電力電子技術(shù)講義

電力電子技術(shù)講義第1頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1有源逆變的工作原理直流電逆變器交流電有源逆變無源逆變電網(wǎng)用電設(shè)備有源逆變應(yīng)用：直流電動(dòng)機(jī)可逆拖動(dòng)，線繞式異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速，直流輸電第2頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.1工作原理12MVT10VT2L重物重物上升，變流器為電機(jī)提供能量，電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)；重物下降，電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，變流器吸收電機(jī)提供能量，送回電網(wǎng)。第3頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月仿真模型f41.mdl第4頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月RMM+-Ud+-id功率發(fā)電機(jī)狀態(tài)ERMM+-Ud+-id功率電動(dòng)狀態(tài)E整流（）逆變（）第5頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月RMM+-Ud+-id短路發(fā)電機(jī)狀態(tài)E整流與逆變的比較短路（不允許）第6頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1.2逆變條件要有給晶閘管正向電壓的外部直流電源E，且E>Ud變流器工作在的區(qū)域（輸出負(fù)電壓）逆變角

整流Ud=Udocos()逆變Ud=-Udocos()逆變電路：單/三相半波；單/三相全控橋。（有或相當(dāng)于有續(xù)流二極管的電路因無法輸出負(fù)電壓，不能做為逆變電路）逆變角的定義逆變電路的要求又稱變流器（既能整流又能逆變）第7頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月仿真模型f411.mdl4.1.3逆變失敗與逆變角的限制第8頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月VT2脈沖丟失逆變失敗的原因觸發(fā)電路不可靠（脈沖丟失或延時(shí)）晶閘管故障交流電源異常（缺相或丟失）逆變角太小Ud與E順向連接造成短路第9頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月逆變失敗相當(dāng)于短路，將損壞變流裝置（整流失敗只會(huì)使輸出電壓缺相）逆變角的限制第10頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2有源逆變電路的應(yīng)用4.2.1直流電動(dòng)機(jī)可逆拖動(dòng)系統(tǒng)一組變流器供電，接觸器控制正反轉(zhuǎn)M+-Ud接觸器動(dòng)作慢,壽命短,且切換需要控制K1K2K1K2第11頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月兩組變流器供電Lc1Lc2LLc1Lc2Lc3Lc4LMMMLUVWO12三相半波UVWUVW三相橋式12反并連接12第12頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月ML12ML12ML12ML12nT+-+-id+-+-id+-+-idText-++-id四象限運(yùn)行圖正轉(zhuǎn)整流電動(dòng)運(yùn)行反轉(zhuǎn)整流發(fā)電運(yùn)行反轉(zhuǎn)整流電動(dòng)運(yùn)行正轉(zhuǎn)逆變發(fā)電運(yùn)行有源逆變產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)第13頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月工作方式邏輯無環(huán)流工作方式

1/2組不同時(shí)工作無環(huán)流（無需笨重的電抗器限制環(huán)流）根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向（E的極性）及零電流（Id=0）作出邏輯判斷，按要求控制1/2兩組變流器的工作狀態(tài)ML12+-+-id環(huán)流環(huán)流：不經(jīng)負(fù)載，徒增器件電流負(fù)擔(dān)第14頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月工作方式

Uc=0=90n=0Uc(Uc0)(Ud

=Ud

)1組整流，2組待逆變(1組脈沖左移，2組脈沖右移）電機(jī)正轉(zhuǎn)；此時(shí)若要降低正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，只須降低Uc，則2組逆變，1組待整流，轉(zhuǎn)速下降后，1組重新進(jìn)入整流狀態(tài)。第15頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月Ud

=Ud

（）（平均值相等）

無直流環(huán)流,

ud

?ud

(瞬時(shí)值不等）

有交流環(huán)流串環(huán)流電抗器抑制交流環(huán)流環(huán)流電抗器采用對稱串入正反兩組變流器，因?yàn)榭傆幸唤M變流器流過直流電流，會(huì)造成電抗器鐵芯飽和，電感量下降。Lc的大小以將環(huán)流限制在3%~5%Id即可第16頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)將此波形加一負(fù)號(hào)（使參考方向相同），又因使用相同電源，故應(yīng)前移180°后比較ud

