电力电子装置及系统知识点总结

第一章电力电子装置及系统的概念电力电子控制系统---电力电子装置和负载组成的闭环系统。在设计电路参数时，必须考虑负载因素(功率、特性等)。定义：以满足用电要求为目标，以电力半导体器件为核心，通过合理的电路拓扑和控制方式，采用相关的应用技术对电能实现变换和控制的装置电力电子装置的主要类型：AC/DC变换器（整流器）DC/DC变换器（采用PWM控制的变换器也叫直流斩波器）AC/AC变换器（输入输出频率相同叫做交流调压器，频率变化叫变频器）DC/AC变换器（逆变器）静态开关（静态开关通、断时没有触点动作，从而消除了电弧的危害。且静态开关由电子电路控制，自动化程度高。）散热：散热措施：减少器件损耗：采用软开关电路，增加缓冲电路等措施。散热措施：提高接触面光洁度，涂导热硅脂，施加合适安装压力。选择有效散热面积大的散热器。结构设计注意风道的形成，可以用水、油等介质管道帮助冷却。缓冲电路关断缓冲电路开通缓冲电路复合缓冲电路过电流保护：防止过电流：互锁：桥臂中一开关器件有驱动信号时，绝对不允许另一开关器件有驱动信号，可以利用门电路将桥臂中两个驱动信号进行互锁。死区：桥臂中两个开关器件都不允许开通的时间。时间为器件关断时间的1.5-2倍电流信号检测慢速型电流检测元件：电流互感器。注意：互感器二次绕组不能开路。快速型电流检测元件：霍尔元件、霍尔电流传感器模块。过电流保护方法：①利用参数状态识别对单个器件进行自适应保护。当饱和压降超过限定值的时候，器件驱动电路自动封锁脉冲。②利用常规办法进行最终保护。晶闸管用快速熔断器，高频开关器件用电流检测，过流时限制电流，必要时封锁驱动脉冲。第二章1高频开关电源的基本组成：（1）输入环节：输入浪涌电流抑制、瞬态电压抑制、线路滤波器、输入整流滤波浪涌电流：在合闸的瞬间，由于输入滤波电容的充电，交流电源端阻抗低，产生浪涌电流。抑制方法：限流电阻加开关（将限流电阻串接于交流线路或整流桥后的直流母线上，开关与电阻并联）、采用负温度系数热敏电阻NTC、功率很小的开关电源直接在线路中串接电阻限制浪涌电流。瞬态电压：在交流线路间并联压敏电阻或者瞬态电压抑制二极管（TVS）抑制输入瞬态电压（2）功率变换电路（Buck变换、Boost变换、Buck/Boost变换、正激、反激、推挽、半桥、全桥）（3）控制驱动保护电路：PWM电压控制模式、PWM峰值电流控制模式2各种不同的直流变流电路的优缺点以及用途电路优点缺点功率范围应用领域正激电路较简单，成本低可靠性高，驱动电路简单变压器单向激磁，利用率低几百W~几kW各种中、小功率电源反激电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低几W~几十W小功率电子设备、计算机设备、消费电子设备电源。全桥变压器双向励磁，容易达到大功率结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路几百W~几百kW大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等半桥变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路几百W~几kW各种工业用电源，计算机电源等推挽变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题几百W~几kW低输入电压的电源3高频开关电源的控制模式：PWM电压控制模式：容易但响应慢（最基本的一种控制方式：单一的电压闭环）电压控制的原理如下图所示，它只有一个电压反馈环，误差放大器的输出与恒定频率的三角波相比较，通过脉冲宽度调制，得到要求的输出电压。单一回馈的电压环使设计和调试都比较容易；但是当输入电压或负载发生突变时，要经过主电路的输出电容和电感L延时，以及电压放大器时的延时，再传至PWM比较调制脉宽，使输出电压变化，这几个延时是电压控制模式瞬时响应慢的主要因素。