《电力电子技术》 电子教案

课题二 电力机车电路课题二 电力机车电路

【学习目标】【学习目标】 识别识别 GTOGTO 的器件，了解其功能和作用。的器件，了解其功能和作用。 掌握掌握 GTOGTO 的工作原理。的工作原理。 掌握单相桥式可控整流电路的工作原理。掌握单相桥式可控整流电路的工作原理。 掌握有源逆变电路的基本概念和单相桥式有源逆变电路的工作原理。掌握有源逆变电路的基本概念和单相桥式有源逆变电路的工作原理。 分析大功率整流电力机车电路的原理及逆变原理。分析大功率整流电力机车电路的原理及逆变原理。

【课题描述】【课题描述】

可控整流电路的应用是电力电子技术中应用最为广泛的一种技术。本可控整流电路的应用是电力电子技术中应用最为广泛的一种技术。本课题将以电力机车的可控整流电路为例，让大家了解单相桥式可控整课题将以电力机车的可控整流电路为例，让大家了解单相桥式可控整流电路和有源逆变电路在实际电力机车电路中的应用。流电路和有源逆变电路在实际电力机车电路中的应用。

【相关知识】【相关知识】一、可关断晶闸管（一、可关断晶闸管（ GTOGTO ））11 ．． GTOGTO 的结构及工作原理的结构及工作原理主要特点：既可用门极正向触发信号使其触发导通，又可向门极加主要特点：既可用门极正向触发信号使其触发导通，又可向门极加负向触发电压使其关断。负向触发电压使其关断。

（（ aa ）可关断（）可关断（ GTOGTO ）的外形 （）的外形 （ bb ）可关断（）可关断（ GTOGTO ）的图形符）的图形符号号

11 ．． GTOGTO 的结构及工作原理的结构及工作原理 可关断（可关断（ GTOGTO ）的内部结构）的内部结构

22 ．． GTOGTO 的驱动电路的驱动电路理想的门极驱动信号（电流、电压）波形如图所示，其中实线为理想的门极驱动信号（电流、电压）波形如图所示，其中实线为电流波形，虚线为电压波形。电流波形，虚线为电压波形。

22 ．． GTOGTO 的驱动电路的驱动电路GTOGTO 门极驱动电路包括门极驱动电路包括开通电路开通电路、、关断电路关断电路和和反偏电路反偏电路。下图为。下图为双电源供电的双电源供电的门极驱动电路，门极驱动电路，由由门极导通电路门极导通电路、、门极关断电路门极关断电路和和门门极反偏电路极反偏电路组成。组成。

门极反偏电路

门极关断电路

门极导通电路

二、单相桥式整流电路二、单相桥式整流电路11 ．单相桥式全控整流电路．单相桥式全控整流电路（（ 11 ）电阻性负载）电阻性负载单相桥式整流电路带电阻性负载的电路单相桥式整流电路带电阻性负载的电路

11 ．单相桥式全控整流电路．单相桥式全控整流电路

单相桥式整流电路带电阻性负载的单相桥式整流电路带电阻性负载的工作波形工作波形

11 ．单相桥式全控整流电路．单相桥式全控整流电路

单相全控桥式整流电路带电阻性负载电路参数的计算：单相全控桥式整流电路带电阻性负载电路参数的计算：①① 、输出电压平均值的计算公式：、输出电压平均值的计算公式：　　　　　　　　

②② 、负载电流平均值的计算公式：、负载电流平均值的计算公式：　　　　　　　　　　　　　　　　

③③ 、输出电压的有效值的计算公式：、输出电压的有效值的计算公式：　　　　　　　　

2

cos19.0)(sin2

122

UttdUU d

2

cos19.0 2

dd

dd R

U

R

UI

2sin

2

1)()sin2(

12

22 UtdtUU

④④ 、负载电流有效值的计算公式：、负载电流有效值的计算公式：　　　　　　　　　　　　　　　　　　⑤⑤ 、流过一只可关断晶闸管（、流过一只可关断晶闸管（ GTOGTO ）的电流的平均值的计算公式：）的电流的平均值的计算公式：　　　　　　　　　　　　⑥⑥ 、流过一只、流过一只 GTOGTO 的电流的有效值的计算公式：的电流的有效值的计算公式：

