（推薦）電力電子技術(shù)課件(西交大王兆安版)

1、1 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 西安交通大學(xué) 王兆安 黃俊 主編 (第四版) 機(jī)械工業(yè)出版社 2 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù) 電力電子技術(shù)的概念電力電子技術(shù)的概念 可以認(rèn)為，所謂電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于可以認(rèn)為，所謂電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電電 力力領(lǐng)域的領(lǐng)域的電子電子技術(shù)。技術(shù)。 電力電子技術(shù)中所變換的電力電子技術(shù)中所變換的“電力電力” 有區(qū)有區(qū) 別于別于“電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)”所指的所指的“電力電力” ，后者特，后者特 指電力網(wǎng)的指電力網(wǎng)的“電力電力” ，前者則更一般些。，前者則更一般些。 電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子 技術(shù)兩大分支。通常所說

2、的模擬電子技術(shù)和數(shù)技術(shù)兩大分支。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù) 字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。 3 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù) 具體地說，電力電子技術(shù)就是使用具體地說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器電力電子器 件件 對(duì)對(duì)電能電能進(jìn)行進(jìn)行變換變換和和控制控制的技術(shù)。的技術(shù)。 電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的 基基 礎(chǔ)。礎(chǔ)。 變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。 輸入輸入 輸出輸出 交流交流（AC） 直流直流（DC） 直流直流（DC）整流整流 直流斬波直流斬波 交流交流（AC） 交流電

3、力控制交流電力控制 變頻、變相變頻、變相 逆變逆變 表表1-1 電力變換的種類電力變換的種類 4 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù) 電力電子學(xué)電力電子學(xué) 美國學(xué)者美國學(xué)者W. Newell認(rèn)為電力電子學(xué)是由認(rèn)為電力電子學(xué)是由電電 力學(xué)力學(xué)、電子學(xué)電子學(xué)和和控制理論控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而形成三個(gè)學(xué)科交叉而形成 的。的。 圖圖1-1 描述電力電子學(xué)的倒三角描述電力電子學(xué)的倒三角 形形 5 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù) 電力電子技術(shù)和電子學(xué)電力電子技術(shù)和電子學(xué) 電力電子器件的制造技術(shù)和用于信息變換的電電力電子器件的制造技術(shù)和用于信息變換的電 子子 器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)（

4、都是基于半導(dǎo)體理論）器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)（都是基于半導(dǎo)體理論） 是一樣的，其大多數(shù)工藝也是相同的。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電力電子電路和信息電子電路的許多分析方法 也也 是一致的。是一致的。 電力電子技術(shù)和電力學(xué)電力電子技術(shù)和電力學(xué) 電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力 電電 子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。 6 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù) 各種電力電子裝置廣泛各種電力電子裝置廣泛 應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止 無功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、無功補(bǔ)償

5、、電力機(jī)車牽引、 交直流電力傳動(dòng)、電解、勵(lì)交直流電力傳動(dòng)、電解、勵(lì) 磁、電加熱、高性能交直流磁、電加熱、高性能交直流 電源等之中，因此，無論是電源等之中，因此，無論是 國內(nèi)國外，通常都把電力電國內(nèi)國外，通常都把電力電 圖圖1-2 電氣工程的雙三角形描述電氣工程的雙三角形描述 子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。在我國，電力電子與電力傳子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。在我國，電力電子與電力傳 動(dòng)是電氣工程的一個(gè)二級(jí)學(xué)科。圖動(dòng)是電氣工程的一個(gè)二級(jí)學(xué)科。圖1-2用兩個(gè)三角形對(duì)電用兩個(gè)三角形對(duì)電 氣工程進(jìn)行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級(jí)學(xué)氣工程進(jìn)行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級(jí)學(xué) 科和其他學(xué)科的關(guān)系，

6、小三角形則描述了電氣工程一級(jí)學(xué)科和其他學(xué)科的關(guān)系，小三角形則描述了電氣工程一級(jí)學(xué) 科內(nèi)各二級(jí)學(xué)科的關(guān)系?？苾?nèi)各二級(jí)學(xué)科的關(guān)系。 7 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù) 電力電子技術(shù)和控制理論電力電子技術(shù)和控制理論 控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力 電電 子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的各子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的各 種種 需求。電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強(qiáng)電的需求。電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強(qiáng)電的 技技 術(shù)，是弱電和強(qiáng)電之間的接口。而控制理論則是術(shù)，是弱電和強(qiáng)電之間的接口。而控制理論則是 實(shí)實(shí) 現(xiàn)這種接口的

7、一條強(qiáng)有力的紐帶。現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。 另外，控制理論是自動(dòng)化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，另外，控制理論是自動(dòng)化技術(shù)的理論基礎(chǔ)， 二二 者密不可分，而電力電子裝置則是自動(dòng)化技術(shù)的者密不可分，而電力電子裝置則是自動(dòng)化技術(shù)的 基基 礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。 8 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史 圖圖1-3 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史 一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年年美國通用美國通用 電氣公司研制出第一個(gè)電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管晶閘管為標(biāo)志的。為標(biāo)志的。 9 1.2

