根據(jù)電氣工程學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀，可將其分為相對(duì)獨(dú)立的五個(gè)分學(xué)科:電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)、電機(jī)與電器及其控制技術(shù)、高電壓與絕緣技術(shù)、電力電子技術(shù)和電工新技術(shù)第一節(jié)開關(guān)電器（一）開關(guān)電器概述

1斷路器：電力網(wǎng)正常工作和發(fā)生故障時(shí)關(guān)合和開斷電路。

2隔離開關(guān)：將高壓設(shè)備與電源隔離，以保證檢修工作人員的安全。

3熔斷器：電路發(fā)生故障或短路時(shí),依靠熔件的熔斷來(lái)開斷電路。

4低壓控制電器：接通和分?jǐn)嗟蛪航弧⒅绷鞯目刂齐娐?。高壓斷路器主要是用?lái)在電力系統(tǒng)發(fā)生（短路）故障時(shí)自動(dòng)切斷短路電流根據(jù)滅弧介質(zhì)及作用原理可分為：1.油斷路器2.真空斷路器3.壓縮空氣斷路器4.SF6斷路器合閘先隔后斷分閘先斷后隔

（二）開關(guān)電器技術(shù)參數(shù)

1額定電壓：額定電壓是指開關(guān)電器設(shè)計(jì)時(shí)所采用的標(biāo)稱電壓。2額定電流：開關(guān)電器在額定頻率下能長(zhǎng)期通過而各個(gè)金屬部分和絕緣部分的溫升不超過長(zhǎng)期工作時(shí)最大容許溫升的最大標(biāo)稱電流。

3額定短時(shí)耐受電流：額定短時(shí)耐受電流是高壓開關(guān)電器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能夠通過而其溫升不超過規(guī)定條件的最大標(biāo)稱電流，主要反映開關(guān)電器承受短路電流熱效應(yīng)的能力。

4額定峰值耐受電流：額定峰值耐受電流是指開關(guān)電器在規(guī)定條件下能夠通過，而不發(fā)生機(jī)械損壞的最大標(biāo)稱電流，主要反映開關(guān)電器承受短路電流電動(dòng)力效應(yīng)的能力。二、低壓斷路器（一）低壓斷路器概述

低壓斷路器主要用于配電線路和電氣設(shè)備的過載、欠壓、失壓和短路保護(hù)，常在低壓大功率電路中作為主控電器。按電源類型分為交流式和直流式低壓斷路器，按結(jié)構(gòu)可分為萬(wàn)能式和裝置式低壓斷路器。脫扣器分為過載脫扣器失壓/欠壓脫扣器過流（短路）脫扣器電磁脫扣器（二）低壓斷路器的選擇要點(diǎn)

（1）額定工作電壓不小于線路額定電壓。（2）額定電流不小于線路計(jì)算負(fù)載電流。（3）額定短路通斷能力不小于線路中可能出現(xiàn)的最大短路電流。（4）線路末端單相對(duì)地短路電流不小于1.5倍斷路器脫扣器整定電流。（5）欠電壓脫扣器額定電壓等于線路額定電壓；按使用場(chǎng)合的需要來(lái)確定是否需要帶延時(shí)。（6）注意斷路器接觸方向，母聯(lián)斷路器應(yīng)選用可在下方進(jìn)線的斷路器。（7）注意與其他電器的配合協(xié)調(diào)，各級(jí)斷路器的過電流脫扣器整定值和延時(shí)應(yīng)符合選擇性配合要求。（8）電動(dòng)機(jī)保護(hù)斷路器的瞬時(shí)動(dòng)作電流應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)條件（電動(dòng)機(jī)的種類、啟動(dòng)電流倍數(shù)和時(shí)間）。四、真空斷路器（一）真空斷路器概述

利用真空作為觸頭間的絕緣與滅弧介質(zhì)的斷路器稱為真空斷路器。（三）真空滅弧室的基本結(jié)構(gòu)

真空滅弧室主要由以下部件組成：

1絕緣外殼

2屏蔽罩

3波紋管

4動(dòng)、靜觸頭

2屏蔽罩

1）主屏蔽罩作用（1）有效地防止金屬蒸氣噴濺到絕緣外殼的內(nèi)表面，避免內(nèi)表面絕緣性能下降。

（2）屏蔽罩可使交流電流過零時(shí)，滅弧室內(nèi)剩余的金屬蒸氣和導(dǎo)電粒子徑向快速地?cái)U(kuò)散到屏蔽罩上冷卻、復(fù)合和凝結(jié)，有利于電流過零后弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的提高。（3）提高觸頭間絕緣強(qiáng)度。

2）主屏蔽罩分類（1）固定電位式。

（2）懸浮電位式。3波紋管（1）液壓成形波紋管。長(zhǎng)度有限，最大壓縮行程為自由長(zhǎng)度的20－30％，壽命數(shù)萬(wàn)次。（2）薄片焊接成形波紋管。長(zhǎng)度任意，最大壓縮行程可達(dá)自由長(zhǎng)度的60％，壽命幾百萬(wàn)次。五、六氟化硫斷路器（一）六氟化硫斷路器概述

六氟化硫（SF6）斷路器是利用SF6氣體作絕緣與滅弧介質(zhì)的斷路器。優(yōu)點(diǎn)：與油斷路器比較，SF6斷路器具有斷流能力強(qiáng)，滅弧速度快，電絕緣性能好，檢修周期長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。比較適于頻繁操作，而且沒有燃燒爆炸的危險(xiǎn)。缺點(diǎn)：要求斷路器加工精度很高，密封性能要求很嚴(yán)，因此價(jià)格比較昂貴。（二）雙壓式SF6斷路器（三）單壓式SF6斷路器與雙壓式SF6斷路器相比，單壓式SF6斷路器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和開斷電流大的特點(diǎn)。（四）自能式氣自吹SF6斷路器六、熔斷器（一）熔斷器概述

電路中通過短路電流或長(zhǎng)期過負(fù)載電流時(shí)，利用熔體本身產(chǎn)生的熱量將自己熔斷，從而切斷電路，達(dá)到保護(hù)電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體的目的。熔斷器按電壓可分為高壓熔斷器和低壓熔斷器；按裝設(shè)地點(diǎn)可分為戶內(nèi)式和戶外式；按結(jié)構(gòu)可分為螺旋式、插片式和管式；此外，還可分為限流式和無(wú)限流式等。熔斷器的基本結(jié)構(gòu)由金屬熔體、支持熔體的觸頭和外殼組成。（二）熔斷器的安秒特性

