1、第第1010章章 電力電子技術運用電力電子技術運用10.1 晶閘管直流電動機系統晶閘管直流電動機系統10.1 晶閘管直流電動機系統晶閘管直流電動機系統引言引言晶閘管直流電動機系統晶閘管直流電動機系統晶閘管可控整流安晶閘管可控整流安裝帶直流電動機負載組成的系統。裝帶直流電動機負載組成的系統。是電力拖動系統中主要的一種。是電力拖動系統中主要的一種。是可控整流安裝的主要用途之一。是可控整流安裝的主要用途之一。 對該系統的研討包括兩個方面：其一是在帶電動機負載時整流電路的任務情況。其二是由整流電路供電時電動機的任務情況。本節主要從第二個方面進展分析。10.1.1 任務于整流形狀時任務于整流形狀時整流電

2、路接反電動勢負載時，負載電流斷續，對整流電路和電動機的任務都很不利。圖10-1 三相半波帶電動機負載且加平波電抗器時的電壓電流波形通常在電樞回路串聯一平波電抗器，保證整流電流在較大范圍內延續，如圖10-1。udOidwtuaubucaudOiaibicicwtEUdidR10.1.1 任務于整流形狀時任務于整流形狀時 此時，整流電路直流電壓的平衡方程為 10-1 式中， 。 為電動機的反電動勢 負載平均電流Id所引起的各種電壓降，包括： 變壓器的電阻壓降 電樞電阻壓降 由重疊角引起的電壓降 晶閘管本身的管壓降，它根本上是一恒值。 系統的兩種任務形狀：電流延續任務形狀 電流斷續任務形狀UIREU

3、dMd23BMBXRRRMEdIRBdRIMdRI)2(3dBIXU10.1.1 任務于整流形狀時任務于整流形狀時 轉速與電流的機械特性關系式為 1) 電流延續時電動機的機械特性電流延續時電動機的機械特性 在電機學中，知直流電動機的反電動勢為nCEeM10-2可根據整流電路電壓平衡方程式10-112，得UIRUEdMacos17. 1210-3edeCUIRCUnacos17. 1210-4圖10-2 三相半波電流延續時以電流表示的電動機機械特性 其機械特性是一組平行的直線，其斜率由于內阻不一定一樣而稍有差別。 調理a 角，即可調理電動機的轉速。Ona1a2a3a3a2a1Id(RB+RM+

4、)IdCe3XB210.1.1 任務于整流形狀時任務于整流形狀時2) 電流斷續時電動機的機械特性電流斷續時電動機的機械特性當負載減小時，平波電抗器中的電感儲能減小，致使當負載減小時，平波電抗器中的電感儲能減小，致使電流不再延續，此時其機械特性也就呈現出非線性。電流不再延續，此時其機械特性也就呈現出非線性。 電動機的實踐空載反電動勢都是 。 時為： 。 主電路電感足夠大，可以只思索電流延續段，完全按線性處置。 當低速輕載時，可改用另一段較陡的特性來近似處置，等效電阻要大一個數量級。60a22U60a)3cos(22aU 當Id減小至某一定值Id min以后，電流變為斷續，這個 是不存在的，真正的

5、理想空載點遠大于此值。0E 圖10-3 電流斷續時電動勢的特性曲線斷續區特性的近似直線斷續區延續區EE0E0OIdminId(0.585U2)( U2)210.1.1 任務于整流形狀時任務于整流形狀時電流斷續時電動機機械特性電流斷續時電動機機械特性的特點：的特點：圖10-4 電流斷續時電動勢的特性曲線 電流斷續時理想空載轉速抬高。 機械特性變軟，即負載電流變化很小也可引起很大的轉速變化。 隨著a 的添加，進入斷續區的電流值加大。斷續區特性的近似直線斷續區延續區EE0E0OIdminId(0.585 U2)( U2)2Oa3a2a1Id分界限斷續區延續區a5a4E0E圖10-5 思索電流斷續時不