8、 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史 晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或 黎黎 明期。明期。 1904年出現(xiàn)了年出現(xiàn)了電子管電子管，它能在真空中對(duì)電子流進(jìn)行，它能在真空中對(duì)電子流進(jìn)行 控控 制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于 電電 力領(lǐng)域的先河。力領(lǐng)域的先河。 20世紀(jì)世紀(jì)30年代到年代到50年代年代，水銀整流器水銀整流器廣泛用于電化廣泛用于電化 學(xué)學(xué) 工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳 動(dòng)，甚至用于直流輸電

9、。這一時(shí)期，各種整流電路、逆動(dòng)，甚至用于直流輸電。這一時(shí)期，各種整流電路、逆 變變 電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。 在在 這一時(shí)期，也應(yīng)用這一時(shí)期，也應(yīng)用直流發(fā)電機(jī)組直流發(fā)電機(jī)組來變流。來變流。 1947年美國著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了年美國著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，晶體管，引發(fā)引發(fā) 了了 電子技術(shù)的一場(chǎng)革命。電子技術(shù)的一場(chǎng)革命。 10 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史 晶閘管時(shí)代晶閘管時(shí)代 晶閘管晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能， 使使 之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組

10、，并之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并 且且 其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電力電子技術(shù)的概念和其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電力電子技術(shù)的概念和 基基 礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確 立立 的。的。 晶閘管是通過對(duì)門極的控制能夠使其導(dǎo)通而晶閘管是通過對(duì)門極的控制能夠使其導(dǎo)通而 不不 能使其關(guān)斷的器件，屬于能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件半控型器件。對(duì)晶閘管。對(duì)晶閘管 電電 路的控制方式主要是相位控制方式，簡(jiǎn)稱路的控制方式主要是相位控制方式，簡(jiǎn)稱相控方相控方 式式。 晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實(shí)晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來

11、實(shí) 現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限?，F(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。 11 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史 全控型器件和電力電子集成電路（全控型器件和電力電子集成電路（PIC） 70年代后期，以年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管電力雙極型晶體管 （BJT）和和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表的為代表的全控型器全控型器 件件迅速發(fā)展。全控型器件的特點(diǎn)是，通過對(duì)門極（基極、柵極）的控迅速發(fā)展。全控型器件的特點(diǎn)是，通過對(duì)門極（基極、柵極）的控 制既可使其制既可使其開通開通又可使其又可使其

12、關(guān)斷關(guān)斷。 采用全控型器件的電路的主要控制方式為采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調(diào)制（脈沖寬度調(diào)制（PWM） 方式。相對(duì)于相位控制方式，可稱之為方式。相對(duì)于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式斬波控制方式，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱斬控方式斬控方式。 在在80年代后期，以年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的為代表的復(fù)合復(fù)合 型器件型器件異軍突起。它是異軍突起。它是MOSFET和和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。 與此相對(duì)，與此相對(duì)，MOS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT）和和集成門極換流晶閘管（集成門極換流晶閘管（IGCT） 復(fù)合了復(fù)合了

13、MOSFET和和GTO。 12 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史 把把驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)、控制控制、保護(hù)電路保護(hù)電路和和電力電子器件電力電子器件集成集成 在在 一起，構(gòu)成一起，構(gòu)成電力電子集成電路（電力電子集成電路（PIC），這代表，這代表 了了 電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。電力電子集電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。電力電子集 成成 技術(shù)包括以技術(shù)包括以PIC為代表的為代表的單片集成技術(shù)單片集成技術(shù)、混合集混合集 成成 技術(shù)技術(shù)以及以及系統(tǒng)集成技術(shù)系統(tǒng)集成技術(shù)。 隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電 子子 電路的電路的工作頻率工作頻率也不斷

14、提高。與此同時(shí)，也不斷提高。與此同時(shí)，軟開關(guān)軟開關(guān) 技技 術(shù)術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開關(guān)損開關(guān)損 耗耗 降為零，從而提高了電力電子裝置的降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度功率密度。 13 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用 電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用 于于 一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通 信信 系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空 調(diào)調(diào) 等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。等

15、家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。 一般工業(yè)一般工業(yè) 工業(yè)中大量應(yīng)用各種工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動(dòng)機(jī)交直流電動(dòng)機(jī)，都是，都是 用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。 一些對(duì)調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等一些對(duì)調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等 近年來也采用了近年來也采用了變頻裝置變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。，以達(dá)到節(jié)能的目的。 14 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用 圖圖1-4 AB變頻器變頻器 有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為 了避免起動(dòng)時(shí)的電流沖擊而采用了了避免起動(dòng)時(shí)的電流沖擊而采用了 軟起動(dòng)裝置，這種軟起動(dòng)裝置也是軟起動(dòng)裝置，這種軟起動(dòng)

16、裝置也是 電力電子裝置。電力電子裝置。 電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電化學(xué)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量整流電源。電鍍裝置也需要整流 電源。電源。 電力電子技術(shù)還大量用于冶金工電力電子技術(shù)還大量用于冶金工 業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、 淬火電源及直流電弧爐電源等場(chǎng)合。淬火電源及直流電弧爐電源等場(chǎng)合。 15 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用 交通運(yùn)輸交通運(yùn)輸 電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機(jī)車中電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機(jī)車中 的的 直流機(jī)車中采