熔體的熔斷時(shí)間與通過的電流的關(guān)系稱為熔斷器的安秒特性。一、變壓器基本原理（一）變壓器的工作原理

變壓器是通過電磁感應(yīng)原理，通過電磁耦合實(shí)現(xiàn)電能傳遞的一種靜止電氣設(shè)備，主要由鐵芯及繞在鐵芯上的兩個(gè)繞組組成。變壓器原理圖（二）變壓器的結(jié)構(gòu)

1油浸式變壓器

2干式變壓器

（三）變壓器基本參數(shù)及性能指標(biāo)

1基本參數(shù)（1）額定電壓U1N,U2N。三相變壓器指線電壓。（2）額定容量SN。（3）額定電流I1N,I2N。根據(jù)額定電壓和額定容量計(jì)算得出。（4）額定頻率fN。我國(guó)規(guī)定工業(yè)用電頻率為50Hz。

2基本參數(shù)（1）變壓器負(fù)載運(yùn)行，二次側(cè)端電壓變化率?u%。變壓器外特性（2）變壓器損耗Σp。（3）變壓器效率η。二、變壓器等值電路（一）空載運(yùn)行等值電路

空載運(yùn)行示意圖空載運(yùn)行等值電路（二）負(fù)載運(yùn)行等值電路

負(fù)載運(yùn)行示意圖負(fù)載運(yùn)行等值電路三、三相變壓器（一）三相變壓器的磁路結(jié)構(gòu)

1三相組式變壓器

2三相芯式變壓器（二）三相變壓器的連接組

三相變壓器和三相變壓器組可以連接成星形、三角形和曲折形。對(duì)應(yīng)于高壓和低壓側(cè)分別用Y、D、Z和y、d、z來(lái)表示。當(dāng)有中性點(diǎn)引出時(shí)，用YN、

ZN和yn

、

zn表示。若規(guī)定高壓側(cè)繞組的某感應(yīng)線電壓相量始終指向鐘表的12點(diǎn)，則低壓側(cè)繞組所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)線電壓相量所指的小時(shí)數(shù)就稱為標(biāo)號(hào)。雙繞組變壓器常用連接組雙繞組變壓器常用連接組五、互感器互感器是利用變壓器的電磁感應(yīng)原理，將大電量信號(hào)變換為小電量信號(hào)以方便測(cè)量的一種設(shè)備，可分為電流互感器和電壓互感器。

（一）電流互感器（TA）

1、工作原理

電流互感器工作原理圖

2、使用注意事項(xiàng)（1）電流互感器二次側(cè)繞組絕對(duì)不允許開路。（2）電流互感器的二次側(cè)繞組和外殼必須可靠接地，以防止因絕緣擊穿而危害人身安全。（二）電壓互感器(TV)

電壓互感器按工作原理可分為電磁式電壓互感器和電容式電壓互感器。

1、電磁式電壓互感器（1）工作原理

電壓互感器工作原理圖（2）電磁式電壓互感器使用時(shí)的注意事項(xiàng)：

1）電壓互感器的二次側(cè)繞組絕對(duì)不允許短路。

2）電壓互感器的二次側(cè)繞組和鐵芯必須可靠接地。

3）電壓互感器的二次側(cè)負(fù)載不易接太多，以免降低負(fù)載阻抗，影響測(cè)量準(zhǔn)確性。一、電力電容器（一）電力電容器分類和用途

電容器是一種基本的電器元件，兩個(gè)相互靠近的平行板即可構(gòu)成一個(gè)最簡(jiǎn)單的電容器，兩極板間的絕緣材料稱為電介質(zhì)。應(yīng)用在電力系統(tǒng)中的電容器稱為電力電容器，其基本功能是存儲(chǔ)電能（電荷），可用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償（限制功率因數(shù)下降）、濾除高次諧波（限制高次諧波電流）等功能，對(duì)提高電能質(zhì)量、提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性有重要的作用。并聯(lián)電力電容器的應(yīng)用

并聯(lián)電容器主要用在交流電力系統(tǒng)中，用來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償、提高功率因數(shù)、降低線路損耗，發(fā)揮輸變電設(shè)備效能。

3并聯(lián)電力電容器成套裝置

并聯(lián)電容器成套裝置分為高壓和低壓并聯(lián)電容器成套裝置兩種。高壓并聯(lián)電容器成套裝置內(nèi)部集成了電容器、電容器過負(fù)載保護(hù)專用熔斷器、放電裝置、抑制涌流和限制高次諧波的空心電抗器、限制過電壓的避雷器、斷路器和開關(guān)等設(shè)備。低壓并聯(lián)電容器裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，一般接成三角形裝設(shè)在負(fù)載附近。a高壓并聯(lián)電容器組裝置接線

b低壓并聯(lián)電容器組裝置接線二、避雷裝置和避雷器雷閃過電壓包括:直擊過電壓感應(yīng)過電壓雷電波侵入二）避雷裝置避雷裝置是一種接地良好的導(dǎo)電裝置，它主要由引雷裝置、接地裝置和連接它們的引下線組成。按照引雷裝置的形式，避雷裝置可分為避雷針、避雷線和避雷帶。（三）避雷器分類通常將避雷器分為保護(hù)間隙、管式避雷器、閥式避雷器三種，參見下表。電抗器屬于感性元件，是一種基本的電器元件。電抗器主要用于實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)和工業(yè)用戶的限流、無(wú)功補(bǔ)償、移相等功能，是電力、冶金、化工、電氣化鐵路等供電、輸變電系統(tǒng)中所必需的重要設(shè)備。（二）電抗器的基本參數(shù)

(1)額定電感LN,是電抗器的設(shè)計(jì)值；

(2)額定電壓UN,電抗器的額定工作電壓，通常大于等于電抗器所連接的交流電力系統(tǒng)額定工作電壓；

(3)額定電流IN,電抗器正常工作時(shí)所允許的長(zhǎng)期通過電流；

(4)電抗百分比xN%，指電抗器在額定電流下，繞組兩端的電壓降與系統(tǒng)每相電壓值之比的百分?jǐn)?shù)，即

ΔU-繞組兩端電壓降；xN-繞組電抗值；LN-繞組電感值。三、電抗器電機(jī)學(xué)電機(jī)是依據(jù)電磁感應(yīng)定律和電磁力定律，實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的電磁裝置。按照電機(jī)的用途分類：可分為發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和控制電機(jī)。按照電機(jī)的電流類型分類：可以分為直流電機(jī)和交流電機(jī)，其中交流電機(jī)可以分為同步電機(jī)和異步電機(jī)。按照電機(jī)的相數(shù)分類：可以分為單相電機(jī)和多相電機(jī)，如單相交流電機(jī)和最常見三相電機(jī)。按照電機(jī)的大小尺寸、容量分類：有大、中、小和微型電機(jī)。二、直流電機(jī)

