第10章电力电子开关型电力补偿、控制器
电工学(目录及教学基本要求)
第13章时序逻辑电路
1.掌握基本R-S触发器的逻辑功能。 2.掌握钟控R-S触发器、J-K触发器和D触发器的逻辑 功能及触发方式。 3.理解数码寄存器和移位寄存器的工作原理。 4.理解二进制计数器和十进制计数器的工作原理。 5.理解555集成定时器的工作原理，了解用555集成定 时器组成的单稳态触发器和多谐振荡器的工作原理。
第2章交流电路
1.理解正弦交流电中频率、角频率与周期之间，瞬时值、有效值与最大值之 间，相位、初相位与相位差之间的关系。 2.理解电路基本定律的相量形式和相量图，掌握用相量法计算简单正弦交流 电路的方法。 3.理解R、L、C在交流电路中的作用。 4.掌握串联交流电路中的阻抗、阻抗模和阻抗角的计算；理解串联交流电路 中电压与电流的相量关系、有效关系和相位关系。 5.掌握串联、并联和简单混联电路的计算方法。 6.了解正弦交流电路瞬时功率的概念，理解和掌握有功功率、功率因数的概 念和计算。 7.了解无功功率和视在功率的概念，了解提高功率因数的方法及其经济意义。 8.了解正弦交流电路串联谐振和并联谐振的条件及特征。 9.了解非正弦周期信号线性电路的基本概念。
பைடு நூலகம்
第1章直流电路
1.了解电路的作用和组成。 2.理解电路模型及理想电路元件(电阻、电感、电容、电压源和 电流源)的电压-电流关系。 3.理解电压、电流参考方向的意义。 4.了解电路中的参考点的意义，掌握电位的计算。 5.了解电源的两种模型及其等效变换。 6.理解基尔霍夫定律，了解支路电流法、理解叠加定理和戴维 南定理。 7. 了解额定值和电功率的意义。 8.了解非线性电阻元件的伏安特性及静态电阻和动态电阻的概 念。了解简单非线性电阻电路的图解分析法。
第9章基本放大电路
1.了解模拟电路和数字电路的区别。 2.了解共射极、共集电极单管放大电路的组成和主要 特点；掌握静态分析和动态分析的计算方法。 3.了解多级放大的概念，掌握其静态和动态的计算方 法。 4.了解差分放大电路的电路组成，工作原理和输入输 出方式；掌握其静态和动态的计算方法。 5.了解基本互补对称放大电路的工作原理 。
电力电子系统可靠性概述
10.3 电磁兼容性概述
表10-1 在电力电子产品中常用的电磁兼容标准
标准
标准号
1
安全规范标准
EN 60950
2
传导、辐射干扰
EN 55022 A
3
静电放电
EN 61000-4-2 Level 3
4
辐射电磁场
EN 61000-4-3 Level 2
5
脉冲群
EN 61000-4-4 Level 2
6
10.3 电磁兼容性概述
长 期 以 来 ， 电 磁 兼 容 性 EMC （ Electromagnetic Compatibility）设计问题在一般工业部门并没有引起
足够的重视，在电力电子技术领域也不例外。不少设计 工程师曾误认为EMC问题主要是军事、通信及有关部门 的事情，而事实证明并非如此。
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。
10.3 电磁兼容性概述
就基本理论而言，电力电子系统中的电磁兼容问题与通信 中的电磁兼容问题没有什么原则上的区别。
但是，电力电子系统中的电磁兼容问题具有其固有的特点： ⑴ 在EMI方面，电力电子系统中的电磁噪声对周围电磁环 境所造成的电磁污染和电磁干扰要比通信系统严重得多。 ① 与通信系统相比，虽然电力电子系统的工作频率不高， 但是其工作电压高、电流和功率都较大，因此系统在开关器 件的开关过程中会产生强大的瞬态噪声电压或瞬态噪声电流， 成为强的电磁噪声源，它造成的干扰主要表现为近场辐射和 传导性EMI； ② 电力电子系统中的非线性功率变换电路通常还会导致很 大的谐波电流和谐波电压，造成谐波干扰，它不仅会污染电 网，而且还可能危害设备和系统的运行安全。
电力电子技术的应用
10.1.3 直流电源的保护
1.软启动
在直流电源中，软启动由缓慢增加的脉宽信号提供。
2. 电流限制
输出电流可以通过测量加在与负载串联的小电阻上的电压来测量，测得的电流 (实际为电压)与参考值比较，所得误差被放大后用于减小脉冲宽度以便限制电流。
3. 过电压和欠电压保护
当低于欠电压和高于过电压的设定值时，电源的控制断开。晶闸管和专用的积分 电路可以直接用于这个目的。
1 ATm 0
ke I f
(U S
a
kT I f Tm
)
其中，
A
Ra KT I f
0
US ke I f
10.6.1 直流电动机的驱动