?ud

(瞬時(shí)值不等）

有交流環(huán)流第17頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月錯(cuò)位無環(huán)流工作方式錯(cuò)位無環(huán)流是二組變流器都輸入脈沖，但二組脈沖彼此錯(cuò)開，使不工作一組所受到脈沖的晶閘管的陽極電壓恰好為負(fù)，從而消除環(huán)流。第18頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2繞線轉(zhuǎn)子異步交流電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)頻敏電阻器L2KMM1KMidETI3KMUdbUdBU2l(線電壓）電路原理圖電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的頻率較高，頻敏電阻器等效電阻較大，限制啟動(dòng)電流第19頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)速原理第20頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第22頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3變流裝置的功率因數(shù)及其對電網(wǎng)的影響4.3.1變流裝置的功率因數(shù)以單相全波電路大電感負(fù)載電路為例第23頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月變流裝置的功率因數(shù)隨移相角而變化,產(chǎn)品銘牌上的功率因數(shù)指額定工作條件下的數(shù)據(jù)第24頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.2提高功率因數(shù)的方法i1CSCRu1idIcU1I1Idic1接入補(bǔ)償電容LC濾波，去除高頻諧波2電感電容諧振補(bǔ)償法提高的方法第25頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月降低的方法+Ud1+Ud2_UdM_Ud=Ud1+Ud2(輸出電壓高時(shí))各裝置工作在小角度+Ud1+Ud2_UdM_Ud=Ud1-Ud2(輸出電壓低時(shí))小角工作小角及小角工作第26頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.3變流裝置對電網(wǎng)的影響變流裝置產(chǎn)生諧波電流諧波污染源電網(wǎng)內(nèi)部產(chǎn)生諧波電壓降低電網(wǎng)質(zhì)量通信線路雜音,電機(jī)噪音,附加溫升,絕緣電壓第27頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4變流裝置觸發(fā)電路主變壓器同步變壓器usUc觸發(fā)電路負(fù)載ug同步電壓us:保證觸發(fā)脈沖與晶閘管有相同參考相位控制電壓Uc：用于移相，改變a角us與Uc共同控制觸發(fā)脈沖的位置。根據(jù)us的不同，觸發(fā)電路包括正弦波觸發(fā)電路與鋸齒波觸發(fā)電路?；窘Y(jié)構(gòu)第28頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4.1正弦波同步觸發(fā)電路第29頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月同步移相環(huán)節(jié)V1R5R4RLC4Ucus+15VR8usugUcUc正值負(fù)值Uc=0第30頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月脈沖形成放大環(huán)節(jié)第31頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月其它環(huán)節(jié)輸出部分：VD9/VD10防止輸出負(fù)脈沖，R14為限流電阻，VD8/R12防止V3截止時(shí)，TP初級(jí)繞組產(chǎn)生感應(yīng)高壓擊穿V3同步輸入部分：us’經(jīng)R1/C1濾波，防止電網(wǎng)電壓波動(dòng)對觸發(fā)電路的影響，us落后us’一定角度-tg-1R1C1

