07第7章电力电子装置

07第7章电力电子装置

1 天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 ) 学年：2006~2007 学期：第二学期 课 次 34 课 时 2 班级 电力 05-1、2 电气 05-1、 2 电气 05-3、 4 周 次 17 日期 课 题 第 7 章电力电子装置 教 学 目 的 了解几种应用广泛的电力电子装置的电路结构、工作原理和性能特点 课 型 面授■ 多媒体■ 机房□ 实验□ 实习□ 课程设计□ 教 学 重 点 电力电子装置的电路结构、工作原理和性能特点 教 学 难 点 电力电子装置的电路结构、工作原理和性能特点 实 践 环 节 多媒体教学 作 业 7— 1～ 4 教研室主任意见： 同意该计划，通过授课的方式了 解电力电子装 置的电路结构、工作 原理和性能特点。 签字：刘沂 日期： 2007 .7 .5 2 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 第七章 电力电子装置 7.1 开关电源 7.1.1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。 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。 图 7.1.1 线性稳压电源方框图 2、开关电源： 工作原理： 3 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 图 7.1.2 开关电源原理框图 7.1.2 开关电源的应用 图 7.1.3 直流操作电源电路原理图 7.2 不间断电源（UPS） 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。 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 4 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 疗、交通、航空等领域得到广泛应用。 7.2.1 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、稳频的交 流电压，继续向负载供电。 图 7.2.1 后备式 UPS的基本结构 输出电压波形有方波、准方波和正弦波三种方式。 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 7.2.2 在线式 UPS的基本结构 5 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 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。 7.2.2 UPS电源中的整流器 概述： 1）对于小功率 UPS，整流器一般采用二极管整流电路，它的作用是向逆变 器提供直流电源。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，因此，整流器的输出 电压必须是可控的。 3）减少 UPS 注入电网的谐波电流的方法： （1）增加整流电路的相数 ； （2）在整流器的输入侧增加有源或无源滤波器 。 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。 工作原理 图 7.2.3 单相 PWM 整流电路的原理框图 6 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 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 7.2.4 直接电流控制系统结构图 直流输出电压给定信号 dU *和实际的直流 电压 dU 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 si *， si *与实际的交流输入电流 si 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。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。 7.2.3 UPS电源中的逆变器 图 7.2.5 UPS 逆变器及其控制原理框图 7.2.4 UPS的静态开关 7 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 7.3 变频调速装置 由交流电机的转速公式： PSfn /)1(60  图 7.2.6 单相输出 UPS 的静态开关原理图 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，变频调速的性能最好，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。 7.3.1 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 7.3.2 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 7.3.1（a）、（b）、（c）所示。 8 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 图 7.3.1 间接变频装置的三种机构形式 （2）直接变频装置 图 7.3.2 直接变频装置 7.3.3 SPWM变频调速装置 图 7.3.3 开环控制的 SPWM的变频调速系统结构简图 9 天津冶金职业技术学院 教 师 授 课 教 案 7.4 电力电子系统可靠性概述 可靠性的基本概念 1、元件或系统的可靠性: 为元件或系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。 对于电力电子装置或系统来说，其规定条件指的是环境温度和湿度，海拔高 度，电磁环境，电网状况，储存条件及其它要求等。 2、失效： 当元件、装置或系统不能完成规定的功能时，称之为失效。3、可靠性指标： 描述一个元 件、装置或系统的可靠程度的数量化的指标。 4、常用可靠性指标： 可靠度、失效率和平均无故障时间 电磁兼容性概述电磁干扰 EMI（Electromagnetic nterference） 电磁敏感度 EMS（Electromagnetic Susceptibility） 电磁兼容性（EMC）包括两方面的含义： 1 电气、电子设备能够在它自己所产生的电磁环境以及它所处的复杂的外界 电磁环境中按照原设计要求正常地工作，即它具有一定的电磁敏感度，以保证它 对电磁干扰具有一定的抗扰度； 2 该设备或系统自己产生的电磁干扰必须限制在一定的水平，从而不致对它 周围的电磁环境造成严重的污染和影响周围其它设备或系统的正常工作。 10 天 津 冶 金 职 业 技 术 学 院 教 案 ( 首页 ) 学年 2006~2007 学期：第二学期 课 次 35 课 时 1 班级 电子 05-1、2 电气 05-1、 2 电气 05-3、 4 周 次 17 日期 课 题 UPS 等工控电力电子设备安装、调试、与简单维修 教 学 目 的 UPS 等工控电力电子设备安装、调试、与简单维修 课 型 面授■ 多媒体□ 机房□ 实验□ 实习■ 课程设计□ 教 学 重 点 UPS 等工控电力电子设备安装、调试、与简单维修 教 学 难 点 UPS 等工控电力电子设备安装、调试、与简单维修 实 践 环 节 实践课 作 业 实践报告 教研室主任意见： 同意该计划，通过实践的手段达 到学生的动手能里，提高学生自主 能动性。 签字：刘沂 日期： 2007 .7 .9 课 后 感 想 实践报告 11