电力电子技术教学课件交流交流变流电路

交流交流变流电路-本课件旨在深入探讨交流-交流变流电路的核心概念、工作原理、控制策略及其在现代电力电子技术中的广泛应用通过本课件的学习，您将全面掌握各类交流-交流变流电路的特性，并能够将其应用于实际工程问题中电力电子技术作为现代工业领域的重要组成部分，其理论知识和应用技能对于工程师和研究人员至关重要本课件内容丰富，结构清晰，希望能帮助您更好地理解和掌握相关知识课程简介与目标课程简介课程目标本课程系统介绍交流-交流变流电路的基本原理、拓扑结构、控通过本课程的学习，学生应能够理解各类交流-交流变流电路的制方法及应用实例课程内容涵盖晶闸管、交流调压电路、交流工作原理，掌握其控制策略，并能够运用所学知识解决实际工程斩波电路、矩阵变换器、静态开关、交流变频电路等关键知识问题同时，培养学生的创新思维和实践能力，为未来从事相关点，旨在培养学生分析和设计交流-交流变流电路的能力领域的工作奠定坚实基础交流交流变流电路概述-定义分类12交流-交流变流电路是指将一根据工作原理和拓扑结构，交种交流电转换为另一种交流电流-交流变流电路可分为交流的电力电子电路其主要功能调压电路、交流斩波电路、矩是改变交流电的电压、频率或阵变换器、交流变频电路等多相位，以满足不同应用的需种类型求应用3交流-交流变流电路广泛应用于电力系统、工业自动化、交通运输、新能源等领域，如电机调速、感应加热、电焊机、电力机车交流传动等电力电子器件回顾二极管晶体管晶闸管单向导通，用于整流和双极型晶体管（BJT）和可控硅，用于高压大电续流场效应晶体管流的开关控制（MOSFET），用于开关和放大IGBT绝缘栅双极型晶体管，兼具MOSFET和BJT的优点，用于中高压大电流的开关控制晶闸管（）SCR结构特点PNPN四层半导体结构，具有三单向导通，可控导通，导通后门个PN结极失去控制作用用途用于交流调压、交流斩波、逆变等电路中晶闸管的工作原理正向阻断阳极电压高于阴极电压，门极无触发信号，晶闸管处于阻断状态正向导通阳极电压高于阴极电压，门极施加触发信号，晶闸管导通反向阻断阳极电压低于阴极电压，晶闸管处于阻断状态关断减小阳极电流至维持电流以下，或施加反向电压，晶闸管关断晶闸管的参数参数名称符号单位说明额定电压晶闸管能承受的最大正反向电压VDRM,VRRM V额定电流晶闸管能承受的最大平均电流ITAV A维持电流维持晶闸管导通的最小电流IH mA触发电流使晶闸管导通的最小门极电流IGT mA晶闸管的触发电路单结晶体管触发电路21触发电路RC同步触发电路3晶闸管的触发电路用于产生触发脉冲，使晶闸管导通触发电路的设计需要考虑触发脉冲的幅度、宽度、频率和相位等因素常用的触发电路包括RC触发电路、单结晶体管触发电路和同步触发电路等交流调压电路定义1交流调压电路是指通过改变晶闸管的触发角来调节交流电压的有效值的电力电子电路类型2根据电源相数，可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路应用3广泛应用于灯光调节、电机调速、电炉控制等领域单相交流调压电路半控型全控型采用一个晶闸管和一个二极管，只能调节正半周电压采用两个晶闸管反并联，可以调节正负半周电压单相交流调压电路结构简单，控制方便，但谐波含量较高根据采用的电力电子器件，可分为半控型和全控型两种单相交流调压电路原理单相交流调压电路通过改变晶闸管的触发角α来调节输出电压的有效值触发角α越大，输出电压越小；触发角α越小，输出电压越大当α=0时，输出电压等于输入电压；当α=π时，输出电压为0电阻负载的交流调压电路当负载为电阻时，电流与电