电力电子技术5电力电子

1、第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-1第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-2 掌握交流调压器的基本类型、用途和电路，简掌握交流调压器的基本类型、用途和电路，简要分析单、三相交流调压电路，理解和掌握交要分析单、三相交流调压电路，理解和掌握交流斩波调压的原理与基本性能。掌握交交变流斩波调压的原理与基本性能。掌握交交变频电路的原理及电路，分析其优缺点，掌握三频电路的原理及电路，分析其优缺点，掌握三相交交变频电路的有环流和无环流运行。相交交变频电路的有环流和无环流运行。 重点：重点： 交流调压电路和交交变频电路的原理及电路。交流调压电路和交交变频电路的原理及电路

2、。第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-3 交流调压器的调压方式：交流调压器的调压方式： 通断控制通断控制 相位控制相位控制 斩波控制斩波控制 交流调压的应用：交流调压的应用： 调温的工频加热和感应加热调温的工频加热和感应加热 灯光调节灯光调节 泵及风机的感应电动机调速泵及风机的感应电动机调速 变压器的初级调压变压器的初级调压第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-4 A. 反并联电路反并联电路 B. 混合反并联电路混合反并联电路第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-5 C. 二极管桥式电路二极管桥式电路 D. 混合桥式电路混合桥式电路第四章

3、May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-6 A. 反并联电路反并联电路 B. 混合反并联电路混合反并联电路第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-7C. 形负载内接形负载内接 D. 形负载内接形负载内接 反并联电路反并联电路 形形反并联电路反并联电路第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-8E. 形负载内接形负载内接 三个可控元件三个可控元件 电路电路第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-9 以反并联交流调压电路为例以反并联交流调压电路为例 电阻负载电阻负载 交流电压有效值交流电压有效值 UR 负载的电流有效值负载的电流有效值 2si

4、n2-UtdsinU21U121R）（t 2sin2- 2sin2-RURUI01RIR第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-10 功率因数功率因数 晶闸管的电流平均值晶闸管的电流平均值 晶闸管的电流有效值晶闸管的电流有效值 I及通态平均电流及通态平均电流 IT2sin2-IUIUR1RR视在功率有功功率cos122sin221R1I01IttdUdT42sin)(2sin221I021ItdtRU）（RUI1maxT45. 057. 1I第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-11 交流调压器交流调压器R负载时的参数与负载时的参数与 关系关系第四章May 1

5、, 2003北方交通大学电气工程学院4-12 电感性负载电感性负载 a. 电路电路 b. 电压与电流波形电压与电流波形第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-13 c. 负载电流表达式负载电流表达式 感性负载电流感性负载电流 iL的两个分量的两个分量 iL1、 iL2 电流表达式电流表达式tan/021sinsin2tLLLetIiii第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-14 d. 控制角控制角 、功率因数角、功率因数角 与导通角的关系与导通角的关系 单相交流调压器单相交流调压器 时的时的 = f ( 、 ) 曲线曲线tan/)sin()sin(e第四章Ma

6、y 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-15 e. 几种典型情况：几种典型情况： (1) = 0 (2) 不等于不等于 0 0 或或 Ud 0 三相半波整流电路：三相半波整流电路：Ud = 1.17 U2 cos 交交变频器：交交变频器： 在在 0 至至 之间变化，之间变化，输出交流电压输出交流电压 正、负两组整流器反并联，正、负两组整流器反并联，输出交流电流输出交流电流第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-31第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-32 输出电压、电流波形图：输出电压、电流波形图：第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4

7、-33 三相零式交交变频器：三相零式交交变频器：第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-34 应用领域：应用领域： 大功率、低速交流传动大功率、低速交流传动 （轧钢机、矿井提升机、造纸、冶炼等）（轧钢机、矿井提升机、造纸、冶炼等） 分类：分类： 单相、三相单相、三相 桥式、零式桥式、零式 有环流、无环流有环流、无环流 高频高频 ( f0 fi )、低频、低频 ( f0 0正组工作，正组工作，UP = Ud = 1.17U2cos P , 0 P ，UP 可正可负。可正可负。 i0 0 时正组工作，封锁负组，时正组工作，封锁负组， i0 0 时负组工作，封锁正组。时负组工作，封锁

