1、1第第1010章電力電子技術的應用章電力電子技術的應用 10.1 晶閘管直流電動機系統晶閘管直流電動機系統 10.2 變頻器和交流調速系統變頻器和交流調速系統 10.3 不間斷電源不間斷電源 10.4 開關電源開關電源 10.5 10.5 功率因數校正技術功率因數校正技術 10.6 電力電子技術在電力系統中的應用電力電子技術在電力系統中的應用 10.7 電力電子技術的其他應用電力電子技術的其他應用 本章小結本章小結210.1 10.1 晶閘管直流電動機系統晶閘管直流電動機系統 10.1.1 工作于整流狀態時工作于整流狀態時 10.1.2 工作于有源逆變狀態時工作于有源逆變狀態時 10.1.3

2、直流可逆電力拖動系統直流可逆電力拖動系統310.1.1 10.1.1 工作于整流狀態時工作于整流狀態時晶閘管可控整流裝置帶直流電動機負載組成的系統，習慣稱為晶閘管直流晶閘管可控整流裝置帶直流電動機負載組成的系統，習慣稱為晶閘管直流電動機系統，是電力拖動系統中主要的一種，也是可控整流裝置的主要用途電動機系統，是電力拖動系統中主要的一種，也是可控整流裝置的主要用途之一。之一。 直流電動機負載除本身有直流電動機負載除本身有電阻電阻、電感電感外，還有一個外，還有一個反電動勢反電動勢E，為了平穩，為了平穩負載電流的脈動，通常在電樞回路串聯一負載電流的脈動，通常在電樞回路串聯一平波電抗器平波電抗器，保證整

3、流電流在較大，保證整流電流在較大范圍內連續。范圍內連續。 圖圖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 10.1.1 工作于整流狀態時工作于整流狀態時23XRRRBMB觸發晶閘管，待電動機啟動達穩態后，由于電動機有較大的機械慣觸發晶閘管，待電動機啟動達穩態后，由于電動機有較大的機械慣量，故其轉速和反電動勢都基本無脈動，此時整流電壓的平均值由電量，故其轉速和反電動勢都基本無脈動，此時整流電壓的平均值由電動機的反電動勢及電路中負載平均電流動機的反電動勢及電路中負載平均電流Id所引起的各種電壓降所平衡，所引起的各種

4、電壓降所平衡，平衡方程為平衡方程為 UIREUdMd式中，式中， ，其中，其中RB為變壓器的等效電阻，為變壓器的等效電阻，RM為電樞電阻，為電樞電阻，為重疊角引起的電壓降所折合的電阻；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。為晶閘管本身的管壓降。 23XBU在電動機負載電路中，電流由在電動機負載電路中，電流由負載轉矩負載轉矩所決定，當電動機的負載較所決定，當電動機的負載較輕時，對應的負載電流也小，在小電流情況下，特別在低速時，由于輕時，對應的負載電流也小，在小電流情況下，特別在低速時，由于電感的儲能減小，往往不足以維持電流連續，從而出現電感的儲能減小，往往不足以維持電流連續，

5、從而出現電流斷續現象電流斷續現象。 (10-1)510.1.1 10.1.1 工作于整流狀態時工作于整流狀態時電流連續時電動機的機械特性電流連續時電動機的機械特性 三相半波電流連續時的電動機機械特性三相半波電流連續時的電動機機械特性 直流電動機的反電動勢為直流電動機的反電動勢為 nCEeM因為因為 ，故反電動勢特，故反電動勢特性方程為性方程為 cos17. 12UUdUIRUEdMcos17. 12轉速與電流的機械特性關系式為轉速與電流的機械特性關系式為 edeCUIRCUncos17. 12三相橋式全控整流電路電動機負三相橋式全控整流電路電動機負載時的機械特性方程為載時的機械特性方程為 de

6、eICRCUncos34. 22圖圖10-2 三相半波電流連續時以三相半波電流連續時以電流表示的電動機機械特性電流表示的電動機機械特性 (10-2)(10-3)(10-4)(10-5) 的值一般為的值一般為1V左右，左右，所以忽略；調節角所以忽略；調節角 ，即可，即可調節電動機的轉速。調節電動機的轉速。 U610.1.1 10.1.1 工作于整流狀態時工作于整流狀態時電流斷續時電動機的機械特性電流斷續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，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，此時電動機的機械特平波

7、電抗器中的電感儲能減小，致使電流斷續，此時電動機的機械特性也就呈現出性也就呈現出非線性非線性。 電流斷續時機械特性的特點電流斷續時機械特性的特點 分析分析 =60 時的情況，當時的情況，當Id=0，忽略忽略 ，此時的反電動勢，此時的反電動勢 為為 ，而實際，而實際上，晶閘管導通時相電壓瞬時值為上，晶閘管導通時相電壓瞬時值為 ，大于，大于 ，也即，也即Id不為零，所以不為零，所以 才是才是理想空載點理想空載點。U0E220585. 060cos17. 1UUE22U0E22U圖圖10-3 電流斷續時電動勢的特性曲線電流斷續時電動勢的特性曲線 在電流斷續情況下，在電流斷續情況下， 時，時，電動機的

8、實際空載反電動勢都是電動機的實際空載反電動勢都是 ；當；當 以后，空載反電動勢將以后，空載反電動勢將由由 決定。決定。 6022U60) 3cos(22U710.1.1 10.1.1 工作于整流狀態時工作于整流狀態時圖圖10-4 考慮電流斷續時不同考慮電流斷續時不同 時時反電動勢的特性曲線反電動勢的特性曲線 1 2 3 460 當電流斷續時，電動機的當電流斷續時，電動機的理想空載轉理想空載轉速抬高速抬高，這是電流斷續時電動機機械特，這是電流斷續時電動機機械特性的第一個特點；第二個特點是，在電性的第一個特點；第二個特點是，在電流斷續區內電動機的流斷續區內電動機的機械特性變軟機械特性變軟，即，即負

