1、全電力電子技術(西交大王兆安電力電子技術電力電子技術王兆安 黃俊 主編 (第四版)機械工業出版社全電力電子技術(西交大王兆安1.1 什么是電力電子技術什么是電力電子技術電力電子技術的概念電力電子技術的概念 可以認為，所謂電力電子技術就是應用于可以認為，所謂電力電子技術就是應用于電電力力領域的領域的電子電子技術。技術。 電力電子技術中所變換的電力電子技術中所變換的“電力電力” 有區有區別于別于“電力系統電力系統”所指的所指的“電力電力” ，后者特，后者特指電力網的指電力網的“電力電力” ，前者則更一般些。，前者則更一般些。 電子技術包括信息電子技術和電力電子電子技術包括信息電子技術和電力電子技術

2、兩大分支。通常所說的模擬電子技術和數技術兩大分支。通常所說的模擬電子技術和數字電子技術都屬于信息電子技術。字電子技術都屬于信息電子技術。 全電力電子技術(西交大王兆安1.1 什么是電力電子技術什么是電力電子技術具體地說，電力電子技術就是使用具體地說，電力電子技術就是使用電力電子器電力電子器件件 對對電能電能進行進行變換變換和和控制控制的技術。的技術。 電力電子器件的制造技術是電力電子技術的電力電子器件的制造技術是電力電子技術的基基礎。礎。 變流技術則是電力電子技術的核心變流技術則是電力電子技術的核心。 輸入輸入 輸出輸出 交流交流（AC） 直流直流（DC） 直流直流（DC）整流整流 直流斬波直

3、流斬波 交流交流（AC）交流電力控制交流電力控制變頻、變相變頻、變相逆變逆變 表表1-1 電力變換的種類電力變換的種類全電力電子技術(西交大王兆安1.1 什么是電力電子技術什么是電力電子技術電力電子學電力電子學 美國學者美國學者W. Newell認為電力電子學是由認為電力電子學是由電電力學力學、電子學電子學和和控制理論控制理論三個學科交叉而形成三個學科交叉而形成的。的。圖圖1-1 描述電力電子學的倒三角描述電力電子學的倒三角形形全電力電子技術(西交大王兆安1.1 什么是電力電子技術什么是電力電子技術電力電子技術和電子學電力電子技術和電子學 電力電子器件的制造技術和用于信息變換的電電力電子器件的

4、制造技術和用于信息變換的電子子器件制造技術的理論基礎（都是基于半導體理論）器件制造技術的理論基礎（都是基于半導體理論）是一樣的，其大多數工藝也是相同的。是一樣的，其大多數工藝也是相同的。 電力電子電路和信息電子電路的許多分析方法電力電子電路和信息電子電路的許多分析方法也也是一致的。是一致的。電力電子技術和電力學電力電子技術和電力學 電力電子技術廣泛用于電氣工程中，這是電力電力電子技術廣泛用于電氣工程中，這是電力電電子學和電力學的主要關系。子學和電力學的主要關系。 全電力電子技術(西交大王兆安1.1 什么是電力電子技術什么是電力電子技術 各種電力電子裝置廣泛各種電力電子裝置廣泛應用于高壓直流輸電

5、、靜止應用于高壓直流輸電、靜止無功補償、電力機車牽引、無功補償、電力機車牽引、交直流電力傳動、電解、勵交直流電力傳動、電解、勵磁、電加熱、高性能交直流磁、電加熱、高性能交直流電源等之中，因此，無論是電源等之中，因此，無論是國內國外，通常都把電力電國內國外，通常都把電力電 圖圖1-2 電氣工程的雙三角形描述電氣工程的雙三角形描述子技術歸屬于電氣工程學科。在我國，電力電子與電力傳子技術歸屬于電氣工程學科。在我國，電力電子與電力傳動是電氣工程的一個二級學科。圖動是電氣工程的一個二級學科。圖1-2用兩個三角形對電用兩個三角形對電氣工程進行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級學氣工程進行了描述。其中大

6、三角形描述了電氣工程一級學科和其他學科的關系，小三角形則描述了電氣工程一級學科和其他學科的關系，小三角形則描述了電氣工程一級學科內各二級學科的關系。科內各二級學科的關系。 全電力電子技術(西交大王兆安1.1 什么是電力電子技術什么是電力電子技術電力電子技術和控制理論電力電子技術和控制理論 控制理論廣泛用于電力電子技術中，它使電力控制理論廣泛用于電力電子技術中，它使電力電電子裝置和系統的性能不斷滿足人們日益增長的各子裝置和系統的性能不斷滿足人們日益增長的各種種需求。電力電子技術可以看成是弱電控制強電的需求。電力電子技術可以看成是弱電控制強電的技技術，是弱電和強電之間的接口。而控制理論則是術，是弱

7、電和強電之間的接口。而控制理論則是實實現這種接口的一條強有力的紐帶。現這種接口的一條強有力的紐帶。 另外，控制理論是自動化技術的理論基礎，另外，控制理論是自動化技術的理論基礎，二二者密不可分，而電力電子裝置則是自動化技術的者密不可分，而電力電子裝置則是自動化技術的基基礎元件和重要支撐技術。礎元件和重要支撐技術。 全電力電子技術(西交大王兆安1.2 電力電子技術的發展史電力電子技術的發展史電力電子技術的發展史電力電子技術的發展史圖圖1-3 電力電子技術的發展史電力電子技術的發展史 一般認為，電力電子技術的誕生是以一般認為，電力電子技術的誕生是以1957年年美國通用美國通用電氣公司研制出第一個電氣