8、正组。 优点：优点：无组间环流，成本低，损耗小。无组间环流，成本低，损耗小。 缺点：缺点：需要检测电流过零点，控制复杂，需要检测电流过零点，控制复杂， 控制失败时，造成组间电源短路，控制失败时，造成组间电源短路， 输出电流存在死区，波形畸变。输出电流存在死区，波形畸变。第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-41第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-42 交交变频器输出电压：交交变频器输出电压： 输出电压峰值：输出电压峰值： 输出电压有效值：输出电压有效值： 电压降系数：电压降系数： 改变改变 min ，可调节输出电压，可调节输出电压U0 。 min = 0

9、时，时， = 1 ，U0 = U0max = 0.83 U2 。min200cos217. 121 UUUP2083. 0UU mincos min20cos17. 1 UUP第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-43 交交变频器控制方法：交交变频器控制方法： 余弦交点法：余弦交点法： 给定输出曲线与一余弦曲线相交，在交点给定输出曲线与一余弦曲线相交，在交点处产生各晶闸管的触发脉冲。处产生各晶闸管的触发脉冲。 改变给定曲线的频率和幅值，可控制输出电改变给定曲线的频率和幅值，可控制输出电压的频率和大小。压的频率和大小。第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-44

10、 交交变频器输出频率：交交变频器输出频率： f0 / fi = 1/2 时，半周期内有时，半周期内有 6 脉波，谐波大脉波，谐波大 f0 / fi = 1/3 时，半周期内有时，半周期内有 9 脉波，谐波较小脉波，谐波较小 f0 / fi = 1/6 时，半周期内有时，半周期内有 18 脉波，谐波小脉波，谐波小 为了减小谐波含量，为了减小谐波含量， 降低负载转矩脉动，降低负载转矩脉动， 应保证应保证 f0 / fi 1 / 3 ， 即即 f0 16.7 Hz 。第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-45 交交变频器的功率因数：交交变频器的功率因数： 整流电路：整流电路：cos

11、 = cos 交交变频器：交交变频器： 因为因为 0 ， 所以所以 cos cos min ， cos = f ( , cos ) ， cos 负载功率因数。负载功率因数。 输入侧总功率因数：输入侧总功率因数： cos2第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-46 交交变频器的优点：交交变频器的优点： 无中间直流环节，损耗小，效率高。无中间直流环节，损耗小，效率高。 开关器件采用晶闸管，以利于大功率应用，开关器件采用晶闸管，以利于大功率应用， 采用电源自然换相，不需强迫换流电路。采用电源自然换相，不需强迫换流电路。 可以实现能量反馈，使电机作四象限运行。可以实现能量反馈，使电机

12、作四象限运行。 输出低频时，谐波含量小，负载转矩脉动低。输出低频时，谐波含量小，负载转矩脉动低。 因此适用于大功率、低速交流传动领域。因此适用于大功率、低速交流传动领域。第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-47 交交变频器的缺点：交交变频器的缺点： 晶闸管元件数量多，成本高，控制复杂。晶闸管元件数量多，成本高，控制复杂。 最高输出频率受限制，最高输出频率受限制， f0 / fi 1 / 3 。 输入侧功率因数低，当输出电压较低时，功输入侧功率因数低，当输出电压较低时，功率因数更低。率因数更低。第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-48第四章May 1, 2

13、003北方交通大学电气工程学院4-49 无源逆变无源逆变直流直流 交流（向负载直接供电）交流（向负载直接供电） 变频器变频器 既能调压又能调频既能调压又能调频 无源逆变器无源逆变器 旋转变频器旋转变频器 静止变频器静止变频器 交交变频器交交变频器 直交变频器直交变频器第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-50 按结构分类按结构分类 桥式桥式 零式零式 按电网相数分类按电网相数分类 单相单相 多相多相 按器件分类按器件分类 半控型半控型 全控型全控型 按调制方法分类按调制方法分类 SPWM 阶梯波阶梯波 按导通的角度分类按导通的角度分类 180 120 按强迫换流的特点按强迫换

