工业用电设备第1章.工业电源基础

1、工业用电设备工业用电设备上海电力学院上海电力学院 电力系电力系第第1章章 工业电源基础工业电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系2工业电源工业电源(特种电源特种电源)：位于市电（单相或三相）或电池与负载之间，：位于市电（单相或三相）或电池与负载之间， 向负载提供优质电能的供电设备，向负载提供优质电能的供电设备， 是工业的基础。是工业的基础。电源技术的电源技术的 精髓是电力电子技术精髓是电力电子技术， 即利用电力电子技术，将市电或电池等一次电源即利用电力电子技术，将市电或电池等一次电源 变换成适用于各种用电对象的二次电源。变换成适用于各种用电对象的二次电源。工工业业电电源源交流市电交流

2、市电直流、直流、交流、交流、脉冲脉冲第第1章章 工业电源基础工业电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系3（1）交流变频调速器）交流变频调速器 交流变频调速电源交流变频调速电源 驱动交流异步电动机驱动交流异步电动机 实现无级调速，实现无级调速，在电气传动中占据越来越重要的地位，获得巨大节能效果。在电气传动中占据越来越重要的地位，获得巨大节能效果。应用应用: : 产业自动化、产业自动化、风机、水泵风机、水泵流量控制，流量控制， 细纱机、捻纱机程序控制，细纱机、捻纱机程序控制， 恒压供水和多泵并联，恒压供水和多泵并联， 造纸机械同步控制，造纸机械同步控制，最大功率达500kW。 变频变频空

3、调空调。 1.1 工业电源工业电源的种类的种类第第1章章 工业电源基础工业电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系4（2）电解、电镀电源）电解、电镀电源 电解、电镀电源要求稳流、稳压。电解、电镀电源要求稳流、稳压。电解生产需要消耗巨大的直流电能，由电解生产需要消耗巨大的直流电能，由大功率整流设备大功率整流设备供给，采用晶闸管稳流，有载调压加饱和电抗器稳流方供给，采用晶闸管稳流，有载调压加饱和电抗器稳流方式，最大输出容量：式，最大输出容量：3350V，5150kA。脉冲电源用作金属表面电化学处理，输出容量：脉冲电源用作金属表面电化学处理，输出容量：0100V，104000A。逆变式真空离

4、子镀膜电源性能的优劣直接影。逆变式真空离子镀膜电源性能的优劣直接影响镀膜质量的高低。响镀膜质量的高低。 第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.1 工业电源的种类工业电源的种类2021-12-28上海电力学院 电力系5（3）高频逆变式整流焊机电源）高频逆变式整流焊机电源 高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效率、省材高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效率、省材料的新型焊机电源，代表了当今焊机电源的发展方向。料的新型焊机电源，代表了当今焊机电源的发展方向。由于焊机电源的工作条件恶劣，频繁地处于短路、燃弧、由于焊机电源的工作条件恶劣，频繁地处于短路、燃弧、开路交替变化之中，因此高频逆变式整

5、流焊机电源的工开路交替变化之中，因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性成为关键问题。作可靠性成为关键问题。额定焊接电流可达额定焊接电流可达500A。多用等离子体切割焊机切割。多用等离子体切割焊机切割电流达电流达2090A，焊接电流为，焊接电流为5320A。 第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.1 工业电源的种类工业电源的种类2021-12-28上海电力学院 电力系6（4）中频感应加热电源）中频感应加热电源 中频感应加热电源应用中频感应加热电源应用: : 各行业的金属熔炼、各行业的金属熔炼、 表面淬火处理、表面淬火处理、 透热弯管等领域。透热弯管等领域。频率为频率为500Hz80kHz，功

6、率为，功率为1003000kW。 第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.1 工业电源的种类工业电源的种类2021-12-28上海电力学院 电力系7（5）电力操作电源）电力操作电源电力操作电源：为发电厂、水电站及电力操作电源：为发电厂、水电站及 500kV、220kV、110kV、 35kV等各类变电站等各类变电站 包括供给包括供给 断路器分合闸、断路器分合闸、 二次回路的仪器仪表、二次回路的仪器仪表、 继电保护、控制、继电保护、控制、 应急灯光照明等应急灯光照明等最大输出电压最大输出电压315V，最大输出电流，最大输出电流120A。 第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.1 工业电源的