6、同a 時反電動勢的特性曲線 1 a 2 a 3 a 46010.1.2 任務于有源逆變形狀時任務于有源逆變形狀時1) 電流延續時電動機的機械特性電流延續時電動機的機械特性電流延續時的機械特性由 決議的。 逆變時由于 ， 反接，得 由于EM=Cen，可求得電動機的機械特性方程式RIEUdMdcos0ddUUME)cos(0RIUEddM10-5)cos(10RIUCndde10-6)圖10-6 電動機在四象限中的機械特性正組變流器反組變流器na3a2a1Ida42341a = =2a = =23214a2a3a4a1a1= 1;a 1=1a2= 2;a 2=2a 增大方向 增大方向a 增大方向

7、增大方向10.1.2 任務于有源逆變形狀時任務于有源逆變形狀時2) 電流斷續時電動機的機械特性電流斷續時電動機的機械特性 可沿用整流時電流斷續的機械特性表達式，把 代入式10-7、式10-8和式10-9，便可得EM、n與Id的表達式。三相半波電路為例：atantan21)67sin()67sin(cos2ccMeeUE(10-7)tantan2)67sin()67sin(cos2cceeMeeCUCEn(10-8)2)67cos()67cos(cos22322nUCZUIed(10-9)10.1.2 任務于有源逆變形狀時任務于有源逆變形狀時 逆變電流斷續時電動機的機械特性，與整流時非常類似：圖

8、10-7 電動機在四象限中的機械特性 理想空載轉速上翹很多，機械特性變軟，且呈現非線性。 逆變形狀的機械特性是整流形狀的延續。 縱觀控制角 變化時，機械特性得變化。a第1、4象限中和第3、2象限中的特性是分別屬于兩組變流器的，它們輸出整流電壓的極性彼此相反，故分別標以正組和反組變流器。正組變流器反組變流器na3a2a1Ida42341a = =2a = =23214a2a3a4a1a1= 1;a 1=1a2= 2;a 2=2a 增大方向 增大方向a 增大方向 增大方向10.1.3 直流可逆電力拖動系統直流可逆電力拖動系統圖10-8 兩組變流器的反并聯可逆線路圖10-53a與b是兩組反并聯的可逆

9、電路 a三相半波有環流接線 b三相全控橋無環流接線 c對應電動機四象限運轉時兩組變流器任務情況10.1.3 直流可逆電力拖動系統直流可逆電力拖動系統兩套變流安裝反并聯銜接的可逆電路的相關概兩套變流安裝反并聯銜接的可逆電路的相關概念和結論：念和結論： 環流是指只在兩組變流器之間流動而不經過負載的電流。環流是指只在兩組變流器之間流動而不經過負載的電流。 正向運轉時由正組變流器供電；反向運轉時，那么由反組正向運轉時由正組變流器供電；反向運轉時，那么由反組變流器供電。變流器供電。 根據對環流的處置方法，反并聯可逆電路又可分為不同的根據對環流的處置方法，反并聯可逆電路又可分為不同的控制方案，如配合控制有

10、環流控制方案，如配合控制有環流 、可控環流、邏、可控環流、邏輯控制無環流和錯位控制無環流等。輯控制無環流和錯位控制無環流等。 電動機都可四象限運轉。電動機都可四象限運轉。 可根據電動機所需運轉形狀來決議哪一組變流器任務及其可根據電動機所需運轉形狀來決議哪一組變流器任務及其任務形狀：整流或逆變。任務形狀：整流或逆變。a10.1.3 直流可逆電力拖動系統直流可逆電力拖動系統直流可逆拖動系統，除能方便地實現正反轉外，還能實現電動機的回饋制動。電動機反向過程分析：電動機反向過程分析：a a 配合控制的有環流可逆系統配合控制的有環流可逆系統對正、反兩組變流器同時輸入觸發脈沖，并嚴厲對正、反兩組變流器同時

11、輸入觸發脈沖，并嚴厲保證保證a a 的配合控制關系的配合控制關系 。假設正組為整流，反組為逆變，即有假設正組為整流，反組為逆變，即有a P N a P N ，UdaPUdNUdaPUdN，且極性相抵，兩組變流器之間沒有，且極性相抵，兩組變流器之間沒有直流環流。直流環流。但兩組變流器的輸出電壓瞬時值不等，會產生脈但兩組變流器的輸出電壓瞬時值不等，會產生脈動環流。動環流。串入環流電抗器串入環流電抗器LCLC限制環流。限制環流。10.1.3 直流可逆電力拖動系統直流可逆電力拖動系統邏輯無環流可逆系統邏輯無環流可逆系統工程上運用較廣泛，不需設置環流電抗器。工程上運用較廣泛，不需設置環流電抗器。只需一組

