[工学]电力电子技术的应用.ppt

10 1 第10章电力电子技术应用 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应用10 7电力电子技术的其他应用 10 2 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 10 3 10 1晶闸管直流电动机系统 引言 晶闸管直流电动机系统 晶闸管可控整流装置带直流电动机负载组成的系统 是电力拖动系统中主要的一种 是可控整流装置的主要用途之一 对该系统的研究包括两个方面 其一是在带电动机负载时整流电路的工作情况 其二是由整流电路供电时电动机的工作情况 本节主要从第二个方面进行分析 10 4 10 1 1工作于整流状态时 整流电路接反电动势负载时 负载电流断续 对整流电路和电动机的工作都很不利 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 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 如图10 1 10 5 10 1 1工作于整流状态时 此时 整流电路直流电压的平衡方程为 10 1 式中 为电动机的反电动势负载平均电流Id所引起的各种电压降 包括 变压器的电阻压降电枢电阻压降由重叠角引起的电压降晶闸管本身的管压降 它基本上是一恒值 系统的两种工作状态 电流连续工作状态电流断续工作状态 10 6 10 1 1工作于整流状态时 转速与电流的机械特性关系式为 1 电流连续时电动机的机械特性 在电机学中 已知直流电动机的反电动势为 10 2 可根据整流电路电压平衡方程式 10 112 得 10 3 10 4 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 其机械特性是一组平行的直线 其斜率由于内阻不一定相同而稍有差异 调节a角 即可调节电动机的转速 10 7 10 1 1工作于整流状态时 2 电流断续时电动机的机械特性当负载减小时 平波电抗器中的电感储能减小 致使电流不再连续 此时其机械特性也就呈现出非线性 电动机的实际空载反电动势都是 时为 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 可改用另一段较陡的特性来近似处理 等效电阻要大一个数量级 当Id减小至某一定值Idmin以后 电流变为断续 这个是不存在的 真正的理想空载点远大于此值 10 8 10 1 1工作于整流状态时 电流断续时电动机机械特性的特点 图10 4电流断续时电动势的特性曲线 电流断续时理想空载转速抬高 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 随着a的增加 进入断续区的电流值加大 图10 5考虑电流断续时不同a时反电动势的特性曲线 1a4 60 10 9 10 1 2工作于有源逆变状态时 1 电流连续时电动机的机械特性 电流连续时的机械特性由决定的 逆变时由于 反接 得因为EM Cen 可求得电动机的机械特性方程式 10 5 10 6 图10 6电动机在四象限中的机械特性 10 10 10 1 2工作于有源逆变状态时 2 电流断续时电动机的机械特性 可沿用整流时电流断续的机械特性表达式 把代入式 10 7 式 10 8 和式 10 9 便可得EM n与Id的表达式 三相半波电路为例 10 7 10 8 10 9 10 11 10 1 2工作于有源逆变状态时 逆变电流断续时电动机的机械特性 与整流时十分相似 图10 7电动机在四象限中的机械特性 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 纵观控制角变化时 机械特性得变化 第1 4象限中和第3 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 10 12 10 1 3直流可逆电力拖动系统 图10 8两组变流器的反并联可逆线路 图10 53a与b是两组反并联的可逆电路 a三相半波有环流接线b三相全控桥无环流接线c对应电动机四象限运行时两组变流器工作情况 10 13 10 1 3直流可逆电力拖动系统 两套变流装置反并联连接的可逆电路的相关概念和结论 环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流 正向运行时由正组变流器供电 反向运行时 则由反组变流器供电 根据对环流的处理方法 反并联可逆电路又可分为不同的控制方案 如配合控制有环流 可控环流 逻辑控制无环流和错位控制无环流等 电动机都可四象限运行 可根据电动机所需运转状态来决定哪一组变流器工作及其工作状态 整流或逆变 10 14 10 1 3直流可逆电力拖动系统 直流可逆拖动系统 除能方便地实现正反转外 还能实现电动机的回馈制动 电动机反向过程分析 a b配合控制的有环流可逆系统对正 反两组变流器同时输入触发脉冲 并严格保证a b的配合控制关系 假设正组为整流 反组为逆变 即有aP bN UdaP UdbN 且极性相抵 两组变流器之间没有直流环流 但两组变流器的输出电压瞬时值不等 会产生脉动环流 串入环流电抗器LC限制环流 10 15 10 1 3直流可逆电力拖动系统 逻辑无环流可逆系统工程上使用较广泛 不需设置环流电抗器 只有一组桥投入工作 