自動(dòng)化第3章課件111

1、1第第3章章 電力電子供電電路電力電子供電電路3 . 1 電力電子供電電路概述電力電子供電電路概述3. 2 晶閘管及其觸發(fā)、保護(hù)電路晶閘管及其觸發(fā)、保護(hù)電路3 . 1 電力電子供電電路概述電力電子供電電路概述u電力電子技術(shù)是以電力（供電）為對(duì)象的電子技術(shù)，它是利電力電子技術(shù)是以電力（供電）為對(duì)象的電子技術(shù)，它是利用電力電子器件對(duì)電能的用電力電子器件對(duì)電能的電壓、電流、頻率、相位和波形電壓、電流、頻率、相位和波形等等方面進(jìn)行控制和變換的技術(shù)，它是橫跨電力、電子和控制三方面進(jìn)行控制和變換的技術(shù)，它是橫跨電力、電子和控制三大學(xué)科的交叉學(xué)科，是當(dāng)前發(fā)展極為迅速的學(xué)科之一。大學(xué)科的交叉學(xué)科，是當(dāng)前發(fā)展極

2、為迅速的學(xué)科之一。u當(dāng)代許多高新技術(shù)，常與供電電路的電壓、電流、頻率和相當(dāng)代許多高新技術(shù)，常與供電電路的電壓、電流、頻率和相位等基本參數(shù)的轉(zhuǎn)換與控制有關(guān)，而現(xiàn)代電力電子技術(shù)能夠位等基本參數(shù)的轉(zhuǎn)換與控制有關(guān)，而現(xiàn)代電力電子技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)這些參數(shù)的精確控制與高效率的變換，因此電力電子實(shí)現(xiàn)對(duì)這些參數(shù)的精確控制與高效率的變換，因此電力電子技術(shù)己成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活中一門十分技術(shù)己成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活中一門十分重要的學(xué)科和技術(shù)重要的學(xué)科和技術(shù)2電力電子供電電路常用的類型電力電子供電電路常用的類型l可控整流電路：可控整流電路：把交流電壓變換為可調(diào)的（或固定的）直流把交流電壓

3、變換為可調(diào)的（或固定的）直流電壓。如應(yīng)用于電解、電鍍、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速，以及電壓。如應(yīng)用于電解、電鍍、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速，以及高壓輸電等方面。高壓輸電等方面。（交交直直）l直流斬波電路：直流斬波電路：把固定的（或變化的）直流電壓變換為可調(diào)把固定的（或變化的）直流電壓變換為可調(diào)的（或固定的）直流電壓。如應(yīng)用于電氣機(jī)車、城市電車牽的（或固定的）直流電壓。如應(yīng)用于電氣機(jī)車、城市電車牽引和電瓶叉車等方面。引和電瓶叉車等方面。 （直（直直）直）l交流調(diào)壓電路：交流調(diào)壓電路：把交流電壓變換為大小可調(diào)的（或固定的）把交流電壓變換為大小可調(diào)的（或固定的）交流電壓。如應(yīng)用于燈光控制、溫度控制等方面。交流電

4、壓。如應(yīng)用于燈光控制、溫度控制等方面。 （交（交交）交）l交流變頻電路：交流變頻電路：把固定（或變化）頻率的交流電變換為頻率把固定（或變化）頻率的交流電變換為頻率可調(diào)的（或恒定的）交流電。如應(yīng)用于變頻電源（如中頻加可調(diào)的（或恒定的）交流電。如應(yīng)用于變頻電源（如中頻加熱電源、高頻加熱電源）和變頻調(diào)速等。熱電源、高頻加熱電源）和變頻調(diào)速等。 （交（交交）交）3l逆變電路：逆變電路：把直流電壓變換為頻率固定（或可調(diào)）的交流把直流電壓變換為頻率固定（或可調(diào)）的交流電壓。若將此交流電送往交流電網(wǎng)，這稱為電壓。若將此交流電送往交流電網(wǎng)，這稱為“有源逆變有源逆變”，如高壓直流輸電、牽引機(jī)（或提升機(jī)）的電能回

5、饋制動(dòng)等。如高壓直流輸電、牽引機(jī)（或提升機(jī)）的電能回饋制動(dòng)等。若此交流電不送往電網(wǎng)，供給負(fù)載，則稱為若此交流電不送往電網(wǎng)，供給負(fù)載，則稱為“無(wú)源逆變無(wú)源逆變”，如不間斷電源（如不間斷電源（ UPS ）、高精度交流電源等。）、高精度交流電源等。 （直（直交）交）l無(wú)觸點(diǎn)功率靜態(tài)開(kāi)關(guān)：無(wú)觸點(diǎn)功率靜態(tài)開(kāi)關(guān)：接通或切斷交流（或直流）電流通接通或切斷交流（或直流）電流通路，用于取代接觸器、繼電器（又稱固態(tài)接觸器、固態(tài)繼路，用于取代接觸器、繼電器（又稱固態(tài)接觸器、固態(tài)繼電器）。電器）。4電力電子供電電路采用的電力電子器件有：電力電子供電電路采用的電力電子器件有：l晶閘管（晶閘管（ Th ）l雙極型晶體管（

