第八章 电力电子技术应用.docx
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第八章电力电子技术应用
第八章电力电子技术应用
学习目标
1．会分析本章实例中电力电子装置的电路原理。
2．学会电力电子技术电路识图方法。
3.了解电力电子装置在各个领域中的应用。
随着电力电子技术的发展，电力电子装置正朝着智能化、模块化、小型化、高效化和高可靠性方向发展，应用领域不断扩大。
本章介绍目前应用比较广泛的几种电力电子装置实例。
第一节晶闸管直流调速系统实例
直流电动机调速广泛应用于机床设备和交通运输车辆等场合。
过去采用在直流电动机电路中串接电阻的方法来达到调速的目的，但能量消耗大，且不能实现无级调速。
采用晶闸管调速系统，通过改变电动机的电枢电压，就能实现无级调速，且能节约电能。
图8-1所示为晶闸管直流调速系统的电路图与框图。
图8-1晶闸管直流调速系统电路原理和框图
a）电路原理图b）框图
1．主电路
电路中的主电路是由晶闸管VT1、VT2和二极管VD1、VD2组成的单相半控桥式整流电路，输入交流220V电压，改变加在VTl、VT2门极上的触发脉冲的触发延迟角，就可以调节半控桥式整流电路的输出到电动机电枢两端的电压，电路输出的直流电压越大，电动机转的越快，从而实现了对电机转速的控制。
2．触发电路
晶闸管的触发延迟角α是由触发电路控制的。
在图8-1中，晶闸管的触发电路采用具有放大环节的单结晶体管触发电路。
在这个电路里，是通过C6的充放电，使单结晶体管导通和截止，从而在脉冲变压器的二次侧产生尖脉冲，为晶闸管VT1、VT2提供触发信号。
改变C6的充电时间，就可以改变单结晶体管导通时间，即改变晶闸管的触发延迟角α，使半控桥整流电路输出电压得到调节。
3．控制电路
在图2-30中，加在放大管VT3基极的控制电压UK为
UK=U1—U2
式中U1是整定电压，U2为反馈电压。
U1由稳压管VS2上的电压经电容C4滤波后，再经电位器RP1分压取得，它可根据拖动系统所需要的转速进行整定。
U2为从主电路中的电位器RP2分压取得，它反映了电枢两端电压变化情况，因此间接反映了电动机转速的变化。
当控制电压UK增大时，触发电路输出的脉冲提前，晶闸管的导通角增大，主电路输出的直流电压升高。
这样，由于加在电动机电枢的电压增加，电动机的转速将升高。
反之，当控制电压UK减小时，主电路输出电压降低。
这时，加在电枢上的电压降低，电动机的转速便下降。
4．调整转速的工作原理
（1）直流电动机的平滑起动电位器RP1与交流电源开关SP1是联动的。
当SP1合闸时，电位器RP1的动触点处于零位置，整定电压U1=0。
然后，转动电位器RP1的动触点，使电压U1从零开始上升，控制电压UK也随之增大。
于是，主电路的输出电压即加在电枢上的电压逐渐升高，电动机平滑起动，最后达到相应的转速，进入正常运转状态。
（2）直流电动机的无级调速在电动机运行过程中，人为地调节电位器RP1的可动触点，可使整定电压U1发生连续变化。
因此，加在电枢上的电压变化也是连续的，电动机便可在一定范围内获得任意大小的给定转速，从而实现无级调速。
（3）直流电动机转速的稳定在电动机的工作过程中，当负载加大引起转速下降时，电枢电流也相应增大。
这时，由于可控整流电路内部的压降增加，致使电枢两端电压降低。
因此，经过电位器RP2取得的反馈电压U2也相应减小，控制电压UK则相应增大，使触发脉冲提前，可控整流电路输出电压增大，补偿了电动机电枢电压的降低，而使电动机转速下降甚微。
负载在一定范围之内变化时，通过电路的自动调节，电动机能够基本保持恒定的转速运转。
第二节开关稳压电源
一、开关稳压电源的工作原理和特点
1.开关稳压电源的基本工作原理
开关稳压电源简称开关电源（SwitchingPowerSupply），这种电源中，实现稳压控制功能的器件以开关方式工作。
图8-2所示为输入输出隔离的开关电源原理框图。
图8-2开关电源的基本框图
开关稳压电源的主电路工作原理为：