12、橋投入任務另一組關斷，兩組橋只需一組橋投入任務另一組關斷，兩組橋之間不存在環流。之間不存在環流。兩組橋之間的切換過程：兩組橋之間的切換過程：首先應使已導通橋的晶閘管斷流，要妥當處置使主回路電流變為零，使原導通晶閘管恢復阻斷才干。隨后再開通原封鎖著的晶閘管，使其觸發導通。 這種無環流可逆系統中，變流器之間的切換過程由邏輯單元控制，稱為邏輯控制無環流系統。直流可逆電力拖動系統，將在后繼課“電力拖動自動控制系統中進一步分析討論。定義定義 以交流直流電動機為動力拖動各種消費機械的系統我們稱之為交流直流以交流直流電動機為動力拖動各種消費機械的系統我們稱之為交流直流 電氣傳動系統，也稱交流直流電氣拖動系統

13、電氣傳動系統，也稱交流直流電氣拖動系統構成構成中間傳動機構交流電源輸入終端機械交流電機直流調速安裝直流輸出皮帶輪、齒輪箱等風機、泵等直流電機交流調速安裝交流輸出執行機構變頻器10.2.1交直交變頻電路交直交變頻電路 當負載為電動機時，通常要求間接交流變流電路具有再生反響電力的才干，要求輸出電壓的大小和頻率可調，此時該電路又名交直交變頻電路。 不能再生反響電力的電壓型間接交流變流電路的整流部分不能再生反響電力的電壓型間接交流變流電路的整流部分采用的是不可控整流，它只能由電源向直流電路保送功率，采用的是不可控整流，它只能由電源向直流電路保送功率，而不能反響電力。圖中逆變電路的能量是可以雙向流動的，

14、而不能反響電力。圖中逆變電路的能量是可以雙向流動的，假設負載能量反響到中間直流電路，將導致電容電壓升高，假設負載能量反響到中間直流電路，將導致電容電壓升高，稱為泵升電壓。稱為泵升電壓。1電壓型間接交流 變流電路圖10-7 不能再生反響的電壓型間接交流變流電路10.2.1交直交變頻電路交直交變頻電路 使電路具備再生反響電力的才干的方法 ：l 帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路。l 當泵升電壓超越一定數值時，使V0導通，把從負載反響的能量耗費在R0上。圖108 帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路l 利用可控變流器實現再生反響的電壓型間接交流變流電路。l 當負載回饋能量時，可控變

15、流器任務于有源逆變形狀，將電能反響回電網。圖109 利用可控變流器實現再生反響的電壓型間接交流變流電路10.2.1交直交變頻電路交直交變頻電路l 整流和逆變均為整流和逆變均為PWM控制的控制的電壓型間接交流變流電路。電壓型間接交流變流電路。l 整流和逆變電路的構整流和逆變電路的構成完全一樣，均采用成完全一樣，均采用PWM控控制，能量可雙向流動。輸入制，能量可雙向流動。輸入輸出電流均為正弦波，輸入輸出電流均為正弦波，輸入功率因數高，且可實現電動功率因數高，且可實現電動機四象限運轉。機四象限運轉。圖810 整流和逆變均為PWM控制的電壓型間接交流變流電路10.2.1交直交變頻電路交直交變頻電路2電

16、流型間接交流變流電路l 整流電路為不可控的二極管整流時，電路不能將負載側的能量反響到電源側。 圖10- 不能再生反響電力的電流型間接交流變流電路圖10-11 采用可控整流的電流型間接交流變流電路l 為使電路具備再生反響電力的才干，可采用：l 整流電路采用晶閘管可控整流電路。l 負載回饋能量時，可控變流器任務于有源逆變形狀，使中間直流電壓反極性。10.2.1交直交變頻電路交直交變頻電路 整流和逆變均為PWM控制的電流型間接交流變流電路 經過對整流電路的PWM控制使輸入電流為正弦并使輸入功率因數為1。圖10-13 整流和逆變均為PWM控制的電流型間接交流變流電路圖10-12 電流型交-直-交PWM

