电力电子技术的应用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电力电子技术,第10章 电力电子技术的应用,第10章电力电子技术的应用,10.1 晶闸管直流电动机系统,10.2 变频器和交流调速系统,10.3 不间断电源,10.4 开关电源,10.5 功率因数校正技术,10.6 电力电子技术在电力系统中的应用,10.7 电力电子技术的其他应用,本章小结,10.2 变频器和交流调速系统,10.2.1 交直交变频器,10.2.2 交流电机变频调速的控制方式,10.2 变频器和交流调速系统,引言,直流调速传动系统的缺点,受使用环境条件制约。,需要定期维护。,最高速度和容量受限制。,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。,交流电动机结构简单，可靠性高。,节能。,高精度，快速响应。,交流电机的控制技术较为复杂，对所需的电力电子变换器要求也较高，所以直到近二十年时间，随着电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统才得到迅速的发展，其应用已在逐步取代传统的直流传动系统。,10.2.1 交直交变频器,交直交变频器（Variable Voltage Variable Frequency，简称VVVF电源）是由,AC/DC,、,DC/AC,两类基本的变流电路组合形成，又称为间接交流变流电路，最主要的优点是输出频率不再受输入电源频率的制约。,再生反馈电力的能力,当负载电动机需要频繁、快速制动时，通常要求具有,再生反馈电力的能力,。,图10-7所示的电压型交直交变频电路不能再生反馈电力。,其整流部分采用的是不可控整流，它和电容器之间的直流电压和直流电流极性不变，只能由电源向直流电路输送功率，而不能由直流电路向电源反馈电力。,逆变电路的能量是可以双向流动的，若负载能量反馈到中间直流电路，而又不能反馈回交流电源，这将导致电容电压升高，称为,泵升电压,，泵升电压过高会危及整个电路的安全。,图10-7 不能再生反馈的电压型间接交流变流电路,10.2.1 交直交变频器,图10-8 带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路,图10-9 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,图10-10 整流和逆变均为PWM控制的电压型间接交流变流电路,使电路具备再生反馈电力能力的方法,图10-8的电路中加入一个由电力晶体管V,0,和能耗电阻,R,0,组成的,泵升电压限制电路,，当泵升电压超过一定数值时，使V,0,导通，把从负载反馈的能量消耗在,R,0,上，这种电路可运用于对电动机制动时间有一定要求的调速系统中。,图10-9所示的电路增加了一套,变流电路,，使其工作于有源逆变状态，可实现电动机的再生制动；当负载回馈能量时，中间直流电压极性不变，而电流反向，通过控制变流器将电能反馈回电网。,图10-10是整流电路和逆变电路都采用PWM控制的间接交流变流电路，可简称,双PWM电路,，该电路输入输出电流均为正弦波，输入功率因数高，但由于整流、逆变部分均为PWM控制且需要采用全控型器件，控制较复杂，成本也较高。,10.2.1 交直交变频器,图10-11 采用可控整流的电流型间接交流变流电路,图10-12 电流型交直交PWM变频电路,图10-13 整流和逆变均为PWM控制的电流型间接交流变流电路,图10-11给出了可以再生反馈电力的电流型间接交流变流电路，当电动机制动时，中间直流电路的电流极性不能改变，要实现再生制动，只需调节可控整流电路的触发角，使中间直流电压反极性即可。,图10-12给出了实现基于上述原理的电路图，为适用于,较大容量的场合,，将主电路中的器件换为,GTO,，逆变电路输出端的电容C是为吸收GTO关断时产生的过电压而设置的，它也可以对输出的PWM电流波形起滤波作用。,电流型间接交流变流电路也可采用双PWM电路，为了吸收换流时的过电压，在交流电源侧和交流负载侧都设置了电容器；同时通过对整流电路的PWM控制可使输入电流为正弦波，并使输入功率因数为1。