2) 直流伺服电动机驱动中的控制 图10.15给出了带内部电流控制环和不带内部电流控 制环的一个伺服控制系统。在第一种方法中，限流 电路对电枢电流进行保护，防止直流电动机在加速 和减速过程中，电流超过容许的电流。在第二种方 法中，内部电流控制环直接控制直流电动机的电枢 电流和机械转矩。
10.6.2 感应电动机的驱动
低成本和持久性是工业上广泛选用感应电动机的主 要理由。感应电动机的驱动可以分为伺服驱动(使用 精确控制策略，这些应用包括计算机外围设备、机 床等)和调速驱动(使用具有制动的速度控制，这些 应用包括电扇、压缩机、泵、吹风机和过程控制系 统)。 感应电动机控制的最佳策略，一是改变电源频率以 控制电动机转速；二是和电源频率成比例地改变电 源电压。值得注意的是，上述这两种策略只在低转 差情况下才是有效的。
图10.9 UPS结构图
10.2.1 整流电路
AC-DC整流电路同时完成两个功能：一是为逆变器 提供直流电压源；二是对电池银行充电。整流电路 可以是我们熟悉的任何一种不可控、可控整流电路， 这里我们选择三相不可控AC-DC整流电路，其中一 相被分离出来构成单相可控DC-DC变换器(电池充 电器)给电池银行供电，整流电路直接向逆变器提供 功率输出后接带高频隔离或者不带隔离的DC-DC变 换器。注意，DC-DC变换器也可以选择DC-DC谐振 变换器。
《电力电子技术》(第六七八章)习题答案
第6章 PWM 控制技术1．试说明PWM 控制的基本原理。
答：PWM 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。
即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。
在采样控制理论中有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。
效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。
上述原理称为面积等效原理以正弦PWM 控制为例。
把正弦半波分成N 等份，就可把其看成是N 个彼此相连的脉冲列所组成的波形。
这些脉冲宽度相等，都等于π/N ，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。
如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到PWM 波形。
各PWM 脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。
根据面积等效原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。
对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM 波形。
可见，所得到的PWM 波形和期望得到的正弦波等效。
2．设图6-3中半周期的脉冲数是5，脉冲幅值是相应正弦波幅值的两倍，试按面积等效原理计算脉冲宽度。
解：将各脉冲的宽度用i（i =1, 2, 3, 4, 5）表示，根据面积等效原理可得1=m5m 2d sin U t t U ⎰πωω=502cos πωt - =0.09549(rad)=0.3040(ms)2=m525m 2d sin U t t U ωϖππ⎰=5252cos ππωt -=0.2500(rad)=0.7958(ms)3=m5352m 2d sin U t t U ωϖππ⎰=53522cos ππωt -=0.3090(rad)=0.9836(ms)4=m5453m 2d sin U t t U ωϖππ⎰=2=0.2500(rad)=0.7958(ms)5=m54m2d sin U tt Uωϖππ⎰=1=0.0955(rad)=0.3040(ms)3. 单极性和双极性PWM 调制有什么区别？三相桥式PWM 型逆变电路中，输出相电压（输出端相对于直流电源中点的电压）和线电压SPWM 波形各有几种电平？答：三角波载波在信号波正半周期或负半周期里只有单一的极性，所得的PWM 波形在半个周期中也只在单极性范围内变化，称为单极性PWM 控制方式。
机电传动控制 第10章 交流调速系统
机电传动控制第10章交流调速控制系统第10章交流调速控制系统主要内容：掌握交流调速系统的基本原理与类型； 熟悉交流调速系统的基本组成；了解变频器的结构、特点以及使用； 了解交流伺服驱动器及其使用。
