第十二章電力電子技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

第十二章電力電子技術(shù)應(yīng)用實(shí)例第1頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四參考書：電力電子應(yīng)用技術(shù) 葉斌主編 清華大學(xué)出版社 2006

第2頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四§12.1SS4型電力機(jī)車牽引變流器供電系統(tǒng)

一、SS4型電力機(jī)車牽引變流器1、牽引供電方式：轉(zhuǎn)向架獨(dú)立供電方式。2、牽引電路3、整流調(diào)壓電路：四段經(jīng)濟(jì)半控橋整流電路。第3頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四

一、SS4型電力機(jī)車牽引變流器輸出電壓波形用三段橋整流電路實(shí)現(xiàn)四段橋的整流效果，可以提高功率因數(shù)，但由于整流器的負(fù)載為感性負(fù)載，在II←→III段的開關(guān)式轉(zhuǎn)換過程中必然會引起操作過電壓，加之邏輯轉(zhuǎn)換控制所帶來的系統(tǒng)的復(fù)雜性，使系統(tǒng)的可靠性降低。第4頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四

一、SS4型電力機(jī)車牽引變流器4、電阻制動電路：能耗制動（兩級電阻制動），4臺牽引電機(jī)的勵(lì)磁繞組串聯(lián)，由一臺勵(lì)磁半控電路供電。第5頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四

二、SS4改進(jìn)型電力機(jī)車主電路1、與SS4的主要不同點(diǎn)：①采用三段不等分半控橋整流電路；②采用有級分路磁場削弱；③采用加饋電阻制動以提高制動性能。第6頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四2、加饋電阻制動電路

所謂加饋電阻制動是指在電阻制動到低速以后，為了增大制動力，由主整流器提供合適的整流電壓與電樞電勢一起共同產(chǎn)生制動電流和制動力矩。加饋電阻制動的主要優(yōu)點(diǎn)是可以擴(kuò)大制動范圍，在理論上可將最大制動力延伸至速度為零。第7頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四§12.2交流傳動互饋試驗(yàn)臺

隨著對大功率交流傳動系統(tǒng)的研究、開發(fā)和生產(chǎn)，對交流傳動系統(tǒng)的變流器、交流牽引電機(jī)、變流器控制系統(tǒng)、以至機(jī)車的全車控制均需有功率相當(dāng)?shù)脑囼?yàn)檢測設(shè)備，也就是說，需要功能齊全、控制靈活的交流傳動試驗(yàn)臺。第8頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四交流傳動試驗(yàn)臺的主要功能：按照機(jī)車牽引特性進(jìn)行不同級位的牽引運(yùn)行試驗(yàn)按照機(jī)車制動特性要求進(jìn)行再生制動試驗(yàn)；按照機(jī)車恒轉(zhuǎn)矩起動的要求進(jìn)行機(jī)車起動加速試驗(yàn)；逆變器容量足夠大時(shí)，能完成牽引電機(jī)的各種特性試驗(yàn)和有關(guān)參數(shù)測定；電機(jī)容量許可時(shí)，能完成逆變器裝置的考核運(yùn)行試驗(yàn)。第9頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四一、現(xiàn)有試驗(yàn)臺系統(tǒng)能量消耗式（鐵道科學(xué)研究院）特點(diǎn)：耗能大； 不能進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩起動試驗(yàn)； 轉(zhuǎn)速受限制； 配電容量較大。第10頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四能量反饋式（株洲電力機(jī)車研究所）特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜； 不能進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩起動試驗(yàn)； 轉(zhuǎn)速受限制； 配電容量較大。第11頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四二、互饋試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)１、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由脈沖(PWM)整流器，變流器－電機(jī)組Ⅰ，變流器－電機(jī)組Ⅱ及控制系統(tǒng)四部分組成。第12頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四CAN控制總線直流電壓750V(或1500V)20%可調(diào)異步牽引電機(jī)扭矩儀電機(jī)平臺三相進(jìn)線輸入電壓兩級2、互饋試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)第13頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四DC/ACDC/ACAC/DCFilterTr高功率因數(shù)整流控制系統(tǒng)傳動控制策略機(jī)車控制級系統(tǒng)負(fù)載模擬控制系統(tǒng)3、試驗(yàn)臺主電路第14頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四BoostRectifier

io1vo14、PWM整流器第15頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四5、雙逆變器－電機(jī)系統(tǒng)互饋技術(shù)原理第16頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四6、互饋系統(tǒng)能量流轉(zhuǎn)關(guān)系第17頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四7、電牽引軌道動車特性曲線(a)牽引運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)各參量的變化

