1、第第8章章 电力电子装置电力电子装置8.1 开关电源开关电源8.2 不间断电源（不间断电源（UPS）8.3 变频调速装置变频调速装置8.4 电力电子系统可靠性概述电力电子系统可靠性概述 电力电子装置与系统可靠性概述第1页电力电子装电力电子装置置电力电子装置与系统可靠性概述第2页电力电子装置与系统可靠性概述第3页8.1.1 开关电源工作原理开关电源工作原理 指起电压调整功效器件一直工作在线性放大区直流指起电压调整功效器件一直工作在线性放大区直流稳压电源。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(Switchin
2、g Power Supply)(Switching Power Supply)，指起电压，指起电压调整功效器件一直以开关方式工作一个直流稳压电源。调整功效器件一直以开关方式工作一个直流稳压电源。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：8.1 开关电源开关电源电力电子装置与系统可靠性概述第4页1 1、线性稳压电源：、线性稳压电源：优点：优良纹涉及动态响应特征；优点：优良纹涉及动态响应特征；缺点：（缺点：（1 1）输入采取）输入采取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
3、,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8.1.1 线性稳压电源方框图线性稳压电源方框图 电力电子装置与系统可靠性概述第5页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防电磁干防电磁干扰电源滤波器，直接整流滤波，然后再将滤波后直流电压经变换电路变扰电源滤波器，直接整流滤波，然后再将滤波后直流电压经变换电路变换为数十或数百换为数十或数百kHz高频方波或准方波电压，经过高频变压器隔离并降高频方波或准方波电压，经过高频变压器隔离并降压压(或升压或升压)后，再经高频整流、滤波电路，最终输出直流
4、电压。后，再经高频整流、滤波电路，最终输出直流电压。图图8.1.2 开关电源原理框图开关电源原理框图工作原理：工作原理：电力电子装置与系统可靠性概述第6页8.1.2 开关电源应用开关电源应用 图图8.1.4 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取半桥变换电路，额定输出直流电压为主电路采取半桥变换电路，额定输出直流电压为220V，输出电流为，输出电流为10A。电力电子装置与系统可靠性概述第7页8.2 不间断电源不间断电源 Uninterrupitable Power System,简称简称UPS UPS电电源源装装置置在在确确保保不不间间断断供供电电同同时时，还还能能提提供供稳稳
5、压、稳频和波形失真度极小高质量正弦波电源。压、稳频和波形失真度极小高质量正弦波电源。当当前前，在在计计算算机机网网络络系系统统、邮邮电电通通信信、银银行行证证劵劵、电电力力系系统统、工工业业控控制制、医医疗疗、交交通通、航航空空等等领领域域得得到到广泛应用。广泛应用。不间断电源：不间断电源：电力电子装置与系统可靠性概述第8页8.2.1 UPS分类分类 1、后备式、后备式UPS 依据工作方式，依据工作方式，UPS电源分电源分：图图8.3.1 后备式后备式UPS基本结构基本结构 市电存在时，逆变器不工作，市市电存在时，逆变器不工作，市电经交流稳压器稳压后，向负载供电，电经交流稳压器稳压后，向负载供
6、电，同时充电器工作，对蓄电池组浮充电。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，将蓄市电掉电时，逆变器工作，将蓄电池供给直流电压变换成稳压、稳频电池供给直流电压变换成稳压、稳频交流电压，继续向负载供电。交流电压，继续向负载供电。特点：特点：结构简单、成本低、运行效率高、价格廉价，但其输出电结构简单、成本低、运行效率高、价格廉价，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。压稳压精度差，市电掉电时，输出有转换时间。适于小功率。电力电子装置与系统可靠性概述第9页 2、线式、线式UPS 图图8.3.2 在线式在线式UPS基本结构基本结构 正常工作时，市电经整流器变
