机车电力电子技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,机车电力电子技术,广州铁路职业技术学院,谭民杰,第一章 绪 论,第一节 概 述,电子技术包括：信息电子技术、电力电子技术。,电力电子技术包括：电力电子器件、电力电子变流技术、控制 技术。,电力电子技术的任务：实现电力变换。,电力变换通常可分四大类：,1. AC-DC变换，即将交流电变换为直流电，称为整流。,2. DC-AC变换，即将直流电变换为交流电，称为逆变。,3. DC-DC变换，即将一种电压的直流变为另一种电压的直流， 可用直流斩波器实现。,4. AC-AC变换，即把交流电的参数（幅值、频率）加以转换，称为交流变换。,第二节 电力电子技术的应用,电力电子技术应用于工业生产、交通运输、电力系统、新能源系统、通讯系统、计算机系统、医疗设备、家电等行业：,1.工业生产：用于电力拖动中的水泵、风机、压缩机，变频技术的交直流调速，整流电源的电解、电镀。,2.交通运输：用于电气化铁路中的直流传动电力机车整流或斩波装置，交流传动电力机车变频调速装置，城市电车的斩波或变频装置等。,3.电力系统：用于直流输电的送电端整流，受电端的逆变，晶闸管控制无功补偿等。,4.新能源：用于太阳能、风力发电装置与电力系统连接。,5.通讯计算机：UPS与开关稳压电源直流源系统。,6.医疗设备：激光、超声波、扫描机的高压电源。,7.家用电器：变频空调、冰箱、电子节能灯等。,第三节 电力电子技术的发展趋势,电力电子器件具有高电压、大电流、大功率器件的特点，未来发展主要在以下方面：,1.由半控型器件向全控型器件转移。,2.向高频快速方向发展。,3.大功率电力电子器件采用模块化封装。,4.采用数字化控制方式。,5.采用新型半导体材料制造新型功率器件。,第二章 电力电子器件,第一节 电力电子器件概述,一、电力电子器件的发展概况,自1947年美国贝尔实验室发明晶体管半导体固态电子学诞生。50年代后，以硅二极管为代表的电力半导体器件及相应的变流技术装置迅速发展，1957年美国通用电气研制第一只可控型电力电子器件晶闸管（SCR）。,半导体固态电子学有两个发展方向：,一是以晶体管集成电路为核心的对信息处理的微电子技术。,二是以晶闸管为核心的对电能变换与控制的电力电子技术。,从90年代起，电力电子技术与微电子技术进一步结合使电子器件朝着大容量、智能化方向发展。如国产蓝箭列车的主变流器采用单个容量为4500V/1500A的IPM模块。,在GTO、IGBT基础上发展起来的新型大功率电力电子器件，如集成门极换流晶闸管（IGCT）、发射极关断晶闸管（ETO）、电子注入增强型门极晶体管等，容量达到4500V/3000A,有的达到6000V/6000A。,二、电力电子器件的分类,1.根据不同的开关特性，电力电子器件可分三大类：,（1）不可控器件：通常为两端器件，具有整流作用，无控制功能。如：PN结整流管等。,（2）半控型器件：通常为三端器件，控制信号只能控制开通，不能控制关断。如：普通晶闸管（SCR)快速晶闸管、双向晶闸管、逆导型晶闸管、光控晶闸管。,（3）全控器件：也为三端器件，控制信号可控制开通，也可控制关断。如：可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）三端场控器件（绝缘栅极晶体管IGBT、静电感应晶体管SIT）等。,2.根据体内电子和空穴两种载流子参入导电情况，电力电子器件可分三种类型：,（1）单极型：一种载流子参入导电的器件。如：功率MOSFET、静电感应晶体管等。,(2)双极型：电子和空穴两种载流子参入导电的器件。如：PN结整流管、普通晶闸管、电力晶体管。,（3）混合型：由单极型和双极型两种器件组成的复合型器件，如：绝缘栅双极晶体管（IGBT）和MOS控制晶闸管（MCT）等。,3.根据控制信号不同，电力电子器件可分二种类型,（1）电流控制型电力电子器件：,由PN结组成的电力电子器件电子和空穴都参入导电。为了控制器件的开通与关断，必须给器件体内注入电流或从体内抽出电流。,电流控制型器件可分二类：,一是晶体管类，如：电力晶体管及模块。,二是晶闸管类，如：普通晶闸管、可关断晶闸管。,电流控制器件的共同特点：,1）器件内有电子和空穴两种载流子导电，,2)具有导电调制效应，,3）控制极输入阻抗低，控制电流、控制功率大。,（2）电压控制型器件（场效应电力电子器件）：,器件内主电极（漏极、源极或阳极、阴极）传导的工作电流是通过加在第三极（栅极或门极）上的电压在主电极间产生可控电场来改变其大小和断通状态的。