電力電子技術(shù)課件.doc

1.2 晶閘管-電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問題V-M系統(tǒng)本質(zhì)上是帶R、L、E負(fù)載的晶閘管可控整流電路，關(guān)于它的電路原理、電壓和電流波形、機械特性等問題，都已在“電力電子技術(shù)”課程中講授。為了承上啟下，本節(jié)按照分析和設(shè)計直流調(diào)速系統(tǒng)的需要，重點歸納V-M系統(tǒng)的幾個重要問題：1.觸發(fā)脈沖相位控制；2.電流脈沖及其波形的連續(xù)與斷續(xù)；3. 抑制電流脈動的措施；4. V-M系統(tǒng)的機械特性；5. 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制Ud0E在圖1-3的V-M系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)控制電壓Uc，從而移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，即可方便地改變可控整流器VT輸出瞬時電壓ud的波形，以及輸出平均電壓Ud的數(shù)值。如果把整流裝置內(nèi)阻Rrec移到裝置外邊，看成是其負(fù)載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時值ud0和平均值Ud0 來表示，相當(dāng)于用圖1-7的等效電路代替圖1-3實際的整流電路。 圖1-7 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖這時，瞬時電壓平衡方程式可寫作 （1-3）式中 E 電動機反電動勢(V)； id 整流電流瞬時值(A)； L 主電路總電感(H)； R 主電路等效電阻()；R = Rrec + Ra + RL； Rrec整流裝置內(nèi)阻，包括整流器內(nèi)部的電阻、整流器件正向壓降所對應(yīng)的電阻整流變壓器漏抗換相壓降的電阻； Ra電動機電樞電阻RL平波電抗器電阻。對ud0進行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0 。 用觸發(fā)脈沖的相位角a 控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點。 Ud0與觸發(fā)脈沖相位角 a 的關(guān)系因整流電路的形式而異，對于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時，Ud0 = f (a) 可用下式表示 （1-4）式中 a從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角； Um a = 0 時的整流電壓波形峰值； m交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)；對于不同的整流電路，它們的數(shù)值如表1-1所示。表1-1 不同整流電路的整流電壓值 U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。由式（1-4）可知，當(dāng) 0 a 0 ，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；當(dāng) p/2 a amax 時， Ud0 0 ，裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。圖1-8繪出了相控整流器的電壓控制曲線，其中有源逆變狀態(tài)最多只能控制到某一個最大的移相角amax，而不能調(diào)到，以免逆變顛覆。圖1-8 相控整流器的電壓控制曲線 O1.2.2 電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)整流電路的脈波數(shù)m=2，3，6，其數(shù)目總是有限的，一般比直流電機每對極下?lián)Q向片的數(shù)目要少得多。因此，輸出電壓波形不可能想直流發(fā)電機那樣平直，除非主電路電感L=，否則輸出電流總是有脈動的。由于電流波形的脈動，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，這是V-M系統(tǒng)不同于G-M系統(tǒng)的又一個特點。當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，而且電動機的負(fù)載也足夠大時，整流電流便具有連續(xù)的脈動波形。如圖1-9a所示。當(dāng)電感量較小或負(fù)載較輕時，在某一相導(dǎo)通后電流升高的階段里，電感中的儲能較少；等到電流下降而下一相尚未被觸發(fā)以前，電流已經(jīng)衰減到零，于是，便造成電流波形斷續(xù)的情況。如圖1-9b所示。電流波形的斷續(xù)給用平均值描述的系統(tǒng)帶來一種非線性的因素，也引起機械特性的非線性，影響系統(tǒng)的運行性能，因此，實際應(yīng)用中常希望盡量避免發(fā)生電流斷續(xù)。1.2.3 抑制電流脈動的措施在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會增加電機的發(fā)熱，同時也產(chǎn)生脈動的轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機械不利，同時也增加電機的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，主要是： 1）增加整流電路相數(shù)或采用多重化技術(shù)。 2）設(shè)置平波電抗器；平波電抗器的電感量一般按低速輕載時保證電流連續(xù)的條件來選擇。通常首先給定最小電流Idmin(以A為單位)，再利用它計算所需的總電感量（以mH為單位），減去電樞電感，即得平波電抗應(yīng)有的電感值。對于單相橋式全控整流電路，總電感量的計算公式為 （1-5） 三相半波整流電路 （1-6）三相橋式整流電路 （1-7）一般取Idmin為電動機額定電流的5%-10%。1.2.4 晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性 當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程式為 （1-8）式中 Ce = KeFN電機在額定磁通下的電動勢系數(shù)。 式（1-8）等號右邊 Ud0 表達(dá)式的適用范圍如第1.2.1節(jié)中所述。改變控制角a，得一族平行直線，這和G-M系統(tǒng)的特性很相似，如圖1-10所示。（圖1-10）電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性 圖中電流較小的部分畫成虛線，表明這時電流波形可能斷續(xù)，公式（1-8）已經(jīng)不適用了。上述結(jié)論說明，只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。當(dāng)電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復(fù)雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時機械特性須用下列方程組表示 （1-9） （1-10） 式中 阻抗角 ； q 一個電流脈波的導(dǎo)通角。當(dāng)阻抗角j 值已知時，對于不同的控制角 a，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時的機械特性。