电力电子技术的应用

1、9-1，9章。电力电子技术的应用，电力电子技术广泛应用于工业农业生产、电力工程、运输、家电等部门和领域。直流电动机或交流电动机的速度控制和位置控制等非电动机应用；非接触开关、电加热、电压调节、不间断电源、电镀、HVDC传输、电池充电器、开关电源、电子镇流器等。9.1 .直流电动机调速及其可逆电路9.1.1。直流电动机调速，9-2，下图为直流电动机开环速度块图。控制U，控制n，其中n=(U-IR)/Ce，晶闸管的电流方向不能更改，因此上述回路速度方向也不能更改。两个方向的速度控制需要两个方向的电流控制，使用两组晶闸管装置或其他功率转换电路。要获得恒定速度精度，必须配置闭环调速系统。9-3，9.1

2、.2。可逆电路，l)。并行电路的操作电路图8.2是具有4种操作状态的两组晶闸管反并行电路框图。9-4，(1)。正组整流n=(Udocos1-Id1R)/Ce p组正在整流工作时，半组n也不能以绝对整流状态工作。否则，电流不经过负载，在两组晶闸管之间循环，这种电流称为循环。循环本质上是两个晶闸管之间交流电源的短路电流。(2)如果需要反向逆变正向制动，则通过电机m的电流Id必须相反，才能获得制动扭矩，这只有在利用反向逆变器的情况下才能实现。Id2=(E-Udocos2)/R，9-5，(3)。反向整流n组整流，反转电动机，其过程类似于整流组整流。(4)正逆变p组逆变器，产生反向制动力矩，其过程类似于

3、反组逆变器。变换器的整流和逆变状态对应于电动机的电和反馈制动状态。9-6，2)。可逆电路的循环，循环实际上是交流电源的短路电流。因此，循环是可逆电路中一个非常重要的问题。由两个晶闸管设备组成的可逆电路，其中一组在整流状态(延迟角度l控制)下工作，另一组在逆变状态(高级角度1控制，l=1)下工作，但可能发生循环。循环根据是否连续分为强制循环和脉动循环。习惯上强制循环也称为直流循环。脉动循环，也称为交流循环；9-7，在可逆电路(图8.2(a)中，整流平均电压Udl大于逆逆变平均电压Ud2(或逆整流平均电压Ud2)。在大于正逆变平均电压U1的情况下，可逆电路中存在的循环称为强制循环。即使在可逆电路中

4、使用UdlUd2，由于瞬时电压不同，整流器电压的瞬时值可能大于瞬时逆变电压瞬时值，因此通过两组电路循环。瞬时电压不同的这种循环是间歇性的，称为脉动循环。根据系统运行状态，循环可以分为静态循环(即系统稳定状态下产生的循环)和动态循环(系统切换过程中产生的循环)。9-8，如上分析所示，循环的产生和大小与两套晶闸管装置的整流和逆变电压相关，分别由控制角度确定，一般情况下，可逆电路的一组在1作用下作用于整流，另一组在2作用下作用于逆变器或逆变状态。如果将两组晶闸管设备设置为相同，则在回路稳定时，1、2度更改后，可能会发生以下三种情况：(1).12，UdlUd2，具有强制循环；(2).1=2时，Udl=

5、Ud2，存在脉动循环。(3).12，UdlUd2，有较小的脉动循环，与UdlUd2的差异有关。差异越大，循环越小。如果所有瞬时逆变电压Ud2大于整流器电压Udl，则系统不会循环。9-9，9.2。交流电动机调速，交流电动机相对直流电动机具有结构简单、容量单一、电压高、速度高、偏整流子低、惯性低、成本低、维护方便等优点。随着电力电子技术、控制理论及计算机控制技术的发展，利用半导体电力装置的交流调速系统已经成为电力驱动的主流。9.2.1 .交流电机调压调速交流调压调速速度降低，其转速增加，电机转子损失增加，效率降低。因此，交流调压调速不适合长时间低速运行。9-10，图8.3为交流电动机正向调压调速主

6、电路，9-11，9.2.2。串行调速，在线绕线感应电动机的转子电路中，可以连续改变与转子电位频率相同的额外电位，以改变其电势的振幅和相位，从而改变转子电流，以达到调速目的。转子的滑动功率大部分被串行电位吸收和吸收的这种滑动功率回到电网后，这种速度调节方法提高了效率，称为级联速度调节。晶闸管子同步级联速度控制主电路及其特性如图8.4所示。9-12，上图所示的电路只能将电力的单个方向转向电网，实现低于同步速度的速度调整；如果异步电动机的定子和转子同时供应，则可以实现超级同步级联速度控制。为了改善速度调节特性，需要速度、电流闭环系统。9-13，9.2.2。变频调速，交流电动机速度公式：另外，4.44