6、雙極型晶體管（ BJT ）l場(chǎng)效應(yīng)晶體管（場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ MOSFET ）l絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（ IGBT ）l場(chǎng)效應(yīng)晶閘管（場(chǎng)效應(yīng)晶閘管（ MCT ） 現(xiàn)代的電力電子器件日益向全控化、高頻化、復(fù)合現(xiàn)代的電力電子器件日益向全控化、高頻化、復(fù)合化、集成化和多功能化發(fā)展，新型的器件不斷涌現(xiàn)，使化、集成化和多功能化發(fā)展，新型的器件不斷涌現(xiàn)，使電力電子技術(shù)呈現(xiàn)日新月異，迅猛發(fā)展的狀況。電力電子技術(shù)呈現(xiàn)日新月異，迅猛發(fā)展的狀況。53 . 2 晶閘管及其觸發(fā)、保護(hù)電路晶閘管及其觸發(fā)、保護(hù)電路3.2.1 晶閘管晶閘管3.2.1 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路3.2.3 晶閘管電路的保護(hù)環(huán)節(jié)

7、晶閘管電路的保護(hù)環(huán)節(jié)63.2.1 晶閘管晶閘管l晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。1957年美國(guó)通用電氣公司開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。年美國(guó)通用電氣公司開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。年商業(yè)化。開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代。代。20世紀(jì)世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始被全控型器件取代。年代以來(lái)，開(kāi)始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可

8、靠，在大容能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場(chǎng)合具有重要地位。量的場(chǎng)合具有重要地位。71晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu)J1J2J3GP1N1N2N2P2AKp 晶閘管是晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。p 具有具有J1、J2、J3三個(gè)三個(gè)PN結(jié)。結(jié)。p 可用三個(gè)二極管或兩個(gè)三極管等效?？捎萌齻€(gè)二極管或兩個(gè)三極管等效。P1N1P2N2AGK陽(yáng)陽(yáng)極極二二. 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理9三、晶閘管導(dǎo)通關(guān)斷實(shí)驗(yàn)三、晶閘管導(dǎo)通關(guān)斷實(shí)驗(yàn) l當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極與陰極間加上正向當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極與陰極間加上正向或反向電壓時(shí)，總有或反向電壓時(shí)，總有PN結(jié)處于反結(jié)處于反偏狀態(tài)；因此，晶

9、閘管也處于正向偏狀態(tài)；因此，晶閘管也處于正向或反向阻斷狀態(tài)。那么晶閘管在什或反向阻斷狀態(tài)。那么晶閘管在什么條件下，才能從正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)么條件下，才能從正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎驅(qū)顟B(tài)呢變?yōu)檎驅(qū)顟B(tài)呢?在什么條件在什么條件下又從導(dǎo)通狀態(tài)恢復(fù)為阻斷狀態(tài)呢下又從導(dǎo)通狀態(tài)恢復(fù)為阻斷狀態(tài)呢?l下面進(jìn)行晶閘管的導(dǎo)通關(guān)斷實(shí)驗(yàn)進(jìn)下面進(jìn)行晶閘管的導(dǎo)通關(guān)斷實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析行分析P1N1P2N2AGK陽(yáng)陽(yáng)極極101. Q1于中間，于中間，Q2置于左、中、右，燈均滅；置于左、中、右，燈均滅； 2. Q1置于左，置于左，Q2置于左、中、右，燈均滅；置于左、中、右，燈均滅；3. Q1置于右，置于右，Q2置于左、中，燈均滅；

10、置于左、中，燈均滅； Q2置于右，燈亮置于右，燈亮Q1、Q2雙向開(kāi)關(guān)雙向開(kāi)關(guān)11燈亮后做實(shí)驗(yàn)燈亮后做實(shí)驗(yàn):扳動(dòng)扳動(dòng)Q2 ， Q2置于中、左時(shí)，燈仍亮。置于中、左時(shí)，燈仍亮。扳動(dòng)扳動(dòng)Q1 ， Q1置于中、左時(shí)，燈滅。置于中、左時(shí)，燈滅。 12四、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論：四、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論：u陽(yáng)極電壓陽(yáng)極電壓Ua反向時(shí)，無(wú)論反向時(shí)，無(wú)論 Ug為何種電壓，晶閘為何種電壓，晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)，燈不亮。管都處于關(guān)斷狀態(tài)，燈不亮。u只有當(dāng)陽(yáng)極電壓只有當(dāng)陽(yáng)極電壓Ua和門極電壓和門極電壓Ug同為正向電壓時(shí)，同為正向電壓時(shí)，晶閘管才能導(dǎo)通，燈亮。晶閘管才能導(dǎo)通，燈亮。u晶閘管導(dǎo)通后，無(wú)論晶閘管導(dǎo)通后，無(wú)論 Ug為何種

