电力电子技术的应用

三峡大学电气与新能源学院10-1第10章电力电子技术应用10.1晶闸管直流电动机系统10.2变频器和交流调速系统10.3不间断电源10.4开关电源10.5功率因数校正技术10.6电力电子技术在电力系统中应用10.7电力电子技术的其他应用三峡大学电气与新能源学院10-210.1晶闸管直流电动机系统10.1.1工作于整流状态时10.1.2工作于有源逆变状态时10.1.3直流可逆电力拖动系统三峡大学电气与新能源学院10-310.1晶闸管直流电动机系统·引言晶闸管直流电动机系统——晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的系统。是电力拖动系统中主要的一种。是可控整流装置的主要用途之一。对该系统的研究包括两个方面：其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况。其二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本节主要从第二个方面进行分析。三峡大学电气与新能源学院10-410.1.1工作于整流状态时整流电路接反电动势负载时，负载电流断续，对整流电路和电动机的工作都很不利。图10-1三相半波带电动机负载且加平波电抗器时的电压电流波形通常在电枢回路串联一平波电抗器，保证整流电流在较大范围内连续，如图10-1。udOidwtuaubucaudOiaibicicwtEUdidR三峡大学电气与新能源学院10-510.1.1工作于整流状态时此时，整流电路直流电压的平衡方程为（10-1）式中，。为电动机的反电动势负载平均电流Id所引起的各种电压降，包括：–变压器的电阻压降–电枢电阻压降–由重叠角引起的电压降晶闸管本身的管压降，它基本上是一恒值。系统的两种工作状态：电流连续工作状态电流断续工作状态UIREUdMd23BMBXRRRMEdIRBdRIMdRI)2(3dBIXU三峡大学电气与新能源学院10-610.1.1工作于整流状态时转速与电流的机械特性关系式为1)电流连续时电动机的机械特性在电机学中，已知直流电动机的反电动势为nCEeM（10-2）可根据整流电路电压平衡方程式（10-112），得UIRUEdMacos17.12（10-3）edeCUIRCUnacos17.12（10-4）图10-2三相半波电流连续时以电流表示的电动机机械特性其机械特性是一组平行的直线，其斜率由于内阻不一定相同而稍有差异。调节a角，即可调节电动机的转速。Ona1a2a3a3a2a1Id(RB+RM+)IdCe3XB2三峡大学电气与新能源学院10-710.1.1工作于整流状态时2)电流断续时电动机的机械特性当负载减小时，平波电抗器中的电感储能减小，致使电流不再连续，此时其机械特性也就呈现出非线性。电动机的实际空载反电动势都是。时为：。主电路电感足够大，可以只考虑电流连续段，完全按线性处理。当低速轻载时，可改用另一段较陡的特性来近似处理，等效电阻要大一个数量级。60a22U60a)3cos(22aU当Id减小至某一定值Idmin以后，电流变为断续，这个是不存在的，真正的理想空载点远大于此值。0E图10-3电流断续时电动势的特性曲线断续区特性的近似直线断续区连续区EE0E0'OIdminId(0.585U2)(U2)2三峡大学电气与新能源学院10-810.1.1工作于整流状态时电流断续时电动机机械特性的特点：图10-4电流断续时电动势的特性曲线电流断续时理想空载转速抬高。机械特性变软，即负载电流变化很小也可引起很大的转速变化。随着a的增加，进入断续区的电流值加大。断续区特性的近似直线断续区连续区EE0E0'OIdminId(0.585U2)(U2)2Oa3a2a1Id分界线断续区连续区a5a4E0E图10-5考虑电流断续时不同a时反电动势的特性曲线a1a2a360，a5a460三峡大学电气与新能源学院10-910.1.2工作于有源逆变状态时1)电流连续时电动机的机械特性电流连续时的机械特性由决定的。逆变时由于，反接，得因为EM=Cen，可求得电动机的机械特性方程式RIEUdMdcos0ddUUME)cos(0RIUEddM（10-5))cos(10RIUCndde（10-6)图10-6电动机在四象限中的机械特性正组变流器反组变流器na3a2a1Ida42341a==2a'='=2'3'2'1'4a'2a'3a'4a'1a1='1;a'1=1a2='2;a'2=2a增大方向'增大方向'a增大方向增大方向三峡大学电气与新能源学院10-1010.1.2工作于有源逆变状态时2)电流断续时电动机的机械特性可沿用整流时电流断续的机械特性表达式，把代入式（10-7）、式（10-8）和式（10-9），便可得EM、n与Id的表达式。三相半波电路为例：atantan21)67sin()67sin(cos2ccMeeUE(10-7)tantan2)67sin()67sin(cos2cceeMeeCUCEn(10-8)]2)67cos()67[cos(cos22322nUCZUIed(10-9)三峡大学电气与新能源学院10-1110.1.2工作于有源逆变状态时逆变电流断续时电动机的机械特性，与整流时十分相似：图10-7电动机在四象限中的机械特性理想空载转速上翘很多，机械特性变软，且呈现非线性。逆变状态的机械特性是整流状态的延续。纵观控制角变化时，机械特性得变化。a第1、4象限中和第3、2象限中的特性是分别属于两组变流器的，它们输出整流电压的极性彼此相反，故分别标以正组和反组变流器。正组变流器反组变流器na3a2a1Ida42341a==2a'='=2'3'2'1'4a'2a'3a'4a'1a1='1;a'1=1a2='2;a'2=2a增大方向'增大方向'a增大方向增大方向三峡大学电气与新能源学院10-1210.1.3直流可逆电力拖动系统图10-8两组变流器的反并联可逆线路图10-53a与b是两组反并联的可逆电路a三相半波有环流接线b三相全控桥无环流接线c对应电动机四象限运行时两组变流器工作情况三峡大学电气与新能源学院10-1310.1.3直流可逆电力拖动系统两套变流装置反并联连接的可逆电路的相关概念和结论：环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。