上海电力学院工业用电设备第1章工业电源基础

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1、 工业用电设备 上海电力学院 电力系 第 1章 工业电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 2 工业电源 (特种电源 )：位于市电（单相或三相）或电池与负载之间， 向负载提供优质电能的供电设备， 是工业的基础。 电源技术的 精髓是电力电子技术 ， 即利用电力电子技术，将市电或电池等一次电源 变换成适用于各种用电对象的二次电源。 工 业 电 源 交流市电 直流、 交流、 脉冲 第 1章 工业电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 3 （ 1）交流变频调速器 交流变频调速电源 驱动交流异步电动机 实现无级调速， 在电气传动中占据越来越重要的地位，获得巨大节能效果。 应用 :

2、 产业自动化、 风机、水泵 流量控制， 细纱机、捻纱机程序控制， 恒压供水和多泵并联， 造纸机械同步控制， 最大功率达 500kW。 变频 空调 。 1.1 工业电源 的种类 第 1章 工业电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 4 （ 2）电解、电镀电源 电解、电镀电源要求稳流、稳压。 电解生产需要消耗巨大的直流电能，由 大功率整流设备 供给，采用晶闸管稳流，有载调压加饱和电抗器稳流方 式，最大输出容量： 3350V， 5150kA。 脉冲电源用作金属表面电化学处理，输出容量： 0100V， 104000A。逆变式真空离子镀膜电源性能的优劣直接影 响镀膜质量的高低。 第 1章 工

3、业电源基础 1.1 工业电源的种类 2021/3/22 上海电力学院 电力系 5 （ 3）高频逆变式整流焊机电源 高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效率、省材 料的新型焊机电源，代表了当今焊机电源的发展方向。 由于焊机电源的工作条件恶劣，频繁地处于短路、燃弧、 开路交替变化之中，因此高频逆变式整流焊机电源的工 作可靠性成为关键问题。 额定焊接电流可达 500A。多用等离子体切割焊机切割 电流达 2090A，焊接电流为 5320A。 第 1章 工业电源基础 1.1 工业电源的种类 2021/3/22 上海电力学院 电力系 6 （ 4）中频感应加热电源 中频感应加热电源应用 : 各行业的金属熔

4、炼、 表面淬火处理、 透热弯管等领域。 频率为 500Hz80kHz，功率为 1003000kW。 第 1章 工业电源基础 1.1 工业电源的种类 2021/3/22 上海电力学院 电力系 7 （ 5）电力操作电源 电力操作电源：为发电厂、水电站及 500kV、 220kV、 110kV、 35kV等各类变电站 包括供给 断路器分合闸、 二次回路的仪器仪表、 继电保护、控制、 应急灯光照明等 最大输出电压 315V，最大输出电流 120A。 第 1章 工业电源基础 1.1 工业电源的种类 各类低压电器 设备用电。 提供直流的 电源设备 2021/3/22 上海电力学院 电力系 8 （ 6）正弦

5、波逆变电源 正弦波逆变电源要求精度稳压、稳频，并要求波形品质。 400Hz中频三相逆变电源能适应各种负载、 邮电通讯专用逆变电源、 电力系统、发电厂及直流电池屏专用逆变电源、 车船载逆变电源、 太阳能及风力发电系统专用逆变电源等。 第 1章 工业电源基础 1.1 工业电源的种类 2021/3/22 上海电力学院 电力系 9 （ 7）大功率高频高压直流电源 工业上用于环保的静电除尘、污水处理、 激光器等。 医学方面用于 X光机、 CT等大型设备。 科研上用于高能物理、等离子体物理。 军事上雷达发射器。 最高电压可达 800kV。 第 1章 工业电源基础 1.1 工业电源的种类 2021/3/22