min和

min的限制電路第32頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月特點(diǎn)第33頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4.2鋸齒波同步觸發(fā)電路TSTPVD1VD2VD4VD10VD5VD6VD8VD11-VD14VD15VD7V2V3V4V5V7V6V8C1C8C5C7C4C3C2R2R1R4R3R11R12R16R8R7R6R5R10R9R17V1RP2VSR15R16R13R14VD9220V36VRP1+15VUc-15vUpXY-15V接封鎖信號(hào)AB+15V第34頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月脈沖形成放大環(huán)節(jié)TSTPVD1VD2VD4VD10VD5VD6VD8VD11-VD14VD15VD7V2V3V4V5V7V6V8C1C8C5C7C4C3C2R2R1R4R3R11R12R16R8R7R6R5R10R9R17V1RP2VSR15R16R13R14VD9220V36VRP1+15VUc-15vUpXY-15V接封鎖信號(hào)AB+15V第35頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月同步移相環(huán)節(jié)V2截止V2導(dǎo)通tus第37頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月240120ususTuGVD1通C1放電V2截止VD1截止C1充電V2截止uG電壓為正V2導(dǎo)通當(dāng)電容電壓為圖示方向時(shí)V2總是截止第38頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第39頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月其它環(huán)節(jié)第40頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月雙脈沖電路第41頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月特點(diǎn)抗干擾性能好,移相范圍寬,具有強(qiáng)觸發(fā)/雙脈沖/脈沖封鎖環(huán)節(jié),應(yīng)用于大中容量的變流器中第42頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4.3觸發(fā)脈沖與主電路電壓的同步us180ugUustttugUt正弦波觸發(fā)電路120t120鋸齒波觸發(fā)電路t120Uc=0Uc=0同步問題第43頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月主變壓器同步變壓器usUc觸發(fā)電路負(fù)載uguU以U相為例第44頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月同步示例解題步驟（1）確定同步電壓與主電路晶閘管陽極電壓的相位關(guān)系（2）畫出陽極電壓與電網(wǎng)電壓的相位關(guān)系（3）確定同步電壓與電網(wǎng)電壓的相位關(guān)系變壓器鐘點(diǎn)數(shù)：以初級(jí)線電壓為長針，次級(jí)線電壓為短針?biāo)鶚?gòu)成的。偶數(shù)鐘點(diǎn)初次級(jí)接法相同（Y/Y），奇數(shù)鐘點(diǎn)接法不同

Y第45頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月例4.4.1：已知三相半波可控整流電路主變壓器的接法如圖所示，采用正弦波（NPN）觸發(fā)電路，要求電路工作在整流與逆變狀態(tài)，試確定同步變壓器器接法。U1V1W1UVWU1V1W1SUSVSWU1V130U1(U)120SUSUV解：（1）正弦波觸發(fā)電路，主電路電壓U超前同步電壓SU120（2）變壓器相量圖（3）SUV落后U1V1120度，即同步變壓器采用Y/Y-4接法1CFVT1負(fù)載SU與電網(wǎng)電壓V1同相位第46頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月例4.4.2三相全控橋主變壓器接法/Y-5，采用NPN鋸齒波觸發(fā)電路，同步變壓器次級(jí)電壓us經(jīng)阻容濾波為us’后接至觸發(fā)電爐，us’落后us30°,試確定同步變壓器接法。U1V1W1SUSVSWU1V1150UVSUSUV解：（1）鋸齒波觸發(fā)電路，主電路電壓U超前同步電壓SU'180度（2）變壓器相量圖（3）SUV落后U1V10度，即同步變壓器采用Y/Y-10及Y/Y-4接法1CFVT1因SU'落后SU30度，故主電路電壓U超前同步電壓SU150度UVT44CFS（-U）150第47頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第5章交流調(diào)壓和斬波電路5.1交流調(diào)壓電路5.2直流斬波電路第48頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1交流調(diào)壓電路用途:電爐溫控,調(diào)光,異步交流電機(jī)調(diào)速調(diào)壓器中晶閘管的控制分過零控制和移相控制調(diào)壓電路分單相和三相調(diào)壓電路有效值固定的交流電壓調(diào)壓器有效值可調(diào)的交流電壓第49頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月過零控制(通斷控制)uinuout連續(xù)式斷續(xù)式控制時(shí)間Tcn個(gè)周波連續(xù)輸出n個(gè)周波斷續(xù)輸出第50頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月特點(diǎn)：有級(jí)調(diào)壓,輸出電壓(功率)調(diào)節(jié)不平滑,適合時(shí)間常數(shù)較大的對象.但諧波含量低,功率因數(shù)高.第51頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月移相控制電阻性負(fù)載輸出電壓波形第52頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月仿真模型f51.mdl第53頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月電感性負(fù)載求取UO（IO）的關(guān)鍵是值的確定第54頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月180Qa180度90度負(fù)載阻抗角上升0度（純電阻）90度（純電感）解超越方程(2)較為困難,根據(jù)負(fù)載阻抗角及查上圖可得導(dǎo)通角第55頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第56頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月感性負(fù)載對觸發(fā)脈沖的要求(1)VT1/VT2觸發(fā)脈沖必需隔離,即不能有公共接地端(2)采用強(qiáng)觸發(fā)(寬脈沖/高頻調(diào)制脈沖),防止輸出電壓正負(fù)波形不對稱,出現(xiàn)直流分量第57頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2

