電氣工程概論第三章電力電子技術第三章電力電子技術電力電子技術：使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術，即應用于電力領域的電子技術。1974年，美國的W.Newell用倒三角對電力電子技術進行了描述，被全世界普遍接受。都分為器件和應用兩大分支。器件的材料、工藝基本相同，采用微電子技術。應用的理論基礎、分析方法、分析軟件也基本相同。信息電子電路的器件可工作在開關狀態，也可工作在放大狀態；電力電子電路的器件一般只工作在開關狀態（電力電子技術的重要特征）。二者同根同源。與電子學（信息電子學）的關系電氣工程概論第三章電力電子技術電力電子技術廣泛用于電氣工程中高壓直流輸電靜止無功補償電力機車牽引交直流電力傳動電解、電鍍、電加熱、高性能交直流電源國內外均把電力電子技術歸為電氣工程學科的一個分支。電力電子技術是電氣工程學科中最為活躍的一個分支。與電力學（電氣工程）的關系電氣工程概論第三章電力電子技術控制理論廣泛用于電力電子系統中。電力電子技術是弱電控制強電的技術，是弱電和強電的接口；控制理論是實現這種接口的有力紐帶。電力電子裝置是自動化技術的基礎元件和重要支撐技術。與控制理論（自動化技術）的關系電氣工程概論第三章電力電子技術電力電子技術特點：弱電控制強電的學科交叉技術；所涉及的學科廣泛，包括：基礎理論（固體物理、電磁學、電路理論）、專業理論（電力系統、電子學、傳熱學、系統與控制、電機學及電力傳動、通信理論、信號處理、微電子技術）以及專門技術（電磁測量、計算機仿真、CAD）等。傳送能量的模擬-數字-模擬轉換技術；多學科知識的綜合設計技術。電氣工程概論第三章電力電子技術第一節功率半導體器件一、概述二、大功率二極管三、晶閘管四、功率場效應晶體管五、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）六、功率模塊與功率集成電路七、功率半導體器件的保護第二節電力變換技術一、換流概念和變流器的分類二、相控調壓電路(單相交流調壓)三、可控整流電路(分單相半波、三相半波及橋式兩次講)四、有源逆變電路五、二組晶閘管整流器反并聯可逆電路六、交-交直接變頻器(正弦波單相交-交變頻)七、單象限直流電壓變換電路(直流降壓變換)八、二相限直流電壓變換器九、四象限直流電壓變換器十、直流電壓變換器的控制方式(時間比控制方式)十一、逆變電路(電壓型單相半橋逆變)十二、逆變器的多重化十三、正弦脈寬調制技術（SPWM技術）電氣工程概論第三章電力電子技術第一節功率半導體器件電氣工程概論第三章電力電子技術一、概述（一）功率半導體器件的功能圖3-1為電力電子裝置的示意圖，功率輸入經功率變換器后輸出至負載。功率變換器通常采用電力電子器件作為功率開關，應用不同拓撲組合構成，實現電功率形式的變換（電壓或頻率等變換）。此外，系統功率可以是雙向的，即電功率也可以從輸出端送至輸入端。電氣工程概論3.1功率半導體器件功率半導體器件作為功率開關，其工作特點如下：1）功率半導體器件通常都處于在開關狀態。2）設計功率變換器時要考慮器件的散熱。功率半導體器件由斷態轉換成通態及由通態轉換成斷態時，在轉換過程中所產生的損耗，分別稱之為開通損耗和關斷損耗，總稱為開關損耗。3）大功率是功率半導體器件的特點，這就要求一個理想的功率半導體器件應該是能承受高電壓、大電流的器件。電氣工程概論3.1功率半導體器件理想的功率半導體器件的特性：1）在阻斷狀態，能承受高電壓；2）在導通狀態，具有高的電流密度和低的導通壓降；3）在開關狀態，轉換時間短，能承受高的di/dt和du/dt；4）具有全控功能，可以通過電信號來控制器件的通斷。電氣工程概論3.1功率半導體器件（二）功率半導體器件的發展功率半導體器件的發展經歷了以下階段：大功率二極管產生于20世紀40年代，是功率半導體器件中結構最簡單、使用最廣泛的一種器件。1957年第一只晶閘管—也稱可控硅(SCR)問世后，因此,自20世紀60年代開始進入了晶閘管時代（無自關斷能力的半控器件）。20世紀70年代，出現了自關斷器件，如門極可關斷晶閘管、大功率雙極型晶體管、功率場效應晶體管等。20世紀80年代，出現了場控半導體器件，以絕緣柵雙極型晶體管為典型代表。現已經出現了第四代電力電子器件——集成功率半導體器件，它將功率器件與驅動電路、控制電路及保護電路集成在一塊芯片上，從而開辟了電力電子器件智能化的方向，具有廣闊的應用前景。電氣工程概論3.1功率半導體器件圖3-2示出了各種功率半導體器件的工作范圍電氣工程概論3.1功率半導體器件SCR：可控硅整流器（晶閘管）GTO：門極可關斷晶閘管BJT：大功率雙極型晶體管MCT：MOS控制晶閘管IGBT：絕緣柵極雙極型晶體管MOSFET：功率場效應晶體管半控型器件（Thyristor）

——通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。如晶閘管及其大部分派生器件全控型器件

——通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷，又稱自關斷器件。GTO，MOSFET，IGBT不可控器件(PowerDiode)

——不能用控制信號來控制其通斷,因此也就不需要驅動電路。如電力二極管按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：電力半導體器件（三）功率半導體器件的分類電流驅動型

——通過從控制端注入或者抽出電流來實現導通或者關斷的控制。這類電力電子器件稱為電流驅動型電力電子器件或電流控制型電力電子器件。如晶閘管，GTO，MCT，IGCT。電壓驅動型

——僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現導通或者關斷的控制。這類電力電子器件稱為電壓驅動型電力電子器件或電壓控制型電力電子器件。也稱為場控器件或場效應器件。如MOSFET，IGBT

