電力電子技術(shù)(第二章)課件

1、第二章 相控整流主電路第一節(jié) 單相相控整流主電路（電阻性負(fù)載）舊課復(fù)習(xí)：1什么是整流電路？ 將交流電轉(zhuǎn)變成直流電的電路。2二極管的導(dǎo)通條件是什么？其它課程里學(xué)過(guò)的二極管整流主電路圖是如何設(shè)計(jì)的？其工作原理是什么？二極管導(dǎo)通的條件是在二極管兩端加正向陽(yáng)極電壓，因此當(dāng)輸入信號(hào)為正弦交流電時(shí)，二極管在輸入信號(hào)正半周導(dǎo)通，負(fù)半周截止，輸出信號(hào)的大小不可控不可控。新課引入：1普通晶閘管的導(dǎo)通條件是什么？ 普通晶閘管導(dǎo)通必須具備兩個(gè)條件：在晶閘管陽(yáng)極和陰極之間加正向陽(yáng)極電壓；在門極和陰極之間加正向門極觸發(fā)電壓。 注：普通晶閘管和二極管兩者的導(dǎo)通條件有什么異同點(diǎn)？2如果利用普通晶閘管替換二極管，主電路的設(shè)計(jì)

2、有何不同，電路又將如何工作？新課講授：一、單相半波相控整流主電路電阻性負(fù)載原理圖一、單相半波相控整流主電路電阻性負(fù)載原理圖 1、變壓器T起電壓變換和隔離的作用。2、晶閘管VT是整個(gè)電路的核心，控制整個(gè)電路的輸出直流電壓的大小。3、電阻R是電路的負(fù)載部分，它的大小影響輸出電流的大小。 根據(jù)單相半波相控整流主電路（電阻性負(fù)載）來(lái)進(jìn)行工作原理分析過(guò)程中涉及到幾個(gè)基本概念，下面將涉及到的基本概念介紹如下： （1）半波輸出電壓為脈動(dòng)直流，波形只在正半周內(nèi)出現(xiàn)，故稱為“半波半波”整流（2）單相半波可控整流電路整流電路采用了可控電力電子器件晶閘管，輸入為單相交流電，輸出為脈動(dòng)直流電，故該電路為單相半波可控單

3、相半波可控整流電路。（3）單脈波整流電路波形在一個(gè)電源周期中只脈動(dòng)1次，故該電路為單脈波單脈波整流電路。 二、基本概念二、基本概念（4）相控方式 通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式相位控制方式，簡(jiǎn)稱相控方式相控方式。（5）自然換相點(diǎn) 在單相半波整流電路中，交流電壓由負(fù)過(guò)零變正的時(shí)刻稱為自然換相點(diǎn)自然換相點(diǎn)。（6）控制角 從自然換相點(diǎn)起到觸發(fā)脈沖出現(xiàn)之間的電角度，稱為控制控制角角，用表示。（7）導(dǎo)通角 晶閘管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的電角度稱為導(dǎo)通角導(dǎo)通角，用表示。 注：注：這幾個(gè)基本概念在以后的整流電路工作原理分析中會(huì)經(jīng)常提及，希望同學(xué)們要掌握之間的聯(lián)系與區(qū)別。（1）正

4、向阻斷 交流電壓在wt從0到 期間，通過(guò)負(fù)載R加到晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間，晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓，但由于門極無(wú)觸發(fā)信號(hào)，晶閘管正向阻斷，在此期間負(fù)載R上無(wú)電流流過(guò)，負(fù)載兩端電壓為零，晶閘管VT承受全部電壓。即 。（2）正向?qū)?在 時(shí)刻，觸發(fā)電路送出觸發(fā)脈沖，晶閘管導(dǎo)通的兩個(gè)條件均滿足，晶閘管立即導(dǎo)通。到 時(shí)刻。在此期間，交流電壓全部加到負(fù)載R上，若忽略晶閘管上導(dǎo)通管壓降，則 。當(dāng) 時(shí)刻，由于u2下降到零，晶閘管因流過(guò)本身的陽(yáng)極電流也下降到零小于維持電流而關(guān)斷。tt20,0,ddTiuuu2duut20,0,ddTiuuut20,0,ddTiuuutt20,0,ddTiuuu 20,0,ddT

