第10章 电力电子技术应用

电力电子技术的应用1ApplicationofPowerElectronics主讲：伍文俊--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系2§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电力电子在电力系统的应用目录--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系3§10.1晶闸管电动机系统（Thyristor-DCmotorsystem）晶闸管电动机系统主要研究方向A、带电动机负载时的整流电路工作情况；B、整流电路工作时的电动机工作情况。整流电路两种工作状态整流与逆变。整流电路电流的连续与断续对直流电动机的影响--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系4udOidwtuaubucaudOiaibicicwtEUdidR23BMBXRRRUIREUdMd平衡方程：其中：§10.1Thyristor-DCmotorsystem一、整流工作模式（RectifierOperationMode）以三相半波为例：电枢电阻变压器内阻变压器漏抗引起的压降管压降--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系51、电流连续（ContinuousCurrentMode---CCM）,nCEeMacos17.12UUdUIRUEdMacos17.12edeCUIRCUnacos17.12Ona1a2a3a3a2a1Id(RB+RM+)IdCe3XB2那么，机械特性Speed-torque(mechanic)characteristic：对电机负载：而：即：--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系6discontinuoutsmodecontinuousmodeEE0E0'OIdminId(0.585U2)(U2)23),6sin(220aaUE32,20aUE2、电流断续（DiscontinuousCurrentMode---DCM）实际空载电压：α=60°时，1.17U2cos60°，即0.585U2。理想空载电压：udOidwtuaubucaudOiaibicicwtEUdidR--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系7空载转速发生上翘；特性变软；α越大，断续区越大。Oa3a2a1Idboundarydiscontinuousmodecontinuousmodea5a4E0E(a1a2a360º,a5a460º)机械特性：危害：解决方法：特性变软，电机振动大；电机换向时易产生火花；在输出平均电流相等的情况下，断续比连续需要的电流峰值和容量大，串电感。2min*dULkI其中：Idmin：一般取电动机额定电流的5%～10%；k：单相桥k=2.87×10-3;三相半波k=1.46×10-3;三相桥k=0.693×10-3。为什么变小？--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系8电流断续时电动机机械特性（推导略）：aactgctgMeeUE1)6sin()6sin(cos22aactgctgeeMeeCUCEn1)6sin()6sin(cos22]2)6cos()6[cos(cos22322nUCZUIedaa式中，，，L为回路总电感。RLtgw122LRZ--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系9平衡方程同整流模式：21.17cosMdEURIUaedeCUIRCUnacos17.12rectifiermodena3a2a1Ida42341a==2aincreasingincreasinginvertermode二、逆变工作模式(Inverteroperationmode)即：,a2通常：且：则：)cos(10'RIUCdden--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系10逆变状态的机械特性是整流状态的延续，纵观控制角a由小变大（如/6～5/6），电动机的机械特性则逐渐的由第1象限往下移，进而到达第4象限；如果采用两组变流器反并联，分别标以正组和反组变流器，即可以实现四象限运行。运行工作点由第1（第3）象限的特性，转到第4（第2）象限的特性时，表明电动机由电动运行转入发电制动运行；相应的变流器的工况由整流转为逆变。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--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系11三、直流可逆电力拖动系统ReversibleDCmotordrivesystem(4-quadrantoperation)--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系12主电路+-+-+-+-+-+-+-+-ACsource反组反组反组正组反组+T-T电动反组逆变发电制动+nIdIdUdaMEMIdMEMMEMIdMEM-nUdUdaUdOACsourceACsourceACsourceEnergyEnergyEnergyEnergy正组正组正组正组整流电动反组整流正组逆变发电制动机械特性哪组桥工作：由负载电流方向决定；电动或发电状态(或整流或逆变状态)：由负载电流与转速(转矩)异同决定；同为电动(整流)，异为发电(逆变)。--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系131、四象限运行时的工作情况：☞第1象限，正转，电动机作电动运行，正组桥工作在整流状态，a1/2，EMUda（下标中有a表示整流，下标1表示正组桥，下标2表示反组桥）。☞第2象限，正转，电动机作发电运行，反组桥工作在逆变状态，2/2(a2/2)，EMUd（下标中有表示逆变）。☞第3象限，反转，电动机作电动运行，反组桥工作在整流状态，a2/2，EMUda。☞第4象限，反转，电动机作发电运行，正组桥工作在逆变状态，1/2(a1/2)，EMUd。