按照驅動電路信號的性質，分為兩類：電力半導體器件單極性器件（MOSFET，SIT）

——有一種載流子參與導電。雙極性器件（電力二極管，晶閘管，GTO，GTR，SITH，）

——由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件復合型器件（IGBT，MCT，IGCT）

——由單極性器件和雙極性器件集成混合而成的器件

按照載流子參與導電的情況，分為三類：電力半導體器件二、大功率二極管大功率二極管屬不可控器件，在不可控整流、電感性負載回路的續流、電壓源型逆變電路等場合均得到廣泛使用。（一）大功率二極管的結構大功率二極管的內部結構是一個PN結，其符號如圖3-3(a)所示。一般情況下，200A以下的管芯采用螺旋式(圖3-3(b))，以上則采用平板式(圖3-3(c))。電氣工程概論3.1功率半導體器件（二）大功率二極管的特性1.大功率二極管的伏安特性二極管陽極和陰極間的電壓Uak與陽極電流ia

間的關系稱為伏安特性，如圖3-4所示，忽略通態壓降和反向漏電流的理想伏安特性如圖3-4(b)所示。電氣工程概論3.1功率半導體器件2.大功率二極管的開通、關斷特性圖3-5為大功率二極管的開通過程。大功率二極管的開通過程較短，導通壓降很小，通常可視為一理想開關。電氣工程概論3.1功率半導體器件圖3-6為大功率二極管關斷過程，其截止時的反向電流恢復時間必須考慮。電氣工程概論3.1功率半導體器件低頻整流電路中，一般不考慮大功率二極管的動態過程。在高頻逆變器、高頻整流器、緩沖電路等頻率較高的應用場合，必須考慮大功率二極管的動態過程。

電氣工程概論3.1功率半導體器件常用的二極管有三種:普通二極管（反向恢復時間：2~5μs）快速恢復二極管：反向恢復的電流小且恢復時間很短（200~500ns）肖特基二極管：幾乎沒有反向恢復時間。快恢復二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。三、晶閘管(thyristor，或SCR：siliconcontrolledrectifier)晶閘管是硅晶體閘流管的簡稱，其價格低廉、工作可靠，盡管開關頻率較低，但在大功率、低頻的電力電子裝置中仍占主導地位。（一）晶閘管的結構晶閘管是大功率的半導體器件，結構如圖3-7及圖3-8所示。電氣工程概論3.1功率半導體器件（二）晶閘管的靜態特性晶閘管內部結構上有三個PN結。當陽極電源使晶閘管陽極電位高于陰極電位時，晶閘管承受正向陽極電壓，反之承受反向陽極電壓。當門極控制電源使晶閘管門極電位高于陰極電位時，晶閘管為正向門極電壓，反之承受反向門極電壓。通過理論分析和實驗驗證表明：1)只有當晶閘管同時承受正向陽極電壓和正向門極電壓時晶閘管才能導通，兩者不可缺一。2)晶閘管一旦導通后門極將失去控制作用，門極電壓對管子隨后的導通或關斷均不起作用，故使晶閘管導通的門極電壓不必是一個持續的直流電壓，但必須是一個具有一定寬度和幅度的正向脈沖電壓，稱之為觸發脈沖。3)要使已導通的晶閘管關斷，必須使陽極電流降低到維持電流(約幾十毫安)之下，通常通過降低陽極電壓至接近于零或施加反向陽極電壓來實現。電氣工程概論3.1功率半導體器件晶閘管的靜態特性即陽極伏安特性，表示晶閘管陽極與陰極之間的電壓Uak與陽極電流ia

之間的關系曲線，如圖3-9所示。電氣工程概論3.1功率半導體器件

晶閘管的陽極伏安特性可以劃分為兩個區域，第I象限為正向特性區，第III象限為反向特性區。第I象限的正向特性又可分為正向阻斷狀態及正向導通狀態。正向阻斷狀態隨著不同的門極電流，Ig大小呈現不同的分支。正向導通狀態下的特性與一般二極管的正向特性一樣，此時晶閘管流過很大的陽極電流而管子本身只承受約1V左右的管壓降，特性曲線靠近并幾乎平行于縱軸。晶閘管在第III象限的反向特性與二極管的反向特性類似。電氣工程概論3.1功率半導體器件2.動態特性（1）開通特性：晶閘管由截止轉為導通的過程為開通過程。（2）關斷特性：晶閘管由導通轉為截止的過程為關斷過程。普通晶閘管的關斷時間為幾百微秒。電氣工程概論3.1功率半導體器件（三）晶閘管的主要參數1.電壓參數（1）斷態重復峰值電壓UDRM門極開路，從晶閘管陽極伏安特性正向阻斷高阻區漏電流急劇增長的拐彎處所決定的電壓稱為斷態不重復峰值電壓UDSM。取斷態不重復峰值電壓UDSM的90％定義為斷態重復峰值電壓UDRM，“重復”表示每秒50次、每次持續時間不大于10ms。電氣工程概論3.1功率半導體器件（三）晶閘管的主要參數1.電壓參數電氣工程概論3.1功率半導體器件（2）反向重復峰值電壓URRM門極開路，從晶閘管陽極伏安特性反向阻斷高阻區反向漏電流急劇增長的拐彎處所決定的電壓稱為反向不重復電壓URSM。取反向不重復峰值電壓URSM的90％為定義為反向重復峰值電壓URRM。（3）晶閘管的額定電壓UR