6、 上海电力学院 电力系 10 （ 8）电子镇流器 电子镇流器的核心是一个 高频电压发生器 。 当荧光灯工作在几千赫的较高频率下，将灯和高频电路匹配， 能够较大幅度地提高光效而达到节能目的。 功率因数提高到接近 1的水平。 归纳为四类：工业用直流电源、 工业用脉冲电源、 工业用变频电源、 工业用交流调压电源 第 1章 工业电源基础 1.1 工业电源的种类 2021/3/22 上海电力学院 电力系 11 1.2 工业电源中的电力电子器件 按受控程度，电力电子器件分为三类： 不可控器件、 半控型器件、 全控型器件。 电力变换的基础 第 1章 工业电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 1

7、2 A K A K a) I KA P N J b) c) 1.2.1 不可控器件 电力二极管 快恢复二极管 和 肖特基二极管 ， 分别在中 、 高频整流和逆变 ， 以及低压高频整流的场合 ， 具有不可替代的地位 结构和原理简单，工作 可靠，自 20世纪 50年代 初期就获得应用 图 1-2 电力二极管的外形 、 结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号 基本结构和工作原理与 信息电子电路中的二极 管基本一样，以半导体 PN结为基础 螺栓型 平板型 第 1章 工业电源基础 1.2 工业电源中的电力电子器件 2021/3/22 上海电力学院 电力系 13 1.2.2 半控型

8、器件 晶闸管 1956年美国贝尔实验室 （ Bell Lab） 发明了晶闸管 1957年美国通用电气公司 （ GE） 开发出第一只晶闸管产品 1958年商业化 20世纪 80年代以来 ， 在中小容量领域 开始被性能更好的全控型器件取代 能承受的电压和电流容量最高 ， 工作可靠 ， 在大容量的场合具有重要地位 第 1章 工业电源基础 1.2 工业电源中的电力电子器件 2021/3/22 上海电力学院 电力系 14 A A G G K K b) c)a) A G K K G A P 1 N 1 P 2 N 2 J 1 J 2 J 3 一 .晶闸管的结构 阳极 阴极 门极 螺栓型， （ 200A以下

9、） 平板型， （ 200A以上） 第 1章 工业电源基础 1.2 工业电源中的电力电子器件 2021/3/22 上海电力学院 电力系 15 二 .晶闸管工作原理 1.晶闸管导通条件： UA 0 ， UG 0 2.晶闸管导通后， UG不起 作用 半控型 3.晶闸管关断条件： IA 0， UGS=0 单极型晶体管 导电机理与小功率 MOS管 相同 ， 但结构上有较大区别 ， 电力 MOSFET为多元集成 结构 漏极 源极 栅极 导电： UDS0， UGS UT (开启电压 ) 第 1章 工业电源基础 1.2 工业电源中的电力电子器件 3.电力场效应晶体管 Power MOSFET 2021/3/2

10、2 上海电力学院 电力系 25 4. 绝缘栅双极晶体管 IGBT GTR和 GTO的特点 双极型 ， 电流驱动 ， 有电导调制效应 ， 通流能力很强 ， 开关 速度较低 ， 所需 驱动功率大 ， 驱动电路 复杂 MOSFET的优点 单极型 ， 电压驱动 ， 开关 速度快 ， 输入阻抗高 ， 热稳定性好 ， 所需 驱动功率小 而且驱动电路 简单 两类器件取长补短结合而成的复合器件 Bi-MOS器件 第 1章 工业电源基础 1.2 工业电源中的电力电子器件 2021/3/22 上海电力学院 电力系 26 图 1-22 IGBT的结构、简化等 效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简

11、 化等效电路 c) 电气图形符号 GTR和 MOSFET的复合管 。 1986年投入市场后 ， 取代了 GTR和一部分 MOSFET的市场 ， 目前中小功率电力电子设备的主导器件 E G C N + N - a) P N + N + P N + N + P + 发射极 栅极 集电极 注入区 缓冲区 漂移区J 3 J 2 J 1 G E C + - +- + - I D R N I C V J1 I D R on b ) G C c ) 栅极 集电极 发射极 E 4. 绝缘栅双极晶体管 IGBT 第 1章 工业电源基础 1.2 工业电源中的电力电子器件 2021/3/22 上海电力学院 电力系

