第5章电力电子课件共66页

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11
三、正弦交流电的变化范围
1. 最大值 ：正弦交流电在一个周期所能达到的 最大瞬时值，又称峰值、幅值。
用大写字母加下标m表示，如Em、Um、 Im。
2.有效值 ：加在同样阻值的电阻上，在相同的 时间内产生与交流电作用下相等的热量的直 流电的大小。
用大写字母表示，如E、U、I。
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12
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14
• 用数字万用表测量正弦交流电压时要选择交流
挡，测量的结果是电压有效值；若不慎错用直 流挡，则显示为零。
用直流挡测量市电显示为零
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15
• 用数字万用表测量直流电压时要选择直流挡， 测量的结果是电压平均值；若不慎错用交流挡， 则显示为零 。
用交流挡测量最叠新层课电件池显示为零
16
（1）同一相量图中，相同单位的相量应按相 同比例画出。
（2）一般取直角坐标轴的水平正方向为参考 方向，逆时针转动的角度为正，反之为负。
（3）用相量图表示正弦交流电后，它们的加、 减运算可按平行四边形法则或三角形法则进行。
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§5-3 单一参数的交流电路
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28
一、纯电阻电路
• 只含有电阻元件的交流电路称为纯电 阻交流电路。
QCUCICIC 2XCU XC C 2
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50
§5-4 LC谐振电路
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51
一、RLC串联电路
• 1．电压三角形 如图所示为RLC串
联电路，为正弦交流 电压，这三个元件流 过同一电流，电流与 各元件电压参考方向 如图所示。
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52
• 设电流的解析式为
iImsint
• 电阻、电感和电容两端的电压分别为

三、单相交流调压电路的谐波情况
• 我们从分析中知 道，负载电压和 负载电流都不是 正弦波，含有大 量的谐波成份。 为了了解其谐波 成份，以采用不 同的对策，我们 以电阻负载为例 ，对负载电压进 行付里叶变换来 分析其谐波情况 。
• 从图5-3我们知道 ，输出电压曲线 关于横轴正负半 周对称，所以输 出电压不含直流 分量和偶次谐波 ，其付里叶级数 表达式如下：
第20讲
第五章 交流调压电路分析
电 力
电 第五章 交流调压与斩波电路
子
• 我们知道，晶闸管可以在交流电的正半周导通 ，而且可以控制其以α角的延迟后导通。在交 流电过零时自然关断。这样就可以很方便的用 SCR组成晶闸管交流电压控制电路，很方便的 实现交流电压有效值的调节。
• 同样，我们可以利用晶闸管或其它通断控制。 将直流电流电压断续的加在负载上。通过通断 的时间变化来改变负载电压平均值。我们也称 直流—直流变换器。
• 当α=0时，u2=u1；当α=π时，u2=0。 • 电压调节范围：0~u1； • α角的范围：0≤α≤π。 •
负载电流有效值：
I2

U2 R
功率因素：
cosU2 sin2 U1 2
电阻-电感负载的交流调压电路
• 设负载的阻抗角为：
• 如果短路晶闸管，稳态 时负载电流是正弦波， 其相位滞后于电源电压 u1的角度为 ，在用晶 闸管控制时，只能进行 滞后控制，使负载电流 更为滞后，而无法使其 超前。
流过晶闸管的电流有效值：
1
IT 2
(
2U1si n t)2dt
R
U1 1(1sin2) R 2 2
负载电压有效值
U 2 1(2 U 1 s in t2d ) t U 1 s2 2 i n

