电力电子第五西安交大第十章考试重点

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

2/7010.1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3/7010.1.1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一。

■直流电动机负载除本身有电阻、电感外，还有一个反电动势E，为了平稳负载电流的脉动，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。

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

4/7010.1.1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Id所引起的各种电压降所平衡，平衡方程为

式中，

，其中RB为变压器的等效电阻，RM为电枢电阻，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。

■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)5/7010.1.1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

☞直流电动机的反电动势为

☞因为，故反电动势特性方程为

☞转速与电流的机械特性关系式为

☞三相桥式全控整流电路电动机负载时的机械特性方程为

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。

6/7010.1.1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，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非线性。

◆电流断续时机械特性的特点

☞分析=60时的情况，当Id=0，忽略，此时的反电动势为，而实际上，晶闸管导通时相电压瞬时值为，大于，也即Id不为零，所以才是理想空载点。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，电动机的实际空载反电动势都是；当以后，空载反电动势将由决定。

7/7010.1.1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1<2<3<60，5>4>60

☞当电流断续时，电动机的理想空载转速抬高，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，在电流断续区内电动机的机械特性变软，即负载电流变化很小也可引起很大的转速变化。☞大的反电动势特性，其电流断续区的范围（以虚线表示）要比小时的电流断续区大，这是由于愈大，变压器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储存较大的磁能，而电抗器的L为一定值的情况下，要有较大的电流Id才行；故随着的增加，进入断续区的电流值加大，这是电流断续时电动机机械特性的第三个特点。

8/7010.1.1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

式中，，，L为回路总电感。

(10-6)(10-7)(10-8)9/7010.1.1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，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Idmin时，为保证电流连续所需的主回路电感量（单位为mH）为

☞对于三相桥式全控整流电路带电动机负载的系统，有

L中包括整流变压器的漏电感、电枢电感和平波电抗器的电感，前者数值都较小，有时可忽略；Idmin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，因而所需平波电抗器的电感量也可相应减小约一半。

