电力电子第67章合集.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一节 双向晶闸管,第六章 交流调压电路,第二节 晶闸管交流开关,第三节 单相和三相调压电路,第四节 交流电波调压电路,利用电力电子器件的交流开关可以实现高电压、大电流电路的通断，并且具有无触点、动作迅速、寿命长、噪声低和几乎不用维修等优点。,双向晶闸管是晶闸管系列中的主要派生元件，在交流电路中代替一组反并联的普通晶闸管，是一种比较理想的交流交流控制元件。,第一节 双向晶闸管,、结构与特征,双向晶闸管与普通晶闸管一样，也有塑料封装、螺旋型与平板型三种，其核心部分是五层三端半导体结构，结构与符号如图所示。,双向晶闸管的伏安特性如图所示。,二、双向晶闸管的触发方式,双向晶闸管正反二个方向都能导通，门极加正负信号都能触发，因此有四种触发方式。,四种触发方式的特性如表,三、双向晶闸管主要参数选择,为了保证交流的可靠运行，必须根据开关的工作条件，合理选择双向晶闸管的额定通电电流、断态重复峰值电压以及换向电压上升率。,晶闸管交流开关是一种快速、较理想的交流开关。,一、简单交流开关,a,为普通晶闸管反并联的交流开关。,第二节 晶闸管交流开关,b,采用双向晶闸管反并联的交流开关。,c,只用一只普通晶闸管，管子不受反压。,双向晶闸管控制三相自动控温电热炉的电路如图。,为不同起动方法下的特性曲线。采用软起动器将降低起动电流，减少对电网的干扰。,图,二、过零触发开关电路与交流调功器,前面介绍的各种可控整流都 采用移相触发控制，这种触发方式使电路中的正弦波形出现缺角，包含较大的高次谐波。图,为设定周期,Tc,内零触发输出波形的两种工作方式。,四、固态开关,近几年来发展一种固态开关，简称,SSS,。,a,为光电双向晶闸管耦合器非零电压开关。,b,为光电晶闸管耦合的零电压开关。,c,为零电压接通与零电流断开的理想无触电开关。,固态开关一般采用环氧树脂封装，具有体积小、工作频率高的特点，适用与频繁工作或潮湿、有腐蚀性以及易燃的环境中。,交流调压广泛用于工业加热、灯光控制、感应电动机调压调速以及电焊、点解、电镀交流侧调压等场合。单向交流调压用于小功率调压，广泛用于民用电气控制。,一、几种交流调压的触发电路,1.,简单双向晶闸管调压电路，图,为简单有级交流调压电路。,第三节 单相和三相调压电路,2.,触发二级管交流调压电路图,为采用触发二极管的交流调压电路。,3.,单结晶体管触发电路图,为单结晶体管触发电路。,4.KC06,触发器组成的晶闸管移向交流调压电路。图,为该触发电路主要适用于交流直接供电的双向晶闸管或反并联普通晶闸管的交流移向控制。,5.,程控单结晶体管组成的触发电路，,PUT,实质上是一个,N,型门极晶闸管，它的门级从,N1,区引出，而普通晶闸管从,P2,区引出。它具备晶闸管功能又可作为单结晶体管使用。,PUC,触发的晶闸管交流调压电路如图所示。,二、单向交流调压电路分析,1.,电阻性负载,电路图,a,用两只反并联的普通晶闸管或一只双向晶闸管与电阻负载,Rl,组成主电路。以反并联电路进行分析，正半周,时刻触发,VT1,管，负半周,时刻触发,VT2,管，输出电压波形为正负半周缺角相同的正弦波图,b,所示。,2.,电感性负载,当负载为线圈、交流电动机或经过变压器在接电阻负载时，这种负载称为电感性负载，电路如图,所示，工作情况与可控整流电路带电感性负载相似。,三、三相交流调压电路,当交流功率调节容量较大时通常采用三相交流调压电路，而三相交流调压电路可由三个相位互差,120,度的单相交流调压电路组合而成，负载可连接成或,Y,。三相交流调压电路常用的有四种接线方法如图所示。,1.,星形带中性线的三相交流调压,2.,晶闸管与负载连接成内三角形的三相交流调压,3.,三相三线交流调压,4.,控制负载中性点的三相交流调压,一、交流斩波调压原理,交流斩波调压电路的输出电压波形如图,b,所示。