9 电力电子技术的应用

9-1第九章.电力电子技术的应用•电力电子技术在工农业生产、电力工程、交通运输、家用电器等部门和领域得到了广泛的应用。如直流电动机或交流电动机的速度控制及其位置控制；另外非电动机方面的应用，如无触点开关、电加热、电压调节、不间断电源、电镀、高压直流输电、蓄电池充电机、开关电源、电子镇流器等。•9.1.直流电动机调速及其可逆电路•9.1.1.直流电动机调速9-2下图是直流电动机开环调速框图。由α控制U，再控制n。其中：n=（U-IR）/Ce因晶闸管中的电流方向不能改变，上述电路速度方向也不能改变，若要两个方向的速度控制，就需要两组晶闸管装置或用其他功率变换电路来实现两个方向的电流控制。若要达到一定的调速精度，则必须组成闭环调速系统。9-39.1.2.可逆电路•l）.反并联电路的工作原理•图8.2为两组晶闸管反并联电路框图，有四种工作状态。9-4•（1）.正组整流•n=（Udocosα1-Id1R）/Ce•当P组处于整流工作状态时，反组N绝对不能也工作在整流状态。否则，将使电流不经过负载而在两组晶闸管之间流通，这种电流称为环流。环流实质上是两组晶闸管之间交流电源的短路电流。•（2）.反组逆变•当要求正向制动时，流过电动机M的电流Id必须反向才能得到制动力矩，这只有利用反组的逆变。Id2=（E-Udocosβ2）/R9-5•（3）.反组整流•N组整流，使电动机反转，其过程与正组整流类似。•（4）.正组逆变•P组逆变，产生反向制动转矩，其过程与反组逆变类似。•变流器的整流和逆变状态对应于电动机的电动和回馈制动状态。9-62）.可逆电路中的环流•环流实际上是交流电源的短路电流。因此，在可逆电路中，环流是十分重要的问题。•两组晶闸管装置组成的可逆电路，若两组晶闸管均有触发脉冲作用，尽管一组工作在整流状态（延迟角αl控制），另一组工作在逆变状态（超前角β1控制，αl=β1），但也有可能出现环流。•环流按其连续与否分为强制环流与脉动环流。习惯上强制环流又称直流环流；脉动环流又称交流环流;9-7•在可逆电路中（图8.2（a）），正组整流平均电压Udl大于反组逆变平均电压Udβ2（或反组整流平均电压Ud2。大于正组逆变平均电压Uβ1）时，存在于可逆电路中的环流称为强制环流。•在可逆电路中．即使Udl≤Udβ2，但由于瞬时电压不等，即整流电压的某一瞬时值也可能大于该瞬时的逆变电压瞬时值，从而有环流流过两组电路。这种由瞬时电压不等而产生的环流是断续的，称之为脉动环流。•按系统工作状态，环流又可分静态环流（即系统稳定情况下产生的环流）和动态环流（系统在切换过程中产生的环流）。9-8•由以上分析可见，环流的产生及大小与两组晶闸管装置的整流和逆变电压有关，而这又分别由它们的控制角决定，通常可逆电路的一组在α1作用下工作在整流，另一组在β2作用下工作在逆变或待逆变状态。设两组晶闸管装置特性完全一样，当电路稳定后，α1、β2也下再变化，它们之问的关系可能有下列三种情况；•（1）.α1＜β2，则Udl＞Udβ2，存在强制环流；•（2）.α1=β2，则Udl=Udβ2，存在脉动环流；•（3）.α1＞β2，则Udl＜Udβ2，有较小的脉动环流，且与Udl＜Udβ2的差值有关；差值越大，环流越小。若在每一瞬时．逆变电压Udβ2总大于整流电压Udl，则系统就无环流。9-99.2.交流电动机调速•交流电动机相对直流电动机具有结构简单，单机容量大、电压高、转速高、元整流子、惯量小、成本低、维修方便等一系列优点。随着电力电子技术、控制理论及计算机控制技术的发展，采用半导体功率器件的交流调速系统已经成为电气传动的主流。•9.2.1.交流电动机的调压调速•交流调压调速随着转速下降其转差率增加，电动机转子的损耗增加，效率将下降。因此，交流调压调速不适宜长时低速运行。9-10图8.3为交流电动机正反转调压调速主电路9-119.2.2.串级调速•在线绕式异步电动机的转子回路中串入与转子电势同频率的附加电势，通过改变该电势的幅值和相位，可改变转子电流达到调速目的。