(一)直流發(fā)電機(jī)工作原理

(二)直流電動(dòng)機(jī)工作原理

（1）電機(jī)的可逆原理：直流電機(jī)可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。（2）換向器的作用是實(shí)現(xiàn)電樞線圈內(nèi)的交流電動(dòng)勢(shì)、電流與電刷的直流電壓、電流之間的轉(zhuǎn)化。

(三)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)主要包括轉(zhuǎn)子和定子兩大部分。轉(zhuǎn)子是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，定子是電機(jī)的靜止部分。

1定子：用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)和作為電機(jī)的機(jī)械支架，主要包括主磁極、換向極、機(jī)座和電刷裝置。2轉(zhuǎn)子：也稱為電樞，用來(lái)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。主要包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等。

(四)直流電機(jī)的勵(lì)磁

直流電機(jī)的勵(lì)磁方式分為永磁體勵(lì)磁、電機(jī)本體勵(lì)磁（并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)）、其他電源勵(lì)磁三種。

(五)直流電機(jī)中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

其中p為極對(duì)數(shù)，N為電樞繞組的總導(dǎo)體數(shù)，a為支路對(duì)數(shù)，Φ為每極主磁通，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(六)直流電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程

1直流發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程

2直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程

(七)直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩

(八)直流電機(jī)損耗和功率平衡

1直流電機(jī)損耗分類

（1）機(jī)械損耗pmec，主要由軸承間的磨擦和電刷與換向器間的摩擦產(chǎn)生。（2）鐵芯損耗pFe，由電樞鐵芯產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗。（3）勵(lì)磁損耗pf，由勵(lì)磁繞組電阻產(chǎn)生的損耗。（4）負(fù)載損耗pa，電樞繞組的電阻損耗等。（5）雜散損耗pad。

2直流電機(jī)的功率平衡方程

（1）直流發(fā)電機(jī)的功率平衡方程

直流發(fā)電機(jī)的效率

（2）直流電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程

(十)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)速

1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性:電機(jī)勵(lì)磁電流If恒定且電樞端電壓一定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的函數(shù)關(guān)系。其中（1）固有機(jī)械特性：當(dāng)電動(dòng)機(jī)端電壓額定U=UN，每極氣隙勵(lì)磁磁通額定Φ＝ΦN，電樞回路無(wú)串接電阻(Rst＝0)時(shí)的機(jī)械特性。（2）人為機(jī)械特性：在固有機(jī)械特性的基礎(chǔ)上，主要分析改變電樞回路串接電阻、改變端電壓和改變勵(lì)磁磁通三種情況下的人為機(jī)械特性。

1）電樞回路串接電阻的人為機(jī)械特性：

2）改變電樞端電壓的人為機(jī)械特性：

3）改變氣隙磁通Φ的人為機(jī)械特性(Rst＝0)

：

2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速（1）串電阻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，適用于低速短時(shí)運(yùn)行的拖動(dòng)裝置。缺點(diǎn)：機(jī)械特性軟，靜差率大；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍小，只能低于額定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；串接電阻消耗功率；只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速。（2）調(diào)壓調(diào)速優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械特性硬度不變；勵(lì)磁電流額定時(shí)，可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；調(diào)速范圍寬，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；調(diào)速過程能量損耗小。缺點(diǎn)：需要調(diào)壓電源；只能低于額定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；隨電壓降低靜差率增大；串接電阻消耗功率；只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速。（3）弱磁調(diào)速（恒功率調(diào)速）優(yōu)點(diǎn)：控制方便，調(diào)速平滑，經(jīng)濟(jì)性好。缺點(diǎn)：調(diào)速范圍窄，受電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度和換向火花的限制，轉(zhuǎn)速不可太高；此外還要防止電機(jī)飛車的現(xiàn)象發(fā)生。

(十一)直流電機(jī)的額定值

（1）額定功率PN：對(duì)于直流發(fā)電機(jī)，指電機(jī)輸出的功率；對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，指電機(jī)輸出的機(jī)械功率。（2）額定電壓UN：電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的輸入或輸出電壓。

（3）額定電流IN：電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)能承受的電流。（4）額定轉(zhuǎn)速nN：電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。（5）額定勵(lì)磁電壓UfN：保證電機(jī)額定運(yùn)行的勵(lì)磁繞組所需的電壓。三、異步電機(jī)交流電機(jī)是目前生產(chǎn)、生活中使用最廣泛的電機(jī)，可分為異步電機(jī)和同步電機(jī)。異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速之間總存在一定差異。其轉(zhuǎn)子和定子之間沒有電的直接聯(lián)系，又稱為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，運(yùn)行可靠，效率較高，維修方便等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：不能低成本的在較廣泛的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，必須從電網(wǎng)中吸收滯后電流，導(dǎo)致電網(wǎng)的功率因數(shù)降低。此外普通鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性較差。三、異步電機(jī)

(一)直流發(fā)電機(jī)工作原理

(一)異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

1定子：定子鐵芯由硅鋼片沖片疊成，沖片內(nèi)圓上的槽用來(lái)嵌放定子繞組。

2轉(zhuǎn)子：主要由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸三者構(gòu)成。轉(zhuǎn)子繞組分為繞線型和鼠籠型兩類。

異步電機(jī)結(jié)構(gòu)

(二)異步電動(dòng)機(jī)的工作原理

1旋轉(zhuǎn)磁極對(duì)導(dǎo)體的作用

2三相繞組的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)兩極三相電機(jī)定子磁場(chǎng)規(guī)律：（1）電流變化一周，磁場(chǎng)在空間上旋轉(zhuǎn)360度。（2）合成磁動(dòng)勢(shì)旋轉(zhuǎn)方向與繞組A、B、C在空間的布置順序相同。（3）某相電流達(dá)最大值時(shí)，合成磁動(dòng)勢(shì)軸線與該相繞組軸線重合。（4）合成磁動(dòng)勢(shì)的幅值為每相脈振磁動(dòng)勢(shì)振幅的1.5倍。

3異步電機(jī)的磁通（1）主磁通：同時(shí)與定子繞組及轉(zhuǎn)子繞組相匝鏈的磁通。（2）漏磁通：定子繞組通過三相電流產(chǎn)生的僅與其自身相匝鏈的磁通；轉(zhuǎn)子繞通過電流產(chǎn)生的僅與其自身相匝鏈的磁通。（三）異步電機(jī)的運(yùn)行方式轉(zhuǎn)差率s：旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的差值與同步速度n1的比值?？筛鶕?jù)轉(zhuǎn)差率來(lái)判斷異步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

1電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)：0<s<12發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài):-∞<s<03電磁制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài):在外力的作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相反，s>1。（四）異步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式

1定子繞組的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式

2轉(zhuǎn)子繞組的電動(dòng)勢(shì)和電流：（1）轉(zhuǎn)子繞組的電動(dòng)勢(shì)（2）轉(zhuǎn)子繞組的漏阻抗（3）轉(zhuǎn)子中的電流

