电力电子技术(1).ppt

第8章电力电子技术典型应用,学习目标,1．会分析本章实例中电力电子装置的电路原理。2．学会电力电子技术电路识图方法。3．了解电力电子装置在各个领域中的应用。,8.1开关电源,指起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的直流稳压电源。,稳压电源通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。,简称开关电源SwitchingPowerSupply，指起电压调整功能的器件始终以开关方式工作的一种直流稳压电源。,1、线性稳压电源,2、开关稳压电源,1、线性稳压电源,优点优良的纹波及动态响应特性；,缺点（1）输入采用50Hz工频变压器，体积庞大；（2）电压调整器件工作在线性放大区内,损耗大,效率低；（3）过载能力差。,图8.1.1线性稳压电源方框图,8.1.1开关电源的工作原理,2、开关电源,50Hz单相交流220V电压或三相交流220V/380V电压经EMI防电磁干扰电源滤波器，直接整流滤波，然后再将滤波后的直流电压经变换电路变换为数十或数百kHz的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压或升压后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。通过取样、比较、放大及控制、驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，便能得到稳定的输出电压。,图8.1.2开关电源原理框图,工作原理,8.1.1开关电源的工作原理,,图8.1.2开关电源原理框图,开关管占空比定义为DTon/Ts；,其中Ts为开关管的开关周期,Ton为一个周期内导通用时间。,两种改变占空比的控制方式,1）脉冲宽度调制控制PWM,2、开关电源,2）脉冲频率调制控制PFM,8.1.1开关电源的工作原理,图8.1.3PWM控制方式,1）脉冲宽度控制保持开关频率开关周期Ts不变，通过改变Ton来改变占空比D，从而达到改变输出电压的目的。,如果占空比D越大，则经滤波后的输出电压也就越高。,保持导通时间Ton不变，通过改变开关频率即开关周期而达到改变占空比的目的。,工作频率不固定，造成滤波器设计困难。,2）脉冲频率控制,8.1.1开关电源的工作原理,开关电源优点,（1）功耗小、效率高。,（2）体积小、重量轻。,（3）稳压范围宽。,（4）电路形式灵活多样。,开关电源缺点,主要是存在开关噪声干扰。,8.1.1开关电源的工作原理,1、开关电源的应用,主电路采用半桥变换电路，额定输出直流电压为220V，输出电流为10A。,8.1.1开关电源的工作原理,图8.1.4直流操作电源电路原理图,2、各功能块的具体电路简介,1交流进线滤波器,图8.1.5交流进线EMI滤波器,该滤波器能同时抑制共模和差模干扰信号。,8.1.2开关电源的应用,作用防止开关电源产生的噪声进入电网，或者防止电网的噪声进入开关电源内部，干扰开关电源的正常工作。,电路结构Cc1、Lc和Cc2构成的低通滤波器用来抑制共模干扰信号，其中Lc称为共模电感，其两组线圈匝数相等，但绕向相反，对差模信号的阻抗为零，而对共模信号产生很大的阻抗。Cd1、Ld和Cd2构成的低通滤波器则用来抑制差模干扰信号。,2启动浪涌电流抑制电路,小功率电源在整流桥的直流侧和滤波电容之间串联具有负温度系数的热敏电阻。,大功率电路将上述热敏电阻换成普通电阻，同时在电阻的两端并接晶闸管开关。,3输出整流电路,小功率电源通常采用半波整流电路，而对于大功率电源则采用全波或桥式整流电路。