17、用直流機(jī)車中采用整流裝置整流裝置，交流機(jī)車采用，交流機(jī)車采用變頻裝置變頻裝置。直直 流流 斬波器斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中， 電電 力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動(dòng)外，車力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動(dòng)外，車 輛輛 中的各種中的各種輔助電源輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)。也都離不開電力電子技術(shù)。 電動(dòng)汽車的電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和電動(dòng)汽車的電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和 驅(qū)驅(qū) 動(dòng)控制，其動(dòng)控制，其蓄電池蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺(tái)的充電也離不開電力電子裝置。一臺(tái) 高高 級(jí)汽車中需要許多控制

18、電機(jī)，它們也要靠級(jí)汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器變頻器和和斬波斬波 器器 驅(qū)動(dòng)并控制。驅(qū)動(dòng)并控制。 飛機(jī)、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。飛機(jī)、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。 16 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用 電力系統(tǒng)電力系統(tǒng) 據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國家在用戶最終使用的電能中，有據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能以上的電能 至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。 直流輸電直流輸電在長(zhǎng)距離、大容量輸電時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，其送電端的在長(zhǎng)距離、大容量輸電時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，其送電端的整整 流閥流閥和受電端的和受電端的逆變閥

19、逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主 要采用全控型的要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來的器件。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（柔性交流輸電（FACTS） 也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。 晶閘管控制電抗器（晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（晶閘管投切電容器（TSC）、靜止靜止 無功發(fā)生器（無功發(fā)生器（SVG）、有源電力濾波器（有源電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量等電力電子裝置大量 用于電力系統(tǒng)的用于電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償無功補(bǔ)償或或諧波抑制諧波抑制。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電

20、力電子裝置 還可用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行還可用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電能質(zhì)電能質(zhì) 量控制量控制，改善供電質(zhì)量。，改善供電質(zhì)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。充電等都需要電力電子裝置。 17 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用 圖圖1-5 中國南方電網(wǎng)公司安順換流站中國南方電網(wǎng)公司安順換流站 圖圖1-6 靜止無功發(fā)生器（上）和靜止無功發(fā)生器（上）和 晶閘管投切電容器（下）晶閘管投切電容器（下） 18 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)

21、用電力電子技術(shù)的應(yīng)用 電子裝置用電源電子裝置用電源 各種電子裝置一般都需要不同電壓等級(jí)的直流各種電子裝置一般都需要不同電壓等級(jí)的直流 電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)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 器件的器件的高頻開關(guān)電源高頻開關(guān)電源。大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、。大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、 微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源高頻開關(guān)電源。 在大型計(jì)算機(jī)等場(chǎng)合，常常需要在大型計(jì)算機(jī)等場(chǎng)合，常常需要不間斷電源不間斷電源 （Uninterrup

22、tible Power Supply_ UPS）供電，不供電，不 間斷電源實(shí)際就是典型的電力電子裝置。間斷電源實(shí)際就是典型的電力電子裝置。 19 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用 家用電器家用電器 電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大 量量 能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。 空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算機(jī)，空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算機(jī)， 不少洗衣不少洗衣 機(jī)、機(jī)、 電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。 其它其它 航天飛行器中的

23、各種電子儀器需要電源，載人航天航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天 器器 也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。 抽水儲(chǔ)能發(fā)電站的大型電動(dòng)機(jī)需要用電力電子技術(shù)抽水儲(chǔ)能發(fā)電站的大型電動(dòng)機(jī)需要用電力電子技術(shù) 來來 起動(dòng)和調(diào)速。超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來的一種儲(chǔ)能方式，它需要起動(dòng)和調(diào)速。超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來的一種儲(chǔ)能方式，它需要 強(qiáng)強(qiáng) 大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)。大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)。 20 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用 總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，其地位也越來越重要?？傊?，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣

24、，其地位也越來越重要。 新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng)新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng) 力發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要用電力力發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要用電力 電子技術(shù)來緩沖能量和改善電能質(zhì)電子技術(shù)來緩沖能量和改善電能質(zhì) 量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) 時(shí)，更時(shí)，更 離不開電力電子技術(shù)。離不開電力電子技術(shù)。 核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)和核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)和 注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電 源，這種電源就是電力電子裝置。源，這種電源就是電力電子裝置。 科學(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場(chǎng)合，常常需科學(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場(chǎng)合，常常需 要一些特種電源，這也是電力電子要一些特種電源

25、，這也是電力電子 技術(shù)的用武之地。技術(shù)的用武之地。圖圖1-7 風(fēng)場(chǎng)風(fēng)場(chǎng) 21 1.4 本教材的內(nèi)容簡(jiǎn)介本教材的內(nèi)容簡(jiǎn)介 本教材的內(nèi)容本教材的內(nèi)容 22 1.6.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)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(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān) 時(shí)間，減小開關(guān)損耗。 對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。 一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過驅(qū)動(dòng)電 路實(shí)現(xiàn)。 驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)： 將信息電子電路傳來的信號(hào)按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為將信息電子電路傳來的信號(hào)按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為 加在電力電子器件控制端

26、和公共端之間，可以使其開通或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(guān)斷的信號(hào)。關(guān)斷的信號(hào)。 對(duì)半控型器件只需提供開通控制信號(hào)。 對(duì)全控型器件則既要提供開通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷 控制信號(hào)。 2 23 24 驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離電氣隔離 環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離光隔離或磁隔離。 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 E R E R E R a)b)c) U in U out R 1 ICID R 1 R 1 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(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)

