第七章 电力电子技术应用

7．1 大功率开关稳压电源
三、应用 由开关电源构成的电力系统用直流操作电源的电路
7．2 不间断电源
一、不间断电源定义及发展 1、定义 所谓不间断电源装置就是当交流输入电源（市电）发生异常 或断电时，它还能继续向负载供电，并能保证供电质量，使负 载供电不受影响。这种供电装置称为不间断电源装置，简称 UPS（Uninterruptible Power Systems） UPS是一种合有储能装置（主要由蓄电池构成），以逆变器 为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源 。 2、发展 已经从单一的单机UPS，集巨型、网络、智能及远程监控 于一体的完整产品系列，适用用户也涵盖了社会的所有行业 。
7．2 不间断电源
一、不间断电源分类
1、按UPS本身形式来分，分为后备式不间断电源，在线式不间 断电源。 2、以逆变技术来分，如PWM方波，PWM正弦波，交互式，铁 磁谐振式 3、通过考虑逆变器器件选用，如晶闸管SCR，双极型晶体管 GTR（BJT），功率场效应晶体管POWER MOSFET和绝缘栅 双极型晶体管IGBT 4、按照国际电工委员发布的IEC-62040-3标准，UPS分3类，即 无源备用式（Passive Standby）、电网互动式（Line Inteactive）和双变换式（Double Conbersion）UPS
7．3 交流调速装置
一、变频调速原理和控制方式 1、交流异步电动机的转速为：
n= 60 f1 (1 − s ) = n0 (1 − s ) p
式中 n——电动机转速r/min； f1——为电动机定子的供电频率， 单位Hz； s——为转差率；p——为电动机定子绕组极对数；n0——为旋 转磁场的同步转速。、 由上式可得当交流电源频率f1变化时，电动机同步转速也 随之成正比变化。 改变电源频率就可以改变异步电动机的转速。 从而实现异步电动机的无机调速，就是变频调速的基本原理。 2、控制方式分：恒磁通摔制方式 、恒电压控制方式、比例控制 方式外，还有矢量控制方式和转差频率控制方式等。
7．2 不间断电源
三、UPS的主要技术指标
1．输入电压176～253V。 2．输出电压。 3．输入输出电流。 4．后备时间。 电池寿命一般可达3～5年，这取决于使用条件、充放电状 况、使用环境，同时要注意长期储存而缺乏维护或使用中只充 不放都影响电池寿命。 除此之外，还有输入输出形式、输入频率、通讯接口、工 作温度、抗干扰度保护等级等等指标,篇幅有限不在详述。
7．3 交流调速装置
二、变频调速装置的分类 1、按电路结构分：间接变频装置和直接变频装置两大类。 间接变频装置即交—直—交变频装置，首先将工频交流电 源通过速流器变换成直流，然后再经过逆变器将直流变换成电 压和频率可变的交流电源。 直接变频装置采用交—交变频电路，只用一个变换环节。 三、SPWM变频调速装置 (略)
变流装置的功率因数定义为交流侧有功功率与视在功率之比 ； 晶闸管相控整流和有源逆变电路功率因数低有两个原因：一是波形畸变，电流波 形中的高次谐波电流都是无功电流，二是位移因数使电压与基波电流的相位差变大， 在负载电流一定时，交流输入的视在功率近似不变，而输出有功功率随整流电压的降 低而减小。所以减少谐波分量与提高功率因数是有直接关系的。
五、三相在线式UPS应用实例
一般有如下几部分构成：整流器、逆变器、电池组、静态旁路开关及维修旁路开 关等。 在正常情况下，市电经整流向逆变器供电并对电池充电。由逆变器向负载提供 380/220V 50Hz交流输出；市电异常时内后备电池向逆变器供电。当逆变频过载或逆 变器故障无力向负载提供输出时，静态旁路开关将切换到市电，UPS输出由市电直接 提供。