（五）異步電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)平衡方程

1轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)

轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速

2磁動(dòng)勢(shì)平衡方程式（六）異步電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程式（七）異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性

1轉(zhuǎn)矩

2機(jī)械特性（八）異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

1交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展方向（1）一般性能的節(jié)能調(diào)速（2）高性能交流調(diào)速系統(tǒng)（3）特大容量和極高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速

2異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速（1）變極調(diào)速（2）變頻調(diào)速（3）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

1）改變定子端電壓

2）改變轉(zhuǎn)子電阻（4）異步電動(dòng)機(jī)矢量變換控制系統(tǒng)（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(zhuǎn)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(diào)壓）：可將某固定大小的直流電變成大小任意可調(diào)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(nèi)部工作方式來(lái)分類，變流器分成三大類型：1）不出現(xiàn)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(lái)自交流電網(wǎng)或負(fù)載；3）具有強(qiáng)迫換流的變流器，其換流電壓來(lái)自于輔助支路。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)第三章電力電子技術(shù)二、相控調(diào)壓電路（一）單相交流調(diào)壓圖3－33所示為一單相交流調(diào)壓的基本線路。二個(gè)反并聯(lián)的晶閘管周期性地觸發(fā)時(shí)間點(diǎn)，相對(duì)于交流電壓u的過零點(diǎn)滯后一個(gè)控制角α因此半導(dǎo)體開關(guān)阻斷了電壓曲線上陰影所示部分。在每次晶閘管觸發(fā)以后，通過負(fù)載的電流立刻跳躍到穩(wěn)態(tài)電流瞬時(shí)值上，然后按正弦規(guī)律流動(dòng)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(shù)圖3－34表示在不同性質(zhì)負(fù)載時(shí)單相交流調(diào)壓變換器的電流曲線與控制角的關(guān)系。在電阻負(fù)載時(shí)，晶閘管觸發(fā)以后的電流計(jì)算公式為在電阻、電感混合負(fù)載時(shí)，電流曲線不再是正弦曲線，可以推得電流表達(dá)式為其中，φ為電阻、電感混合負(fù)載時(shí)的負(fù)載相位角，控制角α必須大于φ。從以上三式可以進(jìn)一步計(jì)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(fù)載功率因數(shù)cosφ時(shí)的控制特性曲線。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)（二）三相交流調(diào)壓圖3－36所示，將三對(duì)反并聯(lián)的晶閘管分別接至Y型的三相負(fù)載就構(gòu)成了一個(gè)典型的三相交流調(diào)壓電路。電路應(yīng)滿足以下要求：1）為使三相電流形成通路，要求當(dāng)一相中有正向晶閘管導(dǎo)通時(shí)，在它的相鄰相必須有反向晶閘管導(dǎo)通；2）為保證電路的啟動(dòng)工作和在小導(dǎo)通角情況下的正常運(yùn)行，晶閘管應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)；3）為保證輸出電壓對(duì)稱并有相應(yīng)的控制范圍、要求觸發(fā)信號(hào)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(shù)電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)三相交流調(diào)壓電路帶電阻和電感混合負(fù)載時(shí)，即功率因數(shù)角φ≠0時(shí)，分析工作很復(fù)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(dǎo)電并不停止，負(fù)載中仍有電流流過。此時(shí)晶閘管的導(dǎo)通角θ不僅與控制角α有關(guān)，而且還與負(fù)載功率因數(shù)角φ有關(guān)。如果負(fù)載是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，則功率因數(shù)角φ還要隨電機(jī)運(yùn)行情況的變化而變化，這更使波形分析復(fù)雜化。圖3-37所示為α＝φ＝40°時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。相電壓、相電流的波形基本上是連續(xù)的，并且三相對(duì)稱，相電流滯后于相電壓。在α?xí)r刻以后，每隔60°都出現(xiàn)電壓波形缺口和電流波形振蕩現(xiàn)象，這正好是晶閘管關(guān)斷時(shí)刻。α≠φ時(shí)，因?yàn)槊恳幌嚯娐返膶?dǎo)通均與α、φ有關(guān)，很難準(zhǔn)確計(jì)算。但從實(shí)驗(yàn)波形可知，其電流波形還是符合單相電感性負(fù)載電路規(guī)律的。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)但三相調(diào)壓電路形式很多，各有特點(diǎn)，表3-3對(duì)常用的三相調(diào)壓電路列表加以比較。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)（三）交流調(diào)壓電路運(yùn)行時(shí)的無(wú)功功率和畸變功率圖3-38中陰影部分描述了控制角為α?xí)r在電阻負(fù)載上所出現(xiàn)的電流。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)電網(wǎng)中出現(xiàn)的電感性的基波無(wú)功功率Q1，則基波電流i1

又可以分解為有功分量i1p和無(wú)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(wú)功功率Q1以外，對(duì)應(yīng)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(shù)三、可控整流電路（一）單相可控整流在前述的單相交流調(diào)壓電路中，如去除反并聯(lián)晶閘管中的反向晶閘管，則反向電壓不再能加到負(fù)載電阻上（先假設(shè)負(fù)載為純電阻負(fù)載），這就構(gòu)成了一個(gè)最簡(jiǎn)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(shù)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(jīng)過晶閘管半波整流后的輸出電壓ud是一個(gè)極性不變的脈動(dòng)直流電壓。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)1.純電阻負(fù)載時(shí)的基本關(guān)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(shí)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(shù)（2）直流電流有效值I負(fù)載電流平均值為但是，從發(fā)熱的觀點(diǎn)選擇晶閘管、熔斷器和設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，必須進(jìn)行電流有效值計(jì)算。將不同的控制角α代入計(jì)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(dòng)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(shù)（3）功率因數(shù)cosφ功率因數(shù)表明了整流電路有功功率和視在容量之間的關(guān)系。如忽略晶閘管的損耗，電阻負(fù)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(fù)載,其功率因數(shù)也不是1。這主要是由于經(jīng)過可控整流的移相控制，負(fù)載上的電壓、電流波形發(fā)生了畸變，大量的諧波成分減小了有功輸出，占據(jù)了電路的容量。此時(shí)的電路功率因數(shù)不僅與負(fù)載阻抗角有關(guān)，而且和電壓、電流畸變的程度有關(guān)，這種情況下功率因數(shù)的計(jì)算較正弦交流電路中有了新的擴(kuò)展。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)（4）紋波因數(shù)γ紋波因數(shù)表示了整流輸出單極性的脈動(dòng)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(duì)值直流電流有效值相對(duì)值Ud/U，功率因數(shù)cosφ和紋波因數(shù)γ與控制角α的關(guān)系以曲線形式表示出來(lái)。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)2.帶電阻——電感混合負(fù)載的單相可控整流整流電路的負(fù)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(fù)載。電機(jī)的激磁繞組串接有平波電抗器的負(fù)載等，均屬電阻——電感混合負(fù)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(fā)生了明顯的變化，下面以圖3－41來(lái)加以說(shuō)明。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)從波形上可以看到，由于電感的存在，延長(zhǎng)了晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，使波形中出現(xiàn)了正、負(fù)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(fù)載時(shí)可控整流電路工作原理的重要特點(diǎn)。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)

