機車電力電子技術

1、機車電力電子技術廣州鐵路職業(yè)技術學院譚民杰第一章 緒 論 第一節(jié) 概 述電子技術包括：信息電子技術、電力電子技術。電力電子技術包括：電力電子器件、電力電子變流技術、控制 技術。電力電子技術的任務：實現(xiàn)電力變換。電力變換通?？煞炙拇箢悾?1. AC-DC變換，即將交流電變換為直流電，稱為整流。 2. DC-AC變換，即將直流電變換為交流電，稱為逆變。 3. DC-DC變換，即將一種電壓的直流變?yōu)榱硪环N電壓的直流， 可用直流斬波器實現(xiàn)。 4. AC-AC變換，即把交流電的參數(shù)（幅值、頻率）加以轉(zhuǎn)換，稱為交流變換。 第二節(jié) 電力電子技術的應用 電力電子技術應用于工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、電力系統(tǒng)、新能源系

2、統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、醫(yī)療設備、家電等行業(yè)： 1.工業(yè)生產(chǎn)：用于電力拖動中的水泵、風機、壓縮機，變頻技術的交直流調(diào)速，整流電源的電解、電鍍。 2.交通運輸：用于電氣化鐵路中的直流傳動電力機車整流或斬波裝置，交流傳動電力機車變頻調(diào)速裝置，城市電車的斬波或變頻裝置等。 3.電力系統(tǒng)：用于直流輸電的送電端整流，受電端的逆變，晶閘管控制無功補償?shù)取?4.新能源：用于太陽能、風力發(fā)電裝置與電力系統(tǒng)連接。 5.通訊計算機：UPS與開關穩(wěn)壓電源直流源系統(tǒng)。 6.醫(yī)療設備：激光、超聲波、掃描機的高壓電源。 7.家用電器：變頻空調(diào)、冰箱、電子節(jié)能燈等。第三節(jié)第三節(jié) 電力電子技術的發(fā)展趨勢電力電子技術的發(fā)展趨

3、勢 電力電子器件具有高電壓、大電流、大功率器件的特點，未來發(fā)展主要在以下方面： 1.由半控型器件向全控型器件轉(zhuǎn)移。 2.向高頻快速方向發(fā)展。 3.大功率電力電子器件采用模塊化封裝。 4.采用數(shù)字化控制方式。 5.采用新型半導體材料制造新型功率器件。第二章 電力電子器件 第一節(jié) 電力電子器件概述一、電力電子器件的發(fā)展概況 自1947年美國貝爾實驗室發(fā)明晶體管半導體固態(tài)電子學誕生。50年代后，以硅二極管為代表的電力半導體器件及相應的變流技術裝置迅速發(fā)展，1957年美國通用電氣研制第一只可控型電力電子器件晶閘管（SCR）。半導體固態(tài)電子學有兩個發(fā)展方向： 一是以晶體管集成電路為核心的對信息處理的微電

4、子技術。 二是以晶閘管為核心的對電能變換與控制的電力電子技術。 從90年代起，電力電子技術與微電子技術進一步結(jié)合使電子器件朝著大容量、智能化方向發(fā)展。如國產(chǎn)藍箭列車的主變流器采用單個容量為4500V/1500A的IPM模塊。 在GTO、IGBT基礎上發(fā)展起來的新型大功率電力電子器件，如集成門極換流晶閘管（IGCT）、發(fā)射極關斷晶閘管（ETO）、電子注入增強型門極晶體管等，容量達到4500V/3000A,有的達到6000V/6000A。二、電力電子器件的分類1.根據(jù)不同的開關特性，電力電子器件可分三大類：（1）不可控器件：通常為兩端器件，具有整流作用，無控制功能。如：PN結(jié)整流管等。（2）半控型

5、器件：通常為三端器件，控制信號只能控制開通，不能控制關斷。如：普通晶閘管（SCR)快速晶閘管、雙向晶閘管、逆導型晶閘管、光控晶閘管。（3）全控器件：也為三端器件，控制信號可控制開通，也可控制關斷。如：可關斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）三端場控器件（絕緣柵極晶體管IGBT、靜電感應晶體管SIT）等。2.根據(jù)體內(nèi)電子和空穴兩種載流子參入導電情況，電力電子器件可分三種類型：（1）單極型：一種載流子參入導電的器件。如：功率MOSFET、靜電感應晶體管等。 (2)雙極型：電子和空穴兩種載流子參入導電的器件。如：PN結(jié)整流管、普通晶閘管、電力晶體管。（3）混合型：由單極型和雙極型兩種器件組成的復

6、合型器件，如：絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和MOS控制晶閘管（MCT）等。3.根據(jù)控制信號不同，電力電子器件可分二種類型（1）電流控制型電力電子器件：由PN結(jié)組成的電力電子器件電子和空穴都參入導電。為了控制器件的開通與關斷，必須給器件體內(nèi)注入電流或從體內(nèi)抽出電流。電流控制型器件可分二類：一是晶體管類，如：電力晶體管及模塊。二是晶閘管類，如：普通晶閘管、可關斷晶閘管。電流控制器件的共同特點：1）器件內(nèi)有電子和空穴兩種載流子導電，2)具有導電調(diào)制效應，3）控制極輸入阻抗低，控制電流、控制功率大。（2）電壓控制型器件（場效應電力電子器件）：器件內(nèi)主電極（漏極、源極或陽極、陰極）傳導的工作電流是通過加

