电力电子技术课件.ppt
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电力电子技术,西安交通大学王兆安黄俊主编(第四版)机械工业出版社,第一章概述-1,1.1、什么是电力电子技术?
应用于电力领域的电子技术,使用电力电子器件(PowerElectronicDevice)对电能进行变换和控制的技术。
电力电子技术主要用于电力变换(PowerConversion)。
一、电力电子技术发展史,1、1904年出现了电子管。
2、1947年美国贝尔实验室发明晶体管,引发了电子技术的一场革命。
3、1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管。
4、70年代出现电力晶体管、电力场效应管。
5、80年代后期开始:
绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)为代表。
6、90年代主要有:
功率模块:
为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小,常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式,这给应用带来了很大的方便。
交流直流整流,二、电力变换分类,直流交流逆变,直流直流斩波,交流交流交流调压、变频,三、电力电子技术的重要性,交通运输,电子装置用电源,新能源,电力系统,1.2课程特点及要求,1、要求掌握的对象不同,2、器件的工作特点不同大功率,3、分析方法不同弱电控制强电,4、实用电力电子电路分析,一、课程特点,三、要求,1、听课(30分),2、考试(70分),二、课程主要内容,1、整流,2、逆变,3、斩波,4、交流调压、变频,5、安全用电,6、实用电路,第二章整流电路-2,2.1、电力二极管(PowerDiode),3、封装,5、伏安特性,2.2、晶闸管(SCR、VT),一、结构,3、封装,4、双体晶体管模型,二、工作原理,A-、K+、G任意VT不通,A+、K-G+VT通;G为零,VT不通,VT导通后;G任意,VT通,VT导通后;Ia或Uak接近于“0”,VT关断,三、晶闸管基本特性,1、伏安特性,雪崩击穿,2、晶闸管电流定额,2.1通态平均电流IT(AV)是工频正弦半波的通态电流在一个整周期内的平均值。
2.2有效电流通过电流的热效应来定义,把交流电流一个周期内消耗的能量等效用一个直流电流值来代替。
=,2.3单相半波可控整流电路,一、阻性负载,二、阻感负载,三、带续流二极管单相半波可控整流电路,晶闸管电流平均值,晶闸管电流有效值,续流二极管电流平均值,有效值,小结:
单相半波可控整流电路的特点,1、电路简单,但输出脉动大;,2、变压器二次侧电流中含直流分量,造成变压器铁芯直流磁化。
3、实际上很少应用此种电路,分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点,建立起整流电路的基本概念,声光自熄开关-3,1、要求白天灯不亮;晚上无声音时灯不亮;晚上有声音时灯亮。
2、原理框图,声光自熄开关
(一)原理分析(白天),12V,1.2k,低,高,低,高,低,低,低,声光自熄开关
(一)原理分析(晚上无声音),4M,高,低,高,低,高,低,低,声光自熄开关
(一)原理分析(晚上有声音),4M,高,高,低,高,低,高,高,声光自熄开关
(二),2.4单相桥式全控整流电路,一、阻性负载,二、阻感负载,晶闸管移相范围为90;晶闸管导通角与a无关,均为180。
晶闸管电流平均值,晶闸管电流有效值,q,三、反电动势负载,1、在|u2|E时,晶闸管承受正电压,有导通的可能,导通之后,2、直至|u2|=E,id即降至0使得晶闸管关断,此后ud=E与电阻负载时相比,晶闸管提前了电角度停止导电,称为停止导电角。
2.5单相桥式半控整流电路-4,1、至时间段内,电流流经VT1、L、R、VD4至变压器;,2、至+时间段内,电流流经VT1、L、R、VD2;,3、+至2时间段内,电流流经VT3、L、R、VD2至变压器;,4、2至2+时间段内,电流流经VT3、L、R、VD4至变压器;,2.6三相半波可控整流电路,变压器一次侧:
三角形;二次侧:
星形。
晶闸管:
共阴极接法,二极管换相:
电流从一个二极管向另一个二极管转移。
uab,uac,自然换相点是晶闸管触发角的起点。
=0,一、电阻负载,=300时三相半波可控整流电路,a=30时的波形负载电流处于连续和断续之间的临界状态,uab,uac,=600时三相半波可控整流电路,30时的波形负载电流处于断续状态,=150时的波形负载电压、电流为零,三相半波可控整流电路整流电压平均值的计算,
(1)a30时,负载电流连续,有:
当a=0时,Ud最大,
(2)a30时,负载电流断续,晶闸管导通角减小,此时有:
负载电流平均值为:
晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次线电压峰值:
晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值:
二、阻感负载,例1:
在三相半波整流电路中,如果a相的触发脉冲消失,试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流电压ud的波形。
d2,d1,2.6三相桥式全控整流电路,一、电阻负载(=00),=300,=300时的工作情况:
1、晶闸管起始导通时刻推迟了30,组成ud的每一段线电压因此推迟302、从t1开始把一周期等分为6段,ud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表2-1的规律3、变压器二次侧电流ia波形的特点:
在VT1处于通态的120期间,ia为正,ia波形的形状与同时段的ud波形相同,在VT4处于通态的120期间,ia波形的形状也与同时段的ud波形相同,但为负值。
=600,ud波形中每段线电压的波形继续后移,ud平均值继续降低。
a=60时ud出现为零的点。
a=600,d1,d2,=900,小结v当a60时,ud波形均连续,对于电阻负载,id波形与ud波形形状一样,也连续;v当a60时,ud波形每60中有一段为零,ud波形不能出现负值;v带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120,二、三相桥式全控整流电路阻感负载,图1三相桥式全控整流电路带阻感负载a=0时的波形,图2三相桥式全控整流电路带阻感负载a=30时的波形,图3三相桥式全控整流电路带阻感负载a=90时的波形,阻感负载时的工作情况60时ud波形连续,工作情况与带电阻负载时相似,各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。
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波形不会出现负的部分,而阻感负载时,由于电感L的作用,ud波形会出现负的部分。
带阻感负载时,三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90,三相桥式全控整流电路定量分析,当整流输出电压连续时(即带阻感负载时,或带电阻负载a60时)的平均值为:
带电阻负载且a60时,整流电压平均值为:
输出电流平均值为:
Id=Ud/R,当整流变压器采用星形接法,带阻感负载时,变压器二次侧电流波形为正负半周各宽120、前沿相差180的矩形波,其有效值为:
接反电势阻感负载时的Id为:
2.7整流电路的有源逆变-6,逆变把直流电转变成交流电,整流的逆过程。
l如:
电力机车下坡行驶,机车的位能转变为电能,反送到交流电网中去。
1、两电动势同极性UdEM电动机运转,2、两电动势同极性EMUd电动机回馈制动,3、实际上形成短路,逆变产生的条件,单结晶体管,工作原理和特性曲线,IEO,谷点电压C,单结晶体管振荡电路-7,单结晶体管触发电路,单结晶体管触发电路
(二),双向晶闸管,吊扇调速电路,触摸式调光台灯-8,触电的形式,保护接地,将电气设备在正常运行情况下不带电的金属外壳或构架用足够粗的金属线(例如钢筋)与接地体可靠地链接起来,以保护人身的安全。
保护接零,在1000伏以下接地良好的三相四线制系统中,例如380/220伏系统,电气设备的外壳或构架与系统的零线相接,即保护接零。
重复接地,在采用保护接零时,除系统的中点接地外,还必须在零线上一处或者多处进行接地。
在同一配电系统中,不允许一部分电气设备采用保护接地,而另一部分电气设备采用保护接零。
第三章直流斩波电路-9,直流斩波电路:
一般是指直接将直流电变为另一直流电,不包括直流交流直流。
开关电源向轻、小、薄、高频化、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。
第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(SCR、GTO)发展为MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等),使电力电子系统有可能实现高频化,并大幅度降低导通损耗,电路也更为简单。
第二个阶段自20世纪80年代开始,高频化和软开关技术的研究开发,使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。
高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。
第三个阶段从20世纪90年代中期开始,集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开始发展,它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。
MOSFET,电力场效应晶体管,电力MOSFET静态特性,转移特性:
漏极电流和栅源间电压的关系,电力MOSFET动态特性,uGSP:
非饱和区栅压uT:
开启电压,IGBT的结构和工作原理,IGBT则结合了双极型功率晶体管和MOSFET的优点:
驱动功率小;控制电路简单;开关损耗小;0.055mJ/A通断速度快和工作频率较高;硬开关频率可达150kHz,软开关电路中可达300kHz耐压高应用6600V,实验室8000V,E,线性稳压电源方框图,降压斩波电路(BuckChopper)-10,斩波电路三种控制方式(根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分)1、T不变,变ton脉冲宽度调制(PWM)2、ton不变,变T频率调制3、ton和T都可调,改变占空比混合型,升压斩波电路(BoostChopper),1、V通时,E向L充电,充电电流恒为I1,同时C的电压向负载供电,因C值很大,输出电压Uo为恒值。
设V通的时间为ton,此阶段L上积蓄的能量为:
2、V断时,E和L共同向C充电并向负载R供电。
设V断的时间为toff,则此期间电感L释放能量为:
升降压斩波电路,1、V通时,电源E经V向L供电使其贮能,此时电流为i1。
同时,C维持输出电压恒定并向负载R供电。
2、V断时,L的能量向负载释放,电流为i2。
负载电压极性为上负下正,与电源电压极性相反,该电路也称作反极性斩波电路。
一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零,当V处于通态期间,uL=E;而当V处于断态期间,uL=-uo;,Sepic斩波电路,1、当V处于通态时,EL1V回路和C1VL2回路同时导电,L1和L2贮能。
2、V断时,EL1C1VD回路和L2VDR回路分别流过电流;,开关电源分类-11,1、按负载与开关管联接方式分:
晶体管开关稳压电源,半桥型开关稳压电源,波形分析,U1,半桥型开关稳压电源主电路,反馈控制,4交流电力控制电路和交交变频电路-12,改变电压电流或电路通断,改变频率的电路,4.1交流调压电路,一、电阻负载,二、阻感负载,负载电压有效值,晶闸管电流有效值,在t=a时刻开通VT1,负载电流满足,=,=,(=0),1、VT1提前导通,L被过充电,放电时间延长,VT1的导通角超过;,2、触发VT2时,io尚未过零,VT1仍导通,VT2不通;,3、io过零后,VT2导通,VT2导通角小于;,4、io由两个分量组成:
正弦稳态分量、指数衰减分量;衰减过程中,VT1导通时间渐短,VT2的导通时间渐长,最终VT1、VT2导通角趋近于。
三、斩控式交流调压电路,4.2三相交流调压电路-13,星形联接,线路控制三角形联接,支路控制三角形联接,中点控制三角形联接,=00,三相全波星形连接的调压电路,相电压过零点定为a的起点,a=0时一直有三个晶闸管导通;,VT1-VT6,依次相差60,VT1-VT6,导通角为180,=300,VT4,t=00-300时VT5,VT6导通,uRA=O,t=300-600VT1、VT5、VT6导通,uRA=uA,t=600-900VT1、VT6导通,uRA=uAB/2,t=900-1200VT1、VT2、VT6导通,uRA=uA,t=1200-1500VT1、VT2导通,uRA=uAC/2,t=1500-1800VT1、VT2、VT3导通,uRA=uA,=900,t=900-1500时VT1,VT6导通,uRA=uAB/2,t=1500-2100VT1、VT2导通,uRA=uAC/2,t=2100-2700VT2、VT3导通,uRA=0,t=2700-3300VT3、VT4导通,uRA=-uAB/2,t=3300-3900VT4、VT5导通,uRA=-uAC/2,t=3900-4500VT5、VT6导通,uRA=0,=1200,总结:
1、060三管导通与两管导通交替,每管导通180-,但=0时一直是三管导通;,2、6090两管导通,每管导通120;,3、90150:
两管导通与无晶闸管导通交替,导通角度为300-2。
4.2单相交交变频电路,交交变频电路把电网频率的交流电变成可调频率的交流电,属于直接变频电路。
广泛用于大功率交流电动机调速传动系统,实用的主要是三相输出交交变频电路。
电路构成,1、P组工作时,负载电流io为正;N组工作时,io为负;,基本工作原理,2、两组变流器按一定的频率交替工作,负载就得到该频率的交流电。
改变两组变流器的切换频率,就可改变输出频率。
3、改变变流电路的控制角a,就可以改变交流输出电压的幅值;,4、为使uo波形接近正弦波,可按正弦规律对a角进行调制;,5、在半个周期内让P组a角按正弦规律从90减到0或某个值,再增加到90,每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高,再减到零。
另外半个周期可对N组进行同样的控制;,二、整流与逆变工作状态-14,整流,逆变,整流,逆变,t2-t3:
uo反向,io仍为正,正组逆变,输出功率为负;,t1-t2:
uo和io均为正,正组整流,输出功率为正;,t4-t5:
uo反向,io仍为负,负组逆变,输出功率为负;,t3-t4:
uo和io均为负,反组整流,输出功率为正;,阻断,阻断,单相交交变频电路电压和电流波形图,考虑无环流工作方式下io过零的死区时间,一周期可分为6段,第1段io0反组逆变,第五章逆变电路-16,1)定义:
将逆变电路的交流侧接到交流电网上,把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去。
2)应用:
直流电机的可逆调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。
有源逆变:
无源逆变,1)定义:
逆变器的交流侧不与电网联接,而是直接接到负载,即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载2)应用:
它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源等方面应用十分广泛,是构成电力电子技术的重要内容。
单相桥式逆变电路,换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程,也称换相。
无源逆变换流方式分类,1、器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流。
2、电网换流由电网提供换流电压称为电网换流。
3、强迫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。
直接耦合式强迫换流,4、负载换流,单相半桥电压型逆变电路,逆变电路按其直流电源性质分:
电压型和电流型,特点
(1)直流侧为电压源或并联大电容,直流侧电压基本无脉动;
(2)输出电压为矩形波,输出电流因负载阻抗不同而不同;(3)阻感负载时需提供无功功率,直流侧电容缓冲无功能量。
全桥逆变电路,三相电压型桥式逆变电路,定量分析(线电压)-17,w输出线电压uUV展开成傅里叶级数,输出线电压有效值,基波幅值,基波有效值,定量分析(相电压),w输出相电压uUN展开成傅里叶级数,输出相电压有效值,基波幅值,基波有效值,单相电流型逆变电路,一般在直流侧串联大电感,电流脉动很小,可近似看成直流电流源交流侧电容用于吸收换流时负载电感中存贮的能量,三相电流型逆变电路,第六章PWM控制技术-18,SPWM波形,正弦半波N等分,可看成N个彼此相连的脉冲序列,宽度相等,但幅值不等。
用矩形脉冲代替,等幅,不等宽,中点重合,面积(冲量)相等。
(SPWM波形),调制法,1、输出波形作调制信号,接受调制的信号为载波进行调制得到期望的PWM波;,2、通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波;优点:
a:
其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称b:
与任一平缓变化的调制信号波相交,在交点控制器件通断,就得宽度正比于信号波幅值的脉冲,符合PWM的要求,3、调制信号波为正弦波时,得到的就是SPWM波;,单极性PWM控制方式,双极性PWM控制方式,异步调制和同步调制,载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比,N=fc/fr,根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况,PWM调制方式分为异步调制和同步调制。
异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式。
同步调制N等于常数,并在变频时使载波和信号波保持同步。
规则采样法,正弦调制信号波a称为调制度,0a1;为信号波角频率。
单相桥式PWM逆变电路-19,ICL8038引脚,脚1、12正弦波失真度调整,脚2正弦波输出,脚3三角波输出,脚4、5方波占空比调节,脚6电源,脚7内部频率调节偏置电压,脚8外部扫频电压输入,脚9方波输出,脚10振荡电容,ICL8038内部原理图,单稳态双输出触发器C4528,M57962(IGBT驱动电路),4013(D触发器),电炉工业:
退火炉,烘干炉,淬火炉,烧结炉,坩埚炉,隧道炉,熔炉,箱式电炉,井式电炉,熔化电炉,滚动电炉,真空电炉,台车电炉,淬火电炉,时效电炉,实验电炉,热处理,电阻炉,真空炉,网带炉,高温炉,窑炉。
机械设备:
包装机械,注塑机械,热缩机械,挤压机械,食品机械,回火设备,塑料加工,红外加热。
玻璃工业:
玻璃纤维,玻璃成型,玻璃融化,玻璃印制,浮法玻璃生产线,退火槽。
汽车工业:
喷涂烘干,热成型。
节能照明:
隧道照明,路灯照明,摄影照明,舞台灯光。
化学工业:
蒸馏蒸发,预热系统,管道加热,石油化工,温度补偿。
其它行业:
盐浴炉,工频感应炉,淬火炉温控,热处理炉温控,金刚石压机加热,航空电源调压,中央空调电加热器温控,纺织机械,水晶石生产,粉末冶金机械,彩色显像管生产设备,冶金机械设备,石油化工机械,灯光平滑调节,恒压恒流恒功率控制等领域。
复习,器件,整流电路的有源逆变,升压斩波,升降压斩波,电路实例,声光自熄开关,单结晶体管振荡电路,触摸式调光台灯,晶体管开关稳压电源,半桥型开关稳压电源,单相桥式PWM逆变电路,
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