全電力電子技術課件西交大王兆安版.pptVIP

電力電子技術,西安交通大學 王兆安 黃俊 主編 (第四版) 機械工業(yè)出版社,1.1 什么是電力電子技術,電力電子技術的概念 可以認為，所謂電力電子技術就是應用于電力領域的電子技術。 電力電子技術中所變換的“電力” 有區(qū)別于“電力系統(tǒng)”所指的“電力” ，后者特指電力網(wǎng)的“電力” ，前者則更一般些。 電子技術包括信息電子技術和電力電子技術兩大分支。通常所說的模擬電子技術和數(shù)字電子技術都屬于信息電子技術。,1.1 什么是電力電子技術,具體地說，電力電子技術就是使用電力電子器件 對電能進行變換和控制的技術。 電力電子器件的制造技術是電力電子技術的基 礎。 變流技術則是電力電子技術的核心。,表1-1 電力變換的種類,1.1 什么是電力電子技術,電力電子學 美國學者W. Newell認為電力電子學是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的。,圖1-1 描述電力電子學的倒三角形,1.1 什么是電力電子技術,電力電子技術和電子學 電力電子器件的制造技術和用于信息變換的電子 器件制造技術的理論基礎（都是基于半導體理論） 是一樣的，其大多數(shù)工藝也是相同的。 電力電子電路和信息電子電路的許多分析方法也 是一致的。 電力電子技術和電力學 電力電子技術廣泛用于電氣工程中，這是電力電 子學和電力學的主要關系。,1.1 什么是電力電子技術,各種電力電子裝置廣泛 應用于高壓直流輸電、靜止 無功補償、電力機車牽引、 交直流電力傳動、電解、勵 磁、電加熱、高性能交直流 電源等之中，因此，無論是 國內國外，通常都把電力電 圖1-2 電氣工程的雙三角形描述 子技術歸屬于電氣工程學科。在我國，電力電子與電力傳 動是電氣工程的一個二級學科。圖1-2用兩個三角形對電 氣工程進行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級學 科和其他學科的關系，小三角形則描述了電氣工程一級學 科內各二級學科的關系。,1.1 什么是電力電子技術,電力電子技術和控制理論 控制理論廣泛用于電力電子技術中，它使電力電 子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們日益增長的各種 需求。電力電子技術可以看成是弱電控制強電的技 術，是弱電和強電之間的接口。而控制理論則是實 現(xiàn)這種接口的一條強有力的紐帶。 另外，控制理論是自動化技術的理論基礎，二 者密不可分，而電力電子裝置則是自動化技術的基 礎元件和重要支撐技術。,電力電子技術的發(fā)展史,圖1-3 電力電子技術的發(fā)展史,一般認為，電力電子技術的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管為標志的。,1.2 電力電子技術的發(fā)展史,晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術的史前期或黎 明期。 1904年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對電子流進行控 制，并應用于通信和無線電，從而開啟了電子技術用于電 力領域的先河。 20世紀30年代到50年代，水銀整流器廣泛用于電化學 工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機的傳 動，甚至用于直流輸電。這一時期，各種整流電路、逆變 電路、周波變流電路的理論已經發(fā)展成熟并廣為應用。在 這一時期，也應用直流發(fā)電機組來變流。 1947年美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了 電子技術的一場革命。,1.2 電力電子技術的發(fā)展史,晶閘管時代 晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使 之很快就取代了水銀整流器和旋轉變流機組，并且 其應用范圍也迅速擴大。電力電子技術的概念和基 礎就是由于晶閘管及晶閘管變流技術的發(fā)展而確立 的。 晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導通而不 能使其關斷的器件，屬于半控型器件。對晶閘管電 路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱相控方式。 晶閘管的關斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實 現(xiàn)。這就使得晶閘管的應用受到了很大的局限。,1.2 電力電子技術的發(fā)展史,全控型器件和電力電子集成電路（PIC） 70年代后期，以門極可關斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管 （BJT）和電力場效應晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器 件迅速發(fā)展。全控型器件的特點是，通過對門極（基極、柵極）的控 制既可使其開通又可使其關斷。 采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調制（PWM） 方式。