1、1梁南丁電力電子技術26.1 6.1 交交- -直直- -交組合變流電路交組合變流電路6.2 6.2 直直- -交交- -直組合變流電路直組合變流電路 6.3 6.3 電力電子技術的應用電力電子技術的應用 3v 組合變流電路：組合變流電路：是將AC/DC、DC/DC、AC/AC和DC/AC四大類 基本變流電路中的某幾種基本的變流電路組合起來，以實現一定的 新功能。v 間接交流變流電路：間接交流變流電路：先將交流整流為直流，再逆變為交流，是先整流后逆變的組合。 應用：應用： 交直交變頻電路（Variable Voltage Variable FrequencyVVVF），主要用作變頻器。 恒壓恒

2、頻變流電路（Constant Voltage Constant FrequencyCVCF），主要用作不間斷電源（Uninterruptable Power SupplyUPS）。v 間接直流變流電路：間接直流變流電路：先將直流逆變為交流，再整流為直流電，是先逆變后整流的組合。 應用：應用：各種開關電源（Switching Mode Power SupplySMPS）46.16.1交交- -直直- -交組合變流電路交組合變流電路v 交交-直直-交組合變流電路主要按電壓型、電流型進行分類。交組合變流電路主要按電壓型、電流型進行分類。v 交交-直直-交組合變流電路，其逆變部分多采用交組合變流電路，

3、其逆變部分多采用PWM控制?？刂啤?6.1.1 6.1.1 交交- -直直- -交組合變流電路原理交組合變流電路原理1電壓型交電壓型交-直直-交組合變流電路交組合變流電路 電壓型交-直-交組合變流電路在負載能量反饋到中間直流電路時，將導致電容電壓升高，稱為泵升電壓，如果能量無法反饋回交流電源，泵升電壓會危及整個電路的安全AC（負載）AC（電源）圖圖6.1 不能再生反饋的電壓型不能再生反饋的電壓型交交-直直-交組合交組合變流電路變流電路5 為使電路具備再生反饋電力的能力，可采用：為使電路具備再生反饋電力的能力，可采用： 帶有泵升電壓限制電路的電壓型交-直-交組合變流電路 當泵升電壓超過一定數值時

4、，使V0導通，把從負載反饋的能量消耗在R0上。如圖6.2AC負載AC電源V0R0 圖圖6.2帶有泵升電壓限制電路的電帶有泵升電壓限制電路的電壓型壓型交交-直直-交組合交組合變流電路變流電路 利用可控變流器實現再生反饋的電壓型交利用可控變流器實現再生反饋的電壓型交-直直-交組合變流電路交組合變流電路 當負載回饋能量時，可控變流器工作于有源逆變狀態，將電能反饋回電網。如圖6.3AC負載AC電源圖圖6.3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饋的電壓型交交-直直-交組合交組合變流電變流電路路 6 整流和逆變均為PWM控制的電壓型交-直-交組合變流電路 整流和逆變電路的構成完全相同

5、，均采用PWM控制，能量可雙向流動。 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。 AC負載AC電源圖圖6.4整流和逆變均為整流和逆變均為PWM控制的控制的電壓型電壓型交交-直直-交組合交組合變流電路變流電路 72電流型交電流型交-直直-交組合變流電路交組合變流電路 整流電路為不可控的二極管整流時，電路不能將負載側的能量反饋到電源側。如圖6.5 為使電路具備再生反饋電力的能力，可采用： 整流電路采用晶閘管可控整流電路。 負載回饋能量時，可控變流器工作于有源逆變狀態，使中間直流電壓反極性。如圖6.6AC負載AC電源AC負載AC電源再生反饋輸送功率功率流向IdUdUL圖圖6.

6、6采用可控整流的電流型采用可控整流的電流型交交-直直-交組合交組合變流電路變流電路圖圖6.5不能再生反饋電力的電流型不能再生反饋電力的電流型交交-直直-交組合交組合變流電路變流電路8 整流和逆變均為PWM控制的電流型間接交流變流電路 通過對整流電路的PWM控制使輸入電流為正弦波，并使輸入功率因數為1。如圖6.7,圖6.8M3整流C逆變LdVT1VT3VT5VT4VT6VT2UVWabc電源負載圖圖6.7電流型交電流型交直直交交PWM變變頻電路頻電路圖圖6.8整流和逆變均為整流和逆變均為PWM控制的電流控制的電流型間接交流變流電路型間接交流變流電路 96.1.2 交交-直直-交組合變流電路的控制

7、方式交組合變流電路的控制方式 晶閘管直流電動機傳動系統存在一些固有的缺點：(1) 受使用環境條件制約；(2) 需要定期維護；(3) 最高速度和容量受限制等。 交流調速傳動系統除了克服直流調速傳動系統的缺點外還具有：(1) 交流電動機結構簡單，可靠性高；(2) 節能；(3) 高精度，快速響應等優點。 采用變頻調速方式時，無論電機轉速高低，轉差功率的消耗基本不變，系統效率是各種交流調速方式中最高的，具有顯著的節能效果，是交流調速傳動應用最多的一種方式。 籠型異步電動機的定子頻率控制方式，有：(1) 恒壓頻比（U/f）控制；(2) 轉差頻率控制；(3) 矢量控制；(4) 直接轉矩控制等。101)恒壓

