电力电子技术完整全套教案教学电子课件

项目一晶闸管可控整流电路

1.电阻性负载（1）电路原理图几个名词术语和概念：①控制角α（触发角）：从规定的时刻起到产生触发脉冲时刻所对应的电角度。

②导通角：在交流电源的一个周期内晶闸管导通时间所对应的电角度。一、单相半波相控整流电路单相可控整流电路③移相：改变触发脉冲出现的时刻。④移相范围：改变控制角α，使输出电压平均值从最大值降到最小值，对应α的变化范围。⑤同步：使触发脉冲与电源电压在频率和相位上要协调配合，这种相互协调配合的关系。(2)工作原理及波形图（3）电量计算输出的直流电压平均值和有效值直流输出电流平均值和有效值变压器二次侧电流有效值晶闸管承受的最大正反向电压为2.电感性负载和电阻性负载的区别就在于：电感的存在，延缓了VT的关断，使ud出现负的部分。（1）电路原理图右图（a）所示（2）工作原理及波形图直流输出电压平均值（3）电量计算小结：单相半波相控整流电路的优缺点优点：线路简单，成本低。缺点：是输出脉动大；变压器二次侧含有直流成分电流，使变压器铁芯直流磁化。二、单相全控桥式相控整流电路1.电阻性负载（1）电路原理图（2）工作原理及波形图u2正半周时：0~α时间段：VT1、4虽然承受正向电压，但没有施加触发脉冲，仍然处于正向阻断状态；VT2、3受反压截止，ud=0。α时刻，VT1、4的触发脉冲到来，VT1、4导通，电流沿回路1流动。此时ud=u2。直至，π时刻（u2过零点），VT1、4受零压而关断。u2负半周时：VT1、4受反压截止。α~π+α：VT2、3虽然承受正向电压，但没有施加触发脉冲，仍然处于正向阻断状态；，ud=0。π+α时刻，VT2、3的触发脉冲到来，VT2、3导通，电流沿回路2流动。此时ud=u2。直至，2π时刻（u2过零点），VT2、3受零压而关断。波形图如右图所示。（3）电量计算直流输出电压平均值直流输出电流平均值和有效值流过每个晶闸管的电流平均值和有效值变压器二次绕组电流有效值晶闸管承受的最大反向电压2.电感性负载（1）电路原理图（2）工作原理及波形图由于在电流发生变化的时候电感中会产生感应电动势阻碍电流的变化，使得电流缓慢的发生变化。同时，电感中产生的上负下正的感应电动势使得正在导通的晶闸管在u2=0时不会关断，继续保持导通状态,只有电流为零时才关断；如果电感足够大，电感中储存的能量完全可以维持到下一组脉冲到来。使得负载上的电压、电流波形连续。（3）主要数量关系直流输出电压平均值直流输出电流平均值和有效值晶闸管的电流平均值和有效值变压器二次绕组电流有效值晶闸管承受的最大正、反向电压3.反电动势性负载（1）电路原理图电路原理图如右图（a）所示（2）工作原理及波形图当u2>E时，晶闸管触发导通。控制角α应大于停止导电角δ。当晶闸管VT1、VT4被触发导通后，忽略管子的管压降，负载两端的电压为电源电压u2；当晶闸管VT2、VT3被触发导通后，忽略管子的管压降，负载两端的电压为负的电源电压；当u2<E时，晶闸管关断。停止导电角（3）主要数量关系直流输出电压平均值直流输出电流平均值例2.1单相桥式相控整流电路，U2=220V，α=π/3。①电阻性负载，R=10Ω；②电感性负载，R=10Ω，L值极大。根据上述情况，计算直流输出电压Ud、电流Id、变压器二次侧电流有效值I2。解：（1）电阻性负载（2）电感性负载三相可控整流电路一、三相半波相控整流电路1.电阻性负载（1）电路原理图（2）工作原理及波形图α的起算点：自然换流点。整流变压器接法为Δ/Y接法，其中的Δ是消除3次谐波电流，Y为得到中线。三相相电压正半周的交点即为α的起算点。当α=0º时，应该在ωt=30º，150º，270º时分别给VT1、VT2、VT3施加触发脉冲，其负载两端的电压波形为三相相电压正半周的包络线。右图为α=30º时的波形图。α≦30º时，每个晶闸管的导通角为120º。当30º<α≦150º时,每个晶闸管的导通角为150º-α。（3）主要数量关系α≦30º时，整流输出电压平均值当30º<α≦150º时,晶闸管承受的最大反向电压2.电感性负载同样只有电流为零管子关断，下一相管子导通；移相范围为0°～90°。整流输出电压平均值变压器二次侧电流即晶闸管电流有效值晶闸管承受的最大反向电压电路的主要缺点是变压器二次电流有直流分量，易直流磁化。下图为α=60º时相关电量的波形图。二、三相全控桥式整流电路（1）电路原理图（2）工作原理及波形图α=0º时，相当于不可控整流电路，任一时刻，共阴极组和共阳极组各有一个晶闸管导通，负载上得到的是线电压波形正半周包络线。1.电阻性负载一个周期之内，有六种工作状态，分别为：时段ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ共阴极组VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组VT6VT2VT2VT4VT4VT6每隔π/3有一个晶闸管换流。为保证电路在启动或电流断续时能正常工作，必须要有两个晶闸管同时有触发脉冲，脉冲的施加方法有两种：（1）宽脉冲触发。宽度大于60°（80°－100°）。（2）双窄脉冲触发。两个脉冲前沿相差60°(20°－30°)。右图为α=90°时负载两端的电压波形图。宽脉冲双窄脉冲（3）主要数量关系输出电压平均值α≤π/3时α＞π/3时（1）电路原理图是将上图中的电阻负载变成电感负载。（2）波形图晶闸管电流有效值α≤π/3时α＞π/3时变压器二次侧电流有效值晶闸管承受的最大反向电压2.电感性负载α=30°α=90°（3）主要数量关系输出电压平均值晶闸管电流有效值变压器二次侧电流有效值晶闸管承受的最大反向电压