(b)再生制動時(shí)系統(tǒng)各參量的變化

第18頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四整流機(jī)組100kVAPWM整流器兩組二重化運(yùn)行輸入電壓：380V輸出電壓：750V/1500V8、試驗(yàn)機(jī)組第19頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四變流器兩組容量：500kVA8、試驗(yàn)機(jī)組第20頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四牽引電機(jī)JD106S型異步牽引電機(jī)(200km/h動車組)額定功率：300kW8、試驗(yàn)機(jī)組第21頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四整流器實(shí)驗(yàn)波形變壓器原邊電壓、電流功率因數(shù)近似為1諧波含量小突加負(fù)載時(shí)直流電壓、原邊電流8、試驗(yàn)機(jī)組第22頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四電機(jī)電壓、電流波形直流電壓：1500V電機(jī)輸出功率：122kW電網(wǎng)輸入功率：14kW(a)牽引電機(jī)(b)負(fù)載電機(jī)8、試驗(yàn)機(jī)組第23頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四§12.3光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)型兩種基本類型。

圖8-15獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖用蓄電池作為儲能單元第24頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四圖8-16并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖用電網(wǎng)作為儲能單元第25頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四一個(gè)小功率的并網(wǎng)型光伏發(fā)電裝置實(shí)例（額定功率為200W）圖8-17光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置的主電路

一、主電路第26頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四二、控制電路框圖

圖8-19光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置的控制框圖

SG3525——PWM控制器；TMS320F240——數(shù)字信號處理器作用：①對光伏板最大功率點(diǎn)的跟蹤(MPPT) ②輸出功率的調(diào)節(jié)第27頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四三、太陽電池的輸出特性（即伏安特性）

圖8-18太陽電池的輸出特性和輸出功率

四、最大功率跟蹤方法（登山尋優(yōu)法）第28頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四五、裝置輸出功率的控制

裝置的輸出功率必需與太陽電池板的輸出功率保持匹配，否則會造成中間環(huán)節(jié)電壓過高或過低。

第29頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四圖8-20DSP對逆變器輸出電流的控制

控制原理：將給定的中間環(huán)節(jié)電壓Udc*和實(shí)際的中間環(huán)節(jié)電壓Udc相比較，其誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，得到的輸出電流幅值的指令I(lǐng)o*，Io*與正弦表值相乘，就得到交變的輸出電流指令io*，再將它與實(shí)際的輸出電流比較后，通過電流跟蹤控制的方法控制逆變器的四個(gè)IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷。

第30頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四六、實(shí)驗(yàn)波形圖8-21逆變器輸出端的電壓、電流波形電壓(100V/div)，電流(1A/div)第31頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四

一、不停電電源的用途電力用戶對電網(wǎng)的可靠性及電源質(zhì)量的要求越來越高，通訊系統(tǒng)、重要部門的管理系統(tǒng)，連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備以及中、大型計(jì)算機(jī)等不允許有3～5ms的供電中斷。普通電網(wǎng)電壓存在的問題◆電壓下降◆浪涌過電壓◆供電中斷◆尖峰干擾◆高頻振蕩§12.4不停電電源（UPS）

第32頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四

僅依靠市電供電，其可靠性和質(zhì)量都得不到保障。在這種情況下不停電電源(UPS)應(yīng)運(yùn)而生。

不停電電源是一種在電網(wǎng)發(fā)生中斷故障或電網(wǎng)供電質(zhì)量不能滿足負(fù)載可靠性要求時(shí)，仍能向負(fù)載提供符合要求的交流電的電源。第33頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四二、不停電電源的基本結(jié)構(gòu)