8、頻比控制恒壓頻比控制 為避免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，以維持氣隙磁通為額定值。 恒壓頻比控制是比較簡單，被廣泛采用的控制方式。該方式被用于轉速開環的交流調速系統，適用于生產機械對調速系統的靜、動態性能要求不高的場合。 工作原理：工作原理： 轉速給定既作為調節加減速的頻率f指令值，同時經過適當分壓，作為定子電壓U1的指令值。該比例決定了U/f比值，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。1變壓變頻（變壓變頻（VVVF）電路控制方式）電路控制方式圖圖6.9 采用

9、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11 在給定信號之后設置的給定積分器，將階躍給定信號轉換為按設定 斜率逐漸變化的斜坡信號ugt，從而使電動機的電壓和轉速都平緩地 升高或降低，避免產生沖擊。 給定積分器輸出的極性代表電機轉向，幅值代表輸出電壓、頻率。絕對值變換器輸出ugt的絕對值uabs，電壓頻率控制環節根據uabs及ugt的極性得出電壓及頻率的指令信號，經PWM生成環節形成控制逆變器的PWM信號，再經驅動電路控制變頻器中IGBT的通斷，使變頻器輸出所需頻率、相序和大小的交流電壓，從而控制交流電機的轉速和轉向。圖圖6.9 采用恒壓頻比控制的變頻調速系統框圖采用恒壓

10、頻比控制的變頻調速系統框圖122)轉差頻率控制轉差頻率控制 在穩態情況下，當穩態氣隙磁通恒定時，異步電機電磁轉矩近似與轉差角頻率w ws s成正比。因此，控制w ws s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w w1 1 = = w wr r + + w ws s，則w1隨實際轉速w wr r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。 轉差頻率控制方式可達到較好的靜態性能，但這種方法是基于穩態模型的，得不到理想的動態性能。133矢量控制矢量控制 異步電動機的數學模型是高階、非線性、強耦合的多變量系統。傳統設計方法無法達到理想的動態性能。 矢量控制方式基于異步電機

11、的按轉子磁鏈定向的動態模型，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。 控制系統較為復雜，但可獲得與直流電機調速相當的控制性能。4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動態模型的，其控制閉環中的內環，直接采用了轉矩反饋，并采用砰砰控制，可以得到轉矩的快速動態響應。并且控制相對要簡單許多。14 2 恒壓恒頻（恒壓恒頻（CVCF）電源）電源 CVCF電源主要用作不間斷電源（電源主要用作不間斷電源（UPS）。 UPS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。 UPS基本工作

12、原理是，基本工作原理是， 市電正常時，由市電供電，市電經整流器整流為直流，再逆變為50Hz恒頻恒壓的交流電向負載供電。同時，整流器輸出給蓄電池充電，保證蓄電池的電量充足。 此時負載可得到的高質量的交流電壓，具有穩壓、穩頻性能，也稱為穩壓穩頻電源。蓄電池市電整流器逆變器負載圖圖6.10 UPS基本結構原理圖基本結構原理圖15 市電異常乃至停電時，蓄電池的直流電經逆變器變換為 恒頻恒壓交流電繼續向負載供電，供電時間取決于蓄電池 容量的大小。 為了保證長時間不間斷供電，可采用柴油發電機（簡稱油機）作為后備電源。如圖6.11 增加旁路電源系統，可使負載供電可靠性進一步提高。如圖6.12蓄電池市電整流器

13、逆變器負載油機S12圖圖6.11 用柴油發電機作用柴油發電機作為后備電源的為后備電源的UPS 蓄電池市電整流器逆變器負載油機1234轉換開關CVCF電源旁路電源S1S2圖圖6.12 具有旁路電源系統的具有旁路電源系統的UPS 16 UPS主電路結構主電路結構 圖6.13是小容量UPS的主電路，整流部分使用二極管整流器和直流斬波器（PFC），可獲得較高的交流輸入功率因數，逆變器部分使用IGBT并采用PWM控制，可獲得良好的控制性能。 圖6.14所示為使用GTO的大容量UPS主電路。采用PWM控制的逆變器開關頻率較低，通過多重化聯結降低輸出電壓中的諧波分量。 市電整流器斬波器DCL蓄電池直流濾波器

