电力电子技术教案课件

电力电子技术电力电子技术电子教案电子教案1电 子 教 案 部 分2目录目录Q绪论Q第1章 电力电子器件Q第2章 整流电路Q第3章 逆变电路及应用Q第4章 晶闸管触发电路Q第5章 交流调压电路与直流变换电路Q第6章 电力电子器件的实际应用及技术开发3可控整流电路可控整流电路整流电路单相单相半波单相桥式三相三相半波三相桥式双反星形负载性质：电阻性 电感性 反电势性4 第2章：单相可控整流电路 用晶闸管组成的可控整流电路，可以很方便地把交流用晶闸管组成的可控整流电路，可以很方便地把交流 电变成大小可调的直流电，且具有体积小、重量轻、效率电变成大小可调的直流电，且具有体积小、重量轻、效率 高以及控制灵敏等优点。高以及控制灵敏等优点。2-1单相可控整流电路单相可控整流电路2-2三相可控整流电路三相可控整流电路2-3带平衡电抗器的双反星型可控整流电路带平衡电抗器的双反星型可控整流电路返回2-42-5整流电路的换相压降与外特性整流电路的换相压降与外特性整流电路的计算与保护整流电路的计算与保护52-1-1：单相半波可控整流电路：单相半波可控整流电路1.电阻性负载电阻性负载VTVTRdRdTRTR单相变压器二单相变压器二次侧电压次侧电压u2为为50Hz正正 弦波，弦波，晶闸管晶闸管VT。当在当在电源正半周内且电源正半周内且在门极加触发脉在门极加触发脉冲时导通。冲时导通。VT导通时，导通时，ud=u2,截止时截止时ud=0工作原理工作原理udu26wtud q q：控制角，即晶闸管承受正压到触发导通之间控制角，即晶闸管承受正压到触发导通之间 的电角度。的电角度。q q：导通角，即晶闸管在一个周期内导通的电角导通角，即晶闸管在一个周期内导通的电角 度。度。7 数量关系：8 9n有一单相半波可控流电路，负载电阻为10，直接接到交流电源220V，要求控制角从1800可移相。求：1.控制角=60时，电压表、电流表读数，及此时的电路功率因数。2.如导线电流密度取j=6A/mm，计算导线截面。3.计算Rd的功率。4.电压电流考虑2倍裕量，选择晶闸管元件。例例10n求负载端直流电压、电流：n计算导线截面、电阻功率、选择晶闸管，考虑电流的最大值，取=011 额定电压应选700V额定电流应选20A，即晶闸管的型号为KP-20-7负载端功率选择晶闸管 额定电压额定电流122、电感性负载：VTVTRdRdTRTRLdLd 整流电路直流负载的感抗整流电路直流负载的感抗 Ld和电阻和电阻Rd的大小相比不可忽略时，的大小相比不可忽略时，这种负载称为电感性负载。这种负载称为电感性负载。wtud工作原理工作原理u2n返回13 2-1-3：单相桥式整流电路：单相桥式整流电路单相半控桥单相半控桥单相全控桥单相全控桥14RdRdVT1VT1VT2VT2VD1VD1VD2VD2TRTR共阴极连接的晶闸管共阴极连接的晶闸管共阳极连接的二极管共阳极连接的二极管单相半控桥单相半控桥阻阻性负载性负载工作过程工作过程数量关系数量关系VT1、VT2具有单向可控导电性，VD1、VD2具有单向导电性，不具有可控性，因此将此电路称为单相半控桥。15 数量关系：16共阳极连接的二极管共阳极连接的二极管VT1VT1VT2VT2VD1VD1VD2VD2RdRdTRTRLdLd一、电路图一、电路图工作过程工作过程共阴极连接的晶闸管共阴极连接的晶闸管图2-14单相半控桥感性负载17二、工作原理二、工作原理1、当当当当u2u2u2u2电压在正半周，控制角为电压在正半周，控制角为电压在正半周，控制角为电压在正半周，控制角为时，触发晶闸管时，触发晶闸管时，触发晶闸管时，触发晶闸管VT1VT1VT1VT1导通，负载电流导通，负载电流导通，负载电流导通，负载电流idididid经经经经VT1VT1VT1VT1、VD2VD2VD2VD2流通，电感储存能量，产生上正下负的自感电动势。