9、載電流變化很小也可引起很大的轉速負載電流變化很小也可引起很大的轉速變化。變化。 大的反電動勢特性，其電流斷續區大的反電動勢特性，其電流斷續區的范圍（以虛線表示）要比的范圍（以虛線表示）要比 小時的電小時的電流斷續區大，這是由于流斷續區大，這是由于 愈大，變壓器愈大，變壓器加給晶閘管陽極上的負電壓時間愈長，加給晶閘管陽極上的負電壓時間愈長，電流要維持導通，必須要求平波電抗器電流要維持導通，必須要求平波電抗器儲存較大的磁能，而電抗器的儲存較大的磁能，而電抗器的L為一定為一定值的情況下，要有較大的電流值的情況下，要有較大的電流Id才行；才行；故故隨著隨著 的增加，進入斷續區的電流值的增加，進入斷續區

10、的電流值加大加大，這是電流斷續時電動機機械特性，這是電流斷續時電動機機械特性的第三個特點。的第三個特點。 810.1.1 10.1.1 工作于整流狀態時工作于整流狀態時電流斷續時電動機機械特性可由下面三個式子準確地得出電流斷續時電動機機械特性可由下面三個式子準確地得出 ctgctgMeeUE1)6sin()6sin(cos22ctgctgeeMeeCUCEn1)6sin()6sin(cos222)6cos()6cos(cos22322nUCZUIed式中，式中， ， ，L為回路總電感。為回路總電感。 RLtg122LRZ(10-6)(10-7)(10-8)910.1.1 10.1.1 工作于整

11、流狀態時工作于整流狀態時一般只要主電路電感足夠大，可以只考慮電流連續段，完全按線性處理，一般只要主電路電感足夠大，可以只考慮電流連續段，完全按線性處理，當低速輕載時，斷續作用顯著，可改用另一段較陡的特性來近似處理。當低速輕載時，斷續作用顯著，可改用另一段較陡的特性來近似處理。 整流電路為三相半波時，在最小負載電流為整流電路為三相半波時，在最小負載電流為Idmin時，為保證電流連續所時，為保證電流連續所需的主回路電感量（單位為需的主回路電感量（單位為mH）為）為 min246.1dIUL 對于三相橋式全控整流電路帶電動機負載的系統，有對于三相橋式全控整流電路帶電動機負載的系統，有min2693.

12、 0dIUL L中包括中包括整流變壓器的漏電感整流變壓器的漏電感、電樞電感電樞電感和和平波電抗器的電感平波電抗器的電感，前者數，前者數 值都較小，有時可忽略；值都較小，有時可忽略；Idmin一般取電動機額定電流的一般取電動機額定電流的5%10%。 三相橋式全控整流電壓的脈動頻率比三相半波的高一倍，因而所需平波電三相橋式全控整流電壓的脈動頻率比三相半波的高一倍，因而所需平波電抗器的電感量也可相應減小約一半。抗器的電感量也可相應減小約一半。 (10-9)(10-10)10 因為因為 ，可求得電動機，可求得電動機的機械特性方程式的機械特性方程式 10.1.2 10.1.2 工作于有源逆變狀態時工作于

13、有源逆變狀態時RIEUdMdnCEeM電流連續時電動機的機械特性電流連續時電動機的機械特性 電壓平衡方程式為電壓平衡方程式為 逆變時由于逆變時由于 ，EM反接，得反接，得 cos0ddUU)0cos(RIUEddM)cos(10RIUCdden正組變流器反組變流器n321Id42341 = =2 = =2321423411= 1; 1=12= 2; 2=2 增大方向 增大方向 增大方向 增大方向圖圖10-5 電動機在四象限中的機械特性電動機在四象限中的機械特性 上式的負號表示逆變時電動機的上式的負號表示逆變時電動機的轉向與整流時相反；轉向與整流時相反；調節調節 就可改變電就可改變電動機的運行轉

14、速動機的運行轉速， 值愈值愈 小，相應的小，相應的轉速愈高；反之則轉速愈低。轉速愈高；反之則轉速愈低。 (10-11)(10-12)1110.1.2 10.1.2 工作于有源逆變狀態時工作于有源逆變狀態時電流斷續時電動機的機械特性電流斷續時電動機的機械特性 電動機機械特性可由下面三個式子準確地得出電動機機械特性可由下面三個式子準確地得出 eeUEMctgctg676721sinsincos2eeeeMCUCEnctgctg67672sinsincos2nUCZUIed22267cos67coscos223當電流斷續時電動機的機械特性不僅和當電流斷續時電動機的機械特性不僅和逆變角逆變角有關，而且

15、和有關，而且和電路參數電路參數、導通導通角角等有關系。等有關系。 (10-13)(10-14)(10-15)1210.1.2 10.1.2 工作于有源逆變狀態時工作于有源逆變狀態時正組變流器反組變流器n321Id42341 = =2 = =2321423411= 1; 1=12= 2; 2=2 增大方向 增大方向 增大方向 增大方向圖圖10-5 電動機在四象限中的機械特性電動機在四象限中的機械特性 圖圖10-5中右下的虛線以左的部分為逆中右下的虛線以左的部分為逆 變電流斷續時電動機的機械特性，其特點變電流斷續時電動機的機械特性，其特點是：是：理想空載轉速上翹很多理想空載轉速上翹很多，機械特性變

16、機械特性變軟軟，且呈現非線性且呈現非線性。 逆變狀態的機械特性是整流狀態的延續，逆變狀態的機械特性是整流狀態的延續，縱觀控制角縱觀控制角 由小變大（如由小變大（如 /6 5/6），電動機的機械特性則逐漸的由第），電動機的機械特性則逐漸的由第1象限往下移，進而到達第象限往下移，進而到達第4象限；第象限；第2象象限里也為逆變狀態，與它對應的整流狀態限里也為逆變狀態，與它對應的整流狀態的機械特性則表示在第的機械特性則表示在第3象限里。象限里。第第1、第、第4象限中的特性和第象限中的特性和第3、第、第2象限象限中的特性是分別屬于兩組變流器的，它們中的特性是分別屬于兩組變流器的，它們輸出整流電壓的極性彼

