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1、电力电子技术讲义本讲稿第一页，共七十三页4.1有源逆变的工作原理有源逆变的工作原理直直流流电电逆逆变变器器交交流流电电有源逆变无源逆变电网电网用电设备用电设备有源逆变应用：直流电动机可逆拖动，有源逆变应用：直流电动机可逆拖动，线绕式异步电动机串级调速，直流输电线绕式异步电动机串级调速，直流输电本讲稿第二页，共七十三页4.1.1工作原理工作原理12MVT10VT2L重物重物上升，变流器为电机提供能量，电机工作在电动状态；重物上升，变流器为电机提供能量，电机工作在电动状态；重物下降，电机工作在发电状态，变流器吸收电机提供能重物下降，电机工作在发电状态，变流器吸收电机提供能量，送回电网。量，送回电网
2、。本讲稿第三页，共七十三页仿真模型仿真模型f41.mdl本讲稿第四页，共七十三页RMM+-Ud+-id功率发电机状态ERMM+-Ud+-id功率电动状态E整流（整流（）逆变（逆变（）本讲稿第五页，共七十三页RMM+-Ud+-id短路发电机状态E整流与逆变的比较整流与逆变的比较短路（不允许）本讲稿第六页，共七十三页4.1.2逆变条件逆变条件要有给晶闸管正向电压的外部直流电源要有给晶闸管正向电压的外部直流电源E，且且EUd变流器工作在变流器工作在的区域（输出负电压）的区域（输出负电压）逆变角逆变角整流整流Ud=Udocos ()逆变逆变Ud=-Udocos ()逆变电路：单逆变电路：单/三相半波；
3、单三相半波；单/三相全控桥。三相全控桥。（有或相当于有续流二极管的电路因无法（有或相当于有续流二极管的电路因无法输出负电压，不能做为逆变电路）输出负电压，不能做为逆变电路）逆变角的定义逆变电路的要求又称变流器（既能整流又能逆变）本讲稿第七页，共七十三页仿真模型仿真模型f411.mdl4.1.3逆变失败与逆变角的限制逆变失败与逆变角的限制本讲稿第八页，共七十三页VT2脉冲丢失逆变失败的原因逆变失败的原因触发电路不可靠（脉冲丢失或延时）触发电路不可靠（脉冲丢失或延时）晶闸管故障晶闸管故障交流电源异常（缺相或丢失）交流电源异常（缺相或丢失）逆变角太小逆变角太小Ud与E顺向连接造成短路本讲稿第九页，共
4、七十三页逆变失败相当于短路，将损坏变流装置逆变失败相当于短路，将损坏变流装置（整流失败只会使输出电压缺相）（整流失败只会使输出电压缺相）逆变角的限制逆变角的限制本讲稿第十页，共七十三页4.2有源逆变电路的应用有源逆变电路的应用4.2.1直流电动机可逆拖动系统直流电动机可逆拖动系统一组变流器供电，接触器控制正反转一组变流器供电，接触器控制正反转M+-Ud接触器动作慢,寿命短,且切换需要控制K1K2K1K2本讲稿第十一页，共七十三页两组变流器供电两组变流器供电Lc1Lc2LLc1Lc2Lc3Lc4LMMMLUVWO12三相半波UVWUVW三相桥式12反并连接12本讲稿第十二页，共七十三页ML12M
5、L12ML12ML12nT+-+-id+-+-id+-+-idText-+-id四象限运行图四象限运行图正转整流电动运行反转整流发电运行反转整流电动运行正转逆变发电运行有源逆变产生制动转矩，有源逆变产生制动转矩，实现快速制动实现快速制动本讲稿第十三页，共七十三页工作方式工作方式逻辑无环流工作方式逻辑无环流工作方式 1/2组不同时工作组不同时工作无环无环流（无需笨重的电抗器限制流（无需笨重的电抗器限制环流）环流）根据直流电动机的转向根据直流电动机的转向（E的极性）及零电流的极性）及零电流（Id=0）作出逻辑判断，作出逻辑判断，按要求控制按要求控制1/2两组变流器两组变流器的工作状态的工作状态ML