的大電感負(fù)載，。此時(shí)，對(duì)于不同控制角，電壓、電流波形如圖3－42所示。

此時(shí)電壓波形的正、負(fù)面積接近相等，平均電壓，造成平均直流電流也接近零，負(fù)載上將得不到所需功率。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)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(fù)載正常工作的。解決的方法是在負(fù)載兩端并聯(lián)一續(xù)流二極管。如圖3－43所示。可見，加了續(xù)流二極管后的輸出直流電壓波形和純電阻負(fù)載時(shí)完全相同（圖3－43（b）），輸出直流電壓平均值也相應(yīng)增大到了電阻負(fù)載時(shí)的大小。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)（二）三相可控整流對(duì)工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，為了三相電網(wǎng)負(fù)載的平衡，三相可控整流電路得到更多的應(yīng)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(lián)或并聯(lián)組成。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)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(jí)繞組為帶中線的Y型接法，三個(gè)晶閘管陽(yáng)極分別接至Y型的三相繞組上，陰極接在一起，通過負(fù)載接至繞組中點(diǎn)。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(yáng)極電壓互不相同。三相半波可控整流電路觸發(fā)控制角

的起點(diǎn)應(yīng)是三個(gè)相電壓的交點(diǎn)。3－44（a）電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)下面分析大電感負(fù)載時(shí)的工作狀況：圖3－44（b）是時(shí)的電壓波形。三個(gè)晶閘管將按三相電源的變化規(guī)律連續(xù)不斷地循環(huán)工作，每個(gè)管子導(dǎo)通1/3周期，輸出電壓是一個(gè)脈動(dòng)直流電壓，一周期內(nèi)脈動(dòng)三次。脈動(dòng)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(luò)線相比，輸出電壓少了

角范圍內(nèi)的一塊面積。

3－44電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)圖3－44（c）是時(shí)的電壓波形，由于是大電感負(fù)載，電流是連續(xù)并近似恒定的。輸出電壓中出現(xiàn)了負(fù)面積部分，但因正面積部分大于負(fù)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(shù)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(gè)脈動(dòng)期（1/3周期）內(nèi)的平均值來(lái)計(jì)算。又由于電流連續(xù)，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(jí)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(shù)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(shí)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(gè)晶閘管改換方向，則三相電路就變成了共陽(yáng)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(shù)如圖3－45（a）所示，我們將一組共陰極接法和一組共陽(yáng)極接法的三相半波可控整流電路串聯(lián)后給負(fù)載供電。共陰極組整流器產(chǎn)生正的輸出直流電壓，共陽(yáng)極組整流器由于晶閘管改換了方向?qū)a(chǎn)生負(fù)的直流電壓，負(fù)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(shù)圖3－45（a）中二組整流器中屬同一相的二個(gè)晶閘管，一個(gè)在電源正半周工作，另一個(gè)在負(fù)半周工作，故可將這一相的兩個(gè)變壓器副繞組合二為一，就構(gòu)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(gè)三相半波可控整流電路串聯(lián)的結(jié)果。故在同樣的變壓器副邊電壓時(shí)，橋式電路的輸出平均直流電壓將比半波可控整流時(shí)大一倍，其表達(dá)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(shù)圖3－46是三相橋式全控整流電路在控制角時(shí)的輸出電壓波形，顯然三相橋式整流電路輸出電壓的脈動(dòng)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(fù)半波時(shí)分別對(duì)二組半波整流器供電，因此副邊繞組流過的是對(duì)稱交流電，所以變壓器的利用率比半波整流時(shí)好得多。三相橋式全控整流電路是工業(yè)應(yīng)用中最常用的整流電路。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)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(dāng)控制角時(shí)，輸出電壓波形中出現(xiàn)了負(fù)值部分，只是正電壓部分的面積比負(fù)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(shù)變化。如圖3－47所示，在的范圍內(nèi)時(shí)，因輸出的直流電壓平均值為負(fù)值，而輸出的負(fù)載電流由于晶閘管元件的單向?qū)щ娦匀员３衷蟹较?，故此時(shí)的整流器不再是輸出電能，而是能量從直流邊輸入，經(jīng)過該整流器反送至交流電網(wǎng)上，此時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)稱之為逆變器運(yùn)行狀態(tài)。因輸出的交流電和電網(wǎng)是接在一起的，其頻率就是電網(wǎng)頻率，且恒定不變，故這種逆變運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)圖3－47表明了一個(gè)三相半波可控整流電路在大電感負(fù)載時(shí)從整流器運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)入到逆變器運(yùn)行狀態(tài)的情況。在整流器運(yùn)行期間，作為負(fù)載的直流電機(jī)將作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行并從交流電網(wǎng)吸取能量。在逆變器運(yùn)行時(shí),則反之，直流電機(jī)將作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行和將能量輸送至電網(wǎng)。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)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(nèi)的運(yùn)行方式。輸出直流平均電壓