交流调速方法概述旧的调速方式笨重磨损低效今天的调速节能轻巧无磨损灵活交流调速系统分为异步电机调速和同步电机调速，三相异步电动机的控制技术使用最广。
{}{}{}{}{}rpmrpm Hz rpm rpm n n p S f S n n ∆-=-=-=00/)1(60)1(长期以来，直流调速（性能好）方案一直占主导地位。
随着电力电子技术、现代控制理论的发展和应用，以及微机控制技术和大规模集成电路的发展与应用，交流调速发展飞速。
20世纪90年代以来，交流调速发展和应用已逐步取代直流调速系统：－各类型鼠笼式异步电动机压频比恒定的变压变频调速系统；－同步电动机变频调速系统；－交流电动机矢量控制系统－鼠笼式异步电动机直接转矩控制系统。
其应用范围几乎无所不有。
目前，变频调速技术及装置是21世纪的主流技术与产品。
晶闸管变频调速通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速。
在调速过程中，从高速到低速都可以保持有限的转差功率，因而，具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。
变频调速是异步电动机调速最有发展前途的一种方法也是现在使用的最多的调速方法。
现代交流调速系统的构成：交流电动机、电力电子功率转换器、控制器和电量检测器等四大部分组成。
其中，电力电子功率转换器与控制器及电量检测器集成一体，称为变频器（变频调速装置）。
10.1 传统的交流调速方法异步电动机的转矩与定子电压的二次方成正比，改变其定子电压即改变电动机的转矩及机械特性，从而实现调速——简单方便。
过去：利用交流调压器（自耦变压器）改变电压，笨重；现在：利用晶闸管“交流开关”元件组成的交流调压器调压，方便！一、晶闸管的交流调压电路当电源电压为正半周时，触发VS1使之导通，电压过零时，VS1自行关断； 当电源电压为负半周时，触发VS2使之导通，电压过零时，VS1自行关断；触发控制角为： 只需要一个脉冲信号，脉冲周期为：1800晶闸管交流调压电路与晶闸管整流电路一样，也有单相与三相之分。
第10章电感设计
n 3.确定绕组匝数
n LImax 104 Bmax Ac
电力电子技术基础
第10章电感器的设计
4.确定导线尺寸
AW
KuWA n
(cm2 )
线径的选择应该满足以上不等式
作为选择的校对，绕组电阻的计算也是十分重要
的，即：
n(MLYT )
R
()
Aw
10.3 多绕组磁性器件设计
K g法还可扩展至多绕组磁性器件的设计，比如 变压器和耦合电感等 在以下场合适用本法：
n1
n2
nk
磁芯
窗口面积WA
每匝磁芯平均 长度( MLT)
导线电导率 ρ
填充因子 Kμ
磁芯结构
均方根 电流 I1
n1:n2
均方根 电流 I2
……
均方根 电流 Ik
:nk
多绕组变压器模型
问题：如何在绕组之间进 行窗口面积WA 的分配？
绕组嵌放关系
{ 绕组1分配 α1WA
{ 绕组2分配 α2WA
总窗口 面积WA
有磁路方程可得：
ni BAc Rg
令 I Imax , B Bmax，则有：
nI max
Bmax Ac Rg
Bmax
lg
0
这是第一个设计约束条件。此时，绕组匝数 n，磁芯
截面积 Ac 和气隙长度 lg 均未知。
限制条件2：电感值
由于电感值是给定的，可以将电感值表示为：
L n2 0 Acn2
B2 max
•
R
•
Ku
K g是一个铁芯几何常数，描述了磁芯的有效电气尺寸，在以下的指定
物理量中应用：
铜损；
最大电流
电感器的技术指标是如何影响磁芯的尺寸的：
第10章电力电子的应用 填空题： 1间接交流变流电路主要可分为两类
第10章电力电子的应用填空题：1.间接交流变流电路主要可分为两类，一类是输出电压和频率均可变的________电路，主要用作________；另一类是输出交流电压大小和频率均不变的________电路，主要用作________。
2.间接交流变流电路由________、________和________构成，目前中小容量的逆变器基本采用________控制。
3.对于笼型异步电机的定子频率控制方式，有________控制、________控制、________控制、________控制等。
4.异步电动机的数学模型是________、________、________的多变量系统；矢量控制方式基于异步电动机的按转子磁链定向的动态模型，将定子电流分解为________和与此垂直的________，分别独立地对两个电流分量进行控制。