加在第三极为电压信号，故称电压控制型器件。因为主电极间产生的电场控制电流，也称场控器件或场效应器件。,电压控制型器件的共同特点：,1)输入阻抗高。2）工作频率高。3）工作温度高。,第二节 电力二极管,一、电力二极管的工作原理,电力二极管由一个大面积PN结和两端引,线及封装组成。,PN结具有单向导电性。,正向电压（正向偏置）：二极管阳极（A极）,极接电源正极，阴极（K极）接电源负极。,反向电压（反向偏置）：二极管阳极（A极）,极接电源负极，阴极（K极）接电源正极。,正向导通状态：电力二极管PN结处于正向,偏置状态，电流从P流向N，PN结为低电阻。,反向截止状态：电力二极管PN结处于反向偏置状态，PN结为高电阻。有较小的反向漏电流流过PN结。,PN结具有一定的反向耐压能力：如反向电压过大，PN结反向截止状态破坏，反向电流急增，发生反向击穿。,二、电力二极管的特性与数,1.电力二极管的伏安特性(图2-2）,2电力二极管的开关特性（图2-3）:电力二极管在零偏置、正向偏置、反向偏置三种状态转换时呈现的动态特性。,（1）关断特性：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程中电压、电流随时间变化的关系（图2-3a）,（2）开通特性：电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程的电压、电流随时间变化的关系（图2-3b）,3.电力二极管的主要参数,（1）额度正向平均电流：I,F(AV),：器件长期运行时，允许流过的最大交流电流平均值。,（2）正向电压U,F,：在指定温度下，器件流过某一指定稳定正向电流时，管子两端的电压。,（3）反向重复峰值电压U,RRM,：器件能重复施加的反向最高峰值电压（c为击穿电压U,B,的2/3）。,（4）反向漏电流I,RR,:器件对应于反向峰值电压时，流过的反向电流。,（5）最高工作结温T,JM,: 器件的PN结不损坏前提下能承受的最高平均温度(通常：125175,0,C).,（6）浪涌电流I,FSM：,器件能承受的最大的一个或连续几个工频周期的过电流。,4.电力二极管的主要类型：,（1）普通二极管： 用于1KHz以下整流电路。,（2）快恢复二极管： 用于高频整流和逆变电路,（3）肖特基二极管： 用于200V以下低压电路,电力二极管作用：在整流电路中作整流，在感性负载电路中做续流，在变流电路中做电压隔离、箝位、保护。,常见电力二极管主要性能参数见教材表2-1,第三节 晶闸管,晶闸管：是晶体闸流管的简称，俗称可控硅（SCR）。是一种开通时间可以控制的半控型电力电子器件。,一、晶闸管的结构与工作原理,晶闸管结构：由PNPN四层半导体组成，有三个引出线，分别是阳极A、阴极K、和门极G（栅极）。大功率晶闸管有散热器，平板式晶闸管采用风冷或水冷。,晶闸管导通工作原理：晶闸管阳极加正向电压时，如果门极也加正向电压，VT2导通，然后VT1导通。最后两个三极管都快速进入饱和状态，使晶闸管阳极A与阴极K之间导通。若撤除门极电压，只要满足阳极正偏条件，晶体管一直导通。,晶闸管导通必须同时具备两个条件：,（1）晶闸管的阳极和阴极之间加上一定大小的正向电压V,KA,;,（2）在门极和阴极之间加上一定的正向触发电压U,GK,.,晶闸管具有单向导电性。,晶闸管的可控单向导电性：当门极没有加正向电压时，即使阳极加上正向电压，晶闸管不导通；在门极电压触发下，晶闸管立即导通。,半控型电力电子器件：门极电压只能触发晶闸管开通，不能控制它关断。,晶闸管的测试：1）用万用电表Rx1（或Rx100）测量阳极与阴极的正反向电阻很大。2）用黑表笔接阳极，红表笔接阴极，再用黑表笔碰门极，正向电阻大幅下降，黑表笔离开门极后正向电阻不变，即晶闸管正常。,二、晶闸管的特性,1.晶闸管的伏安特性：晶闸管阳极、阴极间的电压和阳极电流之间的关系。,2.门极伏安特性：晶闸管的门极与阴极之间的伏安特性。,三、晶闸管的主要参数,1 晶闸管的电压定额,（1）断态重复峰值电压U,RDM,：门极断路结温为额定值时，允许加重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。,（2）反向重复峰值电压U,RRM,：门极断路结温为额定值时，允许加重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。,（3）额定电压U,TN,：晶闸管铭牌标出的电压。