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1、电力电子技术,古越龙山电气自动化技术,电力电子技术是电气自动化技术专业的一门专业核心课程，横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域，运用弱电（电子技术）控制强电（电力技术），是强弱电相结合的新学科。,课程介绍,1957年第一只晶闸管诞生；快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管；8000V、6000A；新型半导体器件：GTR、GTO、MOSFET、IGBT、MCT；,电力电子技术的应用,一、可控整流,将交流电变为直流电,电力电子技术广泛地用于工业自动控制、牵引运输、电能变换、家用电器、变频系统等领域。,（1）公交电车：市电输送时用交流成本比较低，故用于电车时要把高压交流变成合适电压值的
2、直流，交变直就是一个“整流”过程。（2）直流电机的调速、同步电机的励磁、电焊等,二、交流调压,将固定的交流电变为可调的交流电,电力电子技术的应用,应用：如灯光亮度调整、电机调速、电压转换、电磁控制等。,三、有源逆变,将直流电变为交流电回送电网,电力电子技术的应用,应用：直流电机的可逆调速、绕线型异步电动机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等。,四、无源逆变变频,将频率固定的交流电变为频率可调的交流电,电力电子技术的应用,应用：交流电机变频调速、感应加热、不间断电源等。,五、直流斩波,将固定的直流电变为可调的直流电,电力电子技术的应用,在直流传动系统、充电蓄电电路、开关电源、电力电子变换装置及
3、各种用电设备中得到普通的应用.,项目1 调光灯电路的安装与调试,晶闸管,同步变压器,调光电位器,触发电路,主电路,单结晶体管,任务一 认识晶闸管,晶闸管按外形封装形式可分为小电流塑封式（小容量，一般额定电流10A以下）、小电流螺旋式、大电流螺旋式（螺旋式额定电流一般介于10A至200A之间）和大电流平板式（额定电流在200A以上）,任务一 认识晶闸管,任务一 认识晶闸管,任务一 认识晶闸管,任务一 认识晶闸管,图1-10晶闸管导通关断条件测试电路,导通条件：阳极加正向电压、门极加正向电压；关断条件：阳极电流小于维持电流,结论,1.12如图题1.12所示，试画出负载Rd上的电压波形(不考虑管子的
4、导通压降)。,A,K,G,：控制角,控制电路触发电路,主电路,晶闸管的伏安特性,任务一 认识晶闸管,晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。,晶闸管主要参数,（1）阳极参数晶闸管的额定电压UTe 晶闸管的额定电流IT(AV) 维持电流IH擎住电流（2）门极参数（3）动态参数,任务一 认识晶闸管,整流设备的输出端所接负载常用平均电流来表示，晶闸管额定电流采用的是平均电流，而不是有效值 。1）定义：在环境温度为40和规定的冷却条件
5、下, 晶闸管在电阻性负载导通角不小于170的单相工频正弦半波电路中, 当结温稳定且不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流。,1.一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。2.将UDRM和URRM中的较小值按百位取整后作为该晶闸管的额定值。例如：一晶闸管实测UDRM812V，URRM756V，将两者较小的756V，再查表取700V。,这说明额定电流IT(AV)=100A的晶闸管，其额定有效值为IT = Kf IT(AV) = 157A。,2） IT(AV)计算方法：,（1.3.3）,（1.3.4）,（1.3.5）,（1.3.6）,额定电流有效值为：,现定义某电流波形的有效值与平均值
6、之比为这个电流波形的波形系数，用Kf表示：,根据上式可求出正弦半波电流的波形系数：,额定电流(平均电流)为：,任务一 认识晶闸管,晶闸管在实际选择时，其额定电流的确定一般按以下原则：管子在额定电流时的电流有效值大于其所在电路中可能流过的最大电流的有效值，同时取1.52倍的余量，即：,晶闸管的选取:,所以：,例1-1 一晶闸管接在220V交流电路中，通过晶闸管电流的有效值为50A，问如何选择晶闸管的额定电压和额定电流？,提示：一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。,任务一 认识晶闸管,1.9 图题1.9中实线部分表示流过晶闸管的电流波形，其最大值均为Im，试计算各图的电流平均值电