5、iuuut20,0,ddTiuuuttttt2duuttt三、工作原理三、工作原理20,0,ddTiuuu（3）反向阻斷 當(dāng)wt從 到 期間，u2為負(fù)值，晶閘管因承受反向電壓而反向阻斷，在此期間由于晶閘管截止，負(fù)載R上無(wú)電流流過(guò)，負(fù)載兩端電壓為零，晶閘管VT承受全部電壓。即 。注：注：電阻性負(fù)載的特點(diǎn)是電壓與電流成正比，兩者波形形狀相同。20,0,ddTiuuu2 （1）輸出直流電壓、電流平均值Ud、Id 整流電路輸出端得到的是脈動(dòng)直流電壓，其大小是以平均值來(lái)衡量。設(shè)交流電源電壓 ，根據(jù)平均值的定義，輸出直流電壓的平均值為：四、參數(shù)計(jì)算222sinuUt2211 cos2sin0.4522dU

6、Utd tU2cos145. 02ddddRURUI（2）輸出電壓有效值和電流有效值 由于輸出直流電壓與電流是脈動(dòng)的，所以它們的有效值和平均值并不相等。 由于晶閘管與負(fù)載串聯(lián)接在變壓器副邊，所以輸出的負(fù)載的電流與流過(guò)晶閘管的電流及流過(guò)變壓器副邊的電流相等，因此三者的有效值也相等。 21sin 22sin22224UUtdtU 2212sin22sin 2224UIIItdtTRdUURdRd（4）有功功率、視在功率、功率因數(shù) 電源供給的有功功率等于負(fù)載電阻上消耗的有功功率（注意有功功率不是直流功率）， 。 變壓器副邊的視在功率 所以電源的功率因數(shù) 。 以上是單相半波相控整流電路電阻性負(fù)載的輸出

7、參數(shù)，為了讓學(xué)生能靈活的掌握應(yīng)用，下面利用例題來(lái)進(jìn)行強(qiáng)化。22dPI RUIUI22SU IUIsin2cos24PS五、例題講解見課本例2-1第一節(jié) 單相相控整流主電路（電感性負(fù)載）復(fù)習(xí)：1、幾個(gè)基本概念2、單相半波相控整流電路電阻性負(fù)載工作原理3、輸出直流平均電壓、平均電流的計(jì)算 一、原理圖 電感性負(fù)載電路中既有電阻又有電感，且感抗與電阻的大小相比不可忽略。其特點(diǎn)是電感對(duì)電流變化有抗拒作用，使得流過(guò)電感的電流不發(fā)生突變。 1、不接續(xù)流二極管 當(dāng)電感足夠大時(shí)，負(fù)載所得到的電壓波形正負(fù)面積近似相等，整流輸出的直流平均電壓接近于零，電路將無(wú)法工作。 2、接續(xù)流二極管 單相半波帶大電感負(fù)載并接續(xù)流

8、二極管，整流電路輸出電壓波形和電阻性負(fù)載時(shí)一樣。由于大電感作用，電流不但連續(xù)而且基本保持不變，接近于一條水平線，有效值與平均值近似相等。三、參數(shù)計(jì)算 1、輸出直流電壓平均值 2、流過(guò)晶閘管的電流平均值和有效值3、流過(guò)續(xù)流二極管的電流平均值和有效值 2211 cos2sin0.4522dUUtd tU dTddTIIII22dDddDIIII22例題第一節(jié) 單相全控橋整流電路（電阻性負(fù)載） 一、原理圖 電路如圖所示，四只晶閘管VT1、VT2、VT3、VT4組成橋路，其中VT1、VT2陰極相連，為共陰極接法，VT3、VT4陽(yáng)極相連，為共陽(yáng)極接法。TVT1di dudR1u2uVT2VT3VT4 二