7、种类工业电源的种类各类低压电器各类低压电器设备用电。设备用电。提供直流的提供直流的电源设备电源设备2021-12-28上海电力学院 电力系8（6）正弦波逆变电源）正弦波逆变电源 正弦波逆变电源要求精度稳压、稳频，并要求波形品质。正弦波逆变电源要求精度稳压、稳频，并要求波形品质。400Hz中频三相逆变电源能适应各种负载、中频三相逆变电源能适应各种负载、邮电通讯专用逆变电源、邮电通讯专用逆变电源、电力系统、发电厂及直流电池屏专用逆变电源、电力系统、发电厂及直流电池屏专用逆变电源、车船载逆变电源、车船载逆变电源、太阳能及风力发电系统专用逆变电源等。太阳能及风力发电系统专用逆变电源等。 第第1章章 工

8、业电源基础工业电源基础 1.1 工业电源的种类工业电源的种类2021-12-28上海电力学院 电力系9（7）大功率高频高压直流电源）大功率高频高压直流电源 工业上用于环保的静电除尘、污水处理、工业上用于环保的静电除尘、污水处理、激光器等。激光器等。医学方面用于医学方面用于X光机、光机、CT等大型设备。等大型设备。科研上用于高能物理、等离子体物理。科研上用于高能物理、等离子体物理。军事上雷达发射器。军事上雷达发射器。最高电压可达最高电压可达800kV。 第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.1 工业电源的种类工业电源的种类2021-12-28上海电力学院 电力系10（8）电子镇流器）电子镇流

9、器 电子镇流器的核心是一个电子镇流器的核心是一个高频电压发生器高频电压发生器。当荧光灯工作在几千赫的较高频率下，将灯和高频电路匹配，当荧光灯工作在几千赫的较高频率下，将灯和高频电路匹配，能够较大幅度地提高光效而达到节能目的。能够较大幅度地提高光效而达到节能目的。功率因数提高到接近功率因数提高到接近1的水平。的水平。 归纳为四类：工业用直流电源、归纳为四类：工业用直流电源、 工业用脉冲电源、工业用脉冲电源、 工业用变频电源、工业用变频电源、 工业用交流调压电源工业用交流调压电源 第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.1 工业电源的种类工业电源的种类2021-12-28上海电力学院 电力系11

10、1.2 工业电源中的电力电子器件工业电源中的电力电子器件按受控程度，电力电子器件分为三类：按受控程度，电力电子器件分为三类：不可控器件、不可控器件、 半控型器件、半控型器件、 全控型器件。全控型器件。 电力变换的基础电力变换的基础第第1章章 工业电源基础工业电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系12AKAKa)IKAPNJb)c)不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管快恢复二极管快恢复二极管和和肖特基二极管肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用 图图1-2 电力二极管的外形、结构和

11、电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形外形 b) 结构结构 c) 电气图形符号电气图形符号基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管基本一样，以半导体PN结为基础螺栓型螺栓型平板型平板型第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.2 工业电源中的电力电子器件工业电源中的电力电子器件2021-12-28上海电力学院 电力系13 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 1956年美国贝尔实验室（年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管）发明了晶闸管 1957年美国通用电气公司（年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品）开发出第一只晶闸管产品 1958年商业化年商业化

12、20世纪世纪80年代以来，在中小容量领域年代以来，在中小容量领域 开始被性能更好的全控型器件取代开始被性能更好的全控型器件取代 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，能承受的电压和电流容量最高，工作可靠， 在大容量的场合具有重要地位在大容量的场合具有重要地位第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.2 工业电源中的电力电子器件工业电源中的电力电子器件2021-12-28上海电力学院 电力系14AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3一一. .晶闸管的结构晶闸管的结构阳极阳极阴极阴极门极门极螺栓型，螺栓型，（200A以下）以下）平板型，平板型，（200A以上）以上）第第1

13、章章 工业电源基础工业电源基础 1.2 工业电源中的电力电子器件工业电源中的电力电子器件2021-12-28上海电力学院 电力系15二二. .晶闸管工作原理晶闸管工作原理1. .晶闸管导通条件：晶闸管导通条件：UA 0 ，UG 02. .晶闸管导通后，晶闸管导通后， UG不起不起 作用作用半控型半控型3. .晶闸管关断条件：晶闸管关断条件：IA 0，UGS=0单极型晶体管单极型晶体管 导电机理与小功率导电机理与小功率MOS管管相同，但结构上有较大区别，相同，但结构上有较大区别，电力电力MOSFET为多元集成为多元集成结构结构漏极漏极源极源极栅极栅极导电：导电： UDS0， UGS UT (开启