晶闸管的有源逆变把直流电变换为交流电回馈给电网的连接称为有源逆变。应用：直流电动机的可逆系统、交流电机串级调速系统以及高压直流输电等。一、有源逆变的基本原理1.直流电能的传递产生功率吸收功率吸收功率产生功率产生功率产生功率2.逆变产生的条件(1)电路工作于整流状态，提升重物α在0~π/2，Ud>0，Ud>E(2)电路工作于逆变状态，下放重物α在π/2~π，E、Ud同时反向，E>Ud电动机的能量回馈电网。有源逆变的条件：外部条件：有直流电动势的存在，并且极性和晶闸管导通方向一致，其值大于直流侧的平均电压。内部条件：控制角α>π/2，使Ud<0。充分条件：直流回路有大电感，以保证逆变连续进行。半控桥和接有续流二极管的电路不能实现有源逆变。二、三相桥式相控有源逆变电路

定义逆变角为β，令α＋β＝180°在电流连续时，无论整流还是逆变Udo为α＝0时的最大整流电压。对三相桥式逆变电路交流侧回馈到直流侧的有功功率三、逆变失败及最小逆变角的限制若逆变电路输出平均电压外接直流电源顺向串联，形成较大的短路电流称为逆变失败（或逆变颠覆）。1.逆变失败的原因(1)触发电路工作不可靠；(3)交流电源发生缺相或突然消失；(2)晶闸管发生故障；(4)γ过小，换相裕量不足。2.最小逆变角的限制δ为晶闸管关断时间折算的电角度，δ=(4°~5°)。γ为换相重叠角，γ=(15°~20°)。θ’为安全裕量，一般取10°。项目二变频电路学习目标掌握变频电路中常用电力电子器件的基本工作原理了解变频电路的概念和分类能够独立完成典型变频电路工作过程的分析掌握PWM控制技术的原理及典型电路的工作过程技能目标独立完成大功率晶体管和绝缘栅双极型晶体管的性能测试在实验装置中能够正确完成典型变频电路的接线对变频电路的输出波形进行观察和测量，并记录实验数据进行分析【任务一】大功率晶体管（GTR）学习目标掌握大功率晶体管的结构、符号及工作原理了解大功率晶体管的优缺点及应用技能目标认识GTR的外形和引脚对GTR的导通和截止条件进行验证大功率晶体管又可称为电力晶体管（GiantTransistor，GTR），它是一种耐高压、大电流的双极型晶体管，其耗散功率（或输出功率）通常在1W以上。GTR的电气图形符号与普通晶体管相同，也是一种全控型电力电子器件，它具有控制方便、开关时间短、高频特性好、价格低廉等优点。GTR的三个发展阶段：双极单个晶体管达林顿管和GTRGTR模块一、GTR的结构及其工作原理图2-1-1GTR的结构、电气符号和内部载流子的的运动二、GTR的特性1．GTR共发射极电路输的出特性（1）在截止区：IB<0（或IB=0），UBE<0，UBC<0，GTR承受高电压，且有很小的穿透电流流过，类似于开关的断态。（2）在线性放大区：UBE>0，UBC<0，IC=βIB，GTR应避免工作在线性区，以防止功率过大损坏GTR。（3）在准饱和区：随着IB的增大，GTR逐渐进入准饱和区，此时UBE>0，UBC>0，但是IC和IB之间不再呈线性关系，电流增益β开始减小，输出特性曲线开始弯曲。（4）在深饱和区：此时UBE>0，UBC>0，IB变化时IC不再改变，管压降UCE很小，可近似认为等于零，等效于理想开关的导通状态。2．GTR的开关特性（1）开通时间（Ton）（2）关断时间（Toff）图2-1-2共发射极电路的输出特性曲线图2-1-3GTR的开关特性曲线三、GTR的主要参数1．电压参数（1）最高电压额定值（2）饱和压降UCES2．电流参数（1）集电极连续直流电流额定值IC（2）集电极最大电流额定值ICM（3）基极电流最大允许值IBM3．其他参数（1）最高结温TjM（2）最大额定功耗PCM4．二次击穿与安全工作区四、GTR的驱动和保护电路1．GTR驱动电路的设计要求设计基极驱动电路必须考虑的3个方面：优化驱动特性、驱动方式和自动快速保护功能。（1）优化驱动特性优化驱动特性就是以理想的基极驱动电流波形去控制器件的开关过程，保证较高的开关速度，减少开关损耗。优化的基极驱动电流波形与GTO门极驱动电流波形相似。（2）驱动方式驱动方式按不同的情况有不同的分类方法。在此处，驱动方式是指驱动电路与主电路之间的连接方式，它有直接和隔离两种驱动方式：直接驱动方式分为简单驱动、推挽驱动和抗饱驱动等形式；隔离驱动方式分为光电隔离和电磁隔离形式。（3）自动快速保护功能在故障情况下，为了实现快速自动切断基极驱动信号以免GTR遭到损坏，必须采用快速保护措施。保护的类型一般有抗饱和、退抗饱和、过流、过压、过热和脉冲限制等。2．典型基极驱动电路GTR的基极驱动电路有恒流驱动电路、抗饱和驱动电路、固定反偏互补驱动电路、比例驱动电路、集成化驱动电路等多种形式。3．双电源分立元件驱动电路图2-1-7光电隔离驱动电路4．GTR保护电路（1）电流保护、电流变化率di/dt的限制。

