西交大电力电子技术第10章

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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 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 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，称为晶闸管直 流电动机系统，是直流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，还有反电动

2、 势E，为减小转矩脉动，通 常在电枢回路串联平波电抗 器，保证电流在较大范围内 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 10.1.1 工作于整流状态时 电动机工作于稳态时，由于电动机有较大机械惯量，其 转速和反电动势都基本无脉动，此时整流回路电压方程为 ： 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 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

3、流电动机的反电动势为 反电动势特性方程为 转速与电流的机械特性关系式为 三相桥式电路的机械特性为 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 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， 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 =60时， 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， 电动机空载反电动势都

4、是 ；当 以后，空载反电动势将由 决定。 6 10.1.1 工作于整流状态时 图10-4 考虑电流断续时不同时 反电动势的特性曲线 1260 当电流断续时： 1.电动机的理想空载转速抬高； 2. 在电流断续区内电动机的机械 特性变软。 3.随着的增加，进入断续区的电 流值加大。 7 10.1.1 工作于整流状态时 电流断续时电动机机械特性： 式中， ， ，L为回路总电感。 (10-6) (10-7) (10-8) 8 电动机机械特性方程式： 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

5、 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。 (10-11) (10-12) 9 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) 10 10.1.2 工作于有源逆变状态时 正组变

6、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，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，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

7、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。 11 直流可逆电力拖动系统 电路结构：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 。 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 。 13 10.1.3 直流可逆电力拖动系统 图10-6 (c) 直流可逆拖动系统，能

8、实现正 反向运转，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， 2组桥在逆变状态下工作，电动 机进入第2象限作正转发电运行 ，电磁转矩变成制动转矩，机械 能逆变回馈电网。 改变2组桥的逆变角，由 小变大直至=/2（n=0），继续 增大，即/2，2组桥将转入 整流状态，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。 14 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，反并联可逆电路分为： 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

9、逆系统，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，极性 相抵，没有直流环流；但输出电压瞬时值不等，会产 生脉动环流，为防止环流使电源短路，必须串入环流 电抗器LC。 逻辑无环流可逆系统不设置环流电抗器，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由 逻辑单元控制，故称为逻辑控制无环流系统。 15 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 16 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

10、。 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。 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。 17 10.2.1 交直交变频器 交直交变频器（Variable Voltage Variable Frequency，简称VVVF电源 ）由AC/DC、DC/AC两类基本变流电路组合形成，最主要的优点是输出 频率不再受输入电源频率的制约。 当负载电动机需要频繁、快

11、速制动时，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。 整流部分采用不可控整流， 它和电容器之间的直流电压和电流 极性不变，只能由电源向直流电路 输送功率。 逆变电路的能量可以双向流 动的，若负载能量反馈到中间直流 电路，将导致电容电压升高（称为 泵升电压），危及电路安全。 图10-7 不能再生反馈的电 压型间接交流变流电路 18 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

12、电路具备再生反馈电力能力的方法 加入泵升电压限制电路，把从负载反 馈的能量消耗在R0上。 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； 整流电路和逆变电路都采用PWM控 制的间接交流变流电路，可简称双PWM 电路，电路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。 19 10.2.1 交直交变频器 图10-11 采用可控整流的电流型间接交流变流电路 图10-12 电流型交直交PWM变频电路 图10-13 整流和逆变均为PWM 控制的电流型间接交流变流电路 图10-11为可以再生反馈电力的电 流型间接交流变流电路，当电动机 制动时，中间直流电路的

13、电流极性 不能改变，要实现再生制动，只需 调节可控整流电路的触发角，使中 间直流电压反极性即可。 电流型间接交流变流电路也可采 用双PWM电路；可四象限运行， 同时通过对整流电路的PWM控制 可使输入电流为正弦波，并使输入 功率因数为1。 20 10.2.2 交流电机变频调速的控制方式 笼型异步电动机的定子频率控制方式 恒压频比控制 为了不使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 。 图10-14 采用恒压频比控制的变频调速系统框图 21 10.2.2 交流电机变

14、频调速的控制方式 转差频率控制 为转速闭环的控制方式，可提高调速系统的动态性能。 当稳态气隙磁通恒定时，电磁转矩近似与转差角频率s成正比，因 此，控制s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1= r+ s ，则1随实际转速r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和动态性能。 这种方法是基于电机稳态模型的，仍然不能得到理想的动态性能。 22 10.2.2 交流电机变频调速的控制方式 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。 矢量控制方式基于异步电机的按转子磁链定向的动态数学模型，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。 该方式需要实现转速和磁链的解