大学科目《电力电子技术》课件

电力电子技术电力电子技术第一章第一章 概述概述1.1、什么是电力电子技术?应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件电力电子器件(Power Electronic Device)对电能进行变换和控制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(Power Conversion)。一、电力电子技术发展史 1、1904年出现了电子管。电子管。2、1947年美国贝尔实验室发明晶体管晶体管，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。晶闸管。4、70年代出现电力晶体管电力晶体管、电力场效应管。电力场效应管。5、80年代后期开始：绝缘栅极双极型晶体管（绝缘栅极双极型晶体管（IGBTIGBT）为代表。6、90年代主要有：功率模块功率模块：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。交流直流整流整流二、二、电力变换分类电力变换分类 直流交流逆变逆变 直流直流斩波斩波 交流交流交流调压、变频交流调压、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、课程特点一、课程特点三、要求三、要求1、听课（30分）2、考试（70分）二、课程主要内容二、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、实用电路第二章第二章 整流电路整流电路 2.1、电力二极管(Power Diode)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。ttI Im m 22 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。RIIrms=峰值为Im的正弦半波电流,电流的有效值为：wtuVTwtud2.3单相半波可控整流电路一、阻性负载TVTRuVTu1u2udwtu22pp wtwt1wt2ugwtId2ppwtud2ppwtuvt2ppwt2pp二、阻感负载u1Tu2udVTuVTRLwtu22ppwtwt1wt2ugwtuVT2pp三、带续流二极管单相半波可控整流电路u1Tu2udRLVDRiVDRVTuVTwtu22pp晶闸管电流平均值 晶闸管电流有效值 续流二极管电流平均值 有效值 wtwt1wt2Igwtid2ppwtiVT2ppIVDRwtud2pp小结小结:单相半波可控单相半波可控 整流电路的特点整流电路的特点 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）原理分析声光自熄开关（一）原理分析（白天）12V12V1.2 k 1.2 k 低低 高高 低低 高高 低低 低低 低低 声光自熄开关（一）原理分析声光自熄开关（一）原理分析（晚上无声音）4M 4M 高高 低低 高高 低低 高高 低低 低低 声光自熄开关（一）原理分析声光自熄开关（一）原理分析（晚上有声音）4M 4M 高高高高低低高高低低高高高高声光自熄开关（二）声光自熄开关（二）wtp2pi2wtp2pUvt1,4wtp2pudid2.4 2.4 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 一、阻性负载VT1VT2VT3VT4Ru2U1udidabi i2 2wtp2pu2wtp2pidudwtp2pi2wtp2pivt1，4ivt2，3二、阻感负载wtp2pu2换相换流RLVT1VT2VT3u2U1udidabVT4晶闸管移相范围为90；晶闸管导通角与a a无关，均为180。晶闸管电流平均值晶闸管电流有效值qawtud三、反电动势负载EdwtidVT1VT2u2U1udidREVT3VT41、在|u2|u2|E E 时，晶闸管承受正电压，有导通的可能,导通之后2、直至|u2|=|u2|=E E，i id d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停止导电，称为停止导电角。2.5 2.5 单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路 tttiVT1iVD2iVT3iVD2iVT3iVD4iVT1iVD4t2tidVD4VT1VD2VT3u2U1RLab1、至时间段内，电流流经VT1、L、R、VD4至变压器；2、至+时间段内，电流流经VT1、L、R、VD2；3、+至2时间段内，电流流经VT3、L、R、VD2至变压器；4、2至2+时间段内，电流流经VT3、L、R、VD4至变压器；2.6 2.6 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 变压器一次侧：三角形；二次侧：星形。晶闸管：共阴极接法uaubuct1t2t3t4tu2t1t2t3t4tudt1t2t3t4tiVT1t1t2t3t4tuVT1二极管换相：电流从一个二极管向另一个二极管转移。自然换相点自然换相点uabuac自然换相点是晶闸管触发角的起点。