本章学习目标与重点
学习目标
掌握电力电子器件的工作原理、特性 和应用；理解基本电能变换电路的工 作原理和性能特点；了解电力电子技 术在各领域的应用。
学习重点
电力电子器件的特性和选择；基本电 能变换电路的分析和设计方法；典型 应用案例的分析和理解。
02 电力电子器件
电力电子器件概述
1 2
电力电子器件定义
以三相桥式逆变电路为例，分 析逆变电路的工作原理和控制 方法，介绍实验和仿真的实现 过程，并讨论不同控制策略对 电路性能的影响。
以降压型直流斩波电路为例， 介绍直流斩波电路的基本原理 和应用场景，展示实验和仿真 的实现过程，并比较不同斩波 方式对电路性能的影响。
以交流调压电路为例，分析交 流调压电路的工作原理和实现 方法，介绍实验和仿真的实现 过程，并讨论不同调压方式对 电路性能的影响。
整流电路类型
03
包括半波整流、全波整流、桥式整流等。
晶体管与基本放大电路
晶体管工作原理
通过控制基极电流来控制集电极与发射极之间的 电流，实现信号放大或开关控制。
基本放大电路组成
包括晶体管、偏置电路、输入输出电路等部分。
基本放大电路类型
包括共射放大电路、共基放大电路、共集放大电 路等。
场效应管及其放大电路
场效应管工作原理
利用输入回路的电场效应来控制输出回路电 流的一种半导体器件。
场效应管类型
包括结型场效应管和绝缘栅型场效应管 （MOS管）。
场效应管放大电路特点
具有高输入阻抗、低噪声、低功耗等优点。
IGBT及其驱动电路
IGBT工作原理
通过控制栅极电压来控制集电极与发射极之间的电流，具有电压 型控制特点。
逆变与变频技术的应用实例

图5.4.3交－交变频电路的波形图（a变化）
5.4.1 单相输出交－交变频电路
2、变频电路的工作过程（电感性负载）
图5.4.4 交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形
对于电感性负载，输出电压超前电流。一个周期可以分为六个阶段 第一阶段：输出电压过零， u0为正，i0<0，反组整流器工作在有源 逆变状态，正组整流器被封锁；
5.4.1 单相输出交－交变频电路
2、变频电路的工作过程（电感性负载）
图5.4.4 交-交变频电路电感性负载时的输出电压和电流波形
第二阶段：电流过零。为无环流死区；
第三阶段：i0>0，u0>0。正组整流器工作在整流状态，反组整流器
被封锁。
5.4.1 单相输出交－交变频电路
2、变频电路的工作过程（电感性负载）
◆以低于电源的频率切换正反组整流器 的工作状态,在负载端就可获得交变的输出 电压；（如图5.4.2 ）
◆晶闸管的开通与关断必须采用无环流 控制方式，防止两组晶闸管桥同时导通；
图5.4.2 单相交流输入时交－ 交变频电路的波形图
5.4.1 单相输出交－交变频电路
电路控制特点：
（1）一个周期内控制角a固定不变时，输出电压为含有大量的谐波矩
电源进线通过进线电抗器 接在公共的交流母线上。
电源进线端公用,故三相单 相变频电路的输出端必须隔离， 为此，交流电动机的三个绕组 必须拆开，同时引出六根线。
主要用于中等容量的交流 调速系统。
图5.4.7公共交流母线进线方式的
三相交－交变频电路原理图
5.4.2 三相输出交－交变频电路
2、输出星形联结方式
5.4.2 三相输出交－交变频电路
交－交变频器主要用于交流调速系统中， 实 际使用的主要是三相交－交变频器。

电力电子技术(第5版) 第5章 交流变换电路
5.3 交流电力电子开关
作用
5.3 交流电力电子开关
将晶闸管反并联后串入交流电路代替机械开关， 起接通和断开电路的作用；
优点
◆响应速度快、无触点寿命长、可频繁控制通断；
◆控制晶闸管总是在电流过零时关断，在关断时不会 因负载或线路电感存储能量而造成过电压和电磁干扰；
图5.3.2 TSC理想投切时刻原理说明
5.3 交流电力电子开关
2、晶闸管投切时间的选择
3)电路特点：
◆由于二极管的作用，在电路不导通时uC总会维持在电源
电压峰值； ◆二极管不可控，响应速度要慢一些，投切电容器的最大
时间滞后为一个周波。图5. Nhomakorabea.3 晶闸管和二极管反并联方式的TSC
4）为避免电容器组投切造成较大 电流冲击，一般把电容器分成几组，如 图5.3.1(b)所示，可根据电网对无功的 需求而改变投入电容器的容量。
图5.3.1 TSC基本原理图
5.3 交流电力电子开关
2、晶闸管投切时间的选择
1）选择原则：投入时刻交流电源电压和电容器预充电 电压相等，防止冲击电流。
2）理想选择：理想情况下，希望电容器预充电电压为 电源电压峰值，这时电源电压的变化率为零，电容投入过 程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化。
◆提高功率因数、稳定电网电 压、改善用电质量
◆是一种很好的无功补偿方式
图5.3.1 TSC基本原理图
5.3 交流电力电子开关
1、电路结构和工作原理（晶闸管反并联）
1）实际常用三相TSC，可三角形联 结，也可星形联结。
2）反并联的晶闸管控制C并入电网 或从电网断开，如图5.3.1（a）。
3）串联电感很小，用来抑制电容 器投入电网时的冲击电流。