8、公司研制出第一個晶閘管晶閘管為標志的。為標志的。全電力電子技術(西交大王兆安1.2 電力電子技術的發展史電力電子技術的發展史晶閘管出現前的時期可稱為電力電子技術的史前期或晶閘管出現前的時期可稱為電力電子技術的史前期或黎黎明期。明期。 1904年出現了年出現了電子管電子管，它能在真空中對電子流進行，它能在真空中對電子流進行控控制，并應用于通信和無線電，從而開啟了電子技術用于制，并應用于通信和無線電，從而開啟了電子技術用于電電力領域的先河。力領域的先河。 20世紀世紀30年代到年代到50年代年代，水銀整流器水銀整流器廣泛用于電化廣泛用于電化學學工業、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機的傳工業、

9、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機的傳動，甚至用于直流輸電。這一時期，各種整流電路、逆動，甚至用于直流輸電。這一時期，各種整流電路、逆變變電路、周波變流電路的理論已經發展成熟并廣為應用。電路、周波變流電路的理論已經發展成熟并廣為應用。在在這一時期，也應用這一時期，也應用直流發電機組直流發電機組來變流。來變流。 1947年美國著名的貝爾實驗室發明了年美國著名的貝爾實驗室發明了晶體管，晶體管，引發引發了了電子技術的一場革命。電子技術的一場革命。 全電力電子技術(西交大王兆安1.2 電力電子技術的發展史電力電子技術的發展史晶閘管時代晶閘管時代 晶閘管晶閘管由于其優越的電氣性能和控制性能，由于其優

10、越的電氣性能和控制性能，使使之很快就取代了水銀整流器和旋轉變流機組，并之很快就取代了水銀整流器和旋轉變流機組，并且且其應用范圍也迅速擴大。電力電子技術的概念和其應用范圍也迅速擴大。電力電子技術的概念和基基礎就是由于晶閘管及晶閘管變流技術的發展而確礎就是由于晶閘管及晶閘管變流技術的發展而確立立的。的。 晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導通而晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導通而不不能使其關斷的器件，屬于能使其關斷的器件，屬于半控型器件半控型器件。對晶閘管。對晶閘管電電路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱相控方相控方式式。晶閘管的關斷通常依靠電網電壓等外部條件來

11、實晶閘管的關斷通常依靠電網電壓等外部條件來實現。這就使得晶閘管的應用受到了很大的局限。現。這就使得晶閘管的應用受到了很大的局限。全電力電子技術(西交大王兆安1.2 電力電子技術的發展史電力電子技術的發展史全控型器件和電力電子集成電路（全控型器件和電力電子集成電路（PIC） 70年代后期，以年代后期，以門極可關斷晶閘管（門極可關斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管電力雙極型晶體管（BJT）和和電力場效應晶體管（電力場效應晶體管（Power-MOSFET）為代表的為代表的全控型器全控型器件件迅速發展。全控型器件的特點是，通過對門極（基極、柵極）的控迅速發展。全控型器件的特點是，通過對門極（基極、柵

12、極）的控制既可使其制既可使其開通開通又可使其又可使其關斷關斷。 采用全控型器件的電路的主要控制方式為采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調制（脈沖寬度調制（PWM）方式。相對于相位控制方式，可稱之為方式。相對于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式斬波控制方式，簡稱，簡稱斬控方式斬控方式。 在在80年代后期，以年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的為代表的復合復合型器件型器件異軍突起。它是異軍突起。它是MOSFET和和BJT的復合，綜合了兩者的優點。的復合，綜合了兩者的優點。與此相對，與此相對，MOS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT）和和集成門極換流晶閘管

13、（集成門極換流晶閘管（IGCT）復合了復合了MOSFET和和GTO。全電力電子技術(西交大王兆安1.2 電力電子技術的發展史電力電子技術的發展史把把驅動驅動、控制控制、保護電路保護電路和和電力電子器件電力電子器件集成集成在在一起，構成一起，構成電力電子集成電路（電力電子集成電路（PIC），這代表，這代表了了電力電子技術發展的一個重要方向。電力電子集電力電子技術發展的一個重要方向。電力電子集成成技術包括以技術包括以PIC為代表的為代表的單片集成技術單片集成技術、混合集混合集成成技術技術以及以及系統集成技術系統集成技術。隨著全控型電力電子器件的不斷進步，電力電隨著全控型電力電子器件的不斷進步，電力

14、電子子電路的電路的工作頻率工作頻率也不斷提高。與此同時，也不斷提高。與此同時，軟開關軟開關技技術術的應用在理論上可以使電力電子器件的的應用在理論上可以使電力電子器件的開關損開關損耗耗降為零，從而提高了電力電子裝置的降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度功率密度。 全電力電子技術(西交大王兆安1.3 電力電子技術的應用電力電子技術的應用電力電子技術的應用范圍十分廣泛。它不僅用電力電子技術的應用范圍十分廣泛。它不僅用于于一般工業，也廣泛用于交通運輸、電力系統、通一般工業，也廣泛用于交通運輸、電力系統、通信信系統、計算機系統、新能源系統等，在照明、空系統、計算機系統、新能源系統等，在照明、空調調等

