电磁灶电源第九章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用13晶闸管相控整流—有源逆变的直流输电系统

交流输电直流输电输电距离、容量受限长距离输电电力系统的安全稳定降低输电距离、容量不受限不存在因传输功率过大而引起发电机运行不稳定问题需要3根输电线，线路损耗较大需要2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连接在一起相互交换功率第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用14晶闸管相控整流—有源逆变的直流输电系统

第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用15晶闸管相控整流—有源逆变的直流输电系统(续)

直流输电实现输电线的首端采用高压晶闸管相控整流器，把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、逆变器缺点：输电系统存在严重的谐波，且功率因数低第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用169.1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*9.5AC/DC—DC/AC恒压、横频（CVCF）不间断电源UPS9.6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、电焊和电磁灶电源第九章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用17转速：交流异步电动机变频变速传动系统

电磁转矩：运行区域：S<SM第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用18交流异步电动机变频变速传动系统(续)调速方案：改变逆变器输出频率主磁通密度：实现方案：在改变输出频率时，应同时改变电压-----恒压频比第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用19交流异步电动机变频变速传动系统(续)

调速类型：绕线型异步电动机转差频率控制变速传动系统电机转速：调速方案：改变变流器Ⅱ输出给转子的电压的频率f2

第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用209.1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*9.5AC/DC—DC/AC恒压、横频（CVCF）不间断电源UPS9.6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、电焊和电磁灶电源第九章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用21AC/DC—DC/AC恒压、恒频（CVCF）不间断电源UPS背景：某些关键负载不允许供电中断，同时供电质量要求高UPS：是由整流器、逆变器、附加半导体固态开关（又称为静态开关）和储能环节（如蓄电池等）所构成的交流恒压恒频电源UPS分类在线双变换式（doubleconversiononline）后备式（passivestandby）第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用229.5.1典型在线双变换式UPS工作模式市电正常时：输入开关S闭合、静态开关S1闭合、S2断开市电异常时：输入开关S断开、静态开关S1闭合、S2断开特点：负载一直由逆变器供电，供电质量、可靠性高第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用239.5.2典型后备式UPS工作模式市电正常时：负载由市电供电市电异常时：负载由逆变器供电特点：供电质量、可靠性高不及在线双变换UPS，在切换过程中存在短暂供电中断分类冷后备UPS热后备UPS第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用249.1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*9.5AC/DC—DC/AC恒压、横频（CVCF）不间断电源UPS9.6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、电焊和电磁灶电源第九章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用25带功率因数校正（APFC）的开关电源和充电电源25背景：各种电子设备和各种控制系统中的控制电源都需要低压直流电源AC/DC相控整流方案：变换器重量、体积大，给公用电网注入谐波电流，污染电网并降低电网功率因数带功率因数校正器（PFC）的直流开关电源系统：电源重量体积小，对电网污染小解决方案第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用269.6.1含升压（Boost）型功率因数校正器的高频整流若无电容C1，直流电压Vdc为频率100Hz的正弦半波直流电压，脉动很大若有电容C1，仅在电源半周的tp期间且Vdc>Vc时才有电流ip，C1越大Vc脉动越小，但电源脉冲电流i1宽度更窄、更尖，畸变更大第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用279.6.1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is的波形与交流电源电压vs的波形同相------功率因数为12、电压闭环可保证输出电压Vo为恒定指令值

第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用289.6.1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，EMI小

主要优点：主要缺点：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瞬态冲击

3、开关器件的电压不超过输出电压值

输入、输出间没有绝缘隔离第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用299.6.2带反激式功率因数校正器的高频整流1、反激变换器工作在不连续导电模式（DCM）2、反激变换器基本工作原理特点：电源与负载有变压器隔离

第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用309.6.3电池充电电源

1、恒流（限压）充电阶段

两个充电阶段：2、恒压（限流）充电阶段

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第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用319.6.3电池充电电源(续)1、恒流（限压）充电阶段：V<VRef

，V2正值很大，二极管D2阻断，VR不起控制作用，电池的充电电压V从初值逐渐上升

2、恒压（限流）充电阶段：V>VRef

，V2下降，D2导通，D1阻断，电流调节器IR退出调节作用，电压调节器VR工作两个充电阶段：第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用329.1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*9.5AC/DC—DC/AC恒压、横频（CVCF）不间断电源UPS9.6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、电焊和电磁灶电源第九章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用33荧光灯-电子镇流器照明电源

1、白炽灯：热光源，电一光转换效率很低

照明方式：白炽灯与荧光灯差异：2、荧光灯：冷光源，50HZ电源供电时电一光转换效率也比钨丝炽热发光效率高3-4倍3、LED：节能效果非常显著1、电阻温度系数为正值2、电阻温度系数为负值-------必须加入镇流器第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用34荧光灯-电子镇流器照明电源(续)

1、串联一个稳流电感（压降VL远大于灯光压降VR），电容CS是用来补偿功率因数，小电容C1用于降低起动过程中的过压和无线电干扰

2、双金属片开关K1（起辉器）在常温下闭合。合上开关K后，电源经电感L和K1形成回路，使K1发热迅速断开电路，L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K1保持断开状态。一旦断开电源开关K，K1恢复到闭合状态。基本原理：第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用35荧光灯-电子镇流器照明电源(续)

电感作镇流器缺点：采用50HZ电源供电，L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20-25kHz，在相同的电抗时，可显著地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1.0第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用369.1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*9.5AC/DC—DC/AC恒压、横频（CVCF）不间断电源UPS9.6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、电焊和电磁灶电源第九章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用第9章多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用379.8.1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流；金属部件电阻