（應(yīng)注意：當(dāng)a/3時，特性略有差異，詳見參考文獻(xiàn)1,6）對于每一條特性，求解過程都計算到 q = 2p/3為止，因為q 角再大時，電流便連續(xù)了。對應(yīng)于q = 2p/3 的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。 圖1-11 完整的V-M系統(tǒng)機械特性圖1-11繪出了完整的V-M系統(tǒng)機械特性，其中包含了整流狀態(tài)（a90）電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見：當(dāng)電流連續(xù)時，特性還比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。 一般分析調(diào)速系統(tǒng)時，只要主電路電感足夠大，可以近似的只考慮連續(xù)段，即用連續(xù)特性及其延長線（圖中用虛線表示）作為系統(tǒng)的特性。對于斷續(xù)特性比較顯著的情況，這樣做距實際較遠(yuǎn)，可以改用另一段較陡的直線來逼近連續(xù)段特性，如圖1-12所示。這相當(dāng)于把總電阻R換成一個更大的等效電阻，其數(shù)值可以從實測特性上計算出來，嚴(yán)重時可達(dá)實際電阻R的幾十倍。 Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(a) 準(zhǔn)確的（b） 近似的圖1-15 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖ssss 圖1-13 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和Ks的測定1.2.5 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 在進行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計時，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)做系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)來看待。應(yīng)用線性控制理論呢時，需求出這個環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。 實際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定但能工作范圍內(nèi)近似看成線性環(huán)節(jié)。如有可能，最好先用實驗方法測出該環(huán)節(jié)的輸入輸出特性，即曲線，圖1-13所示是采用鋸齒波觸發(fā)器移向時的特性。設(shè)計時，希望整個調(diào)速范圍的工作點都落在特性的近似線性范圍之中，并有一定的調(diào)節(jié)余量。這時，晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性斜率決定，計算方法是 如果不可能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。例如，當(dāng)觸發(fā)電路控制電壓Uc的調(diào)節(jié)范圍010V是，對應(yīng)的整流電壓Ud的變化范圍是0220V時，可取。 在動態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時間引起的。眾所周知，晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制電壓的變化在該器件關(guān)斷以前就不再起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來到時才能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。 下面以單相全波純電阻負(fù)載整流波形為例來討論上述的滯后作用以及滯后時間的大?。ㄈ鐖D1-14所示）。假設(shè)在t1時刻某一對晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，控制角為1，如果控制電壓Uc在t2時刻發(fā)生變化，由Uc1突降到Uc2，但由于晶閘管已經(jīng)導(dǎo)通，Uc的變化對它已經(jīng)起不到作用，整流電壓并不會立即響應(yīng)，必須等到t3時刻該器件關(guān)斷以后，觸發(fā)脈沖才有可能控制另一對晶閘管。設(shè)新的控制電壓Uc2對應(yīng)的控制角為2，則另一對晶閘管在t4時刻才能導(dǎo)通，平均整流電壓因而降低。假設(shè)平均整流電壓是從自然換相點開始計算的，則平均整流電壓在t3時刻從Ud01降低到Ud02，從Uc發(fā)生變化的時刻t2到Ud0響應(yīng)變化的時刻t3之間，便有一段失控時間Ts。應(yīng)當(dāng)指出，如果有電感作用使電流連續(xù)，則t3到t4重合，但失控時間仍然存在。顯然，失控制時間Ts是隨機的，它的大小隨Uc發(fā)生變化的時刻而改變，最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點之間的時間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定 (1-13)其中 交流電流頻率(Hz)； 一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。 相對于整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間來說，Ts 是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計平均值 ，并認(rèn)為是常數(shù)。也有人主張按最嚴(yán)重的情況考慮，取。表1-2列出了不同整流電路的失控時間。 表1-2 各種整流電路的失控時間（） 若用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出關(guān)系為 利用按拉氏變換的位移定理，則晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為 （1-13） 由于式（1-13）中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計都比較麻煩。為了簡化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺勞級數(shù)展開，則式（1-13）變成 （1-14） 考慮到Ts 很小，可忽略高次項，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)（推導(dǎo)見附錄1）。 （1-15） 其動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖1-15。Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)(a) 準(zhǔn)確的（b） 近似的圖1-15 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖ssss1.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題 自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。