直流調(diào)壓器(斬波器)調(diào)壓器按輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系分：降壓式/升壓式/升降壓式；調(diào)壓器按工作方式分：斬波式/諧振式；斬波器用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。固定的直流電壓斬波器（調(diào)壓器）可調(diào)的直流電壓第58頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.1降壓斬波器EVDLMRVTIoUo降壓斬波器電流連續(xù)第59頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月仿真模型f52.mdlE=100V,ED=10V,R=50,L=1H第60頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出電壓控制方法第61頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月求負(fù)載電流的最大值與最小值第62頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月第63頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月電流斷續(xù)求出tx即可求出Uo及Io電流斷續(xù)對電動(dòng)機(jī)不利，少見。注意:io=0時(shí)uo=ED第64頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.2升壓斬波器設(shè)C足夠大，Uo基本不變;L足夠大，IE近似為一直線.VT導(dǎo)通，L儲(chǔ)能IEEt1VT關(guān)斷，L釋能IE（U-E）（T-t1)則：IEEt1=IE（U-E）（T-t1)Et1=（U-E）（T-t1)U=TE/(T-t1)UE, 升壓斬波器EVDLMRVTIoUo升壓斬波器CIEuLtVT導(dǎo)通VT關(guān)斷E-UOEIEtUOt+L儲(chǔ)能L釋能t1T升壓斬波器多用于直流電機(jī)的在生制動(dòng)第65頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.3升降壓斬波器EEVD2VD1LEDMVT1VT2LEDM斬波器IoUoIoUo半橋斬波器EVD2VD1LMVT1VT2全橋斬波器VD4VD3VT3VT4VT3不通/VT4導(dǎo)通構(gòu)成半橋斬波器（一二象限）VT1不通/VT2導(dǎo)通構(gòu)成半橋斬波器（三四象限）輸出電壓為+，輸出電流可逆電流可逆斬波器VT1/VD1構(gòu)成降壓斬波器（VT2不通）電機(jī)工作在正轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)VT2/VD2構(gòu)成升壓斬波器（VT1不通）電機(jī)工作在正轉(zhuǎn)發(fā)電狀態(tài)第66頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月EEVD2VD1LEDMVT1VT2LEDM斬波器IoUoIoUo半橋斬波器EVD2VD1LMVT1VT2全橋斬波器VD4VD3VT3VT4VT3不通/VT4導(dǎo)通構(gòu)成半橋斬波器（一二象限）VT1不通/VT2導(dǎo)通構(gòu)成半橋斬波器（三四象限）輸出電壓為+，輸出電流可逆電流可逆斬波器VT1/VD1構(gòu)成降壓斬波器（VT2不通）電機(jī)工作在正轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)VT2/VD2構(gòu)成升壓斬波器（VT1不通）電機(jī)工作在正轉(zhuǎn)發(fā)電狀態(tài)第67頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月ECVD1VD2VD3LL1L2L3MVT2VT1VT3多相多重?cái)夭ㄆ魅嗳財(cái)夭ㄆ鳎ㄓ蒐C濾波器和三個(gè)降壓斬波器組成）i1i2i3ioi1ti2ttioi3t錯(cuò)開的單相斬波器使總輸出電壓/電流脈動(dòng)減少（諧波含量低）第68頁，課件共73頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.4斬波器中晶閘管關(guān)斷控制EEC1C1VDVD1VDL1LL1LMMVT2VT1VT2V