工频交流电压首先经EMI防电磁干扰的电源滤波器滤波，滤除交流电源的高次谐波，经整流电路变换为直流后再滤波，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，最后输出直流电压。
开关稳压电源控制电路的工作原理是：
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做比较后，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。
2.开关稳压电源的控制原理
开关电源中，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。
在开关电源中，改变占空比的控制方式有两种，即脉冲宽度调制（PWM）和脉冲频率调制（PWF）。
在脉冲宽度控制中，保持开关周期T不变，通过改变ton来改变占空比，从而达到改变输出电压的目的，如图8-3所示。
图8-3PWM控制方式
频率控制方式中，保持导通时间ton不变，通过改变频率（即开关周期T）而达到改变占空比的一种控制方式。
由于频率控制方式的工作频率是变化的，造成后续电路滤波器的设计比较困难，因此，目前绝大部分的开关电源均采用PWM控制。
3.开关稳压电源的特点
开关稳压电源具有如下的优点：
（1）功耗小、效率高。
开关器件交替工作在通断状态，转换速度快，这使得功率损耗小，电源的效率可达90%～95%。
（2）体积小、重量轻。
开关电源效率高，损耗小，可以省去较大体积的散热器；用起隔离作用的高频变压器取代工频变压器，可大大减小体积，降低重量；因为开关频率高，输出滤波电容的容量和体积也可大为减小。
（3）稳压范围宽。
开关电源的输出电压由占空比来调节，输入电压的变化可以通过占空比的大小来补偿。
这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能保证有较稳定的输出电压。
（4）电路形式灵活多样。
设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关电源。
开关电源的缺点主要是存在开关噪声干扰。
在开关电源中，开关器件工作在开关状态，它产生的交流电压和电流会通过电路中的其它元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，对这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重影响整机正常工作。
此外，这些干扰还会串入工频电网，使电网附近的其它电子仪器、设备和家用电器受到干扰。
因此，设计开关电源时，必须采取合理的措施来抑制其本身产生的干扰。
二、隔离式高频变换电路
在开关稳压电源的主电路中，调频变换电路是核心部分，其电路形式多种多样，下面介绍输入输出隔离的开关电源常用的几种高频变换电路的结构和工作原理。
1.正激式变换电路（Forward）
所谓正激式变换电路，是指开关电源中的变换器不仅起着调节输出电压使其稳定的作用，还作为振荡器产生恒定周期T的方波，后续电路中的脉冲变压器也具有振荡器的作用。
该电路的结构如图8-4所示。
工频交流电源通过电源滤波器、整流滤波器后转换成该图中所示的直流电压Ui；V1为功率开关管，多为绝缘栅双极型晶体管IGBT（其基极的驱动电路图中未画出）；TR为高频变压器；L和C1组成LC滤波器；二极管VD1为半波整流元件，VD2为续流二极管；RL为负载电阻；Uo为输出稳定的直流电压。
图8-4正激变换电路
当控制电路使V1导通时，变压器原、副边均有电压输出且电压方向与图示参考方向一致，所以二极管VD1导通，VD2截止，此时电源经变压器耦合向负载传输能量，负载上获得电压，滤波电感L储能。
当控制电路使V1截止时，变压器原、副边输出电压为零。
此时，变压器原边在V1导通时储存的能量经过线圈N3和二极管VD3反送回电源。