12、27 IGBT的特性和参数特点 (1) 开关 速度高 ， 开关损耗小 。 在电压 1000V以上时 ， 开关损耗只有 GTR的 1/10， 与电力 MOSFET相当 (3) 通态压降比 VDMOSFET低 ， 特别是在电流较大的区域 (2) 相同电压和电流定额时 ， 安全工作区比 GTR大 ， 且具有耐脉冲电流冲击能力 (5) 与 MOSFET和 GTR相比， 耐压和通流能力 还可以进一步提高 同时保持开关频率高的特点 (4) 输入阻抗高 ， 输入特性与 MOSFET类似 第 1章 工业电源基础 1.2 工业电源中的电力电子器件 4. 绝缘栅双极晶体管 IGBT 2021/3/22 上海电力学

13、院 电力系 28 1.2.4 功率模块与功率集成电路 20世纪 80年代中后期开始 ， 模块化趋势 ， 将多个器件封装 在一个模块中 ， 称为功率模块 可缩小装置体积 ， 降低成本 ， 提高可靠性 对工作频率高的电路 ， 可大大减小线路电感 ， 从而简化对 保护和缓冲电路的要求 将器件与逻辑 、 控制 、 保护 、 传感 、 检测 、 自诊断等信息 电子电路制作在同一芯片上 ， 称为功率集成电路 （ PIC） 第 1章 工业电源基础 1.2 工业电源中的电力电子器件 2021/3/22 上海电力学院 电力系 29 直流电源两种类型 : 1. 整流直流电源 ， 利用整流电路将交流电直接变换成直流

14、电输出； 2. 高频逆变直流电源 ， 由整流电路 1、 逆变电路 、 整流电路 2等构成 ， 逆变电路将整流电路 1输出的直流电逆变为 高频交流电后再经整流输出直流电 。 1.3 工业直流电源基础 第 1章 工业电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 30 1.3.1 整流直流电源 u2正半周 ： VT1和 VT4 承受正向电压， 加触发脉冲即导通， 1. 电阻性负载 ud = u2 工作原理及波形分析： 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 一 . 单相桥式全控整流电路 2021/3/22 上海电力学院 电力系 31 1.3.1 整流直流电源 u2过零时 VT1和 V

15、T4关断 1. 电阻性负载 ud = 0 工作原理及波形分析： 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 一 . 单相桥式全控整流电路 2021/3/22 上海电力学院 电力系 32 1.3.1 整流直流电源 1. 电阻性负载 一 . 单相桥式全控整流电路 u2负半周： VT2和 VT3承受正向电压， 有触发脉冲即导通， u2过零时关断。 ud = - u2 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 33 晶闸管两端电压： uVT 1,4 = 所有 VT均关断 0 VT1， 4导通 u2 VT2， 3导通 第 1章 工业电源基础 1.3

16、 工业直流电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 34 数量计算： 输出电压平均值： 2c o s19.02c o s122)(ds i n21 222d UUttUU 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 R UI d d 输出电流平均值 ： 1.3.1 整流直流电源 1. 电阻性负载 一 . 单相桥式全控整流电路 2021/3/22 上海电力学院 电力系 35 2s i n 2 1)()s i n2(1 222 2 R Utdt R UII 2 c os145.0 2 1 2 R UII ddT 晶闸管 电流平均值 ： 负载 电流有效值 （变压器二次绕组电流有效值）

17、： 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 晶闸管 电流有效值 ： I21 2sin 2 1 2)(d)sin 2( 2 1 222 R Utt R UI T 2s in 2 1 2)(d)s in 2( 2 1 222 R Utt R UI T 2021/3/22 上海电力学院 电力系 36 2. 电感性负载 u2过零变负时， id0 ， VT1和 VT4不关断！ ud出现负值 ! 为便于讨论，假设电路已工作于 稳态。 假设负载电感很大，负载电 流 id连续且波形近似为一水平线 与电阻性负载的工作原理 基本相同 不同之处： 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 1.3.