7．1 大功率开关稳压电源
2、控制电路的工作原理
电源接上负载后，通过取样电路获得其输出电压，将此电压与基准电压作 比较后，将其误差值放大，用于控制驱动电路，控制变换器中功率开关管 的占空比，使输出电压升高（或降低），以获得稳定的输出电压。 3、变换电路作用 变换电路起着主要的调节稳压作用，这是通过调节功率开关管的占空比来 实现的。 控制方式多用PWM控制方式。 PWM 二、开关电源的优缺点 1、优点 （1）功耗小、效率高。电源的效率可以大幅度提高，可达90％～95％。 （2）体测小、重量轻。 （3）稳压范围宽。 （4）电路形式灵活多样。 2、缺点 主要是存在开关噪声干扰
3、传统的抑制网侧电流谐波的方法
①在整流装置的输入侧加滤波器； ②在网侧投人无功补偿装置； ③增加整流相数，使网侧电流更加接近正弦波； ④尽量设法使整流装置运行在a比较小的状态下。 ⑤利用多重化技术进行波形叠加，以消除某些低次谐波。 ⑥利用有源滤波技术
7．5 电力电子装置产生的电力公害与谐波治理
4、提高功率因数的措施
交 整交 交
EMI 滤 滤滤
整整 滤滤
变变 电电
高高 变 电滤
整整 滤 滤滤
直 整交 交
控控 驱驱
取 取取 较 较较
其主电路的工作原理为：50Hz单相交流220V电压或三相交流220V/380V电压首先经EMI防 电磁干扰的电源滤波器滤波（主要滤除高次谐波）后，直接整流滤波（不经工频变压器降 压，主要滤除整流后的低频脉动谐波），获得直流电压，然后再将此直流电压经变换电路 变换为数十或数百千赫兹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，防止高频噪声对负载的干扰，后输出直流电压。
7．2 不间断电源
四、单相在线式UPS应用实例
它由逆变器主电路、电池组、充电器以及滤波、保护等辅助电路组成。 工作原理：当市电正常情况下，市电经过共模噪声滤波器和尖蜂干扰抑制器， 输入到有源功率因数校正整流电路PFC，PFC整流能使UPS输入电流正弦化，并使输 入功率因数接近1，PFC电路输出稳定的直流与电池升压电路输出经二极管在直流母 线并联，电池升压电路的输出电压略低于PFC整流电路输出电压，所以在市电正常情 况下，由PFC整流后的市电提供逆变器能量。 当市电异常情况时，PFC输出将低于电池升压输出，这时由电池升压后向逆变 器提供能量，这时充电器停止工作。
第七章 电力电子技术应用
7．1 大功率开关稳压电源 7．2 不间断电源 7．3 直流调速装置 7．4 MATLAB在电力电子技术仿真中的应用 MATLAB在电力电子技术仿真中的应用 7．5 电力电子装置产生的电力公害与谐波治理 7．5．1 电力公害及其分类 7．5．2 谐波的产生机理及其抑制措施 7．5．3 提高功率因数的措施 本章小结
5、提高变流电路功率因数的常用方法
（一）小控制角运行； （二）采用两组变流器串联供电； （三）增加整流相数； （四）设置补偿电容； （五）用不可控整流配合直流斩披调压来替代相控整流； （六）相控整流中采用全控器件实现强迫换相
小结
本章的要点 1．开关电源的发展、基本构成和基本原理。 2．不间断电源的分类及其特点、基本构成和基本原理。 3．交流调速装置变频器的基本原理、构成。 4．利用MATLAB进行电力电子仿真的步骤。 5．晶闸管装置改善功率因数的常用方法。
7．2 不间断电源