7、在第三極（柵極或門極）上的電壓在主電極間產(chǎn)生可控電場來改變其大小和斷通狀態(tài)的。加在第三極為電壓信號，故稱電壓控制型器件。因為主電極間產(chǎn)生的電場控制電流，也稱場控器件或場效應器件。電壓控制型器件的共同特點： 1)輸入阻抗高。2）工作頻率高。3）工作溫度高。第二節(jié) 電力二極管一、電力二極管的工作原理 電力二極管由一個大面積PN結(jié)和兩端引線及封裝組成。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴Ｕ螂妷海ㄕ蚱茫憾O管陽極（A極）極接電源正極，陰極（K極）接電源負極。反向電壓（反向偏置）：二極管陽極（A極）極接電源負極，陰極（K極）接電源正極。 正向?qū)顟B(tài)：電力二極管PN結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，電流從P流向N，PN結(jié)為

8、低電阻。反向截止狀態(tài)：電力二極管PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，PN結(jié)為高電阻。有較小的反向漏電流流過PN結(jié)。PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力：如反向電壓過大，PN結(jié)反向截止狀態(tài)破壞，反向電流急增，發(fā)生反向擊穿。二、電力二極管的特性與數(shù)1.電力二極管的伏安特性(圖2-2）2電力二極管的開關特性（圖2-3）:電力二極管在零偏置、正向偏置、反向偏置三種狀態(tài)轉(zhuǎn)換時呈現(xiàn)的動態(tài)特性。 （1）關斷特性：電力二極管由正向偏置的通態(tài)轉(zhuǎn)換為反向偏置的斷態(tài)過程中電壓、電流隨時間變化的關系（圖2-3a） （2）開通特性：電力二極管由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置的通態(tài)過程的電壓、電流隨時間變化的關系（圖2-3b）圖2-2 電力二極管的伏

9、安特性（ ）零偏置轉(zhuǎn)為正向偏置（ ）正向偏置轉(zhuǎn)為反向偏置圖2-3 電力二極管的開關過程3.電力二極管的主要參數(shù)（1）額度正向平均電流：IF(AV)：器件長期運行時，允許流過的最大交流電流平均值。（2）正向電壓UF：在指定溫度下，器件流過某一指定穩(wěn)定正向電流時，管子兩端的電壓。（3）反向重復峰值電壓URRM：器件能重復施加的反向最高峰值電壓（c為擊穿電壓UB的2/3）。 （4）反向漏電流IRR:器件對應于反向峰值電壓時，流過的反向電流。（5）最高工作結(jié)溫TJM: 器件的PN結(jié)不損壞前提下能承受的最高平均溫度(通常：1251750 C).（6）浪涌電流IFSM：器件能承受的最大的一個或連續(xù)幾個工頻

10、周期的過電流。 4.電力二極管的主要類型：（1）普通二極管： 用于1KHz以下整流電路。（2）快恢復二極管： 用于高頻整流和逆變電路（3）肖特基二極管： 用于200V以下低壓電路電力二極管作用：在整流電路中作整流，在感性負載電路中做續(xù)流，在變流電路中做電壓隔離、箝位、保護。 常見電力二極管主要性能參數(shù)見教材表2-1第三節(jié) 晶閘管晶閘管：是晶體閘流管的簡稱，俗稱可控硅（SCR）。是一種開通時間可以控制的半控型電力電子器件。一、晶閘管的結(jié)構與工作原理(結(jié)構門極(雙晶體管模型( ）工作原理圖2-6 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構和工作原理門極陽極陰極陰極陽極陰極陽極門極( ）電氣圖形符號晶閘管結(jié)構：由PNPN四層

11、半導體組成，有三個引出線，分別是陽極A、陰極K、和門極G（柵極）。大功率晶閘管有散熱器，平板式晶閘管采用風冷或水冷。晶閘管導通工作原理：晶閘管陽極加正向電壓時，如果門極也加正向電壓，VT2導通，然后VT1導通。最后兩個三極管都快速進入飽和狀態(tài)，使晶閘管陽極A與陰極K之間導通。若撤除門極電壓，只要滿足陽極正偏條件，晶體管一直導通。晶閘管導通必須同時具備兩個條件：（1）晶閘管的陽極和陰極之間加上一定大小的正向電壓VKA;（2）在門極和陰極之間加上一定的正向觸發(fā)電壓UGK. 晶閘管具有單向?qū)щ娦浴＞чl管的可控單向?qū)щ娦裕寒旈T極沒有加正向電壓時，即使陽極加上正向電壓，晶閘管不導通；在門極電壓觸發(fā)下，晶

12、閘管立即導通。半控型電力電子器件：門極電壓只能觸發(fā)晶閘管開通，不能控制它關斷。晶閘管的測試：1）用萬用電表Rx1（或Rx100）測量陽極與陰極的正反向電阻很大。2）用黑表筆接陽極，紅表筆接陰極，再用黑表筆碰門極，正向電阻大幅下降，黑表筆離開門極后正向電阻不變，即晶閘管正常。二、晶閘管的特性1.晶閘管的伏安特性：晶閘管陽極、陰極間的電壓和陽極電流之間的關系。2.門極伏安特性：晶閘管的門極與陰極之間的伏安特性。三、晶閘管的主要參數(shù)1 晶閘管的電壓定額（1）斷態(tài)重復峰值電壓URDM：門極斷路結(jié)溫為額定值時，允許加重復加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。（2）反向重復峰值電壓URRM：門極斷路結(jié)溫為額定值時

13、，允許加重復加在晶閘管兩端的反向峰值電壓。（3）額定電壓UTN：晶閘管銘牌標出的電壓。（4）通態(tài)平均電壓UT(AV)：正常狀態(tài)下，晶閘管通過正弦半波額定電流時，兩端電壓降在一個周期內(nèi)的平均值。2.晶閘管的電流定額（1)通態(tài)平均電流IT(AV)：溫度為400C冷卻狀態(tài)下，允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。（2）維持電流IH:晶閘管導通必須的最小電流。（3）摯住電流IL：晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后能維持導通所需要的最小電流。3.晶閘管的動態(tài)參數(shù)（1）開通時間tgt:從門極觸發(fā)電壓前沿的10%到元件電壓下降到10%所需要的時間。普通晶閘管約6s。（2）關斷時間tq：晶閘管從正向陽極