概述
晶闸管代替上节电路中的二极管，可得相控整流电路。 原理：利用了半控开关器件晶闸管的开通可控特性〔承受
正向电压，且有触发脉冲〕和单向导电性； 相控整流：控制晶闸管触发相位角〔脉冲施加时刻〕就控
制了电源电压送至负载的起始时刻，从而控制整流电压。 整流电路构造不同、负载性质不同，工作情况也就不同。 电路分析时要抓住晶闸管的导通时刻〔满足导通条件时〕 和受到反压被强迫关断的时刻。 掌握单相桥式全控整流电路在不同性质负载下的工作情况 了解单相桥式半控整流电路的失控现象及解决方法。
三相桥式不控整流〔续〕
整流电压的直流平均值高：
VD
1
/3
90
30 v AB d t
3
90
3
30
2VS sint 30d t
36 32
V S V l 2 .3V S 4 1 .3V l5
电源相电压有效值 电源线电压有效值
电容滤波的不控整流电路
不控整流电路输出电压中除直流外，还含有谐波。
单相桥式全控整流电路
一、电阻性负载 〔一〕主电路 〔二〕理想化假设 〔三〕工作原理及波形分析 〔四〕几个名词术语 〔五〕根本量的计算 二、电感性负载 〔一〕 L、φ较小，α较大，且α>φ时，负载断流，元
件的导电角θ<π 〔二〕当α＝φ时，电流临界连续 〔三〕 L、φ较大，α较小,且α<φ，电流连续 〔四〕 L很大，ωL>>R，φ≈90°，α<φ，电流连续
a
2VS R
2
sin
t
d( t )
VS R
sin2
2
2IT
I ID SI ID Ls2 i( 2 1 n c2 o ( )s )

V处于断态时 UL = -U0
（b）一种实用正激电路 要求断态时要保证去磁电流降为零，使变压器磁芯可靠复 44 位。
5.3.1正激电路
一种实用正激电路分析：
（b）一种实用正激电路
45
5.3.1正激电路
一种实用正激电路分析：
T2时刻磁芯复位
（b）一种实用正激电路 要求断态时要保证去磁电流降为零，使变压器磁芯可靠复 46 位。
（3-40）
V处于断态 uL = - uo
5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路
所以输出电压为：
ton ton （5-41） Uo E E E toff T ton 1
结论 当0< <1/2时为降压，当1/2< <1时为升压， 故称作升降压斩波电路。也有称之为buckboost 变换器。
（a）降压斩波电路
(b)正激电路
35
5.3.1正激电路
正激电路分析：
V处于通态时 UL = （N2/N1）Us-U0
（a）当T导通时，正激电路
36
5.3.1正激电路
正激电路分析：
V处于断态时 UL = -U0
（b）当T断开时，正激电路
37
5.3.1正激电路
正激电路分析：
（a）当T导通时，正激电路
39
5.3.1正激电路
此正激电路缺点：变压器原边通过单相脉动电流，变 压器铁芯极易饱和。
（a）正激电路
40
5.3.1正激电路
此正激电路缺点：变压器原边通过单相脉动电流，变 压器铁芯极易饱和。 解决措施：在隔离变压器中增加一个去磁绕组，将变 压器中存储的激磁能量反激到电源中。 去磁绕组
（a）正激电路