14、流的特点 谐振型谐振型 并联电容型等并联电容型等第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-51 按储能元件的性质分类按储能元件的性质分类 电压型逆变器电压型逆变器 电流型逆变器电流型逆变器第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-52 示意图示意图 组成：组成： 主电路主电路 门控电路门控电路 控制电路控制电路第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-53 单相桥式逆变电路的原理（单相桥式逆变电路的原理（R负载）负载） 主电路主电路 波形图波形图 输出电压（图输出电压（图 b） 输出电流（图输出电流（图 c） 直流输入电流（图直流输入电流（图 d）第四

15、章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-54 单相桥式逆变电路的原理（单相桥式逆变电路的原理（L负载）负载） 主电路主电路 波形图波形图 输出电压（图输出电压（图 b） 输出电流（图输出电流（图 c） 直流输入电流（图直流输入电流（图 d）第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-55 单相半桥单相半桥GTO逆变电路及波形逆变电路及波形 主电路主电路 波形图波形图 输出电压（图输出电压（图 b） 输出电流（图输出电流（图 c）第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-56 单相零式单相零式逆变电路及波形逆变电路及波形 主电路主电路 波形图波形图 见右图见

16、右图第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-57 感性负载下感性负载下SCR单相零式逆变电路单相零式逆变电路第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-58 M相零式逆变电路的简化原理图相零式逆变电路的简化原理图第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-59 电路结构电路结构第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-60 根据各管导通时间分：根据各管导通时间分： 180 导通型导通型 120 导通型导通型 线电压由相电压相减得出线电压由相电压相减得出BOAOABUUUCOBOBCUUUAOCOCAUUU第四章May 1, 2003北方交通

17、大学电气工程学院4-61 180 导通型各阶段的等值电路及电压值导通型各阶段的等值电路及电压值第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-62 180 导通型三相逆变器的输出波形导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形相电压波形 线电压波形线电压波形第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-63 180 导通型三相逆变器的参数导通型三相逆变器的参数 相电压表达式相电压表达式 线电压表达式线电压表达式.)11sin1117sin715sin51(sin2ttttUUdAO.)11sin1117sin715sin51(sin32ttttUUdAB第四章May 1, 2003

18、北方交通大学电气工程学院4-64 180 导通型三相逆变器的参数（续）导通型三相逆变器的参数（续） 相电压有效值相电压有效值 线电压有效值线电压有效值dddAOUUUU471. 033223342122ddABUUU816. 0)3(242第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-65 120 导通型三相逆变器的输出波形导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形相电压波形 线电压波形线电压波形第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-66 180 导通方式和导通方式和 120 导通方式的比较：导通方式的比较： 120 方式上下两管间有方式上下两管间有60 的间隙，对换的

19、间隙，对换流有利，但是管子的利用率低，且若采用流有利，但是管子的利用率低，且若采用星形接法，则始终有一相断开，在换流时星形接法，则始终有一相断开，在换流时会引起较高的感应电势，而会引起较高的感应电势，而180 方式无论方式无论在三角形还是星形接法时，正常工作都不在三角形还是星形接法时，正常工作都不会产生过电压，故会产生过电压，故180 方式应用较为普遍。方式应用较为普遍。第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-67 感性负载情况感性负载情况 负载电流滞后角负载电流滞后角小于小于60 （a）A相电压波形相电压波形（b）A相电流波形相电流波形（c）T1的电流波形的电流波形（d）D4

20、的电流波形的电流波形（e）直流输入电流）直流输入电流第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-68 感性负载情况（续）感性负载情况（续） 负载电流滞后角负载电流滞后角大于大于60 第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-69 感性负载下逆变器中可能有三种电流：感性负载下逆变器中可能有三种电流： 功率电流功率电流 它通过两个或三个逆变管，将能量从直流电源送到它通过两个或三个逆变管，将能量从直流电源送到负载。负载。 环路电流环路电流 它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈二极管，它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈二极管，形成环流，但此环流不经过电源。形成环流，但此

