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1、第10章,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,10.1 晶闸管直流电动机系统,10.1.1 工作于整流状态时,图10-1 三相半波带电动机负载且加 平波电抗器时的电压电流波形,10.1 晶闸管直流电动机系统,1.电流连续时电动机的机械特性,图10-2 三相半波电流连续时 以电流表示的电动机机械特性,10.1 晶闸管直流电动机系统,2.电流断续时电动机的机械特性,图10-3 电流断续时 电动势的特性曲线,10.1 晶闸管直流
2、电动机系统,图10-4 考虑电流断续不同 时反电动势的特性曲线 ，60,10.1 晶闸管直流电动机系统,10.1.2 工作于有源逆变状态时 1.电流连续时电动机的机械特性,图10-5 电动机在四象限中的机械特性曲线,10.1 晶闸管直流电动机系统,2.电流断续时电动机的机械特性 10.1.3 直流可逆电力拖动系统,图10-6 两组变流器的反并联可逆线路,10.2 变频器和交流调速系统,10.2.1 交-直-交变频器,图10-7 不能再生反馈电力的 电压型间接交流变流电路,10.2 变频器和交流调速系统,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,10.2 变频器和交流调速系统,
3、1009.tif,10.2 变频器和交流调速系统,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,10.2 变频器和交流调速系统,图10-11 采用可控整流的 电流型间接交流变流电路,10.2 变频器和交流调速系统,图10-12 电流型交-直-交 PWM变频电路,10.2 变频器和交流调速系统,10013.tif,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,10.2.2 交流电动机变频调速的控制方式 1.恒压频比控制,10.2 变频器和交流调速系统,图10-14 采用恒压频比控制的变频调速系
4、统框图,2.转差频率控制 3.矢量控制,10.2 变频器和交流调速系统,4.直接转矩控制,10.3 不间断电源,图10-15 UPS基本结构原理图,10.3 不间断电源,图10-16 具有旁路开关的UPS系统,10.3 不间断电源,图10-17 用柴油发电机作为后备电源的UPS,10.3 不间断电源,图10-18 小容量UPS主电路,10.3 不间断电源,图10-19 大容量UPS主电路,10.4 开关电源,图10-20 线性电源的基本电路结构,10.4 开关电源,图10-21 半桥型开关电源电路结构,10.4.1 开关电源的结构,10.4 开关电源,图10-22 开关电源的能量变换过程,图1
5、0-23 多路输出的整流电路,10.4 开关电源,图10-24 同步降压电路和同步升压电路 a)同步降压电路 b)同步升压电路,10.4 开关电源,图10-25 通信电源系统,10.4 开关电源,10.4.2 开关电源的控制方式,图10-26 开关电源的控制系统,1.电压模式控制 2.电流模式控制,10.4 开关电源,图10-27 电流模式控制系统框图,(1)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。,10.4 开关电源,图10-28 峰值电流模式控制的原理 a)电流控制环结构 b)主要波形,10.4 开关电源,(2)平均电流
6、模式控制 峰值电流模式控制较好地解决了系统稳定性和快速性的问题，因此得到广泛应用，但该控制方法也存在一些不足之处：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开关周期中电感电流上升或下降速率的不同而改变。,图10-29 平均电流模式控制的原理 )电流控制环结构 b)主要波形,10.4 开关电源,10.4.3 开关电源的应用,10.5 功率因数校正技术,解决这一问题的办法就是对电流脉冲的幅度进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波，这一技术称为功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)技术。根据采用的具体方法不同，可以分成无源功率因数校正和有源功率
7、因数校正两种。 10.5.1 功率因数校正电路的基本原理 1.单相功率因数校正电路的基本原理,图10-30 典型的单相有源PFC电路及主要波形 a)电路 b)主要波形,10.5 功率因数校正技术,2.三相功率因数校正电路的基本原理,图10-31 单开关三相PFC电路,10.5 功率因数校正技术,图10-32 单开关三相PFC电路的工作波形,10.5 功率因数校正技术,1)输入功率因数提高，输入谐波电流减小，降低了电源对电网的干扰，满足了现行谐波限制标准。 2)由于输入功率因数的提高，在输入相同有功功率的条件下，输入电流有效值明显减小，降低了对线路、开关、连接件等电流容量的要求。 3)由于有升压