1
t1 T T / t / L / R m E 式中， ， ， m/E 1 ， T
别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。 把式（5-9）和式（5-10）用泰勒级数近似，可得
I I 10 20
，I10和I20分
Io
o m
R
(5-2)
☞电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流 断续的情况。
◆斩波电路有三种控制方式
☞脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。 ☞频率调制：ton不变，改变T。 ☞混合型：ton和T都可调，改变占空比
5/44
5.1.1 降压斩波电路
■对降压斩波电路进行解析
(5-12)
则
Io
EEm
R
(5-13)
假设电源电流平均值为I1，则有
I1
ton Io Io T
(5-14)
其值小于等于负载电流Io，由上式得
EI EI U I 1 o o o
(5-15)
即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。
7/44
5.1.1 降压斩波电路
m
当ton=5s时，有
L 0 .001 0 .002 R 0 .5
■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。
2/44
5.1 基本斩波电路
5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
3/44
5.1.1 降压斩波电路

5.2 非正弦周期量的有效值
一、平均值
若
u U0 U km sin(kwt k )
k 1
则其平均值为： (直流分量)
U AV
1
2
02 udwt
U0
平均值
面积 周期
二，有效值
若 i I0 Ikm sin(kwt k )
k 1 则有效值:
I 1 T i2dt
T0
1 T
T 0
I0
WA i
u
R
求（1）电流的瞬时表达式;
（2） A 、V 的读数； V
（3） W 的读数.
解: I1 U1 4A
R
I 3 U 3 3A R
i1 4 2 sin(wt 30o )A i3 3 2 sin(3wt 60o )A
电流i的瞬时表达式 i 4 2 sin(wt 30o ) 3 2 sin(3wt 60o )A
o
t
T
5.1 非正弦周期量的分解
i e1 E0
e e1
E0
0
已知E0为直流电源, e1为正弦信号源
该电路总电动势为
R e E0 e1 E0 E1m sinw t
其波形如图所示,显然不是正弦量 电路中的电流也不是正弦量
E1m
i e E0 E1m Sinwt
RR R
wt
由此题可知:
直流电量+正弦交流电量=非正弦周期电量
第5章 非正弦周期电流的电路
目录
5.1 非正弦周期量的分解 5.2 非正弦周期量的有效值 5.3 非正弦周期电流的线性电路的计算 5.4 非正弦周期电流电路中的平均功率
概述
一. 非正弦周期交流信号的特点
不是正弦波 按周期规律变化

5533444533图516半桥电路原理图图517半桥电路的理想化波形半桥电路工作过程2的交流电压改变开关的占空比就可以改变二次侧整流电导通时电感l的电流逐渐上升两个开关都关断时电感l的电流逐渐下降s断态时承受的峰值电压均为u3544533由于电容的隔直作用半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱输出电压滤波电感l的电流连续时将高于式554的计算值并随负载减小而升高在负载为零的极限情况下5543644534图518全桥电路原理图图519全桥电路的理想化波形全桥电路工作过程全桥电路中互为对角的两个开关同时导通同一侧半桥上下两开关交替导通使变压器一次侧形成幅值为u交流电压改变占空比就可以改变输出电压
初始条件分电流连续和断续。 ◆电流连续时得出
I10
e t1 eT
/ /
1 1
E R
Em R
e e
1 1
m
E R
I 20
1 1
e t1 e T
/ /
E R
Em R
1 e 1 e
m
E R
(5-9) (5-10)
式中， L / R ， T /，m Em / E，t1 /
载电流瞬时值的最小值和最大值。
Uo
ton T
E
100 5 20
25(V )
输出平均电流为
Io
Uo - EM R
25 10 0.5
30( A)
输出电流的最大和最小值瞬时值分别为
Imax
1 1
e e
m
E R
1 e0.0025 1 e0.01
0.1100.50
30.19(A)
I min