电力电子技术应用实例
电力电子应用技术书8.1韶山四型电力机车供电系统
第8章电力电子应用技术实例SS4型电力机车牵引整流器供电系统型电力机车牵引整流器SS4韶山4型电力机车是我国第三代电力机车的“领头”产品，于1989年获国家科技进步一等奖。
随着我国电力电子技术和功率器件的发展和应用，我国交-直流传动电力机车的调压调速技术实现了换代的跳跃发展，经历了第一代韶1、韶2型电力机车的低压侧或高压侧调压开关调幅式的有级调压调速技术，到第二代韶3型电力机车采用调压开关分级和级间晶闸管相控平滑调压相结合的调压调速技术，到第三代韶4~韶8型电力机车的多段桥晶闸管相控无级平滑调压调速的发展历程。
第三代电力机车以韶4型（SS4）为起点，使晶闸管相控调压调速的交直传动电力机车形成了电力机车家族。
型电力机车主电路的特点韶4型和韶4改进型电力机车的电气线路主要有主牵引电路、辅助供电电路、有触点控制电路、控制电源电路和电子控制电路五大部分，整个控制系统十分庞大和复杂，本节介绍SS4型电力机车的牵引整流器供电系统。
（1）牵引电动机供电方式1-受电弓；3-主变压器；4-主断路器；5-主放电器；6-高压互感器；1M~4M牵引电动机；79R~80R负载电阻；1L~4L主极绕组；31~34-过压吸收电路；91KC~94KC线路接触器；161~164-接地电刷；11JZ~14JZ-主整流器；127DJ~128DJ主接地继电器；111GK~114GK牵引电机隔离开关。
17PK~20PK主平波电抗器重载货运八轴SS4型电力机车的牵引供电电路如图8- 1 所示，使用直流串励牵引电动机，采用传统的交-直流供电方式；牵引电机采用“转向架独立供电方式”，一台转向架的两台牵引电机并联，由一台相控式主整流器供电,全车四个两轴转向架，具有四台独立的相控主整流器。
网侧电流从接触网流入升起的受电弓，经25kV车顶母线分为两路，一路进本节车，经主断路器4、主变压器高压绕组AX进入车体，经车体与转向架间软线和轴箱电刷到车轮和钢轨；另一路，25kV经高压连接器到另一节车的车顶母线。
电力电子技术课程设计教学实例——BUCK电路硬件平台实现
• 30•电力电子技术课程设计作为电气类专业的重点实践课程，需要提高实践环节的教学比重。
本文通过设计并制作经典BUCK 电路的示教板，给出了完成一个电力电子课程设计案例的流程。
学生可以通过该案例完成电路理论计算、仿真分析、PCB 绘制、元件选型以及焊接与调试的全过程，提高解决实际工程问题的能力。
电力电子技术课程设计在高等教育体系中，一直作为电力电子技术配套的实践课程存在。
通过课程实践环节，进一步提高电力电子技术理论课程的教学效果。
受限于当前高校的实验室建设的不完善，该教学实践环节大多采用“大作业”式的理论分析报告的形式来实现。
在电气技术相关行业对应用型与实践型人才的需求日益提高的今天，该实践形式固有的局限性显现出来。
针对于此，在电气工程及其自动化专业应用型人才的培养过程中，急需实践环节的改革与创新，更好的贴合当前社会用人单位的人才需求。
适当调整教路的完整流程。
通过该教学案例，更好的引导学生完成一个完整的工程实践项目，提高解决工程实践问题的能力。
另外该实践流程可以完整复刻于其他电力电子技术课程实践项目，为电力电子技术课程实践的教学改革提供新的思路。
表1 BUCK电路设计参数参数数值输入电压U i 20V 输出电压U o 5V 占空比D 0.25电感L 0.375mH 电容C 500μF 工作频率f 10kHz 输出纹波电压5%1 整体设计方案图1所示给出了BUCK 电路平台的整体设计思路与步骤。
