电力电子技术1

电力电子技术西安交通大学王兆安黄俊主编(第四版)机械工业出版社第一章概述§1.1、什么是电力电子技术?应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件(PowerElectronicDevice)对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术主要用于电力变换(PowerConversion)。一、电力电子技术发展史1、1904年出现了电子管。2、1947年美国贝尔实验室发明晶体管，引发了电子技术的一场革命。3、1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管。4、70年代出现电力晶体管、电力场效应管。5、80年代后期开始：绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表。6、90年代主要有：功率模块：为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。交流→直流——整流二、电力变换分类直流→交流——逆变直流→直流——斩波交流→交流——交流调压、变频三、电力电子技术的重要性交通运输电气机车电动汽车电瓶车缆车电梯电子装置用电源新能源电视机电冰箱计算机不间断电源节能灯太阳能风能燃料电池电力系统直流输电交流输电工业电机§1.2课程特点及要求1、要求掌握的对象不同2、器件的工作特点不同大功率3、分析方法不同弱电控制强电4、实用电力电子电路分析一、课程特点三、要求1、听课（30分）2、考试（70分）二、课程主要内容1、整流2、逆变3、斩波4、交流调压、变频5、安全用电6、实用电路第二章整流电路§2.1、电力二极管(PowerDiode)AK2、符号PNAKJ1、结构3、封装5、伏安特性§2.2、晶闸管(SCR、VT)一、结构3、封装2、符号GAK1、结构P1N1P2N2AKGJ1J2J34、双体晶体管模型二、工作原理A-、K+、G任意VT不通GIaUakGIaUakA+、K-G+VT通；G为零，VT不通GIaUakVT导通后；G任意，VT通GIaUakVT导通后；Ia或Uak接近于“0”，VT关断三、晶闸管基本特性1、伏安特性GIaUakRUakIaIg雪崩击穿高阻区负阻区低阻区ubo2、晶闸管电流定额2.1通态平均电流IT（AV）是工频正弦半波的通态电流在一个整周期内的平均值。ωtImπ2π()m01Isin2TAVItdt2.2有效电流通过电流的热效应来定义，把交流电流一个周期内消耗的能量等效用一个直流电流值来代替。RIIrms20TQIRdt交2rmsQIRT直=201TrmsIIdtTm1I=mI/2峰值为Im的正弦半波电流,电流的有效值为：tuVTtud§2.3单相半波可控整流电路一、阻性负载TVTRuVTu1u2udtu22αθtt1t2ugtId2tud2tuvt2t2二、阻感负载u1Tu2udVTuVTRLtu22tt1t2ugαtuVT2三、带续流二极管单相半波可控整流电路u1Tu2udRLVDRiVDRVTuVTtu22ddVT2II晶闸管电流平均值d2dVT2)(21ItdII晶闸管电流有效值ddVD2RII续流二极管电流平均值d22dVD2)(21RItdII有效值tt1t2Igtid2tiVT2IVDRtud2小结:单相半波可控整流电路的特点1、电路简单，但输出脉动大；2、变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。3、实际上很少应用此种电路，分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念声光自熄开关1、要求白天灯不亮；晚上无声音时灯不亮；晚上有声音时灯亮。声控光控与门触发负载电源2、原理框图声光自熄开关（一）原理分析（白天）12V1.2kΩ低高低高低低低声光自熄开关（一）原理分析（晚上无声音）4MΩ高低高低高低低声光自熄开关（一）原理分析（晚上有声音）4MΩ高高低高低高高声光自熄开关（二）t2i2t2Uvt1,4t2udid§2.4单相桥式全控整流电路一、阻性负载2222211cos1cos2sind0.922UUUttUd2cos19.02cos12222ddRURURUI2cos145.0212ddVTRUII2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUI2sin21)()sin2(12222RUtdtRUIIII21VTVT1VT2VT3VT4Ru2U1udidabi2ααt2u2ααt2idudt2i2t2ivt1，4ivt2，3二、阻感负载t2u2换相换流cos9.0cos22)(dsin21222dUUttUURLVT1VT2VT3u2U1udidabVT4晶闸管移相范围为90；晶闸管导通角θ与a无关，均为180。dVTd12II晶闸管电流平均值晶闸管电流有效值ddT707.021IIItud三、反电动势负载EdtidVT1VT2u2U1udidREVT3VT4REuidd1、在|u2|E时，晶闸管承受正电压，有导通的可能,导通之后2、直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ称为停止导电角。212sinUEd§2.5单相桥式半控整流电路ωtωtωtiVT1iVD2iVT3iVD2iVT3iVD4iVT1iVD4ωtπ2πωtidVD4VT1VD2VT3u2U1RLab1、α至π时间段内，电流流经VT1、L、R、VD4至变压器；α2、π至π+α时间段内，电流流经VT1、L、R、VD2；3、π+α至2π时间段内，电流流经VT3、L、R、VD2至变压器；4、2π至2π+α时间段内，电流流经VT3、L、R、VD4至变压器；§2.6三相半波可控整流电路TudidVT2VT1VT3Rbca)a变压器一次侧：三角形；二次侧：星形。晶闸管：共阴极接法uaubucωt1ωt2ωt3ωt4ωtu2ωt1ωt2ωt3ωt4ωtudωt1ωt2ωt3ωt4ωtiVT1ωt1ωt2ωt3ωt4ωtuVT1二极管换相：电流从一个二极管向另一个二极管转移。自然换相点uabuac自然换相点是晶闸管触发角α的起点。