11、電壓，晶閘管仍然為何種電壓，晶閘管仍然導(dǎo)通，門極就失去控制作用。導(dǎo)通，門極就失去控制作用。u晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，陽(yáng)極電源晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，陽(yáng)極電源Ea減小到接近零減小到接近零時(shí)晶閘管關(guān)斷，燈不亮。時(shí)晶閘管關(guān)斷，燈不亮。 13實(shí)驗(yàn)結(jié)論實(shí)驗(yàn)結(jié)論 l晶閘管象二極管一樣，具有晶閘管象二極管一樣，具有單向?qū)щ娞匦詥蜗驅(qū)щ娞匦浴晶閘管不同于二極管，還具有晶閘管不同于二極管，還具有正向?qū)ǖ目煽靥匦哉驅(qū)ǖ目煽靥匦?。要使晶閘管正向?qū)ū仨氃陉?yáng)極加上正向電壓時(shí)，要使晶閘管正向?qū)ū仨氃陉?yáng)極加上正向電壓時(shí)，同時(shí)還在門極與陰極之間加上一定的正向門極電壓同時(shí)還在門極與陰極之間加上一定的正向門極電壓UgUg才能

12、導(dǎo)通，這就是晶閘管導(dǎo)通的必要條件。才能導(dǎo)通，這就是晶閘管導(dǎo)通的必要條件。l當(dāng)晶閘管加上正向陽(yáng)極電壓后，門極加上適當(dāng)?shù)恼?dāng)晶閘管加上正向陽(yáng)極電壓后，門極加上適當(dāng)?shù)恼蜷T極電壓，使晶閘管導(dǎo)通的過(guò)程稱為觸發(fā)。晶閘向門極電壓，使晶閘管導(dǎo)通的過(guò)程稱為觸發(fā)。晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通后，門極就對(duì)它失去控制作用，因管一旦觸發(fā)導(dǎo)通后，門極就對(duì)它失去控制作用，因此通常在門極只要加上一個(gè)正向脈沖電壓即可，稱此通常在門極只要加上一個(gè)正向脈沖電壓即可，稱之為觸發(fā)電壓。門極無(wú)法控制晶閘管的關(guān)斷。之為觸發(fā)電壓。門極無(wú)法控制晶閘管的關(guān)斷。14實(shí)驗(yàn)結(jié)論實(shí)驗(yàn)結(jié)論 l當(dāng)門極斷開(kāi)時(shí)，維持晶閘管導(dǎo)通所需要的最小陽(yáng)極當(dāng)門極斷開(kāi)時(shí)，維持晶閘管導(dǎo)

13、通所需要的最小陽(yáng)極電流叫維持電流電流叫維持電流 ( (I IH H) )。l要使導(dǎo)通的晶閘管恢復(fù)阻斷，可降低陽(yáng)極電源要使導(dǎo)通的晶閘管恢復(fù)阻斷，可降低陽(yáng)極電源EaEa或或增大負(fù)載電阻，使陽(yáng)極電流增大負(fù)載電阻，使陽(yáng)極電流IaIa I IH H 或在陽(yáng)極加上反或在陽(yáng)極加上反向電壓，晶閘管就自行關(guān)斷了。向電壓，晶閘管就自行關(guān)斷了。額定電壓額定電壓, ,用百位或千位數(shù)表示用百位或千位數(shù)表示取取UFRM或或URRM較小者較小者額定正向平均電流額定正向平均電流( (IF) 晶閘管晶閘管K P普通型普通型如如KP5-7表示表示額定正向平均電流為額定正向平均電流為5A, ,額定電壓為額定電壓為700V。3 .

14、2 . 2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路一、觸發(fā)電路的組成一、觸發(fā)電路的組成 如前所述，晶閘管的導(dǎo)通需要有一個(gè)觸發(fā)電路來(lái)提供如前所述，晶閘管的導(dǎo)通需要有一個(gè)觸發(fā)電路來(lái)提供觸發(fā)脈沖。觸發(fā)電路大致可分成四個(gè)部分：觸發(fā)脈沖。觸發(fā)電路大致可分成四個(gè)部分：u脈沖形成脈沖形成u移相控制移相控制u同步電路同步電路u脈沖功率放大脈沖功率放大觸發(fā)電路的組成參見(jiàn)圖觸發(fā)電路的組成參見(jiàn)圖 。17脈沖形成：脈沖形成：是觸發(fā)電路的核心，它的功能是產(chǎn)生一是觸發(fā)電路的核心，它的功能是產(chǎn)生一定功率（一定的幅值與脈寬）的脈沖。常用的有單定功率（一定的幅值與脈寬）的脈沖。常用的有單結(jié)晶體管自激振蕩電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路和集成觸結(jié)

15、晶體管自激振蕩電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路和集成觸發(fā)電路等。發(fā)電路等。 移相控制：移相控制：功能是調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖發(fā)生的時(shí)刻（即調(diào)功能是調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖發(fā)生的時(shí)刻（即調(diào)節(jié)控制角節(jié)控制角 的大?。?。常用鋸齒波與給定信號(hào)電壓的大?。?。常用鋸齒波與給定信號(hào)電壓進(jìn)行比較來(lái)進(jìn)行移相控制進(jìn)行比較來(lái)進(jìn)行移相控制18同步電路：同步電路：功能是使觸發(fā)脈沖每次產(chǎn)生的時(shí)刻，都能功能是使觸發(fā)脈沖每次產(chǎn)生的時(shí)刻，都能準(zhǔn)確地對(duì)應(yīng)著主電路電壓波形上的準(zhǔn)確地對(duì)應(yīng)著主電路電壓波形上的 時(shí)刻。通常采用時(shí)刻。通常采用的方法是把主電路的電壓信號(hào)直接引入，或通過(guò)同步的方法是把主電路的電壓信號(hào)直接引入，或通過(guò)同步變壓器（或經(jīng)過(guò)阻容移相電路）從主電路引入