（2）GTR的过电流保护5．集成GTR驱动电路【任务二】绝缘栅双极型晶体管（IGBT）学习目标掌握绝缘栅双极型晶体管的结构、符号及工作原理了解绝缘栅双极型晶体管的优缺点及应用技能目标认识IGBT的外形和引脚对IGBT的导通和截止条件进行验证绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT），它将功率MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有通态压降低、耐高压和承受电流大等优点。目前IGBT的产品已经系列化，最大电流容量达1800A，最高电压等级达4500V，工作频率达50kHz。IGBT在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其他高速低损耗的中小功率领域中得到了广泛的应用。随着IGBT的生产水平进一步向高电压、大电流方向发展，可以预料它不仅在低压高频应用领域，而且在高压、大电流场合都会逐渐接近GTO的水平而获得极为广泛的应用。一、IGBT的结构及其工作原理1．IGBT的结构

2-2-1IGBT的结构、等效电路和电气符号2．IGBT的工作原理IGBT也属于场控型器件，其驱动方法和MOSFET基本相同，相当于一个由P-MOSFET驱动的厚基区GTR，其简化等效电路如图2.2.1（b）所示。如果集电极C接电源正极，发射极E接电源负极，则它的导通和关断由栅极电压UGE来控制。当栅极施以正向电压UGE，且UGE大于开启电压UGE（TH）时，P-MOSFET栅极下形成导电沟道，为等效PNP型GTR提供基极电流，使IGBT导通。此时，从P+区注入到N—层的空穴（少子）对N—层进行电导调制，减小了N—层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，当栅极施以负电压UGE时，P-MOSFET内的沟道消失，PNP型GTR流过反向基极电流，使IGBT关断。

二、IGBT的工作特性与主要参数1．IGBT的伏安特性和转移特性

2-2-2IGBT的伏安特性和转移特性2．IGBT的开关特性

2-2-3IGBT的开关特性3．IGBT的主要参数（1）最大集电极-发射极间电压UCEM（2）开启电压UGE(th)（3）最大栅极-发射极电压UGEM（4）通态压降UCE(on)（5）集电极电流最大值ICM（6）最大集电极功耗PCM（7）输入阻抗（8）最高允许结温TJM三、IGBT的安全工作区四、IGBT的栅极驱动电路及其保护

2-2-5IGBT的安全工作区【任务三】变频电路的作用、原理和换流方式学习目标明确变频电路的定义及作用了解变频电路的种类和基本工作过程技能目标熟知不同换流方式的特点和使用范围对交-直-交和交-交变频电路的工作原理进行分析和比较目前常用的电源有两种，即工频交流电源和直流电源，这两种电源的频率都固定不变。但在实际的生产实践中，往往需要各种不同频率的交流电源，可以通过变频电路即利用晶闸管或者其他电力电子器件，将工频交流电或直流电变换成各种所需频率的交流电提供给负栽，有时称这种电路为无源逆变电路。本章将结合实际电路介绍主要变频电路的工作原理及其电路形式。一、变频电路的作用在现代化生产中需要各种频率的交流电源，变频器的作用就是把工频交流电或直流电变换成频率可调的交流电供给负载，如：（1）标准50Hz电源，用于人造卫星、大型计算机等特殊要求的电源设备，对其频率、电压波形与幅值及电网干扰等参数，均有很高的精度要求。（2）不间断电源(UPS)，平时电网对蓄电池充电，当电网发生故障停电时，将蓄电池的直流电逆变成50Hz交流电，对设备进行临时供电。（3）中频装置，广泛用于金属冶炼、感应加热及机械零件淬火。（4）变频调速，用三相变频器产生频率、电压可调的三相变频电源，对三相感应电动机和同步电动机进行变频调速。二、变频电路的分类变频电路的核心部分就是无源逆变电路，即我们常说的变频器，根据不同的特点有不同的分类方法。1．根据输入直流电源的特点分（1）电压型：电压型逆变器的输入端并接有大电容，输入直流电源作为恒压源。（2）电流型：电流型逆变器的输入端串接有大电感，输入直流电源作为恒流源。2．根据电路的结构特点分（1）半桥式逆变器（2）全桥式逆变器（3）推挽式逆变器3．根据负载的特点分（1）谐振式逆变器（2）非谐振式逆变器4．根据变频过程分（1）交-交变频器，由固定的交流电直接转换成交流电的过程，也叫直接变频（2）交-直-交变频器，先将交流电整流成直流电，再将直流电转换成交流电的过程，也称间接变频。三、变频电路的工作原理变频电路种类繁多，依据变频的过程可分为两大类。一类为交-直-交变频，另一类为交-交变频，下面我们用单相变频电路分别来说明其工作原理。1.单相交-直-交变频电路2-3-1单相桥式变频电路及输出电压波形图2.单相交-交变频电路2-3-2单相交-交变频电路及输出电压的波形图（控制角α不变）2-3-3单相交-交变频电路及输出电压的波形图（控制角α变化）3.两种变频电路的比较三相交-交变频电路所需的元器件数量较多，控制复杂，低压时功率因数低，输出频率受电网频率的限制。但是因为只有一次变流，且利用电网电源进行换流，不需要另接换流元件，提高了变流效率，并且低频时输出波形接近正弦波。由于上述特点，因此交-交变频电路主要用于500kW或1000kW以上，转速在600r/min以下的大功率、低转速的交流调速装置中，目前已在矿石碎机、水泥球磨机、卷扬机、鼓风机及轧钢机主传动装置中获得较多的应用。它既可用于异步电动机传动，也可用于同步电动机传动。交-直-交变频电路所需的元器件数量较少，控制简单，采用SPWM控制，功率因数高，输出频率不受电网频率的限制，特别是在高频下效率更高。所以交-直-交变频电路主要用于金属熔炼、感应加热的中频电源装置，可将蓄电池的直流电变换为50Hz交流电的不停电电源、变频变压电源（VVVF）和恒频恒压电源等。二、变频电路的换流方式在变频电路工作过程中，电流从一个支路向另外一个支路转移的过程称为换流（也称为换相）。换流能否成功是变频电路能否正常工作的关键，因此研究换流方式是十分重要的。1．器件换流（DeviceCommutation）2．负载换流（LoadCommutation）3．强迫换流（ForcedCommutation）4．电网换流（LineCommutation）【任务四】谐振式变频电路学习目标理解谐振式变频电路的基本工作原理能够分析并联与串联式谐振电路的工作过程技能目标并联谐振式变频电路的过程分析串联谐振式变频电路的过程分析在晶闸管变频电路中，晶闸管的换流方式是电路的重要内容，利用电容性负载电路的谐振来实现换流的电路称为谐振式变频电路。如果换流电容与负载并联，换流是基于并联谐振的原理，则称为并联谐振式变频电路。它广泛应用于金属冶炼、加热、中频淬火等场合。如果换流电容与负载串联，换流是基于串联谐振的原理，则称为串联谐振式变频电路。适用于高频淬火、弯管等场合，由于它们不用附加专门的换流电路，因此应用较为广泛。一、并联谐振式变频电路