流通，电感储存能量，产生上正下负的自感电动势。流通，电感储存能量，产生上正下负的自感电动势。流通，电感储存能量，产生上正下负的自感电动势。2 2 2 2、u2u2u2u2电压下降到零开始变负时，电感由储存能量变为释放能量，产生上负电压下降到零开始变负时，电感由储存能量变为释放能量，产生上负电压下降到零开始变负时，电感由储存能量变为释放能量，产生上负电压下降到零开始变负时，电感由储存能量变为释放能量，产生上负下正的自感电动势，维持电流流通，下正的自感电动势，维持电流流通，下正的自感电动势，维持电流流通，下正的自感电动势，维持电流流通，VT1VT1VT1VT1将继续到通，同时将继续到通，同时将继续到通，同时将继续到通，同时VD2VD2VD2VD2关断、关断、关断、关断、VD1VD1VD1VD1导通，负载端电压为导通，负载端电压为导通，负载端电压为导通，负载端电压为0 0 0 0。VT1、VD2导通VT1、VD1导通18二、工作原理二、工作原理3 3 3 3、当当当当u2u2u2u2为负半周且控制角为为负半周且控制角为为负半周且控制角为为负半周且控制角为时，触发时，触发时，触发时，触发VT2VT2VT2VT2导通，负载电流导通，负载电流导通，负载电流导通，负载电流idididid经经经经VT2VT2VT2VT2、VD1VD1VD1VD1流通，电感由流通，电感由流通，电感由流通，电感由释放能量变成储存能量，负释放能量变成储存能量，负释放能量变成储存能量，负释放能量变成储存能量，负载端电压载端电压载端电压载端电压udududud=ubaubaubauba=-u2=-u2=-u2=-u2。4 4 4 4、u2 u2 u2 u2电压由负变正过零时，电电压由负变正过零时，电电压由负变正过零时，电电压由负变正过零时，电感由储存能量变为释放能量，感由储存能量变为释放能量，感由储存能量变为释放能量，感由储存能量变为释放能量，产生上负下正的自感电动势，产生上负下正的自感电动势，产生上负下正的自感电动势，产生上负下正的自感电动势，维持电流流通，维持电流流通，维持电流流通，维持电流流通，VT2VT2VT2VT2将继续到将继续到将继续到将继续到通，同时通，同时通，同时通，同时VD1VD1VD1VD1关断、关断、关断、关断、VD2VD2VD2VD2导通，导通，导通，导通，负载端电压为负载端电压为负载端电压为负载端电压为0 0 0 0。VT2、VD1导通VT2、VD2导通19结论结论1.晶闸管在晶闸管在触发时刻触发时刻触发时刻触发时刻换换流，二极管在电源电流，二极管在电源电压压过零过零过零过零时刻换流。时刻换流。2.对于单向半控桥感性对于单向半控桥感性负载，负载端的电压负载，负载端的电压波形如右图。波形如右图。n根据波形得根据波形得Ud=0.9U2(1+cos)/220 结论结论3.单相半控桥感性负载，单相半控桥感性负载，负载端电压波形与阻负载端电压波形与阻性负载完全相同，性负载完全相同，即即单相半控桥感性负载单相半控桥感性负载本身具有续流作用本身具有续流作用。4.在实际使用的过程中，在实际使用的过程中，单相半控桥感性负载单相半控桥感性负载容易产生容易产生失控现象失控现象。21 当突然把控制角增大到当突然把控制角增大到180或或突然突然切断切断触发电路时，会发生正在导触发电路时，会发生正在导通的晶闸管一直导通而两个二极管轮通的晶闸管一直导通而两个二极管轮流导通的现象。流导通的现象。