10.1晶閘管直流電動機系統(tǒng)

10.2變頻器和交流調速系統(tǒng)

10.3不間斷電源

10.4開關電源

10.5功率因數(shù)校正技術本章小結

第10章電力電子技術的應用210.1晶閘管直流電動機系統(tǒng)

10.1.1工作于整流狀態(tài)310.1.1工作于整流狀態(tài)時■直流電動機負載除本身有電阻、電感外，還有一個反電動勢E，通常在電樞回路串聯(lián)一平波電抗器，保證電流連續(xù)。

圖10-1三相半波帶電動機負載且加平波電抗器時的電壓電流波形

410.1.1工作于整流狀態(tài)時■觸發(fā)晶閘管，待電動機啟動達穩(wěn)態(tài)后，由于慣量，反電動勢都基本無脈動，平衡方程為

其中RB為變壓器的等效電阻，RM為電樞電阻，為重疊角引起的電壓降所折合的電阻；為晶閘管本身的管壓降。

■電流由負載轉矩所決定，在小電流情況下，由于電感的儲能減小，往往不足以維持電流連續(xù)，從而出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象。

(10-1)510.1.1工作于整流狀態(tài)時■電流連續(xù)時電動機的機械特性

◆三相半波電流連續(xù)時的電動機機械特性

?直流電動機的反電動勢為

?三相橋式的機械特性方程為

圖10-2三相半波電流連續(xù)時以電流表示的電動機機械特性

(10-2)(10-3)(10-4)(10-5)

的值一般為1V左右，所以忽略；調節(jié)角，即可調節(jié)電動機的轉速。

610.1.1工作于整流狀態(tài)時■電流斷續(xù)時電動機的機械特性◆由于整流電壓是一個脈動的直流電壓，當電動機的負載減小時，平波電抗器中的電感儲能減小，致使電流斷續(xù)，此時電動機的機械特性也就呈現(xiàn)出非線性。

圖10-3電流斷續(xù)時電動勢的特性曲線710.1.1工作于整流狀態(tài)時圖10-4考慮電流斷續(xù)時不同時反電動勢的特性曲線1<2<3<60，5>4>60

?當電流斷續(xù)時，電動機的理想空載轉速抬高，這是電流斷續(xù)時電動機機械特性的第一個特點；第二個特點是，在電流斷續(xù)區(qū)內電動機的機械特性變軟，即負載電流變化很小也可引起很大的轉速變化。810.2變頻器和交流調速系統(tǒng)

10.2.1交直交變頻器

10.2.2交流電機變頻調速的控制方式910.2變頻器和交流調速系統(tǒng)·引言■直流調速傳動系統(tǒng)的缺點

◆受使用環(huán)境條件制約。

◆需要定期維護。

◆最高速度和容量受限制?！鼋涣髡{速傳動系統(tǒng)的優(yōu)點◆克服了直流調速傳動系統(tǒng)的缺點。

◆交流電動機結構簡單，可靠性高。

◆節(jié)能。

◆高精度，快速響應。■趨勢:交流調速系統(tǒng)逐步取代傳統(tǒng)的直流傳動系統(tǒng)。

1010.2.1交直交變頻器■交直交變頻器（VariableVoltageVariableFrequency，簡稱VVVF電源）是由AC/DC、DC/AC組合形成?！鲈偕答侂娏Φ哪芰?/p>

◆要求具有再生反饋電力的能力?！魣D10-7不具再生反饋電力。

?其整流部分不能由直流電路向電源反饋電力。?若負載能量反饋到中間直流電路，導致泵升電壓危及整個電路安全。

圖10-7不能再生反饋的電壓型間接交流變流電路

1110.2.1交直交變頻器圖10-8帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路

圖10-9利用可控變流器實現(xiàn)再生反饋的電壓型間接交流變流電路

圖10-10整流和逆變均為PWM控制的電壓型間接交流變流電路

◆使電路具備再生反饋能力的方法?圖10-8V0和能耗電阻R0組成的泵升電壓限制電路。

?圖10-9增加了一套變流電路。

?圖10-10是整流電路和逆變電路都采用PWM控制，簡稱雙PWM電路。

?輸入功率因數(shù)高，且可實現(xiàn)電動機四象限運行，控制較復雜，成本也較高。

1210.2.2交流電機變頻調速的控制方式■籠型異步電動機的定子頻率控制方式

◆恒壓頻比控制

?對變頻器的電壓和頻率的比率進行控制，使該比率保持恒定，即恒壓頻比控制，以維持氣隙磁通為額定值。

圖10-14采用恒壓頻比控制的變頻調速系統(tǒng)框圖

?圖10-14給出了一個實例，該f指令值和V1指令值之比就決定了V/f比值。

1310.2.2交流電機變頻調速的控制方式◆轉差頻率控制

?1=r+s

，則1隨實際轉速r增加或減小，可調速，保證了較大的調速范圍。?這種方法是基于電機穩(wěn)態(tài)模型的，不能得到理想動態(tài)性能。◆矢量控制

?該方式需要實現(xiàn)轉速和磁鏈的解耦，控制系統(tǒng)較為復雜。

◆直接轉矩控制

?采用Bang-Bang控制，轉矩動態(tài)響應快，控制相對簡單。

1410.3不間斷電源■不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply—UPS）?！鰪V義地說，UPS包括輸出為直流和輸出為交流兩種情況，目前通常是指交流恒壓恒頻（CVCF）電源。