,（4）通态平均电压U,T(AV),：正常状态下，晶闸管通过正弦半波额定电流时，两端电压降在一个周期内的平均值。,2.晶闸管的电流定额,（1)通态平均电流I,T(AV),：温度为40,0,C冷却状态下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。,（2）维持电流I,H,:晶闸管导通必须的最小电流。,（3）挚住电流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要的最小电流。,3.晶闸管的动态参数,（1）开通时间t,gt,:从门极触发电压前沿的10%到元件电压下降到10%所需要的时间。普通晶闸管约6s。,（2）关断时间t,q,：晶闸管从正向阳极电流下降为零到恢复正向阻断能力所需要的时间。普通晶闸管约几十s几百s。,（3）通态电流临界上升率,di/dt,：在规定结温和门极开路情况下，不会导致晶闸管直接从断态转换为通态的最大阳极电压上升率。,4.晶闸管的型号,K P - ,四、晶闸管的派生器件,1.快速晶闸管：开关频率在400H,z,以上的晶闸管。,2.双向晶闸管：触发后能双向导通的晶闸管。,3逆导晶闸管：反向导通的晶闸管。,4.光控晶闸管:在光照下，光电二极管漏电流成为门极触发电流，使晶闸管导通。,第四节 门极可关断晶闸管（GTO）,门极可关断晶闸管：通过门极加负脉冲电流使其关断的全控器件。晶闸管可达到6000V、6000A、10010000Hz，广泛应用于电力机车逆变器、电网动态无功补偿、大功率直流斩波调速。,第五节 电力晶体管（GTR）,电力晶闸管：是一种大功率、高反压的双极结型晶体管，具有自关断能力，具有饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等特点。在交流电机调速、不间断电源、中频电源等电力变流装置中应用,。,一、电力晶体管的结构与工作原理,与一般晶体三极管有相似的结构、工作原理。,GTR四种工作状态：开通、导通（饱和）、关断、阻断（截止）。,导通和截止：表示GTR接通和断开的两种稳定工作状态。,导通：当I,B,0，发射结正偏。,截止：当I,B,0，发射结反偏。,开通和关断：表示GTR由断到通、由通到断的动态工作状态。,二、GTR的特性与参数,1.GTR的基本特性,（1）静态特性,（2）开关特性,1电力晶体管GTR,GTR是一种高击穿电压、大容量的晶体管。它具有自关断能力,并具有开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等优点。,六单元GTR 模块 图形符号 二单元模块的等效电路,（2）GTR模块的主要参数,1)开路阻断电压,U,CEO,，例如：,2DI200D-100,（3）GTR的选择方法,1）开路阻断电压,U,CEO,的选择,U,CEO,通常按电源,线电压峰值的2倍来选择。,2)集电极最大持续电流,I,CM,的选择,I,CM,通常按输出,交流线电流峰值的2.25倍来选择。,2)集电极最大持续电流,I,CM,，例如：,6DI15Z-120,第六节 电力场效应管,一、电力MOSFET的结构与工作原理,电力场效应管（电力MOSFET）：利用栅极电压控制器件的截止和导通。,1.电力MOSEFT的结构：图2-22,2.电力MOSFET的工作原理,3.电力MOSFET主要参数,(1)正向通态电阻 （2）漏极最大电流 （ 3）栅极开启电压,（4）漏极击穿电压 （5）栅源击穿电压 （6）极间电容,第七节 绝缘栅极型晶体管（IGBT）,绝缘栅极型晶体管（IGBT）：,是集MOSFET（电力场效应管）和GTR（电力晶体管）优点于一身的新型复合器件。,一、IGBT的工作原理,IJBT的C极接电源正极，E极接电源负极。由栅极（G）与发射极(E)电压U,GE,控制导通或关断。当U,GE,U,GE（th）,（开启电压）时，VDMOSFET内形成导电沟道，为晶体管提供基极电流使其导通。 当U,GE,=0，或栅极与发射极电压反向时，VDMOSFET内沟道消失，晶体管无基极电流，IJBT关断。,二、IGBT的主要特性与参数,1.IJBT的主要特性,（1）IGBT转移特性：集电极电流与IC与栅射电压UGE间的关系。开启电压UGE（th）为2-6V。栅射电压UGE开启电压UGE（th）时，IJBT截止。 栅射电压UGE开启电压UGE（th）时，IJBT导通。,（2）IGBT输出特性：以栅射电压为参考变量，集电极电流IC与集射电压UCE间的关系。