变压器的副边由于输出电压为零，所以二极管VD1截止，电感L通过二极管VD2续流并向负载释放能量，由于电容C1的滤波作用，此时负载上所获得的电压保持不变，其输出电压为
式中k为变压器的变压比，α为方波的占空比，N1、N2为变压器原、副边绕组的匝数。
由上式可看出，输出电压Uo仅由电源电压Ui和占空比α决定。
这种电路适合的功率范围为数瓦至数千瓦。
2．半桥变换电路
半桥变换电路又可称为半桥逆变电路，如图8-5a所示。
工频交流电源通过电源滤波器、整流滤波器后转换成图中所示的直流电压Ui；V1、V2为功率开关管IGBT；TR为高频变压器，L、C3组成LC滤波电路，二极管VD3、VD4组成全波整流元件。
a）b）
图8-5半桥变换电路及波形
a）电路b）波形
半桥变换电路的工作原理：
两个输入电容C1、C2的容量相同，其中A点的电压UA是输入电压Ui的一半，即有UC1＝UC2＝Ui／2。
开关管V1和V2的驱动信号分别为ug1和ug2，由控制电路产生两个互为反相的PWM信号，如图8-5b所示。
当ug1为高电平时，ug2为低电平，V1导通，V2关断。
电容C1两端的电压施加在高频变压器的原边，此时uV1＝Ui／2，在V1和V2共同关断期间，原边绕组上的电压为零，即uV1＝0。
当ug2为高电平期间，V2导通，V1关断，电容C2两端的电压施加在高频变压器的原边，此时uV1＝－Ui／2。
其波形如图8-4b所示。
可以看出，在一个开关周期T内，变压器上的电压分别为正、负、零值，这一点与正激变换电路不同。
为了防止开关管V1、V2同时导通造成电源短路，驱动信号ug1和ug2之间必须具有一定的死区时间，即二者同时为零的时间。
当uV1＝Ui／2时，变压器副边所接二极管VD3导通，VD4截止，整流输出电压的方向与图示Uo方向相同；当uV1＝－Ui／2时，二极管VD4导通，VD3截止，整流输出电压的方向也与图示Uo方向相同；在二极管VD3、VD4导通期间，电感L开始储能。
在开关管V1、V2同时截止期间，虽然变压器副边电压为零，但此时电感上释放能量，又由于电容C3的作用使输出电压恒定不变。
半桥变换电路的特点为，在一个开关周期T内，前半个周期流过高频变压器的电流与后半个周期流过的电流大小相等，方向相反，因此，变压器的磁芯工作在磁滞回线B-H的两端，磁芯得到充分利用。
在一个开关管导通时，处于截止状态的另一个开关管所承受的电压与输入电压相等，开关管由导通转为关断的瞬间，漏感引起的尖峰电压被二极管VD1或VD2箝位，因此开关管所承受的电压绝对不会超过输入电压，二极管VD1、VD2还作为续流二极管具有续流作用，施加在高频变压器上的电压只是输入电压的一半。
欲得到与下面将介绍的全桥变换电路相同的输出功率，开关管必须流过两倍的电流，因此半桥式电路是通过降压扩流来实现大功率输出的。
另外，驱动信号ug1和ug2需要彼此隔离的PWM信号。
半桥变换电路适用于数百瓦至数千瓦的开关电源。
3．全桥变换电路
将半桥电路中的两个电解电容C1和C2换成另外两只开关管，并配上相应的驱动电路即可组成图8-6所示的全桥电路。
图8-6全桥变换电路
驱动信号ug1和ug4相同，ug2和ug3相同，而且ug1、ug4与ug2、ug3互为反相。
其工作原理如下：
当ug1和ug4为高电平，ug2和ug3为低电平时，开关管V1和V4导通，V2和V3关断，电源电压通过V1和V4施加在高频变压器的原边，此时变压器原边电压为uV1＝Ui。
当ug1和ug4为低电平，ug2和ug3为高电平时，开关管V2、V3导通，V1、V4关断，变压器原边电压为uV1＝－Ui。
与半桥电路相比，初级绕组上的电压增加了一倍，而每个开关管的耐压仍为输入电压。
图8-6中变压器副边所接二极管VD5、VD6为整流二极管，实现全波整流。
电感L、电容C组成LC滤波电路，实现对整流输出电压的滤波。
开关管V1、V2、V3和V4的集电极与发射极之间反接有箝位二极管VD1、VD2、VD3和VD4，由于这些箝位二极管的作用，当开关管从导通到截止时，变压器初级磁化电流的能量以及漏感储能引起的尖峰电压的最高值不会超过电源电压Ui，同时还可将磁化电流的能量反馈给电源，从而提高整机的效率。
