西安交大电力电子技术ppt讲义_第10章_电力电子技术的应用教材

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1、第10章电力电子技术的应用 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的应用 10.7 电力电子技术的其他应用 本章小结 1电气学院 10.1 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 2电气学院 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

2、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。 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 3电气学院 10.1.1 工作于整流状态时 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 式中， ，其中RB为变压器的等效电阻，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。 在电动机负载电路中，电流由负载转矩所决定，当电

3、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 电感的储能减小，往往不足以维持电流连续，从而出现电流断续现象 。 (10-1) 4电气学院 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 因为 ，故反电动势特性 方程为 转速与电流的机械特性关系式为 三相桥式全控整流电路电动机负 载时的机械特性方程为 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。 5电气学院 10

4、.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。 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。 图10-3 电流断续时电动势的特性曲线 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。 6电气学院 10.1.1 工作于整流状态时 图10-4 考虑电流断续时不同时 反电动势

5、的特性曲线 160 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。 7电气学院 10.1.1 工作于整流状态时 电流断续时电动机机

6、械特性可由下面三个式子准确地得出 式中， ， ，L为回路总电感。 (10-6) (10-7) (10-8) 8电气学院 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， 当低速轻载时，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 对于三相桥式全控整流电路带电动机负载的系统，有 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

7、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) 9电气学院 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 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 正组变流器反组变流器 n 3 2 1 Id 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

8、速愈高；反之则转速愈低。 (10-11) (10-12) 10电气学院 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 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) 11电气学院 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 1 Id 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

9、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

10、 变流器的工况由整流转为逆变。 12电气学院 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，1Ud（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，2Ud 。 10.1.3 直流可逆电力拖动系统 图10-6 两组变流器的反并联可逆线路 。 14电气学院 10.1.3 直流可逆电力拖动系统 图10-

11、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。 15电气学院 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

12、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

13、制的，故称为 逻辑控制无环流系统。 16电气学院 10.2 变频器和交流调速系统 10.2.1 交直交变频器 10.2.2 交流电机变频调速的控制方式 17电气学院 10.2 变频器和交流调速系统引言 直流调速传动系统的缺点 受使用环境条件制约。 需要定期维护。 最高速度和容量受限制。 交流调速传动系统的优点 克服了直流调速传动系统的缺点。 交流电动机结构简单，可靠性高。 节能。 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。 1

14、8电气学院 10.2.1 交直交变频器 交直交变频器（Variable Voltage Variable Frequency，简称VVVF电源 ）是 由AC/DC、DC/AC两类基本的变流电路组合形成，又称为间接交流变流电路 ，最主要的优点是输出频率不再受输入电源频率的制约。 再生反馈电力的能力 当负载电动机需要频繁、快速制动时，通常要求具有再生反馈电力的能力 。 图10-7所示的电压型交直交变频电 路不能再生反馈电力。 其整流部分采用的是不可控整流 ，它和电容器之间的直流电压和直流电 流极性不变，只能由电源向直流电路输 送功率，而不能由直流电路向电源反馈 电力。 逆变电路的能量是可以双向流动

15、 的，若负载能量反馈到中间直流电路， 而又不能反馈回交流电源，这将导致电 容电压升高，称为泵升电压，泵升电压 过高会危及整个电路的安全。 图10-7 不能再生反馈的电 压型间接交流变流电路 19电气学院 10.2.1 交直交变频器 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 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 图10-10 整流和逆变均为PWM控 制的电压型间接交流变流电路 使电路具备再生反馈电力能力的方法 图10-8的电路中加入一个由电力晶体管V0 和能耗电阻R0组成的泵升电压限制电路，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，这种电路可运用于对 电动机制动时间有一定要求的调速系统中。 图10-9所示的电路增加了一套变流电路， 使其工作于有源逆变状态，可实现电动机的再 生制动；当负载回馈能量时，中间直流电压极 性不变，而电流反向，通过控制变流器将电能 反馈回电网。 图10-10是整流电路和逆变电路都采用 PWM控制的间接