电力电子器件与变换电路.ppt
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1、1,电力电子与现代生活Power Electronics Technology and Modern Life,电力电子与现代生活,第 2 章 电力电子器件与变换电路,3,第2章 电力电子器件与变换电路,2.8 整流电路 2.9 直流-直流变流电路 2.10 交流-交流变流电路 2.11 逆变电路 2.12 PWM控制技术,第二部分 电力电子变换电路,4,2.8 整流电路,整流电路:将交流电变换为固定或可调的直流电的电路。交流电(英语简写AC)是指大小和方向都发生周期性变化的电流,因为周期电流在一个周期内的平均值为零,称为交变电流或简称交流电。交流电可以有效传输电力。通常波形为正弦曲线。市电就
2、是正弦交流电。一般频率是50Hz(或60Hz)。实际上还有应用其他的波形,例如三角形波、正方形波。家庭用电一般均为单相交流电,工业用电一般三相交流电。,5,2.8 整流电路,直流电:(简称DC),是指方向不随时间发生改变的电流。但电流大小可能不固定。恒定直流是直流电的一种,是大小和方向都不变的直流电。脉动直流电 是指方向不变,但大小随时间变化,比如:把交流电经过晶闸管整流后得到的就是典型脉动直流电。脉动直流电,只有经过滤波(电感或电容)后,才变成平滑的直流电。,6,2.8 整流电路,整流电路:是利用电力电子器件(二极管、晶闸管、IGBT等)的单向导电性,将正负交替变化的交流电压(单相、三相)变
3、换为正向脉动电压的电路。大多情况下,脉动电压需经过滤波,才能使用。整流电路的应用极其广泛:各种电子设备均需要直流电,如计算机、电视、音箱、电信设备、医疗设备。工业中电解、电镀,直流电动机调速,高压直流输电。工业及家用变频调速设备,均需要将工频交流电先整流成直流,再逆变成不同频率的交流电,如变频空调等。各种类型的蓄电池充电器,如手机、电瓶车、电动汽车。,7,2.8 整流电路,整流电路有多种分类方式,按照相数可以分为:,3.1.1 单相整流电路 3.1.2 三相可控整流电路 3.1.3 整流电路的有源逆变,8,2.8.1 单相整流电路,1、单相半波不可控整流电路,输出电压,9,2.8.1 单相整流
4、电路,2、单相桥式不可控整流电路,输出电压,10,2.8.1 单相整流电路,2、单相桥式不可控整流电路(电容滤波),基本工作过程:,在u2正半周过零点至wt=0期间,因u2ud,故二极管均不导通,电容C向R放电,提供负载所需电流。,至wt=0之后,u2将要超过ud,使得VD1和VD4开通,ud=u2,交流电源向电容充电,同时向负载R供电。,可见:经电容滤波后,输出电压比较平滑。,输出电压,11,2.8.1 单相整流电路,电容滤波的整流电路,在交直交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中,大量应用。电容滤波的单相整流电路,常用于小功率单相交流输入的场合,如目前大量普及的微机、电视机、变频空调等
5、家电中。电容滤波的整流电路缺点:交流侧输入电流不是正弦波,含有大量谐波,对电网不利。有些整流电路增加了功率因数校正电路,电流波形有改善。,12,2.8.1 单相整流电路,3、单相半波可控整流电路,可控整流特点:1.晶闸管在希望的时刻触发导通。2.输出电压大小可以调节。触发角:用a表示。导通角:用表示。,通过控制触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,-相控方式。,输出电压,13,32.8.1 单相整流电路,图2-5 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,4.单相桥式全控整流电路,工作原理与单桥不可控相似。电阻负载:输出电压:为直流;大小与控制角a有关;a增加,输出电压减小。
6、输出电流:波形与输出电压相同,不平滑,对负载不利。,输出电压,14,2.8.1 单相整流电路,4.单相桥式全控整流电路,电阻电感负载:电感L:负载组成部分,或外加,对输出电流有滤波作用。输出电压:直流,平均值0;大小与控制角a有关;a增加,输出电压减小。输出电流:波形平滑,对负载有利。,电感滤波后,输出电流很平滑,输出电压,15,三个二极管分别接入a、b、c三相电源,其阴极连接在一起共阴极接法。二极管换相时刻为自然换相点,将其作为计算各晶闸管触发角a的起点,即a=0。,2.8.2 三相整流电路,1、三相半波不可控整流电路,共阴极的二极管,阳极电位高的导通。阳极电位低的承受反压。,变压器,三相交
7、流电,二极管,输出电压,16,2.8.2 三相整流电路,2、三相半波可控整流电路将二极管更换为晶闸管。不同的控制角,输出电压波形不同,大小也不同。电阻负载:输出电压:为直流;大小与控制角a有关;a增加,输出电压减小。输出电流:波形与输出电压相同,不平滑,对负载不利。,输出电压,17,2.8.2 三相整流电路,三相半波可控整流电路:a=30,工作模态:3个SCR导通角:120 VT1 起、止相位:移相范围:150,输出电压,18,2.8.2 三相整流电路,三相半波可控整流电路:a=60,输出电压,19,2.8.2 三相整流电路,3、三相桥式全控整流电路,三相桥是应用最为广泛的整流电路,共阳极组阳
8、极连接在一起的3个晶闸管(VT4,VT6,VT2),图2-17 三相桥式全控整流电路原理图,导通顺序:VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6,共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管(VT1,VT3,VT5),20,2.8.2 三相整流电路,三相桥式全控整流电路带电阻负载a=0时的波形,输出电压,21,2.8.2 三相整流电路,三相桥式全控整流电路带电阻负载a=30 时的波形,输出电压,22,2.8.2 三相整流电路,三相桥式全控整流电路带电阻负载a=60 时的波形,输出电压,23,2.8.3 整流电路的有源逆变工作状态,什么是逆变?,逆变(Invertion)把直流电转变成交流电,整流的逆过程