全桥变换电路适用于数百瓦至数千瓦的开关电源。
除了上述变换电路外，常用的隔离型高频电路还有反激型变换电路、推挽型变换电路和双正激型变换电路。
三、开关电源的应用
图8-7给出了由开关电源构成的电力系统用直流操作电源的电路原理图，图8-7a为主电路，图8-7b为控制电路。
主电路采用半桥变换电路，额定输出直流电压为220V，输出电流为10A。
下面简单介绍各功能模块的具体电路。
图8-7直流操作电源电路
a）主电路b）控制电路
1．交流进线EMI滤波器
电磁干扰EMI为英文ElectroMagneticInterference的缩写。
为了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，必须在开关电源的输入端施加EMI滤波器，有时又称此滤波器为电源滤波器，用于滤除电源输入输出中的高频噪声（150kHz～30MHz）。
图8-8给出了一种常用的高性能EMI滤波器，该滤波器能同时抑制共模和差模干扰信号。
图8-8交流进线EMI滤波器
该图中A、N间为电源的相电压，G为电源的接地线。
CC1、CC2和LC构成的低通滤波器用来抑制共模干扰信号。
所谓共模干扰信号，通常是指与电源电压并联且极性相同的干扰信号。
由于电源干扰信号的频率远大于工频50Hz，因此它们通过电容CC1、CC2接入地消除干扰。
其中LC为磁芯电感，它与普通电感相比具有体积小、电感值大的特点，在此电路中称为共模电感，其两组线圈的匝数相等，绕向相反。
共模干扰信号的极性相同，在LC产生很大的阻抗，从而抑制了共模信号进入后续整流电路。
对于极性相反，串接在电源内的差模干扰信号，LC产生的阻抗为零，则由Cd1、Ld组成的低通滤波器来抑制干扰信号。
2．启动浪涌电流抑制电路
开启电源时，由于将对滤波电容C1和C2充电，接通电源瞬间电容相当于短路，因而会产生很大的浪涌电流，其大小取决于启动时的交流电压的相位和输入滤波器的阻抗。
抑制启动浪涌电流最简单的办法是在整流桥的直流侧和滤波电容之间串联具有负温度系数的热敏电阻。
启动时电阻处于冷态，呈现较大的电阻，从而可抑制启动电流。
启动后，电阻温度升高，阻值降低，以保证电源具有较高的效率。
虽然启动后电阻已较小，但电阻在电源工作的过程中仍具有一定的损耗，降低了电源的效率，因此，该方法只适合小功率电源。
对于大功率电路，将上述热敏电阻换成普通电阻，同时在电阻的两端并接晶闸管，电源启动时晶闸管关断，由电阻限制启动浪涌电流。
滤波电容的充电过程完成后，触发晶闸管，使之导通，从而既达到了短接电阻降低损耗的目的，又可限制启动浪涌电流。
3．输出控制电路
控制电路是开关电源的核心，它决定开关电源的动态稳定性。
该开关电源采用双闭环控制方式，如图8-9所示。
电压环为外环控制，起着稳定输出电压的作用。
电流环为内环控制，起稳定输出电流的作用。
交流电源经过电源滤波、整流再次滤波后得到电压的给定信号UOG，输出电压经过取样电路获得一反馈电压UOF。
UOF通过反馈电路送到给定端与给定信号UOG比较，其误差信号经PI调节器调节后形成输出电流的给定信号IOG。
将IOG与电感电流的反馈信号IOF比较，其误差信号经PI调节器（比例积分调节器）调节后送入PWM控制器SG3525，然后与控制器内部三角波比较形成PWM信号，该信号再通过驱动电路去驱动变换电路中的IGBT。
图8-9直流开关电源控制系统原理框图
如果输出电压因种种原因在给定电压没有改变的情况下有所降低，即反馈电压UOF小于给定电压UOG，则电压调节器将误差放大后使输出电压升高，即电感电流的给定IOG增大。
电感电流给定增大又导致电流调节器的输出电压增大，使得PWM信号的占空比增大，最后达到增大输出电压的目的。
当输出电压达到给定电压所要求的值时，调节器停止调节，输出电压稳定在所要求的值。
4．SG3525的管脚功能