15、家用電器及其他領域中也有著廣泛的應用。等家用電器及其他領域中也有著廣泛的應用。 一般工業一般工業 工業中大量應用各種工業中大量應用各種交直流電動機交直流電動機，都是，都是用電力電子裝置進行調速的。用電力電子裝置進行調速的。 一些對調速性能要求不高的大型鼓風機等一些對調速性能要求不高的大型鼓風機等近年來也采用了近年來也采用了變頻裝置變頻裝置，以達到節能的目的。，以達到節能的目的。 全電力電子技術(西交大王兆安1.3 電力電子技術的應用電力電子技術的應用圖圖1-4 AB變頻器變頻器有些并不特別要求調速的電機為有些并不特別要求調速的電機為了避免起動時的電流沖擊而采用了了避免起動時的電流沖擊而采用了軟

16、起動裝置，這種軟起動裝置也是軟起動裝置，這種軟起動裝置也是電力電子裝置。電力電子裝置。電化學工業大量使用直流電源，電化學工業大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。電源。電力電子技術還大量用于冶金工電力電子技術還大量用于冶金工業中的高頻或中頻感應加熱電源、業中的高頻或中頻感應加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場合。淬火電源及直流電弧爐電源等場合。全電力電子技術(西交大王兆安1.3 電力電子技術的應用電力電子技術的應用交通運輸交通運輸 電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術。電氣機車中電氣化鐵道中

17、廣泛采用電力電子技術。電氣機車中的的直流機車中采用直流機車中采用整流裝置整流裝置，交流機車采用，交流機車采用變頻裝置變頻裝置。直直流流斬波器斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電電力電子技術更是一項關鍵技術。除牽引電機傳動外，車力電子技術更是一項關鍵技術。除牽引電機傳動外，車輛輛中的各種中的各種輔助電源輔助電源也都離不開電力電子技術。也都離不開電力電子技術。 電動汽車的電機依靠電力電子裝置進行電力變換和電動汽車的電機依靠電力電子裝置進行電力變換和驅驅動控制，其動控制，其蓄電池蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺的充電也離不開電力電子裝置。

18、一臺高高級汽車中需要許多控制電機，它們也要靠級汽車中需要許多控制電機，它們也要靠變頻器變頻器和和斬波斬波器器驅動并控制。驅動并控制。 飛機、船舶和電梯都離不開電力電子技術。飛機、船舶和電梯都離不開電力電子技術。全電力電子技術(西交大王兆安1.3 電力電子技術的應用電力電子技術的應用電力系統電力系統 據估計，發達國家在用戶最終使用的電能中，有據估計，發達國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能以上的電能至少經過一次以上電力電子變流裝置的處理。至少經過一次以上電力電子變流裝置的處理。 直流輸電直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大的優勢，其送電端的在長距離、大容量輸電時有很大的優勢，其送電端的

19、整整流閥流閥和受電端的和受電端的逆變閥逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主要采用全控型的要采用全控型的IGBT器件。近年發展起來的器件。近年發展起來的柔性交流輸電（柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實現的。也是依靠電力電子裝置才得以實現的。 晶閘管控制電抗器（晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（晶閘管投切電容器（TSC）、靜止靜止無功發生器（無功發生器（SVG）、有源電力濾波器（有源電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量等電力電子裝置大量用于電力系統的用于電力系統的無功補償無功補償或或諧波抑制諧波抑制。在配電網系統，

20、電力電子裝置。在配電網系統，電力電子裝置還可用于防止電網瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等，以進行還可用于防止電網瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等，以進行電能質電能質量控制量控制，改善供電質量。，改善供電質量。 在變電所中，給操作系統提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池在變電所中，給操作系統提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。充電等都需要電力電子裝置。 全電力電子技術(西交大王兆安1.3 電力電子技術的應用電力電子技術的應用圖圖1-5 中國南方電網公司安順換流站中國南方電網公司安順換流站圖圖1-6 靜止無功發生器（上）和靜止無功發生器（上）和 晶閘管投切電容器（下）晶閘管投切電

21、容器（下）全電力電子技術(西交大王兆安1.3 電力電子技術的應用電力電子技術的應用電子裝置用電源電子裝置用電源 各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。通信設備中的程控交換機所用的直流電電源供電。通信設備中的程控交換機所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現在已改為采用全控型源以前用晶閘管整流電源，現在已改為采用全控型器件的器件的高頻開關電源高頻開關電源。大型計算機所需的工作電源、。大型計算機所需的工作電源、微型計算機內部的電源現在也都采用微型計算機內部的電源現在也都采用高頻開關電源高頻開關電源。 在大型計算機等場合，常常需要在大型計算機等場合，

22、常常需要不間斷電源不間斷電源（Uninterruptible Power Supply_ UPS）供電，不供電，不間斷電源實際就是典型的電力電子裝置。間斷電源實際就是典型的電力電子裝置。全電力電子技術(西交大王兆安1.3 電力電子技術的應用電力電子技術的應用家用電器家用電器 電力電子照明電源體積小、發光效率高、可節省大電力電子照明電源體積小、發光效率高、可節省大量量能源，正在逐步取代傳統的白熾燈和日光燈。能源，正在逐步取代傳統的白熾燈和日光燈。 空調、電視機、音響設備、家用計算機，空調、電視機、音響設備、家用計算機， 不少洗衣不少洗衣機、機、電冰箱、微波爐等電器也應用了電力電子技術。電冰箱、微