18、1 整流直流电源 一 . 单相桥式全控整流电路 2021/3/22 上海电力学院 电力系 37 VT2和 VT3导通 后， u2通过 VT2和 VT3分别向 VT1和 VT4施加反压使 VT1 和 VT4关断，流过 VT1和 VT4的电流迅 速转移到 VT2和 VT3 上，此过程称 换相 ，亦称 换流 u2负半周时， VT2和 VT3承 受正向 电压， 至 t=+ 时刻，给 VT2和 VT3 加触发脉冲，两管 导通。 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 38 c o s9.0c o s22)(ds i n21 222d UUttUU R

19、UI d d 输出电压平均值： 输出电流平均值： 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 2. 电感性负载 1.3.1 整流直流电源 一 . 单相桥式全控整流电路 数量计算： 2021/3/22 上海电力学院 电力系 39 dT II 2 1 电感很大时负载电流 id连续晶闸管 导通角 与 无关， 均为 180 变压器二次侧电流 i2 的波形为正负各 180的矩形波，其相 位由 角决定，有效值 I2=Id 。 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 2. 电感性负载 1.3.1 整流直流电源 一 . 单相桥式全控整流电路 数量计算： 晶闸管 电流有效值 ： 2021/3/2

20、2 上海电力学院 电力系 40 变压器二次侧接成 星形 得到 零线 ， 而一次侧接成 三角形 避免 3次谐波流入电网 三个晶闸管分别接入 u、 v、 w三相电源 ， 其阴极连接 在一起 共阴极接法 三相半波可控整流电路是基础 ， 三相桥式全控整流电路应用最广 负载容量较大 ， 或要求直流电压脉动较小 、 易滤波时采三相可控整流电路 （一） 三相半波可控整流电路 1. 电阻性负载 电路的特点： 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 1.3.1 整流直流电源 二 . 三相可控整流电路 2021/3/22 上海电力学院 电力系 41 自然换相点： 每两相相电压的交点 如： t1、 t2

21、、 t3 等 是三 相相电压在正半 周的 自然换相点 定义： 自然换相点 为控制角 的起点 自然换相点 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 42 自然换相点： 在 VT均不导通情况下： 只要 uu0 能触发 VT1 导通 只要 uv0 能触发 VT2 导通 只要 uw0 能触发 VT3 导通 ？ 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 43 在有一个 VT导通的情况下： 设 VT3已导通， uVT1=uu - uw 在 t t1时 ， uVT1 0， VT1才能触发导通； 一旦 VT1导

22、通 ， uVT3=uw - uu 0 VT3关 断。 在 t t1时 ， uVT1 0， uG VT1 ， VT1导通； ud = uu id = uu /R t2时刻 ， uG VT2 ， VT2能 导通吗？ uVT2=？ uVT=u本相 u导通相 VT2能 导通！ ud = uv id = uv /R VT2能 导通后， VT1怎样？ VT1关 断。 换相： 负载电流从原先 导通的 晶闸管转移到 后来 导通的 晶闸管的过程 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 46 uVT 1= 0 VT1导通 VT3导通 uu-uv=uuv VT2导

23、通 uu-uw=uuw ud ：三相相电压的一部分 （ = 0 时为其包络线） t3时刻 ， 换相过程与 t2时刻 类似 ud = uw id = uw /R 晶闸管两端电压： 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 47 负载电流处于连续和断续 之间的临界状态 晶闸 管导通 角 120 负载电流断续，晶闸管 导通角小于 120 = 30 时的波形 30 （ 60） 的情况 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 48 工作过程与电阻性负载 基本相同 ： 触发脉冲每隔 120 出现， 分别触

24、发自然换相点后相电压最大的晶闸管， 每个工频周期中 三个晶闸管轮流工作， ud是三相相电压的一部分 不同之处 ： 电感中电流不能跃变 L值很大， id波形基本平直 30时， ud连续 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 （一） 三相半波可控整流电路 2. 电感性负载 1.3.1 整流直流电源 二 . 三相可控整流电路 2021/3/22 上海电力学院 电力系 49 = 60 uu过零时， id0 VT1不关断，直到 VT2的脉冲到来 ， 才换流， ud波形中出现负的部分 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 50 c os17