17、此相反，故分別標輸出整流電壓的極性彼此相反，故分別標以以正組正組和和反組變流器反組變流器。 運行工作點由第運行工作點由第1（第（第3）象限的特性，）象限的特性，轉到第轉到第2（第（第4）象限的特性時，表明電動）象限的特性時，表明電動機由機由電動運行電動運行轉入轉入發電制動運行發電制動運行；相應的；相應的變流器的變流器的工況工況由由整流轉為逆變整流轉為逆變。 13 直流可逆電力拖動系統直流可逆電力拖動系統 電路結構電路結構 圖圖10-6a是是有環流有環流接線，接線，圖圖10-6b是是無環流無環流接線，環流是接線，環流是指只在兩組變流器之間流動而指只在兩組變流器之間流動而不經過負載的電流。不經過負

18、載的電流。 根據電動機所需的運轉根據電動機所需的運轉狀態來決定哪一組變流器工作狀態來決定哪一組變流器工作及其相應的工作狀態：整流或及其相應的工作狀態：整流或逆變。逆變。 四象限運行時的工作情況四象限運行時的工作情況 第第1象限，正轉，電動象限，正轉，電動機作電動運行，正組橋工作在機作電動運行，正組橋工作在整流狀態，整流狀態， 1 /2，EMUd （下標中有（下標中有 表示整流，下標表示整流，下標1表示正組橋，下標表示正組橋，下標2表示反組表示反組橋）。橋）。 10.1.3 10.1.3 直流可逆電力拖動系統直流可逆電力拖動系統圖圖10-6 兩組變流器的反并聯可逆線路兩組變流器的反并聯可逆線路1

19、4第第2象限，正轉，電動機作象限，正轉，電動機作發電運行，反組橋工作在逆發電運行，反組橋工作在逆變狀態，變狀態， 2 /2)，EMUd （下標中有（下標中有 表示逆表示逆變）。變）。第第3象限，反轉，電動機作象限，反轉，電動機作電動運行，反組橋工作在整電動運行，反組橋工作在整流狀態，流狀態， 2 /2，EMUd 。第第4象限，反轉，電動機作象限，反轉，電動機作發電運行，正組橋工作在逆發電運行，正組橋工作在逆變狀態，變狀態， 1 /2) ， EMUd 。10.1.3 10.1.3 直流可逆電力拖動系統直流可逆電力拖動系統圖圖10-6 兩組變流器的反并聯可逆線路兩組變流器的反并聯可逆線路。1510

20、.1.3 10.1.3 直流可逆電力拖動系統直流可逆電力拖動系統圖圖10-6 (c)直流可逆拖動系統，能方便地實直流可逆拖動系統，能方便地實現現正反向運轉正反向運轉外，還能實現外，還能實現回饋制回饋制動動。 由正轉到反轉的過程由正轉到反轉的過程 從從1組橋切換到組橋切換到2組橋工作，并組橋工作，并要求要求2組橋在逆變狀態下工作，電動組橋在逆變狀態下工作，電動機進入第機進入第2象限（之前運行在第象限（之前運行在第1象象限）作正轉發電運行，電磁轉矩變限）作正轉發電運行，電磁轉矩變成制動轉矩，電動機軸上的機械能成制動轉矩，電動機軸上的機械能經經2組橋逆變為交流電能回饋電網。組橋逆變為交流電能回饋電網

21、。 改變改變2組橋的逆變角組橋的逆變角 ，使之由，使之由小變大直至小變大直至 = /2（n=0），如繼續），如繼續增大增大 ，即，即 /2，2組橋將轉入整流組橋將轉入整流狀態下工作，電動機開始反轉進入狀態下工作，電動機開始反轉進入第第3象限的電動運行。象限的電動運行。 電動機從反轉到正轉，其過程電動機從反轉到正轉，其過程則由第則由第3象限經第象限經第4象限最終運行在象限最終運行在第第1象限上。象限上。 2022-3-17161710.1.3 10.1.3 直流可逆電力拖動系統直流可逆電力拖動系統根據對環流的不同處理方法，反并聯可逆電路又可分為幾種不同的根據對環流的不同處理方法，反并聯可逆電路又

22、可分為幾種不同的控制方案，如配合控制有環流（即控制方案，如配合控制有環流（即 = 工作制）、可控環流、邏輯工作制）、可控環流、邏輯控制無環流和錯位控制無環流等。控制無環流和錯位控制無環流等。 對于對于 = 配合控制的有環流可逆系統，當系統工作時，對正、反配合控制的有環流可逆系統，當系統工作時，對正、反兩組變流器同時輸入觸發脈沖，并嚴格保證兩組變流器同時輸入觸發脈沖，并嚴格保證 = 的配合控制關系，的配合控制關系，兩組變流器的輸出電壓平均值相等，且極性相抵，之間沒有直流環兩組變流器的輸出電壓平均值相等，且極性相抵，之間沒有直流環流；流；但輸出電壓瞬時值不等，會產生但輸出電壓瞬時值不等，會產生脈動

23、環流脈動環流，為防止環流只經晶，為防止環流只經晶閘管流過而使電源短路，必須串入閘管流過而使電源短路，必須串入環流電抗器環流電抗器LC限制環流。限制環流。 工程上使用較廣泛的工程上使用較廣泛的邏輯無環流可逆系統邏輯無環流可逆系統不設置環流電抗器，控不設置環流電抗器，控制原則是：兩組橋在任何時刻只有一組投入工作（另一組關斷），制原則是：兩組橋在任何時刻只有一組投入工作（另一組關斷），所以在兩組橋之間就不存在環流；變流器之間的切換過程是由邏輯所以在兩組橋之間就不存在環流；變流器之間的切換過程是由邏輯單元控制的，故稱為邏輯控制無環流系統。單元控制的，故稱為邏輯控制無環流系統。 1810.2 10.2

