恒功率负载带前级整流器

图13-1交流配电系统的小信号等效电路如图13-12所示。电路中，母线同时接有恒功率负载和恒电压负载，两种负载分别用P和R来表示。恒电压负载同样具有大信号特征。恒功率负载的阻抗是负的工作电压阻抗。图13-12中，源子系统包含发电机、传输线、电缆、过滤器以及母线输入测的配电系统等效电路。

图13-12 图13-1系统的小信号等效电路

图13-12电路的小信号变换函数为：

考虑到系统的实部是负极性的，小信号稳定的充分必要条件由下式决定：

R_eq.通常很小，所以式（13-29）是成立的。因此，对系统稳定而言，重要的是满足（13-30）约束条件。式（13-30）右边第二项体现的是源子系统和其配电系统的影响，它与等效电路参数及额定输出电压有效值有关。为了保证配电系统小信号稳定，恒功率负载的功率必须小于恒电压负载的功率加上。

如果第二项本身已经大于恒功率负载的功率，即便没有阻性负载，系统也是稳定的。这是因为改进了的稳定条件。例如表13-1给出的典型配电系统参数，式（13-30）中右边第二项为13.225kW。这意味着如果恒功率负载的功率低于13.225kW，系统就是稳定的，与有没有电阻负载无关。但是，这个功率远小于稳定系统负载的功率，因为对稳定起决定性作用的是恒功率负载和恒电压负载的功率差。这个功率差必须小于13.225kW，以确保系统稳定。

表13-1 源子系统参数的一个范例

与直流配电系统类似，基于式（13-30），为使系统稳定，有四组可能的措施。第一是增加R_eq，这一方法会增加损耗，因而不实用；第二是减小L_eq.，也不可行，但是在设计阶段，可以考虑选择尽可能低的电感方案；第三是增加C_eq.，只要加个滤波器即可；第四是增加V_o，rms。多数情况下，电压不会超过系统的额定电压。但是较高的基值额定电压负阻抗稳定性好于低基值电压系统。

实际的电力电子负载

前文已述，调制型变换器吸收恒功率。快速响应、低输出脉动变换器的阻抗特性为负。开环或者较弱的闭环电力电子变换器不具备这一特征。

图13-13中，一个DC/DC升压变换器驱动一个独立的直流电机，直流电机的转矩—转速特性是线性的。闭环控制的任务是维持转速恒定。如果控制器是高性能、快速响应及精确调制的，那么即使在DC/DC变换器的输入侧有些扰动，速度也是固定的，这是恒功率的吸收特征。但是在某些实际应用中，由于高质量控制器的价格原因，这些是较差的控制器或电压调节器。开环控制器和弱闭环控制器不能保证恒速。实际上，变换器的输入端扰动将引起速度变化，转矩和功率随之变化，由此导致变换器功率不再恒定，这是实际系统，例如不间断电源（UPS）^［2］，没有负阻抗不稳定问题的主要原因。

作为示例，我们考虑以下连接与直流配电系统的他励直流电机。图13-14是其等效电路。(www.xing528.com)

图13-13 从配电系统中吸收恒功率的精确调制型DC/DC升压变换器

图13-14 他励直流电机等效电路

直流电机的电压和转矩方程：

假设负载的转矩—转速特性为：

T_L=K′ω_m （13-32）

用表13-2给出的参数，我们对直流电机进行了仿真，如图13-15所示，其中输入电压在t=40s时由220V跃变到240V。

表13-2 直流电机及负载参数

由图13-15可见，电压突变产生了一个瞬变响应。在这个瞬变过程中，输入电压的增加引起输入电流增加，输入功率是非恒定的。因此，负载具有正增量阻抗特性，但它不会像负增量阻抗特性一样引起系统不稳定。一个严格调制型速度控制器即使在输入侧电压有变化的情况下仍然可以维持转速恒定，因此功率维持不变，相应地，输入电压增加时，输入电流降低，这就是负增量特性。

图13-15 输入电压20V跃变时直流电机的动态响应

a）输入电压，电流和功率 b）转速，转矩和输出功率