14、电压开启电压)第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.2 工业电源中的电力电子器件工业电源中的电力电子器件3.电力场效应晶体管电力场效应晶体管Power MOSFET2021-12-28上海电力学院 电力系254. 4. 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT GTR和和GTO的特点的特点双极型，电流驱动双极型，电流驱动，有电导调制效应，有电导调制效应， 通流能力很强，通流能力很强，开关开关速度较低速度较低， 所需所需驱动功率大驱动功率大，驱动电路，驱动电路复杂复杂 MOSFET的优点的优点单极型，电压驱动，单极型，电压驱动，开关开关速度快，速度快， 输入阻抗高，热稳定性好，输入阻抗高，热

15、稳定性好， 所需所需驱动功率小驱动功率小而且驱动电路而且驱动电路简单简单 两类器件取长补短结合而成的复合器件两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件器件第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.2 工业电源中的电力电子器件工业电源中的电力电子器件2021-12-28上海电力学院 电力系26图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号GTR和和MOSFET的复合管。的复合管。1986年投入市场后，取代了年投入市场后，取代了GTR和一部分和一部分MOSFET的市场，的市场， 目前中小功率电力电子设备的主导器件目前中

16、小功率电力电子设备的主导器件EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)栅极栅极集电极集电极发射极发射极E4. 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.2 工业电源中的电力电子器件工业电源中的电力电子器件2021-12-28上海电力学院 电力系27IGBT的特性和参数特点的特性和参数特点(1) 开关开关速度高，开关损耗小速度高，开关损耗小。在电压。在电压1000V以上时，以上时， 开关损耗只有开关损耗只有GTR的的1/10，与电力，与电力 MOSFE

17、T相当相当(3) 通态压降比通态压降比VDMOSFET低，低，特别是在电流较大的区域特别是在电流较大的区域(2) 相同电压和电流定额时，相同电压和电流定额时，安全工作区比安全工作区比GTR大，大， 且具有耐脉冲电流冲击能力且具有耐脉冲电流冲击能力 与与MOSFET和和GTR相比，相比，耐压和通流能力耐压和通流能力还可以进一步提高还可以进一步提高 同时保持开关频率高的特点同时保持开关频率高的特点 (4) 输入阻抗高，输入特性与输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似类似第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.2 工业电源中的电力电子器件工业电源中的电力电子器件4. 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体

18、管IGBT2021-12-28上海电力学院 电力系281.2.4 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 20世纪世纪80年代中后期开始，模块化趋势，年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块在一个模块中，称为功率模块 可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性 对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求保护和缓冲电路的要求 将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一

19、芯片上，称为功率集成电路（电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（PIC）第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.2 工业电源中的电力电子器件工业电源中的电力电子器件2021-12-28上海电力学院 电力系29直流电源两种类型直流电源两种类型: :1. 整流直流电源，整流直流电源， 利用整流电路将交流电直接变换成直流电输出；利用整流电路将交流电直接变换成直流电输出；2. 高频逆变直流电源，高频逆变直流电源， 由整流电路由整流电路1、逆变电路、整流电路、逆变电路、整流电路2等构成，等构成， 逆变电路将整流电路逆变电路将整流电路1输出的直流电逆变为输出的直流电逆变为 高频交流电后再经整流输出

20、直流电。高频交流电后再经整流输出直流电。1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础第第1章章 工业电源基础工业电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系301.3.1 整流直流电源整流直流电源u2正半周正半周： VT1和和VT4承受正向电压，承受正向电压，加触发脉冲即导通，加触发脉冲即导通，1. 电阻性负载电阻性负载ud = u2工作原理及波形分析：工作原理及波形分析：第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础一一. 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路2021-12-28上海电力学院 电力系311.3.1 整流直流电源整流直流电源u2过零时过零时V

21、T1和和VT4关断关断1. 电阻性负载电阻性负载ud = 0工作原理及波形分析：工作原理及波形分析：第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础一一. 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路2021-12-28上海电力学院 电力系321.3.1 整流直流电源整流直流电源1. 电阻性负载电阻性负载一一. 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路u2负半周：负半周： VT2和和VT3承受正向电压，承受正向电压，有触发脉冲即导通，有触发脉冲即导通，u2过零时关断。过零时关断。ud = - u2第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电

22、源基础2021-12-28上海电力学院 电力系33晶闸管两端电压：晶闸管两端电压：uVT 1,4 =所有所有VT均关断均关断0 VT1，4导通导通 u2 VT2，3导通导通第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系34 数量计算：数量计算：输出电压平均值：输出电压平均值：2cos19 . 02cos122)(dsin21222dUUttUU第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础RUIdd输出电流平均值输出电流平均值：1.3.1 整流直流电源整流直流电源1. 电阻性负载电阻性负载一

