电力电子技术课件

电力电子技术Power Electronic Technology整流与有源逆变

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9.3 晶闸管直流电动机系统 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，也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 。

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9.3.1 电动机工作于整流状态时 1、不考虑电动机的电枢电 ud 感时： 只有晶闸管导通相的变 压器二次侧电压瞬时值 大于反电动势时才有电 O 流输出，此时负载电流 断续，对整流电路和电 动机的工作都不利，要 尽量避免； id 所以普遍在电枢回路串 联一平波电抗器，保证 整流电流在较大范围内 连续，如图2-48。 Oua ub uc ud Ud E

idR

ωt

α

ic

ia

ib

ic

ωt

图2-48 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合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组

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9.3.1 电动机工作于整流状态时 2、电动机稳态时，虽然Ud波形脉动较大，但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。整流电压的交流分 量则全部降落在电抗器上。由Id引起的压降有下列四部分： 变压器的电阻压降IdRB,其中RB 为变压器的等效电阻，它包括变压器二次绕 组本身的电阻以及一次绕组电阻折算到二次侧的等效电阻； 晶闸管本身的管压降△U,它基本上是一恒值； U 电枢电阻压降IdRM ; 由换相重叠角引起的电压降3XBId/(2π) (三相半波) 。 此时，整流电路直流电压的平衡方程为:

U d = E M + ( RB + RM

3X B + ) I d + U 2π

系统的两种工作状态：电流连续工作状态和电流断续工作状态

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9.3.1 电动机工作于整流状态时 3. 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

E M = C eφ n 式中，Ce 由电动机结构决定的电动势常数；Φ 为电动机磁场每对磁极下 的磁通量，单位为(Wb);n为电动机的转速，单位为(r/min)。 可根据整流电路电压平衡方程式，作出不同控制角α时EM与Id的关系(三 相半波):

EM = 1.17U 2 cos α RΣ I d U 转速与电流的机械特性关系式为： 1 . 17 U 2 cos α R I + U n = Σ d C eφ C eφ 第二项较小，可见一个α角度对应一个转速n。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组

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9.3.1 电动机工作于整流状态时

做出不同α角时n与Id的关系，如图2 -49所示。图中△U的值一般为1V左右， 可以忽略。可见其机械特性与由直流 发电机供电时的机械特性是相似的， 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α角，即 可调节电动机的转速。而负载加大时， 电流加大，转速变化不大。图2-49 三相半波电流连续时 以电流表示的电动机机械特性

同理，可列出三相桥式全控整流电路电动机负载时的机械特性方程为：n = 2 . 34 U 2 cos α R I + 2U Σ d C eφ C eφ合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组

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9.3.1 电动机工作于整流状态时 4.电流断续时电动机的机械特性 4.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 当负载减小时，平波电抗器中的电感储能减小， 再连续，此时其机械特性也就呈现出非线性。 再连续，此时其机械特性也就呈现出非线性 三相半波整流电路电动机负载n= Id = 2U 2 Ce φθ π θ θ 2 sin( + α + ) sin 6 2 2

3 2U 2 2πωL

π θ θ θ cos( + α + )(θ cos 2 sin ) 6 2 2 2

具体推导过程见许大中编《电机控制》

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9.3.1 电动机工作于整流状态时4.电流断续时电动机的机械特性 4.电流断续时电动机的机械特性 如当 α =60°时，Id=0,此时的反电动势E0’=1.17U2cos60°,实际上当Id减小至某 一定值Id min以后，电流变为断续。这个E0’是不存在的，真正的理想空载点远大 于此值。 E M = 1 . 17 U 2 cos α R Σ I d U E

α ≤ 60° 电动机的实际空载反电动势都是 2U2 。 2U2) (

E0

断续区特性的近似直线

α > 60° 时为： 2U2 cos(α π 3) 。Why?

E0' (0.585 U2) Idmin O 断续区连续区

Id

图2-50 电流断续时电动势的特性曲线 〔解释〕 因为α≤60°时晶闸管触发导通后最大相电压瞬时值为 2U 2 ,大于E0`。因 此如果反电势为E0`,则必然产生电流，从而与空载的前提矛盾，所以实际 空载点的反电势是 2U 。 2 当α>60°时，晶闸管触发导通时的相电压瞬时值为 2U 2 cos( α π 3)

为此时实际空载点的反电势。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组

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9.3.1 电动机工作于整流状态时 电流断续时电动机机械特性的特点： E E0 电动机的理想空载转速抬高； 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α 的增加，进入断续区的 电流值加大。(Why?)O 分界线 a1 a2 a3 a4 a5 断续区 连续区 Id