正向运行时由正组变流器供电；反向运行时，则由反组变流器供电。根据对环流的处理方法，反并联可逆电路又可分为不同的控制方案，如配合控制有环流（）、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等。电动机都可四象限运行。可根据电动机所需运转状态来决定哪一组变流器工作及其工作状态：整流或逆变。a三峡大学电气与新能源学院10-1410.1.3直流可逆电力拖动系统直流可逆拖动系统，除能方便地实现正反转外，还能实现电动机的回馈制动。电动机反向过程分析：a配合控制的有环流可逆系统对正、反两组变流器同时输入触发脉冲，并严格保证a=的配合控制关系。假设正组为整流，反组为逆变，即有aPN，UdaP=UdN，且极性相抵，两组变流器之间没有直流环流。但两组变流器的输出电压瞬时值不等，会产生脉动环流。串入环流电抗器LC限制环流。三峡大学电气与新能源学院10-1510.1.3直流可逆电力拖动系统逻辑无环流可逆系统工程上使用较广泛，不需设置环流电抗器。只有一组桥投入工作（另一组关断），两组桥之间不存在环流。两组桥之间的切换过程：首先应使已导通桥的晶闸管断流，要妥当处理使主回路电流变为零，使原导通晶闸管恢复阻断能力。随后再开通原封锁着的晶闸管，使其触发导通。这种无环流可逆系统中，变流器之间的切换过程由逻辑单元控制，称为逻辑控制无环流系统。直流可逆电力拖动系统，将在后继课“电力拖动自动控制系统”中进一步分析讨论。三峡大学电气与新能源学院10-1610.2变频器和交流调速系统定义以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流（直流）电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统构成中间传动机构交流电源输入终端机械交流电机直流调速装置直流输出皮带轮、齿轮箱等风机、泵等直流电机交流调速装置交流输出执行机构变频器三峡大学电气与新能源学院10-1710.2.1交直交变频电路•当负载为电动机时，通常要求间接交流变流电路具有再生反馈电力的能力，要求输出电压的大小和频率可调，此时该电路又名交直交变频电路。不能再生反馈电力的电压型间接交流变流电路的整流部分采用的是不可控整流，它只能由电源向直流电路输送功率，而不能反馈电力。图中逆变电路的能量是可以双向流动的，若负载能量反馈到中间直流电路，将导致电容电压升高，称为泵升电压。1）电压型间接交流变流电路图10-7不能再生反馈的电压型间接交流变流电路三峡大学电气与新能源学院10-1810.2.1交直交变频电路使电路具备再生反馈电力的能力的方法：带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路。当泵升电压超过一定数值时，使V0导通，把从负载反馈的能量消耗在R0上。图10－8带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路利用可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流变流电路。当负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态，将电能反馈回电网。图10－9利用可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流变流电路三峡大学电气与新能源学院10-1910.2.1交直交变频电路整流和逆变均为PWM控制的电压型间接交流变流电路。整流和逆变电路的构成完全相同，均采用PWM控制，能量可双向流动。输入输出电流均为正弦波，输入功率因数高，且可实现电动机四象限运行。图8－10整流和逆变均为PWM控制的电压型间接交流变流电路三峡大学电气与新能源学院10-2010.2.1交直交变频电路2）电流型间接交流变流电路整流电路为不可控的二极管整流时，电路不能将负载侧的能量反馈到电源侧。图10-不能再生反馈电力的电流型间接交流变流电路图10-11采用可控整流的电流型间接交流变流电路为使电路具备再生反馈电力的能力，可采用：整流电路采用晶闸管可控整流电路。负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态，使中间直流电压反极性。三峡大学电气与新能源学院10-2110.2.1交直交变频电路整流和逆变均为PWM控制的电流型间接交流变流电路通过对整流电路的PWM控制使输入电流为正弦并使输入功率因数为1。图10-13整流和逆变均为PWM控制的电流型间接交流变流电路图10-12电流型交-直-交PWM变频电路实现再生反馈的电路图负载为三相异步电动机，适用于较大容量的场合。三峡大学电气与新能源学院10-2210.2.1交直交变频电路晶闸管直流电动机传动系统存在一些固有的缺点：(1)受使用环境条件制约；(2)需要定期维护；(3)最高速度和容量受限制等。交流调速传动系统除了克服直流调速传动系统的缺点外还具有：(1)交流电动机结构简单，可靠性高；(2)节能；(3)高精度，快速响应等优点。三峡大学电气与新能源学院10-2310.2.2交流电动机变频调速控制方式采用变频调速方式时，无论电机转速高低，转差功率的消耗基本不变，系统效率是各种交流调速方式中最高的，具有显著的节能效果，是交流调速传动应用最多的一种方式。笼型异步电动机的定子频率控制方式有：(1)恒压频比(U/f)控制；(2)转差频率控制；(3)矢量控制；(4)直接转矩控制等。三峡大学电气与新能源学院10-2410.2.2交流电动机变频调速控制方式1）恒压频比控制为避免电动机因频率变化导致磁饱和而造成励磁电流增大,引起功率因数和效率的降低，需对变频器的电压和频率的比率进行控制，使该比率保持恒定，即恒压频比控制，以维持气隙磁通为额定值。恒压频比控制是比较简单，被广泛采用的控制方式。该方式被用于转速开环的交流调速系统，适用于生产机械对调速系统的静、动态性能要求不高的场合。三峡大学电气与新能源学院10-2510.2.2交流电动机变频调速控制方式转速给定既作为调节加减速的频率f指