23、一. 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路2021-12-28上海电力学院 电力系352sin21)()sin2(12222RUtdtRUII2cos145. 0212RUIIddT晶闸管晶闸管电流平均值电流平均值：负载负载电流有效值电流有效值（变压器二次绕组电流有效值）：（变压器二次绕组电流有效值）：第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础晶闸管晶闸管电流有效值电流有效值：I21 2 sin212) ( d ) sin2(21222RUt tRUIT2sin212)( d)sin2(21222RUttRUIT2021-12-28上海电力学院 电力系3

24、62. 电感性负载电感性负载 u2过零变负时，过零变负时，id0 ， VT1和和VT4不关断！不关断！ ud出现负值出现负值!为便于讨论，假设电路已工作于为便于讨论，假设电路已工作于稳态。稳态。 假设负载电感很大，负载电假设负载电感很大，负载电流流id连续且波形近似为一水平线连续且波形近似为一水平线与电阻性负载的工作原理与电阻性负载的工作原理基本相同基本相同不同之处：不同之处：第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础1.3.1 整流直流电源整流直流电源一一. 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路2021-12-28上海电力学院 电力系37 VT2和和V

25、T3导通导通后，后，u2通过通过VT2和和VT3分别向分别向VT1和和VT4施加反压使施加反压使VT1和和VT4关断，流过关断，流过VT1和和VT4的电流迅的电流迅速转移到速转移到VT2和和VT3上，此过程称上，此过程称换相换相，亦称，亦称换流换流 u2负半周时，负半周时，VT2和和VT3承承受正向受正向电压，电压， 至至t=+ 时刻，给时刻，给VT2和和VT3加触发脉冲，两管加触发脉冲，两管导通。导通。第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系38cos9 . 0cos22)(dsin21222dUUttUURUId

26、d输出电压平均值：输出电压平均值：输出电流平均值：输出电流平均值：第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础2. 电感性负载电感性负载1.3.1 整流直流电源整流直流电源一一. 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 数量计算：数量计算：2021-12-28上海电力学院 电力系39dTII21电感很大时负载电流电感很大时负载电流id连续晶闸管连续晶闸管导通角导通角与与 无关，无关， 均为均为180 变压器二次侧电流变压器二次侧电流 i2 的波形为正负各的波形为正负各180 的矩形波，其相的矩形波，其相位由位由 角决定，有效值角决定，有效值 I2=Id 。第

27、第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础2. 电感性负载电感性负载1.3.1 整流直流电源整流直流电源一一. 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 数量计算：数量计算：晶闸管晶闸管电流有效值电流有效值：2021-12-28上海电力学院 电力系40变压器二次侧接成变压器二次侧接成星形星形得到得到零线，而一次侧接成零线，而一次侧接成三角形三角形避免避免3次谐波流入电网次谐波流入电网 三个晶闸管分别接入三个晶闸管分别接入u、v、w三相电源，其阴极连接三相电源，其阴极连接在一起在一起共阴极接法共阴极接法 三相半波可控整流电路是基础，三相桥式全控整流电路应用最广三

28、相半波可控整流电路是基础，三相桥式全控整流电路应用最广负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时采三相可控整流电路负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时采三相可控整流电路 （一）（一）三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路1. 电阻性负载电阻性负载电路的特点：电路的特点：第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础1.3.1 整流直流电源整流直流电源二二. 三相可控整流电路三相可控整流电路2021-12-28上海电力学院 电力系41自然换相点：自然换相点：每两相相电压的交点每两相相电压的交点如：如： t1、 t2 、 t3 等等是三是三 相相电压

29、在正半相相电压在正半周的周的自然换相点自然换相点定义：定义：自然换相点自然换相点 为控制角为控制角 的起点的起点自然换相点自然换相点自然换相点自然换相点自然换相点自然换相点第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系42自然换相点：自然换相点：在在VT均不导通情况下：均不导通情况下：只要只要 uu0 能触发能触发 VT1 导通导通只要只要 uv0 能触发能触发 VT2 导通导通只要只要 uw0 能触发能触发 VT3 导通导通？第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础2021-12-2

30、8上海电力学院 电力系43在有一个在有一个VT导通的情况下：导通的情况下：设设VT3已导通，已导通，uVT1=uu - uw在在 t t1时时，uVT1 0， VT1才能触发导通；才能触发导通；一旦一旦VT1导通导通，uVT3=uw - uu 0VT3关关断。断。在在 t t1时时，uVT1 0，uG VT1 ，VT1导通；导通；ud = uuid = uu /R t2时刻时刻，uG VT2 ，VT2能能导通吗？导通吗？uVT2=？uVT=u本相本相 u导通相导通相VT2能能导通！导通！ud = uvid = uv /RVT2能能导通后，导通后， VT1怎样？怎样？VT1关关断。断。换相：换相