(10-9)(10-10)10/7盯0因为元，可表求得统电动纵机的机毕械特县性方汪程式10绩.1还.2工作恶于有熊源逆辅变状丑态时■电流符连续首时电驻动机勤的机次械特远性◆电压严平衡色方程舱式为◆逆变载时由响于墙，EM反接疏，得正组变流器反组变流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a'=b'=p2b'3b'2b'1b'4a'2a'3a'4a'1a1=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10绸-5电动骡机在灰四象毅限中也的机聋械特餐性◆上式裤的负匙号表非示逆悄变时厌电动录机的泡转向眨与整乏流时完相反杨；调节就可万改变质电动秒机的蹈运行抛转速，值愈衫小假，相伤应的库转速蔬愈高嫌；反氏之则迁转速武愈低旋。(1纵0-蛛11射)(1松0-撤12偶)11/7和010觉.1衔.2工作浙于有乱源逆原变状隆态时■电流诵断续李时电咸动机肌的机胜械特粒性◆电动野机机呼械特层性可缝由下庭面三最个式桐子准旷确地蔑得出当电怠流断石续时泼电动注机的胖机械剧特性盾不仅女和逆变节角有关钉，而花且和电路稼参数、导通准角等有衰关系粒。(1浴0-朋13勤)(1扰0-涛14写)(1赢0-找15膜)12/7柴010登.1亡.2工作讨于有岸源逆县变状插态时正组变流器反组变流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a=b=p2a'=b'=p2b'3b'2b'1b'4a'2a'3a'4a'1a1=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10准-5电动兽机在矿四象圾限中风的机岭械特且性◆图10柜-5中右尺下的谅虚线味以左最的部拔分为厉逆变悔电流育断续妥时电姓动机舅的机辱械特葵性，样其特较点是仍：理想潮空载兰转速裕上翘扑很多，机械爹特性喘变软，且呈亮现非拢线性。◆逆变夫状态旦的机部械特痰性是择整流破状态糖的延声续，扇纵观牢控制其角由小响变大底（如/6裁~5/澡6），滑电动厕机的蛇机械质特性弄则逐厦渐的绍由第1象限猎往下呼移，浙进而副到达坛第4象限轻；第2象限钢里也却为逆料变状强态，夹与它廊对应缠的整携流状绑态的尤机械混特性绳则表沉示在洲第3象限盆里。◆第1、第4象限供中的终特性糖和第3、第2象限润中的抛特性简是分云别属闯于两渔组变定流器题的，蚂它们军输出碎整流舱电压肯的极删性彼惧此相柴反，震故分状别标猫以正组和反组剑变流虑器。◆运行仅工作竿点由叶第1（第3）象惩限的停特性雾，转鞋到第2（第4）象冠限的厘特性毕时，爪表明蛋电动信机由电动放运行转入发电絮制动叼运行；相舰应的养变流蒜器的工况由整流奖转为取逆变。13/7秤0■直流衫可逆肠电力琴拖动榜系统◆电路俱结构☞图10海-6车a是有环落流接线裁，图10况-6徒b是无环痰流接线沸，环礼流是烫指只增在两眉组变肠流器置之间董流动督而不毛经过翅负载览的电侨流。☞根据器电动缴机所苏需的语运转汗状态东来决添定哪陶一组矩变流氏器工计作及叹其相罗应的枝工作捷状态避：整惨流或爪逆变扯。◆四象锅限运贪行时禾的工野作情尘况☞第1象限帝，正唐转，饲电动棕机作安电动兵运行卧，正绳组桥敌工作锻在整冬流状释态，1</2，EM<Ud（下吐标中榴有表示械整流霜，下转标1表示爬正组幼桥，厘下标2表示拜反组羡桥）统。10余.1桌.3直流淹可逆理电力恋拖动悲系统图10居-6两组握变流凤器的忆反并单联可劳逆线坚路14/7饲0☞第2象限质，正弄转，拴电动却机作场发电滤运行胞，反侍组桥强工作远在逆辟变状尝态，2<俗/2璃(2>互/2穿)，EM>Ud（下撞标中刻有表示哈逆变忌）。☞第3象限笑，反忆转，刻电动上机作直电动律运行由，反依组桥碧工作思在整虹流状舟态，2</2，EM<Ud。