25、.1c os 2 63)(s i n2 3 2 1 22 6 5 6 2d UUttdUU 1.整流电压平均值 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 （一） 三相半波可控整流电路 2. 电感性负载 1.3.1 整流直流电源 二 . 三相可控整流电路 数量计算： 2021/3/22 上海电力学院 电力系 51 2. 负载电流平均值： R UI d d 3.晶闸管电流平均值： ddT II 3 1 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 ddT IIII 577.03 1 2 4.变压器二次电流即 晶闸管电流的有效值 : (id波形有一定的脉动，但 为简化分析及定量计算， 可

26、将 id近似为一条水平线 ) （一） 三相半波可控整流电路 2. 电感性负载 1.3.1 整流直流电源 二 . 三相可控整流电路 数量计算： 2021/3/22 上海电力学院 电力系 52 三个 VT的阳极连在一起，称“ 共阳极接法 ”。 三个 VT的触发电路无公共端，需彼此绝缘。 电路在相电压的负半周工作，换相总是换到阴 极更负的那一相去。 c o s17.1 2UU d 3. 共阳极整流电路 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 53 三相半波整流电路共阴极和共阳极并用的电路 两种接法并用更合理，共阳、共阴分别供给两个负载 变压器二次绕

27、组 在正负半周时都有 电流流通，各 120， 利用率提高一倍。 无直流磁化问题。 零线电流互相抵 消，零线可以较细 。 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 54 令 L1=L2 ， R1=R2 ， 1=2 ， 则 Ud1 = Ud2 ， Id1 = Id2 I0 = 0 中线可以去掉 三相桥式 全控整流电路 三相桥式全控整流电路 由两组三相半波整流电 路串联而成 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 55 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 （二）三相桥式全控整流电路 工

28、作原理： 图 1.3.15 三相桥式全控整流电路原理图 1.3.1 整流直流电源 二 . 三相可控整流电路 2. 共阳极组的 VT4、 VT6、 VT2工作过程与共阴极组基本相同， 不同之处：触发脉冲总是施加给自然换相点后相电压最低相的 晶闸管。 3. 任意时刻共阳极组和共阴极组中各有 1个晶闸管处于导通状态 1. 共阴极组的 VT1、 VT3、 VT5工作过程 与三相半波整流电路中相同：每周期 3个晶闸管轮流工作，各工作 1/3周期 2021/3/22 上海电力学院 电力系 56 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 4. 输出电压为两导通相之间的 线电压，是 uuv、 uuw、

29、 uvw、 uvu、 uwu、 uwv的一部分 （二）三相桥式全控整流电路 工作原理： 1.3.1 整流直流电源 二 . 三相可控整流电路 5. 晶闸管流过的电流、晶闸管 两端电压与三相半波可控整 流电路中相同 2021/3/22 上海电力学院 电力系 57 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 （三）三相桥式不控整流电路 电力电子器件采用电力二极管 相当于 = 0 的 三相桥式全控整流电路 （四）带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 为电解电镀等工业，提供低电压大电流（例如几十伏，几千 至几万安）的可调直流电源。 由两组三相半波 可控整流电路 并联组成 图 1.3.21 带平衡电抗

30、器的 双反星形可控整流电路 2021/3/22 上海电力学院 电力系 58 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 （五）多重化整流电路 将两个或两个以上相同结构的整流电路 按一定的规律组合而得 ia1 ia2 iab2 iA1 图 1.3.24 并联多重联结的 12脉波整流电路 图 1.3.22 串联多重联结的 12脉波整流电路 2021/3/22 上海电力学院 电力系 59 第 1章 工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 （五）多重化整流电路 意义： 1. 电力电子装置是非线性负载，工作时会产生谐波电流， 对电网产生谐波污染，且消耗大量的无功功率。 2. 整流装置所产生的谐波电