7、流有效值和波形系数。,1.10上题中，如不考虑安全裕量，问额定电流100A的晶闸管允许流过的平均电流分别是多少?,1.14单相正弦交流电源，晶闸管和负载电阻串联如图题1.14所示，交流电源电压有效值为220V。 (1)考虑安全余量，应如何选取晶闸管的额定电压？ (2)若当电流的波形系数为Kf=2.22时，通过晶闸管的有效电流为100A，考虑晶闸管的安全余量，应如何选择晶闸管的额定电流？,有效值,普通晶闸管型号的含义,任务一 认识晶闸管,（1）国产晶闸管的命名国产可控硅（晶闸管）的型号有部颁新标准（JB1144-75）KP系列和部颁旧标准（JB1144-71）3CT系列。 KP系列的型号及含义如
8、下：,某晶闸管型号规格为KP200-8D，试问型号规格代表什么意义?,1.8型号为KP100-3，维持电流IH=4mA的晶闸管，使用在图题1.8所示电路中是否合理，为什么?(暂不考虑电压电流裕量),项目1 调光灯电路的安装与调试,晶闸管,同步变压器,调光电位器,触发电路,主电路,单结晶体管,任务二 认识单结晶体管,单结晶体管实物图,单结晶体管结构,任务二 认识单结晶体管,（a）结构 （b）等效电路 （c）图形符号 （d）外形管脚排列图1-13 单结晶体管,触发电路常用的国产单结晶体管的型号主要有BT31、BT33、BT35。,（a）单结晶体管测试电路 b）单结晶体管伏安特性 （c）特性曲线族图
9、1-14 单结晶体管伏安特性,任务二 认识单结晶体管,单结晶体管特性,式中分压比，是单结晶体管的主要参数，一般为0.30.9。,任务三 单结晶体管触发电路,（a）电路图 （b）波形图图1-15 单结晶体管张驰振荡电路电路图和波形图,单结晶体管张驰振荡电路,任务三 单结晶体管触发电路,任务一 认识晶闸管,晶闸管的测试,（1）A： 选用万用表R100档或R1k档，分别测量各电极间的正反向电阻。如果其中有一管脚对另外两个管脚的电阻都很大，在几百千欧以上，则该管脚为阳极A；（2）G/K： 用万用表R1档，黑表笔接阳极（A），红表笔接阴极（），黑表笔在保持和阳极（A）接触的情况下，再与控制极（G）接触，
10、即给控制极加上触发电压。此时，晶间管导通，阻值减小，表针偏转。然后，黑表笔保持和阳极（A）接触，并断开与控制极（G）的接触。若断开控制极（G）后，晶闸管仍维持导通状态，即表针偏转状况不发生变化，则晶闸管基本正常。则黑笔对应的为G。,整流电路；交流转换为直流,按照输入交流电源的相数:单相、三相和多相整流电路； 按电路中组成的电力电子器件控制特性:不可控、半控整流电路； 根据整流电路的结构形式:半波、全波和桥式整流电路等类型。,相控整流电路:电压可调； 二极管整流电路:电压固定；,相控整流电路的类型 ：,（1）输出的直流电压大小可以控制； （2）输出直流侧电压和交流侧电流中的纹波都必须限制在允许范
11、围内； （3）整流器的效率要高。,利用电力电子器件的可控开关特性把交流电能变为直流电能的整流电路构成的系统称为整流器。,整流器电路性能和控制方式必须满足的要求：,定义：,定义晶闸管从承受正向电压起到触发导通之间的电角度称为控制角(或移相角)，晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角，用表示。,图2.2.1 单相半波可控整流,1、电路图,（2.2.2）,2、 电阻性负载时参数计算：,根据波形图2.2.1 (b)，可求出整流输出电压平均值为：,移相范围：整流输出电压Ud的平均值从最大值变化到零时，控制角的变化范围为移相范围。,当=0时，Ud=0，当=时，Ud=0.45U2为最大值。,这种通过控制触
12、发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。,单相半波相控整流电路带电阻性负载时移相范围为。,根据有效值的定义，整流输出电压的有效值为,（2.2.4）,那么，整流输出电流的平均值Id和有效值I分别为,电流的波形系数Kf为,（2.2.7）,（2.2.5）,（2.2.6）,上式(2.2.7)表明，控制角越大，波形系数Kf越大。,（2.2.8）,如果忽略晶闸管T的损耗，则变压器二次侧输出的有功功率为,电源输入的视在功率为,（2.2.10）,（2.2.9）,从上式可知，功率因数是控制角的函数，且越大，相控整流输出电压越低，功率因数PF越小。 当=0时，PF=0.707为最大
13、值。这是因为电路的输出电流中不仅存在谐波，而且基波电流与基波电压(即电源输入正弦电压)也不同相，即是使电阻性负载，PF也不会等于1。,电路的功率因数,2.2 单相半波可控整流电路中，如果：（1）晶闸管门极不加触发脉冲；（2）晶闸管内部短路；（3）晶闸管内部断开；试分析上述三种情况负载两端电压ud的波形。,2.6：某电阻性负载要求024V直流电压，最大负载电流Id=30A，如采用由220V交流直接供电和由变压器降压到60V供电的单相半波相控整流电路，是否两种方案都能满足要求?试比较两种供电方案的晶闸管的导通角、额定电压、额定电流。,2.7：某电阻性负载，Rd=50,要求Ud在0600V可调，试用