31、：负载电流从原先负载电流从原先导通的导通的晶闸管转移到晶闸管转移到 后来后来导通的导通的晶闸管的过程晶闸管的过程第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系46uVT 1=0 VT1导通导通VT3导通导通uu-uv=uuvVT2导通导通uu-uw=uuwud ：三相相电压的一部分：三相相电压的一部分（ = 0 时为其包络线）时为其包络线） t3时刻时刻，换相过程与换相过程与 t2时刻时刻类似类似ud = uwid = uw /R晶闸管两端电压：晶闸管两端电压：第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础

32、工业直流电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系47负载电流处于连续和断续负载电流处于连续和断续之间的临界状态之间的临界状态 晶闸晶闸管导通管导通角角120 负载电流断续，晶闸管负载电流断续，晶闸管导通角小于导通角小于120 = 30 时的波形时的波形 30 （60 ）的情况的情况第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系48工作过程与电阻性负载工作过程与电阻性负载基本相同基本相同： 触发脉冲每隔触发脉冲每隔120 出现，出现， 分别触发自然换相点后相电压最大的晶闸管，分别触发自然换相点后相电压最大的晶闸管，

33、每个工频周期中每个工频周期中 三个晶闸管轮流工作，三个晶闸管轮流工作， ud是三相相电压的一部分是三相相电压的一部分不同之处不同之处： 电感中电流不能跃变电感中电流不能跃变 L值很大，值很大，id波形基本平直波形基本平直 30 时，时， ud连续连续第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础（一）（一）三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路2. 电感性负载电感性负载1.3.1 整流直流电源整流直流电源二二. 三相可控整流电路三相可控整流电路2021-12-28上海电力学院 电力系49 = 60uu过零时，过零时， id0 VT1不关断，直到不关断，直到VT

34、2的脉冲到来的脉冲到来，才换流，才换流，ud波形中出现负的部分波形中出现负的部分第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系50cos17. 1cos263)(sin2321226562dUUttdUU1. .整流电压平均值整流电压平均值第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础（一）（一）三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路2. 电感性负载电感性负载1.3.1 整流直流电源整流直流电源二二. 三相可控整流电路三相可控整流电路 数量计算：数量计算：2021-12-28上海电力学院

35、电力系512. 负载电流平均值：负载电流平均值：RUIdd3. .晶闸管电流平均值：晶闸管电流平均值：ddTII31第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础ddTIIII577. 03124. .变压器二次电流即变压器二次电流即晶闸管电流的有效值晶闸管电流的有效值:(id波形有一定的脉动，但波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，为简化分析及定量计算，可将可将id近似为一条水平线近似为一条水平线)（一）（一）三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路2. 电感性负载电感性负载1.3.1 整流直流电源整流直流电源二二. 三相可控整流电路三相可控整流电路 数量

36、计算：数量计算：2021-12-28上海电力学院 电力系52三个三个VT的阳极连在一起，称的阳极连在一起，称“共阳极接法共阳极接法”。三个三个VT的触发电路无公共端，需彼此绝缘。的触发电路无公共端，需彼此绝缘。电路在相电压的负半周工作，换相总是换到阴电路在相电压的负半周工作，换相总是换到阴极更负的那一相去。极更负的那一相去。cos17.12UUd3. 共阳极整流电路共阳极整流电路第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系53三相半波整流电路共阴极和共阳极并用的电路三相半波整流电路共阴极和共阳极并用的电路两种接法并用更合

37、理，共阳、共阴分别供给两个负载两种接法并用更合理，共阳、共阴分别供给两个负载变压器二次绕组变压器二次绕组在正负半周时都有在正负半周时都有电流流通，各电流流通，各120 ，利用率提高一倍。利用率提高一倍。无直流磁化问题。无直流磁化问题。零线电流互相抵零线电流互相抵消，零线可以较细消，零线可以较细。第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系54令令 L1=L2 ， R1=R2 ， 1= 2 ， 则则 Ud1 = Ud2 ， Id1 = Id2I0 = 0 中线可以去掉中线可以去掉三相桥式三相桥式全控整流电路全控整流电路三相