24、變頻器和交流調速系統變頻器和交流調速系統 10.2.1 交直交變頻器交直交變頻器 10.2.2 交流電機變頻調速的控制方式交流電機變頻調速的控制方式1910.2 10.2 變頻器和交流調速系統變頻器和交流調速系統引言引言直流調速傳動系統的缺點直流調速傳動系統的缺點 受使用環境條件制約。受使用環境條件制約。 需要定期維護。需要定期維護。 最高速度和容量受限制。最高速度和容量受限制。交流調速傳動系統的優點交流調速傳動系統的優點 克服了直流調速傳動系統的缺點。克服了直流調速傳動系統的缺點。 交流電動機結構簡單，可靠性高。交流電動機結構簡單，可靠性高。 節能。節能。 高精度，快速響應。高精度，快速響應

25、。交流電機的控制技術較為復雜，對所需的電力電子變換交流電機的控制技術較為復雜，對所需的電力電子變換器要求也較高，所以直到近二十年時間，隨著電力電子技器要求也較高，所以直到近二十年時間，隨著電力電子技術和控制技術的發展，交流調速系統才得到迅速的發展，術和控制技術的發展，交流調速系統才得到迅速的發展，其應用已在逐步取代傳統的直流傳動系統。其應用已在逐步取代傳統的直流傳動系統。 2010.2.1 10.2.1 交直交變頻器交直交變頻器交直交變頻器（交直交變頻器（Variable Voltage Variable Frequency，簡稱，簡稱VVVF電源電源 ）是由是由AC/DC、DC/AC兩類基本

26、的變流電路組合形成，又稱為間接交流變流兩類基本的變流電路組合形成，又稱為間接交流變流電路，最主要的優點是輸出頻率不再受輸入電源頻率的制約。電路，最主要的優點是輸出頻率不再受輸入電源頻率的制約。 再生反饋電力的能力再生反饋電力的能力 當負載電動機需要頻繁、快速制動時，通常要求具有當負載電動機需要頻繁、快速制動時，通常要求具有再生反饋電力的再生反饋電力的能力能力。 圖圖10-7 不能再生反饋的電不能再生反饋的電壓型間接交流變流電路壓型間接交流變流電路 2110.2.1 10.2.1 交直交變頻器交直交變頻器 圖圖10-7所示的電壓型交直交變頻電路不能再生反饋電力。所示的電壓型交直交變頻電路不能再生

27、反饋電力。 其整流部分采用的是不可控整流，它和電容器之間的直流電壓其整流部分采用的是不可控整流，它和電容器之間的直流電壓和直流電流極性不變，只能由電源向直流電路輸送功率，而不能由直和直流電流極性不變，只能由電源向直流電路輸送功率，而不能由直流電路向電源反饋電力。流電路向電源反饋電力。 逆變電路的能量是可以雙向流動的，若負載能量反饋到中間直逆變電路的能量是可以雙向流動的，若負載能量反饋到中間直流電路，而又不能反饋回交流電源，這將導致電容電壓升高，稱為流電路，而又不能反饋回交流電源，這將導致電容電壓升高，稱為泵泵升電壓升電壓，泵升電壓過高會危及整個電路的安全。，泵升電壓過高會危及整個電路的安全。

28、2210.2.1 10.2.1 交直交變頻器交直交變頻器圖圖10-8 帶有泵升電壓限制電路帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路的電壓型間接交流變流電路 圖圖10-9 利用可控變流器實現再生反利用可控變流器實現再生反饋的電壓型間接交流變流電路饋的電壓型間接交流變流電路 圖圖10-8的電路中加入一個由電力晶體管的電路中加入一個由電力晶體管V0和能耗電阻和能耗電阻R0組成的組成的泵升電壓限制電路泵升電壓限制電路，當泵升電壓超過一定數值時，使當泵升電壓超過一定數值時，使V0導通，導通，把從負載反饋的能量消耗在把從負載反饋的能量消耗在R0上，這種電上，這種電路可運用于對電動機制動時間有一定要求路

29、可運用于對電動機制動時間有一定要求的調速系統中。的調速系統中。圖圖10-9所示的電路增加了一套所示的電路增加了一套變流電路變流電路，使，使其工作于有源逆變狀態，可實現電動機的再生其工作于有源逆變狀態，可實現電動機的再生制動；當負載回饋能量時，中間直流電壓極性制動；當負載回饋能量時，中間直流電壓極性不變，而電流反向，通過控制變流器將電能反不變，而電流反向，通過控制變流器將電能反饋回電網。饋回電網。使電路具備再生反饋電力能力的方法使電路具備再生反饋電力能力的方法23圖圖10-10是整流電路和逆變電路都采用是整流電路和逆變電路都采用PWM控制的間接交流變流電路，控制的間接交流變流電路，可簡稱可簡稱雙

30、雙PWM電路電路，該電路輸入輸出電流均為正弦波，輸入功率因數高，該電路輸入輸出電流均為正弦波，輸入功率因數高，且可實現電動機四象限運行，但由于整流、逆變部分均為且可實現電動機四象限運行，但由于整流、逆變部分均為PWM控制且需控制且需要采用全控型器件，控制較復雜，成本也較高。要采用全控型器件，控制較復雜，成本也較高。 圖圖10-10 整流和逆變均為整流和逆變均為PWM控制的控制的電壓型間接交流變流電路電壓型間接交流變流電路 2410.2.1 10.2.1 交直交變頻器交直交變頻器圖圖10-11 采用可控整流的電流型間接交流變流電路采用可控整流的電流型間接交流變流電路 圖圖10-12 電流型交電流