27、動(dòng)電路概述 3 25 v按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)，可分為電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型。 v驅(qū)動(dòng)電路具體形式可以是分立元件分立元件的，但目前的趨勢(shì)是 采用專用集成驅(qū)動(dòng)電路專用集成驅(qū)動(dòng)電路。 分類分類 1.6.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述 4 26 1.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路 晶閘管的觸發(fā)電路作用 產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由 阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。 晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求： 脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠 導(dǎo)通。 觸發(fā)脈沖應(yīng)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(nèi)。 有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn) 定性

28、及與主電路的電氣隔離。 I IM t1t2t3t4 圖1-26理想的晶閘管觸 發(fā)脈沖電流波形 t1t2脈沖前沿上升時(shí)間（|u2|E E 時(shí)，晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能, 導(dǎo)通之后 2、直至|u2|=|u2|=E E，i id d即降至0使得晶閘管關(guān)斷，此后 ud=E與電阻負(fù)載時(shí)相比，晶閘管提前了電角度停止 導(dǎo)電，稱為停止導(dǎo)電角。 2 1 2 sin U E d 62 2.5 2.5 單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路 t t t iVT1 iVD2 iVT3 iVD2 iVT3 iVD4 iVT1 iVD4 t 2 t id VD4 VT1 VD2 VT3 u2 U1 R L a b

29、 1、至?xí)r間段內(nèi)，電流流經(jīng)VT1、L、R、 VD4至變壓器； 2、至+ 時(shí)間段內(nèi)，電流流經(jīng)VT1、L、R、 VD2； 3、 + 至2時(shí)間段內(nèi)，電流流經(jīng)VT3、L、 R、VD2至變壓器； 4、 2至2 + 時(shí)間段內(nèi)，電流流經(jīng)VT3、 L、R、VD4至變壓器； 63 2.6 2.6 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路 T u d id VT 2 VT 1 VT 3 R b c a) a 變壓器一次側(cè)：三角形；二次側(cè)：星形。 晶閘管：共陰極接法 uaub uc t1t2t3t4 t u2 t1t2t3t4 t ud t1t2t3t4 t iVT1 t1t2t3t4 t uVT1 二極管換相：電

30、流從一個(gè)二極管向另一 個(gè)二極管轉(zhuǎn)移。 自然換相點(diǎn)自然換相點(diǎn) uabuac 自然換相點(diǎn)是晶閘管觸發(fā)角的起點(diǎn)。 =0=0 一、電阻負(fù)載 64 =30=300 0時(shí)三相時(shí)三相半波半波可控整流電路可控整流電路 T u d id VT 2 VT 1 VT 3 R b c a) a a a=30=30 時(shí)的波形時(shí)的波形 負(fù)載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài)負(fù)載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài) ua ub uc t1 t2 t3 t4 t u2 t1 t2 t3 t4 t ud t1 t2 t3 t4 t iVT1 uabuac t1 t2 t3 t4 t uVT1 = 30300 0 65 = 600 =

31、60=600 0時(shí)三相時(shí)三相半波半波可控整流電路可控整流電路 T u d id VT 2 VT 1 VT 3 R b c a) a 3030 時(shí)的波形時(shí)的波形 負(fù)載電流處于斷續(xù)狀態(tài)負(fù)載電流處于斷續(xù)狀態(tài) =150=150 時(shí)的波形時(shí)的波形 負(fù)載電壓、電流為零負(fù)載電壓、電流為零 ua ub uc t1 t2 t3 t4 t u2 t1 t2 t3 t4 t ud t1 t2 t3 t4 t iVT1 66 三相半波可控整流電路整流電壓平均值的計(jì)算三相半波可控整流電路整流電壓平均值的計(jì)算 （1）a30時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，有： cos17. 1cos 2 63 )(sin2 3 2 1 22 6 5 6

32、 2d UUttdUU 當(dāng)a=0時(shí)，Ud最大 （2）a30時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時(shí)有： ) 6 cos(1675. 0) 6 cos(1 2 23 )(sin2 3 2 1 2 6 2d UttdUU 負(fù)載電流平均值為： R U I d d 晶閘管承受的最大反向電壓為變壓器二次線電壓峰值： 222RM 45. 2632UUUU 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： 2FM 2UU 67 a b c T R L u 2 u d e L id VT 1 VT 2 VT 3 ud ia uaubuc ib ic id uac uab uac Ot Ot Ot

33、 Ot Ot Ot uVT 1 二、阻感負(fù)載 68 例例1： 在三相半波整流 電路中，如果a相的 觸發(fā)脈沖消失，試?yán)L 出在電阻性負(fù)載和電 感性負(fù)載下整流電壓 ud的波形。 a b c T R L u 2 u d e L id VT 1 VT 2 VT 3 ua ub uc t1 t2 t3 t4 t u2 ua ub uc t1 t2 t3 t4 t ud ua ub uc t1 t2 t3 t4 t ud 69 b a c T n 負(fù) 載 ia id ud VT1VT3VT5 VT4VT6VT2d2 d1 d2 t u2 ud t iVT1 t t uVT1 d1 uaubuc 2.6 2.