8、斩波电路，电源允许的输入电压范围扩大，能适应世界各国不同的电网电压，极大地提高电源装置的可靠性和灵活性。,10.5 功率因数校正技术,4)由于升压斩波电路的稳压作用，整流电路输出电压波动显著减小，使后级DC-DC变换电路的工作点保持稳定，有利于提高控制精度和效率。 10.5.2 单级功率因数校正技术,图10-33 典型的boost型单 级PFC AC-DC变换器,10.5 功率因数校正技术,1)单级PFC电路减少了主电路的开关器件数量，使主电路体积及成本降低。 2)单级PFC变换器减少了元件的数量，但是元件的额定值都比较高，所以单级PFC变换器仅在小功率时整个装置的成本和体积才具有优势，对于大
9、功率场合，两级PFC变换器比较适合。 3)单级PFC变换器的输入电流畸变率明显高于两级PFC变换器，特别是仅采用输出电压控制闭环的boost型变换器。,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,图10-34 高压直流输电系统的基本原理和典型结构,10.6 电力电子技术在电力系统中的应用,(1)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 这是因为直流输电的输电容量和最大输电距离不像交流输电那样受输电线路的感性和容性参数的限制。 (2)更有利于电网联络 这是因为交流的联网需要解决同步、稳定性等复杂问题，而通过直流进行两个交流系统之间的连接则比较简单，还可
10、以实现不同频率交流系统的联络。 (3)更有利于系统控制 这主要是由电力电子器件和换流器的快速可控性带来的好处。,10.6 电力电子技术在电力系统中的应用,10.6.2 无功功率控制 1.晶闸管投切电容器,图10-35 TSC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 电力电子技术在电力系统中的应用,图10-36 TSC理想投切时刻原理说明,10.6 电力电子技术在电力系统中的应用,图10-37 晶闸管和二极管反并联方式的TSC,2.晶闸管控制电抗器,10.6 电力电子技术在电力系统中的应用,图10-38 晶闸管控制电抗器(TCR)电路,10.6 电力电子技术在电力系统中的
11、应用,图10-39 TCR电路负载相电流和输入线电流波形 a)=120 b)=135 c)=150,3.静止无功发生器,10.6 电力电子技术在电力系统中的应用,图10-40 SVG的电路基本结构 a)采用电压型桥式电路 b)采用电流型桥式电路,10.6 电力电子技术在电力系统中的应用,图10-41 SVG等效电路及工作原理 a)单相等效电路 b)工作相量图,1)SVG的主电路由早期的以多重化的方波变流器为主要形式，已发展为以PWM变流器为主要形式。,10.6 电力电子技术在电力系统中的应用,2)SVG的变流器中所采用的电力半导体器件已由早期的以GTO为主，已逐步发展为采用IGBT和IGCT，
12、采用IGBT的趋势更为明显。 3)SVG的补偿目标已由早期的对输电系统的补偿为主，扩展到了对配电系统补偿，甚至负荷补偿等各个层次。 10.6.3 电力系统的谐波抑制,图10-42 有源电力滤波器的基本原理和典型电流波形,10.6 电力电子技术在电力系统中的应用,图10-43 有源电力滤波器的变流电路,10.6 电力电子技术在电力系统中的应用,10.6.4 电能质量控制、柔性交流输电与定制电力技术,10.7 电力电子技术的其他应用,10.7.1 电子镇流器 1.电子镇流器原理,图10-44 电子镇流器结构框图,2.电子镇流器的主要优点 (1)能耗低、效率高 电感镇流器的功耗较大，例如，一支40W
13、的荧光灯所用的电感镇流器大约要消耗8W的功率，而用电子镇流器只要消耗4W的功率。,10.7 电力电子技术的其他应用,(2)发光效率高 荧光灯的发光效率(简称光效)和供电的频率有关，即随工作频率的增加而增加。 (3)具有高功率因数 电感镇流器的功率因数一般只有0.60.8，而在电子镇流器中，只要采用功率因数校正电路，镇流器的功率因数很容易做到0.95以上，甚至达到0.99，这是电感镇流器难以达到的。 10.7.2 焊机电源,图10-45 弧焊电源的基本结构图,10.7 电力电子技术的其他应用,图10-46 一种弧焊电源的外特性曲线,10.7 电力电子技术的其他应用,1.简述晶闸管直流调速系统工作
14、于整流状态时的机械特性基本特点。 2.在以采用晶闸管为主控器件的直流可逆调速系统中，为实现可逆运行，控制上需采用配合控制方法。 3.试阐明图10-7交-直-交变频器电路的工作原理，并说明该电路有何局限性。 4.试分析图10-8交-直-交变频器电路的工作原理，并说明其局限性。 5.试说明图10-9交-直-交变频器电路是如何实现负载能量回馈的。,10.7 电力电子技术的其他应用,6.何谓双PWM电路？其优点是什么？ 7.什么是变频调速系统的恒压频比控制？ 8.何谓UPS？试说明图10-16所示UPS系统的工作原理。 9.试解释为什么开关电源的效率高于线性电源。 10.提高开关电源的工作频率，会使哪些元件体积减小？会使电路中什么损耗增加？ 11.什么是无源和有源功率因数校正？有源功率因数校正有什么优点？ 12.什么是单级功率因数校正？它有什么特点？,10.7 电力电子技术的其他应用,13.与高压交流输电相比，高压直流输电有哪些优势？高压直流输电的系统结构是怎样的？ 14.试简述静止无功发生器(SVG)的基本原理。 15.试简述并联型有源电力滤波器的基本原理。 16.试分别列举用于电能质量控制、柔性交流输电和定制电力技术的典型电力电子装置。 17.试简述电子镇流器的基本结构及其特点。,