2-4-1并联谐振式变频电路2-4-2变频器工作时晶闸管的换流过程2-4-3并联谐振式变频电路工作波形二、串联谐振式变频电路在变频电路的直流侧并联一个大电容C，用电容储能来缓冲电源和负载之间的无功功率传输。从直流输出端看，电源因并联大电容，其等效阻抗变得很小，大电容又使电源电压稳定，因此具有恒压源特点，变频电路输出电压接近矩形波，这种变频电路又被称为电压型变频电路。2-4-4IGBT的结构和电气符号2-4-5串联谐振式变频电路工作波形【任务五】三相变频电路学习目标了解三相变频电路的分类能够独立分析三相变频电路的工作原理和波形技能目标通过特点能够区分电压型与电流型三相变频电路熟练掌握典型三相变频电路的工作方式一、电压型三相变频电路1．电压型三相桥式变频电路2-5-1电压型三相桥式变频电路2-5-2电压型三相桥式变频电路输出波形2．三相串联电感式变频电路2-5-3三相串联电感式逆变电路图3．电压型变频电路的主要特点（1）直流侧并接有大电容，相当于恒压源，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗状态。（2）由于直流电压源的箝位作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形因负载阻抗角的不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。（3）当交流侧为电感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈能量提供通道，各臂都并联了续流二极管。（4）变频电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。（5）当变频电路的负载是电动机时，如果电动机工作在回馈制动状态，就必须向交流电源反馈能量。因直流侧电压方向不能改变，只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给电路再反并联一套变频桥，这将使电路变得复杂。二、电流型三相变频电路1．电流型三相变频电路的工作原理2-5-5电流型三相桥式变频电路原理图2．电流型变频电路的主要特点（1）直流侧串接有大电感，相当于恒流源，直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗状态。（2）由于各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形因负载阻抗角的不同而不同。（3）直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故可控器件不必反向并联二极管。（4）当变频电路的负载为电动机时，若变频电路中的交-直变换是可控整流时，则可很方便地实现回馈制动，不需另加一套变频桥。【任务六】交-交变频电路学习目标了解交-交变频电路的基本过程类比交-交变频与交-直-交变频的技能目标可分析典型的交-交变频电路能够独立分析变频电路各组晶闸管的导通与关断过程深刻掌握交-交变频电路的控制方法一、方波型交-交变频电路1．单相负载2．三相负载2-6-1三相方波型交—交变频电路2-6-2变频电路各组导通次序二、正弦波型交-交变频电路2-6-5正组桥输出电压波形【任务七】脉冲宽度调制变频电路学习目标对比PWM控制技术与传统控制技术的不同可分析典型PWM控制电路的工作过程，并画出输出波形技能目标对单极性与双极性PWM变频电路分别进行分析，对比输出波形的区别可独立完成三相SPWM电路输出波形的分析与绘制一、脉宽调制变频电路概述1．脉宽调制变频电路的基本工作原理2-7-1单相桥式PWM变频电路的主电路2-7-2单相桥式PWM变频电路的几种电压输出波形2．脉宽调制的控制方式PWM控制方式就是对变频电路开关器件的通断进行控制，使主电路输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或者其他所需要的波形。从理论上讲，在给出了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，脉冲波形的宽度和间隔便可以准确计算出来。然后按照计算的结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的波形。但在实际应用中，人们常采用正弦波与等腰三角波调制的办法来确定各矩形脉冲的宽度和个数。二、单极性PWM变频电路2-7-3单极性PWM控制SPWM波形三、双极性PWM变频电路2-7-4双极性PWM控制SPWM波形四、三相桥式PWM变频电路2-7-5电压型三相桥式PWM变频电路2-7-6三相正弦波脉宽调制波形（1）U相：当urU>uc时，使VT1导通，VT4关断，uU=Ud；当urU<uc时，使VT1关断，VT4导通，uU=－Ud。VT1、VT4的驱动信号始终互补。（2）V相：当urV>uc时，使VT3导通，VT6关断，uV=Ud；当urV<uc时，使VT3关断，VT6导通，uV=－Ud。VT3、VT6的驱动信号始终互补。（3）W相：当urW>uc时，使VT5导通，VT2关断，uW=Ud；当urW<uc时，使VT5关断，VT2导通，uW=－Ud。VT5、VT2的驱动信号始终互补。项目三交流变换电路