,第四节 交流电波调压电路,二、交流斩波控制,目前采用全控型器件如,GTO,、,GTR,、,IGBT,等来构成交流斩波调压电路，如图所示为,GTR,及快速二极管组成的交流斩波调压电路。,若负载为纯电阻，负载电流,i,的基波波形与负载电压波形相同，如图,a,所示。,若为电感性负载，负载电流,i,滞后电源电压,u2,波形如图所示。,第七章 变频电路,第一节 变频电路的基本概念,第二节 谐振型逆变电路,第三节 三相逆变器,第四节 脉宽调制技,第五节 交流变频调速原理,第一节 变频电路的基本概念,一、变频器及其分类,变频电路从变频过程分可分为二大类：,交流,交流变频，它将,50Hz,的交流直接变成其它频率,(,低于,50Hz),的,交流，称直接变频。,交流,直流,交流变频，将,50Hz,交流先整流为直流，再由直流逆变,为所需频率的交流。,上述两大类变频器又可细分如表。,二、无源逆变器,(Invener),的简单工作原理,逆变器换流有以下两种：,（,1,）负载换流,逆变器输出电流超前电压,(,即带电容性负载,),时，当流过晶闸管中的振,荡电流自然过零，则晶闸管将缮续承受负载的反电压，如超前时间大于管,子关断时间，就能保证管子完全恢复阻断能力实现可靠换流。目前使用较,多的并联与串联谐振式中频电源就是属于此类换流。这种换流，主电路不,需要附加换流环节，也称自然换流。,（,2,）强迫换流,亦称脉冲换流。生产中大量是电感性负载，必须采用强迫换流。其特,点是设置专门的换流回路，通常由电感、电容,、,小容量晶闸管等组成。换,流回路的任务是在需要的时刻产生短暂的反向脉冲电压，迫使导通的管子,关断。,三、电感性负载与反馈,(,续流,),二极管,在实际应用中磋到大量电感性负载，此时采用恒定电压,d,供电的电压,型电路将无法工作，因为在半周末关断一对晶闸臂和导通另一对晶闸管时，,由于负载是电感性的，电流滞后于电压，故此时电流还未到零，如,使负载电流瞬时反向，将在负载电感两端感应出大电压，使管子损,坏。为此必须在晶闸管两端反并联一十二极管,(,称为反馈二极管,),，电路,才能正常工作，电路如图。,第二节 谐振型逆变电路,一、并联谐振逆变器,换流电容与负载电路并联，换流是基于并联谐振的原理，这类逆变器称为并联谐振逆变器简称并联逆变器、较多用于金属的熔炼、透热和淬火的中频加热电源。,图为并联逆变器主电路，由三相可控整流获得电压连续可调的直流电源,U,d,，经过大电感滤波，通过并联逆变电路将直流电逆变为中频交流电供给负载，属于电流型逆变器。,逆变桥由四个晶闸管桥臂组成，因工作频率较高,(,通常为,1000,2500Hz),，故采用,KK,型快速晶闸臂。,L,1,L,4,为,4,只电脑量很小的桥臂电感，用于限制电流上升串,d,i,d,t,。感应线圈,L,、,R,和电容,并联组成负载谐振电路。,二、串联谐振逆变器,换流电容与负载电路串联，它的换流是基于串联谐振的原理，,这类逆变器称为串联谐振逆变器，筒称串联逆变器。,下图为串联谐振逆变电路，特点是采用不可控整流，电路简单、功,率因数高。,三、全控型器件构成的谐振逆变器,(,一,),软开关技术,随着电力电子新器件不断涌现，向高频化、模块化、小型化发晨，为了降低电力电子器件的开关损耗，提出了谐振电路在电压、电流过零时进行换流，这种电力电子开关器件在零电压、零电流时开通和关断，称之为软开关。,图,a,为零电压开关,(ZVS),，电容,C,与开关器件,Q,是并联的，在,Q,导通之前,C,和,L,产生串联谐振，当,C,上电压为零时再使,Q,导通，此时电压,u,与电流,i,波形见图,a,导通时波形。当开关器件,Q,关断时，由于电容,C,的存在，开关器件,Q,上承受的电压,u,以线性速度缓慢地从零开始上升，电压,u,与电流,i,彼形见图,a,关断时波形。,图,b,为零电流开关,(ZCS),。