第7章电力电子装置.ppt

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1、第第7章章 电力电子装置电力电子装置7.1 开关电源开关电源7.2 有源功率因数校正有源功率因数校正 7.3 不间断电源（不间断电源（UPS）7.4 静止无功补偿装置静止无功补偿装置7.5 变频调速装置变频调速装置7.6 电力电子系统可靠性概述电力电子系统可靠性概述 指起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的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。直流稳压电源。稳压电源：稳压电源：通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。简称开关电源简称开关电源(Switching Power Supply)(Switching Power Supply)，指

2、起电压，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。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 1、线性稳压电源：、线性稳压电源：2 2、开关稳压电源：、开关稳压电源：7.1.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理1 1、线性稳压电源：、线性稳压电源：优点：优良的纹波及动态响应特性；优点：优良的纹波及动态响应特性；缺点：（缺点：（1 1）输入采用）输入采用50Hz50Hz工频变压器，体积庞大；工频变压器，体积庞大；（2 2）电压调整器件工作在线性放大区内）电压调整器件工作在线性放大区内,损耗大损耗大,效率低；效率低；（3 3）过载能力差。过载能力差。图图7.1.1

3、 线性稳压电源方框图线性稳压电源方框图 7.1.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理2 2、开关电源、开关电源：50Hz单相交流单相交流220V电压或三相交流电压或三相交流220V/380V电压经电压经EMI防电磁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，通过高频变压器的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压隔离并降压(或升压或升压)后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。通过取

4、样、比较、放大及控制、驱动电路，控制变换器中功率开关管通过取样、比较、放大及控制、驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，便能得到稳定的输出电压。的占空比，便能得到稳定的输出电压。图图7.1.2 开关电源原理框图开关电源原理框图工作原理：工作原理：7.1.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理图图7.1.2 开关电源原理框图开关电源原理框图开关管占空比定义为：开关管占空比定义为：D=Ton/Ts；其中其中Ts为开关管的开关周期为开关管的开关周期,Ton为一个周期内导通用时间为一个周期内导通用时间。两种改变占空比的控制方式两种改变占空比的控制方式：1）脉冲宽度调制控制）脉冲宽度调制控制(PW

5、M)7.1.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理2 2、开关电源、开关电源：2）脉冲频率调制控制）脉冲频率调制控制(PFM)图图7.1.3 PWM控制方式控制方式 1）脉冲宽度控制：脉冲宽度控制：保持开关频率保持开关频率(开关周期开关周期Ts)不变，通过改变不变，通过改变Ton来改变来改变占空比占空比 D，从而达到改变输出电压的目的。，从而达到改变输出电压的目的。如果占空比如果占空比D越大，则经滤波越大，则经滤波 后的输出电压也就越高。后的输出电压也就越高。保持导通时间保持导通时间Ton不变，通过改变开关频率不变，通过改变开关频率(即开关周期即开关周期)而达到改变占空比的目的。而达到改变占

6、空比的目的。p 工作频率不固定，造成滤波器设计困难。工作频率不固定，造成滤波器设计困难。7.1.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理 2）脉冲频率控制：）脉冲频率控制：开关电源优点：开关电源优点：（1）功耗小、效率高。）功耗小、效率高。（2）体积小、重量轻。）体积小、重量轻。（3）稳压范围宽。）稳压范围宽。（4）电路形式灵活多样。）电路形式灵活多样。主要是存在开关噪声干扰。主要是存在开关噪声干扰。7.1.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理7.1.2 开关电源的应用开关电源的应用 1、开关电源的应用、开关电源的应用图图7.1.4 直流操作电源电路原理图直流操作电源电路原理图 主电路采用

7、半桥变换电路，额定输出直流电压为主电路采用半桥变换电路，额定输出直流电压为220V，输，输出电流为出电流为10A。2、各功能块的具体电路简介：、各功能块的具体电路简介：(1)交流进线滤波器交流进线滤波器图图7.1.5 交流进线交流进线EMI滤波器滤波器 该滤波器能同时抑制共模和差模干扰信号。该滤波器能同时抑制共模和差模干扰信号。电路结构：电路结构：Cc1、Lc和和Cc2构成的低通滤波器用来抑制共模干构成的低通滤波器用来抑制共模干扰信号，其中扰信号，其中Lc称为共模电感，其两组线圈匝数相等，但绕向称为共模电感，其两组线圈匝数相等，但绕向相反，对差模信号的阻抗为零，而对相反，对差模信号的阻抗为零，