其主要分为四个主要部分，包括主要参数的理论计算、仿真分析、PCB电力电子技术课程设计教学实例——BUCK电路硬件平台实现南京航空航天大学金城学院 刘 慧 郝雯娟南京航空航天大学自动化学院电气工程系 王 宇图1 BUCK电路设计流程学方法与教学内容，从而提高应届毕业生在就业中的核心竞争力。
本文以电力电子技术课程中经典的BUCK 电路为例，给出了设计与实现该电图2 BUCK电路原理图图3 BUCK电路的Matlab/Simulink模型设计制作以及硬件电路的焊接与调试。
电力电子技术题解实例与习题
1、什么是电力电子技术？它有几个组成部分？答：电力电子技术是依靠电力电子器件组成各种电力变换电路，实现电能的高效率转换与控制的一门学科，它包括电力电子器件、电力电子电路（变流电路）和控制技术三个组成部分。
2、电能变换电路有哪几种形式？各自的功能是什么？答：电能变换电路有四种形式：AC/DC变换电路、DC/AC变换电路、DC/DC变换电路、AC/AC变换电路。
①AC/DC变换电路：将交流电能转换为固定或可调的直流电能的电路。
②DC/AC变换电路：将直流电能转换为频率固定或可调的交流电能的电路。
③DC/DC变换电路：将一种直流电能转换为另一固定或可调电压的直流电能的电路。
④AC/AC变换电路：将固定大小和频率的交流电能转换为大小和频率均可调的交流电能的电路。
3、简述电力电子技术的主要应用领域。
答：电力电子技术广泛的应用于工业、交通、IT、通信、国防以及民用电器、新能源发电等领域。
如：电源、电气传动与控制、电力系统、新能源开发等领域。
四、简答题1、电力电子器件的特性表现在哪些方面？答：1）电力电子器件工作在开关状态，为的是减小本身的损耗。
2）电力电子器件因直接用在电力电路上，要承受高电压大电流。
3）电力电子器件需要弱电来控制，应有控制、驱动电路。
4）因耗散功率大，需有必要的散热措施。
2、怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：在实际电路中是采用阳极电压反向、减小阳极电压、或增大回路阻抗等方式，使阳极电流小于维持电流，晶闸管即关断。
3、在晶闸管的门极通入几十毫安的小电流可以控制阳极几十、几百安培的大流量的导通，它与晶体管用较小的基极电流控制较大的集电极电流有什么不同？晶闸管能不能像晶体管一样构成放大器？答：晶体管在共发射极接法时，基极电流I b可以控制较大的集电极电流Ic变化，起到了电流放大作用；而晶闸管在电路中只能由门极控制信号控制其通断，在电路中只起到一个开关作用，要关断还需要采取措施（如阳极加反向电压）。
电力电子应用案例
电力电子应用案例在现代社会中，电力电子技术的应用已经无处不在。
从家庭生活到工业生产，电力电子技术的进步和应用给我们的生活带来了巨大的变化和便利。
本文将介绍一些电力电子在各个领域中的应用案例，以展示其重要性和广泛性。
一、家庭1. 电子家电现代家庭中的许多电器设备都离不开电力电子技术的应用。
例如，电视、洗衣机、空调等家电设备均采用了电力电子器件来实现功率调节和控制功能，提高了能源利用效率和用户体验。
2. 太阳能发电系统随着可再生能源的发展，越来越多的家庭开始使用太阳能发电系统。
这种系统将太阳能转化为电能，通过逆变器等电力电子设备将直流电转换为交流电，使其可以供给家庭用电。
太阳能发电系统的应用不仅减少了对传统能源的依赖，还有助于环境保护。
二、工业1. 变频器在工业生产中，许多设备需要根据不同的工艺要求进行频率和速度调节。
变频器是一种常用的电力电子设备，它可以调整电源输入以控制电机的运行速度。
这种设备广泛应用于工业自动化、交通运输等领域，提高了生产效率和工作质量。
2. 电力传输和分配电力电子技术在电力传输和分配过程中起到了关键作用。
高压直流输电技术（HVDC）利用电力电子设备将电能从发电站输送到远距离的地方，以减少能量损耗和传输损耗。
