电力电子技术-维修电工高级技师

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,企业实践专家研讨会,电力电子技术,维修电工高级技师培训,教材：维修电工,技师、高级技师上册,中国劳动社会保障出版社,第,2,篇 电力电子技术,引导语,1,、定义：,电力电子技术是以电力电子器件为根底将电能进行变换 和控制的技术,电能变换,是指把可得到和利用的电能变换成所希望的电能形式输出，包括电压、电流和频率。,2,、内容：,电力电子器件 能量变换主电路 控制系统,第,8,单元 电力电子器件,电力电子器件,:,能够承受高电压，允许通过大电流，用半导体材料制成的固态,开关,器件。,电力电子器件的种类：,第一代器件：,电力二极管,SR,晶闸管,SCR,第二代器件：,功率晶体管,GTR,可关断晶闸管,GTO,功率场效应管,MOSFET,绝缘栅双极型晶体管,IGBT,静电感应晶闸管,SITH,mos,控制晶闸管,MCT,第三代器件：,功率集成电路,PIC,电力电子器件实物图,晶闸管螺栓型,晶闸管平板型,双向晶闸管,门极可关断晶闸管,二极管模块,晶闸管模块,电力电子器件实物图,电力电子器件实物图,双向晶闸管模块,IGBT,单管、,IGBT,模块,8.1,电力二极管,第三节 晶闸管,晶闸管又称晶体闸流管或可控硅整流器SCR,优点：体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维护简单、操作方便和寿命长,在生产实际中获得了广泛的应用，一直以来都是工业上用于大功率变换和控制的传统器件 。,8.2,晶 闸 管,8.2.1.,晶闸管结构、工作原理和类型,1、晶闸管根本结构,晶闸管的结构及符号,晶闸管导通试验电路图,通过以下图所示的电路来说明晶闸管的工作原理。,、晶闸管工作原理,1导通条件,晶闸管阳极和阴极承受正向电压。,晶闸管控制极和阴极承受正向电压。,注意：,晶闸管一旦导通，且,I,A,I,L,控制极就失去了控制,2关断的条件,阳极电流小于维持电流,I,A,I,H,。,晶闸管具有单向可控导电性，门极只能控制晶闸管的导通，但控制不了晶闸管关断，所以属于半控型器件。,3.,晶闸管的类型,晶闸管的特性,静态特性,晶闸管的静态特性：承受反向电压时，不管门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值IH以下。,晶闸管的阳极伏安特性,1.,晶闸管的阳极伏安特性,2,、晶闸管的门极伏安特性,加在晶闸管的门极和阴极间的电压和流过门极的电流关系称为晶闸管门极伏安特性，,门极触发电流是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的，晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出。,3.晶闸管的开关动态特性,晶闸管开关特性：包括晶闸管的开通和关断特性。,开通特性：由开通时间包括延迟时间与上升时间决定。,关断特性：由关断时间包括反向阻断恢复时间与正向阻断恢复时间决定。,三、晶闸管的主要参数,1,、额定电压,1),正向断态重复峰值电压,U,DRM,2),反向重复峰值电压,U,RRM,3),额定电压,U,Tn,：,通常取晶闸管的,U,DRM,和,U,RRM,中较小的标值作为该器件的额定电压，然后标准电压等级标定器件的额定电压。,考虑到外在环境，选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压,23,倍。,2,、额定正向平均电流,I,T(AV),也称：通态平均电流,晶闸管在环境温度,40,C,和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。在选用晶闸管额定电流时，因根据实际应留一定的裕量，一般取实际电流最大有效值,1.5,2,倍的裕量。,3.,波形系数,K,f,：电流波形的有效值与平均值的比值,4.,通态平均电压,U,T(AV),：,5.,浪涌电流,I,TSM,：,I,TSM,=(2,5),I,T(AV),6.,维持电流,I,H,：,7.,擎住电流,I,L,：,晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。,对同一晶闸管来说，通常,I,L,=(2,4),I,H,。