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 机械电气工程学院电气教研室 电力电子技术
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
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 2/70
2/70 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
10.1.1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 370
3/70 10.1.1 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。 - 0. 2 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 E Ud ud ua ub uc ud ic ia ib ic id o o t t id.R 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
10.1.1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1所引起的各种电压降所平衡， 平衡方程为 Ud =EM+Rla+AU (10-1) 式中，R=R+R+兴，其中R为变压器的等效电阻，Rw为电枢电阻， 3X为重叠角引起的电压降所折合的电阻；△U为晶闸管本身的管压降。 2π ■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。 4/70
4/70 10.1.1 工作于整流状态时 2 3X R R R B B M = + + ■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 Ud = EM + R I d + U 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。 2 3X B U ■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)
10.1.1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 △的值一般为1V左右， EM =C.pn (10-2) 所以忽略；调节角a,即可 r因为Ua=1.17U2cos0故反电动势特性n 调节电动机的转速。 方程为 EM=1.17U2cos-2Ig-△U(10-3) ®+R+ 转速与电流的机械特性关系式为 a2 1.17U,cosa ,Ia+△U n= (10-4) a3 C.p C.p a1<a2<a3 0 r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 2.34U,c0s0 电流表示的电动机机械特性 n= (10-5) C. C 5/70
5/70 10.1.1 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 EM = Ce n ☞因为 ，故反电动势特性 方程为 Ud = 1.17U2 cos EM = 1.17U2 cos − R I d − U ☞转速与电流的机械特性关系式为 e d e C R I U C U n + = − 1.17 cos 2 RM 3XB + o Id Ce ) n a1 a2 a3 a1< a2 < a3 RB ( + Id ☞三相桥式全控整流电路电动机负 载时的机械特性方程为 d e e I C R C U n = − 2.34 cos 2 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。 U
10.1.1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 E m分析a60时的情况，当I0, Eo 断续段特性的近似直线 (N2U) 忽略△U,此时的反电动势E,为 E6=1.17U2cos60°=0.585U2,而实际 Eo 上，晶闸管导通时相电压瞬时值为 (0.585U2) √2U,大于E,也即不为零，所以 √2U2才是理想空载点。 Iinin 0 r在电流断续情况下，α≤60时， 断续区 连续区 电动机的实际空载反电动势都是 √2U2;当C>60°以后，空载反电动势 将由V2U2cos(a-π/3)决定。 图10-3电流断续时电动势的特性曲线 670
6/70 10.1.1 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。 U E0 0 2 585 2 E = 1.17U cos60 = 0. U 2 2U E0 2 2U o Id E E0 E' Idmin 0.585 U2 ( ) U2 ( 2 断续段特性的近似直线 断续区 连续区 0 ) 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。 60 2U2 60 2 cos( 3) U2 −
10.1.1工作于整流状态时 r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 E 分界线 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 a2 变化。 a3 ma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 as 流断续区大，这是由于a愈大，变压器 断续区 连续区 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 图10-4考虑电流断续时不同a时 反电动势的特性曲线 储存较大的磁能，而电抗器的L为一定 c1a>60o 值的情况下，要有较大的电流I才行； 故随着α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。 7/70
7/70 10.1.1 工作于整流状态时 Id a1 a2 a3 a4 a5 E 分界线 E0 o 断续区 连续区 图10-4 考虑电流断续时不同时 反电动势的特性曲线 14>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
10.1.1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 Ey =2U2 cosp- nin)e (10-6) 1-e-aigo n=Eu=120:cosp sin)sin)e 1-e-aigo (10-7) cos巴+四-cos(G+a+0 (10-8) 2πZcosp 6 C&-n 武中，=g乙=VR+心，L为回路总电废 8/70
8/70 10.1.1 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 ctg ctg M e e E U − − − + + − − + − = 1 ) 6 ) sin( 6 sin( 2 cos 2 ctg ctg e e M e e C U C E n − − − + + − − + − = = 1 ) 6 ) sin( 6 sin( 2 cos 2 ] 2 ) 6 ) cos( 6 [cos( 2 cos 3 2 2 2 n U C Z U I e d = + − + + − 式中， ， ，L为回路总电感。 R L tg −1 = 2 2 Z = R + L (10-6) (10-7) (10-8)
10.1.1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。 r整流电路为三相半波时，在最小负载电流为lm时，为保证电流连续所 需的主回路电感量（单位为mH)为 L=1.46 U (10-9) Id min 对于三相桥式全控整流电路带电动机负载的系统，有 L=0.693 U, (10-10) 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；Imim一般取电动机额定电流的5%~10%。 一三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。 9/70
9/70 10.1.1 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 min 2 1.46 d I U L = ☞对于三相桥式全控整流电路带电动机负载的系统，有 min 2 0.693 d I U L = 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)
10.1.2工作于有源逆变状态时 电流连续时电动机的机械特性 ◆电压平衡方程式为 U-EM=IaRs 反组变流器 正组变流器 ◆逆变时由Uh=-Uao cos B, EM反接，得 回 EM=-(亿Jaocos B+IaRΣ)(10-11) a-Bn 因为EM=Cn,可求得电动机 =f= 回 的机械特性方程式 d C.0R (10-12) aBia B 2 ◆上式的负号表示逆变时电动机的 图10-5电动机在四象限中的机械特性 转向与整流时相反；调节就可改变电 动机的运行转速，值愈小，相应的 转速愈高；反之则转速愈低。 10/70
10/70 因为 ，可求得电动机 的机械特性方程式 10.1.2 工作于有源逆变状态时 Ud EM I dR − = E C n M e ' = ■电流连续时电动机的机械特性 ◆电压平衡方程式为 ◆逆变时由于 ， EM反接，得 Ud = −Ud 0 cos EM = −(Ud 0 cos + IdR ) ( cos ) 1 ' U 0 I R C d d e n = − + 反组变流器 正组变流器 n 3 2 1 I d 4 2 3 4 1 = = 2 '= '= 2 ' 3 ' 2 ' 1 ' 4 ' 2 ' 3 ' 4 ' 1 1 = ' 1 ; ' 1 = 1 2 = ' 2 ; ' 2 = 2 '增大方向 '增大方向 增大方向 增大方向 ◆上式的负号表示逆变时电动机的 图10-5 电动机在四象限中的机械特性 转向与整流时相反；调节就可改变电 动机的运行转速，值愈小，相应的 转速愈高；反之则转速愈低。 (10-11) (10-12)