34、6 三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路 t1t3t5t6t2t4 一、電阻負(fù)載一、電阻負(fù)載（=0=00 0） 70 =30=300 0 ud t ia t t u2uaubuc d1 d2 b a c T n 負(fù) 載 ia id ud VT1VT3VT5 VT4VT6VT2d2 d1 =30=300 0時(shí)的工作情況時(shí)的工作情況 ： 1、晶閘管起始導(dǎo)通時(shí)刻推遲了30，組成u ud d的每 一段線電壓因此推遲30 2、從t t1 1開始把一周期等分為6段，u ud d波形仍由6 段 線電壓構(gòu)成，每一段導(dǎo)通晶閘管的編號(hào)等仍符合 表2-1的規(guī)律 3、變壓器二次側(cè)電流i ia a波形的特點(diǎn)：在VT

35、1處 于 通態(tài)的120期間，i ia a為正，i ia a波形的形狀與同時(shí) 段的u ud d波形相同，在VT4處于通態(tài)的120期間， i ia a波形的形狀也與同時(shí)段的u ud d波形相同，但為負(fù) 值。 71 =60=600 0 b a c T n 負(fù) 載 ia id ud VT1VT3VT5 VT4VT6VT2d2 d1 u ud d波形中每段線電壓的波形繼續(xù)后移， u ud d平均值繼續(xù)降低。a=60時(shí)u ud d出現(xiàn)為 零的點(diǎn)。 600 t u2 ud t uVT1 t d1 d2 uaubuc uabubaucbuacucauab 72 ud1 ud2 ud uaubucuaub tO

36、 tO tO tO t O ia id uabuacubcubaucaucbuabuacubcuba iVT 1 =90=900 0 =90=900 0 b a c T n 負(fù) 載 ia id ud VT1VT3VT5 VT4VT6VT2d2 d1 小結(jié)小結(jié) v 當(dāng)a a6060 時(shí)，u ud d波形均連續(xù)， 對(duì) 于電阻負(fù)載，i id d波形與u ud d波形形狀 一樣，也連續(xù)； v v 當(dāng)當(dāng)a a6060 時(shí)，u ud d波形每6060 中有中有 一段一段 為零，為零，u ud d波形不能出現(xiàn)負(fù)值； v v 帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流 電路電路a a 角的移相范

37、圍是角的移相范圍是120120 73 二、二、三相橋式全控整流三相橋式全控整流 電路電路阻感負(fù)阻感負(fù)載載 b a c T n 負(fù) 載 ia id ud VT1VT3VT5 VT4VT6VT2d2 d1 ud1 u2 ud2 u2L ud id tO tO tO tO ua = 0 ubuc t1 uabuacubcubaucaucbuabuac iVT 1 ud1 = 30 ud2 ud uabuacubcubaucaucbuabuac tO tO tO tO id ia t1 uaubuc 圖1 三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載a =0時(shí)的 波形 圖2 三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載a =30

38、時(shí)的 波形 74 圖3 三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載a =90時(shí)的 波形 = 90 ud1 ud2 uacubcubaucaucbuabuacuab ud uac uab uac tO tO tO ubucua t1 uVT 1 阻感負(fù)載時(shí)的工作情況阻感負(fù)載時(shí)的工作情況 60時(shí) ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí) 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(shí) 阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不 同，電阻負(fù)載時(shí)ud波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分 ，而阻感負(fù)載時(shí)，由于電感L的作用，ud波 形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。帶阻感負(fù)載時(shí)，三相 橋式全控整流電路的a 角移相范圍

39、為90 b a c T n 負(fù) 載 ia id ud VT1VT3VT5 VT4VT6VT2d2 d1 75 三相橋式全控整流電路定量分析三相橋式全控整流電路定量分析 當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時(shí)（即帶阻感負(fù)載 時(shí)，或帶電阻負(fù)載a a6060 時(shí)）的平均值 為： cos34. 2)(sin6 3 1 2 3 2 3 2 UttdUU d 帶電阻負(fù)載且a 60時(shí)，整流電壓 平均值為： ) 3 cos(134. 2)(sin6 3 2 3 2d UttdUU 輸出電流平均值為 ：Id=Ud /R 當(dāng)整流變壓器采用星形接法，帶阻感負(fù) 載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流波形為正負(fù)半 周各寬120、前沿相差180的矩形波，

40、 其有效值為： dd 2 d 2 d2 816. 0 3 2 3 2 )( 3 2 2 1 IIIII 接反電勢(shì)阻感負(fù)載時(shí)的Id為： R EU I d d 76 2.7 2.7 整流電路的有源逆變整流電路的有源逆變 逆變把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，整流的逆過程。 l 如：電力機(jī)車下坡行駛，機(jī)車的位能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，反?到交流電網(wǎng)中去。 R EM Ud 1、兩電動(dòng)勢(shì)同極性UdEM 電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) R EM Ud 2、兩電動(dòng)勢(shì)同極性EMUd 電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng) R EM Ud 3、實(shí)際上形成短 路 77 逆變產(chǎn)生的條件逆變產(chǎn)生的條件 ud U1 VT1 R L VT2 id 1 0 2 t ud ud U1 VT