5.广义的说， UPS 包括输出为________和输出为________两种情况，目前通常是指输出为________的情况。
6.间接直流变流电路分为________和________电路两大类，在前种电路中，变压器中流过的是________；在后者中，变压器中的电流为________。
7.单端电路有________和________两种电路，双端电路有________、________和________三种电路。
8.反激电路中的变压器起________的作用，反激电路不应工作于________状态。
9.双端电路种常见的整流电路形式为________电路和________电路。
一般在输出电压较低的情况下采用________；在高压输出的情况下，采用________；当电路输出电压非常低时，可采用________电路。
10.从输入输出关系来看，开关电源是一种________装置，由于开关电源采用了工作频率较高的________，使其变压器和滤波器都大大减小。
简答题：11.什么是组合变流电路？12.试阐明如题图8-12所示间接交流变流电路的工作原理，并说明该电路有何局限性。
电力电子开关
1【开关电源】开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。
随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。
目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。
主要类型：现代开关电源有两种：一种是直流开关电源（DC/DC）；另一种是交流开关电源(AC/DC)。
发展方向：开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域。
开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET、变压器。
工作条件:1、开关：电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态2、高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频3、直流：开关电源输出的是直流而不是交流主要特点1、体积小、重量轻：由于没有工频变压器，所以体积和重量只有线性电源的20～30%。
2、功耗小、效率高：功率晶体管工作在开关状态，所以晶体管上的功耗小，转化效率高，一般为60～70%，而线性电电源只有30～40%。
3、稳压范围宽：从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。
4、滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。
开关电源中的主要电磁干扰源开关电源中的电磁干扰源主要有开关器件、二极管和非线性无源元件；在开关电源中，印制板布线不当也会引起电磁干扰。
2【变频器】变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成。
变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
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I q ( X L X q1 )
矢量图
为确保发电机扰动状态运行稳定性，δ不宜过大。XL很大 时，P传输功率受限，远小于导线发热所允许的功率极限 值，在线路中串入电容，可减小等效线路电抗，提高传输 功率。 固定C，相控电抗XL，构成TSCS（Thyristor Controlled Series Capacitor)
10.2.1 晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC（续2）
相控电感l的等效感抗：
X LC
Vc l I l1 sin 2 2
串联等效电容C容抗： X C 1/ C α=180°时 Xl ，AB两点等效容抗 X AB 1/ C α=90°时 Xl L X L ，AB两点等效容抗
10.0 概述（续）
分类：
按电力补偿控制器中所用开关器件及其控制方式的不同， 可以分为：
晶闸管相控型电力补偿控制器。 全控开关器件高频PWM补偿控制器。 优点：
使电力系统的有功、无功功率潮流优化，平衡电力系统的 有功、无功功率，抑制功率振荡，可以改善电力系统的供 电质量和运行特性，可以提高运行的经济性和可靠性，提 高电力设备（发电机、变压器、输配电线路）的利用率， 减少备用电力设备。