31、流次数与整流输出脉波数有关， 脉波数越多，最低次高次谐波电流的次数越高。 3. 谐波电流的含有率与谐波电流的次数成反比，在整流装置 容量一定的情况下，脉波数越多，总谐波电流的含量越小。 4. m重整流电路的脉波数为 6m脉波整流 故：多重化整流电路谐波电流的含量减小， 在一定程度上提高功率因数。 2021/3/22 上海电力学院 电力系 60 1.3.2 高频逆变直流电源 IGBT大功率逆变电解电源采用 IGBT（绝缘栅双极晶体 管）及高频谐振逆变控制技术，产品体积小、重量轻、 高效节能，比普通电源节能 30%，功率因数可做到 0.95。 图 1.3.26 高频逆变直流电源组成框图 第 1章

32、工业电源基础 1.3 工业直流电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 61 1.4 工业交流调压电源基础 工业电炉的温度控制、 三相异步电动机的软起动及调压调速、 供用电系统对无功功率的连续调节、 在高压小电流或低压大电流直流电源中 调节变压器一次电压等等。 交流调压电源应用： 第 1章 工业电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 62 1电阻负载 工作原理： 在 u1的正半周和负 半周， 分别 对 VT1和 VT2的 控制角（开通角） 进行控制就可以调节输出电压 正负半周 起始时刻 （ 0） 均为电压过零时刻， 稳态时，正 负半周的 相等 负载电压波形是电源电压 波形

33、 的一部分，负载电流（也即电源 电流）和负载电压的波形相同 一 .单相交流调压电路 第 1章 工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 63 数量计算： 负载电压有效值 功率因数 cos（ ） R UI o o 负载电流有效值 2s i n 2 1 1 o o1 oo U U IU IU S P 2s i n 2 1ds i n21 1 2 1o UttUU 晶闸管电流有效值 OT 2 1 II 第 1章 工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 64 图 4-2 阻感负载单相交流调压电路及其波形 2 阻感

34、负载 负载阻抗角： j = arctan(L / R) 一 .单相交流调压电路 = j ， = j ， - 第 1章 工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 65 )22s i n (2s i n 1 )()s i n2( 1 1 2 1o U tdtUU 负载电压有效值： j ， 时 第 1章 工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础 数量计算： 2021/3/22 上海电力学院 电力系 66 u1正半周 ， 用 V1进行斩波控 制 ， V3提供续流通道 3 斩控式 交流调压电路 一般采用全控型器件作为开关器件 工作原理 : 图 4-7 斩控式

35、交流调压电路 图 4-8 波形 基本原理和直流斩波电路有类似之处 u1负半周 ， 用 V2进行斩波 控制 ， V4提供续流通道 设斩波器件 （ V1或 V2） 导通时 间为 ton， 开关周期为 T， 则导通 比 = ton/T， 改变 可调节输出 电压 一 .单相交流调压电路 第 1章 工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础 R L 图4 - 7 u 1 i 1 u o V 1 V 2 VD 1 VD 2 V 3 V 4 VD 4 VD 3 2021/3/22 上海电力学院 电力系 67 功率因数接近 1 R L 图4 - 7 u 1 i 1 u o V 1 V 2 VD 1 VD 2

36、V 3 V 4 VD 4 VD 3 图 4-7 斩控式交流调压电路 图 4-8 电阻负载斩控式交 流调压电路波形 斩控式 交流调压电路 特性 : 电源电流的基波分量和电源电 压 同相位 ，即 位移因数为 1 电源电流 不含低次谐波 ，只含 和开关周期 T有关的高次谐波 第 1章 工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础 3 斩控式 交流调压电路 一 .单相交流调压电路 2021/3/22 上海电力学院 电力系 68 二 . 三相交流调压电路 根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式 n 负载 a c n 负载 a b c a) b) 负载 a b c c) 负载 b d) 图4

37、- 9 a b c u a u b u c i a U a 0 n u a u b u c i a n u a u b u c i a n u a u b u c i a VT 1 VT 3 VT 4 VT 5 VT 6 VT 2 图 4-9 三相交流 调压电路 星形联结 线路控制三角形联结 支路控制三 角形联结 中点控制三 角形联结 2021/3/22 上海电力学院 电力系 69 负载 图4 - 1 1 u a i a u b u c n b a c 图 4-11 晶闸管控制电 抗器 (TCR)电路 典型用例 晶闸管控制电抗器 并接固定 电容器 控制 角可连续调节 流过电抗器 的电流，从而调