UPS的基本結(jié)構(gòu)是整流充電裝置+逆變裝置，它由整流電路、貯能元件、逆變電路和靜態(tài)開關(guān)幾個(gè)部分組成。第34頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四基本UPS具有并機(jī)式開關(guān)的UPS具有靜止轉(zhuǎn)換開關(guān)的UPS第35頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四1、按工作方式可分為：后備式UPS和在線式UPS后備式UPS：在市電正常時(shí)，由市電直接向負(fù)載提供電源。當(dāng)市電供電中斷時(shí)，蓄電池才對逆變器供電并由逆變器對負(fù)載提供交流電源。在線式UPS：平時(shí)是由交流電—整流—逆變器方式對負(fù)載提供電源的。只有當(dāng)逆變器工作不正常時(shí)，由控制電路發(fā)出信號去控制切換開關(guān)，轉(zhuǎn)換成市電供電。當(dāng)逆變器恢復(fù)正常后，UPS又重新切換到由逆變器對負(fù)載供電。三、不停電電源的分類

目前在市場上后備式和在線式電源同樣受到用戶的歡迎。第36頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四2、按輸出波形可分為：方波輸出和正弦波輸出3、按功率等級可分為：小型UPS電源輸出功率：0.5～10kVA中型UPS電源輸出功率：10～50kVA大型UPS電源輸出功率：50～300kVA輸入輸出方式大型：三相輸入/三相輸出方式中小型：單相輸入/單相輸出方式。第37頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四三種典型的小型UPS電源的主要性能及參數(shù)第38頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、可靠的要求，UPS需要解決的技術(shù)問題主要有以下幾個(gè)方面：1、UPS整流器----既有整流功能，又須保持蓄電池組在額定電平狀態(tài)，因此又具充電器功能；2、UPS逆變器----穩(wěn)頻、穩(wěn)壓、低諧波；3、同步控制----應(yīng)使逆變器的輸出電壓與市電或備用電源之間保持并聯(lián)運(yùn)行的條件，即實(shí)現(xiàn)UPS電源與市電或備用電源相序一致，頻率相同，電壓相等或相近；四、不停電電源需解決的問題

第39頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四4、可靠性和備用性---5、高速靜態(tài)開關(guān)—高速、無延時(shí)。第40頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四在線式UPS簡介

第41頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四§12.5脫硫應(yīng)用

煤在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的廢氣、黑煙，煙氣中的二氧化硫和氮氧化合物含量較高，是造成環(huán)境污染的主要原因之一。控制二氧化硫排放的主要途徑均采用煙氣脫硫技術(shù)。國內(nèi)外對廢水及煙氣中二氧化硫等各種污染物的處理方法很多，其中，脈沖電暈法是目前最有良好應(yīng)用前景并受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注的煙氣脫硫技術(shù)。

第42頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四脈沖電暈法脫硫的基本原理是：

利用脈沖電源產(chǎn)生幾萬伏的窄脈沖電壓，加在脫硫反應(yīng)器的放電極上，使反應(yīng)器中的氣體產(chǎn)生流光電暈放電，放電過程中產(chǎn)生大量的高能電子，其能量高于氣體分子的鍵能，它們和有害氣體分子發(fā)生頻繁的碰撞，打開氣體分子的化學(xué)鍵；同時(shí)流光放電還會產(chǎn)生大量的OH、HO2、0等自由基和氧化性極強(qiáng)的O3，它們與有害氣體分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在有氨加入的條件下，將二氧化硫等污染物轉(zhuǎn)化為硫銨等無害產(chǎn)物，從而達(dá)到煙氣脫硫的目的。

第43頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四

一、高頻高壓脫硫電源的工作原理

1、高頻高壓交直流疊加耦合電路

C1、R1——脫硫反應(yīng)器的等效電路隨著外加電壓的升高，流光放電區(qū)域增強(qiáng)，其等效電阻值隨之非線性減小，在火花放電瞬間相當(dāng)于反應(yīng)器負(fù)載短路。L2——高壓直流耦合電路C2——高壓交流耦合電路

L1——短路限流電感高壓直流電源、高壓交流電源——均采用高頻開關(guān)電源技術(shù)