14、電流下降為零到恢復正向阻斷能力所需要的時間。普通晶閘管約幾十s幾百s。（3）通態(tài)電流臨界上升率di/dt：在規(guī)定結(jié)溫和門極開路情況下，不會導致晶閘管直接從斷態(tài)轉(zhuǎn)換為通態(tài)的最大陽極電壓上升率。4.晶閘管的型號 K P - 四、晶閘管的派生器件 1.快速晶閘管：開關頻率在400Hz以上的晶閘管。 2.雙向晶閘管：觸發(fā)后能雙向?qū)ǖ木чl管。 3逆導晶閘管：反向?qū)ǖ木чl管。 4.光控晶閘管:在光照下，光電二極管漏電流成為門極觸發(fā)電流，使晶閘管導通。圖2-7 晶閘管伏安特性正向?qū)ㄑ┍罁舸?1圖2-10 雙向晶閘管伏安特性（ ）結(jié)構（ ）等效電路（ ）圖形符號圖2-9 雙向晶閘管的結(jié)構與符號圖2-11

15、 逆導晶閘管（ ）圖形符號圖2-12 光控晶閘管（ ）伏安特性（ ）伏安特性（ ）圖形符號第四節(jié) 門極可關斷晶閘管（GTO） 門極可關斷晶閘管：通過門極加負脈沖電流使其關斷的全控器件。晶閘管可達到6000V、6000A、10010000Hz，廣泛應用于電力機車逆變器、電網(wǎng)動態(tài)無功補償、大功率直流斬波調(diào)速。 第五節(jié) 電力晶體管（GTR）電力晶閘管：是一種大功率、高反壓的雙極結(jié)型晶體管，具有自關斷能力，具有飽和壓降低、開關時間短和安全工作區(qū)寬等特點。在交流電機調(diào)速、不間斷電源、中頻電源等電力變流裝置中應用。 （ ）三極管符號 （ ）三極管符號基極發(fā)射極集電極集電極發(fā)射極基極圖2-16的結(jié)構和符號一

16、、電力晶體管的結(jié)構與工作原理 與一般晶體三極管有相似的結(jié)構、工作原理。GTR四種工作狀態(tài)：開通、導通（飽和）、關斷、阻斷（截止）。導通和截止：表示GTR接通和斷開的兩種穩(wěn)定工作狀態(tài)。導通：當IB0，發(fā)射結(jié)正偏。截止：當IB0，發(fā)射結(jié)反偏。開通和關斷：表示GTR由斷到通、由通到斷的動態(tài)工作狀態(tài)。二、GTR的特性與參數(shù)1.GTR的基本特性（1）靜態(tài)特性（2）開關特性1電力晶體管電力晶體管GTRGTR是一種高擊穿電壓、大容量的晶體管。它具有是一種高擊穿電壓、大容量的晶體管。它具有自關斷能力自關斷能力,并具有開關時間短、飽和壓降低和安全并具有開關時間短、飽和壓降低和安全工作區(qū)寬等優(yōu)點。工作區(qū)寬等優(yōu)點。

17、 六單元六單元GTR 模塊模塊 圖形符號圖形符號 二單元模塊的等效電二單元模塊的等效電路路（2）GTR模塊的主要參數(shù)模塊的主要參數(shù) 1)開路阻斷電壓開路阻斷電壓UCEO ，例如：，例如：2DI200D-100 （3）GTR的選擇方法的選擇方法1）開路阻斷電壓）開路阻斷電壓UCEO的選擇的選擇 UCEO通常按電源通常按電源線電壓峰值的線電壓峰值的2倍來選擇。倍來選擇。 2)集電極最大持續(xù)電流集電極最大持續(xù)電流ICM的選擇的選擇 ICM通常按輸出通常按輸出交流線電流峰值的交流線電流峰值的2.25倍來選擇。倍來選擇。2)集電極最大持續(xù)電流集電極最大持續(xù)電流ICM ，例如：，例如：6DI15Z-120

18、 第六節(jié) 電力場效應管一、電力MOSFET的結(jié)構與工作原理電力場效應管（電力MOSFET）：利用柵極電壓控制器件的截止和導通。1.電力MOSEFT的結(jié)構：圖2-22溝道（ ）內(nèi)部結(jié)構斷面示意圖溝道溝道（ ）電氣圖形符號40301020486320103040912飽和區(qū)截止區(qū)=7=4=6=5=4非飽和區(qū)（ ）（ ）圖2-23 電力的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性圖2-22 電力的結(jié)構和電氣圖形符號2絕緣層2.電力MOSFET的工作原理3.電力MOSFET主要參數(shù) (1)正向通態(tài)電阻 （2）漏極最大電流 （ 3）柵極開啟電壓 （4）漏極擊穿電壓 （5）柵源擊穿電壓 （6）極間電容 第七節(jié) 絕緣柵極型晶體管（

19、IGBT）絕緣柵極型晶體管（IGBT）： 是集MOSFET（電力場效應管）和GTR（電力晶體管）優(yōu)點于一身的新型復合器件。一、IGBT的工作原理 IJBT的C極接電源正極，E極接電源負極。由柵極（G）與發(fā)射極(E)電壓UGE控制導通或關斷。當UGEUGE（th）（開啟電壓）時，VDMOSFET內(nèi)形成導電溝道，為晶體管提供基極電流使其導通。 當UGE=0，或柵極與發(fā)射極電壓反向時，VDMOSFET內(nèi)溝道消失，晶體管無基極電流，IJBT關斷。 門 極漏 極2源 極溝 道緩 沖 區(qū)注 入 區(qū)（ ） 電 氣 圖 形 符 號（ ） 簡 化 等 效 電 路（ ） 內(nèi) 部 結(jié) 構漂 移 區(qū)二、IGBT的主要