38、节无功功率。可 在从容性到感性的范围内连续调 节无功功率，称为静止无功补偿 装置 (Static Var Campensator SVC），用来对无功功率进行动 态补偿，以补偿电压波动或闪变 （ Thyristor Controlled ReactorTCR） 移相范围为 90 180 第 1章 工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础 二 . 三相交流调压电路 2021/3/22 上海电力学院 电力系 70 三交流调功电路和交流电力电子开关 以交流电源周波数为控制单位 交流调功电路 对电路通断进行控制 交流电力电子开关 第 1章 工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础 2021/3/2

39、2 上海电力学院 电力系 71 1. 交流调功电路 因其直接调节对象是电路的平均输出 功率，所以称为 交流调功电路 与交流调压电路的异同： 电路形式完全相同 M 电源周期 控制周期 = M 倍电源周期 = 2 4 M 图4 - 1 3 O 导通段 = 2 N M 3 M 2 M u o u 1 u o , i o t U 1 2 控制方式不同： 将负载与电源接通几个周 波，再断开几个周波，改 变通断周波数的比值来调 节负载所消耗的平均功率 图 4-13 交流调功电路典型波形 (M =3、 N =2) 应用： 常用于电炉的温度控制 晶闸管导通时刻通常为 电源电压过零的时刻， 负载 u、 i都是正

40、弦波 ， 不 对电网电压电流 造成 通常意义的 谐波污染 第 1章 工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 72 和机械开关相比，这种开关响应速度快，没有触点，寿 命长，可以频繁控制通断。电力电子开关通常没有明确 的控制周期，只是根据需要控制电路的接通和断开。 2.交流电力电子开关 把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路 中的机械开关，起接通和断开电路的作用 . 第 1章 工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 73 2.交流电力电子开关 I U 抑制冲击电流 的小电感 a) 图4 - 1 5 b)

41、TSC基本原理图 a) 基本单元 单相 简图 b) 分组投切 单相 简图 应用： 晶闸管投切电容器 （ Thyristor Switched CapacitorTSC） 优点：响应速度快，无触点， 寿命长，可频繁控制通断 对 无功功率 进行控制，以提高功率因 数，稳定电网电压，改善供电质量 使 TSC性能优于机械开 关投切的电容器 第 1章 工业电源基础 1.4 工业交流调压电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 74 脉冲电源用于电镀、 脉冲弧焊、静电除尘等。 1.5 工业脉冲电源基础 第 1章 工业电源基础 脉冲电源组成框图： 2021/3/22 上海电力学院 电力系 75 图

42、 1.5.2 斩波电路的原理结构及工作波形 1.5 工业脉冲电源基础 T t on 占空比 : 第 1章 工业电源基础 通过调节占空比来 改变输出电压的大小 2021/3/22 上海电力学院 电力系 76 工业用变频电源的基础是变频电路。 变频电路有两类，一类是直接变频电路， 一类是间接变频电路 。 1.6 工业变频电源基础 一直接变频电路 图 1.6.1 单相直接变频电路原理图 第 1章 工业电源基础 2021/3/22 上海电力学院 电力系 77 图 1.6.2 输出星形联结方式三相交交变频电路 （ a）简图 （ b）详图 第 1章 工业电源基础 1.6 工业变频电源基础 2021/3/2

43、2 上海电力学院 电力系 78 图 1.6.3 间接变频原理框图： 二间接变频电路 负载 a) b) 图5 - 1 t S 1 S 2 S 3 S 4 i o u o U d u o i o t 1 t 2 图 1.6.4 单相全桥无源逆变原理图 图 1.6.5 单相电压型无源逆变输出波形 第 1章 工业电源基础 1.6 工业变频电源基础 根据直流侧电源性质不同无源逆变电路分为两种： 电压型逆变电路、 电流型逆变电路。 2021/3/22 上海电力学院 电力系 79 第 1章 工业电源基础 1.6 工业变频电源基础 二间接变频电路 1电压型逆变电路 特点： （ 1）直流侧为电压源，或并联大 电