相對于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式，簡稱斬控方式。 在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復合 型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復合，綜合了兩者的優(yōu)點。 與此相對，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT） 復合了MOSFET和GTO。,1.2 電力電子技術的發(fā)展史,把驅動、控制、保護電路和電力電子器件集成在 一起，構成電力電子集成電路（PIC），這代表了 電力電子技術發(fā)展的一個重要方向。電力電子集成 技術包括以PIC為代表的單片集成技術、混合集成 技術以及系統(tǒng)集成技術。 隨著全控型電力電子器件的不斷進步，電力電子 電路的工作頻率也不斷提高。與此同時，軟開關技 術的應用在理論上可以使電力電子器件的開關損耗 降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度。,1.3 電力電子技術的應用,電力電子技術的應用范圍十分廣泛。它不僅用于 一般工業(yè)，也廣泛用于交通運輸、電力系統(tǒng)、通信 系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調 等家用電器及其他領域中也有著廣泛的應用。 一般工業(yè) 工業(yè)中大量應用各種交直流電動機，都是用電力電子裝置進行調速的。 一些對調速性能要求不高的大型鼓風機等近年來也采用了變頻裝置，以達到節(jié)能的目的。,1.3 電力電子技術的應用,圖1-4 AB變頻器,有些并不特別要求調速的電機為 了避免起動時的電流沖擊而采用了 軟起動裝置，這種軟起動裝置也是 電力電子裝置。 電化學工業(yè)大量使用直流電源， 電解鋁、電解食鹽水等都需要大容 量整流電源。電鍍裝置也需要整流 電源。 電力電子技術還大量用于冶金工 業(yè)中的高頻或中頻感應加熱電源、 淬火電源及直流電弧爐電源等場合。,1.3 電力電子技術的應用,交通運輸 電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術。電氣機車中的 直流機車中采用整流裝置，交流機車采用變頻裝置。直流 斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電 力電子技術更是一項關鍵技術。除牽引電機傳動外，車輛 中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術。 電動汽車的電機依靠電力電子裝置進行電力變換和驅 動控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺高 級汽車中需要許多控制電機，它們也要靠變頻器和斬波器 驅動并控制。 飛機、船舶和電梯都離不開電力電子技術。,1.3 電力電子技術的應用,電力系統(tǒng) 據(jù)估計，發(fā)達國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能 至少經過一次以上電力電子變流裝置的處理。 直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，其送電端的整 流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主 要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（FACTS） 也是依靠電力電子裝置才得以實現(xiàn)的。 晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止 無功發(fā)生器（SVG）、有源電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量 用于電力系統(tǒng)的無功補償或諧波抑制。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置 還可用于防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等，以進行電能質 量控制，改善供電質量。 在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池 充電等都需要電力電子裝置。,1.3 電力電子技術的應用,圖1-5 中國南方電網(wǎng)公司安順換流站,圖1-6 靜止無功發(fā)生器（上）和 晶閘管投切電容器（下）,1.3 電力電子技術的應用,電子裝置用電源 各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流 電源供電。通信設備中的程控交換機所用的直流電 源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型 器件的高頻開關電源。大型計算機所需的工作電源、 微型計算機內部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關電源。 在大型計算機等場合，常常需要不間斷電源 （Uninterruptible Power Supply_ UPS）供電，不 間斷電源實際就是典型的電力電子裝置。