41、1 R L VT2 id 1 0 2 t ud EM EM 電能電能 78 單結(jié)晶體管單結(jié)晶體管 e b1 b2 結(jié)構(gòu)示意圖符號(hào) e b2 b1 等效電路 e b2 b1 rb2 rb1 R=Rb1+Rb2 Rb1與R的比值稱為分壓比:h=Rb1/R 79 峰值電 壓 Up UE iE 工作原理和特性曲線工作原理和特性曲線 IEO 截止區(qū) 谷點(diǎn)電 壓C 負(fù)阻區(qū) 飽和區(qū) 80 單結(jié)晶體管振蕩電路單結(jié)晶體管振蕩電路 Uv Up Re C R1 Uo R2 Uo 81 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路單結(jié)晶體管觸發(fā)電路 U1 VD3 VD1 VD2 Re C R1 VT1 VT2 VD4 VD5 負(fù)載 R3 R2

42、 82 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路單結(jié)晶體管觸發(fā)電路 (二) 83 雙向晶閘管雙向晶閘管 T1 T2G 電氣符號(hào) T1 T2 G G 等效電路 特性曲線 T1 T2G 測(cè)試電路 吊 扇 調(diào) 速 電 路 84 觸摸式調(diào)光臺(tái)燈觸摸式調(diào)光臺(tái)燈 85 觸電的形式觸電的形式 86 保護(hù)接地保護(hù)接地 將電氣設(shè)備在正常運(yùn)行情況下將電氣設(shè)備在正常運(yùn)行情況下 不帶電的金屬外殼或構(gòu)架用足夠粗不帶電的金屬外殼或構(gòu)架用足夠粗 的金屬線（例如鋼筋）與接地體可的金屬線（例如鋼筋）與接地體可 靠地鏈接起來，以保護(hù)人身的安全。靠地鏈接起來，以保護(hù)人身的安全。 87 保護(hù)接零保護(hù)接零 在1000伏以下接地良好的三相四線制系統(tǒng)中，例如

43、380/220伏系統(tǒng)，電氣設(shè)備的外殼或構(gòu)架與系統(tǒng)的零線相接， 即保護(hù)接零。 88 重復(fù)接地重復(fù)接地 在采用保護(hù)接零時(shí)，除系統(tǒng)的中點(diǎn)接地外，還必須在零線上一處或者多 處進(jìn)行接地。 在同一配電系統(tǒng)中，不允許一部分電氣設(shè)備采用保護(hù)接地，而另一部分電 氣設(shè)備采用保護(hù)接零。 89 90 91 第三章第三章 直流斬波電路直流斬波電路 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(guān)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(gè)階段第一個(gè)階段是功率半導(dǎo)體器件從雙極型器件(SCR、GTO)發(fā)展為MOS型器件(功 率MOS-FET、IGBT、IG

44、CT等)，使電力電子系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)高頻化，并大幅度 降低導(dǎo)通損耗，電路也更為簡(jiǎn)單。 第二個(gè)階段第二個(gè)階段自20世紀(jì)80年代開始，高頻化 和軟開關(guān)技術(shù)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(guān)技術(shù)是過去20年國際電力電子界 研究的熱點(diǎn)之一。 第三個(gè)階段第三個(gè)階段從20世紀(jì)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(shù)開始發(fā)展，它是當(dāng)今國際電力電子界亟待解決的新問題之 一。 高頻開關(guān)電源整流模塊具有內(nèi)置微處理器， 能提高設(shè)備管理水平。 高頻開關(guān)電源綜合轉(zhuǎn)換效率高，多數(shù)廠家的 轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90%以上，而相控電源轉(zhuǎn)換效 率一般只有60%80%。 高

45、頻開關(guān)電源整流模塊具有并聯(lián)運(yùn)行方式下自 動(dòng)均流功能。 92 MOSFETMOSFET 93 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 94 電力MOSFET靜態(tài)特性 轉(zhuǎn)移特性： 漏極電流和柵源間電壓的關(guān)系 0 10 20 30 50 40 2468 IO/A UT UGS/V 95 電力MOSFET動(dòng)態(tài)特性 uGSP：非飽和區(qū)柵壓 uT： 開啟電壓 96 IGBTIGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 IGBT則結(jié)合了雙極型功率 晶體管和MOSFET的優(yōu)點(diǎn) ： 驅(qū)動(dòng)功率??；驅(qū)動(dòng)功率小； 控制電路簡(jiǎn)單；控制電路簡(jiǎn)單； 開關(guān)損耗??；開關(guān)損耗小； 0.055 mJ/A 通斷速度快和工作頻率較高；通斷速度快

46、和工作頻率較高； 硬開關(guān)頻率可達(dá)150kHz，軟開 關(guān)電路中可達(dá)300kHz 耐壓高耐壓高 應(yīng)用6600V，實(shí)驗(yàn)室8000V INFINEON TOSHIBA Mitsubishi International Rectifier 主要生產(chǎn) 廠家 封裝小型化 結(jié)構(gòu)合理 化 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) 化 集成度更高 接口更友 好 更高的開關(guān)頻率， 更高的電流 容量 發(fā)展趨勢(shì) EG C N + N - a) P N + N + P N + N + P + 發(fā) 射 極柵 極 集 電 極 注 入 區(qū) 緩 沖 區(qū) 漂 移 區(qū) J3 J2 J1 G E C + - +- + - IDR N IC V J1 IDR on b