,8.,门极参数,门极触发电压,U,GT,：,在规定的环境温度下，阳极和阴极加一定正向电压，使晶闸管从断态转入通态所需要的最小门极直流电压。一般为,1-5V,。,门极触发电流,IGT,：,在规定的环境温度下，阳极和阴极加一定正向电压，使晶闸管从断态转入通态所需要的最小门极直流电流。一般为几十到几百毫安。,门极反向峰值电压,URGM,：,门极反向所加的最大峰值电压。一般不超过,10V,。,开通时间,t,on,：,指在室温和规定条件下，晶闸管在门极触发信号开通的情况下，使晶闸管从断态到通态转换过程中，所需的时间。,开通时间,包括延迟时间与上升时间。,关断时间,t,off,：,从通态电流降至零到晶闸管开始承受断态电压的时间间隔。,断态电压临界上升率,du/dt,：,指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。,通态电流临界上升率,di/dt,：,指在规定条件下，晶闸管在门极触发信号开通的情况下，能承受而不会导致损坏的最大通态电流上升率。,9.,动态参数,晶闸管的串、并联,1.,晶闸管的串联应用,2.,晶闸管的并联应用,3.,变压器分组供电的均压、均流法,8.2.5,晶闸管的保护措施,1.过电压保护,过电压的产生：,1外因过电压,1雷击过电压,2操作过电压,2内因过电压,1换相过电压,2关断过电压，,过电压保护措施及其配置位置,1过电流的产生,过载,短路,2常用措施,快速熔断器 过电流继电器,直流快速断路器 电子保护电路,2.,过电流保护,过电流保护措施及配置位置,快速熔断器,接法：,快速熔断器是最直接最有效的保护,快速熔断器的选择: 1电压 2电流,补充：晶闸管的型号与测试,例如型号如,KP500-7E,，,它表示该元件额定电流为,500A,、额定电压为,700V,，管压降为的普通晶闸管。,1,、型号,:,2,、晶闸管的测试,晶闸管的管脚测试电路,晶闸管的触发能力检测电路,晶闸管的管脚测试电路,晶闸管的触发能力检测电路,晶闸管的管脚测试电路,将万用表置于R10位置，或R100位置来测量任意两脚的正向电阻，当某次测量得数值最小时约几十欧，此时黑表笔对应的是控制极G，红表笔对应的是阴极K，余下的为阳极A.,将万用表置于,R10,位置，用表笔测量控制极,G,和阴极,K,之间的正反向电阻，阻值应为几欧几十欧，其正向电阻应小于或接近于反向电阻。,将万用表调至,R1k,挡，测量,G,、,A,与,K,、,A,之间的阻值，无论黑红表笔怎样调换测量，正、反向电阻都很大，在几百千欧以上或为无穷大，且正、反向电阻相差很小。,晶闸管的好坏的判断,3,、晶闸管的正确使用,晶闸管是具有体积小、损耗小、无声、控制灵敏等优点的半导体变流器件。但它的过流、过压能力比较弱，使用时除了采取必要的过流、过压保护措施外，在选择晶闸管额定电流、额定电压时还应留有足够的平安余量。使用中晶闸管的散热系统应严格遵循规定要求。,1,、快速晶闸管,2,、双向晶闸管,3,、逆导晶闸管,4,、光控晶闸管,逆导晶闸管,双向晶闸管,光控晶闸管,晶闸管的派生器件,结构与原理符号,8.3门极可关断晶闸管GTO,1.,门极正脉冲信号触发导通,2.,门极负脉冲信号触发关断,8.3.2,特性、特点, 耐压高(工作电压可高达6000V), 电流大(电流可达6000A), 造价廉价, 管压降比较大，一般为23V, 开通过程快, 承受di/dt能力强,特性：,特点：,1.,开通电路,2.,关断电路,3.,反偏电路,8.3.3 门极根本电路,缓冲电路,电力晶体管通常指耗散功率,1W,以上的晶体管。,GTR,的电气符号与普通晶体管相同。,8.4,电力晶体管,1,、外形,a),基极,b,P,基区,N,漂移区,N,+,衬底,基极,b,发射极,c,集电极,c,P,+,P,+,N,+,b),b,e,c,2,、内部结构,3,、图形符号,图,2-15 GTR,的结构、电气图形符号,a),内部结构断面示意图,b),电气图形符号,4、导电特性,GTR的工作原理与普通的三极管根本原理是一样的，主要通过控制基极电流来控制集电极电流。当有足够大的电流驱动信号从基极流过时，就能使管子处于完全导通的状态，当撤去这个信号时，管子自动关断。,5、应用特点与普通晶闸管和GTO比较,(1)、具有自关断能力,(2)、能在较高频率下工作5kHZ 、30kHZ ),8.5 电力场效应晶体管P-MOSFET,结构与符号,特性,通过栅极电压来控制漏极电流。