,1.3 電力電子技術的應用,家用電器 電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量 能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。 空調、電視機、音響設備、家用計算機， 不少洗衣機、 電冰箱、微波爐等電器也應用了電力電子技術。 其它 航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器 也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術。 抽水儲能發(fā)電站的大型電動機需要用電力電子技術來 起動和調速。超導儲能是未來的一種儲能方式，它需要強 大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術。,1.3 電力電子技術的應用,新能源、可再生能源發(fā)電比如風 力發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要用電力 電子技術來緩沖能量和改善電能質 量。當需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) 時，更 離不開電力電子技術。 核聚變反應堆在產生強大磁場和 注入能量時，需要大容量的脈沖電 源，這種電源就是電力電子裝置。 科學實驗或某些特殊場合，常常需 要一些特種電源，這也是電力電子 技術的用武之地。,圖1-7 風場,1.4 本教材的內容簡介,本教材的內容,1.6.1 電力電子器件驅動電路概述,驅動電路主電路與控制電路之間的接口,使電力電子器件工作在較理想的開關狀態(tài)，縮短開關時間，減小開關損耗。 對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。 一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通過驅動電路實現(xiàn)。,驅動電路的基本任務：,將信息電子電路傳來的信號按控制目標的要求，轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號。 對半控型器件只需提供開通控制信號。 對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號。,2,驅動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。 光隔離一般采用光耦合器 磁隔離的元件通常是脈沖變壓器,圖1-25 光耦合器的類型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型,1.6.1 電力電子器件驅動電路概述,3,按照驅動信號的性質，可分為電流驅動型和電壓驅動型。 驅動電路具體形式可以是分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅動電路。,分類,1.6.1 電力電子器件驅動電路概述,4,1.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路,晶閘管的觸發(fā)電路作用,產生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉為導通。,晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求：,脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通。 觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度。 不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內。 有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。,5,V1、V2構成脈沖放大環(huán)節(jié)。 脈沖變壓器TM和附屬電路構成脈沖輸出環(huán)節(jié)。 V1、V2導通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。,圖1-27 常見的晶閘管觸發(fā)電路,常見的晶閘管觸發(fā)電路,1.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路,6,1.6.3 典型全控型器件的驅動電路,1) 電流驅動型器件的驅動電路,GTR驅動電路應滿足下列要求：,開通驅動電流應使GTR處于準飽和導通狀態(tài)，使之不進入放大區(qū)和深飽和區(qū)。 關斷GTR時，施加一定的負基極電流有利于減小關斷時間和關斷損耗。 關斷后同樣應在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負偏壓。,7,圖1-31 GTR的一種驅動電路,GTR驅動電路包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。,驅動GTR的集成驅動電路中，THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL較為常見。