第八章电力电子技术在电气工程中的应用

第八章电力电子技术在电气工程中的应用绪论中我们指出，电力电子技术是利用电子器件及技术实现电能变换与控制的技术，横跨“电力”、“电子”及“控制”三个领域，构成了弱电子控制强电力的桥梁，被广泛应用于工农业生产、国防、交通、能源等各个领域。随着高电压、大功率、高频自关断功率半导体器件的不断涌现和发展，功率变换技术的日臻完善，极大地推动了电力电子技术在电气工程中的应用，构成了现代电气工程及其自动化的专业技术基础，在电能产生、传输、储存、变换、控制的各种环节都有很多典型应用。例如直流电机调速系统，晶闸管无换向器电机，交流电机变频调速，可再生能源利用中的交流励磁变速恒频发电，电力谐波抑制与无功补偿应用中的有源电力滤波器、静止无功补偿装置、静止无功发生器，电力系统中的高压直流输电、灵活交流输电系统等。电力电子技术在电动机、发电机中的应用，提高了电能生产、利用、机电能量转换的效率和灵活性，产生了巨大的高效、节能和提高生产率的经济效果；电力电子技术在电力系统中的应用，对增强电力系统运行的稳定性和安全性，提高输电能力和用电效率，节能和改善电能质量方面发挥越来越重要的作用，使基本不可控的电力系统变为灵活可控输电系统，对未来电力系统的发展产生重大影响。因此我们在学好电力电子技术本身的前提下，应该对它在电气工程及其自动化专业中的应用前景有一定的了解，以此提升对电力电子技术课程的深入理解。此外，本书以上各章是从学科角度分别评述了四类基本变换电路：AC-DC变换、DC-DC变换、DC-AC变换、AC-AC变换，但在实际应用中的电力电子装置则是这几种基本电路的组合。为深化电力电子技术课程的学习，也需从组合变流电路角度来介绍一些电气工程中的重要电力电子装置，以提高工程实际概念，从中领会如何应用电力电子技术实现电能变换、控制的思路和方法。8.1晶闸管—直流电动机调速系统图8-1三相半波晶闸管—直流电动机调速系统采用晶闸管可控整流电路给直流电动机供电，通过移相触发，改变直流电动机电枢电压，实现直流电动机的速度调节。这种晶闸管—直流电动机调速系统是电力驱动中的一种重要方式，更是可控整流电路的主要用途之一。可以图8-1所示三相半波晶闸管—直流电动机调速系统为例，说明其工作过程和系统特性。直流电动机是一种反电势负载，晶闸管整流电路对反电势负载供电时，电流容易出现断续现象。如果调速系统开环运行，电流断续时机械特性将很软，无法负载；如果闭环控制，断流时会使控制系统参数失调，电机发生振荡。为此，常在直流电机电枢回路内串接平波电抗器Ld，以使电流Id尽可能连续。这样，晶闸管—直流电动机调速系统的运行分析及机械特性，必须按电流连续与否分别讨论。8.1.1电流连续时图8-2电流连续时晶闸管—直流电动机等效电路如果平波电抗器Ld电感量足够大，晶闸管整流器输出电流连续，此时晶闸管—直流电动机系统可按直流等值电路来分析，如图8-2所示。图中，左半部代表电流连续时晶闸管整流器的等效电路，右半部为直流电动机的等效电路。由于电流连续，晶闸管整流器可等效为一个直流电源Ud与内阻的串联，Ud为输出整流电压平均值（8-1）式中U为电源相压有效值，为移相触发角。电流连续情况下，晶闸管有换流重迭现象，产生出换流重迭压降，相当于整流电源内串有一个虚拟电阻，其中LB为换流电感。再考虑交流电源（整流变压器）的等效内电阻Ro，则整流电源内阻应为，如图所示。电流连续时直流电动机可简单地等效为为反电势E与电枢及平波电抗器的电阻总和Ra串联，而平波电抗器电感Ld在直流等效电路中是得不到反映的。这样，根据图8-2等效电路，可以列写出电压平衡方程式为图8-3电流连续时晶闸管—直流电动机机械特性（8-2）式中，Ce为直流电机电势常数，φ为直流电机每极磁通。求出电机转速为（8-3）可以看出，在电枢电流连续的情况下，当整流器移相触发角固定时，电动机转速随负载电流Id的增加而下降，下降斜率为。当角改变时，随着空载转速点no的变化，机械特性为一组斜率相同的平行线。