8、而对共模信号产生很大的阻抗。共模信号产生很大的阻抗。Cd1、Ld和和Cd2构成的低通滤波器构成的低通滤波器则用来抑制差模干扰信号。则用来抑制差模干扰信号。作用：作用：防止开关电源产生的噪声进入电网，或者防止电网的防止开关电源产生的噪声进入电网，或者防止电网的噪声进入开关电源内部，干扰开关电源的正常工作。噪声进入开关电源内部，干扰开关电源的正常工作。7.1.2 开关电源的应用开关电源的应用 (2)启动浪涌电流抑制电路启动浪涌电流抑制电路 小功率电源：在整流桥的直小功率电源：在整流桥的直流侧和滤波电容之间串联具有负流侧和滤波电容之间串联具有负温度系数的热敏电阻。温度系数的热敏电阻。大功率电路：将上

9、述热敏电大功率电路：将上述热敏电阻换成普通电阻，同时在电阻的阻换成普通电阻，同时在电阻的两端并接晶闸管开关。两端并接晶闸管开关。(3)输出整流电路输出整流电路 小功率电源通常采用半波整小功率电源通常采用半波整流电路，而对于大功率电源则采流电路，而对于大功率电源则采用全波或桥式整流电路。用全波或桥式整流电路。启动浪涌电流抑制启动浪涌电流抑制电路电路限流电阻限流电阻启动浪涌电流抑制电路启动浪涌电流抑制电路 输出整流电路输出整流电路 半波整流半波整流7.1.2 开关电源的应用开关电源的应用 PWM控制器控制器SG3525引脚说明引脚说明图图7.1.6 SG3525的内部结构的内部结构 脚：误差放大器

10、反相输入端；脚：误差放大器反相输入端；脚：误差放脚：误差放大器同相输入端；大器同相输入端；脚：同步信号输入端，同步脉冲的频率应比脚：同步信号输入端，同步脉冲的频率应比振荡器频率振荡器频率fS要低一些；要低一些；脚：振荡器输出；脚：振荡器输出；脚：振荡器外接定时电阻脚：振荡器外接定时电阻RT端，端，RT值为值为2k150k；脚：振荡器外接电容脚：振荡器外接电容CT端，振荡器频率为端，振荡器频率为fS 1/CT(0.7RT+3R0);其中其中R0为脚与脚之间跨为脚与脚之间跨接的电阻，用来调节死区时间，定时电容范围接的电阻，用来调节死区时间，定时电容范围为为0.001F0.1F；脚：振荡器放电端，外

11、接电阻来控制死区时脚：振荡器放电端，外接电阻来控制死区时间，电阻范围为间，电阻范围为0500；脚：软起动端，外接软起动电容，该电容由脚：软起动端，外接软起动电容，该电容由内部内部Uref的的50A恒流源充电。恒流源充电。脚：误差放大器的输出端；脚：误差放大器的输出端；脚：脚：PWM信号封锁端，该脚为高电平时，信号封锁端，该脚为高电平时，输出驱动脉冲信号被封锁输出驱动脉冲信号被封锁,用于故障保护；用于故障保护；脚：脚：A路驱动信号输出；路驱动信号输出；脚：接地脚：接地;脚：输出级集电极电压；脚：输出级集电极电压；脚：脚：B路驱动信号输出；路驱动信号输出；脚：电源，其范围因为脚：电源，其范围因为8

