电力电子装置与系统可靠性概述
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图8.3.5 UPS逆变器及其控制原理框图
8.2.4 UPS的静态开关
1、工作原理：
为了进一步提高UPS电源的可靠性，在线式UPS均装 有静态开关，将市电作为UPS的后备电源，在UPS发生故 障或维护检修时，无间断地将负载切换到市电上，由市电 直接供电。
2、电路结构：
静态开关的主电路一般由 两只晶闸管开关反并联组成， 一只晶闸管用于通过正半周 电流，另一只晶闸管则用于 通过负半周电流。
概述：
1）对于小功率UPS，整流器一般采用二极管整流电路， 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, 它具有双重功能，在向逆变器提供直流电源的同时，还要向 蓄电池进行充电。
3）减少UPS注入电网的谐波电流的方法： 4）目前，比较先进的UPS采用PWM整流电路，可以做到 注入电网的电流基本接近正弦波，使其功率因数接近1，大 大降低了UPS对电网的谐波污染。
8.1.2 开关电源的应用
图8.1.4 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。
8.2 不间断电源
不间断电源：
——Uninterrupitable Power System, 简称UPS
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。
该PWM信号经驱动电路后去驱动主电路开关器件，便可使实际的 交流输入电流跟踪指令值，从而达到控制输出电压的目的。
8.2.3 UPS电源中的逆变器
主电路采用全桥逆变电路，为滤去开关频率噪声，输出采用LC 滤波电路，且采用较小的LC滤波器。输出隔离变压器实现逆变器与 负载隔离，避免它们之间电的直接联系，从而减少干扰。
第8章 电力电子装置
8.1 开关电源 8.2 不间断电源（UPS） 8.3 变频调速装置 8.4 电力电子系统可靠性概述
电力电子装 置
8.1 开关电源
8.1.1 开关电源的工作原理
稳压电源：通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。 1、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。
➢ 工作原理
在PWM整流电路的交流输入端AB产生一个正弦波调制PWM波 uAB，uAB中除了含有与电源同频率的基波分量外，还含有与开关频率 有关的高次谐波。由于电感Ls的滤波作用，这些高次谐波电压只会使 交流电流is产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，is为频率与电源频率 相同的正弦波。在交流电源电压us一定时，is的幅值和相位由uAB中基 波分量的幅值及其与us的相位差决定。改变uAB中基波分量的幅值和相 位，就可以使is与us同相位，电路工作在整流状态，且功率因数为1。
图8.1.1 线性稳压电源方框图
2、开关电源：
工作原理： 图8.1.2 开关电源原理框图
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。
频的交流电压，继续向负载供电。
图8.3.1 后备式UPS的基本结构
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
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。
图8.2.4 单相输出UPS的 静态开关原理图
8.3 变频调速装置
由交流电机的转速公式：
n 60 f (1 S ) / P
可以看出：
若均匀地改变定子频率 f，则可以平滑地改变电机的转速。
因此，在各种异步电机调速系统中，源自文库频调速的性能最好， 使得交流电机的调速性能可与直流电机相媲美，同时效率高，是 交流调速的主要发展方向。
图8.3.3 单相PWM整流电路的原理框图
单相PWM整流电路采用直接电流控制时的控制系统结构简图
图8.3.4 直接电流控制系统结构图
直流输出电压给定信号Ud*和实际的直流 电压Ud比较后送入PI调 节器，PI调节器的输出即为整流器交流输入电流的幅值，它与标准正 弦波相乘后形成交流输入电流的给定信号is*，is*与实际的交流输入电 流is进行比较，误差信号经比例调节器放大后送入比较器，再与三角载 波信号比较形成PWM信号。
8.3.1 变频调速的基本控制方式
（1）基频以下的变频调速
（2）基频以上的变频调速 （3）转差频率控制 （4）矢量控制 （5）控制直接转矩
8.3.2 变频调速装置的分类
（1） 间接变频调速装置
按照电路结构和控制方式的不同，间接变频装置又可以分为三种，如图 8.5.1（a）、（b）、（c）所示。
图8.5.1 间接变频装置的三种机构形式
2、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。
（2）直接变频装置
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。
图8.3.2 在线式UPS的基本结构
8.2.2 UPS电源中的整流器
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。
8.2.1 UPS的分类
根据工作方式，UPS电源分 ：
1、后备式UPS