23、波爐等電器也應用了電力電子技術。其它其它 航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器器也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術。也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術。 抽水儲能發電站的大型電動機需要用電力電子技術抽水儲能發電站的大型電動機需要用電力電子技術來來起動和調速。超導儲能是未來的一種儲能方式，它需要起動和調速。超導儲能是未來的一種儲能方式，它需要強強大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術。大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術。全電力電子技術(西交大王兆安1.3 電力電子技術的應用電力電子技術的應用總之，電力電子技術的應用

24、越來越廣，其地位也越來越重要。總之，電力電子技術的應用越來越廣，其地位也越來越重要。 新能源、可再生能源發電比如風新能源、可再生能源發電比如風力發電、太陽能發電，需要用電力力發電、太陽能發電，需要用電力電子技術來緩沖能量和改善電能質電子技術來緩沖能量和改善電能質量。當需要和電力系統聯網量。當需要和電力系統聯網 時，更時，更離不開電力電子技術。離不開電力電子技術。核聚變反應堆在產生強大磁場和核聚變反應堆在產生強大磁場和注入能量時，需要大容量的脈沖電注入能量時，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置。源，這種電源就是電力電子裝置。科學實驗或某些特殊場合，常常需科學實驗或某些特殊場合，常常需

25、要一些特種電源，這也是電力電子要一些特種電源，這也是電力電子技術的用武之地。技術的用武之地。圖圖1-7 風場風場全電力電子技術(西交大王兆安1.4 本教材的內容簡介本教材的內容簡介本教材的內容本教材的內容全電力電子技術(西交大王兆安1.6.1 電力電子器件驅動電路概述電力電子器件驅動電路概述驅動電路驅動電路主電路與控制電路之間的接口使電力電子器件工作在較理想的開關狀態，縮短開關時間，減小開關損耗。對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通過驅動電路實現。驅動電路的基本任務：驅動電路的基本任務：將信息電子電路傳來的信號按控制目標的要求，轉換為將信息電子

26、電路傳來的信號按控制目標的要求，轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號。關斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號。對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號。2全電力電子技術(西交大王兆安全電力電子技術(西交大王兆安 驅動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離電氣隔離環節，一般采用光隔離或磁隔離光隔離或磁隔離。光隔離一般采用光耦合器磁隔離的元件通常是脈沖變壓器ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1圖1-25 光耦合器的類型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型1.

27、6.1 電力電子器件驅動電路概述電力電子器件驅動電路概述3全電力電子技術(西交大王兆安v按照驅動信號的性質，可分為電流驅動型電流驅動型和電壓驅動型電壓驅動型。v驅動電路具體形式可以是分立元件分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅動電路專用集成驅動電路。分類分類1.6.1 電力電子器件驅動電路概述電力電子器件驅動電路概述4全電力電子技術(西交大王兆安1.6.2 晶閘管的觸發電路晶閘管的觸發電路晶閘管的觸發電路作用產生符合要求的門極觸發脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉為導通。晶閘管觸發電路應滿足下列要求：脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通。觸發脈沖應有足夠的幅度。不超過門極電壓、電流和功率定額，

28、且在可靠觸發區域之內。有良好的抗干擾性能、溫度穩定性及與主電路的電氣隔離。IIMt1t2t3t4圖1-26理想的晶閘管觸發脈沖電流波形t1t2脈沖前沿上升時間（|u2|E E 時，晶閘管承受正電壓，有導通的可能,導通之后2、直至|u2|=|u2|=E E，i id d即降至0使得晶閘管關斷，此后ud=E與電阻負載時相比，晶閘管提前了電角度停止導電，稱為停止導電角。 212sinUEd全電力電子技術(西交大王兆安2.5 2.5 單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路 t t t iVT1iVD2 iVT3iVD2 iVT3iVD4 iVT1iVD4 t 2t id VD4VT1VD2VT3u2

29、U1RLab1、至時間段內，電流流經VT1、L、R、VD4至變壓器； 2、至+ 時間段內，電流流經VT1、L、R、VD2；3、 + 至2時間段內，電流流經VT3、L、R、VD2至變壓器；4、 2至2 + 時間段內，電流流經VT3、L、R、VD4至變壓器；全電力電子技術(西交大王兆安2.6 2.6 三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路 TudidVT2VT1VT3Rbca)a變壓器一次側：三角形；二次側：星形。 晶閘管：共陰極接法uaubuct1t2t3t4tu2t1t2t3t4tudt1t2t3t4tiVT1t1t2t3t4tuVT1二極管換相：電流從一個二極管向另一個二極管轉移。自然換相

30、點自然換相點uabuac自然換相點是晶閘管觸發角的起點。=0=0一、電阻負載全電力電子技術(西交大王兆安=30=300 0時三相時三相半波半波可控整流電路可控整流電路 TudidVT2VT1VT3Rbca)aa a=30=30 時的波形時的波形 負載電流處于連續和斷續之間的臨界狀態負載電流處于連續和斷續之間的臨界狀態 ua ub uc t1 t2 t3 t4 t u2 t1 t2 t3 t4 t ud t1 t2 t3 t4 t iVT1 uabuact1 t2 t3 t4 t uVT1 = 30300 0全電力電子技術(西交大王兆安= 600 =60=600 0時三相時三相半波半波可控整流電