α=0一、电阻负载α=300时三相半波可控整流电路TudidVT2VT1VT3Rbca)aa=30时的波形负载电流处于连续和断续之间的临界状态uaubucωt1ωt2ωt3ωt4ωtu2ωt1ωt2ωt3ωt4ωtudωt1ωt2ωt3ωt4ωtiVT1uabuacωt1ωt2ωt3ωt4ωtuVT1α=300α=600α=600时三相半波可控整流电路TudidVT2VT1VT3Rbca)aα30时的波形负载电流处于断续状态α=150时的波形负载电压、电流为零uaubucωt1ωt2ωt3ωt4ωtu2ωt1ωt2ωt3ωt4ωtudωt1ωt2ωt3ωt4ωtiVT1三相半波可控整流电路整流电压平均值的计算（1）a≤30时，负载电流连续，有：cos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUU当a=0时，Ud最大（2）a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：)6cos(1675.0)6cos(1223)(sin2321262dUttdUU负载电流平均值为：RUIdd晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次线电压峰值：222RM45.2632UUUU晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值：2FM2UUabcTRLu2udeLidVT1VT2VT3udiauaubucibiciduacuabuacOtOtOtOtOtOtuVT1二、阻感负载例1：在三相半波整流电路中，如果a相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流电压ud的波形。abcTRLu2udeLidVT1VT2VT3uaubucωt1ωt2ωt3ωt4ωtu2uaubucωt1ωt2ωt3ωt4ωtuduaubucωt1ωt2ωt3ωt4ωtudbacTn负载iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1d2tu2udtiVT1ttuVT1d1uaubuc§2.6三相桥式全控整流电路t1t3t5t6t2t4一、电阻负载（α=00）α=300udtiattu2uaubucd1d2bacTn负载iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1üα=300时的工作情况：1、晶闸管起始导通时刻推迟了30，组成ud的每一段线电压因此推迟30ü2、从t1开始把一周期等分为6段，ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表2-1的规律ü3、变压器二次侧电流ia波形的特点：在VT1处于通态的120期间，ia为正，ia波形的形状与同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。α=600bacTn负载iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1ud波形中每段线电压的波形继续后移，ud平均值继续降低。a=60时ud出现为零的点。600tu2udtuVT1td1d2uaubucuabubaucbuacucauabud1ud2uduaubucuaubtOtOtOtOtOiaiduabuacubcubaucaucbuabuacubcubaiVT1α=900α=900bacTn负载iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1小结v当a≤60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续；v当a60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值；v带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120二、三相桥式全控整流电路阻感负载bacTn负载iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1ud1u2ud2u2LudidtOtOtOtOua=0°ubuct1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥiVT1ud1=30°ud2uduabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥtOtOtOtOidiat1uaubuc图1三相桥式全控整流电路带阻感负载a=0时的波形图2三相桥式全控整流电路带阻感负载a=30时的波形图3三相桥式全控整流电路带阻感负载a=90时的波形=90°ud1ud2uacubcubaucaucbuabuacuabⅠⅡⅢⅣⅤⅥuduacuabuactOtOtOubucuat1uVT1阻感负载时的工作情况α≤60时ud波形连续，工作情况与带电阻负载时相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。α60时阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分。带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90bacTn负载iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1三相桥式全控整流电路定量分析当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a≤60时）的平均值为：cos34.2)(sin63123232UttdUUd带电阻负载且a60时，整流电压平均值为：)3cos(134.2)(sin63232dUttdUU输出电流平均值为：Id=Ud/R当整流变压器采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形为正负半周各宽120、前沿相差180的矩形波，