,开关时间在,10100ns,之间，工作频率可达,100kHz,以上,图,8,31,电力,MOSFET,的转移特性和输出特性,a),转移特性,b),输出特性,应用特点,驱动电路简单，,驱动功率小，,开关速度快,电流容量小，耐压低，通态压降大。,适合于开关电源、高频感应加热等高频场合，但不适合大功率装置,8.5.3,电力场效应晶体管的保护,1.静电保护 2.工作保护 1栅源过电压保护,2漏源过电压保护 3过电流保护,前面提到的,GTR,和,GTO,的特点均为双极型电流驱动器件，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。,而,MOSFET,的优点为单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。,两类器件取长补短结合而成的复合器件绝缘栅双极晶体管，它是,GTR,和,MOSFET,的复合，结合二者的优点，具有很好的特性。,8.6,绝缘栅双极型晶体管,(IGBT),四、,绝缘栅双极型晶体管,(IGBT),1,、等效电路与符号,图,8-34 IGBT,等效电路,IGBT,的图形符号,O,有源区,正向阻断区,饱,和,区,反向阻断区,a,),b,),I,C,U,GE(th),U,GE,O,I,C,U,RM,U,FM,U,CE,U,GE(th),U,GE,增加,2,、特性,图,8,35 IGBT,的转移特性和输出特性,a),转移特性,b),输出特性,3,、特点,1开关速度高但低于P-MOSFET，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。,2相同电压和电流定额时，平安工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。,3通态压降比MOSFET低，特别是在电流较大的区域。,4输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。,5与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。,8.7,全控型电力电子器件的驱动电路和缓冲电路,驱动电路,电力电子器件驱动电路的作用：,产生驱动信号驱动电力电子器件的导通和关断。,特征：,既是电力电子主电路与控制电路的接口， 也是主电路与控制电路的电气隔离环节,要求：,开关时间短，减小开关损耗，运行可靠、平安、效率高、,一种,GTR,驱动电路,8.7.2 缓冲电路吸收电路,缓冲电路作用:,抑制电力电子器件在开关过程中产生的过大的du/dt和di/dt,目的：,防止元件损坏,防止元件误导通,减小器件的开关损耗。,缓冲电路分耗能式：,关断缓冲电路du/dt抑制电路,开通缓冲电路di/dt抑制电路,复合缓冲电路既抑制du/dt也抑制di/dt,一种耗能式缓冲电路,8.8,略,第,9,单元 相控整流电路,生产中大量需要电压可调的直流电源，如直流电动机的调速，同步发电机的励磁、电焊、电镀等都要求直流电压可以方便调节。利用晶闸管的可控单向导电性，控制其移相角能把交流电能变成大小可调的直流电能，以满足各种直流负载的要求，这种整流电路称为,相控整流电路。,引言,在分析相控整流电路时，常忽略或暂时忽略系统中某些次要的或非本质因素，即在理想条件下研究分析，获得主要结论。,假设的理想条件如下：,1. 理想开关元件。即开关元件晶闸管导通时，通态压降为零，关断时电阻为无穷大；2. 理想变压器。即变压器漏抗为零、绕组的电阻为零、励磁电流为零。3理想电源。即交流电网有足够大的容量，电源为恒频、恒压和三相对称，因而整流电路接入点的网压为无畸变正弦波。,分析电路前提条件,控制角,：,从晶闸管承受正向电压起到加触发脉冲使其导通的瞬间，这段时间所对应的电角度,。,导通角：晶闸管在一个周期内导通的时间所对应的电角度。,移相：改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角的大小，称为移相。,移相控制：改变触发脉冲的大小，调节输出整流平均电压 Ud值的控制方式，简称“相控。,移相范围：控制角的变化范围就是触发脉冲Ug的移相范围。它决定了输出电压的变化范围。改变角使输出整流电压平均值从最大值降到最小值。,整流电路中的几个名词术语,整流电路中的几个名词术语,同步：使触发脉冲与可控整流电路的交流电源电压之间保持频率和相位的协调关系称为同步。使触发脉冲与电源电压保持同步是整流电路正常工作必不可少的条件。