,1.6.3 典型全控型器件的驅動電路,8,為快速建立驅動電壓，要求驅動電路輸出電阻小。 使MOSFET開通的驅動電壓一般1015V，使IGBT開通的驅動電壓一般15 20V。 關斷時施加一定幅值的負驅動電壓（一般取-5 -15V）有利于減小關斷時間和關斷損耗。 在柵極串入一只低值電阻，可以減小寄生振蕩。,2) 電壓驅動型器件的驅動電路,1.6.3 典型全控型器件的驅動電路,電壓驅動型器件的驅動電路應滿足下列要求：,電力MOSFET和IGBT是電壓驅動型器件。,9,1.6.3 典型全控型器件的驅動電路,(1) 電力MOSFET的一種驅動電路 電氣隔離和晶體管放大電路兩部分,專為驅動電力MOSFET而設計的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅動電壓+15V和-10V。,圖1-32 電力MOSFET的一種驅動電路,10,(2) IGBT的驅動,常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和 M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。,多采用專用的混合集成驅動器。,1.6.3 典型全控型器件的驅動電路,11,1.7 電力電子器件的保護,1.7.1 過電壓的產生及過電壓保護 1.7.2 過電流保護 1.7.3 緩沖電路,12,1.7.1 過電壓的產生及過電壓保護,外因過電壓：主要來自系統(tǒng)操作過程和雷擊等外因 操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起 雷擊過電壓：由雷擊引起 內因過電壓：主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程 換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管在換相結束后，不能立即恢復阻斷能力，有較大的反向電流流過，當恢復阻斷能力后，反向電流急劇減小，會因線路電感在器件兩端感應出過電壓。 關斷過電壓：全控型器件關斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。,電力電子裝置可能的過電壓外因過電壓和內因過電壓,13,電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。 其中RC3和RCD為抑制內因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇。,1.7.1 過電壓的產生及過電壓保護,過電壓保護措施,14,圖1-34 過電壓抑制措施及配置位置,1.7.2 過電流保護,過電流過載和短路兩種情況 保護措施,同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性和合理性。 電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分 區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時實現(xiàn)保護。,15,對一些重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設備，或者工作頻率較高、很難用快速熔斷器保護的全控型器件，需采用電子電路進行過電流保護。 常在全控型器件的驅動電路中設置過電流保護環(huán)節(jié)，這對器件過電流響應是最快 。,1.7.2 過電流保護,16,1.7.3 緩沖電路,關斷緩沖電路（du/dt抑制電路）吸收器件的關斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關斷損耗。 開通緩沖電路（di/dt抑制電路）抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。 復合緩沖電路關斷緩沖電路和開通緩沖電路的結合。 通常將緩沖電路專指關斷緩沖電路，將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路。,緩沖電路(Snubber Circuit) ： 又稱吸收電路，其作用是抑制器件的內因過電壓、du/dt或者過電流和di/dt，減小器件的開關損耗。,17,1.7.3 緩沖電路,緩沖電路作用分析,充放電型RCD緩沖電路，適用于中等容量的場合。,18,另外兩種常用的緩沖電路 RC緩沖電路主要用于小容量器件，而放電阻止型RCD緩沖電路用于中或大容量器件。,1.7.3 緩沖電路,19,圖1-40 另外兩種常用的緩沖電路,圖1-42 電力電子器件分類“樹”,本章小結,主要內容 介紹各種主要電力電子器件的基本結構、工作原理、基本特性和主要參數(shù)等。 集中討論電力電子器件的驅動、保護。,電力電子器件類型歸納 單極型：電力MOSFET 雙極型：電力二極管、晶閘管、GTO、GTR 復合型：IGBT,20,本章小結,特點：輸入阻抗高，所需驅動功率小，驅動電路簡單，工作頻率高。 電流驅動型：雙極型器件 特點：具有電導調制效應，因而通態(tài)壓降低，導通損耗小，但工作頻率較低，所需驅動功率大，驅動電路較復雜。,電壓驅動型：單極型器件和復合型器件,21,IGBT為主體，第四代產品，制造水平2.5kV / 1.8kA，兆瓦以下首選。仍在不斷發(fā)展，與IGCT等新器件激烈競爭，試圖在兆瓦以上取代GTO。 