14、单相半波整流电路来供给，分别计算： （1）晶闸管额定电压、电流值；（2）连接负载的导线截面积(导线允许电流密度j=6A/mm2)；（3）负载电阻上消耗的最大功率。,图2.2.3 感性负载单相半波可控整流电路及其波形,1、工作原理,感性负载上的输出电压平均值Ud,故,（2.2.11）,（2.2.12）,（2.2.13）,式(2.2.13)表明, 感性负载上的电压平均值等于负载电阻上的电压平均值。,由于负载中存在电感，使负载电压波形出现负值部分，晶闸管的流通角变大，且负载中L越大，越大，输出电压波形图上负压的面积越大，从而使输出电压平均值减小。在大电感负载LR的情况下，负载电压波形图中正负面积相近
15、，即不论为何值， ，都有 。,2. 大电感性负载（LR ）,图2.2.4 LR 时不同时的电压波形,3. 大电感负载+续流二极管,图2.2.5 大电感负载接续流管的单相 半波整流电路及电流电压波形,电源电压正半周，负载电流由晶闸管导通提供；电源电压负半周时，续流二极管D维持负载电流； 因此负载电流是一个连续且平稳的直流电流。大电感负载时，负载电流波形是一条平行于横轴的直线，其值为Id；,晶闸管与续流管承受的最大电压均为,大电感+续流二极管的参数计算,若设T和D分别为晶闸管和续流二极管在一个周期内的导通角，则容易得出晶闸管的电压平均值为,流过续流二极管的电流平均值为,流过晶闸管和续流管的电流有效
16、值分别为,（2.2.17）,（2.2.14）,（2.2.15）,（2.2.16）,例题：图为中小型发电机采用单相半波晶闸管自激恒压激磁的原理图。发电机相电压为220V，要求激磁电压为45V。激磁线圈的电阻为4，电感为0.2H，试决定晶闸管的导通角、流过晶闸管与续流二极管的平均值与有效值。,习题：有一转差离合器的励磁绕组，其直流电阻为45，希望在090V范围内可调，采用单相半波可控整流电路，由电网直接供电，电源电压为220V，试选择晶闸管和二极管。,优点：线路简单，调整方便；缺点：（1）输出电压脉动大，负载电流脉动大（电阻性负载时）。（2）整流变压器次级绕组中存在直流电流分量， 使铁芯磁化，变压
17、器容量不能充分利用。若不用变压器，则交流回路有直流电流，使电网波形畸变引起额外损耗。应用：单相半波可控整流电路只适于小容量、波形要求不高的场合。,2.2.1 单相半波相控整流电路,总结,2.2.1 单相半波相控整流电路,1. 电阻性负载,总结,2. 电感性负载,（等效为电感L和电阻R串联）,图2.2.3 感性负载单相半波可控整流电路及其波形,2.2.1 单相半波相控整流电路,总结,2. 电感性负载（大电感、并联续流二极管）,2.2.1 单相半波相控整流电路,总结,2.2.2 单相桥式相控整流电路,1、阻性负载,即Ud为最小值时，=180，Ud为最大值时=0，所以单相全控桥式整流电路带电阻性负载
18、时，的移相范围是0180。,新课,1、阻性负载参数计算：,3）输出电流的平均值和有效值分别为,2）整流输出电压的有效值为,1）整流输出电压的平均值,（2.2.18）,（2.2.19）,（2.2.20）,（2.2.21）,2.2.2 单相桥式相控整流电路,1、阻性负载参数计算：,4）流过每个晶闸管的平均电流为输出电流平均值的一半，即,5）流过每个晶闸管的电流有效值为,（2.2.23）,（2.2.22）,6）晶闸管承受的最大反向电压为 U2。,7）在一个周期内每个晶闸管只导通一次，流过晶闸管的电流波形系数为,（2.2.24）,2.2.2 单相桥式相控整流电路,1、阻性负载参数计算：,9） 在一个周
19、期内电源通过变压器两次向负载提供能量，因此负载电流有效值d与变压器次级电流有效值I2相同。那么电路的功率因数可以按下式计算,8）负载电流的波形系数为,（2.2.26）,（2.2.25）,2.2.2 单相桥式相控整流电路,、 的移相范围相等，均为0180；、输出电压平均值Ud是半波整流电路的倍；、在相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减小一半；、功率因数提高了 倍。,通过上述数量关系的分析，电阻负载时，对单相全控桥式整流电路与半波整流电路可作如下比较：,2.2.2 单相桥式相控整流电路(续),例2.2.2 阻性负载的单相全控桥式整流电路，已知负载电阻为4，要求输出电流在025A之间变化，求：（