21、环流不经过电源。 反馈电流反馈电流 它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈到直流电它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈到直流电源中去。源中去。第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-70 逆变器的能量反馈及电机的再生制动图逆变器的能量反馈及电机的再生制动图电压型的能量反馈电压型的能量反馈 电流型的能量反馈电流型的能量反馈第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-71 逆变器逆变器 感应电动机系统的电压矢量感应电动机系统的电压矢量第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-72 优点：优点： 由于有大电感抑流，短路的危险性也比电由于有大电感抑流，短路的危险

22、性也比电压型逆变器小得多。电路对晶闸管关断时压型逆变器小得多。电路对晶闸管关断时间（即晶闸管的快速性）的要求比电压型间（即晶闸管的快速性）的要求比电压型逆变器的要求低，电路相对电压型也比较逆变器的要求低，电路相对电压型也比较简单，造价略低。简单，造价略低。第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-73 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路 主电路主电路第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-74 波形图波形图(a) 相电压相电压(b) 线电压线电压(c) PWM时时 的相电流的相电流第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-75 表达式表达式 相电流

23、相电流 线电流线电流.)11sin1117sin715sin51(sin32ttttIissssdA.)11sin1117sin715sin51(sin2ttttIissssdAB第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-76 理想情况下，相电流中：理想情况下，相电流中： 基波电流的幅值为基波电流的幅值为 基波电流有效值为基波电流有效值为 相电流的有效值为相电流的有效值为ddAmIII1 . 132) 1 (ddAIII78. 06) 1 (ddAIII816. 043212第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-77 IGBT三相逆变器电路图三相逆变器电路图第四

24、章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-78 六阶梯波时的六阶梯波时的电压、电流波形电压、电流波形 PWM时的时的电压、电流波形电压、电流波形第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-79 IGBT的选择的选择 电压定额的选择电压定额的选择额定电压额定电压 = 输入的输入的AC电源电压电源电压 再生电压增加值浪涌电压再生电压增加值浪涌电压 简化公式：简化公式： US：交流电源的峰值电压：交流电源的峰值电压K1：电网电压波动系数，：电网电压波动系数，K1 1.15K2：直流中间回路有反馈时的泵升电压：直流中间回路有反馈时的泵升电压K2 1.2K3：必要的电压安全系数，：

25、必要的电压安全系数，K3 1.31.53212KKKUUSCE22第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-80 电流定额的选择电流定额的选择cos : 电动机的功率因数电动机的功率因数U : 交流电源相电压有效值交流电源相电压有效值K4 : 电流的安全系数，取电流的安全系数，取K4 = 2K5 : 电流脉动率，取电流脉动率，取K5 = 1.254323cos10KKUPILMC第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-81 三点式（三电平）逆变电路示意图三点式（三电平）逆变电路示意图第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-82 三点式（三电平）逆变

26、电路的三点式（三电平）逆变电路的 A 相电路相电路 (a) Holtz电路电路 (b) Nabae电路电路第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-83 三点式逆变器的输出电压波形三点式逆变器的输出电压波形 逆变器的相电压波形逆变器的相电压波形 (a) 方波输出方波输出 (b) PWM方式输出方式输出第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-84 三点式逆变三点式逆变电路在不同电路在不同控制角时的控制角时的负载相电压负载相电压波形波形第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-85 GTO的定额选择的定额选择 电压定额电压定额US：交流电源的电压有效值：

27、交流电源的电压有效值K1：电网电压波动系数，：电网电压波动系数，K1 1.15K2：直流中间回路的反馈电压，：直流中间回路的反馈电压，K2 1.2 电流定额电流定额IL：负载电流的有效值：负载电流的有效值K4 、K5：考虑安全裕量和电流脉动，这里取：考虑安全裕量和电流脉动，这里取 2和和1.2。）（321221KKKUUS）LLLIxIKKII42 . 122254第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-86 续流二极管的定额和特性选择续流二极管的定额和特性选择 续流二极管的电流定额为主管续流二极管的电流定额为主管GTO电流定电流定额的额的1/3左右。左右。 二极管的反向恢复特

