[信息与通信]《电力电子技术》讲义.ppt

电力电子技术,第2页,目录,引言 电力电子器件 电力电子电路 脉宽调制（PWM）技术和软开关技术,第3页,引 言,什么是电力电子技术？ 电力电子技术的发展史 电力电子技术的应用,第4页,1.什么是电力电子技术,电子技术: 信息电子技术 电力电子技术 信息电子技术 模拟电子技术和数字电子技术。（主要进行信息处理） 电力电子技术 应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。（主要进行电力变换）,第5页,电力电子技术两个分支,变流技术（电力电子器件应用技术） 用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，及构成电力电子装置和电力电子系统的技术 电力电子技术的核心 电力电子器件制造技术 电力电子技术的基础,第6页,变流技术,电力交流和直流两种 从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流,电力变换四大基本类型 交流变直流、直流变交流、直流变直流和交流变交流 进行电力变换的技术称为变流技术,第7页,描述电力电子学的倒三角形,第8页,2. 电力电子技术的发展史,电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。,第9页,1904年出现了电子管 能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河。 电动机直流发电机组和水银整流器 广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电等。 各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。,第10页,晶闸管 1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管，这标志着电力电子技术的诞生。 晶闸管因电气性能和控制性能优越，很快取代了水银整流器和旋转变流机组，且其应用范围也迅速扩大。工业的迅速发展也有力地推动了晶闸管的进步。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。 全控型器件（复合型器件） 80年代后期开始，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的全控型器件因驱动功率小、开关速度快、载流能力大等得到迅猛的发展。,第11页,3. 电力电子技术的应用,1）一般工业 2）交通运输 3）电力系统 4）电子装置用电源 5）家用电器 6）其他（不间断电源（UPS）、航天飞行器中的各 种电子仪器所需电源）,第12页,电力电子器件,概述 电力电子器件 电力电子器件器件辅助电路 电力电子器件器件的串联和并联使用,第13页,概述,电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的分类,第14页,电力电子器件的概念和特征,电力电子器件 可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征,第15页,同处理信息的电子器件相比，电力电子 器件的一般特征,能处理电功率的大小，即承受电压和电流 的能力。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温 度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。,第16页,电力电子器件的分类,(1) 半控型器件通过控制信号可以控制其导 通而不能控制其关断。 (2) 全控型器件通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。 (3) 不可控器件不能用控制信号来控制其通断。,第17页,电力电子器件,按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类： 单极型器件由一种载流子参与导电的器件。（电力MOSFET和SIT） 双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。（电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH ） 复合型器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。 （ IGBT和MCT ）,第18页,电力电子器件的分类,1.不可控器件电力二极管 2.半控型器件晶闸管 3. 典型全控型器件 （1）门极可关断晶闸管 （2）电力晶体管 （3）电力场效应晶体管 （4）绝缘栅双极晶体管,第19页,电力电子器件器件辅助电路,1.电力电子器件器件的驱动 2.电力电子器件器件的保护,第20页,1.电力电子器件器件的驱动,驱动电路主电路与控制电路之间的接口 使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义 对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现 驱动电路的基本任务： 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号 对半控型器件只需提供开通控制信号 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号,第21页,2.电力电子器件器件的保护,（1）电力电子器件器件的过电压保护 （2）电力电子器件器件的过电流保护 （3）缓冲电路,第22页,电力电子器件器件的串联和并联使用,1.晶闸管的串联 目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联 问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀 静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等 承受电压高的器件首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也导通，失去控制作用 反向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿,第23页,静态均压措施 选用参数和特性尽量一致的器件 采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。 图1-41 晶闸管的串联 a) 伏安特性差异 b) 串联均压措施,第24页,动态均压措施 动态不均压由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压 动态均压措施： 选择动态参数和特性尽量一致的器件。 用RC并联支路作动态均压。 采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间 上的差异。,第25页,2.晶闸管的并联,目的：多个器件并联来承担较大的电流。 问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。 均流措施 挑选特性参数尽量一致的器件。 采用均流电抗器。 用门极强脉冲触发也有助于动态均流。 当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。,第26页,电力电子电路,1.整流电路 2.直流斩波电路 3.交流变流电路 4. 逆变电路,第27页,1.整流电路,（1）单相可控整流电路 （2）三相可控整流电路 （3）整流电路的有源逆变工作状态,第28页,单相可控整流电路,1.单相半波可控整流电路 2.单相桥式全控整流电路 3.单相全波可控整流电路 4.单相桥式半控整流电路,第29页,1.单相半波可控整流电路,交流侧接单相电源 重点注意：工作原理（波形分析）、 定量计算、不同负载的影响。 