取UDRM和URRM中較小的一個，并整化至等于或小于該值的規定電壓等級上做為晶閘管的額定電壓UR。為了確保管子安全運行，在選用晶閘管時應使其額定電壓為正常工作電壓峰值UTM的2~3倍，以作安全余量。（三）晶閘管的主要參數電氣工程概論3.1功率半導體器件2.電流參數（1）通態平均電流IT(AV)選用晶閘管時應根據有效電流相等的原則來確定晶閘管的額定電流。選用晶閘管的額定電流IT(AV)應使其對應有效值電流為實際流過電流有效值的1.5~2倍。（2）維持電流IH維持電流IH是指晶閘管維持導通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。（3）擎住電流IL晶閘管剛從阻斷狀態轉變為導通狀態并撤除門極觸發信號時，維持元件導通所需的最小陽極電流稱為擎住電流IL。一般擎住電流比維持電流大2～4倍。3.其它參數（1）斷態電壓臨界上升率du/dt在額定結溫和門極斷路條件下，使元件從斷態轉入通態的最低電壓上升率稱為斷態電壓臨界上升率du/dt。實際使用中，必須要求晶閘管斷態下陽極電壓的上升速度要低于此值。（2）通態電流臨界上升率di/dt通態電流臨界上升率di/dt是指在規定的條件下，晶閘管由門極進行觸發導通時，管子能夠承受而不致損壞的通態平均電流的最大上升率。應用時，晶閘管所允許的最大電流上升率要小于這個數值。電氣工程概論3.1功率半導體器件（四）晶閘管的派生器件

快速晶閘管(FSI)

雙向晶閘管(TRIAC)

逆導晶閘管(RCT)

門極可關斷晶閘管(GTO)

光控晶閘管(LTT)（五）晶閘管的驅動1.晶閘管觸發電路的基本要求：1）觸發脈沖信號應有一定的功率和寬度。2）為使并聯晶閘管元件能同時導通，觸發電路應能產生強觸發脈沖。3）觸發脈沖應與電源同步，并滿足主電路的移相范圍要求。4）隔離輸出方式及抗干擾能力。電氣工程概論3.1功率半導體器件2常見的觸發電路圖3-12為常見的觸發電路。它由2個晶體管構成放大環節、脈沖變壓器以及附屬電路構成脈沖輸出環節組成。當2個晶體管導通時，脈沖變壓器副邊向晶閘管的門極和陰極之間輸出脈沖。脈沖變壓器實現了觸發電路和主電路之間的電氣隔離。脈沖變壓器原邊并接的電阻和二極管是為了脈沖變壓器釋放能量而設的。電氣工程概論3.1功率半導體器件四、功率場效應晶體管功率場效應晶體管是一種單極型電壓控制半導體元件，開關頻率可高達500kHZ，特別適合高頻化的電力電子裝置，但由于電流容量小、耐壓低，一般只適用小功率的電力電子裝置。（一）結構與工作原理1.結構功率場效應晶體管一般為N溝道增強型。圖3-13給出了具有垂直導電雙擴散MOS結構的VD-MOSFET單元的結構圖及電路符號。電氣工程概論3.1功率半導體器件電氣工程概論3.1功率半導體器件2.工作原理功率場效應晶體管的三個極分別為柵極G、漏極D和源極S。當漏極接正電源，源極接負電源，柵源極間的電壓為零時，漏源極之間無電流通過。如在柵源極間加一正電壓UGS且大于開啟電壓時，漏極和源極間開始導電。UGS越大，功率場效應晶體管導電能力越強，ID

也就越大。（二）工作特性靜態特性1）漏極伏安特性。漏極伏安特性也稱輸出特性，如圖3-14(a)所示，可以分為三個區，分別是可調電阻區I，飽和區II，擊穿區III。2）轉移特性。漏極電流ID

與柵源電壓UGS反映了輸入電壓和輸出電流的關系，稱為轉移特性，如圖3-14(b)所示。電氣工程概論3.1功率半導體器件2.開關特性圖3-15為元件極間電容的等效電路。器件輸入電容在開關過程中需要進行充、放電，影響了開關速度。功率場效應晶體管的開關過程如圖3-16所示，其中UP

為驅動電源信號。電氣工程概論3.1功率半導體器件五、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）（一）結構與工作原理結構IGBT的結構如圖3-19(a)，相當于一個用MOSFET驅動的厚基區PNP晶體管。工作原理IGBT的等效電路如圖3-19(b)，圖3-19(c)則是IGBT的符號。電氣工程概論3.1功率半導體器件（二）工作特性靜態特性IGBT的輸出特性及轉移特性如圖3-20所示。輸出特性表達了集電極電流IC與集電極-發射極間電壓UCE之間的關系。轉移特性表示了柵極電壓UG對集電極電流IC的控制關系。電氣工程概論3.1功率半導體器件2.動態特性IGBT的動態特性即開關特性，如圖3-21所示，其開通過程主要由其MOSFET結構決定。電氣工程概論3.1功率半導體器件第二節電力變換技術電氣工程概論第三章電力電子技術

變流技術在電力電子技術中是最重要的，也是最基本的技術之一，其目標主要是節約能源、提高效率，包括減小變換器的大小和重量，提高它們的效率，降低諧波失真和成本。變流技術可大致分為三代：第一代是應用二極管和晶閘管，采用不控或半控強迫換流技術；第二代主要以應用自關斷器件為特征，如功率MOSFET、IGBT等；第三代變換器是以軟開關、功率因數校正和消除諧波為特征的。電氣工程概論3.2電力變換技術電力變換共有四種類型：交流-直流(AC-DC)變換直流-交流(DC-AC)變換：有源逆變；無源逆變。交流-交流(AC-AC)變換：交流電壓控制；交-交變頻。