GTO：兆瓦以上首選，制造水平6kV / 6kA。 光控晶閘管：功率更大場合，8kV/3.5kA，裝置最高達300MVA，容量最大。 電力MOSFET：長足進步，中小功率領域特別是低壓場合，地位牢固。 功率模塊和功率集成電路是現(xiàn)代電力電子發(fā)展的一個共同趨勢。,本章小結,當前的格局:,22,預習第二章第一節(jié) 單相可控整流電路 思考題： 1、單相可控整流電路有哪幾種？ 2、什么是阻感負載？什么是電感負載？ 3、分析電力電子電路的方法是什么？,第二章 整流電路, 2.1、電力二極管(Power Diode),3、封裝,5、伏安特性, 2.2、晶閘管(SCR、VT),一、結構,3、封裝,4、雙體晶體管模型,二、工作原理,A-、K+、G任意 VT不通,A+、K- G+ VT通；G為零，VT不通,VT導通后；G任意，VT通,VT導通后；Ia或Uak接近于“0”，VT關斷,三、晶閘管基本特性,1、伏安特性,雪崩擊穿,2、晶閘管電流定額,2.1 通態(tài)平均電流IT（AV） 是工頻正弦半波的通態(tài)電流在一個整周期內的平均值。,2.2 有效電流 通過電流的熱效應來定義，把交流電流一個周期內消耗的能量等效用一個直流電流值來代替。,=,2.3單相半波可控整流電路,一、阻性負載,二、阻感負載,三、帶續(xù)流二極管 單相半波可控整流電路,晶閘管電流 平均值,晶閘管電流 有效值,續(xù)流二極管 電流平均值,有效值,小結:單相半波可控 整流電路的特點,1、電路簡單，但輸出脈動大；,2、變壓器二次側電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。,3、實際上很少應用此種電路，分析該電路的主要目的在于利用其簡單易學的特點，建立起整流電路的基本概念,聲光自熄開關,1、要求 白天燈不亮； 晚上無聲音時燈不亮； 晚上有聲音時燈亮。,2、原理框圖,聲光自熄開關（一）原理分析 （白天）,12V,1.2 k,低,高,低,高,低,低,低,聲光自熄開關（一）原理分析 （晚上無聲音）,4M,高,低,高,低,高,低,低,聲光自熄開關（一）原理分析 （晚上有聲音）,4M,高,高,低,高,低,高,高,聲光自熄開關（二）,2.4 單相橋式全控整流電路,一、阻性負載,二、阻感負載,晶閘管移相范圍為90； 晶閘管導通角與a無關，均為180 。,晶閘管電流平均值,晶閘管電流有效值,q,三、反電動勢負載,1、在|u2|E 時，晶閘管承受正電壓，有導通的可能,導通之后,2、直至|u2|=E，id即降至0使得晶閘管關斷，此后ud=E與電阻負載時相比，晶閘管提前了電角度停止導電，稱為停止導電角。,2.5 單相橋式半控整流電路,1、至時間段內，電流流經VT1、L、R、VD4至變壓器；,2、至+ 時間段內，電流流經VT1、L、R、VD2；,3、 + 至2時間段內，電流流經VT3、L、R、VD2至變壓器；,4、 2至2 + 時間段內，電流流經VT3、L、R、VD4至變壓器；,2.6 三相半波可控整流電路,變壓器一次側：三角形；二次側：星形。,晶閘管：共陰極接法,二極管換相：電流從一個二極管向另一個二極管轉移。,uab,uac,自然換相點是晶閘管觸發(fā)角的起點。,=0,一、電阻負載,=300時三相半波可控整流電路,a=30時的波形 負載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài),uab,uac,=600時三相半波可控整流電路, 30時的波形 負載電流處于斷續(xù)狀態(tài), =150時的波形 負載電壓、電流為零,三相半波可控整流電路整流電壓平均值的計算,（1）a30時，負載電流連續(xù)，有：,當a=0時，Ud最大,（2）a30時，負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角減小，此時有：,負載電流平均值為：,晶閘管承受的最大反向電壓為變壓器二次線電壓峰值：,晶閘管陽極與陰極間的最大正向電壓等于變壓器二次相電壓的峰值：,二、阻感負載,例1：,在三相半波整流電路中，如果a相的觸發(fā)脈沖消失，試繪出在電阻性負載和電感性負載下整流電壓ud的波形。,d2,d1,2.6 三相橋式全控整流電路,一、電阻負載（=00）,=300, =300時的工作情況 ： 1、晶閘管起始導通時刻推遲了30，組成ud的每 一段線電壓因此推遲30 2、從t1開始把一周期等分為6段，ud波形仍由6段 線電壓構成，每一段導通晶閘管的編號等仍符合 表2-1的規(guī)律 3、變壓器二次側電流ia波形的特點：在VT1處于 通態(tài)的120期間，ia為正，ia波形的形狀與同時 段的ud波形相同，在VT4處于通態(tài)的120期間， ia波形的形狀也與同時段的ud波形相同，但為負 值。,=600,ud波形中每段線電壓的波形繼續(xù)后移，ud平均值繼續(xù)降低。a=60時ud出現(xiàn)為零的點。,a =600,d1,d2,=900,小結 v 當a60時，ud波形均連續(xù)，對 于電阻負載，id波形與ud波形形狀 一樣，也連續(xù)； v 當a60時，ud波形每60中有一段 為零，ud波形不能出現(xiàn)負值； v 帶電阻負載時三相橋式全控整流 電路a 角的移相范圍是120,二、三相橋式全控整流電路阻感負載,圖1 三相橋式全控整流電路帶阻感負載a =0時的波形,圖2 三相橋式全控整流電路帶阻感負載a =30時的波形,圖3 三相橋式全控整流電路帶阻感負載a =90時的波形,阻感負載時的工作情況 60時 ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負載時相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。