的計(jì)算方法亦與三相半波可控整流電路帶大電感時(shí)相同，即有采用逆變角表示的輸出直流平均電壓計(jì)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(dòng)機(jī)的調(diào)速制動(dòng)。在直流輸電中，一般變流站閥體既可作整流狀態(tài)運(yùn)行，又能作逆變狀態(tài)運(yùn)行，使電力系統(tǒng)的電能傳輸可逆。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速中用有源逆變可將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能并反饋回電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的迅速制動(dòng)。所以,有源逆變是可控整流電路的一種有實(shí)用意義的特殊工作狀態(tài)。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)五、二組晶閘管整流器反并聯(lián)可逆電路用三相半波可控整流電路給他激直流電動(dòng)機(jī)電樞供電，則電動(dòng)機(jī)能實(shí)現(xiàn)二象限運(yùn)行，即正轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行和正轉(zhuǎn)發(fā)電制動(dòng)運(yùn)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(jī)四象限運(yùn)行的要求。為此，可以用二組晶閘管整流器反并聯(lián)構(gòu)成所謂的可逆電路，其中一組整流器為一個(gè)方向的電流提供通路，相反方向的電流則流經(jīng)另一組整流器。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)圖3－48（a）為用二組晶閘管三相半波可控整流器反并聯(lián)構(gòu)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(lián)構(gòu)成的可逆電路。通過兩組變流器整流、逆變運(yùn)行狀態(tài)的配合，就可使電動(dòng)機(jī)在正、反兩個(gè)轉(zhuǎn)向上作電動(dòng)機(jī)或制動(dòng)運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)由于兩組整流器反并聯(lián)，如果他們同時(shí)工作，則兩組晶閘管之間就會(huì)構(gòu)成短路的環(huán)路。如環(huán)路中有環(huán)路電壓存在，那將產(chǎn)生很大的只經(jīng)過兩組整流橋而不經(jīng)過電機(jī)的”環(huán)流“。環(huán)流不做功，但流過變流裝置時(shí)占用了裝置容量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成短路事故，燒毀元件，故消除或限制環(huán)流是反并聯(lián)可逆電路的重要研究?jī)?nèi)容?？刂骗h(huán)流最簡(jiǎn)單、方便的方法是，使任何時(shí)間內(nèi)兩組變流器中只有一組投入工作，另一組完全關(guān)斷，并根據(jù)電機(jī)所需的運(yùn)行方式?jīng)Q定投入工作的一組變流器的具體工作狀態(tài)－整流或逆變。圖3－49為邏輯無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)的四象限運(yùn)行，給出了在此種環(huán)流控制方式時(shí)四象限運(yùn)行的兩組橋的工作狀態(tài)。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的控制原則是在任何時(shí)刻兩組變流橋中只允許一組投入工作，另一組必須關(guān)閉。實(shí)際系統(tǒng)中是采用控制觸發(fā)脈沖的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即給一組變流器（整流或逆變）發(fā)出觸發(fā)脈沖，而對(duì)要關(guān)閉的一組封鎖脈沖，使觸發(fā)脈沖不能送到該組變流器的晶間管上?？稍诙M變流器切換時(shí)，首先使原工作的一組變流器處于逆變狀態(tài)（稱為本橋逆變），將回路電感儲(chǔ)能反饋回電網(wǎng)，待電流真正下降到零后再加上一定的時(shí)間裕量（如10ms），再使原來(lái)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(shí)現(xiàn)的，故亦稱為邏輯控制無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)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(lián)組成的可逆電路，其輸出電壓和電流的方向可以相互無(wú)關(guān)地任意改變，利用這一特性我們可以構(gòu)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(lián)構(gòu)成可逆電路。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)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(fù)載上將得到頻率為f2的交變電壓，也就是實(shí)現(xiàn)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(wǎng)電壓的直接切換來(lái)實(shí)現(xiàn)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(wǎng)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(shù)梯形波變頻器輸出電壓的周期T2

由每半周中電壓波頂?shù)臄?shù)目n來(lái)確定，輸出電壓周期T2的計(jì)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(shù)n用1，2，3…代入，就可計(jì)算出相應(yīng)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(shù)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(diǎn)被切換，則僅能得到一些間斷的按式（3－22）計(jì)算的輸出頻率f2亦稱這樣的變頻器為頻率固定關(guān)系的變頻器。如果使幾組反并聯(lián)可逆電路以一定的相位差同時(shí)工作，那就可能構(gòu)成多相輸出系統(tǒng)。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(lián)組成。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)為了保證多相系統(tǒng)的對(duì)稱性，對(duì)上述有頻率固定關(guān)系的變頻器，只有當(dāng)輸出電壓每個(gè)周期T2

中的等效波頂數(shù)式（3－23）中：q為多相系統(tǒng)的相數(shù)?？梢员惠敵鱿到y(tǒng)的相數(shù)q整除，才能給出對(duì)稱多相系統(tǒng)。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)（二）正弦波交－交變頻器在大型交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，為了減少電流中的諧波分量對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的不良影響，諸如轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、振動(dòng)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?？梢詫?duì)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(dāng)控制

的變化規(guī)律，就有可能使輸出電壓的平均值按正弦規(guī)律變化。如圖3－53所示。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)為說(shuō)明各組整流器工作狀態(tài)的變化，可忽略輸出電壓、電流中的高次諧波，負(fù)載為電感性負(fù)載，負(fù)載電壓和電流的波形如圖3－54所示，其中為負(fù)載功率因數(shù)角。交－交變頻器是兩組可控整流器反并聯(lián)可逆電路的特殊運(yùn)行結(jié)果，因此它也有反并聯(lián)可逆電路的環(huán)流問題，需要采取和前述一樣的措施來(lái)消除環(huán)流，這里不再贅述。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)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(guān)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(diǎn)，所以都采用晶閘管作開關(guān)元件。本小節(jié)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(wú)自然過零的特點(diǎn)，故開關(guān)元件的切換只能通過一些強(qiáng)迫換流措施（采用晶閘管）或采用具有自關(guān)斷能力的開關(guān)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于強(qiáng)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(fù)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(guān)斷能力的開關(guān)元件為主。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)（一）直流降壓變換電路用具有強(qiáng)迫換流的半導(dǎo)體開關(guān)可以在任意的時(shí)間點(diǎn)接通或關(guān)斷一個(gè)直流回路。如果用一定的開關(guān)頻率周期性地接通和關(guān)斷它，并且任意地改變導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間的比例，顯然就有可能控制（調(diào)節(jié)）從直流電源送至負(fù)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(gè)直流降壓變換電路的基本線路和相應(yīng)的電壓－電流波形曲線。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)周期性工作的半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通比定義為式中：Ta為開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間，Te為開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。負(fù)載上的平均直流電壓

可以由導(dǎo)通比

和電源電壓來(lái)計(jì)算，公式如下電源輸出的電流是矩形的脈動(dòng)電流，其平均值可以由導(dǎo)通比

和負(fù)載電流

來(lái)計(jì)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(shù)實(shí)際上，由于負(fù)載邊的平波電感不可能無(wú)限大，所以實(shí)際的負(fù)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(fù)載電流

將按指數(shù)規(guī)律上升；在時(shí)，電源電壓被切除，負(fù)載電流將接指數(shù)規(guī)律衰減。所以，穩(wěn)態(tài)時(shí)的負(fù)載電流是周期性的脈動(dòng)電流。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)下面我們深入分析此時(shí)的負(fù)載電流的波動(dòng)情況，圖3－56（a）中負(fù)載是反電動(dòng)勢(shì)為E的直流電動(dòng)機(jī)。電流的波動(dòng)范圍為為表示電流波動(dòng)的相對(duì)大小，我們定義電流波動(dòng)率為由此可以計(jì)算出一個(gè)直流降壓變換器的輸出電流的波動(dòng)程度。電流波動(dòng)范圍為

