电力电子技术的应用(1).ppt
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1、第第1010章电力电子技术的应用章电力电子技术的应用 10.1 10.1 晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统 10.2 10.2 变频器和交流调速系统变频器和交流调速系统 10.3 10.3 不间断电源不间断电源 10.4 10.4 开关电源开关电源 10.5 10.5 功率因数校正技术功率因数校正技术 10.6 10.6 电力电子技术在电力系统中的应用电力电子技术在电力系统中的应用 10.7 10.7 电力电子技术的其他应用电力电子技术的其他应用 本章小结本章小结 2/7010.1 晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统 10.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时 10.1.2
2、工作于有源逆变状态时工作于有源逆变状态时 10.1.3 直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统3/7010.1.1 工作于整流状态时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。一。直流电动机负载除本身有直流电动机负载除本身有电阻电阻、电感电感外,还有一个外,还有一个反电动势反电动势E,为了平稳负,为了平稳负载电流的脉动,通常在电枢回路串联一载电流的脉动,通
3、常在电枢回路串联一平波电抗器平波电抗器,保证整流电流在较大范,保证整流电流在较大范围内连续。围内连续。图图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 4/7010.1.1 工作于整流状态时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
4、平衡,所引起的各种电压降所平衡,平衡方程为平衡方程为 式中,式中,其中,其中RB为变压器的等效电阻,为变压器的等效电阻,RM为电枢电阻,为电枢电阻,为重叠角引起的电压降所折合的电阻;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。为晶闸管本身的管压降。在电动机负载电路中,电流由在电动机负载电路中,电流由负载转矩负载转矩所决定,当电动机的负载较所决定,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
5、现象电流断续现象。(10-1)5/7010.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时电流连续时电动机的机械特性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直流电动机的反电动势为 因为因为 ,故反电动势特性,故反电动势特性方程为方程为 转速与电流的机械特性关系式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三相桥式全控整流电路电动机负载时的机械特性方程为载时的机械特性方程为 图图10-2 三相半波电流连续时以三相半波电流连续时以电流表示的电动机机械特性电流表示的电动机机械特性(10-2)(10-3)(10-
6、4)(10-5)的值一般为的值一般为1V左右,左右,所以忽略;调节角所以忽略;调节角,即可,即可调节电动机的转速。调节电动机的转速。6/7010.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时电流断续时电动机的机械特性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,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性也就呈现出非线性非线性。电流断续时机械特性的特点电流断续时机械特性的特点 分析分析=60 时的情况,当时的情况,当
7、Id=0,忽略忽略 ,此时的反电动势,此时的反电动势 为为 ,而实际,而实际上,晶闸管导通时相电压瞬时值为上,晶闸管导通时相电压瞬时值为 ,大于,大于 ,也即,也即Id不为零,所以不为零,所以 才是才是理想空载点理想空载点。图图10-3 电流断续时电动势的特性曲线电流断续时电动势的特性曲线 在电流断续情况下,在电流断续情况下,时,时,电动机的实际空载反电动势都是电动机的实际空载反电动势都是 ;当;当 以后,空载反电动势将以后,空载反电动势将由由 决定。决定。7/7010.1.1 工作于整流状态时工作于整流状态时图图10-4 考虑电流断续时不同考虑电流断续时不同 时时反电动势的特性曲线反电动势的
8、特性曲线 1 2 3 460 当电流断续时,电动机的当电流断续时,电动机的理想空载转理想空载转速抬高速抬高,这是电流断续时电动机机械特,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,在电性的第一个特点;第二个特点是,在电流断续区内电动机的流断续区内电动机的机械特性变软机械特性变软,即,即负载电流变化很小也可引起很大的转速负载电流变化很小也可引起很大的转速变化。变化。大的反电动势特性,其电流断续区大的反电动势特性,其电流断续区的范围(以虚线表示)要比的范围(以虚线表示)要比 小时的电小时的电流断续区大,这是由于流断续区大,这是由于 愈大,变压器愈大,变压器加给晶闸管阳极上的负电压时间愈
9、长,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,而电抗器的储存较大的磁能,而电抗器的L为一定为一定值的情况下,要有较大的电流值的情况下,要有较大的电流Id才行;才行;故故随着随着 的增加,进入断续区的电流值的增加,进入断续区的电流值加大加大,这是电流断续时电动机机械特性,这是电流断续时电动机机械特性的第三个特点。的第三个特点。8/7010.1.1 工作于整流状态时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 式中,式中,L为回路总电感。为回路总电感。