20、特性與參數(shù) 1.IJBT的主要特性（1）IGBT轉(zhuǎn)移特性：集電極電流與IC與柵射電壓UGE間的關系。開啟電壓UGE（th）為2-6V。柵射電壓UGE開啟電壓UGE（th）時，IJBT截止。 柵射電壓UGE開啟電壓UGE（th）時，IJBT導通。（2）IGBT輸出特性：以柵射電壓為參考變量，集電極電流IC與集射電壓UCE間的關系。2.IGBT的主要參數(shù) （1）集射極擊穿電壓UCES （2）開啟電壓UGE（th）和最大柵極UGEM （3）通態(tài)壓降UCE（on） （4）集電極最大連續(xù)電流IC峰值電流ICM有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)（ ）轉(zhuǎn)移特性（ ）輸出特性增加反向阻斷區(qū)移特性和輸出特性圖2-25 絕緣

21、柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT是是MOSFET和和GTR相結(jié)合的產(chǎn)物相結(jié)合的產(chǎn)物,其主體部分其主體部分與與GTR相同，也有集電極和發(fā)射極相同，也有集電極和發(fā)射極,但驅(qū)動部分卻但驅(qū)動部分卻和和MOSFET相同相同,是絕緣柵結(jié)構。是絕緣柵結(jié)構。 （1）IGBT的特點的特點 IGBT在外形上有模塊型和芯片在外形上有模塊型和芯片型型兩種兩種,在通用變頻器中使用的在通用變頻器中使用的IGBT一般是模塊型。一般是模塊型。 單管模塊單管模塊 雙管模塊雙管模塊 六管模塊六管模塊（2）IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)1）集電極）集電極發(fā)射極額定電壓發(fā)射極額定電壓UCES。2）柵極）柵極發(fā)射極額定電壓發(fā)

22、射極額定電壓UGES。 3）額定集電極電流）額定集電極電流IC。三、IJBT與IPM功率模智能功率模塊（IPM）：稱為智能集成電路，是以IJBT為基本功率開關元件，構成一相或三相逆變器的專用功能模塊。電力集成電路的一種。在電力電子變換電路中，電力電子器件必須有：驅(qū)動電路、控制電路、保護電路?？刂齐娐冯娫打?qū)動電路過熱保護過流保護報警輸出控制電源欠壓保護輸入信號故障輸出+15管芯溫度傳感器傳感器電流圖2-27 模塊內(nèi)部結(jié)構3智能電力模塊器件智能電力模塊器件IPMIPM的主要特點如下的主要特點如下: （1）內(nèi)含設定了最佳的）內(nèi)含設定了最佳的IGBT驅(qū)動條件的驅(qū)動電路。驅(qū)動條件的驅(qū)動電路。（2）內(nèi)含完

23、善的保護功能及相應的報警輸出信號。）內(nèi)含完善的保護功能及相應的報警輸出信號。（3）內(nèi)含制動電路。）內(nèi)含制動電路。（4）散熱效果良好。）散熱效果良好。第八節(jié) 新型電力電子器件簡介一、MOS控制晶閘管（MCT）：一種單極型場效應管和雙極型晶閘管組合而成的復合器件。圖2-28）二、集成門極換流晶閘管（IGCT）：將門極驅(qū)動電路與門極換流晶閘管GCT集成于一個整體形成的器件。（圖2-29）三、靜電感應晶體管（STT）：功率結(jié)型場效應晶體管，為電壓型控制器件。 （圖2-30）四、靜電感應晶閘管（STTH）：場控晶閘管。（圖2-32） 第三章 相控整流電路整流電路：將交流電變換成直流電電路。可控整流電路：

24、將交流電變換成大小可調(diào)的直流電的電路。整流電路按電源分：單相整流電路、三相整流電路、多相整流電路。整流電路按電路結(jié)構組成分：不可控整流電路、半控整流電路、全控整流電路。整流電路按整流輸出波形分：半波整流電路、全波整流電路。 第一節(jié) 單相可控整流電路21圖3.1 單相半波可控整流電路及波形1 一、單相半波可控整流電路1.電阻性負載控制角（觸發(fā)角或移相角）：從晶閘管開始承受正向電壓起到觸發(fā)脈沖出現(xiàn)之間的電角度。導通角：晶閘管在一周期內(nèi)導通的電角度。移相控制（相位控制）：通過改變控制角來調(diào)節(jié)輸出電壓的方式。半波整流電路移相范圍： 0o180o 半波整流輸出電流： Id=ud/R 半波整流輸出電壓：

25、Ud=0.45U2(1+cos）/2整流電壓調(diào)節(jié)方法：改變控制角，就可以改變輸出電壓Ud。愈小， Ud愈大。 =0時，晶閘管全導通， =時，晶閘管整流輸出電壓為零。電流有效值： I=U/R2.電感性負載電感性負載： 當負載的感抗與電阻的數(shù)值相比不可忽略時的電路。如：直流電動機的勵磁，滑差電動機電磁離合器的勵磁線圈，平波電抗器。電感的作用： 電感即是儲能元件，又是電流濾波元件。它能使負載電流波形平滑.電感性負載對脈沖的要求： 觸發(fā)脈沖要有一定寬度，保證晶閘管陽極電流上升到維持導通最小電流后，即使脈沖消失，晶閘管仍然維持導通。負載電流id: 導通期間從晶閘管流過，續(xù)流期間從續(xù)流二極管流過。12圖3

