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第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,1,电力电子学电力电子变换和控制技术（第三版）陈 坚 编著华中科技大学,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,2,9.1 变速恒频交流发电系统 9.2 太阳能光伏发电系统 9.3 晶闸管相控整流有源逆变的直流输电系统 9.4 交流异步电动机变频变速传动系统*9.5 AC/DCDC/AC恒压、横频（CVCF）不间断电源UPS9.6 带功率因数校正（APFC）的开关电源和充电电源 9.7 荧光灯-电子镇流器照明电源 9.8 感应加热电源、电焊和电磁灶电源,第九章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,3,9.1 变速恒频交流发电系统 9.2 太阳能光伏发电系统 9.3 晶闸管相控整流有源逆变的直流输电系统 9.4 交流异步电动机变频变速传动系统*9.5 AC/DCDC/AC恒压、横频（CVCF）不间断电源UPS9.6 带功率因数校正（APFC）的开关电源和充电电源 9.7 荧光灯-电子镇流器照明电源 9.8 感应加热电源、电焊和电磁灶电源,第九章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,4,组合型电力电子变换电源,主要特点,满足高档负载的供电要求,减小对其供电电源的负面影响,可能比一级变换电源装置（如带工频变压器的变换器）重量更轻、体积更小、效率更高,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,5,变速恒频交流发电系统,传统发电（同步发电机发电）,转子运行在同步转速，同时定子侧交流电压的频率恒定,恒速、恒频交流发电,新能源发电,转子并不运行在同步转速，但定子侧交流电压的频率恒定,变速、恒频交流发电,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,6,直驱型永磁同步电机风力发电系统,AC/DCDC/DCDC/AC三级变换系统,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,7,直驱型永磁同步电机风力发电系统,2.AC/DCDC/AC两级变换系统,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,8,绕线型转子交流励磁双馈异步电机风力发电系统,双馈发电,电机为绕线式异步电机,变流器输出频率f2、电压V2的三相交流电流i2给三相转子绕组,发电机的定子向电网送电（馈电）,需要升速齿轮箱,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,9,变速恒频交流发电系统小结,直驱型发电,双馈型发电,不需要增速齿轮箱,变流器的功率应按发电机全功率设计,需要增速齿轮箱,变流器功率为变速范围的转差功率,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,10,9.1 变速恒频交流发电系统 9.2 太阳能光伏发电系统 9.3 晶闸管相控整流有源逆变的直流输电系统 9.4 交流异步电动机变频变速传动系统*9.5 AC/DCDC/AC恒压、横频（CVCF）不间断电源UPS9.6 带功率因数校正（APFC）的开关电源和充电电源 9.7 荧光灯-电子镇流器照明电源 9.8 感应加热电源、电焊和电磁灶电源,第九章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,11,太阳能光伏发电系统,特点,光伏电池输出的电压较低，容量小，需要串、并联组合使用,太阳能电池单元的输出电压、电流伏安特性和输出功率特性受太阳光照强度和温度影响-设计有最大功率点跟踪控制（MPPT）,常在发电系统中引入储能装置,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,12,9.1 变速恒频交流发电系统 9.2 太阳能光伏发电系统 9.3 晶闸管相控整流有源逆变的直流输电系统 9.4 交流异步电动机变频变速传动系统*9.5 AC/DCDC/AC恒压、横频（CVCF）不间断电源UPS9.6 带功率因数校正（APFC）的开关电源和充电电源 9.7 荧光灯-电子镇流器照明电源 9.8 感应加热电源、电焊和电磁灶电源,第九章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,13,晶闸管相控整流有源逆变的直流输电系统,交流输电,直流输电,输电距离、容量受限,长距离输电电力系统的安全稳定降低,输电距离、容量不受限,不存在因传输功率过大而引起发电机运行不稳定问题,需要3根输电线，线路损耗较大,需要2根输电线，线路损耗较大,能把两个不同频率的交流电力系统连接在一起相互交换功率,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,14,晶闸管相控整流有源逆变的直流输电系统,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,15,晶闸管相控整流有源逆变的直流输电系统(续),直流输电实现,输电线的首端采用高压晶闸管相控整流器，把交流电变为直流电,输电线末端采用高压晶闸管相控有源逆变器把直流电变为交流电,整流器、逆变器中晶闸管由很多晶闸管串联构成，并由多个三相桥变换器组合，构成复合型高压、大功率整流器、逆变器,缺点：输电系统存在严重的谐波，且功率因数低,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,16,9.1 