38、桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路由两组三相半波整流电由两组三相半波整流电路串联而成路串联而成第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系55第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础（二）三相桥式全控整流电路（二）三相桥式全控整流电路工作原理：工作原理：图1.3.15 三相桥式全控整流电路原理图1.3.1 整流直流电源整流直流电源二二. 三相可控整流电路三相可控整流电路2. 共阳极组的共阳极组的VT4、VT6、VT2工作过程与共阴极组基本相同，工作过程与共阴极组基本相同， 不同之处

39、：触发脉冲总是施加给自然换相点后相电压最低相的不同之处：触发脉冲总是施加给自然换相点后相电压最低相的 晶闸管。晶闸管。3. 任意时刻共阳极组和共阴极组中各有任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态个晶闸管处于导通状态1. 共阴极组的共阴极组的VT1、VT3、VT5工作过程工作过程 与三相半波整流电路中相同：每周期与三相半波整流电路中相同：每周期 3个晶闸管轮流工作，各工作个晶闸管轮流工作，各工作1/3周期周期2021-12-28上海电力学院 电力系56第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础4. 输出电压为两导通相之间的输出电压为两导通相之间

40、的 线电压，是线电压，是 uuv、uuw、uvw、 uvu、uwu、uwv的一部分的一部分（二）三相桥式全控整流电路（二）三相桥式全控整流电路工作原理：工作原理：1.3.1 整流直流电源整流直流电源二二. 三相可控整流电路三相可控整流电路5. 晶闸管流过的电流、晶闸管晶闸管流过的电流、晶闸管 两端电压与三相半波可控整两端电压与三相半波可控整 流电路中相同流电路中相同2021-12-28上海电力学院 电力系57第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础（三）三相桥式不控整流电路（三）三相桥式不控整流电路 电力电子器件采用电力二极管电力电子器件采用电力二极管 相

41、当于相当于 = 0的的三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路（四）带平衡电抗器的双反星形可控整流电路（四）带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 为电解电镀等工业，提供低电压大电流（例如几十伏，几千为电解电镀等工业，提供低电压大电流（例如几十伏，几千 至几万安）的可调直流电源。至几万安）的可调直流电源。 由两组三相半波由两组三相半波可控整流电路可控整流电路并联组成并联组成 图1.3.21 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 2021-12-28上海电力学院 电力系58第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础（五）多重化整流电路（五）多重化整流电路 将两个或两

42、个以上相同结构的整流电路将两个或两个以上相同结构的整流电路 按一定的规律组合而得按一定的规律组合而得 ia1ia2iab2iA1图1.3.24 并联多重联结的12脉波整流电路 图1.3.22 串联多重联结的12脉波整流电路2021-12-28上海电力学院 电力系59第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础（五）多重化整流电路（五）多重化整流电路意义：意义：1. 电力电子装置是非线性负载，工作时会产生谐波电流，电力电子装置是非线性负载，工作时会产生谐波电流， 对电网产生谐波污染，且消耗大量的无功功率。对电网产生谐波污染，且消耗大量的无功功率。2. 整流装置所

43、产生的谐波电流次数与整流输出脉波数有关，整流装置所产生的谐波电流次数与整流输出脉波数有关， 脉波数越多，最低次高次谐波电流的次数越高。脉波数越多，最低次高次谐波电流的次数越高。3. 谐波电流的含有率与谐波电流的次数成反比，在整流装置谐波电流的含有率与谐波电流的次数成反比，在整流装置 容量一定的情况下，脉波数越多，总谐波电流的含量越小。容量一定的情况下，脉波数越多，总谐波电流的含量越小。4. m重整流电路的脉波数为重整流电路的脉波数为6m脉波整流脉波整流 故：多重化整流电路谐波电流的含量减小，故：多重化整流电路谐波电流的含量减小， 在一定程度上提高功率因数。在一定程度上提高功率因数。2021-1

44、2-28上海电力学院 电力系601.3.2 高频逆变直流电源高频逆变直流电源IGBT大功率逆变电解电源采用大功率逆变电解电源采用IGBT（绝缘栅双极晶体（绝缘栅双极晶体管）及高频谐振逆变控制技术，产品体积小、重量轻、管）及高频谐振逆变控制技术，产品体积小、重量轻、高效节能，比普通电源节能高效节能，比普通电源节能30%，功率因数可做到。，功率因数可做到。图1.3.26 高频逆变直流电源组成框图第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.3 工业直流电源基础工业直流电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系611.4 工业交流调压电源基础工业交流调压电源基础 工业电炉的温度控制、工业电炉的温度