三、失控现象三、失控现象失控工作过程失控工作过程22n有一大电感负载采用单相半控桥式有续有一大电感负载采用单相半控桥式有续流二极管的整流电路供电，负载电阻为流二极管的整流电路供电，负载电阻为5，输入电压输入电压220v，晶闸管的控制角晶闸管的控制角=60，求流过晶闸管、二极管的电流求流过晶闸管、二极管的电流平均值和有效值。平均值和有效值。n解解：负载端输出的电压平均值：负载端输出的电压平均值 Ud=0.9U2(1+COS)/2 =149V 例例23负载端电流平均值：Id=Ud/Rd=149/5=30A一周期内晶闸管得导通角 =180-=180-60=120一周期内二极管得导通角 D=2=120例例24则电流平均值及有效值为 例例单相半控桥整流电单相半控桥整流电路，当导通角路，当导通角=120时时流过续流二极管和晶闸管流过续流二极管和晶闸管的电流平均值相同。的电流平均值相同。n返回25单相全控桥单相全控桥VT1VT1VT2VT2VT3VT3VT4VT4RdRdwtudVT1.VT4VT1.VT4导通导通VT2.VT3VT2.VT3导通导通阻性负载阻性负载工作过程工作过程26VT1VT1VT2VT2VT3VT3VT4VT4RdRdLdLd结论结论感性负载感性负载工作过程工作过程2790 波形断续波形断续wtudwtud结论结论90 波形连续波形连续n返回28反电动势负载反电动势负载演示演示n返回29三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路2-2：三相可控整流电路2-2-1三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路三相桥式半控整流电路三相桥式半控整流电路整流电路的换相压降整流电路的换相压降返回2-2-22-2-32-2-430三相电压介绍三相电压介绍ABCabc原边原边形接法形接法副边副边Y形接法形接法b ca三相电压波形三相电压波形wtu231三相半波可控整流电路，三相半波可控整流电路，对脉冲要求，一个周期需对脉冲要求，一个周期需三个脉冲，相邻脉冲间隔三个脉冲，相邻脉冲间隔120。A AB BC C2-2-1：三相半波可控整流电路：三相半波可控整流电路abcVT1VT2VT3RdVT1、VT2、VT3共阴极接共阴极接法，阳极电位高者先导通法，阳极电位高者先导通自然换相点，自然换相点，定义为定义为=0结论：三相半波结论：三相半波距距 离坐标原点为离坐标原点为30 演示演示阻性负载32结论结论 30 时，负载端电压时，负载端电压波形是断续的波形是断续的dabcau0 tabcaud0 t0 30 时，负载端时，负载端电压波形是连续的电压波形是连续的33晶闸管两端电压波形的确定 演示演示34 数量关系：35感性负载abcVT1VT2VT3RdLdVD演示演示36结论结论返回372-2-2：三相桥式全控整流电路：三相桥式全控整流电路VT1VT1VT3VT3VT5VT5VT4VT4VT6VT6VT2VT238阻性负载阻性负载1、三相桥式全控整流电路每个时刻必须有两个晶闸管导通，才能构成电流通路。其中共阳极组和共阴极组各有一个晶闸管导通。本组内每隔 换流一次，共阴极组与共阳极组件间隔 换流一次。同组内晶闸管的触发脉冲相位差为 ，而同一桥臂上的晶闸管的触发脉冲相位差为 。392、为了保证整流电路启动时或电流断续后能再次导通，要求共阴极和共阳极组各有一个管子导通，则必须对两组中的一对晶闸管同时给触发脉冲，因此可采用宽脉冲和双窄脉冲。阻性负载阻性负载4041负载端要有电压，负载端要有电压，需共阳极组和共需共阳极组和共阴极组不同相的阴极组不同相的两个管子同时导通。