第10章 电力电子技术的应用

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10.6电力系统中应用10.7电力电子技术的其他应用领域摘要，2，10.1晶闸管直流电动机系统，在10.1.1整流状态下运行10.1.2活动逆变状态下运行10.1.3 在3，10.1.1整流状态下工作时，由晶闸管控制整流直流电动机负载组成的系统(称为晶闸管直流电动机系统)是电力驱动系统的主要用途之一，也是可控整流器的主要用途之一。 直流电动机负载本身除了具有电阻、电感之外，还具有反电动势e，为了稳定负载电流的脉动，通常在电枢电路中串联一波核反应堆，以确保整流电流在更大范围内连续。图10-1三相半波带电动机负载和平反电抗器添加时的电压电流波形，4，10.1.1在整流状态下运行时触发晶闸管，电动机起动到达正常状态时的速度或逆电动势基本上没有脉动，在这种情况下，整流器电压的平均值由电动机的逆电动势和电路的负载平均电流Id引起的各种电压下降来平衡，在电动机负载电路中，电流由负载转矩确定，电动机负载较小时相应的负载电流也较小，在小电流的情况下，尤其是在低速的情况下，电感的能量存储减少，不足以连续保持电流，因此电流经常间歇性发生。(10-1)，5，10.1.1在整流状态下工作时，电流连续时电动机的机械特性三相半波电流连续时电动机的机械特性直流电动机的逆电动势为，因此逆电动势特性方程为，速度与电流的机械特性关系为三相电桥，在6，10.1.1整流状态下运行时电流为间歇电动机的机械特性整流电压为脉动直流电压，因此电动机负载减少时，扁平电抗器的电感能量存储减少，导致电流中断，电动机的机械特性也呈非线性。对于电流间歇机械性质分析=60，Id=0，忽略，此时的反电动势为，但实际上晶闸管传导相位电压瞬时值大于，即Id不为零，因此是理想的空载点。图10-3电间歇电动势的特性曲线，如果电流间歇，电动机的实际空载反电动势为；今后空载反电动势由决定。如果在7，10 . 1 . 1 . 1整流状态下工作，则图10-4考虑电流间歇不同的反电动势的特性曲线1460，并且电流间歇时电动机理想空载速度的增加是电流间歇进行的电动机机械特性的第一特征。第二个特点是，在电流的间歇区域内，电动机的机械特性变软。也就是说，如果负载电流的变化很小，就会发生非常大的速度变化。大的反电动势特性，电不连续区域的范围(用虚线表示)间歇性大于时间电流。这是因为变压器添加到晶闸管阳极的负电压时间越长，电流为了保持导电性，需要存储更大磁能量的扁平反应器，如果反应器的l是常量，则需要具有更大的电流Id。因此，随着增加，进入间歇区域的电流的值增加，这是电流间歇时电动机机械性质的第三个特征。在8，10.1.1整流状态下工作时，电流间歇电动机的机械特性可以通过以下三个公式精确计算出来，样式中的，l是总电路电感：，(10-6)，(10-7)，(10-8)，9，10.1.1在整流状态下工作时，一般来说，如果主电路电感足够大，则只考虑电流的连续分段，完全线性处理，在低速照明负载下间歇性效果很重要。如果整流电路为三相半波，则在最小负载电流为Idmin的情况下，确保电流连续所需的主电路电感(mH)对于具有三相桥式全控整流电路电动机负载的系统，l包括整流变压器的漏电电感、电枢电感和波反应器的电感，电子的值较小，有时可以忽略。Idmin通常采用电动机额定电流的5%到10%。三相桥式全控整流电压比三相半波高两倍，脉动频率使得所需平面反应器的电感量相应减少约一半。(10-9)，(10-10)，10，可以得出电动机的机械特性方程式，因此，10.1.2活动逆变运行时电流连续时电动机的机械特性电压平衡方程式为逆变器时由于EM反向连接，图10-5这将更改电动机的运行速度，值越小，其速度就越高。相反，速度越低。