14、 逆變器交流濾波器交流開關負載圖圖6.13 小容量小容量UPS主電路主電路 蓄電池晶閘管開關整流器市電旁路電源晶閘管開關晶閘管開關負載交流濾波器逆變器用變壓器GTO逆變器圖圖6.14 大功率大功率UPS主電路主電路 176.2 6.2 直直- -交交- -直組合變流電路直組合變流電路 間接直流變流電路：先將直流逆變為交流，再整流為直流電，也稱為直交直電路。圖圖6.15 6.15 間接直流變流電路的結構間接直流變流電路的結構 采用這種結構的變換原因： 輸出端與輸入端需要隔離。 某些應用中需要相互隔離的多路輸出。 輸出電壓與輸入電壓的比例遠小于1或遠大于1。 交流環節采用較高的工作頻率，可以減小變

15、壓器和濾波電感、濾波電容的體積和重量。工作頻率高于20kHz這一人耳的聽覺極限，可避免變壓器和電感產生噪音。變壓器整流電路濾波器直流交流交流脈動直流直流逆變電路18 逆變電路通常使用全控型器件，整流電路中通常采用快恢復二極管、肖特基二極管或MOSFET構成的同步整流電路（Synchronous Rectifier）。 間接直流變流電路分為單端(Single End)和雙端(Double End)電路兩大類。 單端電路：變壓器中流過的是直流脈動電流，如正激電路和反激電路。 雙端電路：變壓器中的電流為正負對稱的交流電流。如半橋、全橋和推挽電路。 196.2.1單端電路單端電路1正激電路正激電路 電

16、路的工作過程電路的工作過程（電路圖電路圖6.16 波形圖波形圖6.17） 開關S開通后，變壓器繞組N1兩端的電壓為上正下負，與其耦合的N2繞組兩端的電壓也是上正下負。因此VD1處于通態，VD2為斷態，電感L的電流逐漸增長； S關斷后，電感L通過VD2續流，VD1關斷。S關斷后變壓器的 勵磁電流經N3繞組和VD3流回電源，所以S關斷后承受的電壓為 。iSUNNu)1 (31+=變壓器的磁心復位：變壓器的磁心復位：開關S開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨著時間的增加而線性的增長，直到S關斷。為防止變壓器的激磁電感飽和，必須設法使激磁電流在S關斷后到下一次再開通的一段時間內降回零，這一過程稱為變壓

17、器的磁心復位。 圖圖6.16 正激電路的原理圖正激電路的原理圖圖圖6.17 正激電路的理想化波形正激電路的理想化波形20 變壓器的磁心復位時間為（復位過程圖復位過程圖6.18） 輸出電壓： 輸出濾波電感電流連續的情況下： 輸出電感電流不連續時，輸出電壓Uo將高于上式的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下: on31rsttNNt=TtNNUUon12io=i12oUNNU= 圖圖6.18 6.18 磁心復位過程磁心復位過程 21 2 2反激電路反激電路 反激電路及其工作波形分別如圖6.19和圖6.20所示。 反激電路中的變壓器起著儲能元件的作用，可以看作是一對相互耦合的電感。 工

18、作過程： S開通后，VD處于斷態，N1繞組的電流線性增長，電感儲能增加； S關斷后，N1繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過N2繞組和VD向輸出端釋放。S關斷后的電壓為：+UiSVDN1N2UoW1W2SuSiSiVDtontoffttttUiOOOOuUNNUS=+io12 圖圖6.19 6.19 反激電路原理圖反激電路原理圖圖圖6.20 反激電路的理想化波形反激電路的理想化波形22v 反激電路的工作模式：反激電路的工作模式： 電流連續模式：當S開通時，N2繞組中的電流尚未下降到零。 輸出電壓關系： 電流斷續模式：S開通前，N2繞組中的電流已經下降到零。 輸出電壓高于上式的計算值，并隨負

19、載減小而升高，在負載為零的極限情況下， ，因此反激電路不應工作于負載開路狀態。offon12iottNNUU=Uo 23 6.2.2 雙端電路雙端電路1半橋電路半橋電路+S1S2VD1VD2LUiN1N2N3+udUo+C1C2W1W3W2S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO圖圖6.21 6.21 半橋電路原理圖半橋電路原理圖圖圖6.22 半橋電路的理想化波形半橋電路的理想化波形工作過程：工作過程： S1與S2交替導通，使變壓器一次側形成幅值為Ui/2的交流電壓。改變開關的占空比，就可以改變二次側整流電壓ud的平均值，也就改變了輸

20、出電壓Uo。 S1導通時，二極管VD1處于通態，S2導通時，二極管VD2處于通態， 當兩個開關都關斷時，變壓器繞組N1中的電流為零，VD1和VD2都處于通態，各分擔一半的電流。 S1或S2導通時電感L的電流逐漸上升，兩個開關都關斷時，電感L的電流逐漸下降。S1和S2斷態時承受的峰值電壓均為Ui。24 由于電容的隔直作用，半橋電路對由于兩個開關導通時間不對稱而造成的變壓器一次側電壓的直流分量有自動平衡作用，因此不容易發生變壓器的偏磁和直流磁飽和。 輸出電壓：輸出電壓： 當濾波電感L的電流連續時： 如果輸出電感電流不連續，輸出電壓U0將高于上式的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下，