26、-2 單相半波可控整流電路 電感性負載電路及波形22為了將整流出來的電壓波形平滑，采用電感元件濾波。圖3-3 單相半波大電感性負載晶閘管、續(xù)流二極管承受最大正向電壓：2 2晶閘管的最大移相范圍：180 接有續(xù)流二極管的電路及波形2221-+ 為了解決大電感負載時整流輸出電壓平均值下降問題，在整流電路負載兩端并聯(lián)一個硅整流二極管（稱續(xù)流二極管）二、單相全控橋式整流電路單相全控橋式整流電路組成：由晶閘管VT1 、VT3 組成一對橋臂，晶閘管VT2 、VT4 組成一另對橋臂。全波整流：負載在兩個半波中都有電流通過。21圖3.4 單相全控橋式整流電路及波形2圖3-6 單相全控橋式整流接續(xù)流二極管電路電

27、感負載電感負載不接續(xù)流二極管電路圖3-5 單相全控橋式整流1.電阻性負載整流電路移相范圍： 0o180o 整流輸出電流： Id=ud/R =0.9 U2(1+cos）/2 整流輸出電壓： Ud=0.45U2(1+cos）/2每個晶閘管的平均電流等于負載平均電流的一半：IdT=1/2(Id)2、大電感負載（1）不接續(xù)流二極管工作原理： 當u2正半周-TV1、TV3觸發(fā)導通- u2過零- TV1、TV3繼續(xù)導通 當t=+時- TV2、TV4觸發(fā)導通- TV1、TV3承受反向電壓關斷換相：負載電流從TV1、TV3上轉(zhuǎn)移到TV2、TV4上的過程。輸出電壓平均值： Ud=0.9U2 cos輸出電流： i

28、dId=Ud/Rd晶閘管電流平均值： IdT=1/2(Id)晶閘管可能承受最大電壓： UTM=2U2晶閘管移相范圍： 0o90o （2）接續(xù)流二極管輸出電壓平均值： 0.9 U2(1+cos）/2輸出電流： Id=Ud/Rd晶閘管可能承受最大電壓： UTM=2U2晶閘管電流平均值： IdT=（-）/ 2 (Id)整流電路移相范圍： 0o180o圖3-5 單相全控橋式整流電路不接續(xù)流二極管電路波形電感負載電感負載接續(xù)流二極管電路波形圖3-6 單相全控橋式整流電路1半控橋式整流電路及波形圖3.7 單相1三、單相半控橋式整流電路正半周通路：a、VT1、Rd、VD1、b 負半周通路：b、VT2、Rd、

29、VD2、a 第二節(jié) 三相可控整流電路三相可控整流電路使用范圍： 整流容量大于4KW， 直流電壓脈動較小。三相可控整流電路分：三相半波整流、三相全控橋式整流、三相半控橋式整流等。一、三相半波可控整流電路1.電阻性負載電路結(jié)構特點：變壓器一次繞組接成三角形，二次繞組接成星形，晶閘管陽極分別與U、V、W三相相連，陰極連在一起，組成共陰極接法電路。每管導通：按VT1、VT3、VT5順序120o電度角。輸出波形：三相交流電壓正半波的包絡線。脈動頻率：3x50HZ=150HZ自然換相點：相電壓的交點處t1、 t3、t5、為各管觸發(fā)導通最早時刻（此前晶閘管承受反向電壓，不能觸發(fā)導通），把它作為計算控制角的起

30、點，即該處= 0o整流輸出電流： Id=Ud/R 晶閘管電流平均值： IdT=1/3 Id整流輸出電壓：（1） 0o 30 o 時 Ud=1.17U2cos （2） 30o 150 o 時 Ud=0.65U21+cos(/6+) 三相半波可控整流電路111圖3-10 電阻性負載 =30 時波形=30 圖3-9 電阻性負載 =0 時波形二、三相全控橋式整流111圖3-14 三相橋式全控整流電路晶閘管導通順序： =0 圖 3-15 三 相 全 控 橋 電 感 性 負 載 =0 時 波 形 =30 圖 3-15 三 相 全 控 橋 電 感 性 負 載 =30 時 波 形 = 6 0 圖 3 - 1

31、5 三 相 全 控 橋 電 感 性 負 載 = 6 0 時 波 形 第三節(jié) 有源逆變電路一、有源逆變概念逆變：利于晶閘管電路把直流電變成交流電。（是整流的逆過程）如：卷揚機下降、電力機車下行時，直流電動機作為發(fā)電機制動運行，位能轉(zhuǎn)變成電能反送到交流電網(wǎng)去。變流電路：既可工作在整流狀態(tài)又可工作在逆變狀態(tài)的整流電路。有源逆變：把變流器的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電反送到電網(wǎng)去。無源逆變：把變流電路的交流側(cè)不接到電網(wǎng)而直接接到負載上，如交流變頻器。實現(xiàn)有源逆變的條件： （1）變流裝置的直流側(cè)必須外接有電壓極性與與晶閘管導通方向一致的電源E （2）變流裝置必須工作在 90o，Ud

32、 0. （3）為保證變流裝置回路電流連續(xù)，逆變電路中一定要串大電感。逆變失敗的原因： （1）觸發(fā)電路不可靠, （2）晶閘管故障, （3）交流電源缺相,斷電 （4）換相裕量角不足,換相失敗。圖 3-21單 相 橋 式 電 路 整 流 與 逆 變 原 理22單相有源逆變工作原理： 當Q置I時，I90o，電路工作在整流狀態(tài)。交流電源提供晶閘管提供功率給電動機。 當Q置II時，II 90o，晶閘管VT1VT4在電動機反向電動勢和U2作用下導通產(chǎn)生電流i2。電動機輸出能量，運行在發(fā)電制動狀態(tài)，晶閘管吸收能量送回電網(wǎng)。 單相全控橋式電路工作在逆變時輸出電壓控制原理與整流時相同只是控制角 90o。令=-，電

