电力电子技术的应用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,10-,*,三峡大学,电气与新能源学院,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,1,10.1,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,2,10.1,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,。,3,10.1.1,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,。,u,d,O,i,d,w,t,u,a,u,b,u,c,a,u,d,O,i,a,i,b,i,c,i,c,w,t,E,U,d,i,d,R,4,10.1.1,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,I,d,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,5,10.1.1,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。,O,n,a,1,a,2,a,3,a,3,a,2,a,1,I,d,(,R,B,+,R,M,+ ),I,d,C,e,3,X,B,2,p,6,10.1.1,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,I,d,减小至某一定值,I,d min,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。,图10,-3,电流断续时电动势的特性曲线,断续区特性的近似直线,断续区,连续区,E,E,0,E,0,O,I,dmin,I,d,(0.585,U,2,),(,U,2,),2,7,10.1.1,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。,断续区特性的近似直线,断续区,连续区,E,E,0,E,0,O,I,dmin,I,d,(0.585,U,2,),(,U,2,),2,O,a,3,a,2,a,1,I,d,分界线,断续区,连续区,a,5,a,4,E,0,E,图10,-5,考虑电流断续时,不同,a,时反电动势的特性曲线,1,a,2,a,3,a,4,60,8,10.1.2,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,E,M,=,C,e,n,，,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,正组变流器,反组变流器,n,a,3,a,2,a,1,I,d,a,4,b,2,b,3,b,4,b,1,a,=,b,=,p,2,a,=,b,=,p,2,b,3,b,2,b,1,b,4,a,2,a,3,a,4,a,1,a,1,=,b,1,;,a,1,=,b,1,a,2,=,b,2,;,a,2,=,b,2,a,增大方向,b,增大方向,a,增大方向,b,增大方向,9,10.1.2,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,E,M,、,n,与,I,d,的表达式。三相半波电路为例：,(10-7),(10-8),(10-9),10,10.1.2,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。,正组变流器,反组变流器,n,a,3,a,2,a,1,I,d,a,4,b,2,b,3,b,4,b,1,a,=,b,=,p,2,a,=,b,=,p,2,b,3,b,2,b,1,b,4,a,2,a,3,a,4,a,1,a,1,=,b,1,;,a,1,=,b,1,a,2,=,b,2,;,a,2,=,b,2,a,增大方向,b,增大方向,a,增大方向,b,增大方向,11,10.1.3,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,12,10.1.3,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。,13,10.1.3,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,a,P,=b,N,，,U,d,a,P,=,U,d,b,N,，,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,L,C,限制环流。,14,10.1.3,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。,15,10.2 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,16,10.2.1,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,。,1）电压型间接交流,变流电路,图10-7 不能再生反馈的电压型间接交流变流电路,17,10.2.1,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,V,0,导通，把从负载反馈的能量消耗在,R,0,上。,图108,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109,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,18,10.2.1,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810,整流和逆变均为PWM控制的电压型间接交流变流电路,19,10.2.1,交直交变频电路,2）,电流型间接交流变流电路,整流电路为不可控的二极管整流时，电路不能将负载侧的能量反馈到电源侧。,图10- 不能再生反馈电力的电流型间接交流变流电路,图10-11 采用可控整流的,电流型间接交流变流电路,为使电路具备再生反馈电力的能力，可采用：,整流电路采用晶闸管可控整流电路。,负载回馈能量时，可控变流器工作于有源逆变状态，使,中间直流电压反极性。,20,10.2.1,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。,21,10.2.1,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。,22,10.2.2 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。,23,10.2.2 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。,24,10.2.2 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,U,1,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,u,gt,，,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,25,10.2.2 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,26,10.2.2 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,w,s,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,w,1,=,w,r,+,w,s,，则,w,1,随实际转速,w,r,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。