21、 TtNNUUon12io=2i12oUNNU=+S1S2VD1VD2LUiN1N2N3+udUo+C1C2W1W3W2S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO圖圖6.21 6.21 半橋電路原理圖半橋電路原理圖圖圖6.22 半橋電路的理想化波形半橋電路的理想化波形25+N1S2S3S4VD1VD2VD4VD3LS1N2+-+-uduTUiUoW2W1S1(S4)S2(S3)uS1(uS4)uS2(uS3)iS1(iS4)iS2(iS3)iD1(iD4)iS2(iS3)tonTttttttttUiUiiLiLOOOOOOOO圖圖6.2

22、3 全橋電路原理圖全橋電路原理圖圖圖6.24 全橋電路的理想化波形全橋電路的理想化波形v 工作過程：工作過程： 全橋逆變電路中，互為對角的兩個開關同時導通，同一側半橋上下兩開關交替導通，使變壓器一次側形成幅值為Ui的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。 當S1與S4開通后，二極管VD1和VD4處于通態，電感L的電流逐漸上升； S2與S3開通后，二極管VD2和VD3處于通態，電感L的電流也上升。 當4個開關都關斷時，4個二極管都處于通態，各分擔一半的電感電流，電感L的電流逐漸下降.S1和S2斷態時承受的峰值電壓均為Ui。 2全橋電路全橋電路 26如果S1、S4與S2、S3的導通時間不對稱，則

23、交流電壓uT中將含有直流分量，會在變壓器一次側產生很大的直流 分量，造成磁路飽和，因此全橋電路應注意避免電壓直流分量的產生，也可以在一次側回路串聯一個電容，以阻斷直流電流。 輸出電壓：輸出電壓： 濾波電感電流連續時： 輸出電感電流斷續時，輸出電壓Uo將高于式（8-5）的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下， TtNNUUon12io2=UNNUoi=21+N1S2S3S4VD1VD2VD4VD3LS1N2+-+-uduTUiUoW2W1S1(S4)S2(S3)uS1(uS4)uS2(uS3)iS1(iS4)iS2(iS3)iD1(iD4)iS2(iS3)tonTttttttttU

24、iUiiLiLOOOOOOOO圖圖6.23 全橋電路原理圖全橋電路原理圖圖圖6.24 全橋電路的理想化波形全橋電路的理想化波形273 推挽電路推挽電路+S1S2VD1VD2LUiN1N1N2N2UoS1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO圖圖6.25 推挽電路原理圖推挽電路原理圖圖圖6.26 推挽電路的理想化波形推挽電路的理想化波形v 工作過程：工作過程： 推挽電路中兩個開關S1和S2交替導通，在繞組N1和N1兩端分別形成相位相反的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。 S1導通時，二極管VD1處于通態，電感L的電流逐漸上升。

25、S2導通時，二極管VD2處于通態，電感L的電流也逐漸上升。 當兩個開關都關斷時，VD1和VD2都處于通態，各分擔一半的電流。S1和S2斷態時承受的峰值電壓均為2倍Ui。 S1和S2同時導通，相當于變壓器一次側繞組短路，因此應避免兩個開關同時導通。28 輸出電壓：輸出電壓： 濾波電感L電流連續時： 輸出電感電流不連續時，輸出電壓Uo將高于上式的計算值，并隨負載減小而升高，在負載為零的極限情況下: TtNNUUon12io2=UNNUoi=2129表表6-1為以上幾種電路的相互比較。為以上幾種電路的相互比較。304 全波整流和全橋整流全波整流和全橋整流雙端電路中常用的整流電路形式為全波整流電路和全

26、橋整流電路，其原理圖如圖6.27所示。(a) 全波整流電路全波整流電路 (b) 全橋整流電路全橋整流電路圖圖6.27 全波整流電路和全橋整流電路原理圖全波整流電路和全橋整流電路原理圖 全波整流電路的特點全波整流電路的特點 優點：電感L的電流只流過一個二極管，回路中只有一個二極管壓降，損耗小，而且整流電路中只需要2個二極管，元件數較少。 缺點：二極管斷態時承受的反壓是二倍的交流電壓幅值，對器件耐壓要求較高，而且變壓器二次側繞組有中心抽頭，結構較復雜。 適用場合：輸出電壓較低的情況下（100V）。31 全橋電路的特點全橋電路的特點 優點：二極管在斷態承受的電壓僅為交流電壓幅值，變壓器的繞組結構較為