此外，交流变直流（AC/DC）转换器用于将输电网络中的交流电转换为直流电，为直流设备供电。
三、交通运输领域1. 电动汽车电力电子技术在电动汽车中的应用使得电动汽车成为可持续发展的交通方式。
电动汽车采用电动驱动系统，其中包括电池、电机和电力电子控制器等设备。
电力电子设备控制电池充电和放电，调节电动机的速度和转矩，实现高效能量转换和汽车控制。
2. 高铁和市域轨道交通高铁和市域轨道交通作为现代交通运输的重要组成部分，需要可靠的电力电子设备来提供高效和安全的运行。
例如，高速列车使用电力电子设备来控制牵引电机和制动系统，以提高列车的运行效率和制动性能。
通过以上案例，我们可以看到电力电子技术在各个领域中的应用广泛且重要。
电力电子技术第五版课件
PWM控制技术
采用脉宽调制（PWM）技术，通过改变脉冲宽度来控 制输出电压的大小，实现直流电压的连续调节。
直流斩波电路的分类与特点
分类
根据开关管的控制方式不同，直流斩波电 路可分为定频调宽式、定宽调频式和调宽 调频式三种类型。
输出电压稳定
采用PWM控制技术，输出电压稳定度高， 纹波小。
效率高
由于开关管工作在开关状态，导通压降小， 损耗低，因此效率高。
02
柔性交流输电（FACTS）
通过电力电子装置对交流输电系统的电压、电流、功率等参数进行快速、
灵活的控制，提高电力系统的稳定性和可靠性。
03
分布式发电与微电网
利用电力电子技术实现分布式电源的并网、控制和优化运行，构建高效、
可靠的微电网系统。
电力电子技术在交通运输中的应用
电动汽车驱动与控制
01
采用电力电子技术实现电动汽车的高效、安全驱动，提高电动
交流电力电子开关可用于电力系 统的无功补偿。通过控制晶闸管 的导通与关断，可以实现对无功 电流的连续调节，提高电力系统 的功率因数和稳定性。
电力电子技术的应用与案例分
07
析
电力电子技术在电力系统中的应用
01
高压直流输电（HVDC）
利用电力电子技术实现高效、稳定的直流电能传输，减少输电损耗，提
高输电效率。
特点
方波逆变电路简单、成本低，但输出波形质 量差；正弦波逆变电路输出波形质量好，但 成本高、技术复杂；准正弦波逆变电路介于 两者之间，具有一定的性价比。
逆变电路的应用实例
不间断电源（UPS） 在市电停电或电压不稳定时，UPS通过逆变电路将蓄电池 的直流电能转换为交流电能，为负载提供稳定的电源供应。
(2024年)电力电子技术完整版全套PPT电子课件
实验报告撰写与答辩
讲解实验报告的撰写要求和答辩技巧 ，提高学生的综合素质和能力。
36
08
电力电子技术应用案例
2024/3/26
37
新能源发电系统中电力电子技术应用
光伏发电系统
最大功率点跟踪（MPPT ）技术、逆变器并网技术 、孤岛检测与保护技术等 。
2024/3/26
风力发电系统
变桨距控制技术、变速恒 频技术、直驱式永磁风力 发电技术等。
2024/3/26
13
可控整流电路分析与应用
可控整流电路原理
可控整流电路通过控制触发角α的大小，实现对输出电压的调 节。
2024/3/26
可控整流电路应用
可控整流电路广泛应用于直流调速、电力拖动、电解、电镀 等领域。
14
滤波电路原理与设计方法
滤波电路原理
滤波电路是利用电容、电感等元件对交流电的频率特性进行滤波，从而得到平 滑的直流电的电路。
高性能器件选择
选用高性能的功率器件和驱动电路，提高电路的工作频率和可靠性。例如，选用低导通电阻和低栅极电荷的 MOSFET可以降低电路的导通损耗和开关损耗；选用高耐压和高电流的IGBT可以提高电路的带负载能力等 。
系统优化与热设计