33、壓表示為： Ud=0.9U2cos=-0.9U2cos逆變角觸發(fā)脈沖位置從180o左移90o，工作在整流狀態(tài)。 90o，工作在逆變狀態(tài)。= 90o，輸出Ud、Id為零。（ ） 三相半波有環(huán)流接線（ ） 三相全控無環(huán)流接線2組1組1組2組圖（a）：電動機正轉(zhuǎn)由1組變流器供電，電動機反轉(zhuǎn)由2組變流器供電。圖（b）：可使電動機在四個象限內(nèi)運行第一象限：電動機正轉(zhuǎn)，作電動運行，1組橋工作在整流狀態(tài)第二象限：電動機正轉(zhuǎn)，作發(fā)電運行，2組橋工作在逆變狀態(tài)第三象限：電動機反轉(zhuǎn)，作電動運行，2組橋工作在整流狀態(tài)第四象限：電動機反轉(zhuǎn)，作發(fā)電運行，1組橋工作在逆變狀態(tài)1組2組1組2組1組2組1組2組電能電網(wǎng)正轉(zhuǎn)整

34、流正轉(zhuǎn)逆變電能電網(wǎng)電動運行發(fā)電運行電網(wǎng)電能反轉(zhuǎn)整流電動運行電網(wǎng)發(fā)電運行反轉(zhuǎn)逆變電能高壓直流輸電系統(tǒng)110110 第四節(jié) 整流電路的功率因素一、功率因素定義：有功功率P與視在功率之比。Cos=P/S二、影響功率因素的原因：控制角、感抗、整流變壓器磁化電流電流諧波含量三、改善功率因素方法：1.減小控制角 2.減小諧波成分 3.采用兩組變流器串聯(lián)供電 4.增加整流相數(shù)第四章 直流斬波電路直流斬波電路（DC/DC變換電路）：將一個恒定的直流電壓變換成另一個固定的或可調(diào)的直流電壓。即通過接通、關斷將直流電“斬”成一系列脈沖電壓，改變脈沖電壓接通、關斷時間比便可調(diào)整輸出電壓平均值。直流斬波電路應用：直流電

35、機調(diào)速、城市地鐵車輛、工礦電力機車、城市無軌電車、蓄電池電動車。 第一節(jié) 直流斬波電路原理及控制方式一、直流斬波電路工作原理：當高速開關S合上，電壓電壓Ud加到負載R上，并持續(xù)時間ton；當開關斷開時，負載電壓為零并持續(xù)時間toff。斬波電路工作周期： T= ton + toff 占空比： = ton/T斬波電路輸出電壓平均值：Uo= Ud斬波基本電路電壓波形二、直流斬波電路的控制方式（1）定頻調(diào)寬控制（脈沖寬度控制-PWM）：T不變，改變斬波器導通時間ton。（2）定寬調(diào)頻控制（脈沖調(diào)頻控制-PFM）： ton不變，改變斬波周期T。（3）調(diào)頻調(diào)寬混合控制： 改變斬波器頻率f,改變斬波器導通時

36、間ton。 第二節(jié) 基本斬波電路一、降壓斬波電路原理：VT-為全控型斬波開關IGBT，DV-續(xù)流二極管為關斷通過續(xù)流回路，Ld-平波電抗器，LF、CF-濾波回路吸收諧波。降壓斬波電路降 壓 斬 波 電 路 電 壓 電 路 波 形升壓斬波電路升壓斬波電路電壓電路波形-工作原理：斬波器VT開通時，電源對電感充電，自感電動勢左正右負，電容C向負載放電，二極管受電容反偏關斷。當斬波器VT關斷時，電感中自感電動勢改變極性，為左負右正，與電源正向疊加，向電容充電，同時向負載供電。斬波器導通時儲存在電感中能量釋放到負載和電容上。此時二極管正向?qū)ā６?、升壓斬波電?升降壓斬波電路電壓電流波形升降壓斬波電路工

37、作原理：斬波器處于開通狀態(tài)時，電源對電感充電電流iL等于電流id，電容C維持輸出電壓基本恒定并向負載供電，二極管反偏關斷；當斬波器關斷時，電感中儲存的能量向負載釋放，同時電容充電，電感放電電流等于iD，因電感電流方向不能突變，此時電感兩端極性為上正下負，二極管導通。三、升降壓斬波電路：由降壓式與升壓式兩種斬波基本電路混合組成。 第三節(jié) 復合斬波電路一、第一象限斬波器 上節(jié)介紹降壓斬波器、升壓斬波器、升降壓斬波器輸出電壓電流平均值為正，位于直角坐標系第一象限。稱第一象限斬波器。二、第二象限斬波電路 第二象限斬波器為升壓斬波器，電動機作為發(fā)電機運行，工作在第二象限 1. 電流可逆斬波器：將降壓斬波

38、電路和升壓斬波電路組合在一起。 2.混合橋式二象限斬波電路：為一、四象限斬波器。 混合橋式二象限斬波電路四種工作模式： （1）VT1、VT2同時導通，能量從電源到負載，電機吸收功率。 （2）VT1、VD2同時導通，負載電路短路，uo=0。 （3）VD1、VD2同時導通，功率從電機流向電源，能量反饋到電網(wǎng)。 （4）VT2、VD1同時導通，負載電路短路，uo=0。三、四象限斬波電路VT4始終導通，VT3始終關斷，VT1、VD1、VT2、VD2構成uo0，io為正負的第一，二象限斬波器。VT2始終導通，VT1始終關斷，VT3、VD3、VT4、VD4構成uo0，io為正負的第三，四象限斬波器。第二象限