压同相位，晶闸管的触发角α直接影响输出电压的有效值输出电压的有效值与触发角α的关系可以用公式表示电感负载的交流调压电路当负载为电感时，电流滞后于电压，晶闸管的触发角α不仅影响输出电压的有效值，还影响电流的波形需要考虑续流二极管的作用，以保证电路的正常工作交流调压电路的控制策略相位控制积分周期控制控制PWM123通过改变触发角α来调节输出电压在一个或多个工频周期内控制晶闸采用脉宽调制技术控制晶闸管的通的有效值管的通断时间断，可获得更好的电压调节性能交流调压电路的应用灯光调节电机调速通过调节交流电压来控制灯泡的通过调节交流电压来控制交流电亮度机的转速电炉控制通过调节交流电压来控制电炉的加热功率三相交流调压电路星形连接三角形连接三相电源的星形连接方式，每相采用交流调压电路进行电压调三相电源的三角形连接方式，每相采用交流调压电路进行电压调节节三相交流调压电路可提供更高的功率和更好的电压调节性能根据电源的连接方式，可分为星形连接和三角形连接两种三相交流调压电路原理三相交流调压电路通过控制每相晶闸管的触发角来调节输出电压的有效值控制策略需要考虑三相电压的平衡和对称性，以减小谐波含量星形连接的三相交流调压电路星形连接的三相交流调压电路结构简单，控制方便，但需要考虑零线电流的问题如果负载不平衡，零线电流会增大，影响电路的正常工作三角形连接的三相交流调压电路三角形连接的三相交流调压电路不需要零线，可以避免零线电流的问题但三角形连接的电路结构相对复杂，控制难度较高三相交流调压电路的控制策略独立控制每相独立控制晶闸管的触发角同步控制三相同步控制晶闸管的触发角，保证三相电压的平衡优化控制采用优化算法控制晶闸管的触发角，减小谐波含量交流调压电路的谐波分析交流调压电路由于采用晶闸管等非线性器件，会产生大量的谐波谐波会对电力系统产生不良影响，如增加线路损耗、干扰通信系统、影响电力设备的正常工作等因此，需要对交流调压电路的谐波进行分析和抑制谐波的产生与影响谐波的产生谐波的影响12电力电子器件的非线性特性是产生谐波的主要原因谐波会增加线路损耗、干扰通信系统、影响电力设备的正常工作等减少谐波的措施采用多重化技术1增加滤波器2优化控制策略3减少谐波的措施包括采用多重化技术、增加滤波器、优化控制策略等多重化技术可以减小谐波的幅值；滤波器可以滤除特定的谐波；优化控制策略可以改变谐波的分布交流斩波电路特点2具有开关频率高、响应速度快、谐波含量低等优点定义1交流斩波电路是指通过控制电力电子器件的通断来调节交流电压的有效值的电力电子电路应用广泛应用于高精度交流稳压电源、交流3伺服系统等领域交流斩波电路原理交流斩波电路通过控制电力电子器件的通断时间来调节输出电压的有效值通断时间的比例称为占空比，占空比越大，输出电压越大；占空比越小，输出电压越小交流斩波电路的拓扑结构单极性斩波双极性斩波输出电压只有正极性或负极性输出电压既有正极性又有负极性交流斩波电路的拓扑结构根据输出电压的极性可分为单极性斩波和双极性斩波两种双极性斩波电路的性能优于单极性斩波电路交流斩波电路的控制方法控制滞环控制PWM12采用脉宽调制技术控制电力电通过检测输出电压与参考电压子器件的通断，可获得良好的的偏差来控制电力电子器件的电压调节性能通断重复控制3利用历史数据来补偿周期性扰动，提高系统的稳态精度交流斩波电路的应用高精度交流稳压电源交流伺服系统为精密仪器提供稳定的交流电控制交流电机的转速和位置源有源电力滤波器滤除电网中的谐波矩阵变换器定义1矩阵变换器是一种直接将一种交流电转换为另一种交流电的电力电子电路特点2具有体积小、效率高、谐波含量低等优点应用3广泛应用于交流电机调速、新能源