6、12+-+-id环流环流：不经负载，徒增器件电流负担本讲稿第十四页，共七十三页工作方式工作方式 Uc=0=90n=0Uc(Uc 0)(Ud=Ud )1组整流，组整流，2组待逆变组待逆变(1组脉冲左移，组脉冲左移，2组脉冲右移）组脉冲右移）电机正转；此时若要降低正转转速，只须降低电机正转；此时若要降低正转转速，只须降低Uc，则则2组逆变，组逆变，1组待整流，转速下降后组待整流，转速下降后，1组重新进入整流状态。组重新进入整流状态。本讲稿第十五页，共七十三页Ud=Ud （）（平均值相等）（平均值相等）无直流无直流环流环流,ud ud (瞬时值不等）瞬时值不等）有交流环流有交流环流 串环流电抗器抑制
7、交流环流串环流电抗器抑制交流环流环流电抗器采用对称串入正反两组变流器，因环流电抗器采用对称串入正反两组变流器，因为总有一组变流器流过直流电流，会造成电抗为总有一组变流器流过直流电流，会造成电抗器铁芯饱和，电感量下降。器铁芯饱和，电感量下降。Lc 的大小以将环流限制在的大小以将环流限制在3%5%Id即可即可本讲稿第十六页，共七十三页应将此波形加一负号（使参考方向相同），又因使用相同电源，故应前移180后比较ud ud (瞬时值不等）瞬时值不等）有交流环流有交流环流本讲稿第十七页，共七十三页错位无环流工作方式错位无环流工作方式错位无环流是二组变流器都输入脉冲，错位无环流是二组变流器都输入脉冲，但二
8、组脉冲彼此错开，使不工作一组但二组脉冲彼此错开，使不工作一组所受到脉冲的晶闸管的阳极电压恰好所受到脉冲的晶闸管的阳极电压恰好为负，从而消除环流。为负，从而消除环流。本讲稿第十八页，共七十三页4.2.2绕线转子异步交流电动机的串级调速系统绕线转子异步交流电动机的串级调速系统频敏电阻器L2KMM1KMidETI3KMUdbU dBU2l(线电压）电路原理图电路原理图电动机转动时，转子感应电压的频率较高，频敏电阻器等效电阻较大，限制启动电流本讲稿第十九页，共七十三页调速原理调速原理本讲稿第二十页，共七十三页本讲稿第二十一页，共七十三页本讲稿第二十二页，共七十三页4.3变流装置的功率因数及其对电网的影
9、响变流装置的功率因数及其对电网的影响4.3.1变流装置的功率因数变流装置的功率因数以单相全波电路大电感负载电路为例以单相全波电路大电感负载电路为例本讲稿第二十三页，共七十三页变流装置的功率因数随移相角变流装置的功率因数随移相角 而变化而变化,产品铭牌上的功率因产品铭牌上的功率因数指额定工作条件下的数据数指额定工作条件下的数据本讲稿第二十四页，共七十三页4.3.2提高功率因数的方法提高功率因数的方法i1CSCRu1idIcU1I1Idic1接入补偿电容LC滤波，去除高频谐波2电感电容谐振补偿法提高提高 的方法的方法本讲稿第二十五页，共七十三页降低降低 的方法的方法+Ud1+Ud2_UdM_Ud=
10、Ud1+Ud2(输出电压高时)各装置工作在小角度+Ud1+Ud2_UdM_Ud=Ud1-Ud2(输出电压低时)小角工作小角及小角工作本讲稿第二十六页，共七十三页4.3.3变流装置对电网的影响变流装置对电网的影响变变流流装装置置产生谐波电流谐谐波波污污染染源源电网内部产生谐波电压降降低低电电网网质质量量通信线路通信线路杂音杂音,电机电机噪音噪音,附加附加温升温升,绝缘绝缘电压电压本讲稿第二十七页，共七十三页4.4变流装置触发电路变流装置触发电路主变压器同步变压器usUc触发电路负载ug同步电压us:保证触发脉冲与晶闸管有相同参考相位控制电压Uc：用于移相，改变a角us与与Uc共同控制触发脉冲的位