1．无源备用式UPS 无源备用式UPS，又称离线式UPS，其基本工作原理如图7-9所示，逆 变器作为电网的后备与交流电网并联连接。 无源备用式有2种工作模式，分别是正常模式（Normal Moble）和储能 模式（Stored Energy Mode）。 2．电网互动式UPS 其中逆变器与电网并联连接，作为电网供电的后备，并且变流器通过其 可逆运行与电网互相作用，还同时给电池充电。 电网互动式UPS有3种工作模式，分别是正常、储能和旁路（Bypass）。 3．双变换式UPS 双变换式UPS，又称在线式UPS。图7-11给出了双变换式UPS的基本结 构，逆变器在交流电网和负载之间串联连接，交流电网经过整流器、逆变器 后给负载供电。 双变换式UPS有3种工作模式分别是正常、（1）首先从明确设计性能指标开始，然后根据常规的设计要求选择一种开 关电源的拓扑结构、开关工作频率确定设计的难点，依据输出功率的要求 选择半导体器件的型号； （2）变压器和电感线圈的参数计算，磁性材料设计是一个优质的开关电源 设计的关键，合理的设计对开关电源的性能指标以及工作可靠性影响极大； （3）设计选择输出整流器和滤波电容； （4）选择功率开关的驱动控制方式，最好选用能实现PWM控制的集成电 路芯片可利用单片机实现PWM控制； （5）设计反馈调节电路； （6）根据设计要求设计过电压、过电流和紧急保护电路； （7）根据热分析设计散热器； （8）设计实验电路的阳板和电源的结构，组装、调试，测试所有的性能指 标； （9）根据调试结果进一步优化设计； （10）再调试，直到满足要求为止。 总之，设计的每一步都必须根据设计的性能指标要求进行，只有这样 才能顺利达到预期的设计目标。另外，在设计中选用成功的典型经验或电 路，可以使设计周期大大缩短。
7．4 MATLAB在电力电子技术仿真中的应用 MATLAB在电力电子技术仿真中的应用
MATLAB（Matrix Laboratory）是一种适用于工程应用各领域分析设计 与复杂计算的科学计算软件，由美国Mathworks公司于1983年首次推出的一 套高性能的数值分析和计算软件，1984年正式推出，目前的最新版本为7．1 版。已发展成为适合众多学科，多种工作平台、功能强大的大型软件。 MATLAB将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起，为 用户提供了一个强有力的科学及工程问题的分析计算和程序设计工具，它还 提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能， 是具有全部语言功能和特征的新一代软件开发平台。它涵盖通信、航天、力 学、电力、自动控制、神经网络等领域。SIMULINK是MATLAB中的一个软 件包，它是一种图形化仿真工具，能够进行动态系统建模、仿真和综合分析， 可以处理线性和非线性系统、离散、连续和混合系统，以及单任务和多任务 系统，并在同一系统中支持不同的变化速率。可见利用SIMULINK可以建立 更趋于真实的非线性模型。
7．5 电力电子装置产生的电力公害与谐波治理
1、电力公害
基于传统相控技术的电力电子装置存在着网侧功率因数低，以及运行时 向电网注入谐波电流大两个问题，即通常所说的电力公害。
2、相控晶闸管装置谐波对电网的影响
即：使电网波形畸变含有高次谐波主要会导致：①发电机、输电变压器 发热增加；②对晶闸管装置、敏感电气设备如通信、计算机系统产生干扰； ③对交流电机产生脉动转矩、铁耗铜损增加，对直流电机除发热增加外，还 引起换相恶化和噪声；④对精密测量仪器则影响其测量精度。
第七章 电力电子技术应用
电力电子装置正朝着智能化、模块化、小型 电力电子装置正朝着智能化、模块化、 本章讲述无源逆变 高效化和高可靠性方向发展， 化、高效化和高可靠性方向发展，使之应用 领域不断扩大。 领域不断扩大。
7．1 大功率开关稳压电源
一．构成和原理
开关稳压电源简称开关电源（Switching Power Supply），是指起电 压调整作用的器件始终以开关方式工作的一种直流稳压电压。其核心 部分是用全控器件在逆变电路中以高频率的开通与关断进行功率变换， 故此类电源简称开关电源。