☞第4象限牛，反乘转，暴电动侨机作炎发电凳运行宴，正膀组桥慨工作洞在逆皮变状漠态，1<头/2向(1>渴/2欧)，EM>Ud。10拐.1弱.3直流纱可逆畅电力替拖动厨系统图10义-6两组押变流刊器的叉反并跑联可静逆线蜡路。15/7袜010挡.1册.3直流获可逆刮电力水拖动早系统图10殃-6血(梦c)◆直流彻可逆阀拖动贞系统决，能敞方便慌地实荡现正反盆向运敢转外，舟还能鞋实现回馈将制动。☞由正蜜转到伟反转评的过喂程√从1组桥驼切换基到2组桥喉工作呈，并输要求2组桥养在逆悉变状岸态下轿工作恒，电拨动机箱进入愁第2象限尖（之干前运碍行在籍第1象限氧）作厚正转剑发电象运行诱，电仍磁转昨矩变羊成制董动转掩矩，辞电动仿机轴摄上的寇机械像能经2组桥差逆变孙为交气流电浸能回睛馈电惧网。√改变2组桥泉的逆启变角，使猎之由伤小变辱大直取至=/2（n=斯0），母如继标续增侮大，即<爹/2，2组桥削将转浅入整婶流状低态下登工作虑，电粘动机凶开始登反转打进入达第3象限拣的电捏动运定行。☞电动秩机从号反转临到正闹转，级其过漏程则泄由第3象限机经第4象限贿最终征运行阶在第1象限策上。16/7凭010驱.1睛.3直流讨可逆旬电力避拖动下系统◆根据缠对环雕流的盈不同有处理旷方法站，反贼并联欢可逆魂电路菠又可尊分为拍几种锈不同买的控详制方负案，译如配前合控容制有奇环流涌（即=工作派制）索、可续控环喉流、由逻辑脾控制槐无环躺流和浩错位旦控制闯无环演流等宝。☞对于=配合昼控制腿的有省环流怕可逆聚系统涌，当质系统幅工作丑时，等对正珍、反灶两组袜变流钉器同透时输著入触捞发脉跟冲，旋并严信格保代证=的配桌合控度制关搏系，两组践变流放器的冠输出晋电压仓平均瓦值相界等，钥且极珍性相忍抵，逼之间美没有欠直流误环流花；但输叫出电索压瞬浇时值擦不等银，会辞产生脉动暖环流，为丙防止亚环流圾只经版晶闸诉管流找过而戴使电丑源短暮路，水必须尖串入环流鼻电抗莫器LC限制朝环流摆。☞工程石上使训用较佳广泛尝的逻辑放无环梁流可脾逆系卧统不设驰置环提流电柱抗器辉，控谎制原爸则是械：两杀组桥植在任灭何时肤刻只久有一浅组投常入工卧作（用另一借组关仆断）鸭，所拾以在姑两组绕桥之驱间就浩不存逮在环百流；闸变流谁器之蛮间的引切换镰过程堡是由袖逻辑蜜单元辉控制吊的，央故称拜为逻验辑控克制无详环流欣系统笔。17/7掩010育.2变频鞠器和骑交流狭调速凑系统10允.2挥.1交直艇交变绍频器10绣.2衔.2交流表电机浮变频分调速曾的控谅制方床式18/7场010维.2变频丘器和通交流诞调速农系统·引言■直流胁调速跟传动垄系统嚷的缺室点◆受使部用环塌境条只件制疑约。◆需要汪定期打维护焦。◆最高胡速度俗和容穷量受兰限制考。■交流阴调速宫传动沉系统壁的优池点◆克服声了直弯流调车速传集动系遍统的甘缺点圈。◆交流包电动零机结婚构简恳单，辉可靠桨性高费。◆节能防。◆高精理度，炊快速驶响应颤。■交流仙电机涛的控造制技委术较搅为复存杂，唤对所动需的阿电力副电子质变换渡器要层求也最较高炉，所贴以直苦到近供二十护年时秋间，供随着象电力闪电子习技术构和控宪制技祝术的昏发展播，交唱流调东速系舒统才储得到泉迅速武的发落展，贫其应胃用已觉在逐童步取烈代传个统的样直流守传动包系统哗。19/7均010盼.2它.1交直养交变岂频器■交直棚交变糊频器具（Va神ri心ab寺le泊V搏ol弊ta古ge沈V层ar棚ia窜bl笛e宝Fr斤eq这ue正nc帖y，简坡称VV漆VF电源练）肥是由AC骂/D厦C、DC侦/A读C两类野基本捷的变谨流电仁路组否合形暴成，柱又称教为间胳接交岔流变蝴流电馋路，比最主乎要的塌优点输是输蕉出频后率不鸟再受吧输入方电源距频率恼的制陈约。■再生服反馈旨电力柱的能务力◆当负鲁载电堆动机彻需要睬频繁锅、快嘱速制婆动时煎，通往常要羊求具黑有再生贝反馈把电力岁的能蹦力。◆图10源-7所示叮的电征压型谁交直经交变纹频电尖路不另能再劣生反攻馈电义力。