第44頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四2．高頻高壓交、直流產(chǎn)生電路

高壓直流電路——采用全橋式DC/DC變換電路第45頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四高壓交流電路——全橋逆變電路＋串聯(lián)諧振電路L3——串聯(lián)諧振電感L3、C2和反應(yīng)器電容C1組成串聯(lián)諧振電路

第46頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四§12.6機(jī)車空調(diào)電源

機(jī)車空調(diào)電源分為電力機(jī)車空調(diào)電源（簡稱電力電源）和內(nèi)燃機(jī)車空調(diào)電源（簡稱內(nèi)燃電源）兩種。這兩種空調(diào)電源除了輸入電壓有所不同外，其他方面如應(yīng)用條件、電源指標(biāo)、接口條件等基本相同第47頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四一、機(jī)車空調(diào)電源技術(shù)條件（1）輸入電壓①控制電源輸入電壓：額定值DC110V，變化范圍DC77V～DC143V，對應(yīng)DC110V±30%，取自機(jī)車蓄電池組。②主電路輸入電壓（電力電源）：AC220V，變化范圍AC154V～AC273V，對應(yīng)AC220V+24%-30%，取自電力機(jī)車變壓器輔助繞組；過分相段時(shí)，輸入電壓取自電力機(jī)車蓄電池組，輸入電壓值同控制電源電壓。第48頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四（1）輸入電壓③主電路輸入電壓（內(nèi)燃電源）：DC110V，變化范圍DC70V～DC140V，取自內(nèi)燃機(jī)車輔助發(fā)電機(jī)（輔發(fā)）輸出電壓。機(jī)車空調(diào)電源技術(shù)條件第49頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四機(jī)車空調(diào)電源技術(shù)條件（2）額定輸出容量：5kVA。（3）負(fù)載：機(jī)車空調(diào)機(jī)組，總功率3.3kW。三臺三相異步電動機(jī)，其中室內(nèi)風(fēng)機(jī)300W，室外風(fēng)機(jī)500W，壓縮機(jī)2.5kW。（4）輸出電壓：額定值三相交流電壓380V±5%，50Hz±1%。當(dāng)輸入電壓為低于DC88V（可能發(fā)生在電力機(jī)車過分相段或內(nèi)燃機(jī)車輔發(fā)偏低時(shí)），允許按照V/f=Const.的規(guī)律降頻降壓運(yùn)行。第50頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四機(jī)車空調(diào)電源技術(shù)條件（5）輸出電壓波形：準(zhǔn)正弦波，相對諧波含量≤5%（31次以下諧波含量），失真度≤10%。（6）輸出電壓平衡度：額定輸出電壓時(shí)，各相對稱負(fù)載情況下，三相輸出電壓最大值（或最小值）與三相電壓平均值之差的絕對值與平均電壓值之比不超過1%。第51頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四機(jī)車空調(diào)電源技術(shù)條件（7）輸出電壓穩(wěn)定度：在額定輸入電壓下，帶阻性負(fù)載0~4kW范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定精度應(yīng)不大于±5%；在額定負(fù)載工況下，交流輸入電壓在AC154V~AC273V范圍內(nèi)變化時(shí)（對應(yīng)電力電源），或直流輸入電壓在DC70V~DC140V變化時(shí)（對應(yīng)內(nèi)燃電源），輸出電壓穩(wěn)定精度應(yīng)不大于±5%。