31、型交直直交交PWM變頻電路變頻電路 圖圖10-11給出了可以再生反饋電力給出了可以再生反饋電力的電流型間接交流變流電路，當電的電流型間接交流變流電路，當電動機制動時，中間直流電路的電流動機制動時，中間直流電路的電流極性不能改變，要實現再生制動，極性不能改變，要實現再生制動，只需調節可控整流電路的觸發角，只需調節可控整流電路的觸發角，使中間直流電壓反極性即可。使中間直流電壓反極性即可。圖圖10-12給出了實現基于上述原理的給出了實現基于上述原理的電路圖，為適用于電路圖，為適用于較大容量的場合較大容量的場合，將，將主電路中的器件換為主電路中的器件換為GTO，逆變電路輸，逆變電路輸出端的電容出端的電

32、容C是為吸收是為吸收GTO關斷時產生關斷時產生的過電壓而設置的，它也可以對輸出的的過電壓而設置的，它也可以對輸出的PWM電流波形起濾波作用。電流波形起濾波作用。25電流型間接交流變流電路也可采用雙電流型間接交流變流電路也可采用雙PWM電路，為電路，為了吸收換流時的過電壓，在交流電源側和交流負載側都了吸收換流時的過電壓，在交流電源側和交流負載側都設置了電容器；可四象限運行，同時通過對整流電路的設置了電容器；可四象限運行，同時通過對整流電路的PWM控制可使輸入電流為正弦波，并使輸入功率因數控制可使輸入電流為正弦波，并使輸入功率因數為為1。 圖圖10-13 整流和逆變均為整流和逆變均為PWM控制的電

33、流型間接交流變流電控制的電流型間接交流變流電路路 2610.2.2 10.2.2 交流電機變頻調速的控制方式交流電機變頻調速的控制方式異步電動機的轉速主要由電源頻率和極對數決定，改變異步電動機的轉速主要由電源頻率和極對數決定，改變電源（定子）頻率可對電動機進行調速，同時為了不使電電源（定子）頻率可對電動機進行調速，同時為了不使電動機因頻率變化導致磁飽和而造成勵磁電流增大，引起功動機因頻率變化導致磁飽和而造成勵磁電流增大，引起功率因數和效率的降低，需對變頻器的電壓和頻率的比率進率因數和效率的降低，需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，以維持行控制，使該比率保持恒

34、定，即恒壓頻比控制，以維持氣氣隙磁通為額定值隙磁通為額定值。 籠型異步電動機的定子頻率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恒壓頻比控制 27 圖圖10-14給出了一個實例，轉速給定既作為調節加減速度的頻率給出了一個實例，轉速給定既作為調節加減速度的頻率f指令值，同時經過適當分壓，也被作為定子電壓指令值，同時經過適當分壓，也被作為定子電壓V1的指令值，該的指令值，該f指指令值和令值和V1指令值之比就決定了指令值之比就決定了V/f比值比值，由于頻率和電壓由同一給定，由于頻率和電壓由同一給定值控制，因此可以保證壓頻比為恒定；電機的轉向由變頻器輸出電值控制，因此可以保證壓頻比為恒定；電

35、機的轉向由變頻器輸出電壓的相序決定，不需要由頻率和電壓給定信號反映極性。壓的相序決定，不需要由頻率和電壓給定信號反映極性。 圖圖10-14 采用恒壓頻比控制的變頻調速系統框圖采用恒壓頻比控制的變頻調速系統框圖 2810.2.2 10.2.2 交流電機變頻調速的控制方式交流電機變頻調速的控制方式 轉差頻率控制轉差頻率控制 為轉速閉環的控制方式，可提高調速系統的動態性能。為轉速閉環的控制方式，可提高調速系統的動態性能。 從異步電機穩態模型可以證明，當穩態氣隙磁通恒定從異步電機穩態模型可以證明，當穩態氣隙磁通恒定時，電磁轉矩近似與轉差角頻率時，電磁轉矩近似與轉差角頻率 s成正比，因此，控制成正比，因

36、此，控制 s就相當于控制轉矩，采用轉速閉環的轉差頻率控制，就相當于控制轉矩，采用轉速閉環的轉差頻率控制，使定子頻率使定子頻率 1= r+ s ，則，則 1隨實際轉速隨實際轉速 r增加或減小，增加或減小，得到平滑而穩定的調速，保證了較高的調速范圍和動態得到平滑而穩定的調速，保證了較高的調速范圍和動態性能。性能。 這種方法是基于這種方法是基于電機穩態模型電機穩態模型的，仍然不能得到理想的，仍然不能得到理想的動態性能。的動態性能。2910.2.2 10.2.2 交流電機變頻調速的控制方式交流電機變頻調速的控制方式矢量控制矢量控制 異步電動機的數學模型是異步電動機的數學模型是高階高階、非線性非線性、強

37、耦合強耦合的的多變量系統多變量系統。 矢量控制方式基于異步電機的按轉子磁鏈定向的矢量控制方式基于異步電機的按轉子磁鏈定向的動態數學模型動態數學模型，將定子電流分解為勵磁分量和與此垂直的轉矩分量，參照直流調速系將定子電流分解為勵磁分量和與此垂直的轉矩分量，參照直流調速系統的控制方法，分別獨立地對兩個電流分量進行控制，類似直流調速統的控制方法，分別獨立地對兩個電流分量進行控制，類似直流調速系統中的雙閉環控制方式。系統中的雙閉環控制方式。 該方式需要該方式需要實現轉速和磁鏈的解耦實現轉速和磁鏈的解耦，控制系統較為復雜。，控制系統較為復雜。 直接轉矩控制直接轉矩控制 直接轉矩控制方法同樣是基于電機的直