9、、工作原理 1、在電源電壓正半周時(shí)，VT1、VT3承受正壓，VT2、VT4承受反壓。在時(shí)刻VT1、VT3獲得觸發(fā)脈沖而被觸發(fā)導(dǎo)通，加到負(fù)載兩端，極性上正下負(fù)，電流從a點(diǎn)經(jīng)VT1、Rd、VT3流到b點(diǎn)，交流側(cè)電流從b流向a。 2、當(dāng)電源電壓由正值降為0時(shí)，VT1、VT3關(guān)斷，直到負(fù)半周時(shí)刻，VT2、VT4被觸發(fā)導(dǎo)通。電流從b點(diǎn)經(jīng)VT2、Rd、VT4流到a點(diǎn)，負(fù)載兩端電壓仍然上正下負(fù)，大小與相同，但方向相反，交流側(cè)電流從a流向b。 ttt000ioudidab)cuVT1、4udid三、參數(shù)計(jì)算1、整流輸出直流電壓2、負(fù)載電流平均值為 3、負(fù)載電流有效值與交流側(cè)電流有效值相等2cos19 . 0s

10、in2122UttdUUdddddRURUI2cos19 . 02aRUtdtRUIIdd2sin21sin2122224、流過(guò)晶閘管電流的有效值5、電源的功率因數(shù)22121IIIT2sin21cos222UUIUUISP 四、例題 1、某單相橋式全控整流電路給電阻性負(fù)載供電，要求整流輸出電壓Ud能在0100V內(nèi)連續(xù)可調(diào)，負(fù)載最大電流為20A。（1）由220V交流電網(wǎng)直接供電時(shí)，計(jì)算晶閘管的控制角和電流有效值、電源容量及Ud=30V時(shí)電源的功率因數(shù)。（2）采用降壓變壓器供電，并考慮最小控制角 時(shí)，求變壓器變比K及時(shí)電源的功率因數(shù) 。 30mincos第一節(jié) 單相全控橋整流電路單相全控橋整流電路

11、（電感性負(fù)載）（電感性負(fù)載） 復(fù)習(xí)：1、單相全控橋整流電路電阻性負(fù)載電路圖2、單相全控橋整流電路電阻性負(fù)載工作原理3、單相全控橋整流電路電阻性負(fù)載參數(shù)計(jì)算 一、原理圖 在負(fù)載端串入電感量足夠大的平波電抗器并在負(fù)載兩端并連續(xù)流二極管，即為大電感負(fù)載接續(xù)流二極管電路。 二、工作原理 1、在電源電壓正半周時(shí)，VT1、VT3承受正壓，VT2、VT4承受反壓。在時(shí)刻VT1、VT3獲得觸發(fā)脈沖而被觸發(fā)導(dǎo)通，加到負(fù)載兩端，極性上正下負(fù)，電流從a點(diǎn)經(jīng)VT1、Rd、VT3流到b點(diǎn)，交流側(cè)電流從b流向a。 2、當(dāng)電源電壓由正變零時(shí)，由于電感釋放能量，電流尚未下降到零，VD導(dǎo)通。VT1、VT3因承受反壓而關(guān)斷,電流