,自然换相点：当电路中的可控元件全部用不可控元件替代时，各元件的导电转换点，称为自然换相点,换相换流：在可控整流电路中，从一个晶闸管导通电流变换为另一个晶闸管导通电流的过程称为换相，也称换流。,9.2,三相可控整流电路,在负载容量较大或要求直流电压脉动较小时，常使用三相相控电路。三相整流电路具有多种电路形式，三相半波相控整流电路共阴极和共阳极接法是三相整流电路的最根本形式，其它电路可看作是三相半波整流电路以不同方式串联或并联组合而成 。,引言：,1.,电阻性负载,=0,时的工作情况,t,1,、,t,2,、,t,3,处称为自然换相点,作为晶闸管控制角,的起始点，即,0,三相半波可控整流电路,=30,时的工作情况,三相半波可控整流电路电阻性负载特点：,当,=0,时，整流输出电压最大；当,=150,时，整流输出电压为零。控制角,的移相范围为,0,150,。,当,30,时，负载电流连续，每个晶闸管在一个周期中导通,120,即,T,120,；当,30,时，负载电流断续，晶闸管的导通角为,T,150- ,，小于,120,。,流过变压器的副边电流等于晶闸管的电流，是单方向电流，有直流分量，会造成变压器直流磁化。,晶闸管承受的最大电压是变压器二次线电压的峰值。,输出整流电压,u,d,的脉动频率为,3,倍的电源频率。,触发脉冲的间隔为,120,。,数量关系,30,时,30,时,输出电压平均值,U,d,移相范围： 0150,数量关系,晶闸管电流平均值,I,dT,晶闸管承受的最大电压,U,TM,输出电流平均值,I,d,晶闸管电流有效值,I,T,2.阻感负载LdRd,晶闸管的导通角：12 0,移相范围： 09 0,电量计算,=1.17U,2,cos,I,d,=U,d,/R,d,1.,电阻性负载,9.2.2,三相桥式全控整流电路,工作过程及波形分析,首先分析=0时的工作情况,为了便于分析把一个周期波形等分成6个区间,1在区间：a相电压最高，VT1触发导通，b相电压最低，VT6触发导通，负载输出电压uduab。,2在区间：a相电压最高，VT1触发导通，c相电压最低，VT2触发导通，负载输出电压uduac。,3在区间：b相电压最高，VT3触发导通，c相电压最低，VT2触发导通，负载输出电压udubc。,工作过程及波形分析,4在区间：b相电压最高，VT3触发导通，a相电压最低，VT4触发导通，负载输出电压ud uba。,5在区间：c相电压最高，VT5触发导通，a相电压最低，VT4触发导通，负载输出电压ud uca。,6在区间：c相电压最高，VT5触发导通，b相电压最低，VT6触发导通，负载输出电压ud ucb。,2对触发脉冲的要求：,按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。,共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120,同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。,三相桥式全控整流电路的特点,1、每个导电回路有2个晶闸管同时导通，其中共阴极组和共阳极组各一个晶闸管，且不是同一相器件。,3ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路,4需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲。,可采用两种方法： 一种是宽脉冲触发,另一种是双脉冲触发常用,5晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。,=30,时工作波形,区别在于：,晶闸管起始导通时刻推迟了,30,，组成,u,d,的每一段线电压因此推迟,30,。,从,wt,1,开始把一周期等分为,6,段，,u,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书表的规律。,变压器二次侧电流,i,a,波形的特点：,在,VT,1,处于通态的,120,期间，,i,a,为正，,i,a,波形的形状与同时段的,u,d,波形相同，在,VT,4,处于通态的,120,期间，,i,a,波形的形状也与同时段的,u,d,波形相同，但为负值。,=30,时的工作情况,=,60,时工作波形,=90,时,的波形,当,60,时，,u,d,波形均连续，对于电阻负载，,i,d,波形与,u,d,波形形状一样，也连续。