17、變頻電路 實現再生反響的電路圖 負載為三相異步電動機，適用于較大容量的場所。10.2.1交直交變頻電路交直交變頻電路l 晶閘管直流電動機傳動系統存在一些固有的缺陷：l (1) 受運用環境條件制約；l (2) 需求定期維護；l (3) 最高速度和容量受限制等。l 交流調速傳動系統除了抑制直流調速傳動系統的缺陷外還具有：l (1) 交流電動機構造簡單，可靠性高；l (2) 節能；l (3) 高精度，快速呼應等優點。10.2.2 交流電動機變頻調速控制方式交流電動機變頻調速控制方式l 采用變頻調速方式時，無論電機轉速高低，轉差功率的耗費根本不變，系統效率是各種交流調速方式中最高的，具有顯著的節能效果

18、，是交流調速傳動運用最多的一種方式。l 籠型異步電動機的定子頻率控制方式有：l (1) 恒壓頻比(U/f)控制；l (2) 轉差頻率控制；l (3) 矢量控制；l (4) 直接轉矩控制等。10.2.2 交流電動機變頻調速控制方式交流電動機變頻調速控制方式1恒壓頻比控制為防止電動機因頻率變化導致磁飽和而呵斥勵磁電流增大,引起功率因數和效率的降低，需對變頻器的電壓和頻率的比率進展控制，使該比率堅持恒定，即恒壓頻比控制，以維持氣隙磁通為額定值。恒壓頻比控制是比較簡單，被廣泛采用的控制方式。該方式被用于轉速開環的交流調速系統，適用于消費機械對調速系統的靜、動態性能要求不高的場所。10.2.2 交流電動

19、機變頻調速控制方式交流電動機變頻調速控制方式轉速給定既作為調理加減速的頻率f 指令值，同時經過適當分壓，作為定子電壓U1的指令值。該比例決議了U/f比值，可以保證壓頻比為恒定。在給定信號之后設置的給定積分器，將階躍給定信號轉換為按設定斜率逐漸變化的斜坡信號ugt，從而使電動機的電壓和轉速都平緩地升高或降低，防止產生沖擊。圖10-14 采用恒壓頻比控制的變頻調速系統框圖10.2.2 交流電動機變頻調速控制方式交流電動機變頻調速控制方式 給定積分器輸出的極性代表電機轉向，幅值代表輸出電壓、頻率。絕對值變換器輸出ugt的絕對值uabs，電壓頻率控制環節根據uabs及ugt的極性得出電壓及頻率的指令信

20、號，經PWM生成環節構成控制逆變器的PWM信號，再經驅動電路控制變頻器中IGBT的通斷，使變頻器輸出所需頻率、相序和大小的交流電壓，從而控制交流電機的轉速和轉向。圖10-14 采用恒壓頻比控制的變頻調速系統框圖10.2.2 交流電動機變頻調速控制方式交流電動機變頻調速控制方式2轉差頻率控制在穩態情況下，當穩態氣隙磁通恒定時，異步電機電磁轉矩近似與轉差角頻率成正比。因此，控制ws就相當于控制轉矩。采用轉速閉環的轉差頻率控制，使定子頻率w 1 = wr + ws ，那么w 1隨實踐轉速wr添加或減小，得到平滑而穩定的調速，保證了較高的調速范圍。轉差頻率控制方式可到達較好的靜態性能，但這種方法是基于

21、穩態模型的，得不到理想的動態性能。10.2.2 交流電動機變頻調速控制方式交流電動機變頻調速控制方式3矢量控制異步電動機的數學模型是高階、非線性、強耦合的多變量系統。傳統設計方法無法到達理想的動態性能。矢量控制方式基于異步電機的按轉子磁鏈定向的動態模型，將定子電流分解為勵磁分量和與此垂直的轉矩分量，參照直流調速系統的控制方法，分別獨立地對兩個電流分量進展控制，類似直流調速系統中的雙閉環控制方式。控制系統較為復雜，但可獲得與直流電機調速相當的控制性能。10.2.2 交流電動機變頻調速控制方式交流電動機變頻調速控制方式4直接轉矩控制直接轉矩控制方法同樣是基于動態模型的，其控制閉環中的內環，直接采用