27、簡單。 缺點：電感L的電流流過兩個二極管，回路中存在兩個二極管壓降，損耗較大，而且電路中需要4個二極管，元件數較多。 適用場合：高壓輸出的情況下。同步整流電路：當電路的輸出電壓非常低時，可以采用同步整流電路，利用低電壓MOSFET具有非常小的導通電阻的特性降低整流電路的導通損耗，進一步提高效率。+V1V2L圖圖6.28 同步整流電路原理圖同步整流電路原理圖32 6.2.3 開關電源開關電源 如果間接直流變流電路輸入端的直流電源是由交流電網整流得來，所構成的交直交直電路，通常被稱為開關電源。 由于開關電源采用了工作頻率較高的交流環節，變壓器和濾波器都大大減小，體積和重量都遠小于相控整流電源，此外

28、，工作頻率的提高還有利于控制性能的提高。33 6.36.3電力電子技術的應用電力電子技術的應用6.3.1典型的直流調速系統典型的直流調速系統 1. 具有轉速負反饋的晶閘管直流調速系統具有轉速負反饋的晶閘管直流調速系統 圖中Ld為平波電抗器。在此系統中，勵磁電流保持恒值，調速是通過調節電動機電樞電壓來實現的。比例調節器為控制環節，測速發電機和電位器RP2為檢測和反饋環節（RP2調節反饋量），RP 1為給定電位器。 圖圖6.29 具有轉速負反饋的直流調速系統原理圖具有轉速負反饋的直流調速系統原理圖34圖圖6.30 具有轉速負反饋的直流調速系統組成框圖具有轉速負反饋的直流調速系統組成框圖 圖圖6.3

29、1 具有轉速負反饋的直流調速系統自動調節過程具有轉速負反饋的直流調速系統自動調節過程 352.具有電壓負反饋和電流正反饋的晶閘管直流調速系統具有電壓負反饋和電流正反饋的晶閘管直流調速系統調節器的輸入信號（亦即綜合后的偏差電壓）U（UsUfnUfi）（因各信號輸入回路電阻均為R0）這樣，當TL、n時，Ia、Ufi及Ufn，使 ，從而使輸出電壓Uo增加，轉速n增加，起到了穩定轉速的作用。 U36 3.轉速、電流雙閉環晶閘管直流調速系統轉速、電流雙閉環晶閘管直流調速系統圖圖6.32 轉速、電流雙閉環直流調速系統原理圖轉速、電流雙閉環直流調速系統原理圖37圖圖6.33 轉速、電流雙閉環直流調速系統的組

30、成框圖轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成框圖38圖圖6.35 速度環的自動調節過程速度環的自動調節過程圖圖6.34 電流環的自動調節過程電流環的自動調節過程39 4.PWM直流脈寬調速系統直流脈寬調速系統圖圖6.37 6.37 雙極式雙極式PWMPWM變換器電壓和變換器電壓和電流波形電流波形圖圖6.36 雙極式雙極式H型可逆型可逆PWM變換器電路原理圖變換器電路原理圖40直流脈寬調速系統具有以下優點：（1）主電路線路簡單，需用的功率元件少；（2）開關頻率高，電流容易連續，諧波少，電機損耗和發熱都較??；（3）低速性能好，穩速精度高，因而調速范圍寬；（4）系統頻帶寬，快速響應性能好，動態抗擾能力強

31、；（5）主電路元件工作在開關狀態，導通損耗小，裝置效率高；（6）直流電源采用不可控三相整流時，電網功率因數高。 表表6-2 雙極式和單極式可逆雙極式和單極式可逆PWM變換器的比較（當負數較重時）變換器的比較（當負數較重時）416.3.2 變頻器變頻器1.變頻器的基本構成變頻器的基本構成圖圖6.38 交交-直直-交變頻器的基本構成交變頻器的基本構成M圖圖6.39 電壓型變頻器主電路電壓型變頻器主電路422. PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法沖量等效原理：沖量等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。因此，可以通過一定的控制方式，用一系列等幅不等寬的

32、脈沖來代替一個正弦波。 表表6-3 電壓型變頻器主回路方式的比較電壓型變頻器主回路方式的比較43圖圖6.40單相橋式電壓單相橋式電壓型逆變電路型逆變電路表表6-4 阻感負載單相橋式阻感負載單相橋式PWM逆變電路分析逆變電路分析（輸出電壓（輸出電壓uo的正半周，的正半周，V1導通，導通，V3、V4交替導通）交替導通）44 4. PWM集成電路集成電路圖圖6.43 TL494的引腳排列的引腳排列表表6-5 6-5 TL494集成芯片各引腳的名稱、功能和用法集成芯片各引腳的名稱、功能和用法1）TL494脈寬調制器集成電路脈寬調制器集成電路45表表6-5 6-5 TL494集成芯片各引腳的名稱、功能和