任务一单相交流调压电路一、交流变换电路：将一种形式的交流电变换为另一种形式交流电的电路。二、电路类型：1.交流电力控制电路：只改变大小或仅对电路实现通断控制，而不改变频率的电路2.变频电路：把一种频率的交流电变换为另一种频率固定或可变的交流电。在变频的同时兼有调压的功能。三、交流调压电路的特点及分类特点：用晶闸管仅改变交流电压的大小，而频率不变。分类：单相交流调压电路：用于小功率负载，如照明、电加热等；三相交流调压电路：用于三相异步电动机的软起动控制。一、带电阻性负载1单相交流调压电路负载电压的有效值负载电流的有效值调压器的功率因数（1）时，导通角正负半波电流断续。负载电流表达式导通角θ表达式二、带阻感性负载（2）时：于是即每个晶闸管导通1800，相当于晶闸管轮流导通，负载电流处于连续状态，输出为完整正弦波。（3）时：会形成只有一个晶闸管导通的“单相半波整流现象。措施：应采用宽脉冲或脉冲列（频率在20～30kHZ）触发方式。此时，输出电压和电流波形都是完整的正弦波，电路失去调压的功能，也处于“失控”状态一、三相四线制交流调压电路三相四线交流调压电路，实际上是三个单相交流调压电路的组合，特点是带中性线。缺点是中性线中流过相当大的三次谐波电流，当α=900时，达到最大，近似等于各相电流的有效值。这会给电源变压器和其他负载带来不利的影响。三相交流调压电路二、三相三线制交流调压电路三相三线制交流调压电路，负载既可以是星形联结也可以是三角形联结，特点是每相电路通过另一相形成回路，因此晶闸管的触发脉冲必须是双脉冲，或者是宽度大于600的单脉冲。由于负载接线灵活，且不用中线因此应用范围较广。三相三线制调压电路带电阻性负载（1）在任何时刻都有三个晶闸管同时导通。每管导通1800负载上输出的电压等于电源电压（略去管压降）。（2）三相晶闸管同时导通与两相晶闸管同时导通轮流工作。前一种情况负载电压等于电源电压，后一种情况导通的两相每相负载上的电压为其线电压的一半，不导通相的负载电压为零。而且相电压的正、负半周反向对称，每管持续导通（3）在任何时刻有两相的晶闸管导通，第三相中的两个晶闸管都不导通。电流从电源的其中一相流出从另一相回到电源，每管持续导通120°（4）两相晶闸管同时导通与无晶闸管导通交替，导通角度为项目四直流斩波电路