, 60時 阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同，電阻負載時ud波形不會出現(xiàn)負的部分，而阻感負載時，由于電感L的作用，ud波形會出現(xiàn)負的部分。帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的a 角移相范圍為90,三相橋式全控整流電路定量分析,當整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負載時，或帶電阻負載a60時）的平均值為：,帶電阻負載且a 60時，整流電壓 平均值為：,輸出電流平均值為 ：Id=Ud /R,當整流變壓器采用星形接法，帶阻感負載時，變壓器二次側電流波形為正負半周各寬120、前沿相差180的矩形波，其有效值為：,接反電勢阻感負載時的Id為：,2.7 整流電路的有源逆變,逆變把直流電轉變成交流電，整流的逆過程。,l 如：電力機車下坡行駛，機車的位能轉變?yōu)殡娔?，反送到交流電網(wǎng)中去。,1、兩電動勢同極性UdEM 電動機運轉,2、兩電動勢同極性EMUd 電動機回饋制動,3、實際上形成短路,逆變產生的條件,單結晶體管,工作原理和特性曲線,IEO,谷點電壓C,單結晶體管振蕩電路,單結晶體管觸發(fā)電路,單結晶體管觸發(fā)電路 (二),雙向晶閘管,吊 扇 調 速 電 路,觸摸式調光臺燈,觸電的形式,保護接地,將電氣設備在正常運行情況下不帶電的金屬外殼或構架用足夠粗的金屬線（例如鋼筋）與接地體可靠地鏈接起來，以保護人身的安全。,保護接零,在1000伏以下接地良好的三相四線制系統(tǒng)中，例如380/220伏系統(tǒng)，電氣設備的外殼或構架與系統(tǒng)的零線相接，即保護接零。,重復接地,在采用保護接零時，除系統(tǒng)的中點接地外，還必須在零線上一處或者多處進行接地。,在同一配電系統(tǒng)中，不允許一部分電氣設備采用保護接地，而另一部分電氣設備采用保護接零。,第三章 直流斬波電路,直流斬波電路： 一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，不包括直流交流直流?開關電源向輕、小、薄、高頻化、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。,第一個階段是功率半導體器件從雙極型器件(SCR、GTO)發(fā)展為MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等)，使電力電子系統(tǒng)有可能實現(xiàn)高頻化，并大幅度降低導通損耗，電路也更為簡單。,第二個階段自20世紀80年代開始，高頻化和軟開關技術的研究開發(fā)，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開關技術是過去20年國際電力電子界研究的熱點之一。,第三個階段從20世紀90年代中期開始，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊(IPEM)技術開始發(fā)展，它是當今國際電力電子界亟待解決的新問題之一。,MOSFET,電力場效應晶體管,電力MOSFET靜態(tài)特性,轉移特性： 漏極電流和柵源間電壓的關系,電力MOSFET動態(tài)特性,uGSP：非飽和區(qū)柵壓 uT： 開啟電壓,IGBT的結構和工作原理,IGBT則結合了雙極型功率晶體管和MOSFET的優(yōu)點 ： 驅動功率??； 控制電路簡單； 開關損耗??； 0.055 mJ/A 通斷速度快和工作頻率較高； 硬開關頻率可達150kHz，軟開 關電路中可達300kHz 耐壓高 應用6600V，實驗室8000V,E,線性穩(wěn)壓電源方框圖,降壓斬波電路 （Buck Chopper）,斬波電路三種控制方式（根據(jù)對輸出電壓 平均值進行調制的方式不同而劃分） 1、T不變，變ton 脈沖寬度調制（PWM） 2、ton不變，變T 頻率調制 3、ton和T都可調，改變占空比混合型,升壓斬波電路 (Boost Chopper ),1、V通時，E向L充電，充電電流恒為I1，同時C的電壓向負載供電，因C值很大，輸出電壓Uo為恒值。設V通的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為：,2、V斷時，E和L共同向C充電并向負載R供電。設V斷的時間為toff，則此期間電感L釋放能量為：,升降壓斬波電路,1、V通時，電源E經V向L供電使其貯能，此時電流為i1。同時，C維持輸出電壓恒定并向負載R供電。,2、V斷時，L的能量向負載釋放，電流為i2。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。,一個周期T內電感L兩端電壓uL對時間的積分為零,當V處于通態(tài)期間，uL = E；而當V處于斷態(tài)期間， uL = - uo；,Sepic斬波電路,1、當V處于通態(tài)時，EL1V回路和C1VL2回路同時導電，L1和L2貯能。