改善电压模式瞬态响应慢：采用电压前馈模式控制PWM（斜坡可变化，响应快）输入电压对电阻、电容（𝑹𝒇𝒇、𝑪𝒇𝒇）充电产生可变化的锯齿波，当输入电压增高，充电电流增大，锯齿波斜波立刻变陡，脉冲宽度变窄，不需要等待输出电压变化再通过反馈调整。PWM电流控制模式：主要用于能周期出现峰值的电路。电流控制模式是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法。PWM脉冲的开通时刻由振荡器脉冲决定，关断时刻由误差放大器输出𝑈𝐸与代表电流峰值的信号𝑈𝑆比较决定。峰值电流控制模式是双环控制系统，电压外环的输出控制电流内环，电流内环检测瞬时快速，它是采用逐个脉冲检测工作的。因此峰值电流控制模式比电压控制模式响应速度快，而且可以限制电路的峰值电流。电流控制模式：引入电流内环→系统的稳定性增强；系统的动态特性得到改善；具有快速的限流能力；分为平均电流模式和峰值电流模式。4单端反激式开关电源工作原理工作原理：变压器PT既是变压器也是一个线性电感，T饱和导通时其等效阻抗近似为零，如果外加电压𝑈𝑖恒定，流过绕组𝑁1的电流𝑖1线性增长，由于绕组𝑁1、𝑁2是反极性的，二极管D截止，副边没有电流，导通期间的能量储存在初级电感里;当开关截止时，副边绕组感应电势使二极管导通，通过输出电容和负载释放磁场能量。根据副边绕组放电时间的不同，单端反激电源分为3种工作模式：不连续工作模式（DCM）、临界工作模式和连续工作模式（CCM）。单端反激电源5功率因数校正分类：无源功率因数校正与有源功率因数校正（APFC）6优缺点比较：无源功率因数校正：优点：简单、成本低、可靠性高、电磁干扰EMI小。缺点：体积、重量大，难以得到高功率因数(一般提高到0.9左右)。有源功率因数校正：优点：能使电源的输入功率因数提高到接近1，功率因数得到改善。缺点：相对于无源功率因数校正电路通过加电感和电容要复杂一些，且成本较高，可靠性降低7有源功率因数校正思路:主要是控制已整流后的电流，使之在对滤波大电容充电之前，能与整流后的电压波形相同，从而避免电流脉冲的形成，达到改善功率因数的目的。非连续电流模式功率因数校正器稳压原理：引入前馈电压目的：使输出功率不受输入电压Ui变化的影响，维持了输出电压的快速稳定。具有良好的动态响应和负载调整特性。8基于滞环电流控制的PWM高频整流当反馈电流𝒊𝒇𝒊𝒈-𝒊𝒉/2，通过控制使得输入电流𝒊𝒔增大;当反馈电流𝒊𝒇𝒊𝒈+𝒊𝒉/2，通过控制使得输入电流𝒊𝒔减小;滞环调节保证𝒊𝒔始终跟踪给定电流𝒊𝒈；若给定电流波形为正弦波，与输入电压同相位，滞环𝒊𝒉恒定，则输入电流𝒊𝒔跟踪𝒊𝒈，波形也接近正弦波。第三章一、单相逆变器的主电路拓扑结构类型：半桥式、全桥式、推挽式半桥式：优点：可以利用两个大电容自动补偿不对称波形。缺点：输出端电压波形幅值仅为直流母线电压值的一半，电压利用率低。全桥式：优点：电压利用率与推挽一样，为半桥两倍。缺点：变压器直流不平衡（中大容量逆变器）推挽式：优点：电压损失小，直流母线电压只有一个开关管管压降损失，驱动电路简单。缺点：变压器直流不平衡（适合低压输入场合）二、逆变器控制方法分类：直流脉宽调制、正弦波脉宽调制（单极性、双极性）直流脉宽调制：定义：利用直流调制信号和三角波比较，可以得到单脉波信号；改变直流调制信号，就可改变单脉波的脉冲宽度，调节电压基波分量的有效值，实现电压控制目的。方波输出电路简单，易于闭环控制，电压输出稳定度也比较高，具有成本低的优点。但是方波输出含有大量的低次谐波，波形畸变严重。（2）正弦波脉宽调制：（画图题）（SPWM技术，利用面积冲量等效原理获得谐波含量很小的正弦电压输出）三、逆变器直流不平衡（直流偏磁）原因：控制系统原因控制系统的电源电压或元件参数引起三角载波或正弦调制波正、负半周不对称,导致同一桥臂上、下两个开关管在基波周期内的有效导通时间不等。某些控制方法和保护措施可能会造成变压器“动态”不平衡。元件参数的分散性引起死区不一致主电路同一桥臂上、下两个开关器件的开通、关断时间不等,饱和压降不同,缓冲电路参数有差异等。