,2.IGBT的主要参数,（1）集射极击穿电压U,CES,（2）开启电压UGE（th）和最大栅极U,GEM,（3）通态压降U,CE（on）,（4）集电极最大连续电流IC峰值电流I,CM,绝缘栅双极晶体管IGBT,IGBT是MOSFET和GTR相结合的产物,其主体部分,与GTR相同，也有集电极和发射极,但驱动部分却,和MOSFET相同,是绝缘栅结构。,（1）IGBT的特点 IGBT在外形上有模块型和芯片型,两种,在通用变频器中使用的IGBT一般是模块型。,单管模块 双管模块 六管模块,（2）IGBT的主要参数,1）集电极发射极额定电压,U,CES,。,2）栅极发射极额定电压,U,GES,。,3）额定集电极电流,I,C,。,三、IJBT与IPM功率模,智能功率模块（IPM）：称为智能集成电路，是以IJBT为基本功率开关元件，构成一相或三相逆变器的专用功能模块。电力集成电路的一种。在电力电子变换电路中，电力电子器件必须有：驱动电路、控制电路、保护电路。,3智能电力模块器件IPM,IPM的主要特点如下:,（1）内含设定了最佳的IGBT驱动条件的驱动电路。,（2）内含完善的保护功能及相应的报警输出信号。,（3）内含制动电路。,（4）散热效果良好。,第八节 新型电力电子器件简介,一、MOS控制晶闸管（MCT）：一种单极型场效应管和双极型晶闸管组合而成的复合器件。图2-28）,二、集成门极换流晶闸管（IGCT）：将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的器件。（图2-29）,三、静电感应晶体管（STT）：功率结型场效应晶体管，为电压型控制器件。,（图2-30）,四、静电感应晶闸管（STTH）：场控晶闸管。（图2-32）,第三章 相控整流电路,整流电路：将交流电变换成直流电电路。,可控整流电路：将交流电变换成大小可调的直流电的电路。,整流电路按电源分：单相整流电路、三相整流电路、多相整流电路。,整流电路按电路结构组成分：不可控整流电路、半控整流电路、全控整流电路。,整流电路按整流输出波形分：半波整流电路、全波整流电路。,第一节 单相可控整流电路,一、单相半波可控整流电路,1.电阻性负载,控制角（触发角或移相角）：从晶闸管开始承受正向电压起到触发脉冲出现之间的电角度。,导通角：晶闸管在一周期内导通的电角度。,移相控制（相位控制）：通过改变控制角来调节输出电压的方式。,半波整流电路移相范围： 0,o,180,o,半波整流输出电流： I,d,=u,d,/R 半波整流输出电压： Ud=0.45U2(1+cos）/2,整流电压调节方法：改变控制角，就可以改变输出电压U,d。,愈小， U,d,愈大。,=0时，晶闸管全导通， =时，晶闸管整流输出电压为零。,电流有效值： I=U/R,2.电感性负载,电感性负载： 当负载的感抗与电阻的数值相比不可忽略时的电路。如：直流电动机的励磁，滑差电动机电磁离合器的励磁线圈，平波电抗器。,电感的作用： 电感即是储能元件，又是电流滤波元件。它能使负载电流波形平滑.,电感性负载对脉冲的要求： 触发脉冲要有一定宽度，保证晶闸管阳极电流上升到,维持导通最小电流后，即使脉冲消失，晶闸管仍然维持导通。,负载电流i,d,: 导通期间从晶闸管流过，续流期间从续流二极管流过。,为了将整流出来的电压波形平滑，采用电感元件滤波,。,为了解决大电感负载时整流输出电压平均值下降问题，在整流电路负载两端并联一个硅整流二极管（称续流二极管）,二、单相全控桥式整流电路,单相全控桥式整流电路组成：由晶闸管VT1 、VT3 组成一对桥臂，晶闸管VT2 、VT4 组成一另对桥臂。,全波整流：负载在两个半波中都有电流通过。,1.电阻性负载,整流电路移相范围： 0,o,180,o,整流输出电流： I,d,=u,d,/R =0.9 U,2,(1+cos）/2,整流输出电压： U,d,=0.45U,2,(1+cos）/2,每个晶闸管的平均电流等于负载平均电流的一半：I,dT,=1/2(I,d,),2、大电感负载,（1）不接续流二极管,工作原理：,当u,2,正半周-TV1、TV3触发导通- u,2,过零- TV1、TV3继续导通,当t=+时- TV2、TV4触发导通- TV1、TV3承受反向电压关断,换相：负载电流从TV1、TV3上转移到TV2、TV4上的过程。