11、置。根据共同控制触发脉冲的位置。根据us的不同，的不同，触发电路包括正弦波触发电路与锯齿波触发电路。触发电路包括正弦波触发电路与锯齿波触发电路。基本结构基本结构本讲稿第二十八页，共七十三页4.4.1正弦波同步触发电路正弦波同步触发电路本讲稿第二十九页，共七十三页同步移相环节同步移相环节V1R5R4RLC4Ucus+15VR8usugUcUc正值负值Uc=0本讲稿第三十页，共七十三页脉冲形成放大环节脉冲形成放大环节本讲稿第三十一页，共七十三页其它环节其它环节输出部分：输出部分：VD9/VD10防止防止输出负脉冲，输出负脉冲，R14为限流电为限流电阻，阻，VD8/R12防止防止V3截止截止时，时，
12、TP初级绕组产生感应高初级绕组产生感应高压击穿压击穿V3同步输入部分：同步输入部分：us经经R1/C1滤波，防止电网电压波动对触滤波，防止电网电压波动对触发电路的影响，发电路的影响，us落后落后us一一定角度定角度-tg-1R1C1 min和和 min的限制电路的限制电路本讲稿第三十二页，共七十三页特点特点本讲稿第三十三页，共七十三页4.4.2锯齿波同步触发电路锯齿波同步触发电路TSTPVD1VD2VD4VD10VD5VD6VD8VD11-VD14VD15VD7V2V3V4V5V7V6V8C1C8C5C7C4C3C2R2R1R4R3R11 R12R16R8R7R6R5R10R9R17V1RP2
13、VSR15R16R13R14VD9220V36VRP1+15VUc-15vUpXY-15V接封锁信号AB+15V本讲稿第三十四页，共七十三页脉冲形成放大环节脉冲形成放大环节TSTPVD1VD2VD4VD10VD5VD6VD8VD11-VD14VD15VD7V2V3V4V5V7V6V8C1C8C5C7C4C3C2R2R1R4R3R11 R12R16R8R7R6R5R10R9R17V1RP2VSR15R16R13R14VD9220V36VRP1+15VUc-15vUpXY-15V接封锁信号AB+15V本讲稿第三十五页，共七十三页本讲稿第三十六页，共七十三页同步移相环节同步移相环节V2截止V2导通t
14、us本讲稿第三十七页，共七十三页240120ususTuGVD1通C1放电V2截止VD1截止C1充电V2截止uG电压为正V2导通当电容电压为图示方向时V2总是截止本讲稿第三十八页，共七十三页本讲稿第三十九页，共七十三页其它环节其它环节本讲稿第四十页，共七十三页双脉冲电路双脉冲电路本讲稿第四十一页，共七十三页特点特点抗干扰性能好抗干扰性能好,移相范围宽移相范围宽,具有强触发具有强触发/双脉双脉冲冲/脉冲封锁环节脉冲封锁环节,应用于大中容量的变流器中应用于大中容量的变流器中本讲稿第四十二页，共七十三页4.4.3触发脉冲与主电路电压的同步触发脉冲与主电路电压的同步us180ugUustttugUt正
15、弦波触发电路120t120锯齿波触发电路t120Uc=0Uc=0同步问题同步问题本讲稿第四十三页，共七十三页主变压器同步变压器usUc触发电路负载uguU以以U相为例相为例本讲稿第四十四页，共七十三页同步示例同步示例解题步骤（1）确定同步电压与主电路晶闸管阳极电压的相位关系（2）画出阳极电压与电网电压的相位关系（3）确定同步电压与电网电压的相位关系变压器钟点数：以初级线电压为长针，次级线电压为短针变压器钟点数：以初级线电压为长针，次级线电压为短针所构成的。偶数钟点初次级接法相同（所构成的。偶数钟点初次级接法相同（Y/Y），），奇数钟点接奇数钟点接法不同法不同 Y本讲稿第四十五页，共七十三页例4
