第10章 电力电子技术应用

第10章电力电子技术的应用10.1晶闸管直流电动机调速系统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的应用10.7电力电子技术的其他应用本章小结10.1晶闸管直流电动机调速系统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10.1.1工作于整流状态时■晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的系统，习惯称为晶闸管直流电动机系统，是电力拖动系统中主要的一种，也是可控整流装置的主要用途之一。■直流电动机负载除本身有电阻、电感外，还有一个反电动势E，为了平稳负载电流的脉动，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。-0.200.20.40.60.81EUduduaubuduciaicibicidoottRid.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MM正组反组正组LLc1Lc2LEMEMabcabcabca)b)MEMMEMMEMMEM+-+-+-+-+-+-+-+-电能电能电能电能电网电网电网电网+n-nIdIdIdId正组反组正组反组正组反组正组反组+TT-UdUdUdUd正转整流反转整流正转逆变反转逆变电动运行电动运行发电运行发电运行c)反组Mudidn10.1.1工作于整流状态时23XRRRBMB■触发晶闸管，待电动机启动达稳态后，由于电动机有较大的机械惯量，故其转速和反电动势都基本无脉动，此时整流电压的平均值由电动机的反电动势及电路中负载平均电流Id所引起的各种电压降所平衡，平衡方程为UIREUdMd式中，，其中RB为变压器等效电阻，RM为电枢电阻，为重叠角引起的电压降所折合的电阻；为晶闸管本身的管压降。23XBU■在电动机负载电路中，电流由负载转矩所决定，当电动机的负载较轻时，对应的负载电流也小，在小电流情况下，特别在低速时，由于电感储能减小，往往不足以维持电流连续，从而出现电流断续现象。(10-1)10.1.1工作于整流状态时■电流连续时电动机的机械特性◆三相半波电流连续时的电动机机械特性☞直流电动机的反电动势为nCEeM☞因为，故反电动势特性方程为cos17.12UUdUIRcosU.EdM2171☞转速与电流的机械特性关系式为edeCUIRCcosU.n2171RM3XB+oIdCe)na1a2a3a1a2a3RB(+Id☞三相桥式全控整流电路电动机负载时的机械特性方程为deeICRCcosU.n2342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(10-2)(10-3)(10-4)(10-5)的值一般为1V左右，所以忽略；调节角，即可调节电动机的转速。U10.1.1工作于整流状态时■电流断续时电动机的机械特性◆由于整流电压是一个脉动的直流电压，当电动机的负载减小时，平波电抗器中的电感储能减小，致使电流断续，此时电动机的机械特性也就呈现出非线性。oIdEE0E'IdminU20.585()U2(2断续段特性的近似直线断续区连续区0)图10-3电流断续时电动势的特性曲线◆电流断续时机械特性的特点☞分析=60时的情况，当Id=0，忽略，此时的反电动势为，而实际上，晶闸管导通时相电压瞬时值为，大于，也即Id不为零，所以才是理想空载点。U0E220585060171U.cosU.E22U0E22U☞在电流断续情况下，时，电动机的实际空载反电动势都是；当以后，空载反电动势将由决定。6022U60)cos(U32210.1.1工作于整流状态时Ida1a2a3a4a5分界线EE0o断续区连续区图10-4考虑电流断续时不同时反电动势的特性曲线12360，5460☞当电流断续时，电动机的理想空载转速抬高，这是电流断续时电动机机械特性的第一个特点；第二个特点是，在电流断续区内电动机的机械特性变软，即负载电流变化很小也可引起很大的转速变化。☞大的反电动势特性，其电流断续区的范围（以虚线表示）要比小时的电流断续区大，这是由于愈大，变压器加给晶闸管阳极上的负电压时间愈长，电流要维持导通，必须要求平波电抗器储存较大的磁能，而电抗器的L为一定值的情况下，要有较大的电流Id才行；故随着的增加，进入断续区的电流值加大，这是电流断续时电动机机械特性的第三个特点。10.1.1工作于整流状态时◆电流断续时电动机机械特性可由下面三个式子准确地得出ctgctgMee)sin()sin(cosUE16622ctgctgeeMee)sin()sin(CcosUCEn16622]nUC)cos()[cos(cosZUIed22266223式中，，，L为回路总电感。RLtg122LRZ(10-6)(10-7)(10-8)10.1.1工作于整流状态时◆一般只要主电路电感足够大，可以只考虑电流连续段，完全按线性处理，低速轻载时断续作用显著，可改用另一段较陡的特性来近似处理。☞整流电路为三相半波时，在最小负载电流为Idmin时，为保证电流连续所需的主回路电感量（单位为mH）为mindIU.L2461☞对于三相桥式全控整流电路带电动机负载的系统，有mindIU.L26930L中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器的电感，前者数值都较小，有时可忽略；Idmin一般取电动机额定电流的5%～10%。☞三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波的高一倍，因而所需平波电抗器的电感量也可相应减小约一半。