39、斬波器電流可逆斬波器混合橋式二象限斬波電路四象限斬波電路第五章 交流調(diào)壓電路和交流變頻電路交流變換電路：將一種形式的交流電變換成另一種形式的交流電的電路。此電路 可改變交流電的電壓、電流、頻率、相數(shù)。交流電力控制電路：只改變輸出交流電壓、電流而不改變頻率的電路。如：交流調(diào)壓電路、交流電力電子開關電路。直接變頻：交交變頻 間接變頻：交-直-交變頻 第一節(jié) 單相交流調(diào)壓電路圖5-1 交流調(diào)壓電路原理圖圖5-4 單相交流調(diào)壓感性負載電路 第二節(jié) 相控交交變頻電路概述交交變頻電路：把一種頻率的交流電變換成另一種頻率的交流電。用于大功率低速交流電動機調(diào)速系統(tǒng)，發(fā)電機勵磁電源。一、交交變頻電路原理 電路由

40、P組和N組反并聯(lián)逆變器組成。 t=0時，P組工作，N組關閉，輸出電壓uo為正。 t=02時，N組工作，P組關閉，輸出電壓uo為負。 如果維持P組和N組觸發(fā)不變，負載Z上電壓uo為一個交流方波。改變P組和N組切換頻率，可以改變輸出電壓uo頻率。改變P組和N組的控制角，可以改變輸出電壓uo幅值。環(huán)流：如果兩組同時導通，交流電源短路，兩組間產(chǎn)生很大電流。圖5-7 交交變頻電路原理圖圖5-8 電壓輸出波形圖組通組通-二、有環(huán)流運行方式 為了使正負兩組變流器切換，使負載電流連續(xù)采用有環(huán)流運行方式。兩組變流器同時加觸發(fā)脈沖，由當時負載電流方向決定哪一組導通，并在切換時，兩組輸出電壓相等。平均值相等，瞬時值

41、不等。 為了將環(huán)流限制在允許范圍內(nèi)，在兩組間串聯(lián)環(huán)流電抗器。三、無環(huán)流運行方式 兩組變流器不同時工作，不產(chǎn)生兩組間環(huán)流，正負兩組間切換通過零電流檢測實現(xiàn)。切換過程：正組工作，負組封鎖，檢測環(huán)節(jié)檢測到正向負載電流減小到零時，首先封鎖正組脈沖，經(jīng)過一定時間延時，保證正組可靠關斷后，再開放負組脈沖，實現(xiàn)兩組切換。 第三節(jié) 單相相控交交變頻電路一、工作原理由兩組三相變流器反并聯(lián)構成交交變頻電路。圖5-1單相交交變頻電路第六章 無源逆變電路無源逆變：把直流電能變換為交流電能后，直接向非電源負載供電的電路。 例如：交流電機變頻調(diào)速。 第一節(jié) 無源逆變電路工作原理一、無源逆變電路的基本原理該電路兩種工作狀態(tài)

42、： （1）開關S1、S4閉合，S2、S3斷開， 負載R上電壓左正右負，輸出電壓uo=Ud；（2）開關S2、S3閉合，S1、S4斷開， 負載R上電壓左負右正，輸出電壓uo=-Ud；S1-S4為高速開關，是電力電子構成的電子開關，可由SCR晶閘管構成，也可由GTO、GTR、IGBT全控器件構成圖 6 - 1 單 相 橋 式 逆 變 電 路 及 電 壓 波 形二、無源逆變電路的換相方式換流（換相）：當S1、S4和S2、S3兩組開關接替開閉時，加在負載上的電壓方向接替變化，同時電流也從一對橋臂轉(zhuǎn)移到另一對橋臂的過程。電力電子器件導通，關斷特點： 1）換流（換相）時支路通態(tài)轉(zhuǎn)為斷態(tài)，斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)。 2）

43、電力電子器件導通，必須給門極適當驅(qū)動信號。 3）全控型器件關斷，必須給門極加適當反向信號。 4）半控型器件關斷，晶閘管電流過零后加一定反向電壓。主要換相方式：1.器件換相 2.電網(wǎng)換相 3.負載換相 4.強迫換相三、無源逆變的分類：1.按相數(shù)分：單相；三相。2.按直流側(cè)電源性質(zhì)分：電壓型；電流型。3.按電路結(jié)構分：半橋式逆變；全橋式逆變；推挽逆變；其他逆變。4.按換流方式分：器件換流；負載換流；強迫換流；5.按負載特點分：非諧振逆變；諧振逆變。四、無源逆變用途：1.變頻調(diào)速 2.標準50Hz電源 3.不間斷電源（UPS） 4.中頻裝置 第二節(jié) 電壓型逆變電路逆變電路分：電壓型逆變電路、電流型逆

44、變電路。電壓型逆變電路：直流側(cè)電源是電壓源的逆變電路。在直流側(cè)并聯(lián)大電容。工作時直流側(cè)電壓無脈動電壓輸出為矩形波。電流型逆變電路：直流側(cè)電源是電流源的逆變電路。 一、電壓型單相橋式逆變器 1.半橋逆變電路 由一對橋臂和一個帶有電壓中點的直流電源構成。 C1和C2相等，具有分壓作用。 VT1、VT2分別導通組成兩個回路。圖6-3電壓型單相半橋逆變電路及電壓波形負載電壓波形（ ）電路（ ）負載電流波形（ ）感性負載電流波形（ ）驅(qū)動1驅(qū)動1驅(qū)動2導通1導通22.單相全橋逆變電路：由兩對橋臂組合而成。VT1、VT4構成一對，VT2、VT3構成另一對兩對導電臂叫替導通180o驅(qū)動2、3驅(qū)動1、4（ ）