28、性及二极管的反向恢复特性及 Ldi r/dt第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-87 逆变器调压的基本方法逆变器调压的基本方法 调节输出变压器的变化调节输出变压器的变化 调节逆变器的直流输入电压调节逆变器的直流输入电压 逆变器的相位位移或多重化技术（见下页）逆变器的相位位移或多重化技术（见下页） 通过对逆变器本身的控制实现调压调频通过对逆变器本身的控制实现调压调频第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-88 逆变器相位移调压原理逆变器相位移调压原理第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-89 逆变器相位移调压输出波形逆变器相位移调压输出波形第

29、四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-90 逆变器的正弦波脉宽调制（逆变器的正弦波脉宽调制（SPWM） 基本原理基本原理第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-91 单极性正弦脉宽调制单极性正弦脉宽调制(a)输出电压波输出电压波(b)两种控制电压波的相交两种控制电压波的相交第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-92 单极性单极性SPWM在载波比为在载波比为20时的基波与谐波时的基波与谐波第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-93 双极性正弦脉宽调制双极性正弦脉宽调制(a) 三角形载波三角形载波 与正弦调制与正弦调制 波的相交波

30、的相交(b) 输出相电压波输出相电压波第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-94UnM：第：第 n 次谐波的幅值；次谐波的幅值； ：基波角频率：基波角频率n: 谐波次数，谐波次数，n = 1、3、5 .nnMtnUtU)sin()()(sin.)(sin )(sin2)(sin2)(sin)(2212432100iittdnttdnttdnUttdnUttdntuUddnM第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-95 由上式得出：由上式得出：式中式中 n：谐波次数，：谐波次数，n =1、3、5、 j：脉冲次序，：脉冲次序，j =1、2、i输出的基波相电压幅值为

31、输出的基波相电压幅值为 )cos(cos1 41212ijjjdnMnnnUUtnnnnUtuijjjdnsin )cos(cos1 4)(12121 )cos(cos1 412121ijjjdMUU第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-96 双极性双极性SPWM在在 N = 19时的基波与谐波时的基波与谐波第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-97 SPWM 的载波比与输出频率的载波比与输出频率第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-98 不同开关频率下三种逆变器的电机电流波形不同开关频率下三种逆变器的电机电流波形第四章May 1, 200

32、3北方交通大学电气工程学院4-99 用脉宽调制消除指定的谐波分量用脉宽调制消除指定的谐波分量 式中式中 为了消除为了消除3次和次和5次谐波，可令次谐波，可令 U3M=0和和 U5M=0 可求得特定的可求得特定的 1和和 2nnMntnUtu.531sin)(、cos2cos21421nnnUUdnM05cos25cos2103cos23cos212121第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-100 消除消除3次和次和5次两种谐波的电压波形次两种谐波的电压波形第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-101 SPWM逆变器的自然采样与规则采样逆变器的自然采样与规则

33、采样(a) 对称规则采样对称规则采样 (b)不对称规则采样不对称规则采样第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-102 微机实现微机实现SPWM控制的方法：控制的方法： 表格法（表格法（ROM法）法） 随时计算法（随时计算法（RAM法）法） 实时计算法实时计算法 自然采样法自然采样法 规则采样法规则采样法 对称规则采样法对称规则采样法 不对称规则采样法不对称规则采样法第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-103 缓冲电路对不同器件的作用缓冲电路对不同器件的作用 晶闸管晶闸管 GTR GTR在开关过程中的波形在开关过程中的波形 vCE 和和 iC 的轨迹的轨迹第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-104 GTO IGBT 关断时的关断时的 vCE和和iC 开通时的开通时的vCE和和iC 第四章May 1, 2003北方交通大学电气工程学院4-105 缓冲电路的基本结构缓冲电路