16、.4.1：已知三相半波可控整流电路主变压器的接法如图所示，采用正弦波（NPN）触发电路，要求电路工作在整流与逆变状态，试确定同步变压器器接法。U1V1W1UVWU1V1W1SUSVSWU1V130U1(U)120SUSUV解：（1）正弦波触发电路，主电路电压U超前同步电压SU 120（2）变压器相量图（3）SUV落后U1V1 120度，即同步变压器采用Y/Y-4接法1CFVT1负载SU与电网电压V1同相位本讲稿第四十六页，共七十三页例4.4.2三相全控桥主变压器接法/Y-5，采用NPN锯齿波触发电路，同步变压器次级电压us经阻容滤波为us后接至触发电炉，us落后us30,试确定同步变压器接法。
17、U1 V1 W1SUSVSWU1V1150UVSUSUV解：（1）锯齿波触发电路，主电路电压U超前同步电压SU 180度（2）变压器相量图（3）SUV落后U1V1 0度，即同步变压器采用Y/Y-10及Y/Y-4接法1CFVT1因SU 落后SU 30度，故主电路电压U超前同步电压SU 150 度UVT44CFS（-U）150本讲稿第四十七页，共七十三页第第5章交流调压和斩波电路章交流调压和斩波电路5.1交流调压电路交流调压电路5.2直流斩波电路直流斩波电路本讲稿第四十八页，共七十三页5.1交流调压电路交流调压电路用途用途:电炉温控电炉温控,调光调光,异步交流电机调速异步交流电机调速调压器中晶闸管
18、的控制分过零控制和移相控制调压器中晶闸管的控制分过零控制和移相控制调压电路分单相和三相调压电路调压电路分单相和三相调压电路有效有效值固值固定的定的交流交流电压电压调压器调压器有效有效值可值可调的调的交流交流电压电压本讲稿第四十九页，共七十三页过零控制过零控制(通断控制通断控制)uinuout连续式断续式控制时间Tcn个周波连续输出n个周波断续输出本讲稿第五十页，共七十三页特点：有级调压特点：有级调压,输出电压输出电压(功率功率)调节不平滑调节不平滑,适合适合时间常数较大的对象时间常数较大的对象.但谐波含量低但谐波含量低,功率因数高功率因数高.本讲稿第五十一页，共七十三页移相控制移相控制电阻性负
19、载电阻性负载输出电压波形本讲稿第五十二页，共七十三页仿真模型仿真模型f51.mdl本讲稿第五十三页，共七十三页电感性负载电感性负载求取UO（IO）的关键是值的确定本讲稿第五十四页，共七十三页180Qa180度90度负载阻抗角上升0度（纯电阻）90度（纯电感）解超越方程(2)较为困难,根据负载阻抗角及查上图可得导通角本讲稿第五十五页，共七十三页本讲稿第五十六页，共七十三页感性负载对触发脉冲的要求(1)VT1/VT2触发脉冲必需隔离,即不能有公共接地端(2)采用强触发(宽脉冲/高频调制脉冲),防止输出电压正负波形不对称,出现直流分量本讲稿第五十七页，共七十三页5.2 直流调压器直流调压器(斩波器斩
20、波器)调压器按输出电压与输入电压的关系分：调压器按输出电压与输入电压的关系分：降压式降压式/升压式升压式/升降压式；升降压式；调压器按工作方式分：斩波式调压器按工作方式分：斩波式/谐振式；谐振式；斩波器用于直流电动机调速系统。斩波器用于直流电动机调速系统。固固定定的的直直流流电电压压 斩波器斩波器（调压器）（调压器）可可调调的的直直流流电电压压本讲稿第五十八页，共七十三页5.2.1降压斩波器降压斩波器EVDLMRVTIoUo降压斩波器电流连续电流连续本讲稿第五十九页，共七十三页仿真模型仿真模型f52.mdlE=100V,ED=10V,R=50,L=1H本讲稿第六十页，共七十三页输出电压控制方法