38、接轉矩控制方法同樣是基于電機的動態模型動態模型，其控制閉環中的，其控制閉環中的內環，直接采用了轉矩反饋，并采用內環，直接采用了轉矩反饋，并采用砰砰砰控制砰控制，可以得到轉矩的快，可以得到轉矩的快速動態響應，并且控制相對要簡單許多。速動態響應，并且控制相對要簡單許多。 3010.3 10.3 不間斷電源不間斷電源不間斷電源（不間斷電源（Uninterruptible Power Supply UPS）是當交流輸入電源）是當交流輸入電源（習慣稱為市電）發生異常或斷電時，還能繼續向負載供電，并能保證供電（習慣稱為市電）發生異常或斷電時，還能繼續向負載供電，并能保證供電質量，使負載供電不受影響的裝置。

39、質量，使負載供電不受影響的裝置。廣義地說，廣義地說，UPS包括輸出為直流和輸出為交流兩種情況，目前通常是指輸包括輸出為直流和輸出為交流兩種情況，目前通常是指輸出為交流的情況出為交流的情況UPS是是恒壓恒頻（恒壓恒頻（CVCF）電源）電源中的主要產品之一，廣泛應用中的主要產品之一，廣泛應用于各種對交流供電可靠性和供電質量要求高的場合。于各種對交流供電可靠性和供電質量要求高的場合。 圖圖10-15 UPS基本結構原理圖基本結構原理圖3110.3 10.3 不間斷電源不間斷電源UPS的結構原理的結構原理 圖圖10-15給出了給出了UPS最基本的結構原理最基本的結構原理 基本工作原理是，當市電正常時，

40、由基本工作原理是，當市電正常時，由市電供電，當市電異常乃至停電時，由蓄電市電供電，當市電異常乃至停電時，由蓄電池向逆變器供電，因此從負載側看，供電不池向逆變器供電，因此從負載側看，供電不受市電停電的影響；在市電正常時，負載也受市電停電的影響；在市電正常時，負載也可以由逆變器供電，此時負載得到的交流電可以由逆變器供電，此時負載得到的交流電壓比市電電壓質量高，即使市電發生質量問壓比市電電壓質量高，即使市電發生質量問題（如電壓波動、頻率波動、波形畸變和瞬題（如電壓波動、頻率波動、波形畸變和瞬時停電等）時，也能獲得正常的恒壓恒頻的時停電等）時，也能獲得正常的恒壓恒頻的正弦波交流輸出，并且具有穩壓、穩頻

41、的性正弦波交流輸出，并且具有穩壓、穩頻的性能，因此也稱為能，因此也稱為穩壓穩頻電源穩壓穩頻電源。 圖圖10-15 UPS基本結構原理圖基本結構原理圖3210.3 10.3 不間斷電源不間斷電源圖圖10-16 具有旁路開關的具有旁路開關的UPS系統系統為保證市電異常或逆變器故障時負載供電的切換，實際的為保證市電異常或逆變器故障時負載供電的切換，實際的UPS產品中多數都設置了產品中多數都設置了旁路開關旁路開關，如圖，如圖10-16所示，市電與逆變器提所示，市電與逆變器提供的供的CVCF電源由轉換開關電源由轉換開關S切換；還需注意的是，在市電旁路電切換；還需注意的是，在市電旁路電源與源與CVCF電源

42、之間切換時，必須保證兩個電壓的相位一致，通電源之間切換時，必須保證兩個電壓的相位一致，通常采用常采用鎖相同步鎖相同步的方法。的方法。3310.3 10.3 不間斷電源不間斷電源在市電斷電時由于由蓄電池提供電能，供電時間取決在市電斷電時由于由蓄電池提供電能，供電時間取決于蓄電池容量的大小，有很大的局限性，為了保證長時于蓄電池容量的大小，有很大的局限性，為了保證長時間不間斷供電，可采用間不間斷供電，可采用柴油發電機（簡稱油機）作為后柴油發電機（簡稱油機）作為后備電源備電源，如圖，如圖10-17所示，蓄電池只需作為市電與油機之所示，蓄電池只需作為市電與油機之間的過渡，容量可以比較小。間的過渡，容量可

43、以比較小。圖圖10-17 用柴油發電機作為后備電源的用柴油發電機作為后備電源的UPS3410.3 10.3 不間斷電源不間斷電源圖圖10-18 小容量小容量UPS主電路主電路UPS的主電路結構的主電路結構 容量較小的容量較小的UPS主電路主電路 整流部分使用二極管整流器和直流斬波器（用作整流部分使用二極管整流器和直流斬波器（用作PFC），可），可獲得較高的獲得較高的交流輸入功率因數交流輸入功率因數。 由于逆變器部分使用由于逆變器部分使用IGBT并采用并采用PWM控制控制，可獲得良好的，可獲得良好的控制性能。控制性能。 3510.3 10.3 不間斷電源不間斷電源圖圖10-19 大功率大功率UP

44、S主電路主電路 使用使用GTO的大容量的大容量UPS主電路主電路 逆變器部分采用逆變器部分采用PWM控制，具有控制，具有調節電壓調節電壓和和改善波形改善波形的功能。的功能。 為減少為減少GTO的開關損耗，采用的開關損耗，采用較低的開關頻率較低的開關頻率。 輸出電壓中所含的最低次諧波為輸出電壓中所含的最低次諧波為11次，從而使交流濾波器小型化。次，從而使交流濾波器小型化。 3610.4 10.4 開關電源開關電源 10.4.1 開關電源的結構開關電源的結構 10.4.2 開關電源的控制方式開關電源的控制方式 10.4.3 開關電源的應用開關電源的應用3710.4 10.4 開關電源開關電源引言引

45、言在各種電子設備中，需要多路不同電壓供電，在各種電子設備中，需要多路不同電壓供電，如數字電路需要如數字電路需要5V、3.3V、2.5V等，模擬電等，模擬電路需要路需要12V、15V等，這就需要專門設計等，這就需要專門設計電源裝置來提供這些電壓，通常要求電源裝置電源裝置來提供這些電壓，通常要求電源裝置能達到一定的穩壓精度，還要能夠提供足夠大能達到一定的穩壓精度，還要能夠提供足夠大的電流。的電流。3810.4 10.4 開關電源開關電源引言引言線性電源和開關電源線性電源和開關電源 圖圖10-20所示為所示為線性電源線性電源，先用工頻變壓器降壓，然后經過整流，先用工頻變壓器降壓，然后經過整流濾波后，