45、控制、三相异步电动机的软起动及调压调速、三相异步电动机的软起动及调压调速、供用电系统对无功功率的连续调节、供用电系统对无功功率的连续调节、在高压小电流或低压大电流直流电源中在高压小电流或低压大电流直流电源中 调节变压器一次电压等等。调节变压器一次电压等等。交流调压电源应用：交流调压电源应用：第第1章章 工业电源基础工业电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系621电阻负载电阻负载 工作原理：工作原理：在在 u1的正半周和负的正半周和负 半周，半周， 分别分别对对VT1和和 VT2的的控制角（开通角）控制角（开通角） 进行控制就可以调节输出电压进行控制就可以调节输出电压正负半周正负半周

46、起始时刻起始时刻（ 0 0）均为电压过零时刻，均为电压过零时刻， 稳态时，正稳态时，正负半周的负半周的 相等相等负载电压波形是电源电压负载电压波形是电源电压 波形波形的一部分，负载电流（也即电源的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同电流）和负载电压的波形相同一一.单相交流调压电路单相交流调压电路第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础工业交流调压电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系63 数量计算：数量计算： 负载电压有效值负载电压有效值功率因数功率因数 cos （ ）RUIoo负载电流有效值负载电流有效值2sin211oo1ooUUIUIU

47、SP2sin21dsin21121oUttUU晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值OT21II第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础工业交流调压电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系64图4-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形2阻感负载阻感负载负载阻抗角：负载阻抗角： j j = arctan( L / R) 一一.单相交流调压电路单相交流调压电路 = j j ， = j j ， -第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础工业交流调压电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系65)22sin(2sin1)()sin2(1121

48、oUtdtUU负载电压有效值：负载电压有效值： j j ， 时时第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础工业交流调压电源基础 数量计算：数量计算：2021-12-28上海电力学院 电力系66u1正半周，用正半周，用V1进行斩波控进行斩波控制，制，V3提供续流通道提供续流通道3斩控式斩控式交流调压电路交流调压电路一般采用全控型器件作为开关器件一般采用全控型器件作为开关器件工作原理工作原理:图4-7 斩控式交流调压电路图4-8 波形基本原理和直流斩波电路有类似之处基本原理和直流斩波电路有类似之处u1负半周，用负半周，用V2进行斩波进行斩波 控制，控制，V4提供续流通道提供

49、续流通道设斩波器件（设斩波器件（V1或或V2）导通时）导通时间为间为ton，开关周期为，开关周期为T，则导通，则导通比比 = ton/T，改变，改变 可调节输出可调节输出电压电压一一.单相交流调压电路单相交流调压电路第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础工业交流调压电源基础RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD32021-12-28上海电力学院 电力系67功率因数接近功率因数接近1RL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3图4-7 斩控式交流调压电路图4-8 电阻负载斩控式交流调压电路波形斩控式斩控式交流调压电路交流调压

50、电路特性特性:电源电流的基波分量和电源电电源电流的基波分量和电源电压压同相位同相位，即，即位移因数为位移因数为1电源电流电源电流不含低次谐波不含低次谐波，只含，只含和开关周期和开关周期T有关的高次谐波有关的高次谐波第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础工业交流调压电源基础3斩控式斩控式交流调压电路交流调压电路一一.单相交流调压电路单相交流调压电路2021-12-28上海电力学院 电力系68二二. 三相交流调压电路三相交流调压电路根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式n负载acn负载abca)b)负载a

51、bcc)负载bd) 图4-9abcuaubuciaUa0nuaubucianuaubucianuaubuciaVT1VT3VT4VT5VT6VT2图4-9 三相交流调压电路星形联结线路控制三角形联结支路控制三角形联结中点控制三角形联结2021-12-28上海电力学院 电力系69负载图4-11uaiaubucnbac图4-11 晶闸管控制电抗器(TCR)电路典型用例典型用例晶闸管控制电抗器晶闸管控制电抗器并接固定并接固定电容器电容器控制控制 角可连续调节角可连续调节流过电抗器流过电抗器的电流，从而调节无功功率。可的电流，从而调节无功功率。可在从容性到感性的范围内连续调在从容性到感性的范围内连续调

52、节无功功率，称为静止无功补偿节无功功率，称为静止无功补偿装置装置(Static Var CampensatorSVC），用来对无功功率进行动），用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变态补偿，以补偿电压波动或闪变（Thyristor Controlled ReactorTCR） 移相范围为移相范围为90180第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础工业交流调压电源基础二二. 三相交流调压电路三相交流调压电路2021-12-28上海电力学院 电力系70三交流调功电路和交流电力电子开关三交流调功电路和交流电力电子开关以交流电源周波数为控制单位以交流电源周波数为控制

