电力电子技术第4版第7章电力电子装置

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1、第7章 电力电子装置,电力电子技术,(第4版),定义：由基本电力电子电路组成的用于电能的变换和控制的装置称为电力电子装置（Power Electronic Equipment ),又称为变流装置。,用途： 直流电源可由整流器或直流变流器组成，用于直流电动机调速、金属焊接、充电、电镀和科学仪器等的电源；交流电源可由变频器组成，分为变频变压电源（用于交流笼型异步电动机调速）、恒频恒压电源（构成交流不间断电源）、交流稳压电源、中频感加热电源、高频加热电源等；利用电力电子器件的快速开关性能，还可构成无功补偿装置、静止式无触点大功率开关以代替传统的电磁式有触点大功率开关。 目前变流装置正沿着智能化、模块

2、化、小型化、高效和高可靠性方向发展，使之应用领域不断扩大。,第7章 电力电子装置,7.1 电力电子装置的一般模型 7.2 开关电源 7.3 有源功率因数校正 7.4 不间断电源（UPS） 7.5 静止无功补偿装置 7.6 变频调速装置,一般情况下电力电子装置由控制电路、驱动电路、检测电路和以电力电子器件为核心的主电路组成，如图7.1.1所示。,7.1.1 电力电子的一般模型,图7.1.1 电力电子装置的一般组成,电力电子装置是电能变换设备，它的使用现场不可避免存在严重电磁干扰。强干扰信号窜入装置中除可能直接使电力电子器件误动作外，还会干扰装置的控制电路，使装置误动作。,抗干扰的技术措施： 抑制

3、干扰信号的强度，例如交流继电器、交流接触器触点并联电容，可减小触点通断时的电火花干扰； 合理布线以减小导线间的分布电容、分布电感和互感，防止干扰信号窜入； 实施电磁屏蔽； 正确选择接地点并良好接地； 加强电路本身的抗干扰能力，设计时选用抗干扰性能好的电子元件； 控制电路共用直流稳压电源时，电路各部分应单独引线； 在信号强度允许条件下尽量降低各单元电路的输入、输出阻抗； 采用变压器耦合等隔离手段，将控制电路与信号源或控制电路与电力电子装置的主电路在电路上隔离，防止干扰信号窜入。,7.1.1 电力电子的一般模型,第7章 电力电子装置,7.1 电力电子装置的一般模型 7.2 开关电源 7.3 有源功

4、率因数校正 7.4 不间断电源（UPS） 7.5 静止无功补偿装置 7.6 变频调速装置,7.2.1 开关电源的工作原理,稳压电源：,线性稳压电源：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。 开关稳压电源：简称开关电源(Switching Power Supply)，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：,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7.2.1 线性稳压电源方框图,7.2.1 开关电源的工作原理,2

5、、开关稳压电源：,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7.2.2 开关电源原理框图,工作原理：,7.2.1 开关电源的工作原理,图7.2.2 开关电源原理框图,开关管占空比定义为：D=Ton/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

6、比的控制方式 ： 1）脉冲宽度调制控制(PWM) 2）脉冲频率调制控制(PFM),2、开关稳压电源：,7.2.1 开关电源的工作原理,图7.2.3 PWM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。,2）脉冲频率控制： 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。,7.2.1 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

7、式灵活多样。,开关电源缺点：,主要是存在开关噪声干扰。,7.2.1 开关电源的工作原理,7.2.2开关电源的应用,1、开关电源的应用,图7.2.4 直流操作电源电路原理图,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。,2、电路简介： 交流进线滤波器 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。该滤波器能同时抑制共模和差模干扰信号。 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。,图7.2.

8、5 交流进线EMI滤波器,Cd1、Ld和Cd2构成的低通滤波器 则用来抑制差模干扰信号。,7.2.2开关电源的应用,(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。,7.2.2开关电源的应用,PWM控制器SG3525,图7.2.6 SG3525的内部结构,脚：误差放大器反相输入端； 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； 脚：振荡器输出； 脚：振荡

9、器外接定时电阻RT端， RT值为2k150k； 脚：振荡器外接电容CT端，振荡器频率为fS 1/CT(0.7RT+3R0);其中R0为脚与脚之间跨接的电阻，用来调节死区时间，定时电容范围为0.001F0.1F； 脚：振荡器放电端，外接电阻来控制死区时间，电阻范围为0500； 脚：软起动端，外接软起动电容，该电容由内部Uref的50A恒流源充电。 脚：误差放大器的输出端； 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； 脚：A路驱动信号输出； 脚：接地; 脚：输出级集电极电压； 脚：B路驱动信号输出； 脚：电源，其范围因为8V35V； 脚：内部+5V基准电压输出。

10、,脚：误差放大器同相输入端；,7.2.2开关电源的应用,(4) 控制电路（SG3525）,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。,(5) IGBT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7.2.7 I

11、GBT驱动电路,7.2.2开关电源的应用,第7章 电力电子装置,7.1 电力电子装置的一般模型 7.2 开关电源 7.3 有源功率因数校正 7.4 不间断电源（UPS） 7.5 静止无功补偿装置 7.6 变频调速装置,7.3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: 特点： 1）方法简单可靠，并且在稳态条件下不产生电磁干扰。 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。

12、,1）特点： 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。 2）工作原理： 有源功率因数校正技术(Actite Power Filter Correction ， 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。,2、有源功率因数校正电路（PFC）,7.3有源功率因数校正,7.3.1

13、PFC技术的工作原理,图7.3.1 BoostPFC电路,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。,工作原理： 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。,7.3.2PFC集成控制电路UC3854及其应用,图7.3.2 UC3854内

14、部结构框图,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 。,图7.3.3由UC3854构成的PFC电路原理图,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。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：,7.3.2PFC集成控制电路UC3854及其应用,第7章 电力电子装置,7.1 电力电子装置的一般模型 7.2 开关电源 7.3 有源功率因数校正 7.4 不间断

15、电源（UPS） 7.5 静止无功补偿装置 7.6 变频调速装置,7.4不间断电源,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：Uninterrupitable Power System, 简称UPS,7.4.1UPS的分类,1、后备式UPS,图7.4.1 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、

16、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7.4.2 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。,7.4.1UPS的分类,7.4.2UPS电源中的整流器,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