直流-直流(DC-DC)變換電氣工程概論3.2電力變換技術一、換流概念和變流器的分類（一）換流概念換流是指電流從一條支路過渡到另一條支路的過程，在換流期間兩條支路將短時同時通過電流。在電力電子技術中，完成換流的開關功能是用功率半導體器件來實現的，見圖3-29。電流I經開關S1在支路1中流過→接通開關S2，換流開始(假設L足夠大)→在uk的作用下，將有一換流電流ik在支路1和2之間流動，使支路1中的電流減小、支路2中的電流增加→當電流i2達到了值I而電流i1變成零時，開關S1打開，換流結束電氣工程概論3.2電力變換技術換流正確完成的先決條件是在換流回路中必須有一個正確極性的換流電壓存在。如果利用交流電網存在的電壓作換流電壓，則這樣的換流稱之為自然換流。有時也可利用負載所產生的交流電壓作換流電壓，則稱之為負載換流。負載換流也屬于自然換流。由儲能元件提供一個輔助電壓作為換流電壓，也可以通過提高被關斷的電流支路的阻抗（例如采用具有自關斷能力的大功率晶體管或可關斷晶閘管等元件）來完成換流，這種換流方式稱之為強迫換流。電氣工程概論3.2電力變換技術1.自然換流在自然換流時，變流器中的電流從支路1過渡到支路2是在電網電壓或負載電壓的干預下完成的。換流時由于換流回路中電抗的作用，換流不能瞬時完成，在一段時間內這兩個要替換的開關器件將同時通以電流，這段時間稱為換流重疊時間tu。電氣工程概論3.2電力變換技術電氣工程概論3.2電力變換技術2.強迫換流所渭強迫換流是指借助于電容性儲能元件的幫助，或者通過采用有自關斷能力的半導體器件來實現換流。為了能在任意的時間點關斷晶閘管中電流，必須采用一個附加的換流支路。圖3－31所示為一個典型的電容換流支路。電氣工程概論3.2電力變換技術首先主晶閘管VT1、通過電流I，由于外回路中的電感L足夠大，此電流在換流過程中認為是不變的。設電容C預先以圖3－31（a）中所示極性被充了電，那么在時間t1點時，通過觸發輔助晶閘管VT1，主晶閘管中的電流就可能被換流到輔助晶閘管支路中。這是第一個換流過程，將在時間t2

時結束。之后，換流電容將在恒定電流I的作用下被反向充電直至時間t3

點，此時電流I開始被副支路2所接受。副支路常常是一個帶續流二極管VD2的續流支路。在時間點t4電流I全部從輔助支路換流到續流支路上，VT1自動關斷，從而完成了第二次換流過程。當主晶閘管再次導通時，換流電容C可通過附加的電感回路[如圖3－31（a）中虛線所示]和主晶閘管構成振蕩回路，其上的電壓將被回振到主晶閘管下一次被關斷所需的電壓極性。電氣工程概論3.2電力變換技術（二）變流器的功能和分類變流器的基本功能如下：1）整流：將交流電轉換成直流電；2）逆變：將直流電變成一定頻率和大小的交流電；3）直流電變換（直流斬波調壓）：可將某固定大小的直流電變成大小任意可調的另一直流電；4）交流電變換：將大小和頻率固定的某交流電變成大小和頻率可變的交流電。按內部工作方式來分類，變流器分成三大類型：1）不出現換流過程的變流器；2）具有自然換流的變流器，其換流電壓來自交流電網或負載；3）具有強迫換流的變流器，其換流電壓來自于輔助支路。電氣工程概論3.2電力變換技術圖3－32表明了按內部工作方式的變流器分類，對每一類型還給出了有代表性的線路例子。電氣工程概論3.2電力變換技術二、相控調壓電路（一）單相交流調壓圖3－33所示為一單相交流調壓的基本線路。二個反并聯的晶閘管周期性地觸發時間點，相對于交流電壓u的過零點滯后一個控制角α因此半導體開關阻斷了電壓曲線上陰影所示部分。在每次晶閘管觸發以后，通過負載的電流立刻跳躍到穩態電流瞬時值上，然后按正弦規律流動直至零值，所以輸出電流波形是缺了一塊的正弦交流電。電氣工程概論3.2電力變換技術圖3－34表示在不同性質負載時單相交流調壓變換器的電流曲線與控制角的關系。在電阻負載時，晶閘管觸發以后的電流計算公式為在電阻、電感混合負載時，電流曲線不再是正弦曲線，可以推得電流表達式為其中，φ為電阻、電感混合負載時的負載相位角，控制角α必須大于φ。從以上三式可以進一步計算出單相交流電壓變換器的控制特性曲線。圖3－35畫出了不同負載功率因數cosφ時的控制特性曲線。電氣工程概論3.2電力變換技術電氣工程概論3.2電力變換技術電氣工程概論3.2電力變換技術（二）三相交流調壓圖3－36所示，將三對反并聯的晶閘管分別接至Y型的三相負載就構成了一個典型的三相交流調壓電路。電路應滿足以下要求：1）為使三相電流形成通路，要求當一相中有正向晶閘管導通時，在它的相鄰相必須有反向晶閘管導通；2）為保證電路的啟動工作和在小導通角情況下的正常運行，晶閘管應采用雙脈沖或寬脈沖觸發；3）為保證輸出電壓對稱并有相應的控制范圍、要求觸發信號必須與交流電源有一致的相序和相位差。電氣工程概論3.2電力變換技術電氣工程概論3.2電力變換技術電氣工程概論3.2電力變換技術三相交流調壓電路帶電阻和電感混合負載時，即功率因數角φ≠0時，分析工作很復雜。由于輸出電壓與電流存在相位差，在線電壓或相電壓過零瞬間，晶閘管的導電并不停止，負載中仍有電流流過。此時晶閘管的導通角θ不僅與控制角α有關，而且還與負載功率因數角φ有關。如果負載是感應電動機，則功率因數角φ還要隨電機運行情況的變化而變化，這更使波形分析復雜化。圖3-37所示為α＝φ＝40°時的實驗波形。相電壓、相電流的波形基本上是連續的，并且三相對稱，相電流滯后于相電壓。在α時刻以后，每隔60°都出現電壓波形缺口和電流波形振蕩現象，這正好是晶閘管關斷時刻。α≠φ時，因為每一相電路的導通均與α、φ有關，很難準確計算。但從實驗波形可知，其電流波形還是符合單相電感性負載電路規律的。電氣工程概論3.2電力變換技術電氣工程概論3.2電力變換技術但三相調壓電路形式很多，各有特點，表3-3對常用的三相調壓電路列表加以比較。電氣工程概論3.2電力變換技術電氣工程概論3.2電力變換技術（三）交流調壓電路運行時的無功功率和畸變功率圖3-38中陰影部分描述了控制角為α時在電阻負載上所出現的電流。電氣工程概論3.2電力變換技術電網中出現的電感性的基波無功功率Q1，則基波電流i1