20、1）整流变压器的变比；（2）连接导线的截面积（取允许电流密度j=6A/mm2)（3）选择晶闸管的型号（考虑2倍余量）（4）在不考虑损耗的情况下，选择整流变压器的容量（5）计算负载电阻的功率（6）计算电路的最大功率因数。,2.7某电阻性负载，Rd=50,要求Ud在0600V可调，试用单相全控桥整流电路来供给，分别计算：晶闸管额定电压、电流值；连接负载的导线截面积(导线允许电流密度j=6Amm2)；负载电阻上消耗的最大功率。,2大电感负载,图2.2.8 单相全控桥式整流电路带电感性负载电路与波形图,电路控制角的移相范围为0/2,2.2.2 单相桥式相控整流电路(续),2大电感负载参数计算：,1）在
21、电流连续的情况下整流输出电压的平均值为,2）整流输出电压有效值为,3）晶闸管承受的最大正反向电压为 U2。,(090),(2.2.27),(2.2.28),4）在一个周期内每组晶闸管各导通180，两组轮流导通，变压器次级中的电流是正负对称的方波，电流的平均值Id和有效值I相等，其波形系数为。,2.2.2 单相桥式相控整流电路(续),2大电感负载参数计算：,5）在电流连续的情况下整流输出电压的平均值为,(2.2.29),(2.2.30),单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器次级中电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器的利用率高。 在大电感负载情况下，接近/2时，
22、输出电压的平均值接近于零，负载上的电压太小。且理想的大电感负载是不存在的，故实际电流波形不可能是一条直线，而且在之前，电流就出现断续。电感量越小，电流开始断续的值就越小。,6）结论：,2.2.2 单相桥式相控整流电路(续),习题： 单相桥式全控整流电路，U2100V，负载中R=2，L值极大，当=45时，要求：作出ud、id、和i2的波形；求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2；考虑2倍安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。,图为单相全波整流电路，由一只晶闸管与一只整流二极管组成，已知U2=220 V，=45。求：画出=45时Ud的波形输出直流电压Ud画出晶闸管两端电压U
23、T与二极管两端电压Ud波形。,2.8 整流变压器二次侧中间抽头的双半波相控整流电路如图题2.8所示。（1）说明整流变压器有无直流磁化问题?（2）分别画出电阻性负载和大电感负载在=60时的输出电压Ud、电流id的波形，比较与单相全控桥式整流电路是否相同。若已知U2=220V，分别计算其输出直流电压值Ud。（3）画出电阻性负载=60时晶闸管两端的电压uT波形，说明该电路晶闸管承受的最大反向电压为多少?,3反电势负载工作原理,反电动势负载：对于可控整流电路来说，被充电的蓄电池、电容器、正在运行的直流电动机的电枢（电枢旋转时产生感应电动势E）等本身是一个直流电压的负载。,图5.2.9 单相全控桥式整流
24、电路 带反电势负载电路波形图,3反电势负载工作原理,导电角时，整流电流波形出现断流。其波形如图5.2.9(c)所示，图中的为停止导电角。也就是说与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电。,(2.2.31),时，若触发脉冲到来，晶闸管因承受负电压不可能导通。为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当 时刻晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样就要求触发角。,3反电势负载参数计算,(2.2.33),(2.2.32),1）整流器输出端直流电压平均值,2）整流电流平均值,2.2.2 单相桥式相控整流电路(续),1大电感负载时的工作情况,例2.2.3 单相桥式半控整流电路,图2.
25、2.10 单相半控桥式整流电路带大电感负载时的电压、电流波形图,例2.2.3 单相桥式半控整流电路,1大电感负载时的工作情况,续流二极管的作用：消除失控,1大电感负载时的工作情况,例2.2.3 单相桥式半控整流电路,P81习题：某单相半控整流电路，负载为大电感并接有续流二极管D，要求输出整流电压在2080V范围内连续可调，最大负载电流为20A，最小控制角min=300，试计算晶闸管、整流管、续流二极管额定电流以及变压器的容量。,2.4某电阻性负载的单相半控桥式整流电路，若其中一只晶闸管的阳、阴极之间被烧断，试画出整流二极管、晶闸管两端和负载电阻两端的电压波形。,同步信号为锯齿波的触发电路,2.7.2 晶闸管触发电路,恒流源,反充电,同步信号为锯齿波的触发电路,