,输出电压平均值： U,d,=0.9U,2,cos,输出电流： i,d,I,d,=U,d,/R,d,晶闸管电流平均值： I,dT,=1/2(I,d,),晶闸管可能承受最大电压： U,TM,=2U,2,晶闸管移相范围： 0,o,90,o,（2）接续流二极管,输出电压平均值： 0.9 U2(1+cos）/2,输出电流： I,d,=U,d,/R,d,晶闸管可能承受最大电压： U,TM,=2U,2,晶闸管电流平均值： I,dT,=（-）/ 2 (I,d,),整流电路移相范围： 0,o,180,o,三、单相半控桥式整流电路,正半周通路：a、VT1、Rd、VD1、b 负半周通路：b、VT2、Rd、VD2、a,第二节 三相可控整流电路,三相可控整流电路使用范围： 整流容量大于4KW， 直流电压脉动较小。,三相可控整流电路分：三相半波整流、三相全控桥式整流、三相半控桥式整流等。,一、三相半波可控整流电路,1.电阻性负载,电路结构特点：变压器一次绕组接成三角形，二次绕组接成星形，晶闸管阳极分别与U、V、W三相相连，阴极连在一起，组成共阴极接法电路。,每管导通：按VT1、VT3、VT5顺序120,o,电度角。,输出波形：三相交流电压正半波的包络线。,脉动频率：3x50H,Z,=150H,Z,自然换相点：相电压的交点处t,1,、 t,3,、t,5,、为各管触发导通最早时刻（此前晶闸管承受反向电压，不能触发导通），把它作为计算控制角的起点，即该处= 0,o,整流输出电流： I,d,=U,d,/R 晶闸管电流平均值： I,dT,=1/3 I,d,整流输出电压：（1） 0,o, 30,o,时 U,d,=1.17U,2,cos,（2） 30,o, 150,o,时 U,d,=0.65U,2,1+cos(/6+),二、三相全控桥式整流,第三节 有源逆变电路,一、有源逆变概念,逆变：利于晶闸管电路把直流电变成交流电。（是整流的逆过程）如：卷扬机下降、电力机车下行时，直流电动机作为发电机制动运行，位能转变成电能反送到交流电网去。,变流电路：既可工作在整流状态又可工作在逆变状态的整流电路。,有源逆变：把变流器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反送到电网去。,无源逆变：把变流电路的交流侧不接到电网而直接接到负载上，如交流变频器。,实现有源逆变的条件：,（1）变流装置的直流侧必须外接有电压极性与与晶闸管导通方向一致的电源E,（2）变流装置必须工作在 90,o,，U,d,0.,（3）为保证变流装置回路电流连续，逆变电路中一定要串大电感。,逆变失败的原因：,（1）触发电路不可靠, （2）晶闸管故障,（3）交流电源缺相,断电 （4）换相裕量角不足,换相失败。,单相有源逆变工作原理：,当Q置I时，,I,90,o,，电路工作在整流状态。交流电源提供晶闸管提供功率给电动机。,当Q置II时，,II, 90,o,，晶闸管VT,1,VT,4,在电动机反向电动势和U,2,作用下导通产生电流i,2,。电动机输出能量，运行在发电制动状态，晶闸管吸收能量送回电网。,单相全控桥式电路工作在逆变时输出电压控制原理与整流时相同只是控制角 90,o,。令=-，电压表示为：,U,d,=0.9U,2,cos=-0.9U,2,cos,逆变角触发脉冲位置从180,o,左移,90,o,，工作在整流状态。, 90,o,，工作在逆变状态。,= 90,o,，输出U,d,、I,d,为零。,图（a）：电动机正转由1组变流器供电，电动机反转由2组变流器供电。,图（b）：可使电动机在四个象限内运行,第一象限：电动机正转，作电动运行，1组桥工作在整流状态,第二象限：电动机正转，作发电运行，2组桥工作在逆变状态,第三象限：电动机反转，作电动运行，2组桥工作在整流状态,第四象限：电动机反转，作发电运行，1组桥工作在逆变状态,第四节 整流电路的功率因素,一、功率因素定义：有功功率P与视在功率之比。Cos=P/S,二、影响功率因素的原因：控制角、感抗、整流变压器磁化电流电流谐波含量,三、改善功率因素方法：,1.减小控制角 2.减小谐波成分 3.采用两组变流器串联供电 4.增加整流相数,第四章 直流斩波电路,直流斩波电路（DC/DC变换电路）：将一个恒定的直流电压变换成另一个固定的或可调的直流电压。即通过接通、关断将直流电“斩”成一系列脉冲电压，改变脉冲电压接通、关断时间比便可调整输出电压平均值。,直流斩波电路应用：直流电机调速、城市地铁车辆、工矿电力机车、城市无轨电车、蓄电池电动车。,第一节 直流斩波电路原理及控制方式,一、直流斩波电路工作原理：当高速开关S合上，电压电压U,d,加到负载R上，并持续时间t,on,；当开关断开时，负载电压为零并持续时间t,off,。