电力电子技术-电力电子设备.ppt

2019/11/13,1,第6章 电力电子设备,2019/11/13,2,6.1.1 通用变频器中的整流环节,6.1.2 通用变频器中的中间环节,6.1.3 通用变频器中的逆变环节,6.1 通用变频器,通用变频器,3,2019/11/13,日立,西门子,ABB,三菱,安川,福凌,4,2019/11/13,变频调速是通过变频器向电机的定子输出一个电压，其频率可以连续地改变，从而达到调速的目的。采用变频调速的异步电动机的机械特性如图,f1f2f3f4f5,5,2019/11/13,6,2019/11/13,6.1.1 通用变频器中的整流环节,7,2019/11/13,6.1.1 通用变频器中的整流环节,8,2019/11/13,6.1.1 通用变频器中的整流环节,可控整流电路由晶闸管组成，一般为三相桥式全控电路，输出电压可以调节。如果改变控制角，可以使晶闸管电路工作在整流和逆变两种状态。逆变状态可以把中间电路中储存的能量回馈给电网。用一组晶闸管组成的整流电路可以作到输出电压Ud改变方向，但输出电流Id不能改变方向，在Ud-Id平面上工作在第1、2象限。还有一种叫做可逆式的整流电路，主电路由两组三相桥式可控电路组成，两组整流桥都可以工作在整流和逆变两种状态，输出电压和输出电流均可正可负，可在Ud-Id平面上的4个象限工作。这种结构的整流电路用于电流型变频器，能量可以在电网和负载之间双向传递。,9,2019/11/13,6.1.1 通用变频器中的整流环节,10,2019/11/13,6.1.2 通用变频器中的中间环节,滤波元件决定电源形式,11,2019/11/13,6.1.2 通用变频器中的中间环节,限制电容充电电流的措施,12,2019/11/13,6.1.2 通用变频器中的中间环节,电流源型整流电路,13,2019/11/13,6.1.2 通用变频器中的中间环节,动力制动制动电阻,14,2019/11/13,6.1.3 通用变频器中的逆变环节,15,2019/11/13,6.1.3 通用变频器中的逆变环节,PAM控制方式,16,2019/11/13,6.1.3 通用变频器中的逆变环节,17,2019/11/13,6.1.3 通用变频器中的逆变环节,18,2019/11/13,PWM控制方式,6.1.3 通用变频器中的逆变环节,19,2019/11/13,6.1.3 通用变频器中的逆变环节,20,2019/11/13,6.1 通用变频器应用实例,主驱动为一台30KW的 异步电动机。,2019/11/13,21,6.2.1 软启动器基本结构,6.2.2 软启动器控制方式,软启动器,6.2.4 软启动器的保护功能,6.2.3 软启动器的停车控制,6.2 软启动器,22,2019/11/13,中压软启动器,普通的工业用 软启动器,大功率 软启动器,煤矿用防爆型 软启动器,23,2019/11/13,6.2.1 软启动器基本结构,24,2019/11/13,6.2.1 软启动器基本结构,25,2019/11/13,6.2.1 软启动器基本结构,26,2019/11/13,6.2.1 软启动器基本结构,27,2019/11/13,6.2.2 软启动器控制方式,起动时软起动器的输出电压从低于额定电压的某一数值开始，以线性规律逐渐上升。电压上升时间和初始电压都可以由用户自行设定，起动过程中电压的变化如图。由电机学知识可知，交流异步电动机定子电压减小会使定子电流也随之减小，这样起动时电动机的定子电流就会受到限制。,如果起动电流过小，可能会出现起动转矩小于负载转矩的情况，此时电动机不能启动，因此，对此类负载启动时的初始电压不能设定得过低。,28,2019/11/13,6.2.2 软启动器控制方式,这种起动方式是把定子电流作为起动过程的控制对象，电流信息由软起动器中的电流传感器获取。在起动过程中，电动机输出的转矩不但要克服负载的阻力矩，由于加速的需要，还必须产生一个加速转矩。这样，电动机的定子电流一般要比稳速运行时大许多倍。过大的起动电流会产生一些不良的后果。,限电流起动就是通过软起动器把起动期间定子的电流限制在某预先设定的最大值以内，定子电压随电流变化的需要而改变。,29,2019/11/13,6.2.2 软启动器控制方式,该方式是将电机的转速作为控制对象，在起动时间TQ中，转速从0依线性规律上升到额定值，如图6-12(c)所示。