第八章电力电子技术在电气工程中的应用

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1、第八章电力电子技术在电气工程中的应用 绪论中我们指出，电力电子技术是利用电子器件及技术实现电能变换与控制的技术，横跨“电力”、“电子”及“控制”三个领域，构成了弱电子控制强电力的桥梁，被广泛应用于工农业生产、国防、交通、能源等各个领域。随着高电压、大功率、高频自关断功率半导体器件的不断涌现和发展，功率变换技术的日臻完善，极大地推动了电力电子技术在电气工程中的应用，构成了现代电气工程及其自动化的专业技术基础，在电能产生、传输、储存、变换、控制的各种环节都有很多典型应用。例如直流电机调速系统，晶闸管无换向器电机，交流电机变频调速，可再生能源利用中的交流励

2、磁变速恒频发电，电力谐波抑制与无功补偿应用中的有源电力滤波器、静止无功补偿装置、静止无功发生器，电力系统中的高压直流输电、灵活交流输电系统等。电力电子技术在电动机、发电机中的应用，提高了电能生产、利用、机电能量转换的效率和灵活性，产生了巨大的高效、节能和提高生产率的经济效果；电力电子技术在电力系统中的应用，对增强电力系统运行的稳定性和安全性，提高输电能力和用电效率，节能和改善电能质量方面发挥越来越重要的作用，使基本不可控的电力系统变为灵活可控输电系统，对未来电力系统的发展产生重大影响。因此我们在学好电力电子技术本身的前提下，应该对它在电气工程及其自动

3、化专业中的应用前景有一定的了解，以此提升对电力电子技术课程的深入理解。此外，本书以上各章是从学科角度分别评述了四类基本变换电路：AC-DC变换、DC-DC变换、DC-AC变换、AC-AC变换，但在实际应用中的电力电子装置则是这几种基本电路的组合。为深化电力电子技术课程的学习，也需从组合变流电路角度来介绍一些电气工程中的重要电力电子装置，以提高工程实际概念，从中领会如何应用电力电子技术实现电能变换、控制的思路和方法。 8.1晶闸管—直流电动机调速系统图8-1三相半波晶闸管—直流电动机调速系统采用晶闸管可控整流电路给直流电动机供电，通过移相触发，改变直流

4、电动机电枢电压，实现直流电动机的速度调节。这种晶闸管—直流电动机调速系统是电力驱动中的一种重要方式，更是可控整流电路的主要用途之一。可以图8-1所示三相半波晶闸管—直流电动机调速系统为例，说明其工作过程和系统特性。直流电动机是一种反电势负载，晶闸管整流电路对反电势负载供电时，电流容易出现断续现象。如果调速系统开环运行，电流断续时机械特性将很软，无法负载；如果闭环控制，断流时会使控制系统参数失调，电机发生振荡。为此，常在直流电机电枢回路内串接平波电抗器Ld，以使电流Id尽可能连续。这样，晶闸管—直流电动机调速系统的运行分析及机械特性，必须按电流连续与否

5、分别讨论。8.1.1电流连续时 图8-2电流连续时晶闸管—直流电动机等效电路如果平波电抗器Ld电感量足够大，晶闸管整流器输出电流连续，此时晶闸管—直流电动机系统可按直流等值电路来分析，如图8-2所示。图中，左半部代表电流连续时晶闸管整流器的等效电路，右半部为直流电动机的等效电路。由于电流连续，晶闸管整流器可等效为一个直流电源Ud与内阻的串联，Ud为输出整流电压平均值（8-1）式中U为电源相压有效值，为移相触发角。电流连续情况下，晶闸管有换流重迭现象，产生出换流重迭压降，相当于整流电源内串有一个虚拟电阻，其中LB为换流电感。再考虑交流电源（整流变压器）

6、的等效内电阻Ro，则整流电源内阻应为，如图所示。电流连续时直流电动机可简单地等效为为反电势E与电枢及平波电抗器的电阻总和Ra串联，而平波电抗器电感Ld在直流等效电路中是得不到反映的。这样，根据图8-2等效电路，可以列写出电压平衡方程式为图8-3电流连续时晶闸管—直流电动机机械特性（8-2）式中，Ce为直流电机电势常数，φ为直流电机每极磁通。求出电机转速为（8-3）可以看出，在电枢电流连续的情况下，当整流器移相触发角固定时，电动机转速随负载电流Id的增加而下降，下降斜率为。当角改变时，随着空载转速点no的变化，机械特性为一组斜率相同的平行线。但是在一定

7、的平波电抗器电感Ld下，当电流减小到一定程度时，Ld中储能将不足以维持电流连续，电流将出现断续现象，此时直流电动机机械特性会发生很大变化，不再是直线，图8-3中以虚线表示。这部分的机械特性要采用电流断续时的运行分析来确定。二、电流断续时电枢电流断续时不再存在晶闸管换流重迭现象，晶闸管整流器供电直流电动机系统须采用图8-4所示交流等效电路来分析。在此电路中，u2为相电压瞬时值，显然只有当它大于电枢反电势Ea时晶闸管才能导通，如图8-5所示。由于id断续，电路分析时必须计入平波电感Ld的作用，回路电压平衡方程为（8-4）                 

8、                   图8-4电流断续时，晶闸管—直流电动机等效电路图8-5电流断续时的电枢