16、，來(lái)作變壓器（或經(jīng)過(guò)阻容移相電路）從主電路引入，來(lái)作為觸發(fā)同步信號(hào)為觸發(fā)同步信號(hào)19脈沖功率放大：脈沖功率放大：若觸發(fā)驅(qū)動(dòng)的晶閘管的容量較大，若觸發(fā)驅(qū)動(dòng)的晶閘管的容量較大，則要求觸發(fā)脈沖有較大的輸出功率。若形成的脈沖則要求觸發(fā)脈沖有較大的輸出功率。若形成的脈沖的功率不夠大時(shí)，這時(shí)還要增加脈沖功率放大環(huán)節(jié)的功率不夠大時(shí)，這時(shí)還要增加脈沖功率放大環(huán)節(jié)。通常采用由復(fù)合管組成的射極輸出器或采用強(qiáng)功。通常采用由復(fù)合管組成的射極輸出器或采用強(qiáng)功率觸發(fā)脈沖電源率觸發(fā)脈沖電源20二、觸發(fā)電路的工作原理二、觸發(fā)電路的工作原理21如今觸發(fā)電路常采用集成電路。如今觸發(fā)電路常采用集成電路。TS為同步變壓器，為同步變壓

17、器，TI1和和TI2為脈沖變壓器，為脈沖變壓器，R8、R9、VT2和和R10、R11、VT1構(gòu)成電壓放大電路，構(gòu)成電壓放大電路，VD1和和VD2為續(xù)流二極管，觸發(fā)脈沖寬度取決為續(xù)流二極管，觸發(fā)脈沖寬度取決于電阻于電阻R7和電容和電容C2，電位器，電位器RP1用于調(diào)節(jié)鋸齒波斜率，電壓用于調(diào)節(jié)鋸齒波斜率，電壓Uc為移相為移相控制輸入電壓，電位器控制輸入電壓，電位器RP2用于調(diào)節(jié)鋸齒波偏置電壓。用于調(diào)節(jié)鋸齒波偏置電壓。223 . 2 . 3 晶閘管電路的保護(hù)環(huán)節(jié)晶閘管電路的保護(hù)環(huán)節(jié)23243.1 整流電路整流電路整流電路：將交流電變換為固定或可調(diào)的直流電。251、單相半波不可控整流電路、單相半波不可

18、控整流電路262、單相橋式不可控整流電路、單相橋式不可控整流電路272、單相橋式不可控整流電路（電容濾波）、單相橋式不可控整流電路（電容濾波）0iudqdp2pwti,ud+RCu1u2i2VD1VD3VD2VD4idiCiRud基本工作過(guò)程基本工作過(guò)程：在u2正半周過(guò)零點(diǎn)至w wt = 0期間，因u20； 大小與控制角a有關(guān)； a增加，輸出電壓減小。輸出電流：波形平滑，對(duì)負(fù)載有利。32u三個(gè)二極管分別接入a、b、c三相電源，其陰極連接在一起共陰極接法 。u二極管換相時(shí)刻為自然換相點(diǎn)，將其作為計(jì)算各晶閘管觸發(fā)角a的起點(diǎn)，即a =0。1、三相半波不可控整流電路、三相半波不可控整流電路共陰極的二極

19、管，陽(yáng)極電位高的導(dǎo)通。陽(yáng)極電位低的承受反壓。Rid D D D變壓器，三相交流電，二極管332、三相半波可控整流電路、三相半波可控整流電路將二極管更換為晶閘管。不同的控制角，輸出電壓波形不同，大小也不同。電阻負(fù)載：輸出電壓：為直流 ； 大小與控制角a有關(guān)； a增加，輸出電壓減小。輸出電流：波形與輸出電壓相同，不平滑，對(duì)負(fù)載不利。34三相半波可控整流電路：三相半波可控整流電路：a a = 30 工作模態(tài)：3個(gè)SCR導(dǎo)通角：120 VT1 起、止相位：移相范圍： 150 35三相半波可控整流電路：三相半波可控整流電路：a a = 60 363、三相橋式全控整流電路、三相橋式全控整流電路三相橋是應(yīng)用

20、最為廣泛的整流電路共陽(yáng)極組共陽(yáng)極組陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4，VT6，VT2）圖2-17 三相橋式全控整流電路原理圖導(dǎo)通順序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6共陰極組共陰極組陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1，VT3，VT5）37wwu2ud1ud2u2Luduabuacubcubaucaucbuabuacuaucubwt1OtOta = 0三相橋式全控整流電路帶三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載電阻負(fù)載a a=0 時(shí)的波形時(shí)的波形38三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a =30 時(shí)的波形wwud1ud2a = 30OtOtuduaubucwt1uabuacubcubaucaucb

21、uabuac39三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a =60 時(shí)的波形wwa = 60ud1ud2uduabuacubcubaucaucbuabuacuaubucOtwt1Ot403.1.3 整流電路的有源逆變工作狀態(tài)整流電路的有源逆變工作狀態(tài)什么是逆變？什么是逆變？逆變（Invertion）把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，整流的逆過(guò)程。逆變電路把直流電逆變成交流電的電路。有源逆變電路交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)。 應(yīng)用：直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速以及高壓直流輸電等。無(wú)源逆變電路變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負(fù)載，將在后面介紹。對(duì)于可控整流電路，滿足一定條件就可工作于有源逆變，其電路形式