,斩波电路工作周期： T= t,on,+ t,off,占空比： = ton/T,斩波电路输出电压平均值：U,o,= U,d,二、直流斩波电路的控制方式,（1）定频调宽控制（脉冲宽度控制-PWM）：T不变，改变斩波器导通时间t,on,。,（2）定宽调频控制（脉冲调频控制-PFM）： t,on,不变，改变斩波周期T。,（3）调频调宽混合控制： 改变斩波器频率f,改变斩波器导通时间t,on,。,第二节 基本斩波电路,一、降压斩波电路原理：VT-为全控型斩波开关IGBT，DV-续流二极管为关断通过续流回路，L,d,-平波电抗器，L,F,、C,F,-滤波回路吸收谐波。,工作原理：斩波器VT开通时，电源对电感充电，自感电动势左正右负，电容C向负载放电，二极管受电容反偏关断。当斩波器VT关断时，电感中自感电动势改变极性，为左负右正，与电源正向叠加，向电容充电，同时向负载供电。斩波器导通时储存在电感中能量释放到负载和电容上。此时二极管正向导通。,二、升压斩波电路,工作原理：斩波器处于开通状态时，电源对电感充电电流iL等于电流id，电容C维持输出电压基本恒定并向负载供电，二极管反偏关断；当斩波器关断时，电感中储存的能量向负载释放，同时电容充电，电感放电电流等于iD，因电感电流方向不能突变，此时电感两端极性为上正下负，二极管导通。,三、升降压斩波电路：由降压式与升压式两种斩波基本电路混合组成。,第三节 复合斩波电路,一、第一象限斩波器,上节介绍降压斩波器、升压斩波器、升降压斩波器输出电压电流平均值为正，位于直角坐标系第一象限。称第一象限斩波器。,二、第二象限斩波电路,第二象限斩波器为升压斩波器，电动机作为发电机运行，工作在第二象限,1. 电流可逆斩波器：将降压斩波电路和升压斩波电路组合在一起。,2.混合桥式二象限斩波电路：为一、四象限斩波器。,混合桥式二象限斩波电路四种工作模式：,（1）VT1、VT2同时导通，能量从电源到负载，电机吸收功率。,（2）VT1、VD2同时导通，负载电路短路，u,o,=0。,（3）VD1、VD2同时导通，功率从电机流向电源，能量反馈到电网。,（4）VT2、VD1同时导通，负载电路短路，u,o,=0。,三、四象限斩波电路,VT4始终导通，VT3始终关断，VT1、VD1、VT2、VD2构成u,o,0，i,o,为正负的第一，二象限斩波器。,VT2始终导通，VT1始终关断，VT3、VD3、VT4、VD4构成u,o,0，i,o,为正负的第三，四象限斩波器。,第五章 交流调压电路和交流变频电路,交流变换电路：将一种形式的交流电变换成另一种形式的交流电的电路。此电路 可改变交流电的电压、电流、频率、相数。,交流电力控制电路：只改变输出交流电压、电流而不改变频率的电路。如：交流调压电路、交流电力电子开关电路。,直接变频：交交变频 间接变频：交-直-交变频,第一节 单相交流调压电路,第二节 相控交交变频电路概述,交交变频电路：把一种频率的交流电变换成另一种频率的交流电。用于大功率低速交流电动机调速系统，发电机励磁电源。,一、交交变频电路原理,电路由P组和N组反并联逆变器组成。,t=0时，P组工作，N组关闭，输出电压u,o,为正。,t=02时，N组工作，P组关闭，输出电压u,o,为负。,如果维持P组和N组触发不变，负载Z上电压u,o,为一个交流方波。改变P组和N组切换频率，可以改变输出电压u,o,频率。改变P组和N组的控制角，可以改变输出电压u,o,幅值。,环流：如果两组同时导通，交流电源短路，两组间产生很大电流。,二、有环流运行方式,为了使正负两组变流器切换，使负载电流连续采用有环流运行方式。两组变流器同时加触发脉冲，由当时负载电流方向决定哪一组导通，并在切换时，两组输出电压相等。平均值相等，瞬时值不等。,为了将环流限制在允许范围内，在两组间串联环流电抗器。,三、无环流运行方式,两组变流器不同时工作，不产生两组间环流，正负两组间切换通过零电流检测实现。,切换过程：正组工作，负组封锁，检测环节检测到正向负载电流减小到零时，首先封锁正组脉冲，经过一定时间延时，保证正组可靠关断后，再开放负组脉冲，实现两组切换。,第三节 单相相控交交变频电路,一、工作原理,由两组三相变流器反并联构成,交交变频电路。,第六章 无源逆变电路,无源逆变：把直流电能变换为交流电能后，直接向非电源负载供电的电路。,例如：交流电机变频调速。