7、成直流后，再经逆变器变换成稳压、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、稳频正弦波交流电压供给负载。稳频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，以确保负载不间断供电。当市电掉电时，由蓄电池组向逆变器供电，以确保负载不间断供电。假如逆变器发生故障，假如逆变器发生故障，UPS则经过静则经过静态开关切换到旁路，直接由市电供电。当态开关切换到旁路，直接由市电供电。当故障消失后，故障消失后，UPS又又重新切换到由逆变器向负载供电。重新切换到由逆变器向负载供电。特点：特点：总是处于稳压、稳频供电状态，总是处于稳压、稳频供电状态，输出电压动态响应特征好，波形畸变小，输
8、出电压动态响应特征好，波形畸变小，其供电质量显著优于后备式其供电质量显著优于后备式UPS。电力电子装置与系统可靠性概述第10页8.2.2 UPS电源中整流器电源中整流器 1）对于小功率）对于小功率UPS，整流器普通采取二极管整流电路，整流器普通采取二极管整流电路，蓄电池充电由专门充电器来完成。蓄电池充电由专门充电器来完成。2）对于中大功率）对于中大功率UPS，整流器普通采取相控式整流电路，整流器普通采取相控式整流电路,它含有双重功效，在向逆变器提供直流电源同时，还要向蓄它含有双重功效，在向逆变器提供直流电源同时，还要向蓄电池进行充电。电池进行充电。3）降低）降低UPS注入电网谐波电流方法：注入
9、电网谐波电流方法：4）当前，比较先进）当前，比较先进UPS采取采取PWM整流电路，能够做到注整流电路，能够做到注入电网电流基本靠近正弦波，使其功率因数靠近入电网电流基本靠近正弦波，使其功率因数靠近1，大大降，大大降低了低了UPS对电网谐波污染。对电网谐波污染。概述：概述：电力电子装置与系统可靠性概述第11页 工作原理工作原理图图8.3.3 单相单相PWM整流电路原理框图整流电路原理框图 在在PWM整流电路交流输入端整流电路交流输入端AB产生一个正弦波调制产生一个正弦波调制PWM波波uAB，uAB中除了含有与电源同频率基波分量外，还含有与开关频率相关高中除了含有与电源同频率基波分量外，还含有与开
10、关频率相关高次谐波。因为电感次谐波。因为电感Ls滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流is产产生很小脉动。假如忽略这种脉动，生很小脉动。假如忽略这种脉动，is为频率与电源频率相同正弦波。在为频率与电源频率相同正弦波。在交流电源电压交流电源电压us一定时，一定时，is幅值和相位由幅值和相位由uAB中基波分量幅值及其与中基波分量幅值及其与us相相位差决定。改变位差决定。改变uAB中基波分量幅值和相位，就能够使中基波分量幅值和相位，就能够使is与与us同相位，同相位，电路工作在整流状态，且功率因数为电路工作在整流状态，且功率因数为1。电力电子装置与系统可靠性
11、概述第12页 直流输出电压给定信号直流输出电压给定信号Ud*和实际直流和实际直流 电压电压Ud比较后送入比较后送入PI调整调整器，器，PI调整器输出即为整流器交流输入电流幅值，它与标准正弦波相乘调整器输出即为整流器交流输入电流幅值，它与标准正弦波相乘后形成交流输入电流给定信号后形成交流输入电流给定信号i is s*，i is s*与实际交流输入电流与实际交流输入电流is进行比较，进行比较，误差信号经百分比调整器放大后送入比较器，再与三角载波信号比较形误差信号经百分比调整器放大后送入比较器，再与三角载波信号比较形成成PWM信号。信号。该该PWM信号经驱动电路后去驱动主电路开关器件，便可使实际交信
12、号经驱动电路后去驱动主电路开关器件，便可使实际交流输入电流跟踪指令值，从而到达控制输出电压目标。流输入电流跟踪指令值，从而到达控制输出电压目标。图图8.3.4 直接电流控制系统结构图直接电流控制系统结构图 单相单相PWM整流电路采取直接电流控制时控制系统结构简图整流电路采取直接电流控制时控制系统结构简图 电力电子装置与系统可靠性概述第13页图图8.3.5 UPS逆变器及其控制原理框图逆变器及其控制原理框图 主电路采取全桥逆变电路，为滤去开关频率噪声，输出采取主电路采取全桥逆变电路，为滤去开关频率噪声，输出采取LC滤滤波电路，且采取较小波电路，且采取较小LC滤波器。输出隔离变压器实现逆变器与负载
13、隔滤波器。输出隔离变压器实现逆变器与负载隔离，防止它们之间电直接联络，从而降低干扰。离，防止它们之间电直接联络，从而降低干扰。8.2.3 UPS电源中逆变器电源中逆变器 电力电子装置与系统可靠性概述第14页8.2.4 UPS静态开关静态开关 为了深入提升为了深入提升UPS电源可靠性，在线式电源可靠性，在线式UPS均装有静均装有静态开关，将市电作为态开关，将市电作为UPS后备电源，在后备电源，在UPS发生故障或维发生故障或维护检修时，无间断地将负载切换到市电上，由市电直接供护检修时，无间断地将负载切换到市电上，由市电直接供电。电。图图8.2.4 单相输出单相输出UPS 静态开关原理图静态开关原理