SG3525系列开关电源PWM控制集成电路是美国硅通用公司设计的第二代PWM控制器，工作性能好，外部元件用量小，适用于各种开关电源。
图8-10给出了SG3525的内部结构，其管脚功能如下：
①脚：
误差放大器的反相输入端；
②脚：
误差放大器的同相输入端；
③脚：
同步信号输入端，同步脉冲的频率应比振荡器频率fS要低一些；
④脚：
振荡器输出；
⑤脚：
振荡器外接定时电阻RT端，RT值为2～150kΩ；
⑥脚：
振荡器外接电容CT端，振荡器频率fS＝1／CT（0.7RT+3R0），R0为⑤脚与⑦脚之间跨接的电阻，用来调节死区时间，定时电容范围为0.001～0.1μF；
图8-10SG3525内部结构框图
⑦脚：
振荡器放电端，用外接电阻来控制死区时间，电阻范围为0～500Ω；
⑧脚：
软启动端，外接软启动电容，该电容由内部Uref的50μA恒流源充电；
⑨脚：
误差放大器的输出端；
⑩脚：
PWM信号封锁端，当该脚为高电平时，输出驱动脉冲信号被封锁，该脚主要用于故障保护；
⑾脚：
A路驱动信号输出；
⑿脚：
接地；
⒀脚：
输出集电极电压；
⒁脚：
B路驱动信号输出；
⒂脚：
电源，其范围为8～35V；
⒃脚：
内部+5V基准电压输出。
5.IGBT驱动电路
驱动电路采用日本三菱公司生产的驱动模块M57962L。
该驱动模块为混合集成电路，将IGBT的驱动和过流保护集于一体，能驱动电压为600V和1200V系列电流容量不大于400A的IGBT。
驱动电路的接线图如图8-11所示。
图8-11IGBT驱动电路
图8-11中，输入端Uin的PWM信号与输出端Ug的PWM信号彼此隔离。
当Uin为高电平时，输出Ug也为高电平，此时IGBT导通；当Uin为低电平时，输出Ug为-10V，IGBT截止。
该驱动模块通过实时检测IGBT集电极电位来判断IGBT是否发生过流故障。
当IGBT导通时，如果驱动模块的①脚电位高于其内部基准值，则其⑧脚输出为低电平，通过光耦合，发出过流信号，使输出信号Ug变为–10V，关断IGBT。
第三节软开关技术
电力电子装置中，滤波电感、电容和变压器的体积和重量往往占有较大的比例。
提高开关频率可以有效的减小滤波电感、电容和变压器的体积和重量，因此，电路的高频化就成为必然趋势。
但随着频率的提高，开关损耗也随之增加，电路效率会严重下降，同时电磁干扰也会增大。
针对这些问题采取的解决办法就是软开关技术。
一、硬开关和软开关
开关在控制电路的开通和关断过程中，会引起电压和电流的剧烈变化，并产生较大的开关损耗和开关噪声，这样的开关叫硬开关。
硬开关电路存在的主要问题是开关损耗和开关噪声较大。
开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降；开关噪声给电路带来严重的电磁干扰，影响周边电子设备的工作。
软开关电路在电路中增加了小电感、电容等谐振器件，在开关过程前后引入谐振，使开关条件得以改善，从而降低开关损耗和开关噪声。
因此，软开关有时也称为谐振开关。
图8-12为软硬开关电路及波形的对比。
图8-12软硬开关路及波形对比
a）零电压开关准谐振电路及工作波形b）硬开关电路及工作波形
零电压开关准谐振电路是一种较典型的软开关电路，与硬开关电路相比，软开关电路中增加了谐振电感Lr和谐振电容Cr，与滤波电感L、滤波电容C相比，Lr和Cr的值小得多。
另一个差别是在开关Q处增加了反并联二极管VDQ。
软开关电路中Q关断后，Lr和Cr间发生谐振，电路中电压与电流波形类似于正弦半波。
谐振减缓了开关过程的电压、电流变化，而且使Q两端的电压在其开通前就降为零，使得开关损耗和开关噪声都大为降低。
二、软开关电路
软开关技术问世以来，出现了许多种软开关电路，直到目前为止，新型的软开关电路还在不断出现。
根据电路中主要的开关元件是零电压开通或是零电流关断，可将软开关电路分为零电压电路和零电流电路两大类。
若根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路三类。