图2-51 考虑电流断续时 不同α 时反电动势的特性曲线

由于α 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 持连续，必须要求平波电抗器储存较大的磁能。

在电抗器的L为一定值的情 况下，要有较大的电流Id才能使得电流连续。

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9.3.1 电动机工作于整流状态时 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 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，其等效电阻 比实际的电阻R要大一个数量级。 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 U2 回路电感量为： L = 1 .46 I d min (mH) U2 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 (mH) I d min 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%。 因为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，这也是三相桥式整流电路的一大优点。

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9.3.2 电动机工作于有源逆变状态时 1. 电流连续时电动机的机械特性 主回路电流连续时的机械特性由电压平衡方程式 U d E M = I d R Σ 决定。 逆变时由于 U d = U d 0 cos β ,EM反接，得 ：E M = (U d 0 cos β + I d R Σ ) 同时因为EM=CeΦn,可求得电动机的机械特性方程式 ：1 Ud0为α=0时的整流输出平均电压值 (U d 0 cos β + I d R Σ ) C eΦ 2. 电流断续时电动机的机械特性 n=

电流断续时电动机的机械特性方程可沿用整流时电流断续的机械特性表达 式，只要把α=π-β上式，便可得EM、n与Id的表达式，求出三相半波电路 工作于逆变状态且电流断续时的机械特性。

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9.3.2 电动机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：α ' 增大方向 β '增大方向n

纵观控制角 α由小变大，电动机的 机械特性则逐渐的由第1象限往下 移，进而到达第4象限。逆变状态 的机械特性同样还可表示在第2象 限里，与它对应的整流状态的机械 特性则表示在第3象限里。

1

β 4 β 3 β 2 β1

图2-52 电动机在四象限中的机械 特性

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。合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组

β 增大方向

逆变状态的机械特性是整流状态的 延续。

4

α' 4 α' 3 α' 2 α'

α=β= π 2

I d

α 增大方向

理想空载转速上翘很多，机械特性 变软，且呈现非线性。

β' 1 β' 2 β' 3 β' 4 α'=β '= π 2

反组变流器

正组变流器

α 1 α 2 α 3 α

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9.3.3 直流可逆电力拖动系统图2-53a与b是两组反 a b c 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 作情况正组 正组 L c1 L c2 反组 正组 a) 正转逆变I d + +n b) I d 正转整流 + 反组 L M EM a b c

L M E M

a b c

EM

+ M -

电能 U dβ

电网 电网 反组

电能

正组 U dα

+ M EM -

反组

发电运行

电动运行 O Id 电能 + U dβ M EM + 反转逆变 +T

-T

反转整流 I d EM M + 电能 U dα +

电网 电网 反组 -n c) 正组

正组

反组

电动运行

发电运行

图2-53 两组变流器的反并联可逆线路 合肥工业大学电气工程学院电力电子与电力传动教研组

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9.3.3 直流可逆电力拖动系统 1、电动机反转过程： 电动机在第1象限正转，电动 机从正组桥取得电能，欲使电 动机反转，必须首先正转迅速 制动。此时EM的方向保持为上 正下负，而对于正向桥来说， 电流方向是不能改变的，为此 需切换到反组桥工作，同时要 求反组桥工作在逆变状态，此 时电动机进入第2象限作正转 发电运行，机械能转化为电能 送给电网。 随着电动机转速的下降，不 断地调节β,使之由小变大直 至β2=π/2,如继续增大，即α <π/2 ,反组桥将转入整流状态 下工作，电动机开始反转进入 第3象限的电动运行。反组变流器 n 正组变流器

β' β '增大方向 β'

1

α α απ 2

2 3 4

α '=β '=

α α =β = π2

α ' 增大方向

3 α' 2 α' 1

α'

β β

3 2 1

注意：电动机的反电势的方向和 转向保持一致。

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β 增大方向

α'

4

β 4 β

I d

α 增大方向

2 β' 3 β' 4

1

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9.3.3 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： 两套变流装置反并联 环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。 环流 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( α = β 、可控环流、逻辑控制无环流和错位控制无环流等。 ( ) 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。

正组 a b c Lc1 L Lc2 反组 M EM

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9.3.3 直流可逆电力拖动系统有环流控制条件：α1=β2

正组 a b c Lc1 L Lc2 反组 M

第1象限：正转电动运行， 此时1组工作于整流状态， 由于α1=β2 ,2组工作于逆 变状态，且Ud1=Ud2,但由 于二极管的单相导电性，2 组桥没有电流流过，工作在 待逆变状态。

EM

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