,10.2.2 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,恒压频比控制,异步电动机的转速主要由电源频率和极对数决定，改变电源（定子）频率可对电动机进行调速，同时为了不使电动机因频率变化导致磁饱和而造成励磁电流增大，引起功率因数和效率的降低，需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,气隙磁通为额定值,。,图10-14 采用恒压频比控制的变频调速系统框图,图10-14给出了一个实例，转速给定既作为调节加减速度的频率f指令值，同时经过适当分压，也被作为定子电压,V,1,的指令值，该,f,指令值和,V,1,指令值之比就决定了,V/f,比值,，由于频率和电压由同一给定值控制，因此可以保证压频比为恒定；电机的转向由变频器输出电压的相序决定，不需要由频率和电压给定信号反映极性。,10.2.2 交流电机变频调速的控制方式,转差频率控制,为转速闭环的控制方式，可提高调速系统的动态性能。,从异步电机稳态模型可以证明，当稳态气隙磁通恒定时，电磁转矩近似与,转差角频率,s,成正比，因此，控制,s,就相当于控制转矩，采用转速闭环的转,差频率控制，使定子频率,1,=,r,+,s,，则,1,随实际转速,r,增加或减小，得,到平滑而稳定的调速，保证了较高的调速范围和动态性能。,这种方法是基于,电机稳态模型,的，仍然不能得到理想的动态性能。,矢量控制,异步电动机的数学模型是,高阶,、,非线性,、,强耦合,的,多变量系统,。,矢量控制方式基于异步电机的按转子磁链定向的,动态数学模型,，将定子电,流分解为励磁分量和与此垂直的转矩分量，参照直流调速系统的控制方法，分,别独立地对两个电流分量进行控制，类似直流调速系统中的双闭环控制方式。,该方式需要,实现转速和磁链的解耦,，控制系统较为复杂。,直接转矩控制,直接转矩控制方法同样是基于电机的,动态模型,，其控制闭环中的内环，直,接采用了转矩反馈，并采用,砰砰控制,，可以得到转矩的快速动态响应，并且,控制相对要简单许多。,10.4 开关电源,10.4.1 开关电源的结构,10.4.2 开关电源的控制方式,10.4.3 开关电源的应用,10.4 开关电源,引言,在各种电子设备中，需要多路不同电压供电，如数字电路需要5V、3.3V、2.5V等，模拟电路需要12V、15V等，这就需要专门设计电源装置来提供这些电压，通常要求电源装置能达到一定的稳压精度，还要能够提供足够大的电流。,线性电源和开关电源,图10-20所示为,线性电源,，先用工频变压器降压，然后经过整流滤波后，由线性调压得到稳定的输出电压。,图10-21所示为,开关电源,，先整流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然后由高频变压器降压、再整流滤波。,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，成为电子设备供电的主要电源形式。,图10-20 线性电源的基本电路结构,图10-21 半桥型开关电源电路结构,10.4.1 开关电源的结构,图10-22 开关电源的能量变换过程,交流输入的开关电源,交流输入、直流输出的开关电源将交流电转换为直流电。,整流电路普遍采用二极管构成的桥式电路，直流侧采用大电容滤波，较为先进的开关电源采用有源的功率因数校正(Power Factor Correction-PFC)电路。,高频逆变变压器高频整流电路,是开关电源的核心部分，具体的电路采用的是隔离型直流直流变流电路。,高性能开关电源中普遍采用了,软开关技术,。,可以采用给高频变压器设计,多个二次侧绕组,的方法来实现不同电压的多组输出，而且这些不同的输出之间是相互隔离的，但是仅能选择1路作为输出电压反馈，因此也就只有这1路的电压的稳压精度较高，其它路的稳压精度都较低，而且其中1路的负载变化时，其它路的电压也会跟着变化。