(10-11)，(10-12)，11，10.1.2在活动逆变状态下工作时，电流间歇电动机的机械特性电动机的机械特性，如果电流间歇电动机的机械特性与逆变角度相关，并且与电路参数、传导角度等相关，则可以通过以下三个公式准确地获得：(10-13)，(10-14)，(10-15)，12，10.1.2活动逆变电源运行时图10-5电动机的四象限机械特性，图10-5的右下虚线是逆变电流断开的电动机的机械特性，逆变状态的机械特性是整流状态的延续。控制角度从小到大(例如/6到5/6)，电动机的机械特性从象限1逐渐向下移动到象限4。据说，在象限2中，逆变器状态和相应整流状态的机械特性也在象限3中。 1，4象限的特性和3，2象限的特性属于两组转换器，其输出相反整流电压的极性，因此分别标记为正、反组变换器。当操作点由1 (3)象限的特性移动到2 (4)象限的特性时，表示电动机从电气操作移动到发电制动。该变换器的工作条件从整流转换到逆变器。13，直流可逆电力拖动系统电路结构10-6a是回路布线，图10-6b没有回路布线，回路是没有负载的仅在两组转换器之间流动的电流。根据电动机运行所需的运行状态(整流或逆变)确定运行的转换器集。 4象限操作条件1象限，正向，用于电气操作的电动机，整流状态，1/2第三象限，反转，电动机驱动，半乔整流状态，2/2)，EMUd。10.1.3直流可逆电力拖动系统，图10-6两组变换器相反并行可逆线。15，10.1.3直流可逆电力拖动系统，图10-6(c)，直流可逆拖动系统，正负运行和反馈制动易于实现。从正到反的过程从桥1组转换到桥2组工作的桥2组必须在逆变状态下工作，电动机进入第2象限(以前在第1象限工作)，进入正向发电运行，电磁扭矩变为制动扭矩，电机轴的机械能通过桥转换为交流电力反馈电网。改变两条腿逆变角度，使其大到=/2 (n=0)，然后继续增加，/2，2双腿转换为整流状态，反转马达进入3象限的电气运行。马达从反转向前移动，该过程最终通过象限4从象限3运行到象限1。，16，10.1.3直流可逆电力拖动系统，逆并行可逆电路可根据循环的其他处理方法分为可调循环(即=操作系统)、可控循环、逻辑控制非循环和电位控制非循环等多个控制系统。=对于组合控制循环可逆系统，系统运行时对正，两组转换器同时输入触发脉冲，严格保证=的组合控制关系，两组转换器输出电压平均值相同，极性一致，没有直流循环；但是，输出电压瞬时值不相同，会产生脉动循环，其中LC必须将循环限制在循环中，以防止循环仅通过晶闸管(晶闸管)流动。这个项目使用的是不设置循环反应堆的更广泛的逻辑非循环可逆系统，其控制原理是两条腿在任一时刻都只工作一套(另一套被切断)，因此两条腿之间没有循环；转换器之间的切换过程由逻辑单元控制，因此称为逻辑控制非循环系统。17，10.2变频器和交流调速系统，10.2.1交流变频器10.2.2交流电动机变频调速方法，介绍18，10.2变频器和交流调速系统，直流调速传输系统的缺点使用环境条件的限制。需要定期维护。最大速度和容量是有限的。交流调速驱动器系统的优点克服了直流调速驱动器系统的缺点。交流电机结构简单，可靠性高。节约能源。高精度，响应快。由于交流电机控制技术更加复杂，对所需电力电子变换器的要求也很高，近20年来电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统无法快速发展，其应用逐渐取代了现有的直流驱动器系统。19，10.2.1 AC-DC逆变器， AC-DC频率(variablevoltagevariablefrequency，VVVF电源)是AC/DC、DC/AC的两种基本转换器电路组合再生反馈电的能力负载马达频繁、需要快速制动时，通常需要再生反馈电的能力。图10-7所示的电压型直接交流变频电路不能再生反馈电。整流部分使用不可控制的整流，电容器之间的直流电压和直流电流极性保持不变，将电源从电源传送到直流电路，不将电源从直流电路传送到电源。逆变电路的能量可以双向流动，如果负载能量没有传递回交流电源，而是传递到中间直流电路，那么，这将导致称为泵电压的电容电压提高，泵电压过高，可能危及整个电路的安全。