电感,L,与开关器件,Q,是串联的，当开关器件,Q,导通，由于电感,L,的存在，开关器件,Q,上的电流,i,以线性速度从零开始上升。电压,u,与电流,i,波形见图,b,导通时波形。在,Q,关断之前,L,和,C,组成谐振电路产生并联谐振，当流过,Q,上的电流为零时再使,Q,关断，此时电压,u,与电,流,i,波形见图,b,关断时波形。,(,二,)IGBT,谐振型逆变器,图中，,VI,1,VI,4,为,4,只,IGBT,。,图,b,中，感应线圈,L,、电容和电阻只组成串联谐振电路在,IGBT,丁关断期间震荡，于是开关器件两端的电压形成一近似正弦彼，为开关器件导通时建立起零电压条件，如,VI,1,导通以前，,C,l,与,L,和,R,谐振，使,C,l,上电压为零。,VI,1,导通时其两端电压为零。这样就大大降低了开关器件导通时的损耗，,提高了换流效率。,图,a,中，感应线圈,L,、电容,C,和电阻,R,组成并联谐振电路，使整个负载电路呈现为电阻特性，因此负载电流和负载电压的基波是同相位，在电压和电流过零瞬间，,IGBT,逆变桥进行换流，实现了逆变器换流时在零电压和零电流时的开和关。,第三节 三相逆变器,一、电压型逆变器,(,一,),晶闸管串联电感式逆变电路,目前应用的三相串联电感式逆变电路为强迫换流形式，如图所示。,1,换流过程,此类电路换流是在同一相桥臂的两个晶闸管之间进行的，如,A,相桥臂内，,VT,1,导通时触发,VT,4,导通，强迫,VT,1,关断，负载电流,i,A,由经,VT,1,流出换流为流入,VT,4,。换流电路由,C,1,C,6,、,L,1,L,6,组成，,L,1,与,L,3,、,L,4,与,L,6,、,L,5,与,L,2,为全藕合，,VD,1,VD,6,为反馈二极臂，为感性负载电流提供反馈电源的通路。,2,三相串联电感式逆变器工作原理,改变逆变桥晶闸管的触发频率或者改变管子触发顺序,(VT,6,VT,1,),，即能得到不同频率和不同相序的三相交流电，实现电动机的变频调速与正反转。,(,二,)IGBT,三相逆变电路,图为,IGBT,三相逆变电路，由六只自关断器件,IGBT,构成电压型逆变器，它和晶闸管组成的三相逆变器的不同之处是不需要强迫关断电路，各只,IGBT,依次每隔,60,换流一次，导通次序为,VI,1,、,VI,2,、,VI,3,、,VI,2,、,VI,3,、,VI,4,、,VI,3,、,VI,4,、,VI,5,依次类推，每只,IGBT,仍导通,180,，各相线电压与相电压波形同图。,VD,1,VD,6,为续流二极管，为感性负载电流提供反馈通路。,二、电流型逆变器,(,一,),串联二极管式逆变电路,串联二极管式逆变器是电流型逆变器，性能优于电压型逆变器，在晶闸管变频调速中应用最多。下图为其主电路。,1,换流过程,现以在,VT,5,、,VT,6,稳定导通时，触发,VT,1,使,VT,5,关断的换流过程为例来说明，分,4,个阶段：（,1,）换流前，（,2,）晶闸管换流，（,3,）二极管换流，（,4,）正常运行。,2,串联二极管式逆变器的工作原理,由于在换流期间引起电动机绕组中电流的迅速变化，在绕组漏感中产生感应电动势，叠加在原有电压上，所以在电流型逆变器输出的近似正弦波的电压波形上，出现换流尖峰电压,(,毛刺,),，其数值较大，在,选择晶闸管耐压时必须考虑。,(,二,)GTO,电流型逆变电路,图由六只,GTO,组成三相电流型逆变器，每只,GTO,导通,120,，而且每隔,60,换流一次，导通次序为,VT,1,、,VT,2,、,VT,2,、,VT,3,、,VT,3,、,VT,4,，依此类推。图中没有反馈二极管，因此电感性负载电流不能通过它反,馈回电源，所以在电路中加了电容吸收电路，连接在电动机的三,相端子上。当,GTO,关断时，电感负载形成的反馈能量由电容吸收。,三、三点式,(,三电平,),逆变电路,三点式,(,三电平,),逆变电路示意图如图所示。