又可以分解為有功分量i1p和無功分量i1Q，它們的峰值分別是由此可求得基波相位角為除基波無功功率Q1以外，對應于高次諧波電流的作用，還引入了所謂的畸變功率的概念。在正弦形電壓和非正弦形電流的情況下，畸變功率的定義為電氣工程概論3.2電力變換技術三、可控整流電路（一）單相可控整流在前述的單相交流調壓電路中，如去除反并聯晶閘管中的反向晶閘管，則反向電壓不再能加到負載電阻上（先假設負載為純電阻負載），這就構成了一個最簡單的單相半波可控整流器（圖3-39（a））。電氣工程概論3.2電力變換技術圖3-39（b）所示是單相可控整流電路的電壓、電流波形。顯然經過晶閘管半波整流后的輸出電壓ud是一個極性不變的脈動直流電壓。電氣工程概論3.2電力變換技術1.純電阻負載時的基本關系（1）輸出平均直流電壓Ud一般稱使輸出平均直流電壓從最大變至最小時的控制角α變化范圍為移相范圍，故單相半波可控整流電路的移相范圍為180°。電氣工程概論3.2電力變換技術（2）直流電流有效值I負載電流平均值為但是，從發熱的觀點選擇晶閘管、熔斷器和設計變壓器時，必須進行電流有效值計算。將不同的控制角α代入計算Id和I可以看到，電流的有效值比平均值大得多，這是由于整流后得到的是脈動電流的緣故。α越大，波形就畸變得越厲害，則在同樣大小的平均電流下，其有效值將越大。電氣工程概論3.2電力變換技術（3）功率因數cosφ功率因數表明了整流電路有功功率和視在容量之間的關系。如忽略晶閘管的損耗，電阻負載上的有功功率為其中U′為整流器輸出電壓Ud的有效值，即可見，可控整流電路即使是電阻負載,其功率因數也不是1。這主要是由于經過可控整流的移相控制，負載上的電壓、電流波形發生了畸變，大量的諧波成分減小了有功輸出，占據了電路的容量。此時的電路功率因數不僅與負載阻抗角有關，而且和電壓、電流畸變的程度有關，這種情況下功率因數的計算較正弦交流電路中有了新的擴展。電氣工程概論3.2電力變換技術（4）紋波因數γ紋波因數表示了整流輸出單極性的脈動直流電壓（或電流）接近理想直流程度的物理量，定義為輸出直流電壓（或電流）中各次諧波總有效值與輸出直流平均值之比，即圖3－40中將上述的輸出平均直流電壓相對值直流電流有效值相對值Ud/U，功率因數cosφ和紋波因數γ與控制角α的關系以曲線形式表示出來。電氣工程概論3.2電力變換技術2.帶電阻——電感混合負載的單相可控整流整流電路的負載除電阻外常常還帶有一定大小的電感，這就是所謂的電阻——電感混合負載。電機的激磁繞組串接有平波電抗器的負載等，均屬電阻——電感混合負載。由于電感有反抗電流變化的特性，而使可控整流器的工作特性發生了明顯的變化，下面以圖3－41來加以說明。電氣工程概論3.2電力變換技術從波形上可以看到，由于電感的存在，延長了晶閘管的導通時間，使波形中出現了正、負面積部分，從而減小了輸出直流電壓平均值。這是電阻,電感負載時可控整流電路工作原理的重要特點。電氣工程概論3.2電力變換技術

的大電感負載，。此時，對于不同控制角，電壓、電流波形如圖3－42所示。

此時電壓波形的正、負面積接近相等，平均電壓，造成平均直流電流也接近零，負載上將得不到所需功率。電氣工程概論3.2電力變換技術單相半波可控整流電路如不采取措施，是不能直接帶大電感負載正常工作的。解決的方法是在負載兩端并聯一續流二極管。如圖3－43所示。可見，加了續流二極管后的輸出直流電壓波形和純電阻負載時完全相同（圖3－43（b）），輸出直流電壓平均值也相應增大到了電阻負載時的大小。電氣工程概論3.2電力變換技術電氣工程概論3.2電力變換技術（二）三相可控整流對工業應用來說，為了三相電網負載的平衡，三相可控整流電路得到更多的應用。三相可控整流電路的類型很多，有三相半波（三相零式）、三相橋式全控、三相橋式半控等。三相半波可控整流電路是最基本的組成形式。其余類型都可看作是三相半波電路以不同方式串聯或并聯組成。電氣工程概論3.2電力變換技術1.三相半波可控整流電路圖3－44（a）是基本的三相半波可控整流電路，三相變壓器的次級繞組為帶中線的Y型接法，三個晶閘管陽極分別接至Y型的三相繞組上，陰極接在一起，通過負載接至繞組中點。這種晶閘管陰極接在一起的接法稱共陰極接法。在共陰極接法的整流電路中；各晶閘管的陽極電壓互不相同。三相半波可控整流電路觸發控制角

的起點應是三個相電壓的交點。3－44（a）電氣工程概論3.2電力變換技術下面分析大電感負載時的工作狀況：圖3－44（b）是時的電壓波形。三個晶閘管將按三相電源的變化規律連續不斷地循環工作，每個管子導通1/3周期，輸出電壓是一個脈動直流電壓，一周期內脈動三次。脈動頻率是工頻的三倍。陰影部分是輸出電壓波形，與三相電壓的包絡線相比，輸出電壓少了

角范圍內的一塊面積。

3－44電氣工程概論3.2電力變換技術圖3－44（c）是時的電壓波形，由于是大電感負載，電流是連續并近似恒定的。輸出電壓中出現了負面積部分，但因正面積部分大于負面積部分，故平均電壓仍為正值。3－44（c）電氣工程概論3.2電力變換技術如上所述可知，不論為多少。輸出直流電壓的平均值均可取A相電壓