,当,60,时，,u,d,波形每,60,中有一段为零，,u,d,波形不能出现负值。,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,。,小结,2.,阻感负载时的工作情况,电路带阻感负载,=0,时的波形,带阻感负载,=30,时的波形,带阻感负载,=90,时的波形,60,时,u,d,波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压,u,d,波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。,区别在于：,由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流,i,d,波形不同。阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。,波形分析, 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波形不会出现负的局部，而阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的局部,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 。,I,d,=,U,d,/,R,3.,反电动势阻感负载,Id=Ud-E/R,在负载电感足够大时，负载电流连续，电路工作情况与阻感负载类似，不同点为平均电流的计算：,三相桥式半控整流电路,9.3,整流器交流侧电抗对整流电路的影响,前面介绍的各种整流电路都是在理想工作状态下的工作情况，但实际的交流供电电源总存在电源阻抗，如电源变压器的漏电抗、导线电阻以及为了限制短路电流而加上的交流进线电抗器等。由于电感电流不能突变，因此实际工作中，晶闸管之间的换流不可能瞬时完成，会出现参与换流的两个晶闸管同时导通的现象。,引言：,考虑交流侧电抗后的电压、电流波形,9.4,晶闸管触发电路,1.,触发信号常采用脉冲形式。,常见触发信号与触发电路要求,2.,触发电路要求,(1),触发脉冲的参数要求,1),触发脉冲应有足够的功率。,2),触发脉冲要有足够的宽度。,表,9-3,3),触发脉冲电压的前沿要陡。,(2),触发脉冲与主电路电源必须同步。,(3),触发脉冲的移相范围应满足主电路移相范围的要求。,(4),抗干扰能力强、温度稳定性好、与主电路隔离。,锯齿波同步的触发电路,锯齿波触发电路波形,集成触发电路,1.,由模拟集成电路构成的触发电路,KC,系列集成触发器品种多，功能全，可靠性高，调试方便，应用非常广泛。下面介绍,KC04,移相触发器。,KC04,移相触发器主要为单相或三相全控桥式晶闸管整流电路作触发电路,由集成元件,KC04,构成触发器是具有,16,个引脚的标准双列直插式集成元件，如图,4-6,是,KC04,型移相集成触发电路。,KC04型移相集成触发电路由同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成和功率放大几局部组成 。,它有16个引出端。16端接+15V电源，3端通过30k电阻和6.8k电位器接-15V电源，7端接地。,正弦同步电压经15k电阻接至8端，进入同步环节。,3、4端接0.47F电容与集成电路内部三极管构成电容负反响锯齿波发生器。,9端为锯齿波电压、负直流偏压和控制移相电压综合比较输入。,11,和,12,端接,0.047F,电容后接,30k,电阻，再接,+15V,电源与集成电路内部三极管构成脉冲形成环节，脉宽由时间常数,0.047F30k,决定。,13,和,14,端是提供脉冲列调制和脉冲封锁控制端。,1,和,15,端输出相位相差,180,的两个窄脉冲。,KC41C,原理图及其外部接线图,(a),原理图,(b),外部接线图,图,-,KC04,与,KC41C,组成的全控桥触发电路,2. TC787788集成移相触发电路,TC787788是一种单片集成触发电路,特点：,功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽0177、外接元件少、装调简便、工作可靠、可单电源工作，也可双电源工作。