两个管子同时导通。2-2-2：三相桥式全控整流电路：三相桥式全控整流电路VT1VT1VT3VT3VT5VT5VT4VT4VT6VT6VT2VT2VT1、VT3、VT5共阴极接法共阴极接法VT2、VT4、VT6共阳极接法共阳极接法如何保证如何保证VT1、VT4同时同时导通，一般对此电路采用导通，一般对此电路采用双窄脉冲，即：双窄脉冲，即：演示演示假设假设VT1、VT4同时导通，则负同时导通，则负 载端电压载端电压ud=uab.42 数量关系：43移相范围移相范围090。90时，负载端电压连续时，负载端电压连续 Ud=2.34U2cos三相全控桥负载端电压为线电压，三相全控桥负载端电压为线电压，晶闸管承受的最大电压为晶闸管承受的最大电压为 。结论结论返回442-2-3：三相桥式半控整流电路：三相桥式半控整流电路一、一、阻性负载：阻性负载：a=60a=60，负载端电压波形负载端电压波形 连续连续 当当6060时，负载端电压波形断续时，负载端电压波形断续 二、二、电感性负载：电感性负载：与单相半控桥式整流电路一样，桥内二极管有续流作用，因与单相半控桥式整流电路一样，桥内二极管有续流作用，因此在带电感性负载时，输出波形与带电阻性负载时一样，不会出此在带电感性负载时，输出波形与带电阻性负载时一样，不会出现负电压。为避免失控现象，负载端要接续流二极管。现负电压。为避免失控现象，负载端要接续流二极管。45控制角=30负载断电压波形连续，一个周期有6个波头。三相半控桥整流电路阻性负载46控制角=120控制角=60当控制角60时，负载端电压波形在一个周期内只有三个波头且电压波形由连续变成断续。47三相半控桥式整流电路与三相全控桥式整流电路的比较n三相全控桥式整流电路能工作于有源逆变状态，而三相半控桥式整流电路只能作可控整流，不能工作于逆变状态。n三相全控桥式整流电路输出电压脉动小，基波频率为300HZ,比三相半控桥式整流电路高一倍。n三相半控桥式整流电路只用三个晶闸管，只需三套触发电路，不需要宽脉冲或双窄脉冲，线路简单经济。n三相全控桥式整流电路控制增益大，灵敏度高。返回482-4：整流电路的换相压降整流电路的换相压降概念：换相压降：换相过程中产生的一个压降。原因：整流变压器漏抗存在的结果。波形演示波形演示49LlLlLl50换相压降换相压降51漏抗存在的结果漏抗存在的结果、在换相过程中，相当于相间短路，产生一个假象的、在换相过程中，相当于相间短路，产生一个假象的 短路电流短路电流Ik,使输出电压使输出电压ud波形，晶闸管两端电压波形，晶闸管两端电压ut 波形发生畸变，当负载较大时，可造成电网电压波波形发生畸变，当负载较大时，可造成电网电压波 形畸变形畸变，影响整流装置本身和其它设备的正常运行影响整流装置本身和其它设备的正常运行。、漏抗的存在，相当于整流电源增加一项内阻产生换、漏抗的存在，相当于整流电源增加一项内阻产生换 相压降相压降Ur,使输出平均电压降低，整流电路外特性使输出平均电压降低，整流电路外特性 变软。变软。、漏抗使整流装置的功率因数变坏，电压脉动系数增、漏抗使整流装置的功率因数变坏，电压脉动系数增 加，输出电压调整率降低。加，输出电压调整率降低。52换相重叠角：定义：换相期间，两个相邻晶闸管同时导通所 对应的电角度，用表示。大小：三相半波m=3,电源相电压为U2相同相同三相全控桥m=6,电源电压为3U2返回532-6：晶闸管整流主电路计算及保护2-6-1整流变压器参数计算整流变压器参数计算2-6-2晶闸管电压电流的计算与选择晶闸管电压电流的计算与选择2-6-3 平波电抗器电感值的计算平波电抗器电感值的计算2-6-4晶闸管的过电流保护晶闸管的过电流保护2-6-5晶闸管过电压的保护晶闸管过电压的保护返回54一、变压器二次相电压U2计算二次相电压必须考虑以下因素：计算二次相电压必须考虑以下因素：（1 1）最小控制角）最小控制角minmin。