202X年电力电子技术的应用

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1、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 武汉科技大学信息科学与工程学院 2 10 3不间断电源 不间断电源 UninterruptiblePowerSupply UPS 是当交流输入电源 习惯称为市电 发生异常或断电时 还能继续向负载供电 并能保证供电质量 使负载供电不受影响的装置 广义地说 UPS包括输出为直流和输出为交流两种情况 目前通常是指输出为交流的情况UPS是恒压恒频 CVCF 电源中的主要产品之一 广泛应用

2、于各种对交流供电可靠性和供电质量要求高的场合 武汉科技大学信息科学与工程学院 3 10 3不间断电源 图10 15UPS基本结构原理图 UPS的基本结构及工作原理 当市电正常时 由市电供电 当市电异常乃至停电时 由蓄电池向逆变器供电 因此从负载侧看 供电不受市电停电的影响 在市电正常时 负载也可以由逆变器供电 此时负载得到的交流电压比市电电压质量高 即使市电发生质量问题 如电压波动 频率波动 波形畸变和瞬时停电等 时 也能获得正常的恒压恒频的正弦波交流输出 并且具有稳压 稳频的性能 因此也称为稳压稳频电源 武汉科技大学信息科学与工程学院 4 为保证市电异常或逆变器故障时负载供电的切换 实际的U

3、PS产品中多数都设置了旁路开关 如图10 16所示 市电与逆变器提供的CVCF电源由转换开关S切换 在市电断电时由于由蓄电池提供电能 供电时间取决于蓄电池容量的大小 有很大的局限性 为了保证长时间不间断供电 可采用柴油发电机 简称油机 作为后备电源 如图10 17所示 蓄电池只需作为市电与油机之间的过渡 容量可以比较小 10 3不间断电源 武汉科技大学信息科学与工程学院 5 图10 16具有旁路开关的UPS系统 图10 17用柴油发电机作为后备电源的UPS 武汉科技大学信息科学与工程学院 6 UPS的主电路结构容量较小的UPS主电路整流部分使用二极管整流器和直流斩波器 用作PFC 可获得较高的

4、交流输入功率因数 由于逆变器部分使用IGBT并采用PWM控制 可获得良好的控制性能 使用GTO的大容量UPS主电路逆变器部分采用PWM控制 具有调节电压和改善波形的功能 为减少GTO的开关损耗 采用较低的开关频率 输出电压中所含的最低次谐波为11次 从而使交流滤波器小型化 10 3不间断电源 武汉科技大学信息科学与工程学院 7 图10 18小容量UPS主电路 图10 19大功率UPS主电路 武汉科技大学信息科学与工程学院 8 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 武汉科技大学信息科学与工程学院 9 10 4开关电源 引言 在各种电

5、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 武汉科技大学信息科学与工程学院 10 10 4开关电源 引言 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性电源 成为电子设备供电的主要电源形

6、式 武汉科技大学信息科学与工程学院 11 10 4开关电源 引言 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 武汉科技大学信息科学与工程学院 12 10 4 1开关电源的结构 交流输入的开关电源 属于交 直变换电路 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 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

7、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 武汉科技大学信息科学与工程学院 13 10 4 1开关电源的结构 图10 22开关电源的能量变换过程 图10 23多路输出的整流电路 武汉科技大学信息科学与工程学院 14 10 4 1开关电源的结构 直流输入的开关电源 直流 直流变换器 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 PointOftheLoadregulator 仅仅为1个专门的

8、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 微机主板给CPU和存储器供电的电源都是典型的POL 武汉科技大学信息科学与工程学院 15 10 4 1开关电源的结构 图10 24a 同步降压电路 图10 24b 同步升压电路 武汉科技大学信息科学与工程学院 16 10 4 2开关电源的控制方式 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vc 电压模式控制 图10 26 仅有一个输出电压反馈控制环 优点是结构简单 显著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

9、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 武汉科技大学信息科学与工程学院 17 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 10 4 2开关电源的控制方式 武汉科技大学信息科学与工程学院 18 10 4 3开关电源的应用 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

10、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 武汉科技大学信息科学与工程学院 19 10 4 3开关电源的应用 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kW 在X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 武汉科技大学信息科学与工程学院 20 10 5功率因数校正技术 10 5 1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 武汉科技大学信息科学与工程学院 21 10 5功率因数校正技术 引言 以开关电源为代表的各种电力电子装置带来一些负