47、) G C c) E 97 線性穩(wěn)壓電源方框圖線性穩(wěn)壓電源方框圖 220V 電源變 壓器整流 電容 濾波 調(diào)整 管 比較放 大器 基準(zhǔn) 電壓 取 樣 電 路 Uo Ud 輸出電壓穩(wěn) 定，紋波小 瞬態(tài)響應(yīng)快 電路簡(jiǎn)單 優(yōu)點(diǎn) 效率低 發(fā)熱量 大 體積大 比較笨重 缺點(diǎn) 98 降壓斬波電路降壓斬波電路 （Buck ChopperBuck Chopper） R Muo L E V T tontoff t io t t uo io t io t EE T t E tt t U on offon on o 斬波電路三種控制方式（根據(jù)對(duì)輸出電壓斬波電路三種控制方式（根據(jù)對(duì)輸出電壓 平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同而

48、劃分）平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同而劃分） 1、T不變，變ton 脈沖寬度調(diào)制（PWM） 2、ton不變，變T 頻率調(diào)制 3、ton和T都可調(diào)，改變占空比混合型 99 升壓斬波電路升壓斬波電路 (Boost Chopper )(Boost Chopper ) E V R LVD a) C io i1 iG u o b) iG io I1 O O t t 1 1、V通時(shí)，E向L充電，充電電流恒 為I1，同時(shí)C的電壓向負(fù)載供電，因C值 很大，輸出電壓Uo為恒值。設(shè)V通的時(shí) 間為ton，此階段L上積蓄的能量為： on1t EI 2 2、V斷時(shí)，E和L共同向C充電并向負(fù)載 R供電。設(shè)V斷的時(shí)間為toff，

49、則此期間 電感L釋放能量為： off1o tIEU off1oon1 tIEUtEI E t T E t tt U offoff offon o T toff 100 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 VD o t b) E R L a) C V o t i1 i2 uL uo IL i1 i2 tontoff IL IL 1 1、V通時(shí)，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此 時(shí)電流為i1。同時(shí)，C維持輸出電壓恒定并 向負(fù)載R供電。 2 2、V斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，電流為 i2。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電 壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電 路。 T tu 0 L 0d 一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩

50、端電壓uL對(duì)時(shí)間的積分為零 當(dāng)V處于通態(tài)期間，uL = E；而當(dāng)V處于斷態(tài)期間， uL = - uo； offoon tUtE EE tT t E t t U 1 on on off on o 01/2 降壓降壓 1/2 VT1 VT2 uo u1 io L R u1 t 負(fù)載電壓有效值 tdtUUo 2 1 )sin2( 1 22sin2sin 1 1 U 晶閘管電流有效值 )d()sin()sin( 2 2 1 2 tg 1 VT tet Z U I t cos )2cos(sin 2 1 Z U tURi dt di Lsin2 10 0 0 0 0 t i 在t = a 時(shí)刻開通VT1

51、，負(fù)載電流滿足 tg t et Z U i sinsin 2 1 0 2 2 LRZ 阻抗的模 113 = u1 t t uo t io t uVT VT1 VT2 uo u1 io L R = 114 (=0 0) tg t et Z U i sinsin 2 1 0 115 1、VT1提前導(dǎo)通，L被過充電，放電時(shí)間延長(zhǎng)， VT1的導(dǎo)通角超過； 2、觸發(fā)VT2時(shí)， io尚未過零， VT1仍導(dǎo)通， VT2不通； t t t t 圖4-5 O O O O u 1 iG1 iG2 io iT1 iT2 3、io過零后， VT2導(dǎo)通， VT2導(dǎo)通角小于； tg t et Z U i sinsin 2

52、 1 0 4、io由兩個(gè)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(dǎo)通時(shí)間漸短， VT2的導(dǎo)通時(shí)間漸長(zhǎng)，最終VT1、VT2導(dǎo)通角趨近于 。 116 t u1 t uo t io 三、斬控式交流三、斬控式交流 調(diào)壓電路調(diào)壓電路 R L 圖4-7 u1 i1 uo V1 V2 VD1 VD2 V3 V4 VD4 VD3 117 4.2 4.2 三相三相交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路 n 負(fù)載 a c n 負(fù)載 a b c a)b) 負(fù)載 a b c c) 負(fù)載 b d) 圖4-9 a b c ua ub uc ia Ua0 n ua ub uc ia n ua ub uc ia n ua

53、 ub uc ia VT1 VT3VT4 VT5VT6 VT2 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(diǎn)控制 三角形 聯(lián)接 118 ug t =0 00 0 VT1 VT2 VT3 VT5 VT6 uRA t u uaubuc VT4 三相全波星形連接的調(diào)壓電路 相電壓過零點(diǎn)定為相電壓過零點(diǎn)定為a a的起點(diǎn)，的起點(diǎn)，a a =0 =0時(shí)一時(shí)一 直有三個(gè)晶閘管導(dǎo)通；直有三個(gè)晶閘管導(dǎo)通； VT1- VT6,依次相差60 VT1- VT6,導(dǎo)通角為180 1 12 23 34 45 56 6 119 VT5 =30300 0 ug t uRA t u ua ub uc VT1