,27,10.2.2 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。,28,10.2.2 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。,29,10.3 不间断电源,CVCF,电源主要用作不间断电源,(,UPS),。,UPS -Uninterruptible Power Supplies,UPS,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。,30,10.3 不间断电源,1）UPS基本,工作原理,:,图10-15 UPS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。,31,10.3 不间断电源,图10-17 具有旁路电源系统的UPS,增加旁路电源系统，可使负载供电可靠性进一步提高。,图10-16 用柴油发电机作为后备电源的UPS,为了保证长时间不间断供电，可采用柴油发电机（简称油机）作为后备电源。,32,10.3 不间断电源,2）UPS,主电路结构,图10-18 小容量UPS主电路,小容量的,UPS,，,整流部分使用二极管整流器和直流斩波器,(PFC),，,可获得较高的交流输入功率因数，逆变器部分使用,IGBT,并采用,PWM,控制，可获得良好的控制性能。,图10-19 大功率UPS主电路,大容量,UPS,主电路。采用,PWM,控制的逆变器开关频率较低，通过多重化联结降低输出电压中的谐波分量。,33,10.4 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。,34,10.5 功率因数校正技术,35,10.6 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,36,10.6.1 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。,37,10.6.1 高压直流输电,38,晶闸管换流阀,39,并联电容器组,40,10.6.1 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 。,41,10.6.1 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。,42,10.6.1 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。,43,10.6.1 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。,44,10.6.1 高压直流输电,）接地极,45,10.6.1 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。,46,10.6.1 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。,47,10.6.1 高压直流输电,直流系统的电流和功率,48,10.6.1.1 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：,49,10.6.1.1 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,50,10.6.1.1 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,51,10.6.1.1 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,52,10.6.1.1 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。,53,54,10.6.2 无功功率控制,55,什么叫无功？,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,56,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,57,什么是无功补偿？,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,58,10.6.2 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。,59,6-,60,1)晶闸管投切电容,（Thyristor SwitchedCapacitorTSC）,图10-35 TSC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。,60,6-,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。,1,2,t,t,t,t,u,s,i,C,u,C,VT,1,VT,2,t,t,u,VT,1,u,u,s,i,C,u,C,C,VT,1,VT,2,VT,1,图10-36 TSC理想投切时刻原理说明,10.6.2 无功功率控制,61,6-,62,TSC,电路也可采用晶闸管和二极管反并联的方式,10.6.2 无功功率控制,由于二极管的作用，在电路不导通时,u,C,总会维持在电源电压峰值。,成本稍低，但响应速度稍慢，投切电容器的最大时间滞后为一个周波。,1,2,t,t,t,t,u,s,i,C,u,C,VT,1,VT,2,t,t,u,VT,1,u,u,s,i,C,u,C,C,VT,1,VT,2,VT,1,图10-37 TSC理想投切时刻原理说明,62,6-,63,2)晶闸管控制电抗器,（,Thyristor Controlled ReactorTCR）,图10-38 晶闸管控制电抗器(TCR)电路,10.6.2 无功功率控制,a,移相范围为,90 180,。,控制,a,角可连续调节流过电抗器的电流，从而调节无功功率。,配以固定电容器，就可在从容性到感性的范围内连续调节无功功率，称为静止无功补偿装置,(Static,Var,Campensator,SVC,），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变。,63,10.6.2 无功功率控制,2),静止无功补偿器,（,SVG）,SVC由静电电容器与电抗器并联组成,饱和电抗器型SR,晶闸管控制电抗器型(TCR),晶闸管开关电容器型(TSC),TCR和TSC组合型,64,先进的静止型无功补偿装置,(SVG,）,与,SVC,比较，,SVG,具有相应快、运行范围宽、谐波电流含量少等优点。尤其是电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流,10.6.2 无功功率控制,65,工业电网向非线性负载供电，不仅可以产生基波无功电流，还产生与电网频率的整倍数的谐波无功电流。谐波电流的危害有以下几个方面：,谐波电流在变压器磁路中产生附加高频涡流铁损，使变压器过热，降低了变压器的功率。,谐波电流趋肤效应是导线等效截面变小，增加线路损耗。,谐波电流使供电电压产生畸形，影响电网上其他各种电器设备的正常工作，导致自动装置的误动作，仪表计量不准确。,谐波电流对临近通讯系统产生干扰。,谐波电流通过一般补偿电容器产生谐波放大，造成点容器使用寿命缩短，甚至损坏。,谐波电流会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，造成严重事故。,10.6.3 电力系统谐波抑制,66,10.7 电力电子技术的其他应用,67,