,第一节 无源逆变电路工作原理,一、无源逆变电路的基本原理,该电路两种工作状态：,（1）开关S1、S4闭合，S2、S3断开，,负载R上电压左正右负，输出电压u,o,=U,d,；,（2）开关S2、S3闭合，S1、S4断开，,负载R上电压左负右正，输出电压u,o,=-U,d,；,S1-S4为高速开关，是电力电子构成的电子,开关，可由SCR晶闸管构成，也可由GTO、,GTR、IGBT全控器件构成,二、无源逆变电路的换相方式,换流（换相）：当S1、S4和S2、S3两组开关接替开闭时，加在负载上的电压方向接替变化，同时电流也从一对桥臂转移到另一对桥臂的过程。,电力电子器件导通，关断特点：,1）换流（换相）时支路通态转为断态，断态转为通态。,2）电力电子器件导通，必须给门极适当驱动信号。,3）全控型器件关断，必须给门极加适当反向信号。,4）半控型器件关断，晶闸管电流过零后加一定反向电压。,主要换相方式：1.器件换相 2.电网换相 3.负载换相 4.强迫换相,三、无源逆变的分类：,1.按相数分：单相；三相。,2.按直流侧电源性质分：电压型；电流型。,3.按电路结构分：半桥式逆变；全桥式逆变；推挽逆变；其他逆变。,4.按换流方式分：器件换流；负载换流；强迫换流；,5.按负载特点分：非谐振逆变；谐振逆变。,四、无源逆变用途：,1.变频调速 2.标准50Hz电源,3.不间断电源（UPS） 4.中频装置,第二节 电压型逆变电路,逆变电路分：电压型逆变电路、电流型逆变电路。,电压型逆变电路：直流侧电源是电压源的逆变电路。在直流侧并联大电容。工作时直流侧电压无脉动电压输出为矩形波。,电流型逆变电路：直流侧电源是电流源的逆变电路。,一、电压型单相桥式逆变器,1.半桥逆变电路,由一对桥臂和,一个带有电压中点,的直流电源构成。,C1和C2相等，,具有分压作用。,VT1、VT2分别,导通组成两个回路。,2.单相全桥逆变电路：由两对桥臂组合而成。VT1、VT4构成一对，VT2、VT3构成另一对,两对导电臂叫替导通180,o,二、电压型三相桥式逆变器：由三个半桥组成，开关管采用全控器件GTO、GTR,IGBT等。VD1VD6为续流二极管。,在一个周期内，6个管触发导通的次序为：VT1VT6。依次相隔60,o,电度角。,导通组合顺序：VT1-VT2-VT3、VT2-VT3-VT4、VT3-VT4-VT5、VT4-VT5-VT6、,VT5-VT6-VT1、VT6-VT1-VT2，每组组合工作60,o,电度角。,第三节 电流型逆变电路,电流型逆变电路:直流电源为电流源的逆变电路。,电流型逆变电路特征：直流中间环节用电感作为储能元件，因为大电感中电流脉动小，近似位直流电源。,一、电流型逆变器的特点,（1）直流侧串联有大电感，直流侧电流基本无脉动。,（2）电路中的开关元件仅改变直流电流通路径，交流侧输出的电流为矩形波。,（3）直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，不必反并二极管。,（4）负载为电动机时，也实现再生制动。,二、电流型单相桥式逆变器,1.电路结构,电抗器LT：限制晶闸管电流,上升率di/dt.,VT1、VT4和VT2、VT3轮流,导通。,RL为中频炉等效电路,（12.5KHz）,C为补偿电容,2.工作原理,三、电流型三相桥式逆变器,L,d,电感很大，使电流I,d,近似恒流，为电流源。,VT1VT6为IGBT器件，其驱动信号uc彼此相差60,o,，各器件在每个周期各导通120,o,任何时刻有两只IGBT导通。 060,o,时，VT1、VT6导通,60120,o,，VT1、VT2导通,120180,o,，VT2、VT3导通,180240,o,，VT3、VT4导通,240300,o,，VT4、VT5导通,300360,o,，VT5、VT6导通,第四节 脉宽调制（PWM）控制电路,一、PWM控制的基本原理及控制方法,脉宽调制目的：使输出电压波形趋于正弦波。通过调整脉冲宽度调节输出电压，,通过调整脉冲周期调整输出频率。即通过控制控制半导体功率开关导通及关断时间比。,即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。,用一系列等幅而不等宽的脉冲代替正弦半波。,在给出了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。,采用电力晶体管作为开关器件（也可采用IGBT）的电压型单相桥式逆变电路：,（1）正半周，V1一直导通，V4交替导通。V1、V4同时导通，u,o,=U,d,。 V1导通、V4关断时，VD3续流，u,o,=0。,（2）负半周，V2一直导通，V3交替导通。V2、V3同时导通，u,o,=-U,d,。 V2导通，V3关断时， VD4续流，u,o,=0。,单极性PWM控制方式：信号波ur的半个周期内，三角载波uc只在一个方向变化。