33、用法集成芯片各引腳的名稱、功能和用法圖圖6.43 TL494的引腳排列的引腳排列46 2）SG3525 BMOS電壓型電壓型PWM控制器集成電路控制器集成電路 圖圖6.45 SG3525的引腳排列的引腳排列 表表6-6 SG3525芯片各引腳的名稱、功能和用法芯片各引腳的名稱、功能和用法47表表6-6 SG3525芯片各引腳的名稱、功能和用法芯片各引腳的名稱、功能和用法圖圖6.45 SG3525的引腳排列的引腳排列 486.3.3 典型變頻調速系統典型變頻調速系統 1交交-直直-交電壓型變頻調速系統交電壓型變頻調速系統圖圖6.47 電壓型逆變器頻率開環調速系統電壓型逆變器頻率開環調速系統電壓控

34、制回路控制整流橋的輸出直流電壓大小，頻率控制回路控制逆變橋的輸出頻率大小，使電動機定子得到變壓變頻的交流電。兩個控制回路由一個轉速給定環節控制。電壓控制采用相位控制，改變晶閘管控制角a，即可控制整流橋的直流輸出電壓大小。 電壓閉環保證實際電壓與給定電壓大小一致，同時對前向通道上的擾動信號起抗擾作用。在電壓調節器AVR前面設置函數發生器，是為了協調電壓與頻率的關系，以實現前述的控制方式。這里在額定頻率以下實行E1/f1=常數；額定頻率以上實行近似恒功率控制方式。頻率控制是通過壓頻變換器、環行分配器、脈沖輸出等環節，控制逆變橋晶閘管的開關頻率。49 2交交-交變頻調速系統交變頻調速系統圖圖6.48

35、 交交-交變頻器的頻率開環調速系統原理圖交變頻器的頻率開環調速系統原理圖給定器給出一頻率給定信號 ，經A/D變換器輸入計算機，計算機根據 的大小，按照某種控制規律，算出對應的電壓給定值后，輸出三個相位差120、幅值和頻率分別與頻率給定信號和電壓給定 信號相同的正弦交流電壓信號，經D/A變換器作為三個電壓調節器AVR的給定電壓信號 。當電壓給定信號以一定頻率和幅值周期性變化時，變頻器輸出端就向電動機提供與其對應的交流電，其電壓大小與信號電壓成正比，頻率與信號頻率相同。改變給定信號大小，即可使電動機得到變壓變頻的交流電源。-*fU*fU*1U506.3.4 高壓直流輸電高壓直流輸電圖圖6.49 H

36、VDC典型系統接線圖典型系統接線圖在遠離用電負荷中心的發電站采用直流電（兩根輸電線）遠距離輸送同等功率的電能比采用交流電（三根輸電線）更加經濟。一般而言，直流架空輸電線的等價距離約為480650km，若采用地下或海底電纜線路，其等價距離會更?。s為1030km）。由于高壓電纜分布電容和充電功率的限制，長距離海底電纜交流輸電幾乎是不可能的，而直流方式比較適宜。 圖6.49所示為用直流輸電方式連接兩個交流系統的典型框圖，其中的兩個交流電力系統都可能有各自的電源和負載。 假定功率方向是從系統A指向系統B。系統A的交流母線電壓將被升壓到所要求的輸電電壓水平，然后由A端換流站整流，再經直流線路把電能送向

37、B端。受電端B也有換流站，它把直流電逆變換成交流電，并通過變壓器調整到系統B所需的電壓等級。這樣，從直流輸電線傳輸來的電能經過系統B的交流輸電配電線供給用戶。516.3.5 靜止無功補償靜止無功補償 根椐所采用的電力電子器件，靜止無功補償裝置分為兩大類型：根椐所采用的電力電子器件，靜止無功補償裝置分為兩大類型： 1、采用晶閘管開關的靜止無功補償裝置：、采用晶閘管開關的靜止無功補償裝置： 1）晶閘管控制電抗器（）晶閘管控制電抗器（ Thyristor Controlled Reactor TCR） 2）晶閘管投切電容器（）晶閘管投切電容器（Thyristor SwitchedCapacitor

38、TSC） 2、采用自換相變流器的靜止無功補償裝置：、采用自換相變流器的靜止無功補償裝置： 也即（靜止無功發生器（也即（靜止無功發生器（Static Var GeneratorSVG）或高級靜）或高級靜 止無功補償裝置（止無功補償裝置（AdTanced Static Var CompensatorASVC）。）。 1、組成：、組成：由電力電子器件與儲能元件構成。由電力電子器件與儲能元件構成。2、特點：、特點：在于能快速調節容性和感性無功功率，實現動態補償。在于能快速調節容性和感性無功功率，實現動態補償。3、應用：、應用：常用于防止電網中部分沖擊性負荷引起的電壓波動干擾、常用于防止電網中部分沖擊性