12、V35V；脚：内部脚：内部+5V基准电压输出。基准电压输出。7.1.2 开关电源的应用开关电源的应用(4)控制电路（控制电路（SG3525）该开关电源采用双环控制方式，电压环为外环控制，开关电源采用双环控制方式，电压环为外环控制，电流环为内环控制。输出电压的反馈信号电流环为内环控制。输出电压的反馈信号UOF与电压给定与电压给定信号信号UOG相减，其误差信号经相减，其误差信号经PI调节器后形成输出电感的调节器后形成输出电感的电流给定，再与电感电流的反馈信号电流给定，再与电感电流的反馈信号IOF相减得电流误差信相减得电流误差信号，经号，经PI调节器后送入调节器后送入PWM控制器控制器SG3525，

13、然后与控制，然后与控制器内部三角波比较形成器内部三角波比较形成PWM信号。该信号。该PWM信号再通过驱信号再通过驱动电路去驱动主电路动电路去驱动主电路IGBT。(5)IGBT驱动电路驱动电路 该驱动模块为混合集成电该驱动模块为混合集成电路，将路，将IGBT的驱动和过流保的驱动和过流保护集于一体，能驱动电压为护集于一体，能驱动电压为600V和和1200V系列电流容量不系列电流容量不大于大于400AIGBT。图图7.1.7 IGBT驱动电路驱动电路7.1.2 开关电源的应用开关电源的应用 7.2 有源功率因数校正有源功率因数校正 电网谐波电流不仅引起变压器和供电线路过热，降电网谐波电流不仅引起变压

14、器和供电线路过热，降低电器的额定值，并且产生电磁干扰，影响其他电子低电器的额定值，并且产生电磁干扰，影响其他电子设备正常运行。设备正常运行。1、采用无源校正抑制谐波、采用无源校正抑制谐波:2）电网阻抗或频率发生变化时，滤波效果不能保证，）电网阻抗或频率发生变化时，滤波效果不能保证，动态特性差。动态特性差。3）可能会与电网阻抗发生并联谐振，将谐波电流放大，）可能会与电网阻抗发生并联谐振，将谐波电流放大，从而导致系统无法正常工作。从而导致系统无法正常工作。4）LC滤波器体积庞大。滤波器体积庞大。特点：特点：1 1）方法简单可靠，并且在稳态条件下不产生电磁干扰。）方法简单可靠，并且在稳态条件下不产生

15、电磁干扰。(在主电路中串入无源在主电路中串入无源LC滤波器滤波器)7.2 有源功率因数校正有源功率因数校正 与无源校正抑制谐波的区别：与无源校正抑制谐波的区别：能进一步抑制装置的低次谐波，提高装置的功率因数。能进一步抑制装置的低次谐波，提高装置的功率因数。与一般的开关电源的区别：与一般的开关电源的区别：（1）PFC电路不仅反馈输出电压，还反馈输入平均电流；电路不仅反馈输出电压，还反馈输入平均电流；（2）PFC电路的电流环基准信号为电压环误差信号与全电路的电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号的乘积。波整流电压取样信号的乘积。1）特点：）特点：2、有源功率因数校正电路（、有源功率因

16、数校正电路（PFC）2）工作原理：）工作原理：有源功率因数校正技术有源功率因数校正技术(Actite Power Filter Correction，简称简称APFC或或PFC)就是在传统的整流电路中加入有源开关，就是在传统的整流电路中加入有源开关，通过控制有源开关的通断来强迫输入电流跟随输入电压的通过控制有源开关的通断来强迫输入电流跟随输入电压的变化，从而获得接近正弦波的输入电流和接近变化，从而获得接近正弦波的输入电流和接近1的功率因数。的功率因数。7.1 PFC技术的工作原理技术的工作原理 图图7.2.1 BoostPFC电路电路 主电路由单相桥式整流电路和主电路由单相桥式整流电路和Boost 变换电路组成，虚变换电路组成，虚线框内为控制电路，包含电压误差放大器线框内为控制电路，包含电压误差放大器VA及基准电压及基准电压Ur，乘法器，电流误差放大器乘法器，电流误差放大器CA，脉宽调制器和驱动电路。，脉宽调制器和驱动电路。输出电压输出电压Uo和基准电压和基准电压Ur比比较后，误差信号经电压误差放大较后，误差信号经电压误差放大器器VA以后送入乘法器以后送入乘法器M，与全波，与全波整流电