若转子中的转差功率大部分被串入的电势所吸收，且所吸收的这些转差功率能回馈入电网，则这种调速方法提高了效率．并称为串级调速。•晶闸管亚同步串级调速主电路及其特性见图8.4。9-12上图所示电路只能将电能单方向送回电网，实现低于同步速的速度调节；如果向异步电动机的定子和转子同时馈电，则可实现超同步串级调速；此外，为了改善调速特性，还需组成速度、电流闭环系统。9-139.2.2.变频调速•交流电动机转速公式：)1(601spfn•另，根据4.44公式：111144.4WfEU可知，在改变f1的同时也改变定子电压U1，以维持φ近似不变。根据U1和f1的不同关系，将有不同的变频调速方式。例如保持f1/U1等于常数的控制方式，可保持电动机最大转矩接近为常数的机械特性（图8.5）。9-14对用于变频调速的变频器，一般都要求兼有调压和调频这两种功能（图8.6）。9-15•变频调速有交-交变频与交-直-交变频两种类型。•交-交变频调速主电路框图示于图8.6。它是将固定频率的交流电直接变换成所需频率的直流电。亦称周波变流器或循环变流器。•交-交变频调速的优点是节省了换流环节，提高了效率，很容易实现四象限运行，其缺点是利用交流电源换流，它的输出最高频率受电网频率限制，一般为电网频率的1／3，如对于50Hz或60Hz的电源，其输出最高频率约为20Hz；•另外，主回路元件数量多，相应的控制回路增多，成本较高；电路存在严重谐波，故适用于低速、大容量的场合。9-16•近年未，在交-交变频器方面使用全控器件和PWM技术，进行了进一步的研究和探索，其最高输出频率可不受电网频率的限制。•图8.7（a）为交-直-交电流型逆变器变频调速主回路框图，可控整流器实现调压，采用大电感作为滤波元件，变频器采用电流型逆变器。•由于调压和变频分别进行，因而控制电路易于实现；•由于L1的作用，能有效地抑制故障电流上升率；•由于可以通过整流桥和逆变桥的直流电压极性的同时反向，将能量送回交流电网。因此可快速实现四象限运行，适用于频繁加速、减速和变动负载的场合。9-179-18•不过此方案需要两套可控功率级及其控制电路，因而装置庞杂；由于采用相控整流器，在逆变器输出为低压、低频时，电路的功率因数很低。•图8.7（b）为交-直-交电压型逆变器变频调速主回路框图，二极管整流器担任交-直变换，斩波器实现调压，电压型逆变器实现变频，即有三个功率变换级。由于采用了二极管整流器，因而提高了功率因数，但是，因为二极管整流器不能实现能量的反向方向传递，必须另用一组可控整流桥进行逆变，实现再生制动，因此电压型逆变器变频调速适用于快速性要求不高，稳速工作的场合。9-19•图8.7(C)为交-直-交脉宽调制(PWM）电压型逆变器变频调速主电路框图,二极管整流器担任交-直变换，PWM逆变器完成变频和调压任务。它的优点是系统仅有一个可控功率级，简化了主回路和控制回路结构，从而使装置和调压体积小、重量轻、成本低；由二极管整流器代替了可控整流器，提高了电路的功率因素；等等，因而是目前交-直-交变频器的主要形式。•上述交-直-交变频调速中的逆变器，如用晶闸管组成，换流损耗大，因而现在中小功率的逆变器几乎全用全控型器件，尤其是IGBT构成。9-209.3.非电动机方面的一些应用•9.3.1.无触点开关•有触点开关是指电磁式接触器，其运行时间可达电源频率的几个周期。当接触器将电路分断时，在其金属触点之间会产生电弧，易烧灼触点并成为电磁干扰源；另外，在接触器运行时还产生噪声。•无触点开关又称电力电子开关，它的特点是接通迅速，无电孤火花，无噪声运行。•当触发信号送到晶闸管门极时，可在电源一个周期的任何电角度导通；晶闸管接通期间门极需有连续的触发脉冲，在门极脉冲撤除后，当电流过零时即关断。9-219-22•晶闸管在接通时的管压降将导致发热，为此，可在晶闸管两端并联一个断路器Q2。Q2闭合载流避免晶闸管过热。