7、公式：根据f1的变化，改变定子电压U1保持近似值。U1和f1的关系决定了频率控制方法。例如，f1/U1可以保持与常数相同的控制方法，从而使电动机的最大转矩接近常数的机械特性(图8.5)。9-14，对于用于频率控制的变频器，通常需要电压调节和频率调制两种功能(图8.6)。9-15、频率控制有两种类型：ac-ac频率转换和AC-DC-AC频率转换。交流-交流变频调速主电路帧如图8.6所示。将固定频率的交流电源直接转换为所需频率的直流电源。也称为主波转换器或循环转换器。Ac-ac频率控制的优点是节省转换器链路、提高效率，并易于四象限操作。缺点是使用交流电源转换器。最大输出频率受栅格频率限制，50Hz

8、或60Hz电源的最大输出频率通常约为20Hz与的最大输出频率相同的栅格频率的13。此外，主电路元件的数量越多，相应的控制电路就越多，成本也越高。电路有严重谐波，适用于低速、大容量情况。9-16，近年来使用ac-ac频率转换器的整体控制单元和PWM技术进一步研究和探索最大输出频率，而不管栅格频率如何。图8.7(a)是交流-直-交流电流逆变频率控制主电路框图，可控整流器是电压调节、大电感作为滤波元件，变频器使用电流型逆变器。由于电压调节和频率转换是单独进行的，因此控制电路易于实现。由于L1的作用，可以有效抑制故障电流上升率。因为可以同时反转整流桥和逆变桥的直流电压极性，将能量返回交流电网。因此，可

9、以快速运行4象限，适用于负载速度增加、减速和分散频繁的情况。9-17，9-18，但是，此方案需要两组可控制的功率级别和控制电路，因此设备拥挤。相位控制整流器在逆变输出低压和低频时电路的功率因数很低。图8.7(b)是ac-DC-AC电压逆变频率控制主电路框图，二极管整流器具有AC-直接转换、斩波调压、电压型逆变器具有频率转换，即3个功率转换级别。采用了二极管整流器，功率因数提高，但二极管整流器不能反向传递能量，为了再生制动，必须使用一套可控的整流桥，因此电压型逆变器频率控制适用于速度要求不高、稳定的工作。9-19，图8.7(C)是交流-直-交流脉宽调制(PWM)电压逆变频率控制主电路块图，二极管

10、整流器完成交流-直接转换，PWM逆变器完成频率转换和电压调节操作。该系统只有一个可控电源水平，简化了主电路和控制电路结构，具有设备和电压调节装置小、轻、成本低的优点。用二极管整流器取代可控整流器，提高电路的功率因素。等等，所以这是目前AC-DC-AC逆变器的主要形式。由于由晶闸管组成，转换器损耗很大，现在中小型变频器几乎由所有完全控制设备组成，尤其是IGBT。9-20，9.3。某些非电动机应用程序，9.3.1。非接触开关触点开关是指在电源频率的多个周期内工作的电磁接触器。接触器断开电路后，金属触点之间会发生电弧，容易燃烧触点，造成电磁干扰。接触器运行时还会发出噪音。非接触式开关也称为电气电子开

11、关，其特点是快速连接、不间断火花、无噪音操作。当触发信号发送到晶闸管闸门时，在电源的一个周期内，所有电源角度传导、晶闸管连接期间，闸门需要连续触发脉冲，当栅极脉冲被消除时，电流超过0时，电流关闭。9-21，9-22，晶闸管在连接时由于管道压降而产生热，因此断路器Q2可以在晶闸管的两端并行运行。Q2闭合电流可防止晶闸管过热。常开触点开关可以序列化回路的隔离开关(或断路器)Ql，因为从电源上卸下负载时，开关末端仍有电压，电流泄漏不安全。常开触点开关从电源上卸下负载时，Q1也将断开。通常，交流非接触开关使用的设备是双向晶闸管。直流非接触开关小容量大功率晶体管，大容量晶闸管元件，关机时强制转换器。常开

12、触点开关的连接和终止都需要适当的控制。9-23，将非接触开关和控制电路组装在一起，可以使控制信号成为可以是交流电压或直流电压的固态继电器。9-24，图8.10是具有零交叉触发电路的交流固态继电器电路。9-25，9.3.2。对于电气加热、9-26、电气电阻炉，典型的频率电源加热由晶闸管电路控制电炉的加热功率(或温度)。移动电源控制(图8.11(c):大多数电气线路的热时间常数大于几秒钟。使用晶闸管常开触点开关，以恒定截止速度连接和卸下负载和电源(图8.11(c)。如果将连接时间设置为on，断开时间设置为toff，则负载功率将比较：9-27、阻塞控制和相移控制，以提高回路的功率因数。白炽灯的照度调