当,A,相开关处于,l,、,2,、,3,三个不同开关位置时，相对电源中性点,0,的电位分别为,1/2U,d,、,0,、,-1/2U,d,，因此称为三点式或三电平逆变器。,图为三点式逆变电路，它是由六只主逆变管,VT,1,VT,6,和六只副逆变管,VT,7,VT,12,组成。各相在任何时刻输出电压为,1/2U,d,、,0,、,-1/2U,d,三种电压的一种。,采用三点式逆变器的优点有：主电路元器件的额定电压降低到,1/2U,d,。输出电压为阶梯波。由于对输出电压波形的改进，供给吸收电路的电压为,1/2U,d,，所以流人吸收电路的能量变小，即发热量也变小，电路可获小型化。主电路电流所含的低次谐波减小，因而电机的电磁干扰可减小。,第四节 脉宽调制技术,脉宽调制技术简称,PWM,，,PWM,控制技术就是控制半导体开关元件的导通和关断时间比，即调节脉冲宽度或周期来控制输出电压的一种控制技术。,一、正弦波脉宽调制技术,正弦波脉宽调制分单极性和双极性脉宽调制，它使每一个输出矩形脉冲的面积与对应的正弦波电压的面积成正比，如图所示，获得等幅不等宽的正负脉冲列，这样逆变器输出电压波形就与正弦基波电压接近。,正弦基波电压峰值为,U,M,，频率为,fs,。三角波电压峰值为,U,TM,，频率为,f,T,。,则幅值比,频率比,幅值比又称调制比，频率比又称载波比。,二、单极性正弦波脉宽调制,由图可知，正弦基波的频率就是逆变器输出电压的频率，而三角载波的频率受开关元件的开关频率限制。载波比,N,越大，逆变器输出电压越接近正弦波，谐波分量就越小。但,N,值越大，意味着载波频率,fT,越高，在一个工作周期元件的开关次数就越多，元件开关损耗相应增大。,当幅值比改变时，常改变正弦调制电压的幅值，就会使各脉冲的宽度发生变化，特别是当正弦调制电压峰值接近于三角波峰值时，在三角波峰值附近的脉冲关断时间会很小，导致关断速度较慢的元件来不及关断，从而使相邻输出电压脉冲相连。,三、双极性正弦波脉宽调制,双极性正弦波脉宽调制主电路如图所示。由对称于横坐标的三角波与正弦波相交后进行比较，得到控制,VT,1,VT,4,的驱动信号。控制,VT,1,、,VT,4,和,VT,2,、,VT,3,的信号在相位上互补，即在同一桥臂上的二个开,关元件轮流工作。,综上所述，得出如下几点：,1),为了使输出电压脉冲为奇函数，并在,0,内对称于,/2,，必须使载波比,N,为奇数。,2),在实际应用中，要兼顾开关元件的开关频率和开关损耗。因为载波比,N,增大，在一个周期内开关元件的开关次数就必然增多，虽然输出电压谐波分量减小，但开关损耗增大，所以要选用开关损耗小的高性能的开关元件，如,IGBT,。,3),对上图所示的主电路，为防止上下桥臂上的开关元件同时导通而引起的短路，必然在控制电路上采取措施，保证臂子先关断后导通的换流次序。,4)SPWM,属于,PWM,控制电压型逆变器，消除谐泣效果好，输出,电压波形接近正弦泣，脉动转矩小，电动机低速运行好，但,SPWM,基波幅值较低，直流电源电压利用率低。,第五节 交流变频调速原理,一、调速原理,交流电动机分同步电动机和异步电动机，异步电动机又可分为笼型异步电动机和绕线转子异步电动机，对于同步电动机，其转速为,式中,p,为电动机极对数；,f,为定子电源频率。,面对于笼型和绕线转子异步电动机，其转速为,式中,s,为转差率。,从上式可以看出，改变极对数,p,、转差率,s,和调节频率,f,都可以调速。对于同步电动机，运行中改变极对数,p,会引起失步；对于异步电动机，改变极对数,p,是有级调速，改变转差率,s,大部分是耗能调速，唯有改变频率调速是交流电动机较为理想的调速方法。,二、调速控制方式,常用的控制方式有保持,U,1,f=,常数的比例控制方式、矢量控制方式和转差频率控制方式。,三、交一交变频电路基本厚理,交一交变频就是把一种频率的交流电变换成另一种频率的交流电，这种变频器称为周波变流器，或称循环变频器。,