圖10-15UPS基本結構原理圖■UPS的結構原理

◆結構原理當市電正常時，由市電供電，當市電異常乃至停電時，由蓄電池向逆變器供電；在市電正常時，負載也可以由逆變器供電，也稱為穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。

1510.3不間斷電源圖10-16具有旁路開關的UPS系統(tǒng)圖10-17用柴油發(fā)電機作為后備電源的UPS◆設置了旁路開關，必須保證兩個電壓的相位一致，通常采用鎖相同步的方法?！暨€可采用柴油發(fā)電機（簡稱油機）作為后備電源，如圖10-17所示，蓄電池只需作為市電與油機之間的過渡，容量可以比較小。1610.3不間斷電源圖10-18小容量UPS主電路圖10-19大功率UPS主電路

■UPS的主電路結構

◆容量較小的UPS主電路

?二極管整流器和直流斬波器（用作PFC），高功率因數(shù)。?逆變器部分使用IGBT并采用PWM控制。

◆GTO大容量UPS主電路

?逆變器部分采用PWM控制。?GTO較低開關頻率。1710.4開關電源

10.4.1開關電源的結構

10.4.2開關電源的控制方式

10.4.3開關電源的應用1810.4開關電源·引言■在各種電子設備中，需要多路不同電壓供電，如5V、3.3V、2.5V、±12V、±15V等?！鲂枰獙ｉT設計電源裝置來提供這些電壓，通常要求穩(wěn)壓精度，足夠大的電流?！鲩_關電源在效率、體積和重量等方面都遠遠優(yōu)于線性電源，因此已經基本取代了線型電源，成為主要電源形式。

圖10-20線性電源的基本電路結構

圖10-21半橋型開關電源電路結構

1910.4.1開關電源的結構圖10-22開關電源的能量變換過程■交流輸入的開關電源

◆交流輸入、直流輸出。

◆整流電路或加PFC電路。

◆高頻逆變－變壓器－高頻整流，隔離型直流直流變流電路?！羝毡椴捎昧塑涢_關技術。

◆可用多個二次側繞組的方法來實現(xiàn)不同電壓的多組輸出。

圖10-23多路輸出的整流電路

2010.4.1開關電源的結構■直流輸入的開關電源

◆也稱為DC-DCConverter，隔離型多采用反激、正激、半橋等，而非隔離型采用Buck、Boost、Buck-Boost等電路?！舴歉綦x的直流－直流變換器經常采用同步Buck。圖10-24a)同步降壓電路

圖10-24b)同步升壓電路

2110.4.1開關電源的結構圖10-25通信電源系統(tǒng)

■分布式電源系統(tǒng)每個開關電源僅僅承擔一部分功率，并聯(lián)運行的每個開關電源有時也被成稱為“模塊”，當其中個別模塊發(fā)生故障時，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)運行，這被稱為“冗余”。

2210.4.2開關電源的控制方式2310.4.3開關電源的應用■開關電源廣泛用于各種電子設備、儀器，以及家電等，功率通常僅有幾W～幾百W；■還可以用于通信交換機、巨型計算機等大型設備的電源也是開關電源，但功率較大，可達數(shù)kW～數(shù)百kW。

■開關電源還可以用于蓄電池充電、電火花加工，電鍍、電解等電化學過程等，功率可達幾十～幾百kW；■在X光機、微波發(fā)射機、雷達等設備中，大量使用的是高壓、小電流輸出的開關電源。

2410.5功率因數(shù)校正技術

10.5.1功率因數(shù)校正電路的基本原理

10.5.2單級功率因數(shù)校正技術2510.5功率因數(shù)校正技術·引言■功率因數(shù)校正PFC(PowerFactorCorrection)技術即對電流脈沖的幅度進行抑制，使電流波形盡量接近正弦波的技術，分成無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩種。

◆有源功率因數(shù)校正技術采用全控開關器件構成開關電路對輸入電流的波形進行控制，使之成為與電源電壓同相正弦波。

2610.5.1功率因數(shù)校正電路的基本原理圖10-30典型的單相有源PFC電路及主要原理波形

■單相功率因數(shù)校正電路的基本原理

◆實際上是二極管整流電路加上升壓型斬波電路構成的。

◆原理

?使輸入直流電流跟蹤指令值，這樣交流側電流波形將近似成為與交流電壓同相的正弦波。2710.5.1功率因數(shù)校正電路的基本原理■開關電源中采用有源PFC電路帶來以下好處

◆輸入功率因數(shù)提高，輸入諧波電流減小。

◆在輸入相同有功功率的條件下，輸入電流有效值明顯減小。

◆由于有升壓斬波電路，電源允許的輸入電壓范圍擴大。

◆由于升壓斬