但是在一定的平波电抗器电感Ld下，当电流减小到一定程度时，Ld中储能将不足以维持电流连续，电流将出现断续现象，此时直流电动机机械特性会发生很大变化，不再是直线，图8-3中以虚线表示。这部分的机械特性要采用电流断续时的运行分析来确定。二、电流断续时电枢电流断续时不再存在晶闸管换流重迭现象，晶闸管整流器供电直流电动机系统须采用图8-4所示交流等效电路来分析。在此电路中，u2为相电压瞬时值，显然只有当它大于电枢反电势Ea时晶闸管才能导通，如图8-5所示。由于id断续，电路分析时必须计入平波电感Ld的作用，回路电压平衡方程为（8-4）图8-4电流断续时，晶闸管—直流电动机等效电路图8-5电流断续时的电枢电流为分析简便起见，先忽略等效内阻，求解出机械特性后再作为系统内阻对特性斜率进行修正。这样，可采用积分求解如下微分方程（8-5）式中C为积分常数，可由图8-5中边界条件（8-6）解出（8-7）式中为三相半波整流器移相触发角计算起点（）的相位。将式（8-7）代入式（8-5），可得（8-8）由于电流不连续，只在一段时间内有电流。设晶闸管导通角为，则又有一边界条件（8-9）可用来求取反电势Ea与、之间的关系。即（8-10）在并励直流电动机中，，故由上式可转而求得转速n和及的关系为（8-11）由于晶闸管导通角和负载电流大小有关，故上式实际上隐含地给出了直流电机电流断续时的机械特性，只是关系复杂不直观，需要通过求解电机电枢电流Id与导通角间的关系来揭示。按照定义，电枢电流平均值Id为式中，为每周内换流次数，三相半波和三相桥式整流电路。将式（8-8）和式（8-10）代入上式并经积分和整理，可得负载电流和导通角之间的关系为：（8-12）这样，就可以为参变量，将式（8-11）和式（8-12）联系起来，求得不同和下、三相半波晶闸管整流器供电直流电动机的机械特性，由于直流电机电磁转矩，故特性曲线用作横坐标，如图8-6所示。图8-6三相半波晶闸管整流器供电直流电机机械特性由于是由单一组整流器供电的不可逆直流调速系统，电机系统只可工作在的第Ⅰ象限和的第Ⅳ象限。第Ⅰ象限内，晶闸管移相触发角，整流器工作在可控整流状态；电机转速n、电磁转矩同方向，直流电机运行在电动状态。第Ⅳ象限内，，整流器工作在有源逆变状态；电机转速与电磁转矩反方向，直流电动机运行在反转制动状态，并将转子机械动能变成电能经可控整流器返回交流电源。无论是第Ⅰ或第Ⅳ象限，当电机电流Id较小时晶闸管导通角，电流断续，机械特性变得很软，随着负载增加转速下降很快；当负载增大到一定数值时，，电流进入连续状态。由于分析中忽略电枢电阻，机械特性变成水平；如计及电阻影响，则电流连续时特性将具有一定斜度，其斜度为。电流断续时直流电机电枢回路等效电阻增加很多，除使机械特性变软外，还会使调速系统调节器特性变坏，往往引起系统振荡，此时应设法减小电流断续的范围，为此应设计好平波电抗器的电感量。晶闸管—直流电动机系统中平波电抗器电感量按最小电流ILmin下仍能保证电流连续为原则来选择。因为电流连续的条件是晶闸管导通角，则由式（8-12）可推得一般ILmin由调速系统设计确定，约为（5～10%）额定电枢电流。这样，保证电流连续的电感量为（8-13）一般来说整流相数越多、整流器脉波数越多，整流电压脉动减小，所需电感量可选小些。8.2晶闸管无换向器电机晶闸管无换向器电机由一台带转子磁极位置检测器PS的同步电机和一套晶闸管变频器所组成，如图8-7、图8-8所示，因此他们是一种同步电机变频调速系统。由于变频器的输出频率不是由外界独立调节而是受与电动机转子同轴安装的位置检测器控制，使得每当电机转过一对磁极时，逆变器输出交流电相应地变化一个周期，故是一种“自控式同步电机变频调速系统”，其特点是能保证变频器的输出频率与同步电动机的转速始终同步，同步电机不会失步。图8-7直流无换向器电机无换向器电机有两种不同的系统结构形式：一种是直流无换向器电机，即自控式同步电机交—直—交频调速系统，它是由电网交流经可控整流器REC变成大小可调直流，然后再由晶闸管逆变器INV变换成频率可调的交流，供给同步电机实现变频调速，如图8-7所示。