53、单位 交流调功电路交流调功电路对电路通断进行控制对电路通断进行控制 交流电力电子开关交流电力电子开关第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础工业交流调压电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系711. 交流调功电路交流调功电路因其直接调节对象是电路的平均输出因其直接调节对象是电路的平均输出功率，所以称为功率，所以称为交流调功电路交流调功电路与交流调压电路的异同：与交流调压电路的异同：电路形式完全相同电路形式完全相同M电源周期控制周期=M倍电源周期=24M图4-13O导通段=2NM3M2Muou1uo,iotU12控制方式不同：控制方式不同：将负载与电源接通几个

54、周将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，改波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率节负载所消耗的平均功率图4-13 交流调功电路典型波形(M =3、N =2)应用：应用：常用于电炉的温度控制常用于电炉的温度控制晶闸管导通时刻通常为晶闸管导通时刻通常为电源电压过零的时刻，电源电压过零的时刻，负载负载u、i都是正弦波都是正弦波，不不对电网电压电流对电网电压电流造成造成通常意义的通常意义的谐波污染谐波污染第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础工业交流调压电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系72和机械开关相比，

55、这种开关响应速度快，没有触点，寿和机械开关相比，这种开关响应速度快，没有触点，寿命长，可以频繁控制通断。电力电子开关通常没有明确命长，可以频繁控制通断。电力电子开关通常没有明确的控制周期，只是根据需要控制电路的接通和断开。的控制周期，只是根据需要控制电路的接通和断开。2.交流电力电子开关交流电力电子开关把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用中的机械开关，起接通和断开电路的作用.第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础工业交流调压电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系732.2.交流

56、电力电子开关交流电力电子开关IU抑制冲击电流的小电感a)图4-15b) TSC基本原理图a) 基本单元单相简图 b) 分组投切单相简图应用：应用：晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器（Thyristor Switched CapacitorTSC）优点：响应速度快，无触点，优点：响应速度快，无触点， 寿命长，可频繁控制通断寿命长，可频繁控制通断对对无功功率无功功率进行控制，以提高功率因进行控制，以提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量数，稳定电网电压，改善供电质量使使TSC性能优于机械开性能优于机械开关投切的电容器关投切的电容器第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础工

57、业交流调压电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系74脉冲电源用于电镀、脉冲弧焊、静电除尘等。脉冲电源用于电镀、脉冲弧焊、静电除尘等。1.5 工业脉冲电源基础工业脉冲电源基础第第1章章 工业电源基础工业电源基础脉冲电源组成框图：脉冲电源组成框图：2021-12-28上海电力学院 电力系75图 斩波电路的原理结构及工作波形斩波电路的原理结构及工作波形1.5 工业脉冲电源基础工业脉冲电源基础Tton占空比占空比: 第第1章章 工业电源基础工业电源基础通过调节占空比来通过调节占空比来 改变输出电压的大小改变输出电压的大小2021-12-28上海电力学院 电力系76 工业用变频电源的基础是变频

58、电路。工业用变频电源的基础是变频电路。变频电路有两类，一类是直接变频电路，变频电路有两类，一类是直接变频电路， 一类是间接变频电路一类是间接变频电路。1.6 工业变频电源基础工业变频电源基础一直接变频电路一直接变频电路图 单相直接变频电路原理图单相直接变频电路原理图 第第1章章 工业电源基础工业电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系77图图1.6.2 输出星形联结方式三相交交变频电路输出星形联结方式三相交交变频电路（a）简图）简图 （b）详图）详图第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.6 工业变频电源基础工业变频电源基础2021-12-28上海电力学院 电力系78图1.6.3 间

59、接变频原理框图：间接变频原理框图：二间接变频电路二间接变频电路负载a)b)图5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2图1.6.4 单相全桥无源逆变原理图单相全桥无源逆变原理图图1.6.5 单相电压型无源逆变输出波形第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.6 工业变频电源基础工业变频电源基础根据直流侧电源性质不同无源逆变电路分为两种：根据直流侧电源性质不同无源逆变电路分为两种： 电压型逆变电路、电压型逆变电路、 电流型逆变电路。电流型逆变电路。2021-12-28上海电力学院 电力系79第第1章章 工业电源基础工业电源基础 1.6 工业变频电源基础工业变频电源基础二间接变频电路二间接变频电路1电压型逆变电路电压型逆变电路特点：特点：（1）直流侧为电压源，或并联大）直流侧为电压源，或并联大电容相当于电压源，直流侧电压基电容相当于电压源，直流侧电