,TC787和T788 分A、B两种形式：,A型应用于同步信号为50HZ 的电路,B型应用于同步信号为100400HZ 的电路,TC787输出的是调制脉冲脉冲列 TC788输出的是方波,1TC787788的引脚排列2 TC787788各引脚功能,1同步信号输入端,18Va、2Vb、1Vc,3外接电容连接端,16Ca、14Cb、15Cc 13CX,4控制端,4VrUC的输入端,5Pi输出脉冲封锁端,6Pc输出脉冲方式设置端,5电源端,3VCC、17VDD,2脉冲输出端,12(A)、11(-C)、10(B)、,9(-A)、8(C)、7(-B),3 TC787788内部电路框图和工作原理,4各点波形略5TC787788典型电路应用,9.5,触发电路与主电路的同步,同步的意义,实现同步的方法,1同步变压器二次绕组要星型连接,2整流变压器与同步变压器一次绕组要接同一三相电源,3保证两电源相序一致,第,10,单元 逆变电路,逆变：,直流电逆变器交流电用电器(电网),有源逆变与无源逆变,变流电路：,既可工作在整流状态，又能工作在逆变状态的电路也称为变流装置或变流器,10.1.1,功率的传递,有源逆变的工作原理,有源逆变的条件,1、变压器直流侧有直流电动势，其极性必须与晶闸管导通方向一致；,2、变流器输出的直流平均电压Ud必须为负值，即晶闸管触发角90，且| U|90，整流电压的平均值Ud为负值，计算很不方便。如果令 =180- ，那么cos = cos ( - ) = cos，于是整流电压可以写成Ud= Udocos，这样求就方便了。,因此，为了分析和计算方便起见，通常将90时的控制角用来表示，多用于逆变状态，所以称为逆变角。控制角是以自然换相点作为计量起始点，由此向右方计量，逆变角是从=的时刻向左方来计量。例如 = 30时，对应于 = 150。,3.,最小逆变角确定的方法,1,、换相重叠角,2,、晶闸管关断时间,t,g,所对应的电角度,0,3、平安裕量角a,最小逆变角：,三相半波有源逆变电路,10.2,常用晶闸管有源逆变电路,三相半波有源逆变电路,三相半波变流器输出电压,ud,及晶闸管,VT1,两端的电压波形,电量计算,Id=E-Ud/R,10.2.2,三相全控桥有源逆变电路,逆变失败与最小逆变角确实定,1.,什么叫逆变失败,2.,造成逆变失败的原因,1触发电路工作不可靠。,2晶闸管发生故障。,3交流电源异常。,4换相裕量角缺乏。,10.3,有源逆变的应用,10.3.1,高压直流输电,10.3.2,绕线式异步电动机的串级调速,10.3.3,直流可逆电力拖动系统,两组变流器的工作方式和电动机的运行状态,10.4 无源逆变的工作原理及根本电路,无源逆变把直流电变换成负载所需要的不 同频率和电压值的交流电,逆变器变频器实现无源逆变的装置,电路包括：1主电路,2门控电路,3控制电路,应用 ：1交流电机的变频调速,2感应加热,3不间断电源等方面。,10.4.1,逆变器的工作原理,以单相桥式无源逆变电路为例,换流方式分类,换流 电路从一个支路向另一个支路的转移，也称换相。它分为负载换流、强迫换流、器件换流 、电网换流。,1.负载换流晶闸管外部换流,由负载提供换流电压称为负载换流,负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流,负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流,换流方式分类,2.强迫换流晶闸管自换流,设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流,通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流,3.器件换流全控型器件自换流,利用全控型器件的自关断能力进行换流,4.电网换流晶闸管外部换流,由电网提供换流电压的称为电网换流,如可控整流电路,不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件,逆变电路根本类型,1、按直流侧电源性质,1电压型逆变器 2电流型逆变器,2、按主电路结构,1半桥逆变器 2全桥逆变器 3二电平逆变器,4多电平逆变器,3、按所用器件及其关断方式,1自关断 2强迫关断,4、按负载的控制要求,1脉冲宽度调制PWM 2脉冲幅值调制PAM,3方波或阶梯波逆变器,10.4.3 根本逆变电路,1.单相半桥逆变电路电压型,VD1、VD2反响续流二极管,c电阻性负载,d 纯电感负载,e 阻感性负载,半桥逆变电路的特点与应用,优点：使用器件少、电路简单。,缺点：输出交流电压的幅值小仅为,U,d,/2,直流侧需要两个电容器串联。