14、图 1 1、工作原理：、工作原理：2 2、电路结构：、电路结构：静态开关主电路普通由两静态开关主电路普通由两只晶闸管开关反并联组成，只晶闸管开关反并联组成，一只晶闸管用于经过正半周一只晶闸管用于经过正半周电流，另一只晶闸管则用于电流，另一只晶闸管则用于经过负半周电流。经过负半周电流。电力电子装置与系统可靠性概述第15页8.3 变频调速装置变频调速装置 若均匀地改变定子频率若均匀地改变定子频率 ，则能够平滑地改变电机转速。，则能够平滑地改变电机转速。由交流电机转速公式：由交流电机转速公式：能够看出：能够看出：所以，在各种异步电机调速系统中，变频调速性能最好，使所以，在各种异步电机调速系统中，变频
15、调速性能最好，使得交流电机调速性能可与直流电机相媲美，同时效率高，是交流得交流电机调速性能可与直流电机相媲美，同时效率高，是交流调速主要发展方向。调速主要发展方向。电力电子装置与系统可靠性概述第16页8.3.1 变频调速基本控制方式变频调速基本控制方式（1）基频以下变频调速）基频以下变频调速（2）基频以上变频调速）基频以上变频调速（3）转差频率控制）转差频率控制 （5）控制直接转矩）控制直接转矩 （4）矢量控制）矢量控制电力电子装置与系统可靠性概述第17页8.3.2 变频调速装置分类变频调速装置分类（1）间接变频调速装置间接变频调速装置 图图8.5.1 间接变频装置三种机构形式间接变频装置三种
16、机构形式 按按照照电电路路结结构构和和控控制制方方式式不不一一样样，间间接接变变频频装装置置又又能能够够分分为为三三种种，如如图图8.5.1（a）、（）、（b）、（）、（c）所表示。）所表示。电力电子装置与系统可靠性概述第18页（2）直接变频装置）直接变频装置 图图8.3.2 直接变频装置直接变频装置 直接变频装置结构如图直接变频装置结构如图8.5.2所表示，它采取交一交变所表示，它采取交一交变频电路，只用一个变换步骤，直接将恒压恒频交流电源频电路，只用一个变换步骤，直接将恒压恒频交流电源变换成变换成VVVF电源。依据输出波形，直接变频装置能够电源。依据输出波形，直接变频装置能够分成方波形和正
17、弦波型两种。分成方波形和正弦波型两种。这类变频装置普通只用于低速大容量调速系统，如轧这类变频装置普通只用于低速大容量调速系统，如轧钢机、球磨机、水泥回转窑等。钢机、球磨机、水泥回转窑等。电力电子装置与系统可靠性概述第19页8.3.3 SPWM变频调速装置变频调速装置 图图8.5.3 开环控制开环控制SPWM变频调速系统结构简图变频调速系统结构简图电力电子装置与系统可靠性概述第20页可靠性基本概念可靠性基本概念 为元件或系统在要求条件下和要求时间内，完成要求功效能为元件或系统在要求条件下和要求时间内，完成要求功效能力。力。1、元件或系统可靠性、元件或系统可靠性:2、失效：、失效：3、可靠性指标：
18、、可靠性指标：描述一个元件、装置或系统可靠程度数量化指标。描述一个元件、装置或系统可靠程度数量化指标。当元件、装置或系统不能完成要求功效时，称之为失效。当元件、装置或系统不能完成要求功效时，称之为失效。4、惯用可靠性指标：、惯用可靠性指标：可靠度、失效率和平均无故障时间可靠度、失效率和平均无故障时间 8.4 电力电子系统可靠性概述电力电子系统可靠性概述 电力电子装置与系统可靠性概述第21页电磁兼容性概述电磁兼容性概述 电磁干扰电磁干扰EMI（Electromagnetic nterference）电磁敏感度电磁敏感度EMS（Electromagnetic Susceptibility）电气、电
19、子设备能够在它自己所产生电磁环境以及电气、电子设备能够在它自己所产生电磁环境以及它所处复杂外界电磁环境中按照原设计要求正常地工作，它所处复杂外界电磁环境中按照原设计要求正常地工作，即它含有一定电磁敏感度，以确保它对电磁干扰含有一定即它含有一定电磁敏感度，以确保它对电磁干扰含有一定抗扰度；抗扰度；该设备或系统自己产生电磁干扰必须限制在一定水该设备或系统自己产生电磁干扰必须限制在一定水平，从而不致对它周围电磁环境造成严重污染和影响周围平，从而不致对它周围电磁环境造成严重污染和影响周围其它设备或系统正常工作。其它设备或系统正常工作。电磁兼容性（电磁兼容性（EMC）包含两方面含义：）包含两方面含义：电力电子装置与系统可靠性概述第22页