1.电阻性负载（1）电路原理图几个名词术语和概念：①控制角α（触发角）：从规定的时刻起到产生触发脉冲时刻所对应的电角度。

②导通角：在交流电源的一个周期内晶闸管导通时间所对应的电角度。一、单相半波相控整流电路单相可控整流电路③移相：改变触发脉冲出现的时刻。④移相范围：改变控制角α，使输出电压平均值从最大值降到最小值，对应α的变化范围。⑤同步：使触发脉冲与电源电压在频率和相位上要协调配合，这种相互协调配合的关系。(2)工作原理及波形图项目五电力电子技术的应用软开关技术教学要求：（1）掌握软开关的基本概念、特性及其类型；（2）了解准谐振与多谐振变换电路、零开关PWM变换电路、零转换PWM变换电路和直流环节谐振型逆变电路的工作原理及工作过程。谐振软开关技术为了使开关型电力电子变换器能在很高的频率下高效可靠地运行，近年来研究并开始应用了软开关技术。一、硬开关的开关损耗1、典型的开关损耗开通损耗：关断损耗：2、Buck电路中器件的开关损耗Buck电路中器件的开关损耗更为严重二、软开关特性1、零电压开通、零电流关断三、谐振软开关电路的类型1、准谐振与多谐振变换电路2、零开关PWM变换电路3、零转换PWM变换电路4、直流环节谐振型逆变电路（RDCLI）2、软开通、软关断零电流开关准谐振变换电路（ZCSQRC）1.基本工作原理若有源开关只允许电流单向流通，则零电流开关工作于“半波模式”；若有源开关允许电流双向流通，则零电流开关工作于“全波模式”。由于有谐振的作用，当谐振电感中通过的电流为零时，开关管VT导通，从而实现开关管零电流开通；当VT导通后，谐振电感和谐振电容发生谐振，中的电流为零时，开关管断开，1.基本工作原理在ZVSQRC中，谐振电容与有源开关并联，谐振电感与有源开关串联。由于有谐振的作用，当谐振电容中两端电压为零时，开关管闭合，从而实现开关管的零电压开通；开关管导通后，在任意时刻其两端电压可近似为零，此时关断可实现开关管的零电压关断。2.工作过程分析零电压开关准谐振变换电路（ZVSQRC）零电压开关准谐振变换电路的等效电路(1)[t0,t1]阶段VT关断，谐振电容两端电压上升率线性上升，同时二极管VD两端电压线性下降。改变方向，达到反向谐振峰值，VDs导通，电容电压被钳为零，电感电流线性衰减，直到t5时刻，电感电流为零，这时使开关管开通为零电压下开通。(2)[t1,t2]阶段(3)[t2,t3]阶段(4)[t3,t4]阶段(5)[t4,t5]阶段(6)[t5,t6]阶段零电压开关多谐振变换电路（ZVSMRC）(1)[t0,t1]阶段(Lr充电)在t=t0时刻，，开关管在零电压条件下导通，电感电流线性增长，直到(2)[t1,t2]阶段(Lr-Cd谐振——第一次谐振)(3)[t2,t3]阶段(Lr-Cd-Cs谐振——第二次谐振)(4)[t3,t4]阶段(Lr-Cs谐振——第三次谐振)在t=t2时刻，二极管上电压下降到零，管子导通，电路进入谐振状态(第三次振)，相当于ZVSQRC的谐振阶段。Buck多谐振开关电路等效电路Buck多谐振开关电路工作波形零电流开关PWM变换电路（ZCSPWM）BuckZCSPWM变换电路需要作出如下几点假设：①所有开关管、二极管均为理想器件；②电感、电容均为理想元件；③假定和都很大，可以等效为电压源和电流源。设电路初始状态为主开关管和辅助开关管均处于断开状态，续流二极管导通。变换电路的等值电路变换电路的工作波形在t=t0时刻，VT1导通，电感电流线性上升，续流二极管的电流线性下降，当t=t1时刻，续流二极管自然关断。(2)[t1,t2]阶段（电容谐振充电）在t1<t<t2期间，VD2导通，电源经VT1、Lr、VD2对Cr谐振充电。当t=t2时刻，(1)[t0,t1]阶段（电感线性充电）(3)[t2,t3]阶段（电感恒流）(4)[t3,t4]阶段（电容谐振放电）当t=t3时刻，驱动VT2，在期间，负电流经VD1返回电源，开关管VT1的电流且电压，可使VT1在零电流下关断。(5)[t4,t5]阶段（电容线性放电）(6)[t5,t6]阶段（续流模式）开关管VT1已关断，续流二极管VD截止，Cr经VT2对负载恒流放电，电容电压线性下降到零当t=t5时刻，，二极管VD导通，当t>t5时，撤除VT2的驱动信号，则VT2也是零电流关断。当t=t6时刻，VT1被驱动，开始下一个开关周期。BuckDC/DCZVSPWM变换电路③假定和都很大，可以等效为电压源和电流源。①所有开关管、二极管均为理想器件；②电感、电容均为理想元件；为了简化分析，在以下的分析中假设：零电压开关PWM变换电路（ZVSPWM）变换电路的工作波形(1)[t0,t1]阶段（电容线性充电）VT1关断，uCr线性上升，当t=t1时刻，uCr=Ui，VD导通变换电路的工作波形(2)[t1,t2]阶段（自然续流）iLr=I0经VT2、VD2续流，uCr=Ui不变。通过调节VT2的关断时刻t2调控输出电压。(3)[t2,t3]阶段（谐振阶段）VT2令电压关断关断，Lr和Cr发生谐振，当t=t3时刻，uCr=0(4)[t3,t4]阶段（电感充电）uCr=0，iLr为负值，VD1导通，iLr经VD1向电源回馈能量，当t=t’3时刻，iLr=0。期间，VT零电压开通。变换电路的工作波形(5)[t4,t5]阶段（恒流供电）VT1处于通态，iLr线性上升，iD线性减小，当t=t4时刻，iLr=I0，VD关断VT1令电压开通的条件变换电路的工作波形1、引入辅助开关管以后，把ZVS准谐振变换电路只能调频控制改善为可以在恒频下通过PWM控制输出电压。2、谐振元件对电路的输出特性影响很小，谐振元件谐振、充放电过程短，损耗小，同时主开关管的电流仅为负载电流，其通态损耗小。3、ZVSQRC与ZVSPWM电路相同之处是：开关管实现零电压开通条件是一样的，主开关管和谐振电容、电感的电流、电压应力也是完全一样的。零电压开关准谐振变换电路和零电压开关PWM变换电路的比较：零转换PWM变换电路基本零电流转换PWM电路1.拓扑结构谐振网络与主功率开关管相并联，并使主功率开关管在零电流条件下开关的PWM变换电路称为零电流转换ZCTPWM变换电路。2.工作原理在每一次主功率开关管需要进行状态转换之前，先导通辅助开关管，使辅助电路谐振为主开关管创造零电流关断(或零电流导通)条件。主功率开关管完成状态转换后，尽快关断辅助开关管，使辅助谐振电路停止工作，电路重新以常规PWM方式运行。ZCTPWM变换电路的4种基本拓扑结构基本零电压转换PWM电路1.拓扑结构谐振网络与主功率开关管相并联，并使主功率开关管在零电压下完成开关过程的PWM变换电路称为零电压转换(ZVTPWM)变换电路。2.工作原理在每一次主功率开关管需要导通之前，先导通辅助开关管，使辅助谐振网络谐振，当主开关管两端电容电压谐振到零后，在零电压下导通主开关管。主开关管完成导通后，迅速关断辅助开关管，使辅助谐振电路停止工作。之后电路以常规的PWM方式运行。4种基本的ZVTPWM变换电路拓扑结构特点分析：对于ZCTPWM而言，主功率管在零电流下关断，减小了如IGBT这种具有很大电流拖尾的功率器件的关断损耗，并且又没有明显增加主功率管及整流二极管的电压和电流应力。同时，谐振网络可以自适应地根据输入电压与负载的变化调整自己的环流能力。更重要的是它的软开关条件与输入、输出无关．这就意味着它可以在很宽的范围内实现软开关操作。对于ZVTPWM而言，主功率管在零电压下完成导通和关断，有效地消除了主功率二极管的反向恢复特性的影响，同时又不过多的增加主功率开关管与主功率二极管的电压和电流应力。另外，ZVTPWM也可在很宽的输入电压和输出负载变化范围内有效地实现软开关操作过程，并且用于保证ZVS条件所需的环流能量也不大。直流环节并联谐振型逆变电路（PRDLI）直流环节并联谐振型逆变电路电路结构的特点为：①逆变桥开关器件的开关点可以选择在任何时刻，谐振可以在任何时刻进行，即直流电压过零时间点可以控制，便于和逆变电路开关器件VT1~VT2PWM控制要求同步；②所有开关器件承受的电压应力不超过Ui③谐振电路的开关动作均在零电压条件下进行；④谐振电感不在主回路能量传递通道上，逆变电路不换流时不工作，仅用作需谐振的储能元件；⑤谐振电容和每个主开关器件并联，因此，可以利用器件本身的寄生电容作谐振电容。工作过程为了简化分析，假定：①电路中的所有元器件均是理想的；②谐振电感L远小于负载电感，LC谐振周期很短，因此，在一个谐振开关周期中，带有三相感性负载的逆变电路从直流母线侧来看可等效为一恒定的电流源I0③直流电源电压为一理想电压源Ui④各桥臂开关管两端并联的电容可等效为一个直接连在直流母线上的电容C。（1）开关状态1[t0~t1]阶段VT0导通，VTa、VTb断开，电路处于稳定状态，这个时间段的持续时间取决于逆变电路的PWM控制所需的交流输出电压波形的持续时间。驱动VTa、VTb当L较大时还可能是零电压开通当t=t2时刻，时，在零电压条件下关断VT0。IT为使L具有足够的能量维持LC谐振电路完成谐振过程，使电容电压谐振到零（2）开关状态2[t1~t2]阶段（3）开关状态3[t2~t3]阶段当时uC下降到零所需的时间为（4）开关状态4[t3~t4]阶段VD、VDa、VDb导通，保持不变。可使逆变器开关器件在零电压下换相，这段时间的起始点是可控的，使逆变器开关管在PWM控制所要求的时刻，准确的零电压下关断、开通，无开关损耗。（5）开关状态5[t4~t5]阶段VDa、VDb关断uC从零谐振到Ui所需的时间：谐振电感应有足够地预充电流IT，足够大的IM，使t4~t5期间能够将uC从零充电到Ui，可实现下一时间段中VT0的零电压开通。电感电流从Ir下降到零所需时间为：在t5~t7期间，可实现VT0零电压开通。（6）开关状态6[t5~t8]阶段小结1.利用电路的谐振所产生的电流、电压瞬时过零时机，关断和开通电力电子器件实现软开关是各类软开关技术的基础。2.准谐振变换电路中的谐振元件只参与能量变换的某一阶段而不是全过程。开关所承受电压、电流都比较高，只能采用频率调制方法调控输出电压和输出功率。3.ZVSPWM与ZVSPWM是将准谐振变换电路与常用PWM变换电路相结合，通过附加的辅助开关管阻断谐振过程，使电路在一个周期内，一部分时间按ZVS或ZVS准谐振方式运行，另一部分时间则按PWM方式运行，利用PWM调控输出电压。但电路中总是存在着很大的环流能量，并使电路的软开关条件极大地依赖于输入电源和输出负载地变化。4.ZVtPWM和ZVtPWM利用辅助谐振电路与主开关管相并联，电路中环流能量被自动地保持在较小的数值，且软开关条件与输入电压和输出负载变化无关。5.谐振型直流环节逆变器有可能发展成为一种性能优良的高频软开关DC/AC逆变器。项目五电力电子技术