1）带电阻负载的工作情况 变压器T起变换电压和隔离的作用 电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同,图2-1 单相半波可控 整流电路及波形,第30页,基本数量关系 直流输出电压平均值为 VT的a 移相范围为180 这种通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。,第31页,2）带阻感负载的工作情况 阻感负载的特点： 电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变 电力电子电路的一种基本分析方法 通过器件的理想化，将电路简化为 分段线性电路，分段进行分析计算,图2-2 带阻感负载的 单相半波电路及其波形,第32页,2.单相桥式全控整流电路,1）带电阻负载的工作情况 工作原理及波形分析 VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。 VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。,图2-5 单相全控桥式 带电阻负载时的电路及波形,第33页,2）带阻感负载的工作情况 为便于讨论，假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。 假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线 u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断 至t=+a 时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通,图2-6 单相全控桥带 阻感负载时的电路及波形,第34页,3） 带反电动势负载时的工作情况 在|u2|E时，才有 晶闸管承受正电压，有 导通的可能。 导通之后，ud=u2， ， 直至|u2|=E，id即降至0使 得晶闸管关断，此后ud=E 与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电，称为停止导电角。 在a 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。,图2-7 单相桥式全控整流 电路接反电动势电阻负载时的电路及波形,第35页,3.单相全波可控整流电路,图2-9 单相全波可控整流电路及波形,单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。,与单相全控桥的区别 （1）单相全波中变压器结构 较复杂，绕组及铁芯对铜、 铁等材料的消耗多。 （2）单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压为 ，是单相全控桥的2倍。 （3）单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。,第36页,4.单相桥式半控整流电路,单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，为了对每个导电回路进行控制，只需1个晶闸管就可以了，另1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此即成为单相桥式半控整流电路 续流二极管的作用 避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。,图2-10 单相桥式半控整流电路， 有续流二极管，阻感负载时的电路及波形,第37页,三相可控整流电路,1.三相半波可控整流电路 2.三相桥式全控整流电路,第38页,1.三相半波可控整流电路,负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时用。 基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路应用最广 。 1）电阻负载 电路的特点： 变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。 三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起共阴极接法 。,图2-12 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a =0时的波形,第39页,a=30时的波形 负载电流处于连续和断续之间的临界状态,图2-13 三相半波可控整流电路， 电阻负载，a =30时的波形,a30的情况 特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120,图2-14 三相半波可控整流电路， 电阻负载，a =60时的波形,第40页,2） 阻感负载 特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直 a30时：整流电压波形与电阻负载时相同 a 30时（如a=60时的波形如图2-16所示） u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断ud波形中出现负的部分 阻感负载时的移相范围为90,图2-16 三相半波可控整流电路， 阻感负载时的电路及a =60时的波形,第41页,2.三相桥式全控整流电路,图2-17 三相桥式 全控整流电路原理图,应用最为广泛 共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5） 共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2） 编号：1、3、5，4、6、2,第42页,1） 带电阻负载时的工作情况 a =0时的情况 假设将电路中的晶闸管换 作二极管进行分析。 对于共阴极阻的3个晶闸管， 阳极所接交流电压值最大 的一个导通。 对于共阳极组的3个晶闸管， 阴极所接交流电压值最低 （或者说负得最多）的导通。 任意时刻共阳极组和共阴 极组中各有1个晶闸管处于 导通状态。,图2-18 三相桥式全控整流 电路带电阻负载a =0时的波形,第43页,三相桥式全控整流电路的特点 （1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1各晶闸管导通，且不能为同一相器件。 （2）对触发脉冲的要求： 按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。 共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120 同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。 （3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样， 故该电路为6脉波整流电路。 （4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法： 一种是宽脉冲触发 另一种是双脉冲触发（常用） （5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同。,第44页,2）阻感负载时的工作情况 a60时 ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样 区别在于：由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同。阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。,第45页,图2-23 三相桥式全控整流 电路带阻感负载a =30时的波形,图2-22 三相桥式全控整流 电路带阻感负载a =0时的波形,第46页,整流电路的有源逆变工作状态,1.逆变的概念 2.三相桥整流电路的有源逆变工作状态 3.逆变失败与最小逆变角的限制,第47页,1.逆变的概念,1）什么是逆变？为什么要逆变？ 逆变（invertion）把直流电转变成交流电，整流的逆过程。 实例：电力机车下坡行驶，机车的位能转变为电能，反送到交流电网中去。 逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。 