另一种是交流无换向器电机，即自控式同步电机交—交变频调速系统，它利用交—交型晶闸管变频器直接把电网频率交流转换成可变频率交流供给同步电动机，如图8-8所示。交流无换向器电机变频器晶闸管依靠电网交流电压实现换流，换流可靠，但所用晶闸管元件多，利用率低；直流无换向器电机系统简单，所用晶闸管元件少，但逆变器晶闸管工作在极性不变的直流电源上，晶闸管的换流一直是直流无换向器电机的主要问题。图8-8交流无换向器电机根据晶闸管换流理论，若作为负载的同步电机能够提供换流所需的感性无功电流，就能实现负载反电势自然换流；而根据同步电机理论，只要调节电机励磁使之工作在过励状态就能输出感性无功，因此直流无换向器电机通过励磁调节可以解决逆变器晶闸管的换流问题，无需设置辅助换流电路，大大简化了逆变器结构，是晶闸管负载自然换流的典范。下面以逆变器晶闸管VT1到VT3的换流为例说明负载反电势换流的机理。图8-9负载反电势自然换流原理图设换流之前为晶闸管VT1、VT2导通，电流经由VT1→a相绕组→c相绕组→VT2流通，如图8-9（a）所示。如欲利用电枢反电势实现电流从VT1至VT3的转移，要求反电势eaeb，即换流时刻应比a、b两相反电势交点K适当提前一个换流超前角，如图8-9（b）中S点。一般定义K点处为，则S点处（超前为正）。在S点处触发导通VT3时，因eaeb，eab=ea-eb0，会在晶闸管VT1、VT3和电机a、b两相绕组间产生出一个短路电流，它使VT1中电流减小，VT3中电流增大。当增长到原VT1管中负担的负载电流大小时，VT1将因实际电流下降为零而关断，负载电流就全部转移至VT3中，完成换流过程。由于S点处开始发生换流，即VT3中电流开始形成，其相位比b相反电势eb超前，这正是过励同步电机输出感性无功电流的结果。相反若换流时刻发生在滞后K点的S′点处，此时换流超前角，在晶闸管VT1、VT3和电机a、b两相绕组间作用的反电势eab和所产生的短路电流将与S点处情况相反，它将阻止VT3导通、维持VT1继续导通，从而不能实现换流。在无换向器电机起动和低速运行时，反电势很小甚至为零，无法实现反电势自然换流，此时只得采用断续电流法实现换流。即每当检测到晶闸管需要换流时，控制电源侧整流器REC进入逆变状态，使电机侧逆变器INV的输入电流下降为零，逆变器所有晶闸管自然关断。然后再给换流后该导通的管子以触发脉冲，使之正确导通，实现可靠换流。由于电流的断续将导致电机产生的电磁转矩严重波动，这种换流方式只限于转速在（5～10）%nN的起动过程中采用。8.3异步电机变频调速系统根据电机原理，一台异步电机如若希望获得良好的运行性能、力能指标，必须保持其磁路工作点额定不变，即保持每极磁通量额定不变。从异步电机定子每相电势有效值公式看（8-14）式中为定子供电频率，为定子绕组每相串联匝数，为基波绕组系数。当电机一旦选定，结构参数确定，则有（8-15）说明在频率变化过程中，必须相应改变反电势。然而E1是电机内部量，难以直接量测、控制，根据电机定子电压方程式（8-16）在运行频率较高时，反电势较大，可以忽略定子漏阻抗压降，则有，故可从外部通过=常数的恒电压频率比控制来保证气隙磁通恒定，也就是变频时必须同时调压，这就是异步电机变频调速的VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）控制。在交—直—交变频调速系统中，变频器有二种主要结构形式：1）可控整流器调压、方波（六脉波）逆变器调频，如图8-10（a）所示。调压与调频功能分别在两个环节上实现，由控制电路按=常数规律协调配合，故结构简单、控制方便。但由于AC-DC变换采用可控整流电路，当低频低压运行时，移相触发角很大，会有输入功率因数低的缺陷。此外逆变器多为晶闸管六脉波逆变电路，开关频率低，每周仅换流六次，输出电压为方波，