第6章 电力电子技术在工程中的应用

1——梁南丁电力电子技术2第6章电力电子技术在工程中的应用6.1交-直-交组合变流电路6.2直-交-直组合变流电路6.3电力电子技术的应用3组合变流电路：是将AC/DC、DC/DC、AC/AC和DC/AC四大类基本变流电路中的某几种基本的变流电路组合起来，以实现一定的新功能。间接交流变流电路：先将交流整流为直流，再逆变为交流，是先整流后逆变的组合。应用：交直交变频电路（VariableVoltageVariableFrequency—VVVF），主要用作变频器。恒压恒频变流电路（ConstantVoltageConstantFrequency—CVCF），主要用作不间断电源（UninterruptablePowerSupply——UPS）。间接直流变流电路：先将直流逆变为交流，再整流为直流电，是先逆变后整流的组合。应用：各种开关电源（SwitchingModePowerSupply——SMPS）46.1交-直-交组合变流电路交-直-交组合变流电路主要按电压型、电流型进行分类。交-直-交组合变流电路，其逆变部分多采用PWM控制。6.1.1交-直-交组合变流电路原理1．电压型交-直-交组合变流电路电压型交-直-交组合变流电路在负载能量反馈到中间直流电路时，将导致电容电压升高，称为泵升电压，如果能量无法反馈回交流电源，泵升电压会危及整个电路的安全AC（负载）AC（电源）图6.1不能再生反馈的电压型交-直-交组合变流电路5为使电路具备再生反馈电力的能力，可采用：带有泵升电压限制电路的电压型交-直-交组合变流电路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。如图6.2AC负载AC电源V0R0图6.2带有泵升电压限制电路的电压型交-直-交组合变流电路利用可控变流器实现再生反馈的电压型交-直-交组合变流电路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。如图6.3AC负载AC电源图6.3利用可控变流器实现再生反馈的电压型交-直-交组合变流电路6整流和逆变均为PWM控制的电压型交-直-交组合变流电路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。AC负载AC电源图6.4整流和逆变均为PWM控制的电压型交-直-交组合变流电路72．电流型交-直-交组合变流电路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。如图6.5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。如图6.6AC负载AC电源AC负载AC电源再生反馈输送功率功率流向IdUdUL图6.6采用可控整流的电流型交-直-交组合变流电路图6.5不能再生反馈电力的电流型交-直-交组合变流电路8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波，并使输入功率因数为1。如图6.7,图6.8M3整流C逆变LdVT1VT3VT5VT4VT6VT2UVWabc电源负载图6.7电流型交—直—交PWM变频电路图6.8整流和逆变均为PWM控制的电流型间接交流变流电路96.1.2交-直-交组合变流电路的控制方式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。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。101)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。工作原理：转速给定既作为调节加减速的频率f指令值，同时经过适当分压，作为定子电压U1的指令值。该比例决定了U/f比值，由于频率和电压由同一给定值控制，因此可以保证压频比为恒定。1．变压变频（VVVF）电路控制方式图6.9采用恒压频比控制的变频调速系统框图11在给定信号之后设置的给定积分器，将阶跃给定信号转换为按设定斜率逐渐变化的斜坡信号ugt，从而使电动机的电压和转速都平缓地升高或降低，避免产生冲击。给定积分器输出的极性代表电机转向，幅值代表输出电压、频率。绝对值变换器输出ugt的绝对值uabs，电压频率控制环节根据uabs及ugt的极性得出电压及频率的指令信号，经PWM生成环节形成控制逆变器的PWM信号，再经驱动电路控制变频器中IGBT的通断，使变频器输出所需频率、相序和大小的交流电压，从而控制交流电机的转速和转向。图6.9采用恒压频比控制的变频调速系统框图122)转差频率控制在稳态情况下，当稳态气隙磁通恒定时，异步电机电磁转矩近似与转差角频率ws成正比。因此，控制ws就相当于控制转矩。采用转速闭环的转差频率控制，使定子频率w1=wr+ws，则w1随实际转速wr增加或减小，得到平滑而稳定的调速，保证了较高的调速范围。转差频率控制方式可达到较好的静态性能，但这种方法是基于稳态模型的，得不到理想的动态性能。133．矢量控制异步电动机的数学模型是高阶、非线性、强耦合的多变量系统。传统设计方法无法达到理想的动态性能。矢量控制方式基于异步电机的按转子磁链定向的动态模型，将定子电流分解为励磁分量和与此垂直的转矩分量，参照直流调速系统的控制方法，分别独立地对两个电流分量进行控制，类似直流调速系统中的双闭环控制方式。控制系统较为复杂，但可获得与直流电机调速相当的控制性能。4．直接转矩控制直接转矩控制方法同样是基于动态模型的，其控制闭环中的内环，直接采用了转矩反馈，并采用砰—砰控制，可以得到转矩的快速动态响应。并且控制相对要简单许多。142．恒压恒频（CVCF）电源CVCF电源主要用作不间断电源（UPS）。