46、由線性調壓得到穩定的輸出電壓。濾波后，由線性調壓得到穩定的輸出電壓。 圖圖10-21所示為所示為開關電源開關電源，先整流濾波、后經高頻逆變得到高頻，先整流濾波、后經高頻逆變得到高頻交流電壓，然后由高頻變壓器降壓、再整流濾波。交流電壓，然后由高頻變壓器降壓、再整流濾波。 開關電源在效率、體積和重量等方面都遠遠優于線性電源，因此開關電源在效率、體積和重量等方面都遠遠優于線性電源，因此已經基本取代了線型電源，成為電子設備供電的主要電源形式。已經基本取代了線型電源，成為電子設備供電的主要電源形式。 圖圖10-20 線性電源的基本電路結構線性電源的基本電路結構 圖圖10-21 半橋型開關電源電路結構半橋

47、型開關電源電路結構 3910.4.1 10.4.1 開關電源的結構開關電源的結構圖圖10-22 開關電源的能量變換過程開關電源的能量變換過程交流輸入的開關電源交流輸入的開關電源 交流輸入、直流輸出的開關電源將交流電轉換為直流電。交流輸入、直流輸出的開關電源將交流電轉換為直流電。 整流電路普遍采用二極管構成的橋式電路，直流側采用整流電路普遍采用二極管構成的橋式電路，直流側采用大電容濾波，較為先進的開關電源采用有源的功率因數校正大電容濾波，較為先進的開關電源采用有源的功率因數校正(Power Factor Correction - PFC)電路。電路。 高頻逆變變壓器高頻整流電路高頻逆變變壓器高頻

48、整流電路是開關電源的核心部是開關電源的核心部分，具體的電路采用的是隔離型直流直流變流電路。分，具體的電路采用的是隔離型直流直流變流電路。 高性能開關電源中普遍采用了高性能開關電源中普遍采用了軟開關技術軟開關技術。 可以采用給高頻變壓器設計可以采用給高頻變壓器設計多個二次側繞組多個二次側繞組的方法來實的方法來實現不同電壓的多組輸出，而且這些不同的輸出之間是相互隔現不同電壓的多組輸出，而且這些不同的輸出之間是相互隔離的，但是僅能選擇離的，但是僅能選擇1路作為輸出電壓反饋，因此也就只有路作為輸出電壓反饋，因此也就只有這這1路的電壓的穩壓精度較高，其它路的穩壓精度都較低，路的電壓的穩壓精度較高，其它路

49、的穩壓精度都較低，而且其中而且其中1路的負載變化時，其它路的電壓也會跟著變化。路的負載變化時，其它路的電壓也會跟著變化。 圖圖10-23 多路輸多路輸出的整流電路出的整流電路 4010.4.1 10.4.1 開關電源的結構開關電源的結構直流輸入的開關電源直流輸入的開關電源 也稱為也稱為直流直流變換器直流直流變換器(DC-DC Converter)，分為，分為隔離型隔離型和和非隔離型非隔離型，隔離型多采用反激、正激、半橋等隔離型電路，而非隔離型采用隔離型多采用反激、正激、半橋等隔離型電路，而非隔離型采用Buck、Boost、Buck-Boost等電路。等電路。 負載點穩壓器負載點穩壓器(POL-

50、Point Of the Load regulator) 僅僅為僅僅為1個專門的元件（通常是一個大規模集成電路芯片）供電的直流個專門的元件（通常是一個大規模集成電路芯片）供電的直流直流變換器。直流變換器。 計算機主板上給計算機主板上給CPU和存儲器供電的電源都是典型的和存儲器供電的電源都是典型的POL。 非隔離的直流直流變換器、尤其是非隔離的直流直流變換器、尤其是POL的輸出電壓往往較低，為了提的輸出電壓往往較低，為了提高效率，經常采用高效率，經常采用同步同步Buck (Sync Buck)電路電路，該電路的結構為，該電路的結構為Buck，但二極，但二極管也采用管也采用MOSFET，利用其低導

51、通電阻的特點來降低電路中的通態損耗，其，利用其低導通電阻的特點來降低電路中的通態損耗，其原理類似同步整流電路。原理類似同步整流電路。圖圖10-24 a)同步降壓電路同步降壓電路 圖圖10-24 b)同步升壓電路同步升壓電路 4110.4.1 10.4.1 開關電源的結構開關電源的結構圖圖10-25 通信電源系統通信電源系統 分布式電源系統分布式電源系統 在通信交換機、巨型計算機等復在通信交換機、巨型計算機等復雜的電子裝置中，供電的路數太多，雜的電子裝置中，供電的路數太多，總功率太大，難以用一個開關電源完總功率太大，難以用一個開關電源完成，因此出現了成，因此出現了分布式的電源系統分布式的電源系統

52、。 如圖如圖10-25，一次電源完成交流，一次電源完成交流直流的隔離變換，其輸出連接到直流直流的隔離變換，其輸出連接到直流母線上，直流母線連接到交換機中每母線上，直流母線連接到交換機中每塊電路板，電路板上都有自己的塊電路板，電路板上都有自己的DC-DC變換器，將變換器，將48V轉換為電路所需的轉換為電路所需的各種電壓；大容量的蓄電池組保證停各種電壓；大容量的蓄電池組保證停電的時候交換機還能正常工作電的時候交換機還能正常工作 。 一次電源采用多個開關電源并聯一次電源采用多個開關電源并聯的方案，每個開關電源僅僅承擔一部的方案，每個開關電源僅僅承擔一部分功率，并聯運行的每個開關電源有分功率，并聯運行