,8.1.2开关电源的应用,输出整流电路,半波整流,PWM控制器SG3525引脚说明,8.1.2开关电源的应用,图8.1.6SG3525的内部结构,①脚误差放大器反相输入端；②脚误差放大器同相输入端；③脚同步信号输入端，同步脉冲的频率应比振荡器频率fS要低一些；④脚振荡器输出；⑤脚振荡器外接定时电阻RT端，RT值为2kΩ～150kΩ；⑥脚振荡器外接电容CT端，振荡器频率为fS＝1/CT0.7RT3R0;其中R0为⑤脚与⑦脚之间跨接的电阻，用来调节死区时间，定时电容范围为0.001μF～0.1μF；⑦脚振荡器放电端，外接电阻来控制死区时间，电阻范围为0～500Ω；⑧脚软起动端，外接软起动电容，该电容由内部Uref的50μA恒流源充电。⑨脚误差放大器的输出端；⑩脚PWM信号封锁端，该脚为高电平时，输出驱动脉冲信号被封锁,用于故障保护；,⑾脚A路驱动信号输出；⑿脚接地;⒀脚输出级集电极电压；⒁脚B路驱动信号输出；⒂脚电源，其范围因为8V～35V；⒃脚内部5V基准电压输出。,4控制电路（SG3525）,该开关电源采用双环控制方式，电压环为外环控制，电流环为内环控制。输出电压的反馈信号UOF与电压给定信号UOG相减，其误差信号经PI调节器后形成输出电感的电流给定，再与电感电流的反馈信号IOF相减得电流误差信号，经PI调节器后送入PWM控制器SG3525，然后与控制器内部三角波比较形成PWM信号。该PWM信号再通过驱动电路去驱动主电路IGBT。,5IGBT驱动电路,该驱动模块为混合集成电路，将IGBT的驱动和过流保护集于一体，能驱动电压为600V和1200V系列电流容量不大于400AIGBT。,图8.1.7IGBT驱动电路,8.1.2开关电源的应用,8.2有源功率因数校正,电网谐波电流不仅引起变压器和供电线路过热，降低电器的额定值，并且产生电磁干扰，影响其他电子设备正常运行。,1、采用无源校正抑制谐波,2）电网阻抗或频率发生变化时，滤波效果不能保证，动态特性差。,3）可能会与电网阻抗发生并联谐振，将谐波电流放大，从而导致系统无法正常工作。,4）LC滤波器体积庞大。,特点,1）方法简单可靠，并且在稳态条件下不产生电磁干扰。,在主电路中串入无源LC滤波器,8.2有源功率因数校正,与无源校正抑制谐波的区别能进一步抑制装置的低次谐波，提高装置的功率因数。与一般的开关电源的区别（1）PFC电路不仅反馈输出电压，还反馈输入平均电流；（2）PFC电路的电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号的乘积。,1）特点,2、有源功率因数校正电路（PFC）,2）工作原理,有源功率因数校正技术ActitePowerFilterCorrection，简称APFC或PFC就是在传统的整流电路中加入有源开关，通过控制有源开关的通断来强迫输入电流跟随输入电压的变化，从而获得接近正弦波的输入电流和接近1的功率因数。,8.2.1PFC技术的工作原理,主电路由单相桥式整流电路和Boost变换电路组成，虚线框内为控制电路，包含电压误差放大器VA及基准电压Ur，乘法器，电流误差放大器CA，脉宽调制器和驱动电路。,输出电压Uo和基准电压Ur比较后，误差信号经电压误差放大器VA以后送入乘法器M，与全波整流电压取样信号相乘以后形成基准电流信号。基准电流信号与电流反馈信号相减，误差信号经电流误差放大器CA后再与锯齿波相比较形成PWM信号，然后经驱动电路控制主电路开关S的通断，使电流跟踪基准电流信号变化。,工作原理,8.2.2PFC集成控制电路UC3854及其应用,UC3854包含电压放大器VA，模拟乘法/除法器M，电流放大器CA，固定频率PWM脉宽调制器，功率MOSFET的门极驱动电路，7.5V基准电压等。控制芯片UC3854适用的功率范围比较宽，5KW以下的单相boost-PFC电路均可以采用该芯片作为控制器。,图8.2.3输出功率为250W时由UC3854构成的PFC电路原理图,输出功率不同时，只需改变主电路中的电感L1和电流检测电阻RS、控制电路中的电流控制环参数。