10、(10-6)(10-7)(10-8)9/7010.1.1 工作于整流状态时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,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。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时,为保证电流连续所需的主回路电感量(单位为的主回路电感量(单位为mH)为)为 对于三相桥式全控整流电路带电动机负载的系统,有对于三相桥式全控整流电路
11、带电动机负载的系统,有 L中包括中包括整流变压器的漏电感整流变压器的漏电感、电枢电感电枢电感和和平波电抗器的电感平波电抗器的电感,前者数,前者数 值都较小,有时可忽略;值都较小,有时可忽略;Idmin一般取电动机额定电流的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。电抗器的电感量也可相应减小约一半。(10-9)(10-10)10/70 因为因为 ,可求得电动机,可求得电动机的机械特性方程式的机械特性方程式 10.1.2 工作于有源逆变状态时工作于有
12、源逆变状态时电流连续时电动机的机械特性电流连续时电动机的机械特性 电压平衡方程式为电压平衡方程式为 逆变时由于逆变时由于 ,EM反接,得反接,得 正组变流器反组变流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a=b=p2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向图图10-5 电动机在四象限中的机械特性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上式的负号表示逆变时电动机的转向与整流时相反;转向与整流时相反;调节调节 就可改变电就可改变电动机的运行转速动机的运行转速,值愈值愈 小,相应的
13、转小,相应的转速愈高;反之则转速愈低。速愈高;反之则转速愈低。(10-11)(10-12)11/7010.1.2 工作于有源逆变状态时工作于有源逆变状态时电流断续时电动机的机械特性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当电流断续时电动机的机械特性不仅和逆变角逆变角有关,而且和有关,而且和电路参数电路参数、导通导通角角等有关系。等有关系。(10-13)(10-14)(10-15)12/7010.1.2 工作于有源逆变状态时工作于有源逆变状态时正组变流器反组变流器na3a2a1Ida4b2b3
14、b4b1a=b=p2a=b=p2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向图图10-5 电动机在四象限中的机械特性电动机在四象限中的机械特性 图图10-5中右下的虚线以左的部分为逆变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: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理想空载转速上翘很多,机械特性变软机械特性变软,且呈现非线性且呈现非线性。逆变状态的机械特性是整流状态的延续,逆变状态的机械特性是整流状态的延续,纵观控制角纵观控制角 由小变大(如由小变大(如/6 5/6
15、),电动机的机械特性则逐渐的由第),电动机的机械特性则逐渐的由第1象限往下移,进而到达第象限往下移,进而到达第4象限;第象限;第2象限象限里也为逆变状态,与它对应的整流状态的里也为逆变状态,与它对应的整流状态的机械特性则表示在第机械特性则表示在第3象限里。象限里。第第1、第、第4象限中的特性和第象限中的特性和第3、第、第2象限象限中的特性是分别属于两组变流器的,它们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,故分别标输出整流电压的极性彼此相反,故分别标以以正组正组和和反组变流器反组变流器。运行工作点由第运行工作点由第1(第(第3)象限的特性,)象限的特性,转到第转到第2(第
16、(第4)象限的特性时,表明电动)象限的特性时,表明电动机由机由电动运行电动运行转入转入发电制动运行发电制动运行;相应的;相应的变流器的变流器的工况工况由由整流转为逆变整流转为逆变。13/70直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统 电路结构电路结构 图图10-6a是是有环流有环流接线,接线,图图10-6b是是无环流无环流接线,环流是接线,环流是指只在两组变流器之间流动而指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。不经过负载的电流。根据电动机所需的运转根据电动机所需的运转状态来决定哪一组变流器工作状态来决定哪一组变流器工作及其相应的工作状态:整流或及其相应的工作状态:整流或逆变。逆变。四象限运行
17、时的工作情况四象限运行时的工作情况 第第1象限,正转,电动机象限,正转,电动机作电动运行,正组桥工作在整作电动运行,正组桥工作在整流状态,流状态,1/2,EMUd (下标中有(下标中有 表示整流,下标表示整流,下标1表示正组桥,下标表示正组桥,下标2表示反组桥)表示反组桥)。10.1.3 直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统图图10-6 两组变流器的反并联可逆线路两组变流器的反并联可逆线路14/70第第2象限,正转,电动机作象限,正转,电动机作发电运行,反组桥工作在逆变发电运行,反组桥工作在逆变状态,状态,2/2),EMUd(下标中有(下标中有 表示逆变表示逆变)。)。第第3象限,反转,电