12、經(jīng)續(xù)流二極管流通，直到時(shí)，VT2、VT4被觸發(fā)導(dǎo)通而換流。 3、同理VT2、VT4導(dǎo)通到下一個(gè)周期時(shí)因電流經(jīng)續(xù)流二極管而關(guān)斷。 三、參數(shù)計(jì)算1、整流輸出直流電壓 2cos19 . 0sin2122UttdUUd2、負(fù)載電流平均值為 ddddRURUI2cos19 . 023、負(fù)載電流有效值與交流側(cè)電流有效值相等 dIII24、流過(guò)晶閘管電流的有效值 dTII215、電源的功率因數(shù)cos9 . 0cos222UUIUUISP四、例題四、例題第一節(jié) 單相全控橋式整流電路單相全控橋式整流電路（反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載）（反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載） 復(fù)習(xí)： 1、單相全控橋整流電路電感性負(fù)載電路圖 2、單相全控橋整流電路電感性

13、負(fù)載工作原理 3、單相全控橋整流電路電感性負(fù)載參數(shù)計(jì)算 一、反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載一、反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載 當(dāng)相控整流電路的負(fù)載是蓄電池或直流電動(dòng)機(jī)的電樞時(shí)，由于負(fù)載本身是一個(gè)直流電源，所以稱為反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載。TVT1di dudR1u2uVT2VT3VT4E二、工作原理二、工作原理四、例題四、例題 第一節(jié) 單相半控橋整流電路單相半控橋整流電路 單相半控橋式電路采用共陰接法的是兩只晶閘管VT1、VT2，而采用共陽(yáng)極的是兩只大功率的二極管VD1、VD2，電路在電阻性負(fù)載時(shí)的工作情況與全控橋電路完全相同，本節(jié)課只討論電感性負(fù)載時(shí)的工作情況。 一、原理圖TVT1di dudR1u2uVT2VD1VD2dL二、工作原理

14、二極管的導(dǎo)通與截止只取決于加在其陽(yáng)極、陰極間的電壓是正還是負(fù)。 （1）在u2正半周，VD1導(dǎo)通，VD2截止，在 時(shí)刻觸發(fā)VT1導(dǎo)通，電流經(jīng)VT1、負(fù)載、VD1變壓器副邊流通， （2）在u2電壓下降到零進(jìn)而變負(fù)時(shí)，由于電感電勢(shì)的作用，電流仍將繼續(xù)，但此時(shí)VD1截止，VD2導(dǎo)通，所以電流經(jīng)VT1、VD2流通，不經(jīng)過(guò)變壓器副邊，此階段為續(xù)流階段， 。dDTdiiiiuu122,0, 0, 012Ddiiu（3）在u2負(fù)半周，VD1截止，VD2導(dǎo)通，在 時(shí)觸發(fā)VT2，VT2此時(shí)承受正壓-u2而導(dǎo)通，同時(shí)VT1因VT2導(dǎo)通后承受反壓u2而關(guān)斷，VD2繼續(xù)導(dǎo)通， 經(jīng)VT2、負(fù)載、VD2、變壓器副邊流通，

15、。（4）在u2過(guò)零變正時(shí)，VD1與VD2換流，改由VT2、VD1續(xù)流。tdi2uud三、參數(shù)計(jì)算1、輸出直流平均電壓Ud2、負(fù)載電流平均值2cos19 . 0sin2122UttdUUd2cos19 . 02ddddRURUI四、單相半控橋電感性負(fù)載的失控現(xiàn)象 1、失控 在電路的實(shí)際運(yùn)行中，如果突然丟失觸發(fā)脈沖（或?qū)⒖刂平且频酱笥?80），就會(huì)出現(xiàn)某一晶閘管一直導(dǎo)通，兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)通的異?，F(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為“失控”。 2、續(xù)流二極管的作用 續(xù)流過(guò)程由續(xù)流二極管完成，晶閘管關(guān)斷，避免了某一個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通從而導(dǎo)致失控的現(xiàn)象，同時(shí)，續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個(gè)管壓降，有利于降低損耗。第二節(jié) 三相半