,输出电压Uo由下式确定,,8.2.2PFC集成控制电路UC3854及其应用,8.3不间断电源,UninterrupitablePowerSystem,简称UPS,UPS电源装置在保证不间断供电的同时，还能提供稳压、稳频和波形失真度极小的高质量正弦波电源。目前，在计算机网络系统、邮电通信、银行证劵、电力系统、工业控制、医疗、交通、航空等领域得到广泛应用。,不间断电源,8.3.1UPS的分类,1、后备式UPS,根据工作方式，UPS电源分,图8.3.1后备式UPS的基本结构,市电存在时，逆变器不工作，市电经交流稳压器稳压后，向负载供电，同时充电器工作，对蓄电池组浮充电。市电掉电时，逆变器工作，将蓄电池供给的直流电压变换成稳压、稳频的交流电压，继续向负载供电。,输出电压波形有方波、准方波和正弦波三种方式。,特点结构简单、成本低、运行效率高、价格便宜，但其输出电压稳压精度差，市电掉电时，输出有转换时间。适于小功率。,2、线式UPS,图8.3.2在线式UPS的基本结构,正常工作时，市电经整流器变成直流后，再经逆变器变换成稳压、稳频的正弦波交流电压供给负载。当市电掉电时，由蓄电池组向逆变器供电，以保证负载不间断供电。,如果逆变器发生故障，UPS则通过静态开关切换到旁路，直接由市电供电。当故障消失后，UPS又重新切换到由逆变器向负载供电。,特点总是处于稳压、稳频供电状态，输出电压动态响应特性好，波形畸变小，其供电质量明显优于后备式UPS。,,8.3.1UPS的分类,1）对于小功率UPS，整流器一般采用二极管整流电路，它的作用是向逆变器提供直流电源。蓄电池充电由专门的充电器来完成。,2）对于中大功率UPS，整流器一般采用相控式整流电路,它具有双重功能，在向逆变器提供直流电源的同时，还要向蓄电池进行充电，因此，整流器的输出电压必须是可控的。,3）减少UPS注入电网的谐波电流的方法（1）增加整流电路的相数；（2）在整流器的输入侧增加有源或无源滤波器。,4）目前，比较先进的UPS采用PWM整流电路，可以做到注入电网的电流基本接近正弦波，使其功率因数接近1，大大降低了UPS对电网的谐波污染。,概述,8.3.2UPS电源中的整流器,工作原理,图8.3.3单相PWM整流电路的原理框图,在PWM整流电路的交流输入端AB产生一个正弦波调制PWM波uAB，uAB中除了含有与电源同频率的基波分量外，还含有与开关频率有关的高次谐波。由于电感Ls的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流is产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，is为频率与电源频率相同的正弦波。在交流电源电压us一定时，is的幅值和相位由uAB中基波分量的幅值及其与us的相位差决定。改变uAB中基波分量的幅值和相位，就可以使is与us同相位，电路工作在整流状态，且功率因数为1。,8.3.3PWM整流电路,直流输出电压给定信号Ud*和实际的直流电压Ud比较后送入PI调节器，PI调节器的输出即为整流器交流输入电流的幅值，它与标准正弦波相乘后形成交流输入电流的给定信号is*，is*与实际的交流输入电流is进行比较，误差信号经比例调节器放大后送入比较器，再与三角载波信号比较形成PWM信号。该PWM信号经驱动电路后去驱动主电路开关器件，便可使实际的交流输入电流跟踪指令值，从而达到控制输出电压的目的。,图8.3.4直接电流控制系统结构图,单相PWM整流电路采用直接电流控制时的控制系统结构简图,8.3.3PWM整流电路,通常采用输出电压谐波系数HF来恒量UPS输出电压的波形质量的好坏。电压谐波系数定义为式中U1为输出电压基波分量的有效值，Un为谐波分量的有效值。,正弦波输出UPS通常采用SPWM逆变器。下面以单相输出UPS为例，分析逆变器的工作原理。