31、路可控整流電路TudidVT2VT1VT3Rbca)a 3030 時的波形時的波形 負載電流處于斷續狀態負載電流處于斷續狀態 =150=150 時的波形時的波形 負載電壓、電流為零負載電壓、電流為零 ua ub uc t1 t2 t3 t4 t u2 t1 t2 t3 t4 t ud t1 t2 t3 t4 t iVT1 全電力電子技術(西交大王兆安三相半波可控整流電路整流電壓平均值的計算三相半波可控整流電路整流電壓平均值的計算 （1）a30時，負載電流連續，有： cos17. 1cos263)(sin2321226562dUUttdUU 當a=0時，Ud最大 （2）a30時，負載電流斷續，晶

32、閘管導通角減小，此時有： )6cos(1675. 0)6cos(1223)(sin2321262dUttdUU負載電流平均值為： RUIdd晶閘管承受的最大反向電壓為變壓器二次線電壓峰值：222RM45. 2632UUUU晶閘管陽極與陰極間的最大正向電壓等于變壓器二次相電壓的峰值： 2FM2UU全電力電子技術(西交大王兆安abcTRLu2udeLidVT1VT2VT3udiauaubucibiciduacuabuacOtOtOtOtOtOtuVT1二、阻感負載全電力電子技術(西交大王兆安例例1： 在三相半波整流電路中，如果a相的觸發脈沖消失，試繪出在電阻性負載和電感性負載下整流電壓ud的波形。

33、abcTRLu2udeLidVT1VT2VT3ua ub uc t1 t2 t3 t4 t u2 ua ub uc t1 t2 t3 t4 t ud ua ub uc t1 t2 t3 t4 t ud 全電力電子技術(西交大王兆安bacTn負載iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1d2tu2udtiVT1ttuVT1d1uaubuc2.6 2.6 三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路 t1t3t5t6t2t4一、電阻負載一、電阻負載（=0=00 0）全電力電子技術(西交大王兆安=30=300 0udtiattu2uaubucd1d2bacTn負載iaidudVT1VT3V

34、T5VT4VT6VT2d2d1 =30=300 0時的工作情況時的工作情況 ： 1、晶閘管起始導通時刻推遲了30，組成u ud d的每 一段線電壓因此推遲30 2、從t t1 1開始把一周期等分為6段，u ud d波形仍由6段 線電壓構成，每一段導通晶閘管的編號等仍符合 表2-1的規律 3、變壓器二次側電流i ia a波形的特點：在VT1處于 通態的120期間，i ia a為正，i ia a波形的形狀與同時 段的u ud d波形相同，在VT4處于通態的120期間， i ia a波形的形狀也與同時段的u ud d波形相同，但為負 值。全電力電子技術(西交大王兆安=60=600 0bacTn負載i

35、aidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1 u ud d波形中每段線電壓的波形繼續后移，u ud d平均值繼續降低。a=60時u ud d出現為零的點。 600tu2udtuVT1td1d2uaubucuabubaucbuacucauab全電力電子技術(西交大王兆安ud1ud2uduaubucuaubtOtOtOtOtOiaiduabuacubcubaucaucbuabuacubcubaiVT1=90=900 0=90=900 0bacTn負載iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1 小結小結v 當a a6060 時，u ud d波形均連續，對 于電阻負載，i id

36、 d波形與u ud d波形形狀 一樣，也連續；v v 當當a a6060 時，u ud d波形每6060 中有中有一段一段 為零，為零，u ud d波形不能出現負值；v v 帶電阻負載時三相橋式全控整流帶電阻負載時三相橋式全控整流 電路電路a a 角的移相范圍是角的移相范圍是120120 全電力電子技術(西交大王兆安二、二、三相橋式全控整流三相橋式全控整流電路電路阻感負阻感負載載bacTn負載iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1ud1u2ud2u2LudidtOtOtOtOua = 0ubuct1uabuacubcubaucaucbuabuaciVT1ud1 = 30ud2

37、uduabuacubcubaucaucbuabuactOtOtOtOidiat1uaubuc圖1 三相橋式全控整流電路帶阻感負載a =0時的波形圖2 三相橋式全控整流電路帶阻感負載a =30時的波形全電力電子技術(西交大王兆安圖3 三相橋式全控整流電路帶阻感負載a =90時的波形 = 90ud1ud2uacubcubaucaucbuabuacuabuduacuabuactOtOtOubucuat1uVT1阻感負載時的工作情況阻感負載時的工作情況 60時ud波形連續，工作情況與帶電阻負載時相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。 60時阻感負載時的工作情況與

38、電阻負載時不同，電阻負載時ud波形不會出現負的部分，而阻感負載時，由于電感L的作用，ud波形會出現負的部分。帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的a 角移相范圍為90bacTn負載iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1全電力電子技術(西交大王兆安三相橋式全控整流電路定量分析三相橋式全控整流電路定量分析 當整流輸出電壓連續時（即帶阻感負載時，或帶電阻負載a a6060 時）的平均值為：cos34. 2)(sin63123232UttdUUd帶電阻負載且a 60時，整流電壓平均值為： )3cos(134. 2)(sin63232dUttdUU輸出電流平均值為 ：Id=Ud /R當整