22、了轉矩反響，并采用砰砰控制，可以得到轉矩的快速動態呼應。并且控制相對要簡單許多。 CVCF電源主要用作不延續電源(UPS) 。 UPS -Uninterruptible Power Supplies UPS是指當交流輸入電源習慣稱為市電發生異常或斷電時，還能繼續向負載供電，并能保證供電質量，使負載供電不受影響的安裝。 UPS廣泛運用于各種對交流供電可靠性和供電質量要求高的場所。1UPS根本任務原理:圖10-15 UPS根本構造原理圖 市電正常時，由市電供電，市電經整流器整流為直流，再逆變為50Hz恒頻恒壓的交流電向負載供電。同時，整流器輸出給蓄電池充電，保證蓄電池的電量充足。 此時負載可得到的

23、高質量的交流電壓，具有穩壓、穩頻性能，也稱為穩壓穩頻電源。 市電異常乃至停電時，蓄電池的直流電經逆變器變換為恒頻恒壓交流電繼續向負載供電，供電時間取決于蓄電池容量的大小。圖10-17 具有旁路電源系統的UPS 添加旁路電源系統，可使負載供電可靠性進一步提高。圖10-16 用柴油發電機作為后備電源的UPS 為了保證長時間不延續供電，可采用柴油發電機簡稱油機作為后備電源。2UPS主電路構造圖10-18 小容量UPS主電路 小容量的UPS，整流部分運用二極管整流器和直流斬波器(PFC)，可獲得較高的交流輸入功率因數，逆變器部分運用IGBT并采用PWM控制，可獲得良好的控制性能。圖10-19 大功率U

24、PS主電路 大容量UPS主電路。采用PWM控制的逆變器開關頻率較低，經過多重化結合降低輸出電壓中的諧波分量。 假設間接直流變流電路輸入端的直流電源是由交流電網整流得來，所構成的交直交直電路，通常被稱為開關電源。 由于開關電源采用了任務頻率較高的交流環節，變壓器和濾波器都大大減小，體積和分量都遠小于相控整流電源，此外，任務頻率的提高還有利于控制性能的提高。10.6.1 高壓直流輸電高壓直流輸電 HVDC系統的主要元件如下圖，以雙極系統為例，其它構造的元件與該圖所示根本類同。10.6.1 高壓直流輸電高壓直流輸電晶閘管換流閥晶閘管換流閥并聯電容器組并聯電容器組10.6.1 高壓直流輸電高壓直流輸電

25、 換流器 它們完成交直流和直一交流轉換，由閥橋和有抽頭切換器的變壓器構成 。10.6.1 高壓直流輸電高壓直流輸電 直流平波電抗器 這些大電抗器具有高達1H 的電感，在每個換流站與每極串聯。10.6.1 高壓直流輸電高壓直流輸電 諧波濾波器 換流器在交流和直流兩側均產生諧波電壓調和波電流。 10.6.1 高壓直流輸電高壓直流輸電 無功功率支持 換流器內部要吸收無功功率，穩態條件下，所耗費的無功功率是傳輸功率的50 左右。10.6.1 高壓直流輸電高壓直流輸電 接地極10.6.1 高壓直流輸電高壓直流輸電 直流輸電線 可以是架空線，也可以是電纜。除了導體數和間距的要求有差別外，直流線路與交流線路

26、非常類似。10.6.1 高壓直流輸電高壓直流輸電 交流斷路器 為了排除變壓器缺點和使直流聯絡線停運，在交流側裝有斷路器，它們不是用來排除直流缺點的，由于直流缺點可以經過換流器的控制更快地去除。10.6.1 高壓直流輸電高壓直流輸電 直流系統的電流和功率10.6.1.1 直流輸電系統的分類直流輸電系統的分類 由于目前各種類型的直流斷路器都還處于研制階段，致使直流輸電系統還不能像交流系一致樣構成各種復雜的網絡， 目前直流輸電大多是兩端供電系統。 該系統常見的接線類型有： 10.6.1.1 直流輸電系統的分類直流輸電系統的分類 單極線路方式 是用一根架空導線或電纜線，以大地或海水作為前往線路組成的直