在一個脈動期（1/3周期）內的平均值來計算。又由于電流連續，積分的上、下限分別是和故有：式中：為變壓器副邊相電壓有效值。晶閘管的電流平均值為晶閘管電流有效值為變壓器次級電流有效值和晶閘管電流有效值相同有電氣工程概論3.2電力變換技術2.三相橋式全控整流電路上述共陰極接法的三相半波可控整流電路,實際上僅在電源的正半周工作，故稱半波整流。將上述三相半波電路中的每個晶閘管改換方向，則三相電路就變成了共陽極接法，晶閘管陰極接至各相繞組上。電氣工程概論3.2電力變換技術如圖3－45（a）所示，我們將一組共陰極接法和一組共陽極接法的三相半波可控整流電路串聯后給負載供電。共陰極組整流器產生正的輸出直流電壓，共陽極組整流器由于晶閘管改換了方向將產生負的直流電壓，負載上的直流電壓則為上二組輸出直流電壓之和，則3－45（a）電氣工程概論3.2電力變換技術圖3－45（a）中二組整流器中屬同一相的二個晶閘管，一個在電源正半周工作，另一個在負半周工作，故可將這一相的兩個變壓器副繞組合二為一，就構成了圖3－45（b）所示的三相橋式全控整流電路。將圖3－45（b）再改畫一下,可以得到如圖3－45（c）所示的線路形式,就是三相橋式全控整流電路的通常畫法。由上述分析可知，三相橋式全控整流電路乃是兩個三相半波可控整流電路串聯的結果。故在同樣的變壓器副邊電壓時，橋式電路的輸出平均直流電壓將比半波可控整流時大一倍，其表達式可由三相半波可控整流輸出電壓的式（3－15）推得3－45（b）3－45（c）電氣工程概論3.2電力變換技術圖3－46是三相橋式全控整流電路在控制角時的輸出電壓波形，顯然三相橋式整流電路輸出電壓的脈動頻率比半波整流大一倍。橋式整流電路變壓器副邊繞組在正、負半波時分別對二組半波整流器供電，因此副邊繞組流過的是對稱交流電，所以變壓器的利用率比半波整流時好得多。三相橋式全控整流電路是工業應用中最常用的整流電路。電氣工程概論3.2電力變換技術四、有源逆變電路從三相半波可控整流電路的輸出電壓波形圖可知，當控制角時，輸出電壓波形中出現了負值部分，只是正電壓部分的面積比負電壓部分大，故而輸出直流平均電壓仍為正值，其值仍可用公式表示，即三相半波可控整流的輸出直流電壓平均值將按控制角的余弦函數變化。如圖3－47所示，在的范圍內時，因輸出的直流電壓平均值為負值，而輸出的負載電流由于晶閘管元件的單向導電性仍保持原有方向，故此時的整流器不再是輸出電能，而是能量從直流邊輸入，經過該整流器反送至交流電網上，此時的運行狀態稱之為逆變器運行狀態。因輸出的交流電和電網是接在一起的，其頻率就是電網頻率，且恒定不變，故這種逆變運行亦稱有源逆變。由此可見，整流和有源逆變是同一變流器電路的兩種不同的運行狀態。電氣工程概論3.2電力變換技術圖3－47表明了一個三相半波可控整流電路在大電感負載時從整流器運行狀態轉入到逆變器運行狀態的情況。在整流器運行期間，作為負載的直流電機將作電動機運行并從交流電網吸取能量。在逆變器運行時,則反之，直流電機將作為發電機運行和將能量輸送至電網。電氣工程概論3.2電力變換技術三相半波逆變電路就是三相半波可控整流電路的控制角

在范圍內的運行方式。輸出直流平均電壓

的計算方法亦與三相半波可控整流電路帶大電感時相同，即有采用逆變角表示的輸出直流平均電壓計算式可表示為有源逆變常用于直流輸電的變流站和直流電動機的調速制動。在直流輸電中，一般變流站閥體既可作整流狀態運行，又能作逆變狀態運行，使電力系統的電能傳輸可逆。直流電動機調速中用有源逆變可將電動機的動能轉換成電能并反饋回電網，實現電動機的迅速制動。所以,有源逆變是可控整流電路的一種有實用意義的特殊工作狀態。電氣工程概論3.2電力變換技術五、二組晶閘管整流器反并聯可逆電路用三相半波可控整流電路給他激直流電動機電樞供電，則電動機能實現二象限運行，即正轉電動機運行和正轉發電制動運行。晶閘管整流器只允許電流單方向的通過，所以一組晶閘管整流器不能滿足直流電機四象限運行的要求。為此，可以用二組晶閘管整流器反并聯構成所謂的可逆電路，其中一組整流器為一個方向的電流提供通路，相反方向的電流則流經另一組整流器。電氣工程概論3.2電力變換技術圖3－48（a）為用二組晶閘管三相半波可控整流器反并聯構成可逆電路，圖3－48（b）是用二組三相橋式全控整流器反并聯構成的可逆電路。通過兩組變流器整流、逆變運行狀態的配合，就可使電動機在正、反兩個轉向上作電動機或制動運行，即實現四象限運行。電氣工程概論3.2電力變換技術由于兩組整流器反并聯，如果他們同時工作，則兩組晶閘管之間就會構成短路的環路。如環路中有環路電壓存在，那將產生很大的只經過兩組整流橋而不經過電機的”環流“。環流不做功，但流過變流裝置時占用了裝置容量，嚴重時會造成短路事故，燒毀元件，故消除或限制環流是反并聯可逆電路的重要研究內容。控制環流最簡單、方便的方法是，使任何時間內兩組變流器中只有一組投入工作，另一組完全關斷，并根據電機所需的運行方式決定投入工作的一組變流器的具體工作狀態－整流或逆變。圖3－49為邏輯無環流可逆系統的四象限運行，給出了在此種環流控制方式時四象限運行的兩組橋的工作狀態。電氣工程概論3.2電力變換技術無環流可逆調速系統的控制原則是在任何時刻兩組變流橋中只允許一組投入工作，另一組必須關閉。實際系統中是采用控制觸發脈沖的辦法來實現的，即給一組變流器（整流或逆變）發出觸發脈沖，而對要關閉的一組封鎖脈沖，使觸發脈沖不能送到該組變流器的晶間管上。可在二組變流器切換時，首先使原工作的一組變流器處于逆變狀態（稱為本橋逆變），將回路電感儲能反饋回電網，待電流真正下降到零后再加上一定的時間裕量（如10ms），再使原來封鎖的一組橋開放并投入工作。這樣的操作過程是采用一套邏輯電路控制實現的，故亦稱為邏輯控制無環流可逆系統。電氣工程概論3.2電力變換技術六、交－交直接變頻器（一）交－交直接變頻器工作原理前面所述由二組晶閘管整流器反并聯組成的可逆電路，其輸出電壓和電流的方向可以相互無關地任意改變，利用這一特性我們可以構成交－交直接變頻器。圖3－50為一單相交－交變頻器原理圖，由兩組三相半波可控整流電路反并聯構成可逆電路。電氣工程概論3.2電力變換技術如圖3－52。如兩組整流器以一定的頻率f2