第52頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四（8）保護(hù)功能①輸入電壓保護(hù)值：對應(yīng)電力電源AC283V±10%；對應(yīng)內(nèi)燃電源DC150V±10V。②輸入欠壓保護(hù)值：對應(yīng)電力電源AC150V；對應(yīng)內(nèi)燃電源DC70V。負(fù)載過載（流）保護(hù)值：壓縮機(jī)負(fù)載4.8A±5%；室外風(fēng)機(jī)負(fù)載1.2A±5%；室內(nèi)風(fēng)機(jī)負(fù)載0.6A±5%；第53頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四③短路保護(hù)：先將三相輸出負(fù)載的任意兩相短路，再啟動空調(diào)電源，短路保護(hù)功能應(yīng)動作；在空調(diào)電源正常工作時(shí)，突然將任意兩相負(fù)載短路，短路保護(hù)應(yīng)動作。④對空調(diào)機(jī)組的壓力保護(hù)：當(dāng)空調(diào)機(jī)組的高壓力、低壓力保護(hù)觸點(diǎn)斷開時(shí)，空調(diào)電源停止輸出供電（停機(jī)）。⑤空調(diào)電源過熱保護(hù)：當(dāng)空調(diào)電源散熱器表面溫升超過20K（正常運(yùn)行時(shí)溫升≤20K）時(shí)，空調(diào)電源停機(jī)。第54頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四⑥空調(diào)電源面板上有如下指示：得電、正常運(yùn)行、降頻運(yùn)行、輸入過壓保護(hù)、中間直流過壓保護(hù)、輸入過流保護(hù)、輸出過載保護(hù)（含三種負(fù)載）、短路保護(hù)、散熱器過熱保護(hù)、空調(diào)機(jī)組高、低壓力保護(hù)。

第55頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四（9）啟動功能：變頻軟啟動。啟動時(shí)間≤15s，啟動最大電流值Imax≤1.5Ied，Ied為額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)的輸出電流?？照{(diào)機(jī)組停機(jī)到再重新起機(jī)，時(shí)間間隔不小于60s，電源能自動識別這一段時(shí)間間隔，以保護(hù)空調(diào)機(jī)組。（10）電力機(jī)車空調(diào)電源自動過分相功能：電力電源在有交流和直流雙重輸入供電的情況下，斷開交流電源，電源正常運(yùn)行不停機(jī)，但運(yùn)行時(shí)間超過30s后自動停機(jī)，當(dāng)交流電源重新得電后，又能自動起機(jī)運(yùn)行。第56頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四（11）額定轉(zhuǎn)換效率：電源在額定輸入電壓、額定負(fù)載下測量時(shí)，轉(zhuǎn)換效率不小于85%。（12）電磁兼容性能：空調(diào)電源的EMC性能應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)TB/T3034-2002。（13）重量與外形尺寸：電源重量≤65kg；最大外形尺寸：680×460×350mm（L×W×H）。第57頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四（14）噪聲與防護(hù)等級：噪聲不大于70dB（在距電源中心點(diǎn)3m處測量）。電源防護(hù)等級為IP54。（15）安裝與布線條件：空調(diào)電源采取壁掛式或臥式安裝，一般安裝在能防止風(fēng)、沙、雨雪直接侵襲的車體內(nèi)或車體外部的箱體內(nèi)，并確保電源安裝平穩(wěn)，振動烈度不得超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。安裝位置要遠(yuǎn)離熱源，安裝部位不得直接或間接給電源箱加熱，風(fēng)道暢通，至少距進(jìn)風(fēng)口150mm及出風(fēng)口300mm內(nèi)無障礙物。第58頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四（16）電源的使用條件：工作溫度：-25℃～70℃；儲存溫度：-40℃～85℃。大氣條件為：空氣中不得有過多酸、鹽、腐蝕性氣體及爆炸性氣體，最大相對濕度為90%（該月月平均最低溫度為25℃）。海拔高度：不超過2500m。振動及沖擊：電源要承受1～100Hz的垂向、橫向和縱向正弦波振動及沖擊，振動幅值為：A=25/f（mm），f=1～10Hz；A=250/f2（mm）,f=10～100Hz。最大沖擊加速度為：垂向10m/s2，橫向20m/s2，縱向（沿列車運(yùn)行方向）30m/s2。第59頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四（17）絕緣介電強(qiáng)度要求：空調(diào)電源的主電路及控制電路的絕緣部分對地承受的絕緣耐壓為：AC1500V工頻試驗(yàn)電壓加一分鐘無擊穿或閃絡(luò)現(xiàn)象。用500V兆歐表測量空調(diào)電源的主電路及控制電路的絕緣部分對地絕緣電阻應(yīng)不小于1MΩ。

第60頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四

二、電力/內(nèi)燃機(jī)車空調(diào)電源１、主電路第61頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四第62頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四２、控制電路框圖第63頁，共71頁，2023年，2月20日，星期四§12.7交流傳動地鐵動車牽引變流器

一、交流傳動牽引變流器主