16、波相控整流電路（電阻性負(fù)載） 一、三相半波不可控整流電路1、電路圖 UVWRdUdid 三只二極管依次輪流導(dǎo)通，分別在1、3、5點(diǎn)進(jìn)行換相，由后一相管子導(dǎo)通替換前一相管子導(dǎo)通，每只管子導(dǎo)通120，除換相任何時(shí)刻只有一只二極管導(dǎo)通，所以1、3、5點(diǎn)稱作U、V、W三相在正半周的自然換相點(diǎn)。 2、工作原理（1）從1點(diǎn)到3點(diǎn)之間U相電壓最高，VD1導(dǎo)通，VD2承受的陽(yáng)極電壓 ，VD3承受的陽(yáng)極電壓 ，VD2、VD3截止。（2）從3點(diǎn)到5點(diǎn)之間V相電壓最高，VD2導(dǎo)通，VD1承受的陽(yáng)極電壓 ，VD3承受的陽(yáng)極電壓 ，VD1、VD3截止。（3）從5點(diǎn)到1點(diǎn)之間W相電壓最高，VD3導(dǎo)通，VD1承受的陽(yáng)極電壓

17、 ，VD2承受的陽(yáng)極電壓 ，VD2、VD3截止。0VUu0WUu0UVu0WVu0UWu0VWu3、參數(shù)計(jì)算（1）負(fù)載兩端電壓的平均值（2）電流的平均值 26/56/217. 1sin23/21UttdUUddddRUI二、三相半波相控整流電路（電阻性負(fù)載） 1、電路圖UVWRdUdid 2、工作原理 三相半控電阻性負(fù)載整流電路主要使用的電力電子器件為普通晶閘管（以 為例）（1）在wt1時(shí)刻送出觸發(fā)脈沖給VT1，此時(shí)VT1承受U相正電壓而被觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載兩端電壓 。（2）在wt3時(shí)刻送出觸發(fā)脈沖給VT3，此時(shí)VT3承受V相正電壓而被觸發(fā)導(dǎo)通，VT3導(dǎo)通后使VT1承受反壓關(guān)斷而完成換相，負(fù)載兩端

18、電壓 。（3）在wt5時(shí)刻送出觸發(fā)脈沖給VT5，此時(shí)VT5承受W相正電壓而被觸發(fā)導(dǎo)通，VT5導(dǎo)通后使VT3承受反壓關(guān)斷而完成換相，負(fù)載兩端電壓 。 30UduuVduu wduu3、參數(shù)計(jì)算（1）整流輸出的平均直流電壓)60(cos17. 1sin23/216/56/22UttdUUd)656()6cos(1 675. 0sin23/2126/2UttdUUd（2）負(fù)載電流的平均值dddRUI流過(guò)晶閘管的平均電流流過(guò)晶閘管電流的有效值：ddTII312cos43321222dTRUII)32sin(41212521222dTRUII第二節(jié) 三相半波相控整流電路（電感性負(fù)載） 一、電路圖 二、工

19、作原理 1、當(dāng)控制角 ，Ud波形與電阻性負(fù)載時(shí)相同，只是id波形近似為一條水平線 2、當(dāng)控制角 ，電感性負(fù)載兩端電壓波形與電流波形連續(xù)，電壓波形出現(xiàn)負(fù)值。 以 為例，在wt1時(shí)刻送出脈沖1，VT1觸發(fā)導(dǎo)通，到wt2時(shí)，其陽(yáng)極電位下降到零開始變負(fù)，但由于大電感釋放能量，電流id并未下降到零，所以VT1繼續(xù)保持導(dǎo)通，直到wt3時(shí)因觸發(fā)導(dǎo)通VT3，將反向電壓加 到VT1兩端令其關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)換流，一個(gè)周期之內(nèi)三個(gè)晶閘管輪流導(dǎo)通 。606563UVu3/2三、參數(shù)計(jì)算 1、整流輸出的直流電壓 2、輸出電流近似為恒定的直流電流 3、流過(guò)晶閘管電流的平均值和有效值分別為 cos17. 1sin23/216/5