21、本讲稿第六十一页，共七十三页求负载电流的最大值与最小值本讲稿第六十二页，共七十三页本讲稿第六十三页，共七十三页电流断续电流断续求出求出tx即可求出即可求出Uo 及及Io 电流断续对电动机不利，电流断续对电动机不利，少见。少见。注意:io=0时uo=ED本讲稿第六十四页，共七十三页5.2.2升压斩波器升压斩波器设C足够大，Uo基本不变;L足够大，IE近似为一直线.VT导通，L储能IEEt1VT关断，L释能IE（U-E）（T-t1)则：IEEt1=IE（U-E）（T-t1)Et1=（U-E）（T-t1)U=TE/(T-t1)UE,升压斩波器EVDLMRVTIoUo升压斩波器CIEuLtVT导通VT
22、关断E-UOEIEtUOt+L储能L释能t1T升压斩波器多用于直流电机的在生制动本讲稿第六十五页，共七十三页5.2.3升降压斩波器升降压斩波器EEVD2VD1LEDMVT1VT2LEDM斩波器IoUoIoUo半桥斩波器EVD2VD1LMVT1VT2全桥斩波器VD4VD3VT3VT4VT3不通/VT4导通 构成半桥斩波器（一二象限）VT1不通/VT2导通 构成半桥斩波器（三四象限）输出电压为+，输出电流可逆电流可逆斩波器VT1/VD1构成降压斩波器（VT2不通）电机工作在正转电动状态VT2/VD2构成升压斩波器（VT1不通）电机工作在正转发电状态本讲稿第六十六页，共七十三页EEVD2VD1LED
23、MVT1VT2LEDM斩波器IoUoIoUo半桥斩波器EVD2VD1LMVT1VT2全桥斩波器VD4VD3VT3VT4VT3不通/VT4导通 构成半桥斩波器（一二象限）VT1不通/VT2导通 构成半桥斩波器（三四象限）输出电压为+，输出电流可逆电流可逆斩波器VT1/VD1构成降压斩波器（VT2不通）电机工作在正转电动状态VT2/VD2构成升压斩波器（VT1不通）电机工作在正转发电状态本讲稿第六十七页，共七十三页ECVD1 VD2VD3LL1L2L3MVT2VT1VT3多相多重斩波器三相三重斩波器（由LC滤波器和三个降压斩波器组成）i1i2i3ioi1ti2ttioi3t错开的单相斩波器使总输出
24、电压/电流脉动减少（谐波含量低）本讲稿第六十八页，共七十三页5.2.4斩波器中晶闸管关断控制斩波器中晶闸管关断控制EEC1C1VDVD1VDL1LL1LMMVT2VT1VT2VT3VT1先触发VT2导通，使C1充电至E，Uo=0VT1导通时，C1同时经VT1/L1/VD1放电并反充，Uo=E，若VT2导通，则VT1关断。定频调宽电路控制VT2导通，使C1充电，控制VT3使C1反充，实际上VT2导通时VT1关断。本讲稿第六十九页，共七十三页EEC1C1VDVD1VDL1LL1LMMVT2VT1VT2VT3VT1先触发VT2导通，使C1充电至E，Uo=0VT1导通时，C1同时经VT1/L1/VD1
25、放电并反充，Uo=E，若VT2导通，则VT1关断。定频调宽电路控制VT2导通，使C1充电，控制VT3使C1反充，实际上VT2导通时VT1关断。本讲稿第七十页，共七十三页EEC1C1VDVD1VDL1LL1LMMVT2VT1VT2VT1上电C充电，VT2导通，则VT1关断。上电C1充电，VT2导通时VT1关断。VD2VD1VD2本讲稿第七十一页，共七十三页EEC1C1VDVD1VDL1LL1LMMVT2VT1VT2VT1上电C充电，VT2导通，则VT1关断。上电C1充电，VT2导通时VT1关断。VD2VD1VD2斩波电路中的晶闸管不能靠电网换相,必需设置辅助关断电路;当负载电流不大时,主要开关器件可采用高频全控型器件,以简化电路的复杂性.本讲稿第七十二页，共七十三页第第6章章 晶闸管的串并联和保护晶闸管的串并联和保护6.1晶闸管的串并联晶闸管的串并联6.2晶闸管的保护晶闸管的保护本讲稿第七十三页，共七十三页