,HF越小，则说明UPS输出电压波形越接近理想的正弦波。,8.3.3PWM整流电路,图8.3.5UPS逆变器及其控制原理框图,主电路采用全桥逆变电路，对于小功率UPS，开关器件一般为MOSFET，而对于大功率UPS，则采用IGBT。为滤去开关频率噪声，输出采用LC滤波电路，因为开关频率一般大于20kHz，因此，采用较小的LC滤波器。输出隔离变压器实现逆变器与负载隔离，避免它们之间电的直接联系，从而减少干扰。,1、电路结构,8.3.4UPS电源中的逆变器,,,图8.3.5UPS逆变器及其控制原理框图,市电us经同步锁相电路得到与市电同步的50Hz方波，将其输入标准正弦波发生器，便产生与市电同步的标准正弦波信号。该信号与输出有效值调节器的输出相乘后得到输出电压瞬时值给定信号u*，再与输出电压瞬时值反馈信号uf相减，误差信号经P调节器后，再与三角载波信号相比较，得到PWM信号，该信号经驱动动电路后分别去驱动主电路的开关器件，从而达到控制输出电压的目的。,,2、工作原理,8.3.4UPS电源中的逆变器,8.3.5UPS的静态开关,为了进一步提高UPS电源的可靠性，在线式UPS均装有静态开关，将市电作为UPS的后备电源，在UPS发生故障或维护检修时，无间断地将负载切换到市电上，由市电直接供电。,图8.3.6单相输出UPS的静态开关原理图,1）同步切换先通后断；2）非同步切换先断后通；,1、工作原理,一只晶闸管用于通过正半周电流，另一只晶闸管则用于通过负半周电流。,2、电路结构,3、静态开关的切换方式,静态开关的主电路一般由两只晶闸管开关反并联组成，,8.3.5UPS的静态开关,图8.3.6单相输出UPS的静态开关原理图,切换时，首先触发静态开关2，使之导通，然后再封锁静态开关1的触发脉冲，因此，静态开关1和静态开关2同时导通，此时，市电和逆变器同时向负载供电。,3、静态开关的切换方式,1）同步切换先通后断,（1）能保证在切换的过程中供电不间断。（2）在切换的过程中，逆变器必须跟踪市电的频率、相位和幅值。防止产生环流，烧坏逆变器。,工作原理,特点,8.3.5UPS的静态开关,图8.3.6单相输出UPS的静态开关原理图,先封锁正在导通的静态开关触发脉冲，延迟一段时间，待导通的静态开关关断后，再触发另外一路静态开关。,3、静态开关的切换方式,2）非同步切换先断后通,会造成负载短时间断电。,工作原理,特点,8.4静止无功补偿装置,根椐所采用的电力电子器件，静止无功补偿装置分为两大类型1、采用晶闸管开关的静止无功补偿装置1）晶闸管控制电抗器（ThyristorControlledReactorTCR）2）晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchedCapacitorTSC）2、采用自换相变流器的静止无功补偿装置也即（静止无功发生器（StaticVarGeneratorSVG）或高级静止无功补偿装置（AdTancedStaticVarCompensatorASVC）。,1、组成由电力电子器件与储能元件构成。2、特点在于能快速调节容性和感性无功功率，实现动态补偿。3、应用常用于防止电网中部分冲击性负荷引起的电压波动干扰、重负荷突然投切造成的无功功率强烈变化。,（StaticVarCompensatorSVC）,8.4.1晶闸管控制电抗器TCR,基本原理,图8.4.1TCR的基本原理图,其单相基本结构是两个反并联的晶闸管与一个电抗器串联，这样的电路并联到电网上，就相当于电感负载的交流调压电路结构。其工作原理和不同触发角时的工作波形与交流调压电路完全相同。,8.4.2晶闸管投切电容器TSC,工作原理,图8.4.2TSC单相机构及其控制系统原理图,工作时，TSC与电网并联，当控制电路检测到电网需要无功补偿时，触发晶闸管静态开关并使之导通，这样，便将电容器接入电网，进行无功补偿；当电网不需要无功补偿时，关断晶闸管静态开关，从而切断电容器与电网的联接。