无触点开关在将负载与电源断开时，开关端仍存在电压并有漏电流，不安全，为此可在电路中串入隔离开关（或断路器）Ql。当无触点开关已将负载与电源断开时，将Q1也断开。•通常交流无触点开关所用的器件是双向晶闸管；直流无触点开关小容量时用大功率晶体管，大容量用晶闸管元件，关断时采用强迫换流。无触点开关的接通与关断都需要有相应的控制。9-23将无触点开关及其控制电路组装在一起可做成固态继电器，其控制信号可以是交流电压，也可以是直流电压。9-24图8.10是一种具有过零触发电路的交流固态继电器电路。9-259.3.2.电加热9-26•对于电阻性加热炉，一般用工频电源加热，由晶闸管电路来控制电炉的加热功率（或温度）。•通过移项控制电炉的功率（图8.11（c））：•大多数电炉都有几秒或更大的热时间常数。采用通断控制或整周期控制（图8.11（c）），晶闸管无触点开关把负载与电源按一定的通断率接通与断开。设接通时间为ton，断开时间为toff，则负载功率为：)2sin21(2)sin(1222RUtdtURRUPmmRoffononmtttRUP229-27•通断控制与移相控制比较，提高了电路的功率因数。•白炽灯灯光照度的调节也属电加热一类负载，由于白炽灯的热时间常数较小，不能用通断控制方式，只能用相位控制来调节白炽灯的照度。9-28图8.12是用双向晶闸管进行交流调压以调节灯光的一个实用电路：9-29中频感应加热炉或熔炼炉用于精炼黑色金属或用于熔炼铜铝等有色全属。它采用晶闸管变频电路，将工频交流电变为中频交流电（1000-2500Hz）进行感应加热，见下图。逆变器R1-L1-C1串联谐振实现负载换流而不需要另外的换流线路。9-30•感应加热属电感性负载，感应加热线圈有较大的电感，它的等效电路用R1－L1串联表示（图8.13），适当选择补偿电容器与之串联，则负载可在所要求的频率谐振。二极管三相桥式整流电路将工频（50Hz）电源整流为直L2、C2进行滤波。电感L2还兼有防止中频电流脉冲反射回二极管整流器的作用。9-319.3.3.电压调节•晶闸管电路不但通过可控整流可以调节直流电压的幅值，通过交流调压调节交流电压的幅值，而且交流调压与整流配合，也可以调节直流电压的幅值。9-32•图8.14是控制变压器输入交流电压幅值来调节二极管整流输出直流电压的框图。这种方案可得到类似可控整流的特性，适用于低电压、大电流直流负载，因变压器原方可选用价格便宜的小电流定额的晶闸管。9-33图8.15是变压器二次侧有抽头的交流调压电路9-34图8.16为晶闸管可调直流稳压电源框图。9-359.3.4.不间断电源不间断电源:uninterruptedpowersource,UPS9-36当交流电源正常时可直接向负载供电,但要求在交流电源间断后立即从交流电源切换到逆变器，这要求逆变器与交流电源同步。在UPS中，几乎都采用锁相环路来实现。9-37•图中：鉴相器鉴别输入电压ui和输出电压uo的相位差，其输出电压Ud=K（θi-θo）。•当θi和θo的频率不等时，△θ将产生周期性变化，低通滤波器滤去Ud中的交流分量得到直流电压Uc，它通过调节器去控制压控振荡器的频率，使输出频率fo=fi；•调节器是为了改善闭环系统频率跟踪的动态性能。压控振荡器的输出频率较高，它经过分频得到输出频率，同时从分频器得到控制UPS逆变器开关元件的驱动信号，这样逆变器的输出频率就能跟踪交流电源的频率。9-389.3.5.电化学•为了保证电镀层均匀，在电镀过程中，要控制两电极间的电流密度，即可控直流电源的输出电流。大多数电镀过程容许电流有纹波，因此三相半波电路适用于电镀。对于低电压的情况，比如5－50V，一般单相半波整流电路也可使用。9-399.3.6.高压直流输电•采用高压传输电能是因为在同样功率下电流可小，因而传输线可细．线路损耗可小。而且，由于直流只需而根线，且只存在电阻损耗，因而对于远距离陆上电力传输或水下电力传输，用高压直流输电则较为