采用这种方法必须要有速度反馈信息，系统中要安装速度传感器。,来自传感器的速度信息与软起动器的控制电路连接形成速度闭环，通过改变软起动器的输出电压的方式使得速度线性上升。,30,2019/11/13,6.2.2 软启动器控制方式,31,2019/11/13,6.2.2 软启动器控制方式,电动机定子电压的降低会使其转矩随之下降。在电压斜坡起动方式中，对有些对起动转矩要求较大的负载，起动电压的降低可能导致无法起动了。可以在电压斜坡软起动的基础叠加一个有较大幅度的脉冲，叫做“脉冲突调” 。,在刚进入起动过程的很短的一段时间，可以产生足以使电机转动的转矩，电机开始运动后，上述脉冲消失。,32,2019/11/13,6.2.3 软启动器的停车控制,在一个设定的时间TR内，使电动机的定子电压逐渐下降，最终降低到0。这段时间比电动机滑行停车所需的时间要长，如图。应该注意的是，滑行停车时，起动器实际上已不再输出电压了，图中滑行停车的电压可理解为是由电机的转子和定子之间的相互切割所形成的电压。,33,2019/11/13,6.2.3 软启动器的停车控制,此种方法用于要求电机停车比滑行停车时间更短的场合，电压的变化规律如图。在此过程中，软起动器要给电动机施以制动电流，产生与电机转动方向相反的制动力矩，使电机尽快停止下来。,34,2019/11/13,6.2.3 软启动器的停车控制,这种方式在精确定位、点动等情况下经常用到。为了满足这种要求，有些软起动器设计了“精确停车”功能。这种功能的实现方法如下：首先对一个高速运行的电动机施加制动力矩（加反向电压），使其转速迅速下降，并保持一个较小的转速（如额定转速的7%或15%）稳速运行，在接到停车命令时立即制动力矩电机在很短的时间停下来。,35,2019/11/13,6.2.4 软启动器的保护功能,过载保护：通过检测工作电流计算出I2t，如果出现过载，即进行分断操作。,欠电压/过电压保护：当电源电压高于或低于设定的数值时，软起动器停机。,欠载保护：如果工作过程中负载电流突然下降到0或一个很小的数值，说明负载电路出现异常，软起动器停机。,失速保护：如果在完成起动过程以后电动机的转速与预期的数值还有较大的差异，说明电机运行不正常，失速保护电路动作，使电机停机。,36,2019/11/13,6.2.4 软启动器的保护功能,过热保护：本功能是针对晶闸管的，软起动器的内部设有温度传感器，根据由其获得的温度信息，一旦温度过高，就停止输出晶闸管的触发脉冲。,电源线路故障和接地保护：出现电源断线、负载回路断线、晶闸管短路等故障时，该保护电路动作，发出报警信号或停机。,晶闸管的常规保护：每个晶闸管支路都有过电压保护用的压敏电阻、过电流保护用的快速熔断器、抑制du/dt用的RC保护电路，对晶闸管进行保护。,电压不平衡保护：三相交流电压的不平衡包括三相电压的幅度不相等和各相相位不正确，一旦发生这些情况软起动器也会停机。,37,2019/11/13,6.3 晶闸管交流调功器,38,2019/11/13,6.3 晶闸管交流调功器,39,2019/11/13,6.3 晶闸管交流调功器,各种调功器外形,40,2019/11/13,6.3 晶闸管交流调功器,41,2019/11/13,6.3 晶闸管交流调功器,为了避免晶闸管开通期间输出电压和电流的跳变对负载和同电网的其它设备的不良影响，交流调功器通常采用“过零触发”的方式，即晶闸管总是在电源电压的过零点被触发导通，使负载电流和电压每一次出现都是从0开始。下图是一种分立元件组成的过零触发控制电路的原理图。,2019/11/13,42,6.4 不间断电源UPS,43,2019/11/13,6.4 不间断电源UPS,什么是不间断电源,不间断电源的基本原理,44,2019/11/13,6.4 不间断电源UPS,电力用UPS,小功率UPS,工业级UPS,工业用UPS,45,2019/11/13,6.4.1 不间断电源的类型,1.后备式UPS,在有市电供给时，转换开关接“1”，交流电源经滤波器和稳压电路向负载供电。同时充电器向蓄电池充电。市电停电时，转换开关接“2”，蓄电池输出能量，经逆变器转换成与电网频率相同电压相同的交流电供给负载。由于后备式UPS在市电停电后逆变电路才开始工作，所以又称为离线式（Offline）。,46,2019/11/13,6.4.1 不间断电源的类型,2.