⑦⑦ 、、 GTOGTO 可能承受的最大电压为：可能承受的最大电压为：

2sin2

12

dR

UI

2

cos145.0

2

1 2

dddT R

UII

IR

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R

UI

ddT

2

1

22sin

4

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2

1 222

22UUTM

（（ 22 ）电感性负载）电感性负载ddT II

2

1

电感性负载的电路电感性负载的电路

（（ 22 ）电感性负载）电感性负载 电感性负载的工作波形分析电感性负载的工作波形分析

（（ 22 ）电感性负载）电感性负载单相全控桥式整流电路带电感性负载电路参数的计算：单相全控桥式整流电路带电感性负载电路参数的计算：①① 、输出电压平均值的计算公式：、输出电压平均值的计算公式：移相范围是移相范围是 0°0° ～～ 90°90° 。。②② 、负载电流平均值的计算公式：、负载电流平均值的计算公式：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　③③ 、流过一只、流过一只 GTOGTO 的电流的平均值和有效值的计算公式：的电流的平均值和有效值的计算公式：　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　④④ 、、 GTOGTO 可能承受的最大电压为：　　可能承受的最大电压为：　　

cos9.0 2UU d

cos9.0 2

dd

dd R

U

R

UI

ddT II2

1

ddT II2

1 dT II

2

1

22UUTM

（（ 22 ）电感性负载）电感性负载 为了扩大移相范围，去掉输出电压的负值，提高为了扩大移相范围，去掉输出电压的负值，提高 UUdd 的值，也可以在的值，也可以在

负载两端并联续流二极管，接了续流二极管以后，的移相范围可以扩负载两端并联续流二极管，接了续流二极管以后，的移相范围可以扩

大到大到 0°0° ～～ 180°180° 。。

22 ．单相桥式半控整流电路．单相桥式半控整流电路(1(1 ）电阻性负载）电阻性负载电阻性负载电路电阻性负载电路和和工作波形分析工作波形分析

(1(1 ）电阻性负载）电阻性负载单相全控桥式整流电路带电阻性负载电路参数的计算：单相全控桥式整流电路带电阻性负载电路参数的计算：①① 、输出电压平均值的计算公式：、输出电压平均值的计算公式：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　的移相范围是的移相范围是 0°0° ～～ 180°180° 。。②② 、负载电流平均值的计算公式：、负载电流平均值的计算公式：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　③③ 、流过一只、流过一只 GTOGTO 和整流二极管的电流的平均值和有效值的计算公式：和整流二极管的电流的平均值和有效值的计算公式：

　　　　　　　　　　④④ 、、 GTOGTO 可能承受的最大电压为：可能承受的最大电压为：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

2

cos19.0 2

UU d

2

cos19.0 2

dd

dd R

U

R

UI

ddDdT III2

1 IIT

2

1

22UUTM

(2(2 ）电感性负载）电感性负载单相桥式半控整流电路带电感性负载单相桥式半控整流电路带电感性负载

(2(2 ）电感性负载）电感性负载单相桥式半控整流电路带电感性负载加续流二极管单相桥式半控整流电路带电感性负载加续流二极管

(2(2 ）电感性负载）电感性负载电路带电感性负载电路参数的计算如下：电路带电感性负载电路参数的计算如下：①① 、输出电压平均值的计算公式：、输出电压平均值的计算公式：　　　　　　　　　　　　　　　　　　的移相范围是的移相范围是 0°0° ～～ 180°180° 。。②② 、负载电流平均值的计算公式：、负载电流平均值的计算公式：③③ 、流过一只、流过一只 GTOGTO 和整流二极管的电流的平均值和有效值的计算公式：和整流二极管的电流的平均值和有效值的计算公式：