39、流變壓器采用星形接法，帶阻感負載時，變壓器二次側電流波形為正負半周各寬120、前沿相差180的矩形波，其有效值為：dd2d2d2816. 03232)(3221IIIII接反電勢阻感負載時的Id為： REUIdd全電力電子技術(西交大王兆安2.7 2.7 整流電路的有源逆變整流電路的有源逆變逆變把直流電轉變成交流電，整流的逆過程。l 如：電力機車下坡行駛，機車的位能轉變為電能，反送到交流電網中去。REMUd1、兩電動勢同極性UdEM電動機運轉 REMUd2、兩電動勢同極性EMUd電動機回饋制動 REMUd3、實際上形成短路 全電力電子技術(西交大王兆安逆變產生的條件逆變產生的條件udU1VT1

40、RLVT2id102tududU1VT1RLVT2id102tudEMEM電能電能全電力電子技術(西交大王兆安單結晶體管單結晶體管eb1b2結構示意圖符號eb2b1等效電路eb2b1rb2rb1R=Rb1+Rb2 Rb1與R的比值稱為分壓比:h=Rb1/R全電力電子技術(西交大王兆安峰值電壓UpUEiE工作原理和特性曲線工作原理和特性曲線 IEO截止區谷點電壓C負阻區飽和區全電力電子技術(西交大王兆安單結晶體管振蕩電路單結晶體管振蕩電路UvUpReCR1UoR2Uo全電力電子技術(西交大王兆安單結晶體管觸發電路單結晶體管觸發電路U1VD3VD1VD2ReCR1VT1VT2VD4VD5負載R3R

41、2全電力電子技術(西交大王兆安單結晶體管觸發電路單結晶體管觸發電路 (二)全電力電子技術(西交大王兆安雙向晶閘管雙向晶閘管T1T2G電氣符號T1T2GG等效電路特性曲線T1T2G測試電路吊扇調速電路全電力電子技術(西交大王兆安觸摸式調光臺燈觸摸式調光臺燈全電力電子技術(西交大王兆安觸電的形式觸電的形式全電力電子技術(西交大王兆安保護接地保護接地 將電氣設備在正常運行情況下將電氣設備在正常運行情況下不帶電的金屬外殼或構架用足夠粗不帶電的金屬外殼或構架用足夠粗的金屬線（例如鋼筋）與接地體可的金屬線（例如鋼筋）與接地體可靠地鏈接起來，以保護人身的安全。靠地鏈接起來，以保護人身的安全。全電力電子技術(

42、西交大王兆安保護接零保護接零 在1000伏以下接地良好的三相四線制系統中，例如380/220伏系統，電氣設備的外殼或構架與系統的零線相接，即保護接零。全電力電子技術(西交大王兆安重復接地重復接地 在采用保護接零時，除系統的中點接地外，還必須在零線上一處或者多處進行接地。 在同一配電系統中，不允許一部分電氣設備采用保護接地，而另一部分電氣設備采用保護接零。全電力電子技術(西交大王兆安全電力電子技術(西交大王兆安 全電力電子技術(西交大王兆安第三章第三章 直流斬波電路直流斬波電路 直流斬波電路：直流斬波電路： 一般是指直接將直流電變為另一直流電，不包括直流交流直流。開關電源向輕、小、薄、高頻化、低

43、噪聲、高可靠、抗干擾的方向發展。 第一個階段第一個階段是功率半導體器件從雙極型器件(SCR、GTO)發展為MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等)，使電力電子系統有可能實現高頻化，并大幅度降低導通損耗，電路也更為簡單。 第二個階段第二個階段自20世紀80年代開始，高頻化和軟開關技術的研究開發，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開關技術是過去20年國際電力電子界研究的熱點之一。 第三個階段第三個階段從20世紀90年代中期開始，集成電力電子系統和集成電力電子模塊(IPEM)技術開始發展，它是當今國際電力電子界亟待解決的新問題之一。 高頻開關電源整流模塊具有內置微處

44、理器，能提高設備管理水平。高頻開關電源綜合轉換效率高，多數廠家的轉換效率達到90%以上，而相控電源轉換效率一般只有60%80%。高頻開關電源整流模塊具有并聯運行方式下自動均流功能。全電力電子技術(西交大王兆安 MOSFETMOSFET全電力電子技術(西交大王兆安電力場效應晶體管電力場效應晶體管全電力電子技術(西交大王兆安電力MOSFET靜態特性轉移特性：漏極電流和柵源間電壓的關系010203050402468IO/AUTUGS/V全電力電子技術(西交大王兆安電力MOSFET動態特性uGSP：非飽和區柵壓uT： 開啟電壓全電力電子技術(西交大王兆安IGBTIGBT的結構和工作原理的結構和工作原理

45、 IGBT則結合了雙極型功率晶體管和MOSFET的優點 ： 驅動功率小；驅動功率小； 控制電路簡單；控制電路簡單； 開關損耗小；開關損耗小； 0.055 mJ/A 通斷速度快和工作頻率較高；通斷速度快和工作頻率較高； 硬開關頻率可達150kHz，軟開 關電路中可達300kHz 耐壓高耐壓高 應用6600V，實驗室8000VINFINEON TOSHIBA Mitsubishi International Rectifier 主要生產廠家封裝小型化 結構合理化 產品標準化集成度更高 接口更友好更高的開關頻率， 更高的電流容量 發展趨勢EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發 射 極柵 極集