因此，TSC实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿装置。,TSC由两个反并联的晶闸管构成的静态开关与电容器串联组成。,8.4.2晶闸管投切电容器TSC,1、TSC主电路,一般将电容器分成几组，每组均可由晶闸管投切，如图8.4.3所示。电容器分组通常采用二进制方案，即采用n-1个电容值为C的电容和一个电容值为C/2的电容，这样的分组可以使组合成的电容值有2n级。,图8.4.3TSC主电路,2、零电压投入问题,为使补偿电容器的投入与切除过程不引发主电路的涌流冲击，必须选择准备投入的电容器上的电压为电网线电压的正或负峰值且电压极性相同的时刻，切除时只要撤消触发信号即可，开关在电流过零之后会自行关断。,图8.4.4晶闸管电压过零触发电路示意图,8.4.2晶闸管投切电容器TSC,3、电容器投切判据与信号检测,在图8.4.5中设节点相电压为,图8.4.5节点相电压与负载电流,负载电流为,上式中，ipt和iqt分别为有功电流分量和无功电流分量。当ωt2kπ时,可见，只要测量在相电压正向过零时刻的负载电流，就可知对应的无功电流最大值IQM。这种无功电流检测方法简单、快速（在一个周期内只要采样一次）。,（1）以无功电流为投切判据,（1）以无功电流为投切判据,8.4.2晶闸管投切电容器TSC,上式△C即为全补偿所需投切的电容量，△C为负值，则是切除相应容量的电容器；反之，则应投入相应容量的电容器。,图8.4.6中，电压信号经滤波后由过零脉冲发生电路产生相电压，正向过零脉冲信号，作为采样保持器的采样开关信号，于是采样保持器的输出就是无功电流幅值。图8.4.5中，iLicis，如果使iqic，则实现了完全补偿。,图8.4.6无功电流为投切判据的检测电路原理图,由,和,可得,（2）以无功功率为投切判据,8.4.2晶闸管投切电容器TSC,可让单片机通过Ａ/Ｄ转换同时对和信号在一个周期内进行Ｎ次采样，得到2Ｎ个数据，由此进行下述离散运算得到UBC、IA和PBC,对于对称三相补偿，只要取任意两相电压（线电压）和另一相电流，就可测得无功功率。,图8.4.7检测A相电流和BC相线电压向量图,由于PBCUBCIAsinΦ，则功率因数为,4、控制器原理框图,8.4.2晶闸管投切电容器TSC,图8.4.8TSC控制器原理框图,TSC的控制器主要由单片机、键盘接口电路、液晶显示接口电路、数据存储器、同步电压检测、电压电流和频率检测，还有触发电路等部分组成。该控制器硬件的原理方框图如图8.4.8所示。,8.4.3静止无功发生器SVG,工作原理,图8.4.9SVG基本电路结构,适当调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。,图8.4.9给出了采用自换相电压型桥式的SVG基本电路结构。,8.4.3静止无功发生器SVG,工作原理,图8.4.10SVG等效电路及其工作原理,通过同步电路控制，使与同频同相，然后改变的幅值大小即可以控制SVG从电网吸收的电流是超前还是滞后90，并且还能控制该电流的大小。,仅考虑基波频率时SVG工作原理可以用图8.4.10（a）所示的单相等效电路来说明。,当大于时，电流超前电压90，SVG吸收容性无功功率；当小于时，电流滞后电压90，SVG吸收感性无功功率。,8.5变频调速装置,若均匀地改变定子频率，则可以平滑地改变电机的转速。,由交流电机的转速公式,可以看出,因此，在各种异步电机调速系统中，变频调速的性能最好，使得交流电机的调速性能可与直流电机相媲美，同时效率高，是交流调速的主要发展方向。,8.5.1变频调速的基本控制方式,（1）基频以下的变频调速,（2）基频以上的变频调速,（3）转差频率控制,（5）控制直接转矩,（4）矢量控制,8.5.1变频调速的基本控制方式,（1）基频以下的变频调速,三相异步电动机的每相电动势为式中定子每相感应电动势的有效值；定子电源频率；定子每相绕组串联匝数；基波绕组系数；每极气隙磁通量。