电流的平均值电流的平均值

电流的有效值电流的有效值　　　　　　　　　　

2

cos19.0 2

UU d

2

cos19.0 2

dd

dd R

U

R

UI

ddDdT III

2

dddDR III

2

2

(2(2 ）电感性负载）电感性负载　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　④④ 、流过续流二极管的电流的平均值和有效值分别为：、流过续流二极管的电流的平均值和有效值分别为：　　　　 电流的平均值电流的平均值　　　 电流的有效值　　 电流的有效值　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　⑤⑤ 、、 GTOGTO 可能承受的最大电压为：可能承受的最大电压为：

dddDR III

2

2

dDR II

22UUTM

三、有源逆变电路三、有源逆变电路

11 ．有源逆变的工作原理．有源逆变的工作原理（（ 11 ）两电源间的能量传递）两电源间的能量传递

(a) (b) (c)(a) (b) (c)

11 ．有源逆变的工作原理．有源逆变的工作原理图（图（ aa ）为两个电源同极性连接，称为电源逆串；）为两个电源同极性连接，称为电源逆串；图（图（ bb ）也是两电源同极性相连； ）也是两电源同极性相连； 图（图（ cc ）为两电源反极性连接，称为电源顺串；）为两电源反极性连接，称为电源顺串； 此时电源此时电源 EE11 与与 EE22 均输出功率，电阻上消耗的功率为两电源功率均输出功率，电阻上消耗的功率为两电源功率

之和：之和： PPRR ＝＝ P1P1 ＋＋ P2P2 。。

11 ．有源逆变的工作原理．有源逆变的工作原理通过上述分析，我们知道：通过上述分析，我们知道：（（ 11 ）无论电源是顺串还是逆串，只要电流从电源正极端流出，则）无论电源是顺串还是逆串，只要电流从电源正极端流出，则

该电源就输出功率；反之，若电流从电源正极端流入，则该电源该电源就输出功率；反之，若电流从电源正极端流入，则该电源就吸收功率。就吸收功率。

（（ 22 ）两个电源逆串连接时，回路电流从电动势高的电源正极流向）两个电源逆串连接时，回路电流从电动势高的电源正极流向电动势低的电源正极。如果回路电阻很小，即使两电源电动势之电动势低的电源正极。如果回路电阻很小，即使两电源电动势之差不大，也可产生足够大的回路电流，使两电源间交换很大的功差不大，也可产生足够大的回路电流，使两电源间交换很大的功率。率。

（（ 33）两个电源顺串时，相当于两电源电动势相加后再通过）两个电源顺串时，相当于两电源电动势相加后再通过 RR 短路，短路，若回路电阻若回路电阻 RR 很小，则回路电流会非常大，这种情况在实际应用很小，则回路电流会非常大，这种情况在实际应用中应当避免。中应当避免。

1.1. 有源逆变的工作原理有源逆变的工作原理单相桥式变流电路整流与逆变原理单相桥式变流电路整流与逆变原理

(a)(a) 电路图 电路图 (b)(b) 整流状态下的波形图 整流状态下的波形图 (c)(c) 逆变状态下的波形图逆变状态下的波形图

1.1. 有源逆变的工作原理有源逆变的工作原理图（图（ aa ）中）中 GTOGTO 的控制角的控制角 aa＜＜ 90°90° ，则电路工作在整流状态，通过调整角，，则电路工作在整流状态，通过调整角，则交流电压通过则交流电压通过 II组组 GTOGTO 输出功率，电动机吸收功率。负载中电流值为输出功率，电动机吸收功率。负载中电流值为 ::

若当开关若当开关 SS 拔向位置拔向位置 22 时，又同时触发脉冲控制角调整到时，又同时触发脉冲控制角调整到 aa＞＞ 90°90° ，则Ⅱ，则Ⅱ组组 GTOGTO 输出电压将为上负下正，波形如图（输出电压将为上负下正，波形如图（ cc ）所示。调整角使）所示。调整角使 GTOGTO 在在EE 与与 uu22 的作用下导通，负载中电流为的作用下导通，负载中电流为 ::