11、面问题 输入电流不是正弦波 就涉及到谐波和功率因数的问题 功率因数校正 PFC 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 分无源功率因数校正和有源功率因数校正两种 无源功率因数校正技术通过在二极管整流电路中增加电感 电容等无源元件和二极管元件 对电路中的电流脉冲进行抑制 以降低电流谐波含量 提高功率因数 有源功率因数校正技术采用全控开关器件构成的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的正弦波 武汉科技大学信息科学与工程学院 22 10 5 1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 原理给定信号

12、和实际的直流电压ud比较后送入PI调节器 得到指令信号id id和整流后正弦电压相乘得到输入电流的指令信号i 该指令信号和实际电感电流信号比较后 通过滞环对开关器件进行控制 便可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 跟踪误差在由滞环环宽所决定的范围内 武汉科技大学信息科学与工程学院 23 10 5 1功率因数校正电路的基本原理 图10 30典型的单相有源PFC电路及主要原理波形 武汉科技大学信息科学与工程学院 24 10 5 1功率因数校正电路的基本原理 在升压斩波电路中 只要输入电压不高于输出电压 电感L的电流就完全受开关S的通断控制 S通时 iL增长

13、 S断时 iL下降 因此控制S的占空比按正弦绝对值规律变化 且与输入电压同相 就可以控制iL波形为正弦绝对值 从而使输入电流的波形为正弦波 且与输入电压同相 输入功率因数为1 武汉科技大学信息科学与工程学院 25 10 6电力电子技术在电力系统中的应用 10 6 1高压直流输电10 6 2无功功率控制10 6 3电力系统谐波抑制10 6 4电能质量控制 柔性交流输电与定制电力技术 武汉科技大学信息科学与工程学院 26 10 6 1高压直流输电 高压直流输电是电力电子技术在电力系统中最早开始的应用领域 20世纪50年代以来 当电力电子技术的发展带来了可靠的高压大功率交直流转换技术之后 高压直流输

14、电越来越受到人们的关注 原理发电厂输出交流电 由变压器 换流变压器 将电压升高后送到晶闸管整流器 由晶闸管整流器将高压交流变为高压直流 再经直流输电线路输送到电能的接受端 电能在受端经过晶闸管逆变器由直流变回交流 再经变压器降压后配送到各个用户 武汉科技大学信息科学与工程学院 27 10 6 1高压直流输电 典型结构 图10 34是典型的采用十二脉波换流器的双极高压直流输电线路 双极是指其输电线路两端的每端都由两个额定电压相等的换流器串联联结而成 具有两根传输导线 分别为正极和负极 每端两个换流器的串联连接点接地 两极独立运行 当一极停止运行时 另一极以大地作回路还可以带一半的负荷 这样就提高

15、了运行的可靠性 也有利于分期建设和运行维护 单极高压直流输电系统只用一根传输导线 一般为负极 以大地或海水作为回路 武汉科技大学信息科学与工程学院 28 图10 34高压直流输电系统的基本原理和典型结构 10 6 1高压直流输电 武汉科技大学信息科学与工程学院 29 10 6 1高压直流输电 高压直流输电的优势更有利于进行远距离和大容量的电能传输或者海底或地下电缆传输 不受输电线路的感性和容性参数的限制 直流输电线导体没有积肤效应问题 相同输电容量下直流输电线路的占地面积也小 更有利于电网联络 更容易解决同步 稳定性等等复杂问题 更有利于系统控制 通过对换流器的有效控制可以实现对传输的有功功率

16、的快速而准确的控制 还能阻尼功率振荡 改善系统的稳定性 限制短路电流 武汉科技大学信息科学与工程学院 30 10 6 2无功功率控制 在电力系统中 对无功功率的控制是非常重要的 通过对无功功率的控制 可以提高功率因数 稳定电网电压 改善供电质量 晶闸管投切电容器交流电力电容器的投入与切断是控制无功功率的一种重要手段 晶闸管投切电容器TSC是一种性能优良的无功补偿方式 TSC的工作原理就是用交流电力电子开关来投入或者切除电容器 武汉科技大学信息科学与工程学院 31 图10 35TSC基本原理图a 基本单元单相简图b 分组投切单相简图 10 6 2无功功率控制 两个反并联的晶闸管起着把电容C并入电网或从电网断开的作用 串联的小电感用于抑制电容器投入电网时可能出现的冲击电流 在实际工程中 为避免容量较大的电容器组同时投入或切断会对电网造成较大的冲击 一般把电容器分成几组 根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量 TSC实际上就成为断续可调的动态无功功率补偿器 武汉科技大学信息科学与工程学院 32 10 6 2无功功率控制 TSC运行时晶闸管投入时刻的原则该时刻交流电源电压应和电容器预先充电