,在调速的过程中，随着输入电源的频率降低，必须相应地改变定子电压U，以保证气隙磁通不超过设计值。如果使常数，则在调速过程中可维持近似不变，这就是恒压频比控制方式。,（8.5.1）,ω,当U不变时，随着电源输入频率的降低，将会相应增加。,8.5.2变频调速的基本控制方式,（2）基频以上的变频调速,当电压U一定时，电机的气隙磁通随着频率f的升高成比例下降，类似直流电机的弱磁调速，因此，基频以上的调速属恒功率调速。,电源频率从基频向上提高，可使电机的转速增加。由于电机的电压不能超过其额定电压，因此在基频以上调频时，U只能保持在额定值。,根据式8.5.1,8.5.2变频调速装置的分类,（1）间接变频调速装置,图8.5.1间接变频装置的三种机构形式,间接变频调速装置即交一直一交变频装置，首先将工频交流电源通过整流器变换成直流，然后再经过逆变器将直流变换成电压和频率可变的交流电源。按照电路结构和控制方式的不同，间接变频装置又可以分为三种，如图8.5.1（a）、（b）、（c）所示。,8.5.2变频调速装置的分类,（1）间接变频调速装置,图8.5.1间接变频装置的三种机构形式,（a）所示的间接变频装置由相控整流电路和逆变电路构成，其中整流电路调节输出电压的大小，逆变电路控制输出交流的频率。,（b）所示的间接变频装置由二极管整流电路、斩波器和逆变器三部分构成，其中斩波器用调节输出电压，逆变器用于调节输出频率。,（c）所示的间接变频装置由二极管整流电路和PWM逆变器构成，其中调压和调频全部由PWM逆变器完成。,（2）直接变频装置,8.5.2变频调速装置的分类,图8.5.2直接变频装置,直接变频装置的结构如图8.5.2所示，它采用交一交变频电路，只用一个变换环节，直接将恒压恒频的交流电源变换成VVVF电源。根据输出波形，直接变频装置可以分成方波形和正弦波型两种。此类变频装置一般只用于低速大容量的调速系统，如轧钢机、球磨机、水泥回转窑等。,1、结构由二极管整流电路、能耗制动电路、逆变电路和控制电路组成，逆变电路采用IGBT器件，为三相桥式SPWM逆变电路。,图8.5.3开环控制的SPWM的变频调速系统结构简图,8.5.3SPWM变频调速装置,8.5.3SPWM变频调速装置,图8.5.3开环控制的SPWM的变频调速系统结构简图,R为外接能耗制动电阻，当电机正常工作时，电力晶体管T截止，没有电流流过R。当快速停机或逆变器输出频率急剧降低时，电机将处于再生发电状态，向滤波电容C充电，直流电压Ud升高。当升高到最大允许电压Udmax时，功率晶体管T导通，接入电阻R，电机进行能耗制动，以防止过高危害逆变器的开关器件。,2、能耗制动电路和控制电路的工作原理,1）能耗制动电路,2）控制电路,（1）给定积分器以限定输出频率的升降速度。输出信号的极性决定电机正反转，输出信号的大小控制电机转速的高低；给定积分器的输出指令信号与三角波比较后形成三相PWM控制信号，再经过输出电路和驱动电路，控制逆变器中IGBT的通断，使逆变器输出所需频率、相序和大小的交流电压，从而控制交流电机的转速和转向；（2）输出经极性鉴别器确定正反转逻辑后，去控制三相标准正弦波的相序，从而决定输出指令信号的相序。,8.5.3SPWM变频调速装置,图8.5.3开环控制的SPWM的变频调速系统结构简图,（3）绝对值运算器产生输出频率和电压的控制所需要正的信号；（4）函数发生器实现低频电压补偿，保证整个调频范围内实现输出电压和频率的协调控制；（5）压控振荡器形成频率为fi的脉冲信号；（6）三相正弦波发生器由压控振荡器的输出信号控制，产生频率与相同的三相标准正弦波信号，该信号同函数发生器的输出相乘后形成逆变器输出指令信号；,8.5.3SPWM变频调速装置,