39、負荷引起的電壓波動干擾、重負荷突然投切造成的無功功率強烈變化。重負荷突然投切造成的無功功率強烈變化。52（1）晶閘管可控電抗器）晶閘管可控電抗器（TCR）基本原理：基本原理：TCR的基本原理圖的基本原理圖 TCR單相基本結構是兩個反并聯的晶閘管與一個電抗器串聯，單相基本結構是兩個反并聯的晶閘管與一個電抗器串聯，這樣的電路并聯到電網上，就相當于電感負載的交流調壓電路結構。這樣的電路并聯到電網上，就相當于電感負載的交流調壓電路結構。 TCR工作原理和不同觸發角時的工作波形與交流調壓電路完全工作原理和不同觸發角時的工作波形與交流調壓電路完全相同。相同。53（2）晶閘管投切電容器（）晶閘管投切電容器（

40、TSC）工作原理：工作原理：TSC單相機構及其控制系統原理圖單相機構及其控制系統原理圖 TSC由兩個反并聯的晶閘管構成的靜態開關與電容器串聯組成。工作由兩個反并聯的晶閘管構成的靜態開關與電容器串聯組成。工作時，時，TSC與電網并聯，當控制電路檢測到電網需要無功補償時，觸發晶與電網并聯，當控制電路檢測到電網需要無功補償時，觸發晶閘管靜態開關并使之導通，這樣，便將電容器接入電網，進行無功補償；閘管靜態開關并使之導通，這樣，便將電容器接入電網，進行無功補償；當電網不需要無功補償時，關斷晶閘管靜態開關，從而切斷電容器與電當電網不需要無功補償時，關斷晶閘管靜態開關，從而切斷電容器與電網的聯接。網的聯接。

41、 因此，因此，TSC實際上就是斷續可調的吸收容性無功功率的動態無功補償實際上就是斷續可調的吸收容性無功功率的動態無功補償裝置。裝置。 54 1、TSC主電路主電路 一般將電容器分成幾組，每組均可由一般將電容器分成幾組，每組均可由晶閘管投切，如圖所示。電容器分組通常晶閘管投切，如圖所示。電容器分組通常采用二進制方案，即采用采用二進制方案，即采用n-1個電容值為個電容值為C的電容和一個電容值為的電容和一個電容值為C/2的電容，這樣的電容，這樣的分組可以使組合成的電容值有的分組可以使組合成的電容值有2n級。級。 TSC主電路主電路 2、零電壓投入問題、零電壓投入問題 為使補償電容器的投入與切除過為使

42、補償電容器的投入與切除過程不引發主電路的涌流沖擊，必須選程不引發主電路的涌流沖擊，必須選擇準備投入的電容器上的電壓為電網擇準備投入的電容器上的電壓為電網線電壓的正或負峰值且電壓極性相同線電壓的正或負峰值且電壓極性相同的時刻，切除時只要撤消觸發信號即的時刻，切除時只要撤消觸發信號即可，開關在電流過零之后會自行關斷。可，開關在電流過零之后會自行關斷。晶閘管電壓過零觸發電路晶閘管電壓過零觸發電路示意圖示意圖 55 3、電容器投切判據與信號檢測電容器投切判據與信號檢測 在圖中設節點相電壓為：在圖中設節點相電壓為： tUtupwsin2)(=節點相電壓與負載電流節點相電壓與負載電流 負載電流為：負載電流

43、為： )()(cossin2sincos2)(tititItItiqpL+=+=ww 上式中，上式中，ip(t)和和iq(t)分別為有功電流分量和無功電流分量。分別為有功電流分量和無功電流分量。 當當t=2k時：時：QMLIIki=sin2)2( 可見，只要測量在相電壓正向過零時刻的負載電流，就可見，只要測量在相電壓正向過零時刻的負載電流，就可知對應的無功電流最大值可知對應的無功電流最大值IQM。這種無功電流檢測方法簡。這種無功電流檢測方法簡單、快速（在一個周期內只要采樣一次）。單、快速（在一個周期內只要采樣一次）。（1）以無功電流為投切判據）以無功電流為投切判據56（1）以無功電流為投切判據

44、）以無功電流為投切判據tUCdtduCipcwwcos2=tItIiQMqwwcoscossin2=UICQMw2= 上式上式C即為全補償所需投切的電容量，即為全補償所需投切的電容量，C為負值，則是切除相為負值，則是切除相應容量的電容器；反之，則應投入相應容量的電容器。應容量的電容器；反之，則應投入相應容量的電容器。 圖中，電壓信號經濾波后由過零脈沖發生電路產生相電壓，正圖中，電壓信號經濾波后由過零脈沖發生電路產生相電壓，正向過零脈沖信號，作為采樣保持器的采樣開關信號，于是采樣保向過零脈沖信號，作為采樣保持器的采樣開關信號，于是采樣保持器的輸出就是無功電流幅值。持器的輸出就是無功電流幅值。 前