发电等领域矩阵变换器概述矩阵变换器是一种新型的交流-交流变流器，它不需要中间直流环节，可以直接实现交流电压和频率的变换矩阵变换器具有结构紧凑、效率高、控制灵活等优点，被认为是未来交流传动和电力电子领域的重要发展方向矩阵变换器的工作原理矩阵变换器通过控制多个双向开关的通断，将输入交流电压直接斩波成所需的输出交流电压控制策略需要保证输入电流和输出电压的质量，并避免开关器件的短路和开路矩阵变换器的控制策略控制空间矢量调制直接转矩控制PWM采用脉宽调制技术控制双向开关的通采用空间矢量调制技术优化开关状态，采用直接转矩控制技术控制交流电机的断减小谐波含量转矩矩阵变换器的优点与缺点优点缺点体积小、效率高、谐波含量低、控制灵活控制复杂、开关器件数量多、成本高矩阵变换器具有许多优点，但也存在一些缺点随着电力电子技术的不断发展，矩阵变换器的应用前景将越来越广阔矩阵变换器的应用领域交流电机调速新能源发电控制交流电机的转速和转矩将风能和太阳能转换为电能电力系统提高电力系统的稳定性和可靠性静态开关特点2具有响应速度快、寿命长、可靠性高等优点定义1静态开关是指采用电力电子器件实现的无触点开关应用广泛应用于自动转换开关、固态继电器3等领域静态开关概述静态开关是一种利用电力电子器件（如晶闸管、MOSFET、IGBT等）来实现电路通断功能的开关装置与传统的机械开关相比，静态开关具有无触点、响应速度快、寿命长、可靠性高等优点，因此在电力电子领域得到了广泛应用静态开关的工作原理静态开关通过控制电力电子器件的通断来实现电路的通断当需要导通电路时，控制信号使电力电子器件导通；当需要断开电路时，控制信号使电力电子器件关断静态开关的分类交流静态开关直流静态开关用于交流电路的通断控制用于直流电路的通断控制根据应用电路的不同，静态开关可分为交流静态开关和直流静态开关交流静态开关通常采用反并联的晶闸管或MOSFET，直流静态开关通常采用MOSFET或IGBT静态开关的应用自动转换开关（）固态继电器（）ATS SSR在主电源故障时自动切换到备用用于控制各种电气设备电源电机启动器用于控制电机的启动和停止交流变频电路定义1交流变频电路是指将一种频率的交流电转换为另一种频率的交流电的电力电子电路特点2可实现交流电机的无级调速应用3广泛应用于工业自动化、交通运输等领域交流变频电路概述交流变频电路是一种能够改变交流电源频率的电力电子装置它广泛应用于交流电机调速、感应加热、变频电源等领域，是现代工业自动化和电力电子技术的重要组成部分交流变频电路的分类间接式变频直接式变频先将交流电转换为直流电，再将直流电转换为交流电直接将一种频率的交流电转换为另一种频率的交流电根据工作原理的不同，交流变频电路可分为间接式交流变频电路和直接式交流变频电路间接式交流变频电路应用广泛，技术成熟；直接式交流变频电路结构紧凑，效率高，但控制复杂间接式交流变频电路间接式交流变频电路包括整流器、直流环节和逆变器三个部分整流器将交流电转换为直流电，直流环节用于滤波和储能，逆变器将直流电转换为所需频率的交流电常用的整流器有二极管整流器和晶闸管整流器，常用的逆变器有PWM逆变器和电压型逆变器直接式交流变频电路直接式交流变频电路无需中间直流环节，直接将一种频率的交流电转换为另一种频率的交流电常用的直接式交流变频电路有矩阵变换器和交交变频器直接式交流变频电路结构紧凑，效率高，但控制复杂，成本高交流电机调速意义2可提高生产效率、节约能源、改善工艺控制定义1交流电机调速是指通过改变交流电机的电源频率或电压来调节其转速的方法方法常用的调速方法有变频调速、变压调3速、转差调速等交流电机调速概述交流电机调速是