对系统进行全面的优化和热设计，确保电路在高负载、高温等恶劣环境下仍能稳定可靠地工作。例如，采用 合理的散热结构和风扇控制策略可以降低电路的工作温度；采用模块化设计可以提高电路的维修性和可扩展 性等。
2024/3/26
功率场效应晶体管（Power MOSFE…
阐述Power MOSFET和IGBT的结构、特点以及在电力电子电路中的 广泛应用。
11
03
整流与滤波技术
2024/3/26
电力电子应用技术书8.1 韶山四型(SS4)电力机车供电系统
第8章电力电子应用技术实例8.1 SS4型电力机车牵引整流器供电系统8.1.1 SS4型电力机车牵引整流器韶山4型电力机车是我国第三代电力机车的“领头”产品，于1989年获国家科技进步一等奖。
随着我国电力电子技术和功率器件的发展和应用，我国交-直流传动电力机车的调压调速技术实现了换代的跳跃发展，经历了第一代韶1、韶2型电力机车的低压侧或高压侧调压开关调幅式的有级调压调速技术，到第二代韶3型电力机车采用调压开关分级和级间晶闸管相控平滑调压相结合的调压调速技术，到第三代韶4~韶8型电力机车的多段桥晶闸管相控无级平滑调压调速的发展历程。
第三代电力机车以韶4型（SS4）为起点，使晶闸管相控调压调速的交直传动电力机车形成了电力机车家族。
1.SS4型电力机车主电路的特点韶4型和韶4改进型电力机车的电气线路主要有主牵引电路、辅助供电电路、有触点控制电路、控制电源电路和电子控制电路五大部分，整个控制系统十分庞大和复杂，本节介绍SS4型电力机车的牵引整流器供电系统。
（1）牵引电动机供电方式1-受电弓；3-主变压器；4-主断路器；5-主放电器；6-高压互感器；1M~4M牵引电动机；79R~80R负载电阻；1L~4L主极绕组；31~34-过压吸收电路；91KC~94KC线路接触器；161~164-接地电刷；11JZ~14JZ-主整流器；127DJ~128DJ主接地继电器；111GK~114GK牵引电机隔离开关。
17PK~20PK主平波电抗器重载货运八轴SS4型电力机车的牵引供电电路如图8- 1 所示，使用直流串励牵引电动机，采用传统的交-直流供电方式；牵引电机采用“转向架独立供电方式”，一台转向架的两台牵引电机并联，由一台相控式主整流器供电,全车四个两轴转向架，具有四台独立的相控主整流器。
网侧电流从接触网流入升起的受电弓，经25kV车顶母线分为两路，一路进本节车，经主断路器4、主变压器高压绕组AX进入车体，经车体与转向架间软线和轴箱电刷到车轮和钢轨；另一路，25kV经高压连接器到另一节车的车顶母线。
电力电子技术应用实例MATLAB仿真
目录摘要 (1)关键词 (1)1.引言 (1)2.单相半波可控整流电路 (1)2.1实验目的 (1)2.2实验原理 (1)2.3实验仿真 (2)3.单相桥式全控整流电路 (8)3.1实验目的 (8)3.2实验原理 (8)3.3实验仿真 (9)4.三相半波可控整流电路 (10)4.1实验目的 (10)4.2实验原理 (11)4.3实验仿真 (12)5. 三相半波有源逆变电路 (14)5.1实验目的 (14)5.2实验原理 (14)5.3实验仿真 (15)6.三相桥式半控整流电路 (17)6.1 实验目的 (17)6.2实验原理 (17)`6.3 实验仿真 (17)7.小结 (19)致谢 (19)电力电子技术应用实例的MATLAB 仿真摘 要 本文是用MATLAB/SIMULINK 实现电力电子有关电路的计算机仿真的毕业设计。
论文给出了单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相半波可控整流电路、三相半波有源逆变电路、三相桥式全控整流电路的实验原理图、 MATLAB 系统模型图、及仿真结果图。
实验过程和结果都表明：MATLAB 在电力电子有关电路计算机仿真上的应用是十分广泛的。