,应用：几千瓦以下的小功率逆变电源。,2. 单相全桥逆变电路电压型,10.5.1,电压型逆变器,1.,电压型逆变器的主要特点,1直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压根本无脉动。,2交流侧电压波形为矩形波，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角的不同而不同，其波形接近三角波或接近正弦波。,3当交流侧为电感性负载时，为了使交流侧向直流侧反响能量提供通道，各臂都并联了反响二极管。,4.直流侧向交流侧传送的功率脉动，直流电压无脉动，直流电流脉动。,2.,电压型三相桥式逆变电路的工作原理,180,导电方式，即每个桥臂的导电角度为,180,，同一相上下两个桥臂交替通、断；各相开始导电的角度依次相差,120,在任一瞬间，将有,3,个桥臂同时导通，可能是上,1,下,2,也可能是上,2,下,1,；,V,1,V,6,顺序导通，间隔,60,三相电压型桥式逆变电路的工作波形,10.5.2,电流型逆变器,电流型逆变器一般是在逆变电路直流侧串联一个大电感，大电感中流过的电流脉动很小以维持电流的恒定，故看成直流电流源。,电流型逆变器的主要特点,1直流侧接有大电感，相当于电流源，直流电源根本无脉动，直流回路呈现高阻抗,2由于各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形和相位因负载阻抗角的不同而不同。,3当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因为反响无功能量时直流电流并不反向，所以不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。,4因直流电流无脉动，那么由直流电压的脉动引起从直流侧向交流侧传送的功率也是脉动的功率。,三相电流型桥式逆变电路及输出波形,10.7,脉宽调制型逆变电路,10.7.1 SPWM,控制技术,SPWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。按一定的规那么对各脉冲的宽度进行调制，既可以改变逆变电路输出电压的大小，可以改变输出电压的频率。,SPWM控制技术的应用非常广泛,电路的主要特点：,输出电压和电流的波形近似于正弦波,减少了谐波分量 功率因数高,动态响应快 电路结构简单,1.,SPWM,控制的原理,2. SPWM,的控制方法,按调制脉冲的极性：,为单极性,双极性。,按载波信号和控制信号的频率：,同步式,异步式。,脉宽调制的方式很多：,1),单极性,SPWM,控制方式,在,u,r,的正半周：,VT,I,导通，,VT,2,、,VT,3,关断，,VT,4,交替通断。,当,u,r,u,c,时，控制,VT,4,导通,u,o,= u,d,当,u,r,u,c,时，控制,VT,4,关断,u,o,=- u,d,2双极性SPWM控制方式,u,r,的正、负半周内、各晶体管控制规律相同：,当,u,r,u,c,时，控制,VT,I,、,VT,4,导通；,VT,2,、,VT,3,关断,u,o,= u,d,当,u,r,u,c,时，控制,VT,2,、,VT,3,导通；,VT,I,、,VT,4,关断,u,o,=- u,d,双极性,SPWM,控制方式三相桥式逆变电路,工作波形,专用集成电路芯片,控制有专用的集成电路芯片：,1.TL494,2.SG3525,第,11,单元 直流斩波电路,作用： 将恒定直流电压变换为另一种幅值或可调的直流电压DC/DC 。,特点： 斩波器具有效率高、体积小、重量轻、本钱低。,应用： 可控直流开关稳压电源、焊接电源和直流电机的调速控制中。,构成： 一般以全控型电力电子器件如GTO、GTR、MOSFET和IGBT等等具有自关断能力的器件构成。,11.1 降压斩波电路根本斩波电路的工作原理,斩波电路是通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比,来改变输出电压平均值 。,直流电压变换电路原理图及工作波形,该电路就是通过开关S的接通和断开，将负载与电源接通继而又断开，它能将恒定输入的直流电压经过斩波后形成可调的负载电压。图b表示出了变换电路的输出电压uo的波形。在ton期间，开关S接通，那么直流电源电压Ud与负载接通， 变换电路输出电压uo Ud ；在toff期间，开关S断开，变换电路输出电压uo0。