54、 VT2 VT4 VT3 t=00-300 時(shí) VT5,VT6導(dǎo)通， uRA=O t=300-600 VT1、VT5、VT6導(dǎo)通， uRA= uA t=600-900 VT1、VT6導(dǎo)通， uRA= uAB/2 t=900-1200 VT1、VT2、VT6導(dǎo)通， uRA= uA t=1200-1500 VT1、VT2導(dǎo)通， uRA= uAC /2 t=1500-1800 VT1、VT2、VT3導(dǎo)通， uRA= uA 1 12 23 34 45 56 6 VT6 120 =90900 0 t=900-1500 時(shí) VT1,VT6導(dǎo)通， uRA= uAB/2 t=1500-2100 VT1、VT2

55、導(dǎo)通， uRA= uAC /2 t=2100-2700 VT2、VT3導(dǎo)通， uRA=0 t=2700-3300 VT3、VT4導(dǎo)通， uRA= -uAB/2 t=3300-3900 VT4、VT5導(dǎo)通， uRA= -uAC /2 t=3900-4500 VT5、VT6導(dǎo)通， uRA= 0 uan t u ua ub uc VT1 VT2 VT3 VT4 5 VT6 ug t 123456 121 =1201200 0 1 u uRA RA t u ua ub uc ug t 1 6 2 3 4 5 總結(jié)：總結(jié)： 1、 060三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交 替，每管導(dǎo)通180- ，但=0時(shí)一直是三管 導(dǎo)

56、通； 2、6090兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120； 3、90150：兩管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通 交替，導(dǎo)通角度為300-2。 122 4.2 4.2 單相交交變頻電路單相交交變頻電路 交交變頻電路把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)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(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)用的主要是三相輸 出交交變頻電路。 電路構(gòu)成電路構(gòu)成 uaub uc P=/2P=0P=/2 1 1、P組工作時(shí)，負(fù)載電流io為 正;N組工作時(shí)，io為負(fù)； 基本工作原理基本工作原理 2 2、兩組變流器按一定的頻率交替工作， 負(fù)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 3、改變

57、變流電路的控制角a，就可以 改變交流輸出電壓的幅值； 4 4、為使uo波形接近正弦波，可按正正 弦弦規(guī)律對(duì)規(guī)律對(duì)a a角進(jìn)行調(diào)制；角進(jìn)行調(diào)制； 5 5、在半個(gè)周期內(nèi)讓P組a 角按正弦規(guī) 律從90減到0或某個(gè)值，再增加到 90，每個(gè)控制間隔內(nèi)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(gè)周期可對(duì)N組進(jìn)行同樣的控 制； 123 二、整流與逆變工作狀態(tài)二、整流與逆變工作狀態(tài) 整流 t uo io ip up uN iN 逆變 P組 N組 整流逆變 t1t2 t3 t4 t5 t2-t3 ：uo反向，io仍為正，正組逆變，輸出功率 為負(fù)； t1-t3期間：io正 半周 正組（P組）工

58、作 反組（N組）反 鎖 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(fù)，負(fù)組逆變，輸出功率 為負(fù)； t3-t5期間：io負(fù) 半周 正組（P組）反 鎖 反組（N組）工作 t3-t4：uo和io均為負(fù)，反組整流，輸出功率為正； 阻斷 阻斷 124 單相交交變頻電路電壓和電流波形圖單相交交變頻電路電壓和電流波形圖 考慮無環(huán)流工作方式下考慮無環(huán)流工作方式下i io o過零的死區(qū)時(shí)間，一周期可分為過零的死區(qū)時(shí)間，一周期可分為6 6段段 第1段io 0 反組逆變 第2段電流過零 為無環(huán)流死區(qū) 第3段io 0， uo 0 正組整流 第4段io 0， uo 0 正組

59、逆變 第6段io 0， uo 0，為反組整流第5段又是無環(huán)流死區(qū) 125 第五章第五章 逆變電路逆變電路 1）定義：將逆變電路的交流側(cè)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(yīng)用：直流電機(jī)的可逆調(diào)速、高壓直流輸電和太 陽能發(fā)電等方面。 有源逆變有源逆變: : 126 無源逆變無源逆變 1）定義：逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而是直接接 到負(fù)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(fù)載 2）應(yīng)用：它在交流電機(jī)變頻調(diào)速、感應(yīng)加熱、不停電 電源等方面應(yīng)用十分廣泛，是構(gòu)成電力電子技術(shù)的重 要內(nèi)容。 127 單相橋式逆變電路單相橋式逆變電路 負(fù)載 a)b) 圖5-1

60、t S1 S2 S3 S4 io uo U d uo io t1t2 換流換流電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程， 也稱換相。 128 無源逆變換流方式分類無源逆變換流方式分類 1、器件換流器件換流 利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。 2、電網(wǎng)換流、電網(wǎng)換流 由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流。 3、強(qiáng)迫換流強(qiáng)迫換流 設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加 反向電壓或反向電流。 S VT 負(fù)載 + - 圖5-3 直接耦合式 強(qiáng)迫換流 C L + VD S C VT 負(fù)載 + L S VT 負(fù)載 VD b)a) 圖5-4電感耦合式強(qiáng)迫換流 129 t t t t RL C O O O O