46、電 極注 入 區緩 沖 區漂 移 區J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)E 全電力電子技術(西交大王兆安線性穩壓電源方框圖線性穩壓電源方框圖220V電源變壓器整流電容濾波調整管比較放大器基準電壓取樣電路UoUd輸出電壓穩定，紋波小瞬態響應快電路簡單優點效率低 發熱量大體積大比較笨重缺點全電力電子技術(西交大王兆安降壓斬波電路降壓斬波電路 （Buck ChopperBuck Chopper）RMuoLEVTtontofftiottuoiotiotEETtEtttUonoffonono斬波電路三種控制方式（根據對輸出電壓斬波電路三種控制方式（根據對輸出電壓平均值進

47、行調制的方式不同而劃分）平均值進行調制的方式不同而劃分）1、T不變，變ton 脈沖寬度調制（PWM）2、ton不變，變T 頻率調制3、ton和T都可調，改變占空比混合型全電力電子技術(西交大王兆安升壓斬波電路升壓斬波電路 (Boost Chopper )(Boost Chopper )EVRLVDa)Cioi1iGuob)iGioI1OOtt 1 1、V通時，E向L充電，充電電流恒為I1，同時C的電壓向負載供電，因C值很大，輸出電壓Uo為恒值。設V通的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為：on1tEI 2 2、V斷時，E和L共同向C充電并向負載R供電。設V斷的時間為toff，則此期間電感L釋放

48、能量為：off1otIEU off1oon1tIEUtEIEtTEtttUoffoffoffonoTtoff全電力電子技術(西交大王兆安升降壓斬波電路升降壓斬波電路VDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILIL1 1、V通時，電源E經V向L供電使其貯能，此時電流為i1。同時，C維持輸出電壓恒定并向負載R供電。2 2、V斷時，L的能量向負載釋放，電流為i2。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。Ttu0L0d一個周期T內電感L兩端電壓uL對時間的積分為零 當V處于通態期間，uL = E；而當V處于斷態期間，uL = - uo；o

49、ffoontUtEEEtTtEttU1ononoffono01/2 降壓降壓 1/2VT1VT2uou1ioLRu1t 負載電壓有效值 tdtUUo21)sin2(122sin2sin11U晶閘管電流有效值 )d()sin()sin(2212tg1VTtetZUItcos)2cos(sin21ZUtURidtdiLsin2100000ti在t = a 時刻開通VT1，負載電流滿足 tgtetZUisinsin21022LRZ阻抗的模 全電力電子技術(西交大王兆安= u1ttuotiotuVTVT1VT2uou1ioLR = 全電力電子技術(西交大王兆安(=0 0)tgtetZUisinsin2

50、10全電力電子技術(西交大王兆安1、VT1提前導通，L被過充電，放電時間延長， VT1的導通角超過； 2、觸發VT2時， io尚未過零， VT1仍導通， VT2不通；tttt圖4-5OOOOu1iG1iG2ioiT1iT23、io過零后， VT2導通， VT2導通角小于；tgtetZUisinsin2104、io由兩個分量組成：正弦穩態分量、指數衰減分量；衰減過程中， VT1導通時間漸短， VT2的導通時間漸長，最終VT1、VT2導通角趨近于 。全電力電子技術(西交大王兆安tu1tuotio三、斬控式交流三、斬控式交流調壓電路調壓電路 RL圖4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4

51、VD3全電力電子技術(西交大王兆安4.2 4.2 三相三相交流調壓電路交流調壓電路n負載acn負載abca)b)負載abcc)負載bd) 圖4-9abcuaubuciaUa0nuaubucianuaubucianuaubuciaVT1VT3VT4VT5VT6VT2星形聯接線路控制三角形聯接支路控制三角形聯接中點控制三角形聯接全電力電子技術(西交大王兆安ugt=0 00 0 VT1 VT2 VT3VT5 VT6uRAtuuaubuc VT4 三相全波星形連接的調壓電路 相電壓過零點定為相電壓過零點定為a a的起點，的起點，a a =0 =0時一時一直有三個晶閘管導通；直有三個晶閘管導通； VT1

52、- VT6,依次相差60 VT1- VT6,導通角為180 1 12 23 34 45 56 6全電力電子技術(西交大王兆安VT5 =30300 0ugtuRAtuuaubuc VT1 VT2 VT4 VT3t=00-300 時 VT5,VT6導通， uRA=O t=300-600 VT1、VT5、VT6導通， uRA= uA t=600-900 VT1、VT6導通， uRA= uAB/2t=900-1200 VT1、VT2、VT6導通， uRA= uAt=1200-1500 VT1、VT2導通， uRA= uAC /2t=1500-1800 VT1、VT2、VT3導通， uRA= uA1 1

53、2 23 34 45 56 6 VT6全電力電子技術(西交大王兆安=90900 0 t=900-1500 時 VT1,VT6導通， uRA= uAB/2 t=1500-2100 VT1、VT2導通， uRA= uAC /2t=2100-2700 VT2、VT3導通， uRA=0t=2700-3300 VT3、VT4導通， uRA= -uAB/2 t=3300-3900 VT4、VT5導通， uRA= -uAC /2t=3900-4500 VT5、VT6導通， uRA= 0uan t u ua ub uc VT1 VT2VT3VT45VT6 ug t 123456全電力電子技術(西交大王兆安=1