,图10-23 多路输出的整流电路,10.4.1 开关电源的结构,直流输入的开关电源,也称为,直流直流变换器(DC-DC Converter),，分为,隔离型,和,非隔离型,，隔离型多采用反激、正激、半桥等隔离型电路，而非隔离型采用Buck、Boost、Buck-Boost等电路。,负载点稳压器(POL-Point Of the Load regulator),仅仅为1个专门的元件（通常是一个大规模集成电路芯片）供电的直流直流变换器。,计算机主板上给CPU和存储器供电的电源都是典型的,POL,。,非隔离的直流直流变换器、尤其是POL的输出电压往往较低，为了提高效率，经常采用,同步Buck(Sync Buck)电路,，该电路的结构为Buck，但二极管也采用MOSFET，利用其低导通电阻的特点来降低电路中的通态损耗，其原理类似同步整流电路。,图10-24 a)同步降压电路,图10-24 b)同步升压电路,10.4.1 开关电源的结构,图10-25 通信电源系统,分布式电源系统,在通信交换机、巨型计算机等复杂的电子装置中，供电的路数太多，总功率太大，难以用一个开关电源完成，因此出现了,分布式的电源系统,。,如图10-25，一次电源完成交流直流的隔离变换，其输出连接到直流母线上，直流母线连接到交换机中每块电路板，电路板上都有自己的DC-DC变换器，将48V转换为电路所需的各种电压；大容量的蓄电池组保证停电的时候交换机还能正常工作,。,一次电源采用多个开关电源并联的方案，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源有时也被成称为“,模块,”，当其中个别模块发生故障时，系统还能够继续运行，这被称为“,冗余,”。,10.4.2 开关电源的控制方式,图10-26 开关电源的控制系统,图10-27 电流模式控制系统的结构,典型的开关电源控制系统如图10-26 所示，采用,反馈控制,，控制器根据误差e来调整控制量v,c,。,电压模式控制,图10-26 所示即为电压模式控制，仅有一个输出,电压反馈控制环,。,其优点是结构简单，但有一个显著的缺点是不能有效的控制电路中的电流。,电流模式控制,在电压反馈环内增加了,电流反馈控制环,，电压控制器的输出信号作为电流环的参考信号，给这一信号设置限幅，就可以限值电路中的最大电流，达到短路和过载保护的目的，还可以实现恒流控制。,10.4.2 开关电源的控制方式,图10-28 峰值电流模式控制的原理,峰值电流模式控制,峰值电流模式控制系统中电流控制环的结构如图10-28a所示，主要的波形如图10-28b所示。,基本的原理：开关的开通由,时钟CLK信号,控制，CLK信号每隔一定的时间就使,RS触发器,置位，使开关开通；开关开通后iL上升，当,i,L,达到电流给定值,i,R,后，比较器输出信号翻转，并复位RS触发器，使开关关断。,a),b),10.4.2 开关电源的控制方式,图10-29 平均电流模式控制的原理,a),b),峰值电流模式控制的不足：该方法控制电感电流的峰值，而不是电感电流的平均值，且二者之间的差值随着,M,1,和,M,2,的不同而改变，这对很多需要精确控制电感电流平均值的开关电源来说是不能允许的；峰值电流模式控制电路中将电感电流直接与电流给定信号相比较，但电感电流中通常含有一些开关过程产生的噪声信号，容易,造成比较器的误动作,，使电感电流发生不规则的波动。,平均电流模式控制,平均电流模式控制采用,PI调节器,作为电流调节器，并将调节器输出的控制量,u,c,与锯齿波信号,u,S,相比较，得到周期固定、占空比变化的PWM信号，用以控制开关的通与断。,10.4.3 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，如台式计算机和笔记本计算机的电源，电视机、DVD播放机的电源，以及家用空调器、电冰箱的电脑控制电路的电源等，这些电源功率通常仅有几十W几百W；手机等移动电子设备的充电器也是开关电源，但功率仅有几W；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kW数百kW；工业上也大量应用开关电源，如数控机床、自动化流水线中，采用各种规格的开关电源为其控制电路供电