这种情况下，电动机输出功率，运行于发电制动状态，Ⅱ组这种情况下，电动机输出功率，运行于发电制动状态，Ⅱ组 GTOGTO 吸收功率吸收功率并将功率送回交流电网。这种情况就是有源逆变。并将功率送回交流电网。这种情况就是有源逆变。

dIU dIU dIU dIU dIU

R

EUI dId

R

UEI dd

1.1. 有源逆变的工作原理有源逆变的工作原理逆变时的输出电压控制有的是与整流时相同，计算公式仍为逆变时的输出电压控制有的是与整流时相同，计算公式仍为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　我们令 ，称为逆变角 ，则我们令 ，称为逆变角 ，则

cos9.0 2UU d

cos9.0)180cos(9.0cos9.0 222 UUUU d

180

1.1. 有源逆变的工作原理有源逆变的工作原理实现有源逆变必须满足下列条件：实现有源逆变必须满足下列条件：（（ 11 ）变流装置的直流侧必须外接电压极性与）变流装置的直流侧必须外接电压极性与 GTOGTO 导通方向一致的直导通方向一致的直流电源，且其值稍大于变流装置直流侧的平均电压。流电源，且其值稍大于变流装置直流侧的平均电压。（（ 22 ）变流装置必须工作在 ＜）变流装置必须工作在 ＜ 90°90°区间，使其输出直流电压极性与整区间，使其输出直流电压极性与整流状态时相反，才能将直流功率逆变为交流功率送至交流电网。流状态时相反，才能将直流功率逆变为交流功率送至交流电网。要指出的是，关控桥或接有续流二极管的电路，因它们不可能输出负电要指出的是，关控桥或接有续流二极管的电路，因它们不可能输出负电压，也不允许直流侧接上直流输出反极性的直流电动势，所以这此电路压，也不允许直流侧接上直流输出反极性的直流电动势，所以这此电路不能实现有源逆变。不能实现有源逆变。

22 ．逆变失败与逆变角的限制．逆变失败与逆变角的限制（（ 11 ）逆变失败的原因　）逆变失败的原因　 有源逆变换流失败分析有源逆变换流失败分析

β

γ

ω t1ω t2

ω t3

u 2u 2 /

u 2 u 2 /

ω t

ω t

u d

u g

0

0

22 ．逆变失败与逆变角的限制．逆变失败与逆变角的限制

造成逆变失败的原因主要有以下几种情况：造成逆变失败的原因主要有以下几种情况：

①① 触发电路故障。如触发脉冲丢失、脉冲延时等不能适时、准确的向触发电路故障。如触发脉冲丢失、脉冲延时等不能适时、准确的向 GGTOTO 分配脉冲的情况，均会导致分配脉冲的情况，均会导致 GTOGTO 不能正常换相。不能正常换相。

②②GTOGTO 故障。如故障。如 GTOGTO 失去正常导通或阻断能力，该导通时不能导通，失去正常导通或阻断能力，该导通时不能导通，该阻断时不能阻断，均会导致逆变失败。该阻断时不能阻断，均会导致逆变失败。

③③ 逆变状态时交流电源突然缺相或消失。由于此时变流器的交流侧失去逆变状态时交流电源突然缺相或消失。由于此时变流器的交流侧失去了与直流电动势了与直流电动势 EE 极性相反的电压，致使直流电动势经过晶闸管形成极性相反的电压，致使直流电动势经过晶闸管形成短路。短路。

④④ 逆变角取值过小，造成换相失败。逆变角取值过小，造成换相失败。

（（ 22 ）逆变失败的限制）逆变失败的限制

逆最小逆变角的取值一般为逆最小逆变角的取值一般为

≥ ≥30°30° ～～ 35°35°

为防止小于，有时要在触发电路中设置保护电路，不能进入 的区域。为防止小于，有时要在触发电路中设置保护电路，不能进入 的区域。在电路中加上安全脉冲产生装置，安全脉冲位置就设在处，一旦工作脉在电路中加上安全脉冲产生装置，安全脉冲位置就设在处，一旦工作脉

冲就移入处，安全脉冲保证在处触发晶闸管冲就移入处，安全脉冲保证在处触发晶闸管

min

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