由于每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，因此可以用图8-13中的基本开关单元来表示，不必画出各种具体电路。
实际使用时，可以从基本开关单元导出具体电路，开关和二极管的方向应根据电流的方向做相应调整。
图8-13软开关电路的基本开关单元
a）基本开关单元b）降压斩波器中的基本开关单元
c）升压斩波器中的基本开关单元d）升降压斩波器中的基本开关单元
下面对上述三类软开关电路加以简述。
1.准谐振电路
准谐振电路可以分为：
1）零电压开关准谐振电路。
2）零电流开关准谐振电路。
3）零电压开关多谐振电路。
4）用于逆变器的谐振直流环节电路。
准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。
谐振的引入使得电路的开关损耗和开关噪声都大大下降，但也带来一些负面问题：
谐振电压峰值高，要求器件耐压必须提高；谐振电流的有效值很大，电路中存在大量的无功功率的交换，造成电路导通损耗加大；谐振周期随输入电压、负载变化而变化，因此电路只能采用脉冲频率调制方式控制。
图8-14所示为准谐振电路的基本开关单元。
图8-15所示为用于逆变器的谐振直流环节电路原理图。
图8-14准谐振电路的基本开关单元
a）零电压开关准谐振电路的基本开关单元b）零电流开关准谐振电路的基本开关单元c）零电压开关多谐振电路的基本开关单元
图8-15谐振直流环节电路原理图
2.零开关PWM电路
这类电路引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后。
零开关PWM电路可分为：
1）零电压开关PWM电路；
2）零电流开关PWM电路。
这两种电路的基本开关单元如图8-16所示。
图8-16零电压开关和零电流开关PWM电路基本开关单元
a）零电压开关PWM电路基本开关单元b）零电流开关PWM电路基本开关单元
同谐振电路相比，这类电路有很多明显的优势：
电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低，电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。
3.零转换PWM电路
零转换PWM电路可以分为：
1）零电压转换PWM电路；
2）零电流转换PWM电路。
这两种电路的基本开关单元如图8-17所示。
图8-17零电压转换和零电流转换PWM电路基本开关单元
a）零电压转换基本开关单元b）零电流转换基本开关单元
这类软开关电路还是采用辅助开关控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关并联的，因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响很小，电路在很宽的输入电压范围内并从零负载到满载都能工作在软开关状态。
而且电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。
第四节UPS不间断电源
目前，不间断电源（UninterruptiblePowerSupply—UPS）在计算机网络系统、邮电通信、银行证券、电力系统、工业控制、医疗、交通以及航空等领域得到了广泛应用。
UPS电源不仅能保证不间断供电，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。
一、UPS的分类
UPS大致可分成三种：
离线式（Off-line）、在线式（On-line）和在线交互式（1ine-interactive）。
1.离线式UPS电源
离线式UPS也称为后备式UPS，该电源的基本结构如图8-18所示，它由充电器、蓄电池组、逆变器、交流稳压器和转换开关等部分组成。
市电存在时，逆变器不工作，市电经交流稳压器稳压后，通过
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