尤其是电力系统工具箱－Power System Blockset （PSB ）使得电力系统的仿真更加方便。
关键词 MATLAB SIMULINK PSB 电力电子相关电路1.引言MATLAB 是由Math Works 公司出版发行的数学计算软件，为了准确建立系统模型和进行仿真分析，Math Works 在MATLAB 中提供了系统模型图形输入与仿真工具一SIMULINK 。
其有两个明显功能：仿真与连接，即通过鼠标在模型窗口画出所系统的模型，然后可直接对系统仿真。
这种做法使一个复杂系统模型建立和仿真变得十分容易。
[4][2]在1998年，MathWoIks 推出了电力系统仿真的电力系统工具箱－Power System Blockset （PSB ）。
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一、现有试验台系统
➢ 能量消耗式（铁道科学研究院）
T 四象
直流发电机
～
限变 流器
逆变器
M~ G_
R
交流牵 引电机
图8-6 “能量消耗式”交流传动试验台
特点：耗能大； 不能进行恒转矩起动试验； 转速受限制； 配电容量较大。
➢ 能量反馈式（株洲电力机车研究所）
T 四象
～
限变
流器
逆变器
直流发电机
M ~
一、 SS4型电力机车牵引变流器
输出电压波形
用三段桥整流电路实现 四段桥的整流效果，可 以提高功率因数，但由 于整流器的负载为感性 负载，在II←→III段 的开关式转换过程中必 然会引起操作过电压， 加之逻辑转换控制所带 来的系统的复杂性，使 系统的可靠性降低。
段数 绕组
a1
b1
b1
x1
a2 x2
I
II
III
IV
1
1
1
1
4
4
441Fra bibliotek14
4
1
1
2
2
整流电压 Ud
1
1
3
1
4
2
4
U d 波形
晶闸管
T1、T2移相
T3、T4移相， T1、T2满开放
T1、T2移相， T5、T6满开放
T3、T4移相， T1、 T2、T5、T6满开放
控制方式
顺序移相
开关控制
顺序移相
图8-2 不对称四段经济半控桥的控制方式
一、 SS4型电力机车牵引变流器
29 GK
2L
39 GK
3L
49 GK
4L
82
196 R
96GK 194 R
198C 98 JD
192 R
110 V
图8-5 机车加馈电阻制动工况简化电路图
1M~4M牵引电动机 ；1L~4L主极绕组；13R~43R制动电阻；91KC~92KC、12KC~22KC 线路接触器； 193R~194R主接地继电器限流电阻；97JD~98JD主接地继电器；19GK~49GK 牵引电机隔离开关，11 ~21PK平波电抗器 。
加馈电阻制动的主要优点是可以扩大制动范围， 在理论上可将最大制动力延伸至速度为零。
§12.2 交流传动互馈试验台
随着对大功率交流传动系统的研究、开发和生产 ，对交流传动系统的变流器、交流牵引电机、变流 器控制系统、以至机车的全车控制均需有功率相当 的试验检测设备，也就是说，需要功能齐全、控制 灵活的交流传动试验台。
92KC
71
a2
D3
T5
70 JZ
11PK
75 R
21PK
x2
D4
T6
12KC 22KC
a1
D1
T1
b1
x1
195 R
D2
T2
95GK
193R
T3
76 R
T4
M
M
1M ~ 2M
13R
23R
72
80 JZ 第2转向架 3M ~ 4M
97 JD
110 V a5
91KC x5
191R 99 JZ
19GK
1L
参考书： 电力电子应用技术 叶斌主编
清华大学出版社 2006
§12.1 SS4型电力机车牵引 变流器供电系统
一、 SS4型电力机车牵引变流器