变速恒频交流发电系统 9.2 太阳能光伏发电系统 9.3 晶闸管相控整流有源逆变的直流输电系统 9.4 交流异步电动机变频变速传动系统*9.5 AC/DCDC/AC恒压、横频（CVCF）不间断电源UPS9.6 带功率因数校正（APFC）的开关电源和充电电源 9.7 荧光灯-电子镇流器照明电源 9.8 感应加热电源、电焊和电磁灶电源,第九章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,17,转速：,交流异步电动机变频变速传动系统,电磁转矩：,运行区域：SSM,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,18,交流异步电动机变频变速传动系统(续),调速方案：改变逆变器输出频率,主磁通密度：,实现方案：在改变输出频率时，应同时改变电压-恒压频比,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,19,交流异步电动机变频变速传动系统(续),调速类型：绕线型异步电动机转差频率控制变速传动系统,电机转速：,调速方案：改变变流器输出给转子的电压的频率f2,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,20,9.1 变速恒频交流发电系统 9.2 太阳能光伏发电系统 9.3 晶闸管相控整流有源逆变的直流输电系统 9.4 交流异步电动机变频变速传动系统*9.5 AC/DCDC/AC恒压、横频（CVCF）不间断电源UPS9.6 带功率因数校正（APFC）的开关电源和充电电源 9.7 荧光灯-电子镇流器照明电源 9.8 感应加热电源、电焊和电磁灶电源,第九章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,21,AC/DCDC/AC恒压、恒频（CVCF）不间断电源UPS,背景：某些关键负载不允许供电中断，同时供电质量要求高,UPS：是由整流器、逆变器、附加半导体固态开关（又称为静态开关）和储能环节（如蓄电池等）所构成的交流恒压恒频电源,UPS分类,在线双变换式（double conversion on line）,后备式（passive standby）,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,22,9.5.1 典型在线双变换式UPS,工作模式,市电正常时：输入开关S闭合、静态开关S1闭合、S2断开,市电异常时：输入开关S断开、静态开关S1闭合、S2断开,特点：负载一直由逆变器供电，供电质量、可靠性高,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,23,9.5.2 典型后备式UPS,工作模式,市电正常时：负载由市电供电,市电异常时：负载由逆变器供电,特点：供电质量、可靠性高不及在线双变换UPS，在切换过程中存在短暂供电中断,分类,冷后备UPS,热后备UPS,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,24,9.1 变速恒频交流发电系统 9.2 太阳能光伏发电系统 9.3 晶闸管相控整流有源逆变的直流输电系统 9.4 交流异步电动机变频变速传动系统*9.5 AC/DCDC/AC恒压、横频（CVCF）不间断电源UPS9.6 带功率因数校正（APFC）的开关电源和充电电源 9.7 荧光灯-电子镇流器照明电源 9.8 感应加热电源、电焊和电磁灶电源,第九章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,25,带功率因数校正（APFC）的开关电源和充电电源,25,背景：各种电子设备和各种控制系统中的控制电源都需要低压直流电源,AC/DC相控整流方案：变换器重量、体积大，给公用电网注入谐波电流，污染电网并降低电网功率因数,带功率因数校正器（PFC）的直流开关电源系统：电源重量体积小，对电网污染小,解决方案,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,26,9.6.1 含升压（Boost）型功率因数校正器的高频整流,若无电容C1，直流电压Vdc为频率100Hz的正弦半波直流电压，脉动很大,若有电容 C1，仅在电源半周的 tp期间且 VdcVc时才有电流 ip，C1越大Vc脉动越小，但电源脉冲电流i1宽度更窄、更尖，畸变更大,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,27,9.6.1 含升压（Boost）型功率因数校正器的高频整流(续),1、可实现输入电流is的波形与交流电源电压vs的波形同相-功率因数为1,2、电压闭环可保证输出电压Vo为恒定指令值,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,28,9.6.1 含升压（Boost）型功率因数校正器的高频整流(续),1、输入电流连续，谐波频率高，EMI小,主要优点：,主要缺点：,2、输入电感可减少对输入滤波器的要求，可防止电网对主电路高频瞬态冲击,3、开关器件的电压不超过输出电压值,输入、输出间没有绝缘隔离,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,29,9.6.2 