18、动机作象限,反转,电动机作电动运行,反组桥工作在整流电动运行,反组桥工作在整流状态,状态,2/2,EMUd。第第4象限,反转,电动机作象限,反转,电动机作发电运行,正组桥工作在逆变发电运行,正组桥工作在逆变状态,状态,1/2),EMUd 。10.1.3 直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统图图10-6 两组变流器的反并联可逆线路两组变流器的反并联可逆线路。15/7010.1.3 直流可逆电力拖动系统直流可逆电力拖动系统图图10-6(c)直流可逆拖动系统,能方便地实直流可逆拖动系统,能方便地实现现正反向运转正反向运转外,还能实现外,还能实现回馈制回馈制动动。由正转到反转的过程由正转到反转的过
19、程 从从1组桥切换到组桥切换到2组桥工作,并组桥工作,并要求要求2组桥在逆变状态下工作,电动组桥在逆变状态下工作,电动机进入第机进入第2象限(之前运行在第象限(之前运行在第1象象限)作正转发电运行,电磁转矩变限)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成制动转矩,电动机轴上的机械能经经2组桥逆变为交流电能回馈电网。组桥逆变为交流电能回馈电网。改变改变2组桥的逆变角组桥的逆变角,使之由,使之由小变大直至小变大直至=/2(n=0),如继续),如继续增大增大,即,即 /2,2组桥将转入整流组桥将转入整流状态下工作,电动机开始反转进入状态下工作,电动机开始反转进入第第3象限的电动运行。
20、象限的电动运行。电动机从反转到正转,其过程电动机从反转到正转,其过程则由第则由第3象限经第象限经第4象限最终运行在象限最终运行在第第1象限上。象限上。16/7010.1.3 直流可逆电力拖动系统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(即几种不同的控制方案,如配合控制有环流(即=工作工作制)、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等。制)、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等。对于对于=配合控制的有环流可逆系统,当系统工作时,配合控制的有环流可逆系统,当系统工作时,对正、反两
21、组变流器同时输入触发脉冲,并严格保证对正、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,的配合控制关系,两组变流器的输出电压平均值相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;等,且极性相抵,之间没有直流环流;但输出电压瞬时但输出电压瞬时值不等,会产生值不等,会产生脉动环流脉动环流,为防止环流只经晶闸管流过,为防止环流只经晶闸管流过而使电源短路,必须串入而使电源短路,必须串入环流电抗器环流电抗器LC限制环流。限制环流。工程上使用较广泛的工程上使用较广泛的逻辑无环流可逆系统逻辑无环流可逆系统不设置环流不设置环流电抗器,控制原则是:两组桥在任何时刻只有一组投入电抗器,
22、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;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。辑控制无环流系统。17/7010.2 变频器和交流调速系统变频器和交流调速系统 10.2.1 交直交变频器交直交变频器 10.2.2 交流电机变频调速的控制方式交流电机变频调速的控制方式18/7010.2 变频器和交流调速系统变频器和交流调速系统引言引言直流调速传动系统的缺点直流调速传动系统的缺点 受使用环境条件制约。受使用环境条件制约。需要定
23、期维护。需要定期维护。最高速度和容量受限制。最高速度和容量受限制。交流调速传动系统的优点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。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。交流电动机结构简单,可靠性高。节能。节能。高精度,快速响应。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,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
24、直流传动系统。其应用已在逐步取代传统的直流传动系统。19/7010.2.1 交直交变频器交直交变频器交直交变频器(交直交变频器(Variable Voltage Variable Frequency,简称,简称VVVF电源电源)是)是由由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,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。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
25、力的能力再生反馈电力的能力。图图10-7所示的电压型交直交变频电所示的电压型交直交变频电路不能再生反馈电力。路不能再生反馈电力。其整流部分采用的是不可控整流,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功率,而不能由直流电路向电源反馈电力。力。逆变电路的能量是可以双向流动逆变电路的能量是可以双向流动的,若负载能量反馈到中间直流电路,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,这将导致电而又不能反馈回交流电源,这将导致电容电压升
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