,2、V斷時，EL1C1VD回路和L2VDR回路分別流過電流；,開關電源分類,1、按負載與開關管 聯(lián)接方式分：,晶體管開關穩(wěn)壓電源,半橋型開關穩(wěn)壓電源,波形分析,U1,半橋型開關穩(wěn)壓電源主電路,反饋控制,4 交流電力控制電路和交交變頻電路,改變電壓電流 或電路通斷,改變頻率的電路,4.1交流調壓電路,一、電阻負載,二、阻感負載,負載電壓有效值,晶閘管電流有效值,在t = a 時刻開通VT1，負載電流滿足,= , = ,(=0),1、VT1提前導通，L被過充電，放電時間延長， VT1的導通角超過；,2、觸發(fā)VT2時， io尚未過零， VT1仍導通， VT2不通；,3、io過零后， VT2導通， VT2導通角小于；,4、io由兩個分量組成：正弦穩(wěn)態(tài)分量、指數(shù)衰減分量；衰減過程中， VT1導通時間漸短， VT2的導通時間漸長，最終VT1、VT2導通角趨近于 。,三、斬控式交流調壓電路,4.2 三相交流調壓電路,星形 聯(lián)接,線路控制 三角形 聯(lián)接,支路控制 三角形 聯(lián)接,中點控制 三角形 聯(lián)接,=00,三相全波星形連接的調壓電路,相電壓過零點定為a的起點，a =0時一直有三個晶閘管導通；,VT1- VT6,依次相差60,VT1- VT6,導通角為180,=300,VT4,t=00-300 時 VT5,VT6導通， uRA=O,t=300-600 VT1、VT5、VT6導通， uRA= uA,t=600-900 VT1、VT6導通， uRA= uAB/2,t=900-1200 VT1、VT2、VT6導通， uRA= uA,t=1200-1500 VT1、VT2導通， uRA= uAC /2,t=1500-1800 VT1、VT2、VT3導通， uRA= uA,=900,t=900-1500 時 VT1,VT6導通， uRA= uAB/2,t=1500-2100 VT1、VT2導通， uRA= uAC /2,t=2100-2700 VT2、VT3導通， uRA=0,t=2700-3300 VT3、VT4導通， uRA= -uAB/2,t=3300-3900 VT4、VT5導通， uRA= -uAC /2,t=3900-4500 VT5、VT6導通， uRA= 0,=1200,總結： 1、 060三管導通與兩管導通交替，每管導通180- ，但=0時一直是三管導通；,2、6090兩管導通，每管導通120；,3、90150：兩管導通與無晶閘管導通交替，導通角度為300-2。,4.2 單相交交變頻電路, 交交變頻電路把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調頻率的交流電，屬于直接變頻電路。, 廣泛用于大功率交流電動機調速傳動系統(tǒng)，實用的主要是三相輸出交交變頻電路。,電路構成,1、P組工作時，負載電流io為正;N組工作時，io為負；,基本工作原理,2、兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該頻率的交流電。改變兩組變流器的切換頻率，就可改變輸出頻率。,3、改變變流電路的控制角a，就可以改變交流輸出電壓的幅值；,4、為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對a角進行調制；,5、在半個周期內讓P組a 角按正弦規(guī)律從90減到0或某個值，再增加到90，每個控制間隔內的平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零增至最高，再減到零。另外半個周期可對N組進行同樣的控制；,二、整流與逆變工作狀態(tài),整流,逆變,整流,逆變,t2-t3 ：uo反向，io仍為正，正組逆變，輸出功率為負；,t1-t2：uo和io均為正，正組整流，輸出功率為正；,t4-t5 ：uo反向，io仍為負，負組逆變，輸出功率為負；,t3-t4：uo和io均為負，反組整流，輸出功率為正；,阻斷,阻斷,單相交交變頻電路電壓和電流波形圖,考慮無環(huán)流工作方式下io過零的死區(qū)時間，一周期可分為6段,第1段io 0 反組逆變,第五章 逆變電路,1）定義：將逆變電路的交流側接到交流電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流電反送到電網(wǎng)去。 2）應用：直流電機的可逆調速、高壓直流輸電和太陽能發(fā)電等方面。,有源逆變:,無源逆變,1）定義：逆變器的交流側不與電網(wǎng)聯(lián)接，而是直接接到負載，即將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負載 2）應用：它在交流電機變頻調速、感應加熱、不停電電源等方面應用十分廣泛，是構成電力電子技術的重要內容。,單相橋式逆變電路,換流電流從一個支路向另一個支路轉移的過程， 也稱換相。,無源逆變換流方式分類,1、器件換流 利用全控型器件的自關斷能力進行換流。,2、電網(wǎng)換流 由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流。,3、強迫換流 設置附加的換流電路，給欲關斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流。,直接耦合式 強迫換流,4、負載換流,單相半橋電壓型逆變電路,逆變電路按其直流電源性質分：電壓型和電流型, 特點 (1) 直