E sin Id ( X L X q1 ) , E cos V2 I q ( X L X q1 )
P2 V2 I d
PE P2 EV2 E ( E V2 cos ) sin , QE EI cos( ) 2 2 X L X q1 X L X q1
10.1 晶闸管开关型并联电抗补偿控制器
10.1.1
晶闸管投、切并联电容器TSC（Thyristor
Switched Capacitors) 10.1.2 晶闸管相控并联电抗器TCR
10.1.1 晶闸管投、切并联电容器TSC
图10.1 晶闸管投切电容器TSC
I C V2 / X C 2fCV2 I Q I sin
I sin C (10 1) 2fV2
投、切并联电容：减少线路及发电机、变压器无功功率， 提高其有功功率极限，减少ΔP，补偿感性负载压降。 缺点：只能电压过零投、切，不能相控。
10.1.2 晶闸管相控并联电抗器TCR
在ωt=α时开通T1 在ωt=π时 在ωt=π+α时开通T2 在ωt=2π时
电力电子学
——电力电子变换和控制技术（第二版）
第 10 章 电力电子开关型电力补偿、控 制器
10 电力电子开关型电力补偿、控制器
10.0 概述 10.1 晶闸管开关型并联电抗补偿控制器 10.2 晶闸管开关型串联电抗补偿器 10.3 PWM开关型并联无功功率发生器STATCOM
10.4 谐波电流补偿器HCC（或并联型电力有源滤波器PAPF）
2V2 2V2 [cos cos t ] (10 6), im (1 cos ) (10 5) L L V2 sin 2 2( ) I (10 8) 作傅立叶分析,基波有效值 1 L V2 X L (10 10) 1 电感L的等效基波电抗为 I1 sin 2 2( )
90，i(t)比v落后90，电流为正弦波 X L L;
180 , X L 0
10.1.2 晶闸管相控并联电抗器TCR （续2）
α=90°时i(t)为完整的正弦波： α=ωt从90°再提前发触发脉冲时，由于i(t)还是负值，T2 仍在导通不能开通T1，待到ωt= 90°时，iT2=0才能开通 T1，所以波形与α=90°相同；α调控范围90°~180° TSC与TCR联合工作，可连续改变等效并联电抗的大小和 性质，使无功电流的补偿恰如其分。
10.2 晶闸管开关型串联电抗补偿器
10.2.1
晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC
10.2.2 可关断晶闸管GTO控制的串联电容补偿器GCSC
10.2.1 晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC
E I d ( X L X q1 )
I
Id Iq
V2
I q ( X L X q1 )
矢量图
无C，A处无负载时:
X AB / 2 XC X L 1 XC XC XC X L XC 1 XL
传输功率
P
E V2 sin X q1 X L X AB
10.2.1 晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC（续3）
10.5 谐波电压补偿器HVC（或串联型电力有源滤波器SAPF） 10.6 PWM开关型串联同步电压补偿器SSSC *10.7 统一潮流控制器UPFC *10.8 超导磁体储能系统SMES
10.9 小结
10.0 概述
电力半导体开关器件所构成的电力电子开关电路有两类 应用： 1. 电力电子变换电源。 实现电力变换。 2. 电力电子补偿、控制器。 输出可控的电压串联在线路上，补偿控制线路电压。 输出可控的电流并联在电网上，补偿控制线路电流。 串联在线路上补偿控制线路等效阻抗。 并联在电网上补偿控制电网等效负载阻抗。
i(t ) 2V2 [cos cos t ] ,(10 6) ; t 2 , i(t ) im L
10.1.2 晶闸管相控并联电抗器TCR （续1）
电流i(t)正半波：i(t )
i(t ) 电流i(t)负半波：
2V2 [cos cos t ] (10 4) L
EV2 V ( E cos V2 ) sin , Q2 V2 I q 2 X L X q1 X L X q1
将图中的一个1/2Lc改为R，即构成同步振荡阻尼器SSRD
10.2.1 晶闸管控制的串联电容补偿器TCSC（续1）Eຫໍສະໝຸດ IId Iq
V2
I d ( X L X q1 )