☞其整裤流部贯分采傅用的标是不棉可控柏整流净，它泰和电土容器下之间呈的直龟流电农压和罢直流润电流饥极性蜜不变他，只坚能由卷电源淹向直迷流电支路输辈送功种率，贝而不半能由申直流秋电路干向电视源反确馈电迅力。☞逆变从电路最的能认量是秤可以诱双向美流动优的，第若负议载能嫌量反猫馈到听中间笛直流故电路招，而孩又不斗能反朝馈回炸交流晃电源阿，这时将导算致电胖容电户压升字高，口称为泵升忠电压，泵篇升电碰压过液高会款危及快整个顾电路披的安背全。图10透-7不能慕再生焰反馈碑的电约压型性间接腔交流甲变流符电路20/7妇010川.2宝.1交直泪交变臂频器图10最-8带有厕泵升滩电压庸限制正电路奶的电片压型磨间接乓交流煤变流振电路图10畜-9利用舞可控魔变流张器实造现再茶生反你馈的芬电压喷型间仓接交丧流变废流电励路图10险-1套0整流润和逆继变均全为PW沉M控制够的电撕压型店间接淹交流枝变流掉电路◆使电修路具弄备再忘生反嘴馈电蹲力能庸力的扣方法☞图10专-8的电垒路中补加入屠一个愉由电伟力晶煤体管V0和能记耗电元阻R0组成蹈的泵升灭电压鉴限制研电路，当夹泵升霜电压图超过渔一定溜数值碑时，苍使V0导通登，把糕从负茂载反杂馈的杂能量挠消耗朋在R0上，员这种渐电路名可运雹用于蚕对电比动机酿制动谦时间折有一戚定要警求的晒调速医系统先中。☞图10神-9所示僚的电奖路增络加了砖一套变流亚电路，使蹈其工亚作于距有源助逆变址状态城，可决实现我电动弃机的惯再生蚁制动随；当斧负载锈回馈犁能量惹时，呼中间羡直流植电压谢极性攀不变音，而夺电流恰反向古，通炼过控浸制变贴流器义将电触能反年馈回吼电网香。☞图10照-1鹅0是整其流电包路和夺逆变厚电路弄都采侮用PW景M控制介的间辱接交半流变范流电酱路，刃可简誉称双PW描M电路，该剂电路胡输入农输出桐电流末均为吹正弦朋波，妈输入缝功率谢因数融高，续且可马实现从电动胞机四旗象限佛运行济，但往由于语整流银、逆且变部涛分均乱为PW愚M控制再且需碑要采革用全象控型膏器件溜，控带制较携复杂概，成钩本也垫较高思。21/7王010工.2燃.1交直较交变丈频器图10筒-1医1采用元可控激整流建的电浅流型抄间接缎交流隔变流敬电路图10夜-1纤2电流刃型交—直—交PW朗M变频丙电路图10堆-1滥3整流揉和逆托变均躬为PW悉M控制渔的电墓流型浙间接乡丰交流密变流妈电路☞图10牌-1鸦1给出滩了可页以再换生反醉馈电误力的丘电流台型间阵接交洞流变书流电睁路，住当电与动机像制动摊时，垄中间海直流才电路鼓的电修流极怨性不廊能改齐变，渐要实家现再岩生制安动，昂只需闻调节抗可控葛整流孕电路善的触挠发角蒜，使友中间湖直流烈电压询反极摄性即怠可。☞图10吹-1诱2给出柿了实蚊现基故于上纳述原病理的沟电路层图，负为适献用于较大晕容量粗的场即合，将杜主电是路中昼的器翼件换较为GT露O，逆确变电魂路输匪出端卧的电扭容C是为肉吸收GT镰O关断掩时产副生的承过电秀压而挣设置套的，喊它也猪可以贱对输业出的PW岭M电流古波形画起滤啊波作你用。☞电流耐型间开接交凯流变加流电翻路也史可采绵用双PW股M电路桌，为期了吸豆收换眯流时肺的过窑电压壁，在屋交流歇电源桐侧和慈交流束负载胆侧都摸设置沙了电回容器己；可吉四象搏限运储行，巩同时么通过胶对整各流电厨路的PW校M控制忽可使灵输入晋电流始为正呼弦波技，并刮使输灵入功煮率因青数为1。22/7故010滥.2钩.2交流斜电机陡变频派调速溉的控霉制方玩式■笼型踩异步伤电动到机的燃定子车频率它控制箱方式◆恒压斧频比倒控制☞异步艺电动属机的划转速采主要古由电绒源频吨率和愈极对枪数决镇定，刺改变扔电源孩（定先子）祝频率债可对夫电动河机进抬行调抚速，夸同时愈为了鸣不使虹电动词机因局频率羊变化销导致黑磁饱冶和而洲造成叉励磁伴电流勉增大较，引勉起功僵率因酿数和树效率结的降湾低，骄需对叹变频辉器的约电压唤和频双率的达比率盆进行烟控制炼，使停该比折率保冶持恒族定，页即恒钞压频宵比控叹制，趋以维质持气隙秀磁通样为额默定值。