另一组关断 两组桥之间不存在环流 两组桥之间的切换过程 首先应使已导通桥的晶闸管断流 要妥当处理使主回路电流变为零 使原导通晶闸管恢复阻断能力 随后再开通原封锁着的晶闸管 使其触发导通 这种无环流可逆系统中 变流器之间的切换过程由逻辑单元控制 称为逻辑控制无环流系统 直流可逆电力拖动系统 将在后继课 电力拖动自动控制系统 中进一步分析讨论 10 16 10 2变频器和交流调速系统 定义以交流 直流 电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流 直流 电气传动系统 也称交流 直流 电气拖动系统构成 中间传动机构 交流电源输入 终端机械 交流电机 直流调速装置 直流输出 皮带轮 齿轮箱等 风机 泵等 直流电机 交流调速装置 交流输出 执行机构 变频器 10 17 10 2 1交直交变频电路 当负载为电动机时 通常要求间接交流变流电路具有再生反馈电力的能力 要求输出电压的大小和频率可调 此时该电路又名交直交变频电路 不能再生反馈电力的电压型间接交流变流电路的整流部分采用的是不可控整流 它只能由电源向直流电路输送功率 而不能反馈电力 图中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 将导致电容电压升高 称为泵升电压 10 18 10 2 1交直交变频电路 使电路具备再生反馈电力的能力的方法 带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路 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 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 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 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 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 10 19 10 2 1交直交变频电路 整流和逆变均为PWM控制的电压型间接交流变流电路 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 图8 10整流和逆变均为PWM控制的电压型间接交流变流电路 10 20 10 2 1交直交变频电路 2 电流型间接交流变流电路 10 21 10 2 1交直交变频电路 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并使输入功率因数为1 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 12电流型交 直 交PWM变频电路 实现再生反馈的电路图负载为三相异步电动机 适用于较大容量的场合 10 22 10 2 1交直交变频电路 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 10 23 10 2 2交流电动机变频调速控制方式 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 10 24 10 2 2交流电动机变频调速控制方式 1 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 10 25 10 2 2交流电动机变频调速控制方式 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 可以保证压频比为恒定 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 图10 14采用恒压频比控制的变频调速系统框图 10 26 10 2 2交流电动机变频调速控制方式 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10 14采用恒压频比控制的变频调速系统框图 10 27 10 2 2交流电动机变频调速控制方式 2 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 10 28 10 2 2交流电动机变频调速控制方式 3 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 10 29 10 2 2交流电动机变频调速控制方式 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 10 30 10 3不间断电源 CVCF电源主要用作不间断电源 UPS UPS UninterruptiblePowerSuppliesUPS是指当交流输入电源 习惯称为市电 发生异常或断电时 还能继续向负载供电 并能保证供电质量 使负载供电不受影响的装置 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 10 31 10 3不间断电源 1 UPS基本工作原理 图10 15UPS基本结构原理图 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 