的应用

电力电子技术在变频调速中的应用

电力电子技术在变频调速中的应用学习目标:

掌握SPWM变频装置的原理

了解矿用提升机变频调速系统的优点及结构技能目标会利用变频调速等的相关内容对变频调速系统进行原理分析能耗制动电路R为外接能耗制动电阻,当电机正常工作时,电力晶体管T截止,R中没有电流流过。当快速停机或逆变器输出频率急剧降低时,电机将处于再生发电状态,向滤波电容C充电,直流电压Ud升高。当Ud升高到最大允许电压Udmax时,功率晶体管T导通,接入电阻R,电机进行能耗制动,以防止Ud过高危害逆变器的开关器件。控制电路给定积分器的输出信号的极性决定电机正反转,当输出为正时,电机正转;反之,电机反转。给定积分器的输出信号的大小控制电机转速的高低。不论电机是正转还是反转,输出频率和电压的控制都需要正的信号,因此需加一个绝对值运算器。绝对值运算器的输出,一路去函数发生器,函数发生器用来实现低频电压补偿,以保证在整个调频范围内实现输出电压和频率的协调控制;绝对值运算器输出电压的另一路经过压控振荡器,形成频率fi的脉冲信号,由此信号控制三相正弦波发生器,产生频率与fi相同的三相标准正弦波信号,该信号同函数发生器的输出相乘后形成逆变器输出指令信号。

矿用提升机变频调速系统现在大多数矿用提升机还在沿用传统的线绕转子异步电动机,用转子串电阻的方法调速。这种调速属于有级调速,起动电流和换档电流冲击大;中高速运行振动大,制动不安全不可靠,对再生能量处理不力,斜井提升机运行中调速不连续,容易掉电,故障率高。矿用生产往往是多小时连续作业,即使短时间的停机维修也会给生产带来很大损失。使用矿用提升机系列变频器的优点①可以实现电动机的软起动、软停车,减少了机械冲击,使运行更加平稳可靠。②起动及加速换档时冲击电流很小,减轻了对电网的冲击,简化了操作、降低了工人的劳动强度。③运行速度曲线成S形,使加减速平滑、无撞击感。④安全保护功能齐全,除一般的过电压、欠电压、过载、短路、温升等保护外,还设有联锁、自动限速保护功能等。⑤设有直流制动、能耗制动、回馈制动等多种制动方式,使安全性更加可靠。⑥该系统四象限运行,回馈能量直接返回电网,且不受回馈能量大小的限制,适应范围广,节能效果明显。

矿用提升机变频调速系统的原理

过程二是绞车电机作为发电机的过程,即能量回馈过程。该过程主要由整流、回馈逆变和输出滤波三部分组成。其中,该部分的整流是由正常逆变部分中IGBT的续流二极管完成。二极管VD1和VD2为隔离二极管,其主要作用是隔离正常逆变部分和回馈逆变部分。电解电容C2的主要作用是为回馈逆变部分提供一个稳定的电压源,保证逆变部分运行更可靠。安全方面鉴于矿区电压的波动性可能比较大的事实,由于变频器的回馈条件是要和电网电压有一个固定的电压差值,假若某时刻电网电压比较高,再加上回馈时的固定电压差值,则此时变频器的母线电压就会达到一个比较高的电压值:如果再有重车下滑,则每线电压会更高。此时的高电压就有可能威胁到变频器的大功率器件的安全,为此,该系统又加了一个刹车部分,以保证变频器的安全。