周期性地輪流工作，則負載上將得到頻率為f2的交變電壓，也就是實現了將頻率為f1的交流電壓變換成頻率為f2的交流電。這種變換沒有用直流中間回路，而是通過電網電壓的直接切換來實現的，故稱為交－交直接變頻。上述的交－交直接變頻器的輸出電壓是按三相電網的各相電壓波頂部分曲線而變化的，所以稱它為梯形波交－交變頻器。電氣工程概論3.2電力變換技術梯形波變頻器輸出電壓的周期T2

由每半周中電壓波頂的數目n來確定，輸出電壓周期T2的計算式為輸出頻率f2

與輸入頻率f1

之比為如將式（3－22）中的波頂數n用1，2，3…代入，就可計算出相應可能得到的輸出電壓頻率（表3－4)。電氣工程概論3.2電力變換技術如圖3－51所示的工作方式，每一次都在電源相電壓的相交點被切換，則僅能得到一些間斷的按式（3－22）計算的輸出頻率f2亦稱這樣的變頻器為頻率固定關系的變頻器。如果使幾組反并聯可逆電路以一定的相位差同時工作，那就可能構成多相輸出系統。圖3－52是三相交－交變頻器，每相由二組三相半波可控整流器反并聯組成。電氣工程概論3.2電力變換技術為了保證多相系統的對稱性，對上述有頻率固定關系的變頻器，只有當輸出電壓每個周期T2

中的等效波頂數式（3－23）中：q為多相系統的相數。可以被輸出系統的相數q整除，才能給出對稱多相系統。電氣工程概論3.2電力變換技術（二）正弦波交－交變頻器在大型交流電機變頻調速系統中，為了減少電流中的諧波分量對電機產生的不良影響，諸如轉矩脈動、振動噪聲和附加損耗的增加等等，往往希望采用正弦波輸出的交－交變頻器。可以對梯形波交－交變頻器的控制方法加以改變。在正弦波交－交變頻器中，可以不斷地改變整流橋的移相控角，這就意味著輸出電壓的平均值隨而變化。適當控制

的變化規律，就有可能使輸出電壓的平均值按正弦規律變化。如圖3－53所示。電氣工程概論3.2電力變換技術為說明各組整流器工作狀態的變化，可忽略輸出電壓、電流中的高次諧波，負載為電感性負載，負載電壓和電流的波形如圖3－54所示，其中為負載功率因數角。交－交變頻器是兩組可控整流器反并聯可逆電路的特殊運行結果，因此它也有反并聯可逆電路的環流問題，需要采取和前述一樣的措施來消除環流，這里不再贅述。電氣工程概論3.2電力變換技術七、單象限直流電壓變換電路以上所述各類變流器，由于主開關元件上施加的都是交流電，流過的電流都有自然過零的特點，所以都采用晶閘管作開關元件。本小節開始所介紹的各類變流器，工作電源都是直流電源，元件電流并無自然過零的特點，故開關元件的切換只能通過一些強迫換流措施（采用晶閘管）或采用具有自關斷能力的開關元件來實現。由于強迫換流需要較大的換流電容器、輔助晶閘管等，造成了線路的復雜化，成本提高。所以，以下所介紹的各類變流器線路以采用具有自關斷能力的開關元件為主。電氣工程概論3.2電力變換技術（一）直流降壓變換電路用具有強迫換流的半導體開關可以在任意的時間點接通或關斷一個直流回路。如果用一定的開關頻率周期性地接通和關斷它，并且任意地改變導通和關斷時間的比例，顯然就有可能控制（調節）從直流電源送至負載的功率。這樣的變換電路人們稱之為直流電壓變換電路，一般稱為直流斬波器。圖3－55所示為一個直流降壓變換電路的基本線路和相應的電壓－電流波形曲線。電氣工程概論3.2電力變換技術周期性工作的半導體開關的導通比定義為式中：Ta為開關的關斷時間，Te為開關的導通時間。負載上的平均直流電壓

可以由導通比

和電源電壓來計算，公式如下電源輸出的電流是矩形的脈動電流，其平均值可以由導通比

和負載電流

來計算，即式（3－25）、式（3－26）稱為直流電壓變換器的變比方程，類似于變壓器的變比方程。電氣工程概論3.2電力變換技術實際上，由于負載邊的平波電感不可能無限大，所以實際的負載電流不可能是完全平滑的直線。如圖3－56所示，期間，在電源電壓

作用下，負載電流

將按指數規律上升；在時，電源電壓被切除，負載電流將接指數規律衰減。所以，穩態時的負載電流是周期性的脈動電流。電氣工程概論3.2電力變換技術下面我們深入分析此時的負載電流的波動情況，圖3－56（a）中負載是反電動勢為E的直流電動機。電流的波動范圍為為表示電流波動的相對大小，我們定義電流波動率為由此可以計算出一個直流降壓變換器的輸出電流的波動程度。電流波動范圍為