22、未變，只是電路工作條件轉(zhuǎn)變。既工作在整流狀態(tài)又工作在逆變狀態(tài)，稱為變流電路變流電路。413.1.3 整流電路的有源逆變工作狀態(tài)整流電路的有源逆變工作狀態(tài)直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn):圖2-44 直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)之間電能的流轉(zhuǎn)a）兩電動(dòng)勢(shì)同極性EG EM b）兩電動(dòng)勢(shì)同極性EM EG c）兩電動(dòng)勢(shì)反極性，形成短路電路過(guò)程分析。兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)同極性相接時(shí)，電流總是從電動(dòng)勢(shì)高的流向低的，回路電阻小，可在兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)間交換很大的功率。+-423.1.3 整流電路的有源逆變工作狀態(tài)整流電路的有源逆變工作狀態(tài)產(chǎn)生逆變的條件有二：產(chǎn)生逆變的條件有二：有直流電動(dòng)勢(shì)，其極性和晶閘管導(dǎo)通

23、方向一致，其值大于變流器直流側(cè)平均電壓。 晶閘管的控制角a 90 ，使Ud為負(fù)值。MLREMUd+-+-Id三相橋整流電路的有源逆變?nèi)鄻蛘麟娐返挠性茨孀?433.1.3 整流電路的有源逆變工作狀態(tài)整流電路的有源逆變工作狀態(tài)三相橋式電路工作于有源逆變狀態(tài)，不同逆變角時(shí)的輸出電壓波形及晶閘管兩端電壓波形如圖所示。圖 三相橋式整流電路工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)的電壓波形443.2 直流直流-直流變流電路直流變流電路 直流直流- -直流變換直流變換：將一個(gè)直流電壓變換成為另一個(gè)可控的直流輸出電壓，稱之為DC-DC變換。直流-直流變流器，它具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于直流牽引變速

24、拖動(dòng)中，如由直流電網(wǎng)供電的地鐵車輛、城市無(wú)軌電車和電動(dòng)汽車等；直流斬波器還廣泛應(yīng)用于可調(diào)整直流開(kāi)關(guān)電源和電池供電的設(shè)備中，如通信電源、電子筆記本、計(jì)算機(jī)、家用電器、遠(yuǎn)程控制器和手提電話等。453.2 直流直流-直流變流電路直流變流電路若已知一個(gè)直流電壓，怎樣獲得另一數(shù)值的直流電壓？?jī)煞N直流變換調(diào)節(jié)模式及比較：兩種直流變換調(diào)節(jié)模式及比較：線性調(diào)節(jié)器模式: 如圖3-1a所示，在這種模式中晶體管工作在線性工作區(qū)。晶體管模型可以用可調(diào)電阻RT等效，晶體管功率損耗較大。開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)模式: 如圖3-2a所示。假設(shè)：晶體管為理想開(kāi)關(guān)，則該晶體管關(guān)斷時(shí)，阻抗極大；晶體管導(dǎo)通時(shí)，內(nèi)阻為零；在理想開(kāi)關(guān)情況下，晶體管損

25、耗為零。463.2 直流直流-直流變流電路直流變流電路圖3-1 a 線性調(diào)節(jié)器模式 b 等效電路 圖3-2 a開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)模式圖 b 等效電路圖 c 輸出電壓兩種直流變換調(diào)節(jié)模式及比較：兩種直流變換調(diào)節(jié)模式及比較：473.2 直流直流-直流變流電路直流變流電路直流-直流變流（DC/DC Converter）分類：包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。 3.2.1 3.2.1 直接直流變流電路直接直流變流電路 也稱 斬波電路（DC Chopper）。 一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，這種情況下輸入與輸出之間不隔離。 3.2.2 3.2.2 間接直流變流電路間接直流變流電路 在直流變流電路中增加

26、了交流環(huán)節(jié)。 在交流環(huán)節(jié)中通常采用變壓器實(shí)現(xiàn)輸入輸出間的隔離，因此也稱為直交直電路。 483.2 直流直流-直流變流電路直流變流電路 3.2.1 直接直流變流電路直接直流變流電路直流斬波電路直流斬波電路493.2 直流直流-直流變流電路直流變流電路（Buck Chopper) 電路結(jié)構(gòu)負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)典型用途之一是拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載。開(kāi)關(guān)續(xù)流二極管濾波電感503.2 直流直流-直流變流電路直流變流電路降壓斬波電路工作原理:EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOO波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoa) 電路圖t=0時(shí),驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓

27、uo=E，負(fù)載電流io上升。t=t1時(shí),控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo為零，負(fù)載電流下降。通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。負(fù)載平均電壓Uo513.2 直流直流-直流變流電路直流變流電路降壓斬波電路：降壓斬波電路：EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOO電流連續(xù)時(shí)的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uo負(fù)載電壓平均值：tonV通的時(shí)間通的時(shí)間 toffV斷的時(shí)間斷的時(shí)間 -導(dǎo)通占空比導(dǎo)通占空比由公式可見(jiàn)，輸出電壓低于輸由公式可見(jiàn)，輸出電壓低于輸入電壓。入電壓。EETtEtttUaonoffononoT = ton+toffUo523.2 直流直流-直