图10液-1骂4采用娃恒压得频比壤控制修的变纱频调幕速系纱统框揪图☞图10蹦-1蕉4给出窃了一坛个实板例，姑转速朽给定折既作勉为调盆节加沙减速遵度的耻频率f指令饲值，哄同时焰经过阿适当普分压用，也秆被作蝇为定日子电灭压V1的指放令值饥，该f指令梁值和V1指令锐值之峡比就恭决定衔了V/场f比值，由库于频妻率和圆电压匀由同抹一给拒定值森控制甚，因所此可蛋以保尤证压效频比煎为恒善定；崭电机狗的转蜡向由允变频网器输珠出电将压的串相序钟决定练，不歉需要均由频搁率和絮电压寸给定朴信号箭反映捧极性捏。23/7托010肉.2膊.2交流奏电机扮变频羞调速投的控篇制方法式◆转差抚频率辽控制☞为转毯速闭蔬环的员控制抵方式疫，可头提高主调速框系统革的动拉态性未能。☞从异谎步电疯机稳柄态模进型可渐以证浇明，疫当稳塔态气降隙磁喉通恒岸定时仆，电姓磁转枣矩近坛似与转差助角频错率s成正在比，令因此辟，控饺制s就相霉当于支控制粥转矩肆，采队用转浴速闭弹环的坚转差频镰率控朵制，富使定糕子频象率1=r+顽s，则1随实猪际转惹速r增加汪或减翠小，冷得到平升滑而勒稳定淋的调辞速，森保证涛了较特高的激调速晌范围凉和动爱态性章能。☞这种棉方法符是基娱于电机射稳态刑模型的，届仍然共不能枝得到填理想欧的动线态性光能。◆矢量独控制☞异步退电动鬼机的户数学筛模型策是高阶、非线养性、强耦支合的多变耽量系阴统。☞矢量谁控制衣方式黑基于您异步烟电机浙的按卧转子蹦磁链君定向眉的动态只数学育模型，将川定子有电流分诸解为猾励磁愚分量麻和与旅此垂共直的夕转矩钟分量限，参宴照直蝇流调菠速系匪统的帐控制肌方法输，分别独秀立地桂对两尝个电子流分变量进平行控雕制，宝类似订直流积调速诸系统忠中的厚双闭凶环控骂制方伶式。☞该方子式需静要实现贯转速宫和磁研链的速解耦，控楼制系交统较趁为复著杂。◆直接伟转矩劳控制☞直接奸转矩谢控制禽方法拼同样扩是基软于电宣机的动态名模型，其秩控制孟闭环丈中的么内环鬼，直接采罚用了姥转矩百反馈是，并拍采用砰—砰控夏制，可鸣以得谜到转包矩的绳快速咱动态醋响应推，并吊且控制射相对课要简猜单许势多。24/7宅010释.3不间蛾断电街源■不间复断电爱源（Un比in杠te斧rr治up羡ti摊bl砖e箱Po毕we健r债Su烧pp场ly递—笨U贡PS）是月当交嚼流输赠入电滩源（舞习惯却称为私市电矛）发斧生异佳常或篮断电处时，顺还能鞠继续悠向负和载供踢电，尿并能捎保证踢供电窗质量曾，使译负载院供电奏不受晴影响砍的装课置。■广义抽地说慢，UP须S包括彻输出零为直膊流和数输出眉为交颂流两误种情乞况，星目前线通常液是指烧输出磁为交阀流的料情况UP怪S是恒压虚恒频摊（CV槐CF）电钞源中的静主要富产品缓之一践，广叛泛应肿用于唯各种便对交颂流供致电可果靠性俩和供议电质跃量要日求高看的场粱合。图10污-1匠5堆UP舱S基本串结构斯原理咳图■UP牧S的结赔构原答理◆图10抹-1拨5给出早了UP非S最基抽本的城结构屈原理☞基本拿工作氏原理驾是，炉当市刺电正梅常时反，由扎市电钟供电木，当省市电祖异常保乃至冰停电输时，半由蓄有电池诉向逆重变器自供电望，因旷此从霞负载揉侧看灭，供产电不槐受市妇电停漠电的点影响富；在小市电栋正常荒时，姜负载免也可丸以由乡丰逆变齿器供索电，昼此时详负载性得到扶的交就流电抽压比劫市电置电压务质量斩高，沟即使岗市电慨发生坦质量翁问题受（如书电压浩波动苹、频华率波道动、谢波形扬畸变习和瞬关时停耐电等仙）时乏，也浙能获鸭得正白常的召恒压撕恒频辟的正秩弦波拐交流尊输出惹，并趣且具谎有稳瞒压、避稳频市的性院能，问因此辱也称舟为稳压殃稳频叮电源。25/7巷010济.3不间缺断电允源图10异-1庭6具有暮旁路厦开关呈的UP丢S系统图10绪-1铁7用柴这油发描电机踩作为粱后备霸电源竞的UP仰S◆为保抛证市狂电异隶常或绵逆变豆器故史障时依负载瞒供电唱的切花换，嘱实际怨的UP筝S产品变中多阻数都碗设置叶了旁路蛙开关，如滤图10解-1蜜6所示肝，市踢电与察逆变需器