1、牵引供电方 式：转向架独 立供电方式。
2、牵引电路
1 25kV 50Hz
4 5
6
a1 31
D1
b1
x1 D2
51
T1
T3
11JZ
79R
T2
T4
x 161
a2 32 D3
76 R
T4
16 R
1L
2M M
2L
18KM 17 KM 72
图8-4 前转向架单元整流
调压简化电路（牵引工况）
2、加馈电阻制动电路
所谓加馈电阻制动 是指在电阻制动到低 速以后，为了增大制 动力，由主整流器提 供合适的整流电压与 电枢电势一起共同产 生制动电流和制动力 矩。
197C
14 R 24R 34R 44 R
1L IL
2L IL
3L IL
128DJ
4L
100 KC
IL
38 C
86R 110 V
a5 99 KC
x5
111GK 112GK
15JZ
113GK
114GK
62
4、电阻制动电路：
能耗制动（两级电阻制 动），4台牵引电机的励磁
图8-3 电阻制动工况简化主电路
绕组串联，由一台励磁半
1M~4M牵引电动机 ；1L~4L主极绕组；47R~50R制动电阻； 91KC~100KC 线路接触器；83R~84R主接地继电器限流电阻； 127DJ~128DJ主接地继电器；111GK~114GK 牵引电机隔离开关。
交流传动试验台的主要功能： ✓ 按照机车牵引特性进行不同级位的牵引运行试验 ✓ 按照机车制动特性要求进行再生制动试验； ✓ 按照机车恒转矩起动的要求进行机车起动加速试 验； ✓ 逆变器容量足够大时，能完成牵引电机的各种特 性试验和有关参数测定； ✓ 电机容量许可时，能完成逆变器装置的考核运行 试验。
3、整流调压电 路：四段经济半 控桥整流电路。
127 DJ
128 DJ
110V 图8-1 SS4型电力机车简化主电路（牵引工况，一单元）
1-受电弓；3-主变压器；4-主断路器；5-主放电器；6-高压互感器； 1M~4M牵引电动机 ；79R~80R负载电阻；1L~4L主极绕组；31~34-过压吸 收电路；91KC~94KC线路接触器；161~164-接地电刷；11JZ~14JZ-主整流 器；127DJ~128DJ主接地继电器；111GK~114GK牵引电机隔离开关。 17PK~20PK主平波电抗器
控电路供电。
二、 SS4改进型电力机车主电路
1、与SS4的主要不同 a2
点：
① 采用三段不等分 x2
半控桥整流电路； a1
② 采用有级分路磁 b1
场削弱；
x1
③ 采用加馈电阻制 动以提高制动性能。
71
D3
T5
70 JZ
D4
T6
11PK
12KM
75R
21PK 22KM
D1
T1
D2
T2
1M M
T3
15 R 14R
T5
13JZ
x2
D4
T6
164 前转向架供电单元 52
61
17PK 18PK 19PK 20PK
91KC 92KC 93KC 94KC
12 JZ
1M ~ 4M
80R
MM
MM
33 a3 b3
x3
1L 2L 3L 4L
113 GK
111 GK 112 GK
114 GK
14 JZ
34 a4 x4
62 后转向架供电单元
51
61
a1 11JZ (13JZ )
x1
17 PK 91KC 92KC 95KC 96KC
18PK
M
M
19PK 93KC
97 KC
20PK
94KC
98KC
M
M
D1
a3
12 JZ
(14JZ ) D2
x3
83 R
47 R
48 R
1M ~ 4M
49 R
50 R
84 R
127 DJ
85 R
37 C 110 V
G-
T
M-
G ~
交流牵 引电机
图8－7 “能量反馈式”交流传动试验台
直流电动机
特点：结构复杂； 不能进行恒转矩起动试验； 转速受限制； 配电容量较大。
二、互馈试验台结构