28、流變流電路直流變流電路2、 升壓斬波電路（升壓斬波電路（Boost Chopper）濾波電容濾波電容保持輸出電壓穩(wěn)定儲(chǔ)能電感儲(chǔ)能電感 電路結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)隔離二極管533.2 直流直流-直流變流電路直流變流電路升壓斬波電路工作原理：假設(shè)L和C值很大。V處于通態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，電流恒定I1，電容C向負(fù)載R供電，輸出電壓Uo恒定。V處于斷態(tài)時(shí)，電源E和電感L同時(shí)向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。0uGE0ioI1圖5-2 升壓斬波電路及工組波形b) 波形tontoffu0 i1 543.2 直流直流-直流變流電路直流變流電路升壓斬波輸出電壓： T/ toff 1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓升壓斬

29、波電路。EtTEtttUoffoffoffono升壓斬波電路典型應(yīng)用：一是用于直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)（回饋電能）；二是用作單相功率因數(shù)校正（PFC）電路；三是用于其他交直流電源中。T = ton+toff553.2 直流直流-直流變流電路直流變流電路3. 升降壓斬波電路升降壓斬波電路 ( buck -boost Chopper) 電路結(jié)構(gòu)+-儲(chǔ)存電能儲(chǔ)存電能開(kāi)關(guān)續(xù)流二極管563.2 直流直流-直流變流電路直流變流電路升降壓斬波電路的升降壓斬波電路的工作工作原理原理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。V斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，電流為i2。負(fù)載電壓

30、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。+otb)oti1i2tontoffILIL573.2 直流直流-直流變流電路直流變流電路升降壓斬波電路的輸出電壓為：（5-41）EEtTtEttUaa1ononoffono當(dāng)tontoff ，即0a 1/2時(shí)，Uotoff ，即1/2a E，為升壓； 故稱作升降壓斬波電路，或buck-boost 變換器。583.2 直流直流-直流變流電路直流變流電路 3.2.2 間接直流變流電路間接直流變流電路 圖圖 5-10 間接直流變流電路的結(jié)構(gòu)間接直流變流電路的結(jié)構(gòu) 同直流斬波電路相比，電路中增加了交流環(huán)節(jié)，因此也稱為同直流斬波電路相比，

31、電路中增加了交流環(huán)節(jié)，因此也稱為 直直交交直電路直電路。 采用這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電路來(lái)完成直流的變換有以下原因采用這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電路來(lái)完成直流的變換有以下原因: 輸出端與輸入端需要輸出端與輸入端需要隔離隔離。 某些應(yīng)用中需要相互隔離的某些應(yīng)用中需要相互隔離的多路輸出多路輸出。 輸出電壓與輸入電壓的輸出電壓與輸入電壓的比例比例遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于1或遠(yuǎn)大于或遠(yuǎn)大于1。 交流環(huán)節(jié)采用交流環(huán)節(jié)采用較高的工作頻率較高的工作頻率，可以減小，可以減小變壓器變壓器和濾波電感、和濾波電感、濾波電容的體積和重量。濾波電容的體積和重量。593.2.2 間接直流間接直流-直流變流電路直流變流電路 間接直流變流電路間接直

32、流變流電路主要包括正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路和推挽電路。 主要介紹以下幾種： 1、 正激電路正激電路 2、 推挽電路推挽電路 3、 半橋電路半橋電路 4、 全橋電路全橋電路 603.2.2 間接直流間接直流-直流變流電路直流變流電路1. 正激電路正激電路這是一種當(dāng)開(kāi)關(guān)器件S接通時(shí)向二次線圈供能的方式。S接通時(shí)，變壓器一次線圈N1外加輸入電壓，同時(shí)，由二次線圈N2感應(yīng)的電壓通過(guò)二極管VD1加以整流；在S斷開(kāi)時(shí)，利用電感L的儲(chǔ)能通過(guò)續(xù)流二極管VD2再由輸出濾波器LC加以平波供給負(fù)載。VinVoLSD1D2基本正激型變換器N1N2正激電路比較簡(jiǎn)單，適用于中小容量輸出。缺點(diǎn)是變壓器只能加單

33、向電壓，利用率較低，輸出濾波器容量較大。61VinVoLSD1D2基本正激型變換器基本正激型變換器需要復(fù)位電路（略）3.2.2 間接直流間接直流-直流變流電路直流變流電路正激電路的實(shí)用電路及工作波形：電流連續(xù)時(shí)的波形tOV0623.2.2 間接直流間接直流-直流變流電路直流變流電路2. 推挽電路推挽電路一種適合中容量至大容量的方式，其基本電路和波形。VinVoLS1D1D2S2推挽變換器tOV0633.2.2 間接直流間接直流-直流變流電路直流變流電路3、 半橋電路半橋電路VinVoLS2D1D2S1半橋變換器uN1適合中容量至大容量的方式，其基本電路和波形。tOV0V0643.2.2 間接直