双变换在线式UPS,所谓“双变换”是指这种UPS的主电路中有整流和逆变两个变换装置。在市电正常供电时，转换开关接“2”位置，电网电压经输入滤波器接整流电路的输入端，整流器输出的直流电能供给逆变器，再由逆变器将其变为交流电能供给负载。为了提高系统的效率，有时也可以将转换开关置于“1”位置，此为旁路状态，电网电能不经过变换器而直接供给负载。,47,2019/11/13,6.4.1 不间断电源的类型,3. 在线互动式UPS,48,2019/11/13,6.4.1 不间断电源的类型,49,2019/11/13,6.4.1 不间断电源的类型,4. Deltar变换式UPS,50,2019/11/13,6.4.1 不间断电源的类型,51,2019/11/13,6.4.1 不间断电源的类型,52,2019/11/13,6.4.2 不间断电源的主要单元电路构成,1.整流电路,53,2019/11/13,6.4.2 不间断电源的主要单元电路构成,2.充电电路,54,2019/11/13,6.4.2 不间断电源的主要单元电路构成,3. 功率因数校正电路（PFC）,55,2019/11/13,6.4.2 不间断电源的主要单元电路构成,56,2019/11/13,6.4.2 不间断电源的主要单元电路构成,4. 逆变电路,57,2019/11/13,6.4.2 不间断电源的主要单元电路构成,5. 滤波电路,58,2019/11/13,6.4.2 不间断电源的主要单元电路构成,6. 转换开关,59,2019/11/13,6.5 开关电源线性电源的结构和缺点,60,2019/11/13,6.5.1 开关电源的结构,61,2019/11/13,6.5.1 开关电源的整流电路,1.工频整流和滤波电路,62,2019/11/13,6.5.1 开关电源的整流电路,2. 高频整流的半波、全波和桥式结构,63,2019/11/13,6.5.1 开关电源的整流电路,64,2019/11/13,6.5.1 开关电源的整流电路,在开关电源的高频整流电路中，还有一种倍流整流电路被采用，电路原理图,3.倍流整流,65,2019/11/13,6.5.1 开关电源的整流电路,t0t1段，变压器次级电压u2为正，二极管VD1导通，电路中有两个导电回路，其一是VD1负载L2变压器次级VD1。另一条是VD1负载L1VD1。由于L2回路中有电源，L2从电源u2获得能量，所以iL2线性上升。L1的回路中没有电源，L1释放能量，使得iL1下降。如果此时变压器次级电压的幅度为U2，则电感L2中的电压为uL2=U2-UO，电感L1中的电压为uL1=UO。此阶段的持续时间为ton。,t1t2段，持续时间为toff。当变压器次级电压u2为0时，由于电感的储能作用，iL1、 iL2都不为0，分别通过VD1、VD2与负载形成回路，由于电感释放能量，iL1、 iL2线性下降。此此阶段uL2=uL2=UO。,66,2019/11/13,t2t3段，变压器次级电压为负，电路中又形成两个回路，第一个回路的路径为VD2负载L1变压器次级VD2，L2从电源u2中获取能量，使得iL1上升。另一个回路为VD2负载L2VD2，这个回路为L2释放能量的通路，iL2下降。此过程中变压器次级电压为-U2，电感L1中的电压为uL1=U2-UO，电感L2中的电压为uL2=UO。,6.5.1 开关电源的整流电路,t3t4段，变压器次级电压又变成0，L1、L2中储存的能量分别通过VD1和VD2向负载释放，iL1、 iL2线性下降。此过程与t1t2段完全相同，uL2=uL2=UO。,67,2019/11/13,6.5.1 开关电源的整流电路,根据电感两端无直流电压降的原则，下式应该成立,令工作周期TS为,占空比为,负载电压UO与变压器次级电压的幅度U2之间的关系为,68,2019/11/13,6.5.1 开关电源的整流电路,4.同步整流,69,2019/11/13,6.5.1 开关电源的逆变电路,70,2019/11/13,6.5.1 开关电源的逆变电路,半桥式电路:输入直流电压为U，电容C1、C2容量相等，使得两者的连接处电位为电源电压的一半。,71,2019/11/13,6.5.1 开关电源的逆变电路,72,2019/11/13,6.5.1 开关电源的逆变电路,全桥式电路:输入直流电压仍为U，与一般桥式电路一样，电路工作时，在一