44、容相当于电压源，直流侧电压基 本无脉动，直流回路呈现低阻抗。 （ 2）由于直流电压源的箝位作用， 无论负载阻抗角如何，交流侧输出 电压为矩形波。而交流侧输出电流 波形和相位因负载阻抗情况不同而 不同。 （ 3）交流侧为阻感负载时需要提 供无功功率。为了给交流侧向直流 侧反馈的无功能量提供通道，逆变 桥各臂并联有反馈二极管。 + - C R L 图5 - 5 U d V 1 V 2 V 3 V 4 VD 1 VD 2 VD 3 VD 4 u o i o 图 1.6.6 单相全桥电压型无源逆变电路实例 + - R L a) t t O O ON 图5 - 6 U d i o u o V 1 V 2

45、 VD 1 VD 2 u o U m - U m i o t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 V 1 V 2 V 1 V 2 VD 1 VD 2 VD 1 VD 2 U d 2 U d 2 V 4 V 4V 3 V 3 VD 4 VD 4 VD 3 VD 3 图 1.6.7 单相全桥电压型无源逆变 电路输出波形 2021/3/22 上海电力学院 电力系 80 第 1章 工业电源基础 1.6 工业变频电源基础 二间接变频电路 PWM（ Pulse Width Modulation）控制 脉冲宽度调制 即： 通过对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得 到一系列幅值相等而宽度不等的

46、脉冲，用这些脉冲来代 替正弦波或所需要的波形。 按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制， 既可改变逆变电路输出电压的大小， 也可改变逆变输出频率。 1电压型逆变电路 间接变频电路中的整流电路往往采用不控整流，交流侧 输出的大小、频率调整依靠无源逆变电路中的控制电路 来实现。目前多采用 PWM控制技术。 2021/3/22 上海电力学院 电力系 81 第 1章 工业电源基础 1.6 工业变频电源基础 二间接变频电路 2. 电流型逆变电路 特点： 1）直流侧串联有大电感，相当于电流 源。直流侧电流基本无脉动，直流回路 呈现高阻抗。 2）交流侧输出电流为矩形波，与负载 阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和

47、 相位则因负载阻抗情况的不同而不同。 3）交流侧为阻感负载时需要提供无功 功率。直流侧电感起缓冲无功能量的作 用。因为反馈无功能量时直流电流并不 反向，因此不必像电压型逆变电路那样 要给开关器件反并联二极管。 A B C R L 图5 - 1 2 L d I d VT 1 VT 2 VT 3 VT 4 L T 1 L T 2 L T3 L T4 u o i o tO tO 图5 - 1 3 tO O tO tO tO tO u G1 , 4 u G2 , 3 i o u o u AB I d u VT 2 , 3 u VT 1 , 4 t O tO 图5 - 1 3 t O O t O t O

48、 t O t O u G1 , 4 u G2 , 3 i o u o u AB I d u VT 2 , 3 u VT 1 , 4 图 1.6.10 单相桥式电流型无源逆变电路 图 1.6.11 并联谐振式逆变电路工作波形 2021/3/22 上海电力学院 电力系 82 第 1章 工业电源基础 1.6 工业变频电源基础 二间接变频电路 2. 电流型逆变电路 M 3 U V W + - 图5 - 1 5 L I d C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 VD 1 VD 2 VD 3 VD 4 VD 5 VD 6 U d VT 1 VT 2 VT 3 VT 4 VT 5 VT 6 U V W 图5 - 1 1 i d U d VT 1 VT 2 VT 3 VT 4 VT 5 VT 6 两种三相桥式电流型无源逆变电路 （ a）采用全控型 GTO的逆变电路 （ b）串联二极管式晶闸管逆变电路 2021/3/22 上海电力学院 电力系 83 第 1章 工业电源基础 1.6 工业变频电源基础 直接变频电路：低于电网频率 间接变频电路：零点几 Hz几百 kHz。 变频电源输出频率：