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 10 32 10 3不间断电源 10 33 10 3不间断电源 2 UPS主电路结构 10 34 10 4开关电源 如果间接直流变流电路输入端的直流电源是由交流电网整流得来 所构成的交 直 交 直电路 通常被称为开关电源 由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节 变压器和滤波器都大大减小 体积和重量都远小于相控整流电源 此外 工作频率的提高还有利于控制性能的提高 10 35 10 5功率因数校正技术 10 36 10 6电力电子技术在电力系统中应用 10 6 1电力电子技术在电力系统中应用 10 37 10 6 1高压直流输电 HVDC系统的主要元件如图所示 以双极系统为例 其它结构的元件与该图所示基本类同 10 38 10 6 1高压直流输电 10 39 晶闸管换流阀 10 40 并联电容器组 10 41 10 6 1高压直流输电 换流器它们完成交 直流和直一交流转换 由阀桥和有抽头切换器的变压器构成 10 42 10 6 1高压直流输电 直流平波电抗器这些大电抗器具有高达1H的电感 在每个换流站与每极串联 10 43 10 6 1高压直流输电 谐波滤波器换流器在交流和直流两侧均产生谐波电压和谐波电流 10 44 10 6 1高压直流输电 无功功率支持换流器内部要吸收无功功率 稳态条件下 所消耗的无功功率是传输功率的50 左右 10 45 10 6 1高压直流输电 接地极 10 46 10 6 1高压直流输电 直流输电线可以是架空线 也可以是电缆 除了导体数和间距的要求有差异外 直流线路与交流线路十分相似 10 47 10 6 1高压直流输电 交流断路器为了排除变压器故障和使直流联络线停运 在交流侧装有断路器 它们不是用来排除直流故障的 因为直流故障可以通过换流器的控制更快地清除 10 48 10 6 1高压直流输电 直流系统的电流和功率 10 49 10 6 1 1直流输电系统的分类 由于目前各种类型的直流断路器都还处于研制阶段 致使直流输电系统还不能像交流系统一样构成各种复杂的网络 目前直流输电大多是两端供电系统 该系统常见的接线类型有 10 50 10 6 1 1直流输电系统的分类 单极线路方式是用一根架空导线或电缆线 以大地或海水作为返回线路组成的直流输电系统 10 51 10 6 1 1直流输电系统的分类 2 双极线路方式双极线路方式有两根不同极性 即正 负极 的导线 可具有大地回路或中性线回路 双极两线中性点两端接地方式 双极两线中性点单端接地方式 10 52 10 6 1 1直流输电系统的分类 双极中性线方式将双极两端的中性点用导线连接起来 就构成双极中性线方式 这种方式由于增加了一根导线 在经济上将增加一定的投资 10 53 10 6 1 1直流输电系统的分类 D 背靠背 back to back 换流方式没有直流输电线路 而将整流站和逆变站建在一起的直流系统称为 背靠背 换流站 这种方式适用于不同额定频率或者相同额定频率非同步运行的交流系统之间的互联 因为没有直流输电线路 所以直流系统可选用较低的额定电压 这样 整个直流系统的绝缘费用可降低 目前世界各国已修建和准备投建的 背靠背 直流工程较多 其主要用途是系统的增容时限制短路容量 从而不致更换大量的电气设备 10 54 10 55 10 6 2无功功率控制 10 56 什么叫无功 电源能量与感性负载线圈中磁场能量或容性负载电容中的电场能量之间进行着可逆的能量交换而占有的电网容量叫无功 无功功率表达式如下 式中无功量的单位为Var 乏 线电压的单位为V 伏 视在电流I单位为A 安 10 6 2无功功率控制 10 57 无功及分类 1 感性无功 电流矢量滞后电压矢量90度 如 电动机 变压器线圈 晶闸管变流设备等 2 容性无功 电流矢量超前电压矢量90度 如 电容器 电缆输配电线路 电力电子超前控制设备等 3 基波无功 与电源频率相等的无功 4 谐波无功 与电源频率不相等的无功 10 6 2无功功率控制 10 58 什么是无功补偿 无功补偿 指根据电网中的无功类型 人为地补偿容性无功或感性无功来抵消线路中的无功功率 无功功率有那些危害 无功功率不做功 但占用电网容量和导线截面积 造成线路压降增大 使供配电设备过载 谐波无功使电网受到污染 甚至会引起电网振荡颠覆 10 6 2无功功率控制 10 59 10 6 2无功功率控制 为什么要进行无功功率补偿 是为了减小供配电线路中往复交换的无功功率 提高供配电线路的利用率 10 60 6 60 1 晶闸管投切电容 ThyristorSwitched Capacitor TSC 图10 35TSC基本原理图a 基本单元单相简图b 分组投切单相简图 10 6 2无功功率控制 作用对无功功率控制 可提高功率因数 稳定电网电压 改善供电质量 性能优于机械开关投切的电容器 结构和原理晶闸管反并联后串入交流电路 实际常用三相 可三角形联结 也可星形联结 10 61 6 61 晶闸管的投切选择晶闸管投入时刻的原则 该时刻交流电源电压和电容器预充电电压相等 这样电容器电压不会产生跃变 就不会产生冲击电流 理想情况下 希望电容器预充电电压为电源电压峰值 这时电源电压的变化率为零 电容投入过程不但没有冲击电流 电流也没有阶跃变化 图10 36TSC理想投切时刻原理说明 10 6