双极性PWM控制方式：信号波ur的半个周期内，三角载波uc只在两个方向变化。,三相桥式PWM逆变电路,二、SPWM控制电路,1.模拟电路产生PWM方式,2.集成电路构成三相SPWM控制电路,FEF4752集成电路：产生SPWM信号开关频率低，适应于GTR器件。,SLE4520集成电路：产生SPWM信号开关频率达20Kz，适应于IGBT、GTR、 GTO变频器。,新型单片微处理器简介: 8xCl96MC是一个16位微处理器，其内部有一个三相互补SPWM波形发生器，可直接输出6路SPWM信号，驱动电流达20mA。,第七章 电力电子器件驱动与保护,第一节 晶闸管门极触发电路,晶闸管触发电路作用：为门极通过触发电压和触发电流。,一、触发电路的要求,晶闸管触发电压可以是交流电正半周的一部分，也可以是直流。通常采用脉冲电压，触发电路应满足以下要求：,（1）触发脉冲有足够的幅度,实际触发电流为35倍额定触发电流。,（2）触发脉冲应有一定宽度,触发脉冲宽度 6us以上最好2050us。,（3）触发脉冲前沿要陡,（4）触发脉冲要有足够功率,（5）触发脉冲与主回路电源电压必须,同步,（6）触发脉冲具有需要的移相范围,二、单结晶体管触发电路,b1第一基极 e-发射极,b1第二基极,2.单结晶体管自激振荡电路,电路加Ec后，一路经R2、R1加在单结晶体管b2、b1极，另一路通过电位器对电容充电。充到e-b1导通电压，电容C通过rb1、R1回路放电。放电电流在R1上输出尖峰脉冲。,单结晶体管移相触发电路组成：,1）同步电路，2）脉冲形成和移相控制电路，3）脉冲输出电路。,三、集成移相触发电路,1.KC04、KC41C三相集成触发电路（见图7-6、7-7、7-8）,由同步电路、锯齿波形成电路、移相电路、脉冲形成电路、脉冲输出电路组成。,2.MC787和MC788组成的三相集成触发电路（见图7-10、7-11）,四、数字触发电路（见图7-12、7-15）,第二节 典型全控型电力电子器件的驱动电路,一、GTO的驱动电路工作原理:,由高频电源供电，VD1和C1提供+5V电压，经VD1、VD2、VD3、C1、C2、C3构成三倍压整流电路，提供+15V电压；由VD4、C4提供-15V电压。VT1导通输出正脉冲，VT3导通输出负脉冲。,驱动工作原理：,A为高电平-VT2导通-VT3截止-VT4、VT5导通（VT6截止）-V导通。,A为低电平-VT2截止-VT3导通-VT4、VT5截止（VT6导通）-V截止。,驱动工作原理：,（ui=0）-A输出低电平-VT3导通、VT2截止-输出负驱动电压-MOSFET关断，,（ui=1）-A输出高电平VT2导通VT3截止-输出正驱动电压MOSFET导通。,输出正驱动电压+15V左右，输出负驱动电压-15V左右。,第三节 电力电子器件的保护,为了避免电力电子器件在电路过电压、过电流使损坏，除了设计时选择合适的器件参数外，还必须采用适当的过电压、过电流保护，di/dt/保护和du/dt保护。,一、过电压的产生和电压保护,过电压产生的原因：供给系统能量产生激烈变化，使系统来不及转换，或者原来聚集的电磁能量来不及消散造成。主要表现为雷击、外来冲击、开关的关闭。,1.交流侧过电压：由交流侧开关合闸，分闸引起。,2.直流侧过电压：由切断回路而产生的过电压。,3.换相过电压：晶闸管换相切换时产生的过电压。,4.关断过电压：关断电路时产生的过电压,保护回路： 1.阻容吸收回路 2.硒堆及压敏电阻吸收回路,二、过电流保护电路（P122）,三、缓冲电路（P123）,第八章 相控整流电路在电力机车上的应用,第一节 电力机车相控整流主电路,一、SS7E型电力机车整流主电路,SS,7E,型电力机车电路分：主电路、辅助电路、控制电路。,SS,7E,型电力机车控制电路分：有触点控制电路、无触点控制电路。,SS,7E,型电力机车主电路组成：由高电压、（网侧电压：25kv）、大功率电器部件，测量、保护部件,SS,7E,型电力机车主电路功能：完成电能与机械能转换，产生牵引力和制动力。,SS,7E,型电力机车主电路特点：,（1）主传动：复励牵引电动机驱动，端电压无级调压、无级磁场削减方式调速。,（2）牵引电动供电方式：转向架独立供电，一组整流器对同一转向架的三台并联电动机供电。,（3）整流调压电路和磁场削减电路：三段半控桥式整流无级调压，磁场他励调节,（4）电制动方式：加馈电阻制动,（5）信号测量：直流电量、速度信号传感器检测，交流电量互感器检测。,（6）保护：具有短路、过流、过载、过电压、接地等,