由此可見，電流波動范圍與直流降壓變換器的工作頻率有關，頻率f越高，T越小，電流波動范圍就越小。其次，在同樣的工作頻率下，不同導通比時的電流波動范圍有所不同。由圖3－57還可看出，如負載平均電流I2過小，隨著電流的衰減，將出現電流間斷現象，這在直流降壓變換器設計時必須考慮到。上述的直流降壓變換器因其輸出電壓和電流都是單方向的，能量只能從電源向負載單向傳遞，故亦稱為能量正向傳遞的單象限直流降壓變換器。電氣工程概論3.2電力變換技術電氣工程概論3.2電力變換技術（二）能量反向傳遞的直流降壓變換器圖3－55所示電路只能使能量從直流電源向負載傳送。圖3－58（a）所示電路就使需要能量從負載向電源反向傳遞。圖3－58（b）表示了電感Ld足夠大的理想情況下的電壓－電流波形曲線。這種直流降壓變換器也屬單象限變換器，可用于直流電動機的電網反饋制動，直至很低的轉速。上述兩種直流降壓變換器中，半導體開關S和二極管VD僅僅是在線路中的位置有所不同,故用一套半導體開關S和二極管VD,通過改變它的連接方法,就能使直流電動機從電動機運行狀態變為再生制動狀態.反之，得到直流電動機的二象限運行。電氣工程概論3.2電力變換技術（三）直流升壓變換電路以上所述的直流電壓變換電路，其輸出平均電壓U2av低于電源電壓U1，故屬于降壓變換電路。直流電壓變換電路也可用來提升電壓。圖3－59（a）所示即為一種直流升壓變換電路的原理圖，圖3－59（b）為半導體開關4導通時的等效電路，圖為3－59（b）關斷時的等效電路。圖3－59（a）原理圖（b）S導通時的等效電路（c）S關斷時的等效電路電氣工程概論3.2電力變換技術圖3－59（d）所示是電流iL連續時電路中電壓－電流波形。圖3－59（e）為電流iL間斷時的波形。圖3－59（d）電流iL連續時波形（e）為電流iL間斷時的波形電氣工程概論3.2電力變換技術假定在電流連續時，不計iL的脈動，則在S導通期間由電源輸入到電感L的能量為在S關斷期間，電感釋放至負載的能量為根據能量平衡關系，可得由于，故，即直流電壓變換器可提供比電源電壓更高的輸出直流電壓，所以稱其為直流升壓變換器。電氣工程概論3.2電力變換技術八、二象限直流電壓變換器（一）輸出電流可反向的二象限直流電壓變換器前面提到過，通過換接直流降壓變換器中半導體開關S和二極管VD，可以使電動機運行狀態轉入再生制動狀態。在另外一些場合，人們常希望能從電動機運行狀態平穩地過渡到再生制動狀態，顯然簡單地換接S和VD不能滿足要求。為此，我們可以將圖3－55和圖3－58的電路結合起來構成一個二象限直流電壓變換器（圖3－60）電氣工程概論3.2電力變換技術變流器的工作象限可用式（3－25）給出的平均輸出電壓大小來判斷，公式為如，負載電流平均值，則凈能量是由電源傳送給電樞回路，電機工作于第一象限；如，，則凈能量反饋回電源,電機工作于第二象限。電氣工程概論3.2電力變換技術（二）輸出電壓可反向的二象限直流電壓變換器上述二象限直流電壓變換器輸出的負載平均電流大小和極性都可改變，因而可以作為直流電動機電樞的控制電源。如果直流電機（或同步電機）的磁場電流大小要求能快速變化，而方向并不翻轉，則上述二象限直流電壓變換器就不適用，為此可采用圖3－61（a）所示的輸出電流方向不變的二象限直流電壓變換器。電氣工程概論3.2電力變換技術圖3－61（a）電路的工作情況可借助于圖3－62（a）和圖3－62（b）中所示波形來理解。按ta的大小，該電壓變換器可分成兩種不同的工作狀態：一種是，二個半導體開關有重疊的導通部分；另一種是，任何瞬間最多只一個開關導通。兩種狀況都可能出現電流斷續，圖3－62所示為電流連續的狀況。電氣工程概論3.2電力變換技術1.穩態時，這類工作方式必須有。如果，負載電流將達到恒定值如，輸出電壓和電流都始終為零。在時，輸出電流i2是波動的單向電流，可按前面的分析方法解回路方程，從而求得波動時的最大值Ia和最小值I0，而輸出電壓u2則是矩形的脈動電壓。由圖3－61（b）的分析可見，穩態時的輸出電壓和電流的平均值U2av和I2

都為正，第一象限的工作狀態,能量從電源送向負載。2.穩態時，這類工作方式必須有。如，負載將被連續短路，在E的作用下，負載電流將達到穩態最大值，即如，兩個開關都始終關斷，則輸出電流i2和電壓u2都為零。在該狀態工作時，負載電流平均值I2

為正，負載電壓的平均值U2av為負值，故屬于第四象限的運行狀態。電氣工程概論3.2電力變換技術九、四象限直流電壓變換器兩個二象限直流電壓變換器組合在一起可以得到如圖3－63所示的四象限直流電壓變換器，它能在U2av和I2圖中所有四個象限工作。四象限直流電壓變換器可以在兩個方向上傳遞能量，其輸出電壓和電流的極性可以相互無關地任意改變，因而原則上它能完成直流變交流的無源逆變器的作用，這也是我們下面要敘述的逆變器的基本單元電路。電氣工程概論3.2電力變換技術十、直流電壓變換器的控制方式如前所述，在直流電壓變換器電路中，是通過改變半導體開關的導通和關斷時間比例（即改變導通比）來連續地控制電源和負載之間功率傳遞的。按不同用途，有不同的導通比控制方式，下面分別加以敘述。（一）時間比控制方式在圖3－55所示的直流降壓變換器電路中有關系式其中稱為導通比。改變導通與關斷時間的比例

即可連續調節輸出平均直流電壓的大小，這種控制方式叫時間比控制方式。一般來說，用直流電壓變換器控制直流電路都是時間比控制，但改變導通比又有以下三種不同的方法。（1）定頻調寬控制（2）定寬調頻控制（3）調頻調寬混合控制電氣工程概論3.2電力變換技術目前定頻調寬的時間比控制方式用得最普遍。在直流脈沖寬度調制PWM技術中，一般就是用定頻調寬法來產生