13、节也是一种电加热，白炽灯的热时间常数小，不能用作通列控制，只能用相位控制来调整白炽灯的照度。9-28，图8.12是通过双向晶闸管进行交流电压调节来调节照明的实用电路，9-29，中频感应电炉或熔炼炉用于熔炼黑色金属或诸如铜、铝冶炼等着色系列。使用晶闸管变频电路将电源频率AC更改为if AC (1000-2500Hz)进行感应加热。逆变器R1-L1-C1串行谐振实现负载转换器，没有单独的转换器线。9-30，感应加热是电感负载，感应加热线圈具有较大的电感，等效电路以R1L1排成行(图8.13)，如果选择适当地连接补偿电容器，则负载可以在所需频率下谐振。二极管三相桥式整流电路通过将工频(50Hz)电源

14、整流到直线L2，C2来过滤。电感L2还具有防止中频电流脉冲反射回二极管整流器的作用。9-31，9.3.3。电压调节、晶闸管电路不仅可以通过可控整流调整直流电压的振幅，还可以通过交流电压调节调整交流电压的振幅，还可以与交流电压调节和整流一起调整直流电压的振幅。9-32，图8.14是控制变压器输入交流电压振幅以调整二极管整流输出直流电压的框图。可以获得低压、大电流直流负载的类似控制整流器特性，因为变压器原来可以选择低成本的小电流定额晶闸管。，9-33，图8.15是变压器第二侧有卡舌的交流电压调节电路，图9-34，图8.16是晶闸管可调直流电压调节电源框图。9-35，9.3.4。不间断电源、不间断电

15、源3360不间断电源、ups、9-36、交流电源正常时可以直接为负载供电，但交流电源必须间歇性地立即从交流电源切换到逆变器，这需要同步逆变器和交流电源。在UPS中，几乎所有操作都是使用拓扑固定循环完成的。9-37，图：相位探测器标识输入电压ui和输出电压uo的相位差，输出电压Ud=K(i-o)。当I和o的频率不相等时，周期性变化的低通滤波器通过过滤Ud的交流元件获得直流电压Uc。直流电压UC通过调节器控制电压控制振荡器的频率，输出频率fo=fi调节器旨在提高闭环系统频率跟踪的动态性能。电压控制振荡器的输出频率越高，通过分频器获取输出频率的同时，从分配器接收控制UPS逆变开关元件的驱动信号，这样

16、逆变器的输出频率就可以跟踪交流电源频率。9-38，9.3.5。电化学可以控制直流电源的输出电流，以在电镀过程中控制两个电极之间的电流密度，从而确保电镀均匀。大多数电镀工艺在电流中可能有纹波，因此三相半波电路适合电镀。在低电压情况下，例如550V，还可以使用常规单相半波整流电路。9-39，9.3.6。在相同功率下电流较小，因此使用高压传输电源的HVDC传输，传输线微线路损耗可能较小。而且，由于只有近线需要DC，只有电阻损失，因此对于远距离陆地或水下电力传输，发送到HVDC更经济、更安全。9-40，9-41，9.3.7。电池充电器，电池容量不足，需要低电压充电，初始充电需要恒流充电(最大充电电流)

17、；随着充电时间的延长，电池电压上升，要保持恒流充电，充电器输出电压必须随着电池电压的上升而调整。如果电池以所需电压充电，则应在一定压力下充电，以确保电池充电电压不超过规定值。此时，电池电压增加，充电电流减少。9-42，9-43，9-44，9.3.8。开关电源、开关电源是电力技术的革命，具有小型化、高效率的优点，广泛应用于通信、计算机、仪表和各种电气设备。开关电源的效率通常比传统线性电源高80%以上(通常低于50%)。开关电源通常以几十或数百千赫运行，省略了50Hz工频变压器，体积小，重量轻。此外，开关电源的电压范围更大，电网电压从14OV正常工作到260V正常工作，远远大于线性电源允许的电压波

18、动范围。9-45，开关电源是输入和输出分开的直流转换电路的应用。方框图如图4.22所示，配置控制电源开关输出传导与截止时间占空比的高频脉宽调制，以在直流给定和输出采样中使用放大的错误电压保持输出电压恒定。9-46，9-47，9.3.9。电子镇流器、电子镇流器取代了荧光灯、节能灯等照明电路中广泛使用的传统电感镇流器。与电感镇流器相比，电子镇流器具有体积小、重量轻、启动快、无灯光闪烁、无工作噪音、工作电压宽度(低压也可工作)、节能20%-30%、灯寿命等优点。在使用感应镇流器的其他照明中，金属卤化物灯、钠灯、氖灯等也将被电子镇流器代替。电子镇流器实际上是DCAC转换在高频状态下工作的ACDCAC转换器。9-48，9-49，电子镇流器需要解决的主要技术问题包括低成本、高可靠性、防电网峰值电压、异常保护、高功率因数、低谐波含量、逆变器