45、圖中，前圖中，iL=ic+is ，如果使，如果使iq=ic ，則實現了完全補償。，則實現了完全補償。無功電流為投切無功電流為投切 判據的判據的檢測電路原理圖檢測電路原理圖 由由和和可得可得57（2）以無功功率為投切判據）以無功功率為投切判據 可讓單片機通過可讓單片機通過/轉換同時對和信號在一轉換同時對和信號在一個周期內進行次采樣，得到個周期內進行次采樣，得到 2個數據，由此個數據，由此進行下述離散運算得到進行下述離散運算得到UBC、IA和和PBC ： =NkAkBCiNI121=NkBCkBCuNU121=NkAkBCkBCiuNP11l 對于對稱三相補償，只要取任意兩相電壓對于對稱三相補償，

46、只要取任意兩相電壓（線電壓）和另一相電流，就可測得無功功率。（線電壓）和另一相電流，就可測得無功功率。 檢測檢測A相電流相電流 和和BC相線電相線電壓向量圖壓向量圖2)(1ABCBCIUPPF = =l由于由于PBC=UBCIAsin，則功率因數為，則功率因數為:584、控制器原理框圖控制器原理框圖 TSC控制器原理框圖控制器原理框圖 l TSC的控制器主要由單片機、鍵盤接口電路、液晶顯示接口的控制器主要由單片機、鍵盤接口電路、液晶顯示接口電路、數據存儲器、同步電壓檢測、電壓電流和頻率檢測，還有電路、數據存儲器、同步電壓檢測、電壓電流和頻率檢測，還有觸發電路等部分組成。該控制器硬件的原理方框圖

47、如圖所示。觸發電路等部分組成。該控制器硬件的原理方框圖如圖所示。 59 6.3.6 靜止無功發生器靜止無功發生器 工作原理工作原理 SVG基本電路結構基本電路結構 適當調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，就可以使該適當調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償的目的。電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償的目的。 下圖給出了采用自換相電壓型橋式的下圖給出了采用自換相電壓型橋式的SVG基本電路結構?；倦娐方Y構。1SVG補償原理補償原理60 工作原理工作原理 SVG等效電路及其工作原理等效電路及其工作原理 通過同步電路

48、控制，使通過同步電路控制，使 與與 同頻同相，然后改變同頻同相，然后改變 的幅值的幅值大小即可以控制大小即可以控制SVG從電網吸收的電流是超前還是滯后從電網吸收的電流是超前還是滯后90，并且還能，并且還能控制該電流的大小?？刂圃撾娏鞯拇笮　?sU.iU.I 僅考慮基波頻率時僅考慮基波頻率時 SVG工作原理可以用圖（工作原理可以用圖（a）所示的單相等效電）所示的單相等效電路來說明。路來說明。.iUsU. 當當 大于大于 時，電流時，電流超前電壓超前電壓90，SVG吸收容吸收容性無功功率；性無功功率； 當當 小于小于 時，電流時，電流滯后電壓滯后電壓90，SVG吸收感吸收感性無功功率。性無功功率。

49、.iU.iUsU.61 6.3.7 有源電力濾波器有源電力濾波器1電力系統諧波及其抑制電力系統諧波及其抑制并聯無源濾波器電路結構簡單、初期投資少、運行可靠、維護方便，但由于其濾波特性受系統阻抗的影響，不能適應系統頻率變化或系統運行方式的改變。并且，元件參數隨環境溫度變化而變化，出現失諧現象；此外，還可能發生并聯諧振產生諧波放大等問題；由于本身存在的阻尼作用，對波動或快速變化諧波更是無能為力。70年代初有專家提出具有功率處理能力的有源諧波補償原理，但當時受到器件技術和控制電路技術的限制，一直處在實驗室研究階段。近十幾年來隨著功率器件水平的長足進步，瞬時無功功率理論和PWM控制技術的不斷發展，有源

50、電力濾波器已進人到工業實際應用的新時期。隨著系統中非線性特殊負荷日益增多，特別是近年來高度非線性電力電子設備的廣泛應用，雖然它們為工業生產用電帶來了高效、可控的功率變換和能量調節等好處，但高速開關器件的通斷除使系統因無功功率急劇變化引起電壓波動和閃變外，還造成電壓和電流波形的嚴重畸變，危害用電設備和通訊系統的穩定運行，諧波污染已成為電力系統一項不容忽視的問題。世界上許多國家已經制定出限制標準，并采取了各種有效的抑制措施。 622有源諧波補償原理有源諧波補償原理有源電力濾波器與被補償負荷間的連接形式分串聯型和并聯型兩種。 串聯型有源濾波器是為改善無源濾波器的濾波特性而提出的，它必須與并聯無源濾波器共同使用。由于串聯有源濾波電路在基波頻率下阻抗為零，在諧波頻率下阻抗極高，它相當于一個隨頻率可調的阻抗電路。因此串聯型有源濾波器實際上是諧波隔離器，起到阻斷負荷諧波電流注入系統，同時又起到隔離電源側諧波電壓對負荷側影響的作用。63圖圖6.59 并聯型有源濾波基本原理并聯型有源濾波基本原理圖圖6.60 諧波補償波形諧波補償波形 并聯型有源濾波器并聯型有源濾波器是工業采用較多的