危害：造成变压器磁芯单向饱和,原边励磁电流急增,威胁器件的安全运行。同时逆变器输出电压波形发生严重畸变。抗直流偏磁的措施：1增加变压器磁心气隙，改善磁导率的线性度，增大抗偏磁能力2变压器设计时，取较小最大磁密。3限制最大脉冲宽度，在一个周期内尽量使正负脉冲宽度一致，特别是在动态工作状况下。4检测通过开关管的电流，当此电流连续几个周波超过设定值，则切断控制脉冲，使变压器有足够的时间去磁，然后再开通控制脉冲。5在变压器原边串联隔直电容，提高变压器抗不平衡的能力。6严格挑选开关特性一致的功率管用于全桥逆变电路。7采用反馈进行直流补偿四、单相逆变器主电路工作原理主电路整体框图【画图、分析原理】SPWM三相逆变器系统框图五、感应加热电源原理：电磁感应原理两种方案：并联谐振式逆变电路、串联谐振式逆变电路实际问题：串联谐振逆变器功率调节1并联谐振式逆变电路2串联谐振式逆变电路L、C、R串联后作为逆变桥的负载，利用负载电路串联谐振的原理工作。属电压源逆变器。输出电压为近似方波，输出电流接近于正弦波。自然换流，开通损耗很小。适当控制逆变器的工作频率使之接近负载的谐振频率，可限制器件的关断损耗。第四章一、UPS的类型及工作原理类型：后备式、双变换在线式、在线互动式、Delta变换式1、后备式UPS：容量小于2KVA市电正常时：充电器给蓄电池充电，市电经过滤波、稳压后向负载供电；市电异常（含掉电）时：蓄电池通过逆变向负载供电优点：结构简单、可靠性高、效率高、成本低。缺点：供电波形质量较差、频率适应性差、逆变器工作转换时间较长。2双变换在线式UPS（经AC/DC、DC/AC两次变换供电给负载）0.7-1500KVA市电正常时，经过滤波，分成三路，第一路交流变直流，经充电器对蓄电池组进行浮充电，第二路经过整流和大电容滤波变为较为平稳的直流电，再由逆变器变换为稳压稳频的交流电，通过转换开关送给负载，第三路转换开关的控制，如果逆变器故障，在逻辑控制电路的调控下，UPS直接将市电供给负载。市电异常时，由蓄电池经过DC/AC变换供电，只有逆变器故障时，才通过旁路电路直接通过转换开关切换给负载供电。优点：市电正不正常都由逆变器供电，供电质量好，市电转换到电池供电可实现零切换时间，输入侧功率因数高缺点：结构复杂，成本高，效率低，无功功率和谐波电流对电网公害较大。带隔离变压器的称为工频机，不带隔离变压器的称为高频机。3在线互动式UPS0.7-20KVA市电正常时，由继电器控制电流通路，向负载供电，继电器的接通点不同，变压器变比不同，做到对输出的基本稳压。同时UPS中双向变换器处于整流工作状态，给蓄电池组充电。市电异常时，双向变换器转换为逆变工作状态，将电池电能转换为正弦交流电输出。优点：结构简单，成本低，效率高，可靠性高。缺点：供电品质不高，市电—电池转换时，输出电压有转换时间。4Delta变换式UPS（只对输出电压的差值进行调整和补偿）10-480KVA市电正常时，经过Delta变压器提供的补偿电压△u既抵消电源中的谐波电压，又补偿基波电压，使负载得到稳定的正弦波电压。Delta变换器又叫串联补偿变换器，主变换器称为并联补偿变换器，前端变换器经过电感提供电压，后端变换器经过LC滤波并联接在负载两端，对主变换器进行实时控制，输出正弦电压，并向负载输出电流，补偿负载无功和谐波电流，使功率因数为1。市电停电，主变换器从蓄电池获取电能继续向负载供电。优点：市电—电池转换时，可实现零切换时间、供电品质高、功率裕量大、效率高缺点：结构复杂，成本高。（低于双变换）二、UPS的组成：整流器（PFC电路）、逆变器、蓄电池组、交流滤波器、静态开关、旁路电源、备用电网、整流器触发控制电路、逆变器触发控制电路、静态开关控制电路和辅助电路（电压、电流、频率、温度等检测电路，辅助电源、启动和停止电路、显示电路、逆相和缺相检测电路、保护和报警电路）三、蓄电池组1基本性能指标蓄电池是用多个单体串联而成。每个单体的标称电压为2.0V：1）放电中止电压蓄电池不允许再放电时的电压。通常1