9、。逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。有源逆变电路交流侧和电网连结。应用:直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等。无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接,而直接接到负载,将在后面介绍。对于可控整流电路,满足一定条件就可工作于有源逆变,其电路形式未变,只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态,称为变流电路。,24,2.8.3 整流电路的有源逆变工作状态,直流发电机电动机系统电能的双向流转:条件,图2-44 直流发电机电动机之间电能的流转a)两电动势同极性EG EM b)两电动势同极性EM EG,两个电动势同极性相接时,电流总是从电动势高的流向低的,电动
10、势高的电源输出功率。调节电动势,可实现电能双向传递。,同样,晶闸管电动机系统,满足一定条件,也可实现电能双向传递。,25,2.8.3 整流电路的有源逆变工作状态,产生逆变的条件有二:,有直流电动势,其极性和晶闸管导通方向一致,其值大于变流器直流侧平均电压。晶闸管的控制角 90,使Ud为负值。,三相桥整流电路的有源逆变:,26,2.8.3 整流电路的有源逆变工作状态,三相桥式电路工作于有源逆变状态,不同逆变角时的输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图所示。,图 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形,27,2.9 直流-直流变流电路,直流-直流变换:将一个直流电压变换成为另一个可控的直流输
11、出电压,称之为DC-DC变换。直流-直流变流器,它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点。现广泛应用于直流牵引变速拖动中,如由直流电网供电的地铁车辆、城市无轨电车和电动汽车等;还广泛应用于直流开关电源和电池供电的设备中,如通信电源、电子笔记本、计算机、家用电器、远程控制器和手提电话等。,28,2.9 直流-直流变流电路,若已知一个直流电压,怎样获得另一数值的直流电压?两种直流变换调节模式及比较:线性调节器模式:如图3-1a所示,在这种模式中晶体管工作在线性工作区。晶体管模型可以用可调电阻RT等效,晶体管功率损耗较大。开关调节模式:如图3-2a所示。假设:晶体管为理想开关,则该晶体管关断时,阻
12、抗极大;晶体管导通时,内阻为零;在理想开关情况下,晶体管损耗为零。,29,2.9 直流-直流变流电路,图3-1 a 线性调节器模式 b 等效电路,两种直流变换调节模式及比较:线性调节器模式,线性调节模式,晶体管工作在线性状态,相当于一个可调电阻。当负载变化、或电源电压变化时,调节晶体管内阻,即可保证输出电压不变。缺点:晶体管功率损耗大,电路效率低,调节范围小。,30,2.9 直流-直流变流电路,a 开关调节模式图 b 等效电路图 c 输出电压,开关调节模式,晶体管工作在开关状态,相当于一个电气开关。当负载变化、或电源电压变化时,调节晶体管闭合-断开时间的比例,即可保证输出电压不变。缺点:晶体管
13、功率损耗小,电路效率高、调节范围大。,两种直流变换调节模式及比较:开关调节模式,31,2.9 直流-直流变流电路,直流-直流变流(DC/DC Converter)分类:包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。2.9.1 直接直流变流电路 也称 斩波电路(DC Chopper)。一般是指直接将直流电变为另一直流电,这种情况下输入与输出之间不隔离。2.9.2 间接直流变流电路 在直流变流电路中增加了交流环节。在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离,因此也称为直交直电路。,32,2.9 直流-直流变流电路,直接直流变流电路直流斩波电路,几种常用变换电路:1、降压斩波电路 2、升压斩波电路 3
14、、升降压斩波电路,直流斩波电路的主要元器件:开关器件、电感、二极管、电容,33,2.9 直流-直流变流电路,1、降压斩波电路(Buck Chopper),电路结构,负载反电动势,典型用途之一是拖动直流电动机,也可带蓄电池负载。,开关,续流二极管,滤波电感,34,2.9 直流-直流变流电路,降压斩波电路工作原理:,a)电路图,t=0时,驱动V导通,电源E向负载供电,负载电压uo=E,负载电流io上升。t=t1时,控制V关断,二极管VD续流,负载电压uo为零,负载电流下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。,负载平均电压,Uo,35,2.9 直流-直流变流电路,降压斩波电路:,负载电压平均
15、值:,tonV通的时间 toffV断的时间-导通占空比由公式可见,输出电压低于输入电压。,T=ton+toff,Uo,36,2.9 直流-直流变流电路,2、升压斩波电路(Boost Chopper),滤波电容保持输出电压稳定,储能电感,电路结构,开关,隔离二极管,37,2.9 直流-直流变流电路,升压斩波电路工作原理:,假设L和C值很大。V处于通态时,电源E向电感L充电,电流恒定I1,电容C向负载R供电,输出电压Uo恒定。V处于断态时,电源E和电感L同时向电容C充电,并向负载提供能量。,38,2.9 直流-直流变流电路,升压斩波输出电压:,T/toff 1,输出电压高于电源电压,故为升压斩波电
16、路。,升压斩波电路典型应用:,一是用于直流电动机传动(回馈电能);二是用作单相功率因数校正(PFC)电路;三是用于其他交直流电源中,如手机电源管理等。,T=ton+toff,39,2.9 直流-直流变流电路,3.升降压斩波电路(buck-boost Chopper),电路结构,储存电能,开关,续流二极管,40,2.9 直流-直流变流电路,升降压斩波电路的工作原理,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。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。,+,41,2.9 直流-直流
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