（2 2）电网电压波动。允许波动电网电压波动。允许波动+5%+5%-10%-10%，常取，常取=0.9=0.9。（3 3）变压器漏抗产生的换相压降变压器漏抗产生的换相压降UrUr。（4 4）晶闸管或整流二极管的正向导通压降晶闸管或整流二极管的正向导通压降U U。考虑以上因素之后，变压器二次电压的计算公式为：考虑以上因素之后，变压器二次电压的计算公式为：2-6-1：整流变压器参数计算：整流变压器参数计算变压器短路电压比变压器二次侧实际工作电流与变压器二次侧额定电流之比55一次、二次电流与变压器容量如果忽略变压器激磁电流，则变压器一次侧、二次侧电流的关系根据磁势平衡原理有 I1N1=I2N2 I1=I2N2/N1=I2/K 三相桥式整流电路一次、二次侧容量S2=3U2I2=1.05Pd S1=3U1I1=3U2I2三相半波整流电路一次、二次侧容量 S2=3U2I2=1.48Pd S1=3U1I1=3U2I1=1.21Pd返回返回562-6-2:晶闸管电压电流的计算与选择晶闸管电压电流的计算与选择晶闸管的额定电压必须大于线路实际承受最大电压的23倍晶闸管的额定电流还要比查表计算值大1.52倍57某晶闸管直流调速系统采用某晶闸管直流调速系统采用Z2Z29292直流电动机，主电路为直流电动机，主电路为 三相全控桥式整流电路，已知整流变压器二次相电压为三相全控桥式整流电路，已知整流变压器二次相电压为 U U22=140V140V，电动机的最大电流为电动机的最大电流为466466A A，试用查表法选择试用查表法选择晶闸管。晶闸管。解：三相全控桥式整流电路中元件承受的峰值电压UTM查晶闸管 额定电压、额定电流选择表得 晶闸管额定电压为 取 UTn=800V 晶闸管的额定电流查表得 IT（AV）=（1.52）kId=(1.52)0.367466A =257342A 取 IT（AV）=300A 所以晶闸管的型号规格为KP3008。例例:返回返回582-6-3：平波电抗器电感值的计算：平波电抗器电感值的计算当控制角较大时，负载电流当控制角较大时，负载电流Id很小或者很小或者平波电抗器电感平波电抗器电感Ld不够大时，负载电流不够大时，负载电流Id会出现断续，电流断续使晶闸管导通会出现断续，电流断续使晶闸管导通角减小，机械特性变软，电动机工作不角减小，机械特性变软，电动机工作不稳定稳定。59维持输出电流连续时电抗器电感值的计算维持输出电流连续时电抗器电感值的计算临界电感值的计算：L1=1.46 U2 sin Idmin L1=K1U2 Idmin临界电流不同电路临界电感的计算系数60限制输出电流脉动时电抗器电感值的计算限制输出电流脉动时电抗器电感值的计算晶闸管整流装置的输出电压可分解成一个恒定直流分量与一个交流分量，通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和因铁心损耗过大而引起电动机过热。返回返回平波电抗器电感值的计算：61平波电抗器的计算电动机电感值的计算：考虑电流连续时考虑电流脉动时对于三相桥式整流电路，因变压器两相串联导电式中的LB应以2LB代入。返回622-6-4：晶闸管的过电流保护：晶闸管的过电流保护n凡流过晶闸管的电流大于其正常工作电流时，就叫过电流。n产生过电流的原因：1.整流电路过载或堵转2.整流元件短路3.直流输出侧短路4.晶闸管的误导通5.