没有图10-7再生反馈的电压型间接交流转换器电路，20，10.2.1 AC直接转换器，具有图10-8泵提升电压限制电路的电压型间接交流转换器电路，使用可控制转换器进行图10-9再生反馈的电压型间接交流转换器电路，图10-10整流器和逆变器均为pww 电路再生反馈功率的方法在图10-8的电路中添加由电源晶体管V0和能量电阻R0组成的泵举升电压限制电路，在泵升电压超过一定值的情况下，通过V0使从负载中反馈的能量在R0中消耗，该电路可用于对电动机制动时间有一定要求的调速系统。 图10-9所示的电路中添加了一组转换器电路，以便在用于电动机再生制动的主动逆变器中工作。负载反馈能量时，中间直流电压极性保持不变，电流反转，通过控制转换器将电力反馈回电网。图10-10包括PWM控制间接交流转换器电路(称为正弦波，输入功率因数高的PWM电路)和电动机4象限操作，但是由于整流、逆变器部分是PWM控制，并且需要完全控制装置，因此控制复杂且成本高。，21，10.2.1 AC直接转换器，图10-11使用可控制整流的电流型间接交流转换器电路，图10-12电流型AC-直接-AC PWM变频电路，图10-13整流和逆变器均为PWM控制电流型间接交流转换器电路，图10-13要实现再生制动，只需调整可控整流电路的触发角度，调节中间直流电压的极性即可。图10-12示出了基于上述原理的电路图，其中，对于较大容量，主电路的设备被设置为GTO，逆变电路的输出端的容量c被设置为吸收GTO阻塞时产生的过电压，并且起到过滤输出PWM电流波形的作用。电流型间接交流转换器电路也可以使用双PWM电路，并且在交流电源侧和交流负载侧设置了电容器，以吸收转换器的过电压。可以在四象限操作，通过整流电路的PWM控制，输入电流可以作为正弦波，输入功率因数可以作为1。22，10.2.2交流电动机频率控制方法，笼式异步电动机的定子频率控制方法，静压频率比主要由电源频率和极日志控制异步电动机的速度，更改电源(定子)频率主要由功率频率和极日志确定，从而在调节电动机速度的同时，确保变频器的电压和频率比不引起因频率变化而引起的励磁电流的增加和功率和效率下降，即通过恒压频率比控制空气间隙磁通量，图10-14使用具有恒定压力和频率比的频率控制系统方框图，图10-14显示了根据调节加减速度的频率f命令值和适当分压与V1命令值的比率确定V/f比率的定子电压V1的命令值之一。频率和电压由相同的值控制，以确保恒定的压力比。马达的转向由变频器输出电压的相序决定，不需要由频率和电压给定的信号反映极性。23，10.2.2交流电动机变频调速方法，旋转变频控制是速度闭环控制方法，可以提高速度控制系统的动态性能。在感应电动机的稳态模型中，如果稳态气隙磁通量恒定，电磁转矩的近似值与旋转角频率s成正比，所以控制s就等于控制转矩，应用旋转速度闭环的滑动频率控制，利用定子频率1=r s，1随着实际速度r的增加或减少，得到平滑稳定的速度控制，从而确保更高的速度控制范围和动态性能。该方法基于电机稳态模型，仍然不能获得理想的动态性能。矢量控制感应电动机的数学模型是高阶、非线性、强耦合的多变量系统。矢量控制方法基于异步电动机转子磁链方向的动态数学模型，将定子电流分解成励磁元件和与其垂直的转矩元件，参考直流调速系统的控制方法，分别控制两个电流元件，类似于直流调速系统的双闭环控制方法。该方法需要速度和磁通耦合，控制系统更复杂。直接转矩控制直接转矩控制方法也是控制闭环内部回路的基于电动机的动态模型，直接使用转矩反馈，使用砰-砰控制获得转矩的快速动态响应，并且控制相对简单。24，10.3不间断电源不间断电源(UninterruptiblePowerSupplyUPS)是保证电源质量的设备，即使交流输入电源(通常称为主电源)出现故障或断电，系统仍会继续为负载供电，且不会影响负载。从广义上说，UPS既