45、（ ）感性負載電流波形（ ）負載電流波形（ ）電路負載電壓波形圖6-4單相全橋逆變電路及電壓波形驅(qū)動1、4圖6-5電壓型三相橋式逆變電路二、電壓型三相橋式逆變器：由三個半橋組成，開關管采用全控器件GTO、GTRIGBT等。VD1VD6為續(xù)流二極管。在一個周期內(nèi)，6個管觸發(fā)導通的次序為：VT1VT6。依次相隔60o電度角。導通組合順序：VT1-VT2-VT3、VT2-VT3-VT4、VT3-VT4-VT5、VT4-VT5-VT6、VT5-VT6-VT1、VT6-VT1-VT2，每組組合工作60o電度角。 第三節(jié) 電流型逆變電路電流型逆變電路:直流電源為電流源的逆變電路。電流型逆變電路特征：直流中

46、間環(huán)節(jié)用電感作為儲能元件，因為大電感中電流脈動小，近似位直流電源。一、電流型逆變器的特點 （1）直流側(cè)串聯(lián)有大電感，直流側(cè)電流基本無脈動。 （2）電路中的開關元件僅改變直流電流通路徑，交流側(cè)輸出的電流為矩形波。 （3）直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，因電流不能反向，不必反并二極管。 （4）負載為電動機時，也實現(xiàn)再生制動。二、電流型單相橋式逆變器1.電路結(jié)構電抗器LT：限制晶閘管電流上升率di/dt.VT1、VT4和VT2、VT3輪流導通。RL為中頻爐等效電路（12.5KHz）C為補償電容圖6-7單相橋式電流型（并聯(lián)諧振）逆變電路,4,3圖6-9并聯(lián)諧振逆變電路波形圖6-8并聯(lián)諧振逆變電路換流過

47、程（ ）（ ）（ ）2.工作原理圖6-5電流型三相橋式逆變電路圖6-12由相控整流器供電的同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)三、電流型三相橋式逆變器 Ld電感很大，使電流Id近似恒流，為電流源。VT1VT6為IGBT器件，其驅(qū)動信號uc彼此相差60o，各器件在每個周期各導通120o任何時刻有兩只IGBT導通。 060o時，VT1、VT6導通60120o ，VT1、VT2導通120180o ，VT2、VT3導通180240o ，VT3、VT4導通240300o ，VT4、VT5導通300360o ，VT5、VT6導通 第四節(jié) 脈寬調(diào)制（PWM）控制電路一、PWM控制的基本原理及控制方法脈寬調(diào)制目的：使輸出電

48、壓波形趨于正弦波。通過調(diào)整脈沖寬度調(diào)節(jié)輸出電壓， 通過調(diào)整脈沖周期調(diào)整輸出頻率。即通過控制控制半導體功率開關導通及關斷時間比。 即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。 用一系列等幅而不等寬的脈沖代替正弦半波。 在給出了正弦波頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準確計算出來。按照計算結(jié)果控制電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。 采用電力晶體管作為開關器件（也可采用IGBT）的電壓型單相橋式逆變電路： （1）正半周，V1一直導通，V4交替導通。V1、V4同時導通，uo=Ud。 V1導通、V4關斷時，

49、VD3續(xù)流，uo=0。 （2）負半周，V2一直導通，V3交替導通。V2、V3同時導通，uo=-Ud。 V2導通，V3關斷時， VD4續(xù)流，uo=0。單極性PWM控制方式：信號波ur的半個周期內(nèi)，三角載波uc只在一個方向變化。雙極性PWM控制方式：信號波ur的半個周期內(nèi)，三角載波uc只在兩個方向變化。三相橋式PWM逆變電路二、SPWM控制電路1.模擬電路產(chǎn)生PWM方式2.集成電路構成三相SPWM控制電路FEF4752集成電路：產(chǎn)生SPWM信號開關頻率低，適應于GTR器件。SLE4520集成電路：產(chǎn)生SPWM信號開關頻率達20Kz，適應于IGBT、GTR、 GTO變頻器。 新型單片微處理器簡介:

50、8xCl96MC是一個16位微處理器，其內(nèi)部有一個三相互補SPWM波形發(fā)生器，可直接輸出6路SPWM信號，驅(qū)動電流達20mA。 第七章 電力電子器件驅(qū)動與保護 第一節(jié) 晶閘管門極觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路作用：為門極通過觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流。一、觸發(fā)電路的要求 晶閘管觸發(fā)電壓可以是交流電正半周的一部分，也可以是直流。通常采用脈沖電壓，觸發(fā)電路應滿足以下要求：（1）觸發(fā)脈沖有足夠的幅度 實際觸發(fā)電流為35倍額定觸發(fā)電流。（2）觸發(fā)脈沖應有一定寬度 觸發(fā)脈沖寬度 6us以上最好2050us。（3）觸發(fā)脈沖前沿要陡（4）觸發(fā)脈沖要有足夠功率（5）觸發(fā)脈沖與主回路電源電壓必須同步（6）觸發(fā)脈沖具有需要的移相范圍二、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路b1第一基極 e-發(fā)射極b1第二基極圖7-2單結(jié)晶體管等效電路電氣圖形符號2.單結(jié)晶體管自激振蕩電路 電路加Ec后，一路經(jīng)R2、R1加在單結(jié)晶體管b2、b1極，另一路通過