带反激式功率因数校正器的高频整流,1、反激变换器工作在不连续导电模式（DCM）,2、反激变换器基本工作原理,特点：电源与负载有变压器隔离,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,30,9.6.3 电池充电电源,1、恒流（限压）充电阶段,两个充电阶段：,2、恒压（限流）充电阶段,为了消除各单体电池端电压不平衡现象，通过提升电池充电端电压到稍高于浮充电压值的均充电压，而使充电不足的电池容量得到补足,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,31,9.6.3 电池充电电源(续),1、恒流（限压）充电阶段：VVRef，V2正值很大，二极管D2阻断，VR不起控制作用，电池的充电电压V从初值逐渐上升,2、恒压（限流）充电阶段：VVRef，V2下降，D2导通，D1阻断，电流调节器IR退出调节作用，电压调节器VR工作,两个充电阶段：,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,32,9.1 变速恒频交流发电系统 9.2 太阳能光伏发电系统 9.3 晶闸管相控整流有源逆变的直流输电系统 9.4 交流异步电动机变频变速传动系统*9.5 AC/DCDC/AC恒压、横频（CVCF）不间断电源UPS9.6 带功率因数校正（APFC）的开关电源和充电电源 9.7 荧光灯-电子镇流器照明电源 9.8 感应加热电源、电焊和电磁灶电源,第九章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,33,荧光灯-电子镇流器照明电源,1、白炽灯：热光源，电一光转换效率很低,照明方式：,白炽灯与荧光灯差异：,2、荧光灯：冷光源，50HZ电源供电时电一光转换效率也比钨丝炽热发光效率高3-4倍,3、LED：节能效果非常显著,1、电阻温度系数为正值,2、电阻温度系数为负值-必须加入镇流器,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,34,荧光灯-电子镇流器照明电源(续),1、串联一个稳流电感（压降VL远大于灯光压降VR），电容CS是用来补偿功率因数，小电容C1用于降低起动过程中的过压和无线电干扰,2、双金属片开关K1（起辉器）在常温下闭合。合上开关K后，电源经电感L和K1形成回路，使K1发热迅速断开电路，L感应高压反电势加在灯管两个电极之间使气体开始放电，点燃灯投入工作。正常工作时电极温度高使K1保持断开状态。一旦断开电源开关K，K1恢复到闭合状态。,基本原理：,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,35,荧光灯-电子镇流器照明电源(续),电感作镇流器缺点：,采用50HZ电源供电，L值比较大，灯管电流在半个电源周期脉动一次,高频电子镇流器：,灯管供电电压的频率为20-25kHz，在相同的电抗时，可显著地减小电子镇流器的重量、体积。且电源电流正弦性好，功率因数接近于1.0,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,36,9.1 变速恒频交流发电系统 9.2 太阳能光伏发电系统 9.3 晶闸管相控整流有源逆变的直流输电系统 9.4 交流异步电动机变频变速传动系统*9.5 AC/DCDC/AC恒压、横频（CVCF）不间断电源UPS9.6 带功率因数校正（APFC）的开关电源和充电电源 9.7 荧光灯-电子镇流器照明电源 9.8 感应加热电源、电焊和电磁灶电源,第九章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,37,9.8.1 感应加热电源,加热原理：,线圈中注入中频电流，产生中频交变磁场，在金属部件中感应中频涡流；金属部件电阻耗损在金属部件内部转化为热能,加热电源：,晶闸管逆变器为中频谐振式逆变器，输出频率跟踪感应加热线圈和C构成的谐振频率fr（一般逆变器的输出频率f略高于谐振频率fr，为晶闸管提供负载换流的条件）,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,38,9.8.2 高频电焊电源,普通电焊机：,将电网50Hz交流电经变压器降压再整流成低压（如50V）直流作电焊电源：重量、体积大，焊接特性调控不理想,高频电焊机：,采用AC/DC一DC/AC一AC/DC三级变换；用中频变压器取代了50Hz工频变压器，故重量轻、体积小；高频逆变器可对焊接过程进行快速的调控从而改善焊接特性,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,39,9.8.3 电磁灶电源,普通加热：,电饭煲和煤气炉加热时，大量热能逸出到空间，电一热转换效率低,高频感应加热：,将50Hz交流电源整流滤波后，由一个全控开关T控制感应线圈和谐振电容C构成的并联谐振电路，将直流电压VD逆变为25-40kHz的高频电能对感应线圈供电，电一热转换效率高,第9章 多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用,40,小 结,组合型电力电子变换电源,含有直流中间环节的交流直流交流两级变换交流电源,含有交流中间环节的直流交流直流二级变换直流电源,有中间直流环节的多级交流电源的应用领域涉及变速恒频风力发电系统，太阳能光伏发电系统、不间断电源UPS、交流电动机变速传动系统等,有中间交流环节的直流电源，常用于对供电质量要求较高的直流负载，例如通讯系统中直流基础电源等,