與V-M系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：1）主電路線路簡單，需用的功率器件少。2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都小。3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右。4）若與快速響應(yīng)的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快， 動 態(tài)抗擾能力強。5） 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適 當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。6） 直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。由于有上述優(yōu)點，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了V-M系統(tǒng)。鑒于“電力電子技術(shù)”課程中涉及全控型器件及其控制、保護與應(yīng)用技術(shù)，本節(jié)只著重歸納直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的下列問題：PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形；直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機械特性；PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型；電能回饋與泵升電壓的限制。1.3.1 PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、 電流波形PWM變換器的作用是：用PWM調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。PWM變換器電路有多種形式，主要分為不可逆與可逆兩大類，下面分別闡述其工作原理。1. 不可逆PWM變換器如圖1-16a所示是簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)主電路原理圖，其中功率開關(guān)器件為IGBT（或用其他任意一種全控型開關(guān)器件），這樣的電路又稱直流降壓斬波器。1.3.1 PWM變壓器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。PWM變壓器電路由多種形式，可分為不可逆與可逆兩大類，下面分別闡述其工作原理。1. 不可逆PWM變換器 圖1-16a所示是簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)主電路原理圖，其中功率開關(guān)器件為IGBT（或用其他任意一種全控型開關(guān)器件），這樣的電路又稱直流降壓斬波器。 VT的控制極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓序列Ug驅(qū)動。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0tton時,Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動機電樞兩端；tontT時,Ug為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。這樣，電機兩端得到的平均電壓為 (1-16)改變占空比(01)即可調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。若令為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆 PWM 變換器 g (1-17)圖1-16b中會出了穩(wěn)定時電樞兩端的電壓波形ud=f(t)和平均電壓Ud。由于電磁慣性，電樞電流id=f(t)的變化幅值比電壓波形小，但仍舊是脈動的，平均值等于負(fù)載電流IdL=TL/Cm。圖中還繪制了電動機的反電勢E，由于PWM變換器的開關(guān)頻率高，電流的脈動幅值不大，再影響到轉(zhuǎn)速和反電動勢，其波動就更小，一般可以忽略不計。 在簡單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒有制動能力，只能單象限運行。需要制動時，必須為反向電流提供通路，如圖1-17a所示的雙管交替開關(guān)電路。當(dāng)VT1 導(dǎo)通時，流過正向電流 +id ，VT2 導(dǎo)通時，流過-id 。應(yīng)注意，這個電路還是不可逆的，只能工作在第一、二象限， 因為平均電壓 Ud并沒有改變極性。 圖1-17a所示電路的電壓和電流波形有三種不同情況，分別示于圖b、c和d。無論何種狀態(tài)，功率開關(guān)器件VT1和VT2 的驅(qū)動電壓都是大小相等的，即Ug1=-Ug2。在一般電動狀態(tài)中，id始終為正值（其正方向示于圖1-17a中）。設(shè)ton為VT1的導(dǎo)通時間，則當(dāng)0tton時，Ug1為正，VT1導(dǎo)通，Ug2為負(fù)，VT2 關(guān)斷。此時，電源電壓Us加到電樞兩端，電流id沿圖a中的回路1流通。在tontUd，很快使電流id反向，VD2截止，在tontT 時，Ug2變正，于是VT2 導(dǎo)通，反向電流沿回路3流通，產(chǎn)生能耗制動作用。TtT+ton（即下一周期的0tTon）時，VT2關(guān)斷，-id沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，向電源回饋制動，與此同時，VD1兩端壓降鉗住VT1使它不能導(dǎo)通。在制動狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導(dǎo)通，而VT1始終是關(guān)斷的，此時的電壓和電流波形如圖1-17c所示。表1-3歸納了不同工作狀態(tài)下的導(dǎo)通器件和電流id的回路與方向。有一種特殊情況，即輕載電動狀態(tài)，這是平均電流較小，以致在VT1關(guān)斷后id經(jīng)VD2續(xù)流時，還沒有達(dá)到周期,電流已經(jīng)衰減到零，即圖1-17d中tonT期間的t=t2時刻，這時VD2兩端電壓也降為零，VT2便提前導(dǎo)通了，使電流反向，產(chǎn)生局部時間的制動作用。這樣，輕載時，電流可在正負(fù)方向之間脈動，平均電流等于負(fù)載電流，一個周期分成四個階段，見圖1-17d和表1-3。表1-32. 橋式可逆PWM變換器可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖1-18所示。這時，電動機M兩端電壓UAB的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的可逆PWM變換器。雙極式控制可逆PWM變換器的4個驅(qū)動電壓波形如圖1-19所示它們的關(guān)系是：Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0tton時，UAB=Ug，電樞電流id沿回路1流通；當(dāng)tontn0b，所以sasb。這就是說，對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。在