四象限运行图主电路--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系142、控制方式根据对环流的不同处理方法，反并联可逆电路又可分为几种不同的控制方案：配合控制有环流（即a=工作制）、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等。☞a=配合控制的有环流可逆系统：a.严格保证a=的配合控制关系；b.两组变流器的输出电压平均值相等，且极性相抵，之间没有直流环流；c.输出电压瞬时值不等，会产生脉动环流；d.串入环流电抗器L限制环流。☞逻辑无环流可逆系统：两组桥在任何时刻只有一组投入工作（另一组关断），两组桥之间不存在环流；变流器之间的切换过程是由逻辑单元控制的，故称为逻辑控制无环流系统。四象限运行图主电路--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系152、由正转到反转的过程以逻辑无环流为例：第一象限：1）正组整流，反组封锁；α1＜90°，正转电动；2）正组本桥逆变，反组封锁；α1＞90°，正转电动，L中磁能一部分供给电机，一部分回馈电网，电流下降至0（但转速不为0）。第二象限：正组封锁，反组逆变；α2＞90°，正转制动；电流反向，转速急剧下降为0。第三象限：反组整流，正组封锁；α2＜90°，反转电动。四象限运行图主电路--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系16以配合控制有环流（α=β）为例：√正组整流，反组待逆变，α1=β2＜90°，电机正转电动；---第一象限√正组待整流，反组逆变，逐渐增大α1=β2，电机正转发电，制动直至转速为零；---第二象限√正组待逆变，反组整流，α1=β2＞90°，电机反转电动。---第三象限电动机从反转到正转，其过程则由第3象限经第4象限最终运行在第1象限上。四象限运行图主电路--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系17§10.2FrequencyconvertersandACdrivers组合变换器IndirectACtoACconverters(AC-DC-ACconverters)IndirectDCtoDCconverters(IsolatedDCtoDCconverters)组合变换器（Compositeconverter）由两种及以上变换器串联或并联而成。--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系18IndirectACtoACconverters(AC-DC-ACconverters)：AC-DC-ACconvertersVoltage-sourcetypeCurrent-sourcetype分类：AccordingtotypeoftheDClinks:Accordingtowhetheroutputvoltageandfrequencyisvariable:Innarrowsense,frequencyconverteronlyreferstoVVVFAC-DC-ACconverter.AC-DC-ACconverters变压变频Variablevoltagevariablefrequency(VVVF)(AC-DC-ACfrequencyconverters)恒压恒频Constantvoltageconstantfrequency(CVCF)--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系19一、交直交变频器（ConfigurationsofAC-DC-ACconverters）1、能量单向流动的电路Configurationswithone-directionpowerflow：ACLoadACSourceACLoadACSource电压源型Voltage-sourcetype电流源型Current-sourcetype--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系203、Configurationswithregenerativepowerfeedbackthroughinversion-modethyristorrectifiercircuit：2、带有泵升电压限制的交直交电路Configurationwithregenerativeenergydissipatingcircuit：ACLoadACSourceV0R0ACLoadACSource--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系214、Configurationsrealizingbi-directionalpowerflowthroughdouble-sidedPWMconvertersACLoadACSourceUVWabcSourceLoad21Voltage-sourcetypeCurrent-sourcetype--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系22二、主要应用MajorApplicationsofAC-DC-ACFrequencyConverters(VVVFconverters)。交流调速的特点：交流电动机结构简单，可靠性高，优于直流电机；节能---采用变频技术可节能30%；高精度，快速响应。交流电机的控制技术较为复杂，对所需的电力电子变换器要求也较高，所以直到近二十年时间，随着电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统才得到迅速的发展，其应用已在逐步取代传统的直流传动系统。--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系232、控制方法：恒压频比V/f（Constantvoltagefrequencyratiocontrol）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。防止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。--电力电子技术--自动化与信息工程学院电气系24转差频率控制（Slipfrequencycontrol）从异步电机稳态模型，控制转差角频率ws就相当