指改变交流电机的转速以满足不同工况需求的技术交流电机调速技术广泛应用于工业、交通、能源等领域，可以提高生产效率、节约能源、改善工艺控制变频调速原理变频调速是通过改变交流电机的电源频率来调节其转速的方法交流电机的转速与电源频率成正比，因此通过改变电源频率可以实现电机的无级调速变频调速是目前应用最广泛的交流电机调速方法，具有调速范围广、精度高、节能效果好等优点变频调速的控制方式控制矢量控制直接转矩控制V/f123保持电压与频率的比值为常数，简将电机电流分解为励磁电流和转矩直接控制电机的转矩和磁链，具有单易实现电流，实现电机的精确控制响应速度快、控制精度高等优点变频调速的优点与缺点优点缺点调速范围广、精度高、节能效果好、启动平稳、保护功能完善成本较高、对电网产生谐波污染、高速运行时电机损耗增加变频调速技术具有许多优点，但也存在一些缺点随着电力电子技术的不断发展，变频调速技术的性能将不断提高，应用领域将越来越广阔电力机车交流传动电力机车交流传动是指采用交流电机作为牵引电机的电力机车与直流传动相比，交流传动具有功率大、效率高、维护量小等优点，是现代电力机车的发展方向交流传动系统通常采用变频调速技术，实现对牵引电机的精确控制电力机车交流传动系统电力机车交流传动系统包括受电弓、主变压器、变流器、牵引电机和控制系统等部分受电弓从接触网获取电能，主变压器将高压交流电转换为低压交流电，变流器将交流电转换为可调频率和电压的交流电，牵引电机驱动机车运行，控制系统实现对牵引电机的精确控制交流传动系统的控制转矩控制控制牵引电机的转矩，实现机车的牵引和制动速度控制控制机车的运行速度，满足运行需求防滑控制防止机车车轮打滑，保证运行安全交流传动系统的优点功率大效率高维护量小可满足高速重载的需求节约能源，降低运营成本降低维护成本，提高可靠性交流交流变流电路的保护-交流-交流变流电路在运行过程中可能会出现过电流、过电压、短路等故障，为了保证电路的安全可靠运行，需要采取相应的保护措施保护措施包括过电流保护、过电压保护、短路保护和散热设计等过电流保护过电流保护是指当电路中的电流超过额定值时，采取措施断开电路，防止设备损坏常用的过电流保护措施包括熔断器、断路器和电流继电器等在交流-交流变流电路中，通常采用快速熔断器或半导体保护熔断器来保护电力电子器件过电压保护过电压保护是指当电路中的电压超过额定值时，采取措施限制电压，防止设备损坏常用的过电压保护措施包括压敏电阻、TVS管和避雷器等在交流-交流变流电路中，通常采用压敏电阻或TVS管来保护电力电子器件短路保护短路保护是指当电路中发生短路故障时，采取措施快速断开电路，防止设备损坏和人身伤亡常用的短路保护措施包括断路器和熔断器等在交流-交流变流电路中，通常采用快速熔断器或断路器来保护电路散热设计电力电子器件在工作过程中会产生大量的热量，如果热量不能及时散发出去，会导致器件温度升高，影响其性能和寿命因此，需要对交流-交流变流电路进行合理的散热设计常用的散热方式包括自然冷却、强制风冷和水冷等对于功率较大的电路，通常采用强制风冷或水冷电磁兼容性（）EMC电磁兼容性是指设备在电磁环境中能够正常工作，并且不对其他设备产生干扰的能力交流-交流变流电路在工作过程中会产生大量的电磁干扰，因此需要采取相应的措施来提高其电磁兼容性常用的措施包括屏蔽、滤波、接地等课程总结与回顾本课程系统介绍了交流-交流变流电路的基本原理、拓扑结构、控制方法及应用实例通过本课程的学习，您应该能够理解各类交流-交流变流电路的工作原理，掌握其控制策略，并能够运用所学知识解决实际工程问题希望本课程能对您在电力电子技术领域的学习和工作有所帮助。