20、6/22UttdUUddddRUIIddTII31ddTIII577. 031四、例題解析 第二節(jié) 三相全控橋整流電路 一、共陽(yáng)極接法與共陰極接法1、共陽(yáng)極接法 U、V、W三相的自然換相點(diǎn)分別為三相電壓正半周的交點(diǎn)1、3、5，換相時(shí)看哪一相的陽(yáng)極電位最高。2、共陰極接法 U、V、W三相的自然換相點(diǎn)分別為三相電壓負(fù)半周的交點(diǎn)2、4、6，換相時(shí)看哪一相的陰極電位最低。二、電路圖 三、工作原理 在電路中，對(duì)共陰極組和共陽(yáng)極組同時(shí)進(jìn)行控制，且控制角相同，VT1與VT4接U相，VT3與VT6接V相，VT5與VT2接W相，觸發(fā)順序?yàn)閂T1VT2VT3 VT4 VT5 VT6。v當(dāng) 時(shí)，分別在每周期wt1、

21、wt2、wt3、wt4、wt5、wt6時(shí)刻送出觸發(fā)脈沖ug1、ug2、ug3、ug4、ug5、ug6分別給VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，在wt1時(shí)刻，VT1承受正壓，如果是剛啟動(dòng)工作則必須再送一個(gè)脈沖ug6給VT6，二者同時(shí)導(dǎo)通，則輸出電壓 ，在wt2時(shí)刻送脈沖ug2給VT2，此時(shí)VT2導(dǎo)通，VT6承受反壓關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)換流，使得 ，再經(jīng)過(guò)60度后在wt3時(shí)刻送ug3給VT3，實(shí)現(xiàn)VT3與VT1的換流，使得 。同理依次類推，電路中六只晶閘管道通的順序及輸出電壓的波形如上圖（b）所示。從上面分析可看出每次換相發(fā)生在同組晶閘管之間（即相鄰橋臂上的兩個(gè)晶閘管換相），每?jī)纱螕Q相間隔30度

22、，每只管子在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通60度（電流連續(xù)時(shí)）。 0UVduu UWduuVWduu620例題：第四節(jié) 晶閘管的保護(hù) 晶閘管具有容量大、可控性好等優(yōu)點(diǎn)，但與其它電子元件相比，它承受購(gòu)電壓與過(guò)電流的能力較差，且能承受的電壓上升率，電流上升率也較低。在實(shí)際應(yīng)用中，總不可避免會(huì)遇到瞬時(shí)過(guò)電壓、過(guò)電流，甚至短路。所以，為了使電力電子器件正常使用，提高線路工作的可靠性，除了合理選擇器件，還必須設(shè)置必要的保護(hù)。 一、過(guò)電流保護(hù) 過(guò)電流是指工作電流超過(guò)允許值，廣義上包含過(guò)載和短路兩種情況。過(guò)載時(shí)電流超過(guò)允許值倍數(shù)小，允許時(shí)間長(zhǎng)；反之，超過(guò)倍數(shù)大，允許時(shí)間短。短路時(shí)則會(huì)很迅速地產(chǎn)生很大的電流，使器件燒壞。負(fù)載觸發(fā)電路開關(guān)電路過(guò)電流繼電器交流斷路器動(dòng)作電流整定值短路器電流檢測(cè)電子保護(hù)電路快速熔斷器 變流器直流快速斷路器電流互感器變壓器圖1-37v（一）產(chǎn)生過(guò)電流的原因v（1）由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)大，拖動(dòng)負(fù)載超過(guò)了允許值v（2）由于電路中晶閘管誤導(dǎo)通或器件故障，使得相鄰橋臂的晶閘管引起兩相電源短路。v（3）整流電路直流輸出端短路；逆變電路發(fā)生換流失敗引起逆變失敗v（二）過(guò)電流保護(hù)方法v 晶閘管過(guò)電流