(10-9)(10-10)因为，可求得电动机的机械特性方程式10.1.2工作于有源逆变状态时RIEUdMdnCE'eM■电流连续时电动机的机械特性◆电压平衡方程式为◆逆变时由于，EM反接，得cos0ddUU)ddMRIcosU(E0)βcos(nRIUCdd'e01正组变流器反组变流器n321Id42341==2'='=2'3'2'1'4'2'3'4'11='1;'1=12='2;'2=2增大方向'增大方向'增大方向增大方向图10-5电动机在四象限中的机械特性◆上式的负号表示逆变时电动机的转向与整流时相反；调节就可改变电动机的运行转速，值愈小，相应的转速愈高；反之则转速愈低。(10-11)(10-12)10.1.2工作于有源逆变状态时■电流断续时电动机的机械特性◆电动机机械特性可由下面三个式子准确地得出eeUEMctgctg676721sinsincos2eeeeMCUCEnctgctg67672sinsincos2nUCZUIed22267cos67coscos223当电流断续时电动机的机械特性不仅和逆变角有关，而且和电路参数、导通角等有关系。(10-13)(10-14)(10-15)10.1.2工作于有源逆变状态时正组变流器反组变流器n321Id42341==2'='=2'3'2'1'4'2'3'4'11='1;'1=12='2;'2=2增大方向'增大方向'增大方向增大方向图10-5电动机在四象限中的机械特性◆图10-5中右下的虚线以左的部分为逆变电流断续时电动机的机械特性，其特点是：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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；第2象限里也为逆变状态，与它对应的整流状态的机械特性则表示在第3象限里。◆第1、第4象限中的特性和第3、第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。◆运行工作点由第1（第3）象限的特性，转到第2（第4）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。■直流可逆电力拖动系统◆电路结构☞图10-6a是有环流接线，图10-6b是无环流接线，环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。☞根据电动机所需的运转状态来决定哪一组变流器工作及其相应的工作状态：整流或逆变。◆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，1/2，EMUd（下标中有表示整流，下标1表示正组桥，下标2表示反组桥）。10.1.3直流可逆电力拖动系统MM正组反组正组LLc1Lc2LEMEMabcabcabca)b)MEMMEMMEMMEM+-+-+-+-+-+-+-+-电能电能电能电能电网电网电网电网+n-nIdIdIdId正组反组正组反组正组反组正组反组+TT-UdUdUdUd正转整流反转整流正转逆变反转逆变电动运行电动运行发电运行发电运行c)反组图10-6两组变流器的反并联可逆线路☞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(2/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，2/2，EMUd。☞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(1/2)，EMUd。10.1.3直流可逆电力拖动系统MM正组反组正组LLc1Lc2LEMEMabcabcabca)b)MEMMEMMEMMEM+-+-+-+-+-+-+-+-电能电能电能电能电网电网电网电网+n-nIdIdIdId正组反组正组反组正组反组正组反组+TT-UdUdUdUd正转整流反转整流正转逆变反转逆变电动运行电动运行发电运行发电运行c)反组图10-6两组变流器的反并联可逆线路。10.1.3直流可逆电力拖动系统MEMMEMMEMMEM+-+-+-+-+-+-+-+-电能电能电能电能电网电网电网电网-nIdIdIdId正组反组正组反组正组反组正组反组+TT-UdUdUdUd正转整流反转整流正转逆变反转逆变电动运行电动运行发电运行发电运行c)图10-6(c)◆直流可逆拖动系统，能方便地实现正反向运转外，还能实现回馈制动。☞由正转到反转的过程√从1组桥切换到2组桥工作，并要求2组桥在逆变状态下工作，电动机进入第2象限（之前运行在第1象限）作正转发电运行，电磁转矩变成制动转矩，电动机轴上的机械能经2组桥逆变为交流电能回馈电网。√改变2组桥的逆变角，使之由小变大直至=/2（n=0），如继续增大，即/2，2组桥将转入整流状态下工作，电动机开始反转进入第3象限的电动运行。☞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。10.1.3直流可逆电力拖动系统◆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，如配合控制有环流（即=工作制）、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等。☞对于=配合控制的有环流可逆系统，当系统工作时，对正、反两组变流器同时输入触发脉冲，并严格保证=的配合控制关系，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；但输出电压瞬时值不等，会产生脉动环流，为防止环流只经晶闸管流过而使电源短路，必须串入环流电抗器LC限制环流。☞工程上使用较广泛的逻辑无环流可逆系统不设置环流电抗器，控制原则是：两组桥在任何时刻只有一组投入工作（另一组关断），所以在两组桥之间就不存在环流；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。10.2变频器和交流调速系统10.2.1交直交变频器1