谢谢观看项目五电力电子技术的应用电力电子装置在新能源技术中的应用5.3.1全球新能源发展概况世界范围内新能源的发展势不可挡，前景广阔。为促进全球尤其是发展中国家新能源的推进并拉动全球新能源需求,2009年成立了国际新能源机构，目前其成员国数量已经上升到75个，新能源已成为各国综合实力较量的主战场。随着各国的共同努力,全球新能源技术等综合实力不断提高，发电机组总容量、产品产量等都保持逐年上升的态势。风能、太阳能、生物质能近十年来发展成为新能源领域中最有竞争力的能源形式。太阳能消费近年呈现平稳状态，风能、生物质能的消费则呈快速增长态势，尤其是风能。在这些新兴的能源技术中，都离不开电力电子装置，本环节将主要介绍电力电子装置在新能源中的应用。5.3.2开关稳压电源线性稳压电源效率低、过载能力差、体积大等缺点，已无法适应需要。1、开关电源的工作原理基本原理：当开关电源由于负载减小或交流输入电压升高而引起输出直流电压升高时，由PWM环节控制，使逆变器中开关器件的导通时间缩短，逆变器输出脉宽变窄，从而使输出电压下降；反之，使逆变器输出脉宽变宽，使输出电压上升。5.3.3有源功率因数校正电路（APFC）若输入电压为正弦波，则输入功率因数定义为：式中：I1为输入电流基波有效值；I为输入电流有效值；U1为网侧基波电压有效值；γ为电流畸变因数；cosφ1为基波电压和基波电流的位移因数。可见，功率因数是由电流畸变因数和位移因数决定。工作原理有两个反馈控制环节：一是输入电流环，使DC/DC变换器输入电流的波形与桥式整流电压的波形相同，相位相同；二是输出电压环，使DC/DC变换器输出端为一个直流稳压源。5.3.4不间断电源（1）、后备式UPS热后备：处于空载运行，不向负载供电；冷后备：处于停机状态，只有市电故障后在控制电路的指令下才投入工作。有一定的停电转换时间，但整体装置的损耗小，效率高。特点：电路简单、成本低、可靠性高、整机效率高；但输出电压稳定精度差，输出有转换开关。1、UPS的分类（2）、在线双变换式UPS（也称串联调整式UPS）当市电供电正常时，经过整流器和逆变器把市电变换为恒压恒频的交流电给负载由供电。当市电供电异常时，停止对蓄电池组的充电，由蓄电池组供电，经逆变器转化为负载所需的交流电能。当内部故障或者蓄电池组端电压低于允许值以及进行维护时，由转换开关切换到旁路交流电网给负载供电。（3）、在线互动式UPS（又称并联补偿式UPS）当市电供电正常时，控制电路将S0置于闭合，转换开关S也闭合为负载供电，在此同时，双向变流器运行于整流状态，从电网中吸取能量储存在蓄电池中。当市电供电异常，当电压偏低或偏高，利用升压绕组或降压绕组对市电经过处理后给负载供电，同时也为蓄电池充电。当电压太高或太低以及供电中断时，控制电路将转换开关断开，切断交流旁路电源与负载的连接，同时双向变流器由原来的整流状态转化为逆变状态。性能特点：效率高，结构简单，成本低、可靠性高；但输出电能质量差，市电中断供电时，负载有一定时间的供电中断。2、不间断电源用整流器

容量较大的通常采用多桥并联的结构，锁相同步控制。3、不间断电源用逆变器常采用PWM控制的开关型直交变换器。大型的UPS可采用多个逆变器并联输出的电路结构，如图所示。能更好的谐波抑制。UPS供电的多数为非线性负载，它们会向UPS中注入谐波电流，致使其输出电压波形产生畸变。因此对输出交流电压波形实现瞬时值反馈控制，减小谐波畸变。5.3.5静止无功补偿装置在电力系统中电压的稳定性是衡量电能质量的一个重要指标。一般要求电压允许变化范围为5%～10%。保证电压稳定的主要方法之一是对电力系统的无功功率进行控制。电力电子器件和储能元件构成的静止无功功率补偿装置，得到了广泛的应用。其显著的特点是能快速平滑无级地调节容性或感性无功功率，实现动态补偿，提高电力系统的动态稳定性。根据工作特点分两大类：用晶闸管控制的静止无功功率补偿器，即晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器；采用自换相变流器运用PWM控制技术构成无功发生器也称为高级静止无功补偿装置。控制角在的范围内，处于失控状态，不能通过α的变化来改变L的大小。此时电感电流有效值当，1、晶闸管控制电抗器(TCR)主要起可变电感的作用，实现感性无功功率的快速、平滑调节，基本原理如图。为确保晶闸管可靠、对称导通，避免偶次谐波和直流分量，应采用宽脉冲或序列脉冲触发。晶闸管的导通角小于180°，电感中的电流将受到控制。等效电感为电感电流的基波分量基波无功功率通过改变控制角，可控制电感中的电流。在外加电压不变的情况下，起到控制电感量的作用，使其吸收的无功功率在零到最大值间连续变化。为了防止三次及整倍数次谐波对交流电网的影响，通常将TCR作三角形联接。若需要容性无功功率，在TCR两端并联电容器组。2、晶闸管投切电抗器(TSC)TSC是一种分级可调的动态无功功率补偿装置。晶闸管构成无触点开关，可将电容器分组投切到交流电网上。小电感用于抑制电容投入电网时可能出现的电流冲击。TSC运行时，应选择电源电压和电容器预先充电电压相等的时刻触发晶闸管投入电容。在实际应用中，通常将TSC、TCR和无源L0C0串联谐振电路共同组成无功功率和谐波电流综合补偿器。L0C0用以消除电网中的主要谐波电流分量，但对基波呈容性，以补偿负载中的部分感性无功电流。使电网的功率因数接近于1，同时保证电网电压的稳定性。3、静止无功发生器(SVG)利用电力电子技术中的PWM开关型变流器，以及瞬时无功功率的概念和补偿原理，在储能元件容量很小的条件下（约为计算补偿容量的10%），适当控制变流器交流侧输出电压的相位和幅值，就能产生满足要求的无功电流，实现瞬时无功补偿。也称为静止同步补偿器（STATCOM）。（1）.SVG补偿原理假设电网电压三相平衡、正弦无谐波，三个