可逆系统中产生换流失败或环流过大63过电流保护过电流的保护措施方法：1、加交流断路器 2、进线电抗器 3、过电流继电器 4、直流快速开关保护 5、快速熔断器保护 6、限流与脉冲移相保护64电压与电流上升率的限制晶闸管的电压上升率的抑制：在整流桥臂串接空心电抗或在桥臂上套磁环，抑制后的电压上升率与桥臂交流电压峰值成正比，与桥臂电抗成反比，桥臂电抗通常取2030mH.晶闸管的电流上升率的抑制：1、在桥臂上串联电感。2、阻容吸收电路采用 整流式接法，使电 容放电电流不经过 晶闸管，对限制电 流上升率值也有好 处。返回返回652-6-5：晶闸管的过电压保护：晶闸管的过电压保护66过电压n凡是超过晶闸管正常工作时承受的最大峰值电压就称为过电压。过电压产生的外部原因：.由于雷击等原因从外部电网侵入装置的偶然性浪涌电压。.由于电路中经常发生某个部位线路的通断使电感元件积聚的能量骤然释放引起的过电压，又叫操作过电压。67晶闸管关断过电压 内部原因：由于晶闸管关断引起的过电压，称为关断过电压，数值可达工作电压峰值的56倍。方法：在晶闸管两端并联电容C，利用电容两端电压瞬 时不能突变的特性，吸收尖峰过电压，把它限止 在允许的范围内。实用时，在电容电路中串接电 阻R，这种电路称为过电压阻容吸收电路。68交流侧过电压的保护1、避雷器：用以保护雷击引起的过电压2、阻容保护：电容将电能转换为电磁能 电阻消耗部分过电压能量 抑制LC振荡3、硒堆保护：具有较陡的反向非线性特性 优点：能吸收较大的浪涌电压 缺点：体积大，伏安特性不够理想，且会 发生“贮存老化”，使正向电阻增大 反向电阻降低69交流侧过电压的保护4、压敏电阻：具有正反向都很陡的的特性优点：抑制过电压的能力强，反应快、体积小，价格便宜。缺点：持续平均功率太小70直流侧过电压 当断开负载时，储存在交流电路、变压器中的磁场能量会在开关和整流桥两端产生过电压，此电压称做直流侧过电压。方法：由于直流侧过电压能量较大，因此常采用 硒堆、压敏电阻或小晶闸管来保护。返回返回71晶闸管的串联和并联晶闸管的串联和并联 在高电压或大电流的晶闸管电路中，如果要在高电压或大电流的晶闸管电路中，如果要求的电压或电流值超过一个元件所能承受的额定求的电压或电流值超过一个元件所能承受的额定值时，则可把晶闸管串联起来或并联起来使用。值时，则可把晶闸管串联起来或并联起来使用。晶闸管的并联晶闸管的并联晶闸管的串联晶闸管的串联 元件串联时，要保证每个串联元件所分担的元件串联时，要保证每个串联元件所分担的正反向电压基本相等，称为正反向电压基本相等，称为均压均压；元件并联时，；元件并联时，要保证每一路元件所分担的电流基本相等，称为要保证每一路元件所分担的电流基本相等，称为均流均流。72晶闸管的串联晶闸管的串联晶闸管可分五种工作状态：晶闸管可分五种工作状态：正向阻断状态正向阻断状态开通过程开通过程导通过程导通过程阻断能力恢复过程阻断能力恢复过程反向阻断状态反向阻断状态73晶闸管的串联方法：方法：静态均压-正反向阻断状态均压电阻74动态均压-开通过程和关断过程v 开通时，由于二个晶闸管开通时间不一样，后导通的晶闸管将承受全部电源电压，造成硬开通。关断时，先关断的管子将承受全部的电源电压，造成管子反向击穿。-并联阻容。75晶闸管的并联76方法：方法：电阻均流电阻均流电抗均流电抗均流77结论选管子，尽量选特性一致的管子。选管子，尽量选特性一致的管子。采用强触发脉冲，前沿要陡，幅值要大。采用强触发脉冲，前沿要陡，幅值要大。串联时采取均压措施，并联时采取均流措施。串联时采取均压措施，并联时采取均流措施。降低电压或电流额定值的降低电压或电流额定值的10使用。使用。7879