27、流輸電系統 10.6.1.1 直流輸電系統的分類直流輸電系統的分類 2)雙極線路方式 雙極線路方式有兩根不同極性即正、負極的導線，可具有大地回路或中性線回路。 雙極兩線中性點兩端接地方式 雙極兩線中性點單端接地方式10.6.1.1 直流輸電系統的分類直流輸電系統的分類 雙極中性線方式 將雙極兩端的中性點用導線銜接起來，就構成雙極中性線方式 。這種方式由于添加了一根導線在經濟上將添加一定的投資 10.6.1.1 直流輸電系統的分類直流輸電系統的分類 D “背靠背( back-to-back 換流方式 沒有直流輸電線路，而將整流站和逆變站建在一同的直流系統稱為“背靠背換流站。 這種方式適用于不同額

28、定頻率或者一樣額定頻率非同步運轉的交流系統之間的互聯。 由于沒有直流輸電線路，所以直流系統可選用較低的額定電壓。這樣，整個直流系統的絕緣費用可降低。 目前世界各國已建筑和預備投建的“背靠背直流工程較多，其主要用途是系統的增容時限制短路容量，從而不致改換大量的電氣設備。 10.6.2 無功功率控制無功功率控制什么叫無功？什么叫無功？電源能量與感性負載線圈中磁場能量或容性負電源能量與感性負載線圈中磁場能量或容性負載電容中的電場能量之間進展著可逆的能量交載電容中的電場能量之間進展著可逆的能量交換而占有的電網容量叫無功，無功功率換而占有的電網容量叫無功，無功功率 表達表達式如下：式如下： 式中無功量式

29、中無功量 的單位為的單位為VarVar乏，線電壓乏，線電壓的單位為的單位為V V伏，視在電流伏，視在電流I I單位為單位為A A安。安。sinUIQ QQ10.6.2 無功功率控制無功功率控制無功及分類無功及分類 1 1、感性無功：電流矢量滯后電壓矢量、感性無功：電流矢量滯后電壓矢量9090度，度，如：電動機、變壓器線圈、晶閘管變流設備等；如：電動機、變壓器線圈、晶閘管變流設備等；2 2、容性無功：電流矢量超前電壓矢量、容性無功：電流矢量超前電壓矢量9090度，度，如：電容器、電纜輸配電線路、電力電子超前控如：電容器、電纜輸配電線路、電力電子超前控制設備等；制設備等；3 3、基波無功：與電源頻

30、率相等的無功；、基波無功：與電源頻率相等的無功；4 4、諧波無功：與電源頻率不相等的無功。、諧波無功：與電源頻率不相等的無功。10.6.2 無功功率控制無功功率控制什么是無功補償？ 10.6.2 無功功率控制無功功率控制10.6.2 無功功率控制無功功率控制6- 601)晶閘管投切電容Thyristor SwitchedCapacitorTSC圖10-35 TSC根本原理圖a) 根本單元單相簡圖 b) 分組投切單相簡圖10.6.2 無功功率控制無功功率控制作用對無功功率控制，可提高功率因數，穩定電網電壓，改善供電質量。性能優于機械開關投切的電容器。構造和原理晶閘管反并聯后串入交流電路。實踐常用三相，可三角形結合，也可星形結合。6- 61 晶閘管的投切 選擇晶閘管投入時辰的原那么：該時辰交流電源電壓和電容器預充電電壓相等，這樣電容器電壓不會產生躍變，就不會產生沖擊電流。 理想情況下，希望電容器預充電電壓為電源電壓峰值，這時電源電壓的變化率為零，電容投入過程不但沒有沖擊電流，電流也沒有階躍變化。12ttttusiCuCVT1VT2ttuVT1uusiCuCCVT1VT2VT1圖圖10-36 TSC10-36 TSC理想投切時辰原理闡明理想投切時