第10章电力电子技术的应用101晶闸管直流电动机系统102

第10章电力电子技术的应用101晶闸管直流电动机系统102内容摘要：

电流波形起滤波作用。 ▲ 电流型间接交流变流电路也可采用双 PWM电路，为了吸收换流时的过电压，在交流电源侧和交流负载侧都设置了电容器；可四象限运行，同时通过对整流电路的PWM控制可使输入电流为正弦波，并使输入功率因数为 1。 21/60 交流电机变频调速的控制方式 ◆ 笼型异步电动机的定子频率控制方式 ● 恒压频比控制 ▲ 异步电动机的转速主要由电源频率和极对数决定，改变电源（定子）频率可对电动机进行调速，同时为了不使电动机因频率变化导致磁饱和而造成励磁电流增大，引起功率因数和效率的降低，需对变频器的电压和频率的比率进行控制，使该比率保持恒定，即恒压频比控制，以维持 气隙磁通为额定值。 图 1014 采用恒压频比控制的变频调速系统框图 ▲ 图 1014给出了一个实例，转速给定既作为调节加减速度的频率 f指令值，同时经过适当分压，也被作为定子电压 V1的指令值，该 f指令值和 V1指令值之比就决定了 V/f比值 ，由于频率和电压由同一给定值控制，因此可以保证压频比为恒定；电机的转向由变频器输出电压的相序决定，不需要由频率和电压给定信号反映极性。 22/60 交流电机变频调速的控制方式 ● 转差频率控制 ▲ 为转速闭环的控制方式，可提高调速系统的动态性能。 ▲ 从异步电机稳态模型可以证明，当稳态气隙磁通恒定时，电磁转矩近似与转差角频率 s成 正比，因此，控制 s就相当于控制转矩，采用转速闭环的转差频率控制，使定子频率 1= r+ s ，则 1随实际转速 r增加或减小，得到平滑而稳定的调速，保证了较高的调速范围和动态 性能。 ▲ 这种方法是基于 电机稳态模型 的，仍然不能得到理想的动态性能。 ● 矢量控制 ▲ 异步电动机的数学模型是 高阶 、 非线性 、 强耦合 的 多变量系统。 ▲ 矢量控制方式基于异步电机的按转子磁链定向的 动态数学模型 ，将定子电流分解为励磁 分量和与此垂直的转矩分量，参照直流调速系统的控制方法，分别独立地对两个电流分量进 行控制，类似直流调速系统中的双闭环控制方式。 ▲ 该方式需要 实现转速和磁链的解耦 ，控制系统较为复杂。 ● 直接转矩控制 ▲ 直接转矩控制方法同样是基于电机的 动态模型 ，其控制闭环中的内环，直接采用了转矩 反馈，并采用 砰 —砰控制 ，可以得到转矩的快速动态响应，并且控制相对要简单许多。 23/60 不间断电源 ◆ 不间断电源（ Uninterruptible Power Supply — UPS）是当交流输入电源（习惯称为市电）发生异常或断电时，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的装置。 ◆ 广义地说， UPS包括输出为直流和输出为交流两种情况，目前通常是指输出为交流的情况 UPS是 恒压恒频（ CVCF）电源 中的主要产品之一，广泛应用于各种对交流供电可靠性和供电质量要求高的场合。 图 1015 UPS基本结构原理图 ◆ UPS的结构原理 ● 图 1015给出了 UPS最基本的结构原理 ▲ 基本工作原理是，当市电正常时，由市电供电，当市电异常乃至停电时，由蓄电池向逆变器供电，因此从负载侧看，供电不受市电停电的影响；在市电正常时，负载也可以由逆变器供电，此时负载得到的交流电压比市电电压质量高，即使市电发生质量问题（如电压波动、频率波动、波形畸变和瞬时停电等）时，也能获得正常的恒压恒频的正弦波交流输出，并且具有稳压、稳频的性能，因此也称为 稳压稳频电源。 24/60 不间断电源 图 1016 具有旁路开关的 UPS系统 图 1017 用柴油发电机作为后备电源的 UPS ● 为保证市电异常或逆变器故障时负载供电的切换，实际的 UPS产品中多数都设置了 旁路开关 ，如图 1016所示，市电与逆变器提供的CVCF电源由转换开关 S切换；还需注意的是，在市电旁路电源与 CVCF电源之间切换时，必须保证两个电压的相位一致，通常采用 锁相同步 的方法。 ● 在市电断电时由于由蓄电池提供电能，供电时间取决于蓄电池容量的大小，有很大的局限性，为了保证长时间不间断供电，可采用 柴油发电机（简称油机）作为后备电源 ，如图 1017所示，蓄电池只需作为市电与油机之间的过渡，容量可以比较小。 25/60 不间断电源 图 1018 小容量 UPS主电路 图 1019 大功率 UPS主电路 ◆ UPS的主电路结构 ● 容量较小的 UPS主电路 ▲ 整流部分使用二极管整流器和直流斩波器（用作 PFC），可获得较高的 交流输入功率因数。 ▲ 由于逆变器部分使用 IGBT并采用PWM控制 ，可获得良好的控制性能。 ● 使用 GTO的大容量 UPS主电路 ▲ 逆变器部分采用 PWM控制，具有 调节电压 和 改善波形 的功能。 ▲ 为减少 GTO的开关损耗，采用 较低的开关频率。 ▲ 输出电压中所含的最低次谐波为 11次，从而使交流滤波器小型化。 26/60 开关电源 开关电源的结构 开关电源的控制方式 开关电源的应用 27/60 开关电源 178。 引言 ◆ 在各种电子设备中，需要多路不同电压供电，如数字电路需要 5V、 、 ，模拟电路需要 177。 12V、 177。 15V等，这就需要专门设计电源装置来提供这些电压，通常要求电源装置能达到一定的稳压精度，还要能够提供足够大的电流。 ◆ 线性电源和开关电源 ● 图 1020所示为 线性电源 ，先用工频变压器降压，然后经过整流滤波后，由线性调压得到稳定的输出电压。 ● 图 1021所示为 开关电源 ，先整流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然后由高频变压器降压、再整流滤波。 ● 开关电源在效率、体积和重量等方面都远远优于线性电源，因此已经基本取代了线型电源，成为电子设备供电的主要电源形式。 +Vr e f~ 2 2 0 V~ 2 2 0 V图 1020 线性电源的基本电路结构 图 1021 半桥型开关电源电路结构 28/60 开关电源的结构 ++变 压 器高 频整 流滤 波 器直 流高 频交 流高 频交 流脉 动 直 流直 流高 频逆 变整 流电 路工 频交 流图 1022 开关电源的能量变换过程 ◆ 交流输入的开关电源 ● 交流输入、直流输出的开关电源将交流电转换为直流电。 ● 整流电路普遍采用二极管构成的桥式电路，直流侧采用大电容滤波，较为先进的开关电源采用有源的功率因数校正 (Power Factor Correction PFC)电路。 ● 高频逆变－变压器－高频整流电路 是开关电源的核心部分，具体的电路采用的是隔离型直流直流变流电路。 ● 高性能开关电源中普遍采用了 软开关技术。 ● 可以采用给高频变压器设计 多个二次侧绕组 的方法来实现不同电压的多组输出，而且这些不同的输出之间是相互隔离的，但是仅能选择 1路作为输出电压反馈，因此也就只有这 1路的电压的稳压精度较高，其它路的稳压精度都较低，而且其中 1路的负载变化时，其它路的电压也会跟着变化。 图 1023 多路输出的整流电路 29/60 开关电源的结构 ◆ 直流输入的开关电源 ● 也称为 直流－直流变换器 (DCDC Converter)，分为 隔离型 和 非隔离型 ，隔离型多采用反激、正激、半桥等隔离型电路，而非隔离型采用 Buck、 Boost、 BuckBoost等电路。 ● 负载点稳压器 (POLPoint Of the Load regulator) ▲ 仅仅为 1个专门的元件（通常是一个大规模集成电路芯片）供电的直流－直流变换器。 ▲ 计算机主板上给 CPU和存储器供电的电源都是典型的 POL。 ● 非隔离的直流－直流变换器、尤其是 POL的输出电压往往较低，为了提高效率，经常采用 同步 Buck (Sync Buck)电路 ，该电路的结构为 Buck，但二极管也采用 MOSFET，利用其低导通电阻的特点来降低电路中的通态损耗，其原理类似同步整流电路。 输 入输 出输 入输 出图 1024 a)同步降压电路 图 1024 b)同步升压电路 30/60 开关电源的结构 A C D CA C D C4 8 V 直 流 母 线D C D CD C D C交 流电 网负 载负 载一 次 电 源二 次 电 源图 1025 通信电源系统 ◆ 分布式电源系统 ● 在通信交换机、巨型计算机等复杂的电子装置中，供电的路数太多，总功率太大，难以用一个开关电源完成，因此出现了 分布式的电源系统。 ● 如图 1025，一次电源完成交流－直流的隔离变换，其输出连接到直流母线上，直流母线连接到交换机中每块电路板，电路板上都有自己的DCDC变换器，将 48V转换为电路所需的各种电压；大容量的蓄电池组保证停电的时候交换机还能正常工作。 ● 一次电源采用多个开关电源并联的方案，每个开关电源仅仅承担一部分功率，并联运行的每个开关电源有时也被成称为“ 模块 ”，当其中个别模块发生故障时，系统还能够继续运行，这被称为“ 冗余 ”。 31/60 开关电源的控制方式 控 制 器u*+ufLCRLV c c＋－P W M 比 较 器锯 齿 波evcLCV c c电 流 控 制 器u*+ufe电 压 控 制 器i*+ifRL图 1026 开关电源的控制系统 图 1027 电流模式控制系统的结构 ◆ 典型的开关电源控制系统如图 1026 所示，采用 反馈控制 ，控制器根据误差 e来调整控制量 vc。 ◆ 电压模式控制 ● 图 1026 所示即为电压模式控制，仅有一个输出 电压反馈控制环。 ● 其优点是结构简单，但有一个显著的缺点是不能有效。