53、的每個開關電源有時也被成稱為時也被成稱為“模塊模塊”，當其中個別，當其中個別模塊發生故障時，系統還能夠繼續運模塊發生故障時，系統還能夠繼續運行，這被稱為行，這被稱為“冗余冗余”。 4210.4.2 10.4.2 開關電源的控制方式開關電源的控制方式圖圖10-26 開關電源的控制系統開關電源的控制系統 典型的開關電源控制系統如圖典型的開關電源控制系統如圖10-26 所示，采用所示，采用反饋控制反饋控制，控制器根據誤差，控制器根據誤差e來調整控制量來調整控制量vc。 電壓模式控制電壓模式控制 圖圖10-26 所示即為電壓模式控制，僅有一個輸出所示即為電壓模式控制，僅有一個輸出電壓反饋控制環電壓反饋

54、控制環。 其優點是結構簡單，但有一個顯著的缺點是不能有效的控制電路中的電流。其優點是結構簡單，但有一個顯著的缺點是不能有效的控制電路中的電流。4310.4.2 10.4.2 開關電源的控制方式開關電源的控制方式電流模式控制電流模式控制 在電壓反饋環內增加了在電壓反饋環內增加了電流反饋控制環電流反饋控制環，電壓控制，電壓控制器的輸出信號作為電流環的參考信號，給這一信號設置器的輸出信號作為電流環的參考信號，給這一信號設置限幅，就可以限值電路中的最大電流，達到短路和過載限幅，就可以限值電路中的最大電流，達到短路和過載保護的目的，還可以實現恒流控制。保護的目的，還可以實現恒流控制。 圖圖10-27 電

55、流模式控制系統的結構電流模式控制系統的結構 4410.4.2 10.4.2 開關電源的控制方式開關電源的控制方式圖圖10-28 峰值電流模式控制的原理峰值電流模式控制的原理 峰值電流模式控制峰值電流模式控制 峰值電流模式控制系統中電流控制環的結構如圖峰值電流模式控制系統中電流控制環的結構如圖10-28a所示，主要的波形所示，主要的波形如圖如圖10-28b所示。所示。 基本的原理：開關的開通由基本的原理：開關的開通由時鐘時鐘CLK信號信號控制，控制，CLK信號每隔一定的時間信號每隔一定的時間就使就使RS觸發器觸發器置位，使開關開通；開關開通后置位，使開關開通；開關開通后iL上升，當上升，當iL達

56、到電流給定值達到電流給定值iR后，比較器輸出信號翻轉，并復位后，比較器輸出信號翻轉，并復位RS觸發器，使開關關斷。觸發器，使開關關斷。 a)b)4510.4.2 10.4.2 開關電源的控制方式開關電源的控制方式圖圖10-29 平均電流模式控制的原理平均電流模式控制的原理 a)b) 峰值電流模式控制的不足：該方法控峰值電流模式控制的不足：該方法控制電感電流的峰值，而不是電感電流的制電感電流的峰值，而不是電感電流的平均值，且二者之間的差值隨著平均值，且二者之間的差值隨著M1和和M2的不同而改變，這對很多需要精確控的不同而改變，這對很多需要精確控制電感電流平均值的開關電源來說是不制電感電流平均值的

57、開關電源來說是不能允許的；峰值電流模式控制電路中將能允許的；峰值電流模式控制電路中將電感電流直接與電流給定信號相比較，電感電流直接與電流給定信號相比較，但電感電流中通常含有一些開關過程產但電感電流中通常含有一些開關過程產生的噪聲信號，容易生的噪聲信號，容易造成比較器的誤動造成比較器的誤動作作，使電感電流發生不規則的波動。，使電感電流發生不規則的波動。平均電流模式控制平均電流模式控制 平均電流模式控制采用平均電流模式控制采用PI調節器調節器作為作為電流調節器，并將調節器輸出的控制量電流調節器，并將調節器輸出的控制量uc與鋸齒波信號與鋸齒波信號uS相比較，得到周期固相比較，得到周期固定、占空比變化

58、的定、占空比變化的PWM信號，用以控信號，用以控制開關的通與斷。制開關的通與斷。 4610.4.3 10.4.3 開關電源的應用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，如臺式計開關電源廣泛用于各種電子設備、儀器，以及家電等，如臺式計算機和筆記本計算機的電源，電視機、算機和筆記本計算機的電源，電視機、DVD播放機的電源，以及播放機的電源，以及家用空調器、電冰箱的電腦控制電路的電源等，這些電源功率通家用空調器、電冰箱的電腦控制電路的電源等，這些電源功率通常僅有幾十常僅有幾十W幾百幾百W；手機等移動電子設備的充電器也是開關；手機等移動電子設備的充電器也是開關電源，但功率僅有幾電

59、源，但功率僅有幾W；通信交換機、巨型計算機等大型設備的；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，可達數電源也是開關電源，但功率較大，可達數kW數百數百kW；工業上；工業上也大量應用開關電源，如數控機床、自動化流水線中，采用各種也大量應用開關電源，如數控機床、自動化流水線中，采用各種規格的開關電源為其控制電路供電。規格的開關電源為其控制電路供電。 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，功率可達幾十幾百化學過程等，功率可達幾十幾百kW；在；在X光機、微波發射機、光機、微波發射機、雷達等設備

60、中，大量使用的是高壓、小電流輸出的開關電源。雷達等設備中，大量使用的是高壓、小電流輸出的開關電源。 4710.5 10.5 功率因數校正技術功率因數校正技術 10.5.1 功率因數校正電路的基本原理功率因數校正電路的基本原理 10.5.2 單級功率因數校正技術單級功率因數校正技術4810.5 10.5 功率因數校正技術功率因數校正技術引言引言以開關電源為代表的各種電力電子裝置帶來一些負面的問題：輸以開關電源為代表的各種電力電子裝置帶來一些負面的問題：輸入電流不是正弦波，就涉及到入電流不是正弦波，就涉及到諧波諧波和和功率因數功率因數的問題。的問題。功率因數校正功率因數校正PFC (Power F