UPS广泛应用于各种对交流供电可靠性和供电质量要求高的场合。UPS基本工作原理是，市电正常时，由市电供电，市电经整流器整流为直流，再逆变为50Hz恒频恒压的交流电向负载供电。同时，整流器输出给蓄电池充电，保证蓄电池的电量充足。此时负载可得到的高质量的交流电压，具有稳压、稳频性能，也称为稳压稳频电源。蓄电池市电整流器逆变器负载图6.10UPS基本结构原理图15市电异常乃至停电时，蓄电池的直流电经逆变器变换为恒频恒压交流电继续向负载供电，供电时间取决于蓄电池容量的大小。为了保证长时间不间断供电，可采用柴油发电机（简称油机）作为后备电源。如图6.11增加旁路电源系统，可使负载供电可靠性进一步提高。如图6.12蓄电池市电整流器逆变器负载油机S12图6.11用柴油发电机作为后备电源的UPS蓄电池市电整流器逆变器负载油机1234转换开关CVCF电源旁路电源S1S2图6.12具有旁路电源系统的UPS16UPS主电路结构图6.13是小容量UPS的主电路，整流部分使用二极管整流器和直流斩波器（PFC），可获得较高的交流输入功率因数，逆变器部分使用IGBT并采用PWM控制，可获得良好的控制性能。图6.14所示为使用GTO的大容量UPS主电路。采用PWM控制的逆变器开关频率较低，通过多重化联结降低输出电压中的谐波分量。市电整流器斩波器DCL蓄电池直流滤波器逆变器交流滤波器交流开关负载图6.13小容量UPS主电路蓄电池晶闸管开关整流器市电旁路电源晶闸管开关晶闸管开关负载交流滤波器逆变器用变压器GTO逆变器图6.14大功率UPS主电路176.2直-交-直组合变流电路间接直流变流电路：先将直流逆变为交流，再整流为直流电，也称为直—交—直电路。图6.15间接直流变流电路的结构采用这种结构的变换原因：输出端与输入端需要隔离。某些应用中需要相互隔离的多路输出。输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于1。交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。工作频率高于20kHz这一人耳的听觉极限，可避免变压器和电感产生噪音。变压器整流电路滤波器直流交流交流脉动直流直流逆变电路18逆变电路通常使用全控型器件，整流电路中通常采用快恢复二极管、肖特基二极管或MOSFET构成的同步整流电路（SynchronousRectifier）。间接直流变流电路分为单端(SingleEnd)和双端(DoubleEnd)电路两大类。单端电路：变压器中流过的是直流脉动电流，如正激电路和反激电路。双端电路：变压器中的电流为正负对称的交流电流。如半桥、全桥和推挽电路。196.2.1单端电路1．正激电路电路的工作过程（电路图6.16波形图6.17）开关S开通后，变压器绕组N1两端的电压为上正下负，与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负。因此VD1处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长；S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断。S关断后变压器的励磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为。iSUNNu)1(31+=变压器的磁心复位：开关S开通后，变压器的激磁电流由零开始，随着时间的增加而线性的增长，直到S关断。为防止变压器的激磁电感饱和，必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。图6.16正激电路的原理图图6.17正激电路的理想化波形20变压器的磁心复位时间为（复位过程图6.18）输出电压：输出滤波电感电流连续的情况下：输出电感电流不连续时，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下:on31rsttNNt=TtNNUUon12io=i12oUNNU=图6.18磁心复位过程212．反激电路反激电路及其工作波形分别如图6.19和图6.20所示。反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。工作过程：S开通后，VD处于断态，N1绕组的电流线性增长，电感储能增加；S关断后，N1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放。S关断后的电压为：++UiSVDN1N2UoW1W2SuSiSiVDtontoffttttUiOOOOuUNNUS=+io12图6.19反激电路原理图图6.20反激电路的理想化波形22反激电路的工作模式：电流连续模式：当S开通时，N2绕组中的电流尚未下降到零。输出电压关系：电流断续模式：S开通前，N2绕组中的电流已经下降到零。输出电压高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，，因此反激电路不应工作于负载开路状态。offon12iottNNUU=Uo236.2.2双端电路1．半桥电路++S1S2VD1VD2LUiN1N2N3+udUo+C1C2W1W3W2S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iS2tTttttttttonUiUiiLiLOOOOOOOO图6.21半桥电路原理图图6.22半桥电路的理想化波形工作过程：S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压。改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。S