34、流間接直流-直流變流電路直流變流電路4、 全橋電路全橋電路一種中容量至大容量常用的方式，其基本電路和波形：全橋變換器VinVoLS4D1D2S3S1S2N1uN1S1,S4S2,S3tOV0V0653.2 直流直流-直流變流電路直流變流電路表表 5-1 各種不同的間接直流變流電路的比較各種不同的間接直流變流電路的比較電路電路優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)功率范圍功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域正激正激電路較簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單變壓器單向激磁，利用率低幾百W幾kW各種中、小功率電源反激反激電路非常簡(jiǎn)單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單難以達(dá)到較大的功率，變壓器單向激磁，利用率低幾W幾十W小功率電子設(shè)備

35、、計(jì)算機(jī)設(shè)備、消費(fèi)電子設(shè)備電源。全橋全橋變壓器雙向勵(lì)磁，容易達(dá)到大功率結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，有直通問(wèn)題，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動(dòng)電路幾百W幾百kW大功率工業(yè)用電源、焊接電源、電解電源等半橋半橋變壓器雙向勵(lì)磁，沒(méi)有變壓器偏磁問(wèn)題，開(kāi)關(guān)較少，成本低有直通問(wèn)題，可靠性低，需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動(dòng)電路幾百W幾kW各種工業(yè)用電源，計(jì)算機(jī)電源等推挽推挽變壓器雙向勵(lì)磁，變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單有偏磁問(wèn)題幾百W幾kW低輸入電壓的電源663.3 交流交流-交流變流電路交流變流電路引言 交流-交流變流電路：把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路。 包括以下兩種： 交流電力控制電路：只改變電

36、壓、電流或?qū)﹄娐返耐〝噙M(jìn)行控制，而不改變頻率的電路。 變頻電路：改變頻率的電路。(不常用)交流電力控制電路交流調(diào)壓電路 相位控制交流調(diào)功電路 通斷控制交流電力電子開(kāi)關(guān)673.3 交流交流-交流變流電路交流變流電路-引言引言交流電力控制電路的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，控制晶閘管的導(dǎo)通情況就可控制交流電力。電路圖：兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)雙向晶閘管683.3 交流交流-交流變流電路交流變流電路-引言引言交流電力控制電路類型： 交流調(diào)壓電路每半個(gè)周波控制晶閘管開(kāi)通相位， 調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。（相位控制，導(dǎo)通角） 交流調(diào)功電路以交流電的周期為單位控制晶閘管通斷，改變通、斷周期數(shù)的比，調(diào)節(jié)輸

37、出功率的平均值。 （通斷控制，過(guò)零觸發(fā)，整周期導(dǎo)通） 交流電力電子開(kāi)關(guān)并不著意調(diào)節(jié)輸出平均功率，而只是根據(jù)需要接通或斷開(kāi)電路。69 應(yīng)用應(yīng)用 1 燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制)。 2 異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)。 3 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。 4 供用電系統(tǒng)對(duì)無(wú)功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。 5 電熱負(fù)載功率調(diào)節(jié)。 3.3 交流交流-交流變流電路交流變流電路-引言引言703.3 交流交流-交流變流電路交流變流電路3.3.1 單相交流調(diào)壓電路1、基本原理：電路圖a用兩只晶閘管反并聯(lián)，或一只雙向晶閘管與電阻負(fù)載組成主電路。 以反并聯(lián)電路進(jìn)行分析，正半周時(shí)刻觸發(fā)VT1管，負(fù)半周時(shí)刻觸發(fā)VT2管，輸出電壓波形為正負(fù)半周缺角相

38、同的正弦波圖b所示。713.3 交流交流-交流變流電路交流變流電路2. 單相交流調(diào)壓電路實(shí)例ELRPC1VDVT 220VUIUB-UBo 雙向晶閘管簡(jiǎn)易調(diào)光電路RP 250 k C1 1FVT BCR1AM VD DB31) 臺(tái)燈調(diào)光電路-觸發(fā)二級(jí)管交流調(diào)壓電路圖723.3 交流交流-交流變流電路交流變流電路單向交流調(diào)壓用于小功率調(diào)壓，廣泛用于民用電氣控制。 2) 簡(jiǎn)單雙向晶閘管調(diào)壓電路，圖為簡(jiǎn)單有級(jí)交流調(diào)壓電路。733、 斬控式交流調(diào)壓電路正半周：V1、V3 交替導(dǎo)通負(fù)半周：V2、V4 交替導(dǎo)通743.3 交流交流-交流變流電路交流變流電路4. 幾種三相交流調(diào)壓電路圖星形帶中性線的三相交流

39、調(diào)壓連接成內(nèi)三角形的三相交流調(diào)壓三相三線交流調(diào)壓753.3 交流交流-交流變流電路交流變流電路3.3.2 交流調(diào)功電路交流調(diào)功電路圖 過(guò)零觸發(fā)輸出波形 以交流電的周期為單位，控制晶閘管通斷，改變通、斷周期數(shù)的比，調(diào)節(jié)輸出功率的平均值。 （通斷控制，過(guò)零觸發(fā)）電路圖763.3 交流交流-交流變流電路交流變流電路3.3.3 交流電力電子開(kāi)關(guān)交流電力電子開(kāi)關(guān)不著意調(diào)節(jié)輸出平均功率，只是根據(jù)需要接通或斷開(kāi)電路。晶閘管交流開(kāi)關(guān)是一種快速、較理想的交流開(kāi)關(guān)。 a、 為普通晶閘管反并聯(lián)的交流開(kāi)關(guān)。773.3 交流交流-交流變流電路交流變流電路b 、采用雙向晶閘管反并聯(lián)的交流開(kāi)關(guān)。c 、只用一只普通晶閘管，管