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、稳
8.2.4 UPS的静态开关
1、工作原理：
为了进一步提高UPS电源的可靠性，在线式UPS均装 有静态开关，将市电作为UPS的后备电源，在UPS发生故 障或维护检修时，无间断地将负载切换到市电上，由市电 直接供电。
2、电路结构：
静态开关的主电路一般由 两只晶闸管开关反并联组成， 一只晶闸管用于通过正半周 电流，另一只晶闸管则用于 通过负半周电流。
概述：
1）对于小功率UPS，整流器一般采用二极管整流电路， 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, 它具有双重功能，在向逆变器提供直流电源的同时，还要向 蓄电池进行充电。
3）减少UPS注入电网的谐波电流的方法： 4）目前，比较先进的UPS采用PWM整流电路，可以做到 注入电网的电流基本接近正弦波，使其功率因数接近1，大 大降低了UPS对电网的谐波污染。
8.1.2 开关电源的应用
图8.1.4 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。
8.2 不间断电源
不间断电源：
——Uninterrupitable Power System, 简称UPS
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。
该PWM信号经驱动电路后去驱动主电路开关器件，便可使实际的 交流输入电流跟踪指令值，从而达到控制输出电压的目的。
8.2.3 UPS电源中的逆变器
主电路采用全桥逆变电路，为滤去开关频率噪声，输出采用LC 滤波电路，且采用较小的LC滤波器。输出隔离变压器实现逆变器与 负载隔离，避免它们之间电的直接联系，从而减少干扰。
第8章 电力电子装置
8.1 开关电源 8.2 不间断电源（UPS） 8.3 变频调速装置 8.4 电力电子系统可靠性概述
电力电子装 置
8.1 开关电源
8.1.1 开关电源的工作原理
稳压电源：通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。 1、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。
➢ 工作原理
在PWM整流电路的交流输入端AB产生一个正弦波调制PWM波 uAB，uAB中除了含有与电源同频率的基波分量外，还含有与开关频率 有关的高次谐波。由于电感Ls的滤波作用，这些高次谐波电压只会使 交流电流is产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，is为频率与电源频率 相同的正弦波。在交流电源电压us一定时，is的幅值和相位由uAB中基 波分量的幅值及其与us的相位差决定。改变uAB中基波分量的幅值和相 位，就可以使is与us同相位，电路工作在整流状态，且功率因数为1。
图8.1.1 线性稳压电源方框图
2、开关电源：
工作原理： 图8.1.2 开关电源原理框图
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。
频的交流电压，继续向负载供电。
图8.3.1 后备式UPS的基本结构
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
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。
图8.2.4 单相输出UPS的 静态开关原理图
8.3 变频调速装置
由交流电机的转速公式：
n 60 f (1 S ) / P
可以看出：
若均匀地改变定子频率 f，则可以平滑地改变电机的转速。
因此，在各种异步电机调速系统中，源自文库频调速的性能最好， 使得交流电机的调速性能可与直流电机相媲美，同时效率高，是 交流调速的主要发展方向。
图8.3.3 单相PWM整流电路的原理框图
单相PWM整流电路采用直接电流控制时的控制系统结构简图
图8.3.4 直接电流控制系统结构图
直流输出电压给定信号Ud*和实际的直流 电压Ud比较后送入PI调 节器，PI调节器的输出即为整流器交流输入电流的幅值，它与标准正 弦波相乘后形成交流输入电流的给定信号is*，is*与实际的交流输入电 流is进行比较，误差信号经比例调节器放大后送入比较器，再与三角载 波信号比较形成PWM信号。
8.3.1 变频调速的基本控制方式
（1）基频以下的变频调速
（2）基频以上的变频调速 （3）转差频率控制 （4）矢量控制 （5）控制直接转矩
8.3.2 变频调速装置的分类
（1） 间接变频调速装置
按照电路结构和控制方式的不同，间接变频装置又可以分为三种，如图 8.5.1（a）、（b）、（c）所示。
图8.5.1 间接变频装置的三种机构形式
2、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。
（2）直接变频装置
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。
图8.3.2 在线式UPS的基本结构
8.2.2 UPS电源中的整流器
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。
8.2.1 UPS的分类
根据工作方式，UPS电源分 ：
1、后备式UPS
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、稳