54、201200 01 u uRARA t u ua ub uc ug t 162 3 4 5 總結：總結： 1、 060三管導通與兩管導通交替，每管導通180- ，但=0時一直是三管導通；2、6090兩管導通，每管導通120； 3、90150：兩管導通與無晶閘管導通交替，導通角度為300-2。 全電力電子技術(西交大王兆安4.2 4.2 單相交交變頻電路單相交交變頻電路 交交變頻電路把電網頻率的交流電變成可調頻率的交流電，屬于直接變頻電路。 廣泛用于大功率交流電動機調速傳動系統，實用的主要是三相輸出交交變頻電路。電路構成電路構成uaubucP=/2P=0P=/2 1 1、P組工作時，負載電流io

55、為正;N組工作時，io為負；基本工作原理基本工作原理 2 2、兩組變流器按一定的頻率交替工作，負載就得到該頻率的交流電。改變兩組變流器的切換頻率，就可改變輸出頻率。 3 3、改變變流電路的控制角a，就可以改變交流輸出電壓的幅值； 4 4、為使uo波形接近正弦波，可按正正弦弦規律對規律對a a角進行調制；角進行調制； 5 5、在半個周期內讓P組a 角按正弦規律從90減到0或某個值，再增加到90，每個控制間隔內的平均輸出電壓就按正弦規律從零增至最高，再減到零。另外半個周期可對N組進行同樣的控制；全電力電子技術(西交大王兆安二、整流與逆變工作狀態二、整流與逆變工作狀態整流tuoio ip up uN

56、 iN 逆變P組N組整流逆變t1t2t3t4t5t2-t3 ：uo反向，io仍為正，正組逆變，輸出功率為負； t1-t3期間：io正半周正組（P組）工作 反組（N組）反鎖 t1-t2：uo和io均為正，正組整流，輸出功率為正；t4-t5 ：uo反向，io仍為負，負組逆變，輸出功率為負； t3-t5期間：io負半周正組（P組）反鎖 反組（N組）工作t3-t4：uo和io均為負，反組整流，輸出功率為正；阻斷阻斷全電力電子技術(西交大王兆安單相交交變頻電路電壓和電流波形圖單相交交變頻電路電壓和電流波形圖考慮無環流工作方式下考慮無環流工作方式下i io o過零的死區時間，一周期可分為過零的死區時間，一

57、周期可分為6 6段段第1段io 0反組逆變第2段電流過零為無環流死區第3段io 0， uo 0正組整流第4段io 0， uo 0正組逆變第6段io 0， uo 0，為反組整流第5段又是無環流死區全電力電子技術(西交大王兆安第五章第五章 逆變電路逆變電路1）定義：將逆變電路的交流側接到交流電網上，把直流電逆變成同頻率的交流電反送到電網去。2）應用：直流電機的可逆調速、高壓直流輸電和太陽能發電等方面。有源逆變有源逆變: :全電力電子技術(西交大王兆安無源逆變無源逆變1）定義：逆變器的交流側不與電網聯接，而是直接接到負載，即將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負載2）應用：它在交流電機變頻調

58、速、感應加熱、不停電電源等方面應用十分廣泛，是構成電力電子技術的重要內容。 全電力電子技術(西交大王兆安單相橋式逆變電路單相橋式逆變電路 負載a)b)圖5-1tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2換流換流電流從一個支路向另一個支路轉移的過程， 也稱換相。 全電力電子技術(西交大王兆安無源逆變換流方式分類無源逆變換流方式分類1、器件換流器件換流 利用全控型器件的自關斷能力進行換流。 2、電網換流、電網換流 由電網提供換流電壓稱為電網換流。3、強迫換流強迫換流 設置附加的換流電路，給欲關斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流。 SVT負載+-圖5-3直接耦合式強迫換流 CL+VDSCVT負載

59、+LSVT負載VDb)a)圖5-4電感耦合式強迫換流 全電力電子技術(西交大王兆安ttttRLCOOOOiit1b)a)圖5-2EdLdVT1VT2VT3VT4uoioiduouoioiouVTiVT1iVT4iVT2iVT3uVT1uVT44、負載換流負載換流 全電力電子技術(西交大王兆安單相半橋電壓型逆變電路單相半橋電壓型逆變電路 逆變電路按其直流電源性質分：電壓型和電流型電壓型和電流型 特點特點 (1) 直流側為電壓源或并聯大電容，直流側電壓基本無脈動； (2) 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同； (3)阻感負載時需提供無功功率,直流側電容緩沖無功能量。全電力電子技術(西交

60、大王兆安全橋逆變電路全橋逆變電路 +-CRL圖5-5UdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoiotttUu5sin513sin31sin4dodd1o9 . 022UUUddo1m27. 14UUU 基波幅值 基波有效值 全電力電子技術(西交大王兆安uWUuUVuVWuUN三相電壓型橋三相電壓型橋式逆變電路式逆變電路 NN+-UVW圖 5-9V1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2Ug3Ug5Ug2Ug4Ug6UVWUdNUVWUdNVWUUdNUg1全電力電子技術(西交大王兆安定量分析（線電壓）定量分析（線電壓） w 輸出線電壓u uUVUV展開成傅里