40、子不受反壓。783.3 交流交流-交流變流電路交流變流電路雙向晶閘管控制三相自動(dòng)控溫電熱爐的電路如圖。793.4 逆變電路逆變電路逆變的概念 逆變與整流相對(duì)應(yīng)，把直流電變成交流電。u交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變有源逆變。u交流側(cè)接負(fù)載，為無(wú)源逆變無(wú)源逆變。逆變與變頻變頻電路：分為交-交變頻和交-直-交變頻兩種。交-直-交變頻由交-直變換（整流）和直-交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。主要應(yīng)用u各種直流電源如蓄電池、太陽(yáng)能電池等的逆變。u交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。803.4.1 3.4.1 逆變電路的基本原理逆變電路的基本原理3.4.1 3

41、.4.1 逆變電路的基本原理逆變電路的基本原理u 以單相橋式逆變電路為例來(lái)說(shuō)明。u S1S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2圖5-1 逆變電路及其波形舉例813.4.1 3.4.1 逆變電路的基本原理逆變電路的基本原理直流電交流電S 能流過(guò)雙向電流S1、S4閉合閉合，S2、S3斷開(kāi)斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓uo為正正。S1、S4斷開(kāi)斷開(kāi)，S2、S3閉合閉合時(shí)，負(fù)載電壓uo為負(fù)負(fù)。823.4.1 3.4.1 逆變電路的基本原理逆變電路的基本原理逆變電路最基本的工作原逆變電路最基本的工作原理理 改變兩組開(kāi)關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電

42、頻率。(方波逆變)b)tuoiot1t2電阻負(fù)載電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載阻感負(fù)載時(shí)，i io o相位滯后于u uo o，波形也不同。c)tuoio833.4.2 單相全橋逆變電路3.4.2 全橋逆變電路全橋逆變電路 （180導(dǎo)電方式）ttOOb)uoUm- -Umiot1t2t3t4t5t6V14V23V14V23VD14VD23VD14VD23u共四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋電路組合而成。u兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)通180。u輸出電壓和電流波形u可以改變輸出交流電壓頻率，不能改變輸出交流電壓的幅值。843.4.2 單相全橋逆變電路單相逆變器的輸出電壓控

43、制單相逆變器的輸出電壓控制 ：（1）移相控制）移相控制 不改變逆變器輸入直流電壓的大小，而是通過(guò)改變逆變器中開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間的相位，以控制輸出脈沖的寬度，來(lái)改變逆變器輸出電壓，此方法稱移相控制。若使移相角從0變到180，可使輸出電壓從最大值變到零。輸出波形仍為矩形波，不理想。移相控制853.4.2 單相全橋逆變電路（2）脈沖寬度調(diào)制（）脈沖寬度調(diào)制（PWM） 如果使V1與V4，V2與V3通過(guò)高頻調(diào)制控制，能在半個(gè)周期內(nèi)重復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷N次，則其輸出電壓波形為一系列被調(diào)制的矩形脈沖，如圖所示（這時(shí)N=5）。調(diào)節(jié)脈沖寬度，可以改變輸出電壓。輸出波形可調(diào)制為正弦波，理想！863.4.3 三相橋式逆變

44、電路3.4.3 三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路 基本工作方式180導(dǎo)電方式導(dǎo)電方式 每橋臂導(dǎo)電180，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電。 各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度差120 。 任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。873.4.3 三相全橋逆變電路tOtOtOtOuUNuUVuVNuWNUdUd2三相橋式逆變電路的工作波形：883.5 PWM控制技術(shù)控制技術(shù)PWM (Pulse Width Modulation)控制（ 脈寬調(diào)制技術(shù)）脈寬調(diào)制技術(shù)）：即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。PWM控制的思想思想源于通信技術(shù)，全控型器件的發(fā)展使

45、得實(shí)現(xiàn)PWM控制變得十分容易。PWM技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛應(yīng)用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，它在電力電子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。PWM控制技術(shù)的最成功應(yīng)用，是在逆變電路逆變電路。此外，在整流電路、直流變換電路、斬控式交流調(diào)壓電路都得到應(yīng)用。893.5 PWM控制技術(shù)控制技術(shù)3.5.1 PWM控制的理論基礎(chǔ)控制的理論基礎(chǔ)面積等效原理面積等效原理沖量沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同效果基本相同，這就是面積等效原理。面積等效原理。沖量沖量窄脈沖的面積效果基本相同效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖是等效的d)單位脈沖函數(shù)f (t)d (t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf (t)f (t)f (t)903.5 PWM控制技術(shù)控制技術(shù)b)圖 沖量相等的各種窄脈沖的響應(yīng)波形具體的實(shí)例說(shuō)明“面積等效原理面積等效原理”a）u (t)電壓窄脈沖，是電路的輸入 。 i (t)輸出電流