假设定义占空比为,那么由波形图上可得输出电压得平均值为,在斩波电路中，输入电压是固定不变的，通过调节开关的开通时间与关断时间，即调节占空比，控制输出电压的平均值。,斩波电路控制方式：,1,定频调宽,亦称为脉冲宽度调制,(PWM),，即保持斩波频率,f,(,T,=1/f=,常数,),不变，工作周期,T,恒定，通过改变晶闸管的导通时间,(,脉冲宽度,),t,on,来改变输出电压。,2,定宽调频,亦称为脉冲频率调制,(PFM),，即导通时间,t,on,保持不变，仅通过改变斩波频率,f,来改变负载电压的控制方式。,3,调频调宽,即同时改变斩波频率,f,和导通时间,t,on,的控制方式。这时斩波器的输出电压平均值可以在较宽的范围内变化。,全控型器件构成的降压斩波电路,11.2,升压斩波电路,I,1,i,o,t,t,0,0,u,GE,11.3,升降压斩波电路,第,12,单元 交流电力控制电路及交,交变频电路,交流电力控制电路：,交流调压电路,交流调功电路,交流电力电子开关。,交,交变频电路：,把电网提供的正弦交流电的幅值、频率和相数进行控制和变换。,12.1交流电力控制电路根本类型及其应用,控制方式：,1.,相位控制,2.,周期控制,3.,通断控制,4.,斩波控制,电路分类：,1.,交流调压电路,2.,交流调功电路,3.,交流电力电子开关,4.,交流斩波调压电路,12.2,交流调压电路,交流调压电路是用来变换交流电压有效值的电路,单相交流调压电路,根本形式：,1.,电阻负载,数量关系,2.,电感性负载,单相交流调压器电感负载电路图,=,带电感性负载的单相交流调压电路波形,单相交流调压的特点,1带阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流波形一致，改变控制角可以改变负载电压有效值，到达交流调压的目的。单相交流调压的触发电路完全可以套用整流触发电路。,2带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否那么当时会发生有一个晶闸管无法导通的现象，电流出现很大的直流分量。,3带电感性负载时，最小控制角为min=负载功率因数角，所以的移相范围为 180。而带阻性负载时移相范围为0180。,12.2.2,三相交流调压,1.,带零线的星形连接反并联调压电路,零线电流大三次谐波应用较少,2.,不带零线的反并联调压电路,负载连接：星形；三角形,触发脉冲：双窄脉冲或宽脉冲,移相范围： 0150,3.,三相混合反并联调压电路,负载连接：星形；三角形,移相范围：0210,4.,将反并联晶闸管与各相负载串联 后跨接与电源线电压上的电路,负载需要,6,个引出端,使用存在一定局限性,5.,将三角形连接的三相反并联晶闸管接 在星形连接的负载中心点上的电路,负载需要,6,个引出端,使用存在一定局限性,6.,由,3,只晶闸管组成的三相交流调压电路,晶闸管数量最少,流过的电流大,适用在小容量负载中,12.3,交流电力控制电路,交流调功器,电路在形式,:,和交流调压一样，只是控制方式不同,控制方式,:,以交流电源周波数为控制单位。通过改变周波数与断开周波数比值，来调节负载两端电压，即调节了负载的功率。,负载能够得到完整的正弦波电压和电流。,应用：,温度控制、电加热等大惯性的场合,交流调功器输出电压波形,12.3.2,交流电力电子开关,交流电力电子开关是对电路的通断进行控制。它以毫安级触发电流控制流过晶闸管及负载的几安至几百安级大电流的通断。晶闸管在承受正半周电压时可被触发导通，在电源电压过零或负半周时管子承受反向电压，在电流过零时自然关断。,因此，在晶闸管关断时不会因负载或线路中电感储能而造成暂态电压的现象。,具有：无触点、开关速度快及使用寿命长、频繁控制通断、灵敏度高等优点。,交流电力电子开关应用电路,12.4,交,交变频电路,交交变频电路,:,直接将电网固定频率的交 流电变换为所需频率交流电的电路。,特点,:,消耗能量少,输出频率低于输入频率,用途,:,大功率低转速的交流电动机调速传动,电力系统无功补偿,感应加热用电源,交流励磁变速,恒频发电机的励磁电源等。,12.4.2,单相交,-,交变频电路,1.,电路结构和工作原理,1方波型交-交变频电路,2正弦波交-交变频电路,2.,无环流控制与有环流控制,见直流调速系统，原理一样。,3.,三相,单相交,-,交变频电路,12.4.3,三相交,-,交变频电路,1.,电路的接线方式,1公共交流母线进线方式,2输出星形联结方式,