由此可見，電流波動(dòng)范圍與直流降壓變換器的工作頻率有關(guān)，頻率f越高，T越小，電流波動(dòng)范圍就越小。其次，在同樣的工作頻率下，不同導(dǎo)通比時(shí)的電流波動(dòng)范圍有所不同。由圖3－57還可看出，如負(fù)載平均電流I2過小，隨著電流的衰減，將出現(xiàn)電流間斷現(xiàn)象，這在直流降壓變換器設(shè)計(jì)時(shí)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(fù)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(shù)電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)（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(fù)載傳送。圖3－58（a）所示電路就使需要能量從負(fù)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(dòng)機(jī)的電網(wǎng)反饋制動(dòng)，直至很低的轉(zhuǎn)速。上述兩種直流降壓變換器中，半導(dǎo)體開關(guān)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(dǎo)體開關(guān)S和二極管VD,通過改變它的連接方法,就能使直流電動(dòng)機(jī)從電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)樵偕苿?dòng)狀態(tài).反之，得到直流電動(dòng)機(jī)的二象限運(yùn)行。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)（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(lái)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(dǎo)體開關(guān)4導(dǎo)通時(shí)的等效電路，圖為3－59（b）關(guān)斷時(shí)的等效電路。圖3－59（a）原理圖（b）S導(dǎo)通時(shí)的等效電路（c）S關(guān)斷時(shí)的等效電路電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)圖3－59（d）所示是電流iL連續(xù)時(shí)電路中電壓－電流波形。圖3－59（e）為電流iL間斷時(shí)的波形。圖3－59（d）電流iL連續(xù)時(shí)波形（e）為電流iL間斷時(shí)的波形電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)假定在電流連續(xù)時(shí)，不計(jì)iL的脈動(dòng)，則在S導(dǎo)通期間由電源輸入到電感L的能量為在S關(guān)斷期間，電感釋放至負(fù)載的能量為根據(jù)能量平衡關(guān)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(shù)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(dǎo)體開關(guān)S和二極管VD，可以使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)入再生制動(dòng)狀態(tài)。在另外一些場(chǎng)合，人們常希望能從電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)地過渡到再生制動(dòng)狀態(tài)，顯然簡(jiǎn)單地?fù)Q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(jié)合起來(lái)構(gòu)成一個(gè)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(shù)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(lái)判斷，公式為如，負(fù)載電流平均值，則凈能量是由電源傳送給電樞回路，電機(jī)工作于第一象限；如，，則凈能量反饋回電源,電機(jī)工作于第二象限。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)（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(fù)載平均電流大小和極性都可改變，因而可以作為直流電動(dòng)機(jī)電樞的控制電源。如果直流電機(jī)（或同步電機(jī)）的磁場(chǎng)電流大小要求能快速變化，而方向并不翻轉(zhuǎn)，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(shù)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(lái)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(tài)：一種是，二個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)有重疊的導(dǎo)通部分；另一種是，任何瞬間最多只一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通。兩種狀況都可能出現(xiàn)電流斷續(xù)，圖3－62所示為電流連續(xù)的狀況。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)1.穩(wěn)態(tài)時(shí)，這類工作方式必須有。如果，負(fù)載電流將達(dá)到恒定值如，輸出電壓和電流都始終為零。在時(shí)，輸出電流i2是波動(dòng)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(dòng)時(shí)的最大值Ia和最小值I0，而輸出電壓u2則是矩形的脈動(dòng)電壓。由圖3－61（b）的分析可見，穩(wěn)態(tài)時(shí)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(tài),能量從電源送向負(fù)載。2.穩(wěn)態(tài)時(shí)，這類工作方式必須有。如，負(fù)載將被連續(xù)短路，在E的作用下，負(fù)載電流將達(dá)到穩(wěn)態(tài)最大值，即如，兩個(gè)開關(guān)都始終關(guān)斷，則輸出電流i2和電壓u2都為零。在該狀態(tài)工作時(shí)，負(fù)載電流平均值I2

為正，負(fù)載電壓的平均值U2av為負(fù)值，故屬于第四象限的運(yùn)行狀態(tài)。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)九、四象限直流電壓變換器兩個(gè)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(gè)象限工作。四象限直流電壓變換器可以在兩個(gè)方向上傳遞能量，其輸出電壓和電流的極性可以相互無(wú)關(guān)地任意改變，因而原則上它能完成直流變交流的無(wú)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(shù)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(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間比例（即改變導(dǎo)通比）來(lái)連續(xù)地控制電源和負(fù)載之間功率傳遞的。按不同用途，有不同的導(dǎo)通比控制方式，下面分別加以敘述。（一）時(shí)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(guān)系式其中稱為導(dǎo)通比。改變導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間的比例