=0=0一、电阻负载=30=300 0时时三相三相半波半波可控整流电路可控整流电路 a a=30=30 时的波形时的波形 负载电流处于连续和断续之间的临界状态负载电流处于连续和断续之间的临界状态 uaubuct1t2t3t4tu2t1t2t3t4tudt1t2t3t4tiVT1uabuact1t2t3t4tuVT1=30300 0=600=60=600 0时时三相三相半波半波可控整流电路可控整流电路 3030 时的波形时的波形 负载电流处于断续状态负载电流处于断续状态 =150=150 时的波形时的波形 负载电压、电流为零负载电压、电流为零 uaubuct1t2t3t4tu2t1t2t3t4tudt1t2t3t4tiVT1三相半波可控整流电路整流电压平均值的计算三相半波可控整流电路整流电压平均值的计算（1）a30时，负载电流连续，有：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：负载电流平均值为：晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次线电压峰值：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：二、阻感负载例例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。uaubuct1t2t3t4tu2uaubuct1t2t3t4tuduaubuct1t2t3t4tudd2wtu2udwtiVT1wtwtuVT1d1uaubuc2.6 2.6 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路 t1t3t5t6t2t4一、电阻负载一、电阻负载（=0 00 0）=3=30 00 0udwtiawtwtu2uaubucd1d2=3=30 00 0时的工作情况时的工作情况：1、晶闸管起始导通时刻推迟了30，组成u ud d的每 一段线电压因此推迟302、从t t1 1开始把一周期等分为6段，u ud d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3、变压器二次侧电流i ia a波形的特点：在VT1处于 通态的120期间，i ia a为正，i ia a波形的形状与同时 段的u ud d波形相同，在VT4处于通态的120期间，i ia a波形的形状也与同时段的u ud d波形相同，但为负 值。=6=60 00 0 u ud d波形中每段线电压的波形继续后移，u ud d平均值继续降低。a=60时u ud d出现为零的点。a=600wtu2udwtuVT1wtd1d2uaubucuabubaucbuacucauab=9=90 00 0=9=90 00 0小结小结v 当a a6060 时，u ud d波形均连续，对 于电阻负载，i id d波形与u ud d波形形状 一样，也连续；v v 当当a a6060 时，u ud d波形每6060 中有一段中有一段 为零，为零，u ud d波形不能出现负值；v v 带带电电阻阻负负载载时时三三相相桥桥式式全全控控整整流流 电路电路a a 角的移相范围是角的移相范围是120120 二、二、三相桥式全控整流三相桥式全控整流电路电路阻感负阻感负载载图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时的波形阻感负载时的工作情况阻感负载时的工作情况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。60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90三相桥式全控整流电路定量分析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 a6060 时）的平均值为：带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为：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，其有效值为：接反电势阻感负载时的Id为：2.7 2.7 整流电路的有源逆变整流电路的有源逆变逆变把直流电转变成交流电，整流的逆过程。l如：电力机车下坡行驶，机车的位能转变为电能，反送到交流电网中去。REMUd1、两电动势同极性UdEM电动机运转 REMUd2、两电动势同极性EMUd电动机回馈制动REMUd3、实际上形成短路 逆变产生的条件逆变产生的条件udU1VT1RLVT2id102tududU1VT1RLVT2id102tudEMEM电能电能单结晶体管单结晶体管eb1b2结构示意图符号eb2b1等效电路eb2b1rb2rb1R=Rb1+Rb2Rb1与R的比值称为分压比:h=Rb1/R峰值电压UpUEiE工作原理和特性曲线工作原理和特性曲线 IEO截止区谷点电压C负阻区饱和区单结晶体管振荡电路单结晶体管振荡电路UvUpReCR1UoR2Uo单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路U1VD3VD1VD2ReCR1VT1VT2VD4VD5负载R3R2单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路(二)双向晶闸管双向晶闸管T1T2G电气符号T1T2GG等效电路特性曲线T1T2G测试电路吊扇调速电路触摸式调光台灯触摸式调光台灯触电的形式触电的形式保护接地保护接地 将电气设备在正常运行情况下将电气设备在正常运行情况下不带电的金属外壳或构架用足够粗不带电的金属外壳或构架用足够粗的金属线（例如钢筋）与接地体可的金属线（例如钢筋）与接地体可靠地链接起来，以保护人身的安全。靠地链接起来，以保护人身的安全。保护接零保护接零 在1000伏以下接地良好的三相四线制系统中，例如380/220伏系统，电气设备的外壳或构架与系统的零线相接，即保护接零。重复接地重复接地 在采用保护接零时，除系统的中点接地外，还必须在零线上一处或者多处进行接地。在同一配电系统中，不允许一部分电气设备采用保护接地，而另一部分电