即可連續(xù)調(diào)節(jié)輸出平均直流電壓的大小，這種控制方式叫時(shí)間比控制方式。一般來(lái)說(shuō)，用直流電壓變換器控制直流電路都是時(shí)間比控制，但改變導(dǎo)通比又有以下三種不同的方法。（1）定頻調(diào)寬控制（2）定寬調(diào)頻控制（3）調(diào)頻調(diào)寬混合控制電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)目前定頻調(diào)寬的時(shí)間比控制方式用得最普遍。在直流脈沖寬度調(diào)制PWM技術(shù)中，一般就是用定頻調(diào)寬法來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)。如圖3－64所示。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)（二）瞬時(shí)值控制方式在采用直流電壓變換器控制電動(dòng)車輛加速時(shí)，為使其加速度恒定，需要進(jìn)行恒流控制。這種由輸出給定限值與實(shí)際值進(jìn)行比較來(lái)控制變換器通、斷的控制方式稱瞬時(shí)值控制方式，其原理框圖如圖3－65（a）所示。直接控制電流脈動(dòng)值的方式，應(yīng)用在電氣車輛上，具有不管車輛速度如何，電流脈動(dòng)率保持恒定的優(yōu)點(diǎn)。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)（三）時(shí)間比與瞬時(shí)值相結(jié)合的控制方式在步進(jìn)電機(jī)－開關(guān)磁阻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)中，為了克服由于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)的變化而引起的電機(jī)輸出力矩波動(dòng)問題，或者為了簡(jiǎn)化電源和實(shí)現(xiàn)電子快速的過流保護(hù)，需要能控制電機(jī)繞組電流的瞬時(shí)值。另一方面，為了控制電動(dòng)機(jī)能按指令作加速、減速或恒速等運(yùn)動(dòng),電機(jī)繞組的電流平均值是按時(shí)間比的規(guī)律來(lái)控制的。為此，可采用時(shí)間比和瞬時(shí)值相結(jié)合的控制方式，圖3－66是這種控制方式的原理框圖和波形圖。由圖3－66（b）的波形圖可以看到，負(fù)載電流的平均值由控制信號(hào)的導(dǎo)通比決定，而負(fù)載電流的最大值則受瞬時(shí)值控制的限制。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)十一、逆變電路逆變電路是將直流電變成交流電的一種變流器電路。前面我們敘述過有源逆變電路，其輸出端必須同交流電網(wǎng)接在一起，從交流電網(wǎng)取得換流電壓，從而完成直流到交流的轉(zhuǎn)換。這種逆變器的輸出電壓大小和頻率就是電網(wǎng)電壓的大小和頻率，不能任意改變，故稱為有源逆變電路。DC/AC逆變器其輸出交流電與電網(wǎng)交流電無(wú)關(guān)，可以得到所需的任意頻率和電壓的交流電，可以單獨(dú)給負(fù)載供電，故稱其為無(wú)源逆變。無(wú)源逆變器不再能從電網(wǎng)得到換流電壓，通常需要通過附加的關(guān)斷電容器或采用有自關(guān)斷能力的半導(dǎo)體開關(guān)元件（例如GTO、GTR、IGBT等）來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換流。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)無(wú)源逆變有著廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)發(fā)展很快，大致分類如下。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)根據(jù)元件的開關(guān)容量，目前主要采用由普通晶閘管、GTO、GTR和IGBT等幾種元件組成的逆變電路，其功率容量依次遞減。根據(jù)輸入端濾波器的形式，逆變電路又可分為電壓型和電流型兩大類。前者直流端并聯(lián)有大電容，一方面可抑制直流電壓的脈動(dòng)，減少直流電源的內(nèi)阻，使直流電源近似為恒壓源，另一方面也為來(lái)自逆變器端的無(wú)功電流提供導(dǎo)通途徑；后者在直流端串聯(lián)有大電感，一方面抑制直流電流的脈動(dòng),使直流電源近似為恒流源，同時(shí)也承受來(lái)自逆變端的無(wú)功電壓分量，維持電路間的電壓平衡。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)（一）電壓型單相半橋逆變電路單相半橋逆變器的主電路結(jié)構(gòu)如圖3－67（a）所示?？煽亻_關(guān)元件的控制電壓ug1和ug2為180℃的方波，重復(fù)頻率為f，并互差180℃電角度，如圖3－67（b）所示。如負(fù)載是純電阻負(fù)載，則電流具有與電壓相同的波形。如負(fù)載是電感性負(fù)載，則負(fù)載電流將按指數(shù)曲線規(guī)律交變,同時(shí)負(fù)載電流的變化將滯后于電壓的變化。在－個(gè)工作循環(huán)中，逆變電路存在兩種電流換流。1、臂內(nèi)換流臂內(nèi)換流指電流在同一導(dǎo)電臂內(nèi)元件間的轉(zhuǎn)移。這種換流產(chǎn)生于電流過零時(shí)刻，電流的轉(zhuǎn)移只涉及導(dǎo)電臂內(nèi)元件的更迭，并不改變導(dǎo)電回路，物理過程簡(jiǎn)單,稱自然換流。2、臂間換流臂間換流指電流在導(dǎo)電臂間轉(zhuǎn)移。這時(shí)的換流稱為強(qiáng)迫換流，即必須強(qiáng)迫使退出導(dǎo)通的元件中電流下降為零，并使之關(guān)斷，而將負(fù)載電流轉(zhuǎn)移到二極管VD中。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)(二)電壓型單相全橋逆變電路單相半橋逆變電路的優(yōu)點(diǎn)是使用元件數(shù)量少，缺點(diǎn)是電壓增益低，需要有分壓電容器。單相全橋逆變電路如圖3－68（a）所示，它可以看成是兩個(gè)半橋電路的組合。其優(yōu)缺點(diǎn)與半橋電路相反。圖3－69（b）中表示出了全橋逆變電路可控開關(guān)元件控制電壓的時(shí)序。將u0

用傅里葉級(jí)數(shù)展開其中，基波幅值基波有效值電壓增益電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)如負(fù)載是純電阻負(fù)載，則電流具有電壓一樣的波形。如逆變器給電感性負(fù)載供電，則電流將按指數(shù)規(guī)律交變，且滯后于逆變器的輸出電壓u0[見圖3－68（b）]。逆變器輸出功率的瞬時(shí)值為與半橋電路一樣，在電感性負(fù)載時(shí)，逆變器的工作循環(huán)中會(huì)出現(xiàn)兩種不同的工作狀態(tài)，如是純電感負(fù)載，，則兩種狀態(tài)持續(xù)期相等，負(fù)載端得到的有功功率為零，所以該電路不能在純電感負(fù)載下實(shí)現(xiàn)電能變換。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)在許多應(yīng)用中，常常需要頻率和基波電壓大小均可改變的逆變器。頻率的改變只需要改變開關(guān)元件的控制信號(hào)頻率即可實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)改變電壓的目的，可以改變輸入直流電壓Ud的大小而保持輸出方波的寬度180℃不變，這種方法稱為調(diào)幅；另一種方法是保持直流電源電壓Ud不變,而改變輸出方波的寬度，也可改變輸出交流基波電壓的大小，這種方法稱之為調(diào)寬（如圖3－69所示）。用調(diào)寬來(lái)改變輸出電壓的大小，是逆變器中廣泛采用的調(diào)壓方法。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)（三）180℃導(dǎo)通電壓型三相半橋逆變電路由于整機(jī)單相容量的限制（主要是元件容量限制）、電網(wǎng)負(fù)載平衡的要求和用電負(fù)載的性質(zhì)（如三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)），大容量逆變電路多采用三相形式。電壓型三相逆變電路最常見的是三相半橋結(jié)構(gòu)，它由三個(gè)單相半橋所組成，通過一定的控制方法可以產(chǎn)生對(duì)稱的三相交流電壓系統(tǒng)。實(shí)用中最常見的三相逆變器是頻率和電壓都可以改變的三相靜止逆變器。圖3－70是最基本的三相半橋逆變電路,圖中的可控開關(guān)元件可以是晶閘管、GTO、GTR或IGBT。各開關(guān)元件的控制導(dǎo)通規(guī)律如表3－5。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)圖3－70中負(fù)載星型連接，三相對(duì)稱，并假定為純電阻負(fù)載。中心點(diǎn)為O。電源假想中點(diǎn)O’僅作分析用。下面分析該逆變器的工作狀況。1.輸出電壓波形將線電壓波形進(jìn)行傅里葉分解可得可見線電壓中不包含三次和三的倍數(shù)次諧波。線電壓的基波幅值為或，基波分量的有效值為或，線電壓的有效值則可求得為或。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)下面我們?cè)倏簇?fù)載上各相相電壓的波形。時(shí)區(qū)逆變橋的等效電路如圖3－71（a）所示。從等效電路可以求得此時(shí)各相電壓大小為