有源逆变电路交流侧和电网连结。 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调 速以及高压直流输电等。 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。 无源逆变变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载,第48页,2）直流发电机电动机系统电能的流转 图a M电动运转，EGEM，电流Id从G流向M，M吸收电功率 图b 回馈制动状态，M作发电运转，此时，EMEG，电流反向，从M流向G，故M输出电功率，G则吸收电功率，M轴上输入的机械能转变为电能反送给G。 图2-44c 两电动势顺向串联，向电阻R 供电，G和M均输出功率，由于R 一般都很小，实际上形成短路，在工作中必须严防这类事故发生。,图2-44 直流发电机电动机之间电能的流转,a）两电动势同极性EG EM b）两电动势同极性EM EG c）两电动势反极性，形成短路,第49页,3）逆变产生的条件,产生逆变的条件有二： （1）有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧平均电压。 （2）晶闸管的控制角 /2，使Ud为负值。,半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。,图2-45 单相全波电路的整流和逆变,第50页,2.三相桥整流电路的有源逆变工作状态,逆变和整流的区别：控制角 不同 0 时，电路工作在整流状态 p /2 p时，电路工作在逆变状态 图2-46 三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形,p /2,第51页,可沿用整流的办法来处理逆变时有关波形与参数计算等各项问题 把a p /2时的控制角用 表示，b 称为逆变角 而逆变角b和控制角a的计量方向相反，其大小自b =0的起始点向左方计量 三相桥式电路工作于有源逆变状态时波形如图所示,第52页,3.逆变失败与最小逆变角的限制,逆变失败（逆变颠覆）逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流。 逆变失败的原因 （1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。 （2）晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。 （3）交流电源缺相或突然消失。 （4）换相的裕量角不足。,第53页,2.直流斩波电路,直流斩波 指将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。 斩波电路的控制方式 （1）脉冲宽度调制（脉冲调宽） （2）频率调制（调频） （3）混合调制,第54页,3.交流变流电路,（1）交流调压电路 （2）交流调功电路 （3）交交变频电路,第55页,概述,交流-交流变流电路 一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，可改变相关的电压、电流、频率和相数等。 交流电力控制电路只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率。 交流调压电路相位控制（或斩控式 交流调功电路及交流无触点开关通断控制。 变频电路改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的 交交变频电路直接把一种频率的交流变成另一种频率或可变频率的交流，直接变频电路 1.晶闸管交交变频电路，4.3节 2.矩阵式变频电路，4.4节 交直交变频电路先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流。,第56页,4.逆变电路,（1）引言 （2）换流方式 （3）电压型逆变电路 （4）电流型逆变电路,第57页,1.引言,逆变概念 逆变与整流相对应，直流电变成交流电， 交流侧接电网，为有源逆变 交流侧接负载，为无源逆变 逆变与变频 变频电路：交交变频和交直交变频两种 交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变,第58页,2.换流方式,（1）逆变电路的基本工作原理 单相桥式逆变电路为例 S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成 S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正,图 逆变电路及其波形举例,第59页,S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率 电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同 阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同（见图） t1前：S1、S4通，uo和io均为正 t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向 io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大,第60页,（2）换流方式分类,1换流 电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相。 开通：适当的门极驱动信号就可使其开通 关断： 全控型器件可通过门极关断。 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。 一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。,第61页,2换流方式 器件换流 电网换流 负载换流 强迫换流,第62页,3.电压型逆变电路,电压型逆变电路的特点 (1) 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。 (2) 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。 (3) 阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。,图 电压型逆变电路举例 （全桥逆变电路）,第63页,移相调压 可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压 各栅极信号为180°正偏，180°反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变 V3的基极信号只比V1落后q ( 0q 180°) V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°-q uo成为正负各为q 的脉冲，改变q 即可调节输出电压有效值,图 单相全桥逆变电路的移相调压方式,第64页,4.电流型逆变电路,图 电流型三相桥式逆变电路,电流型逆变电路主要特点 (1) 直流侧串大电感，相当于电流源。 (2) 交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同。 (3) 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。,第65页,脉宽调制（PWM）技术和软开关技术,1.脉宽调制（PWM）技术 2.软开关技术,第66页,1.脉宽调制（PWM）技术,引言 PWM控制的基本原理 PWM逆变电路及其控制方法,第67页,引言,PWM控制 脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。 理论基础 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。,图 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,第68页,PWM控制的基本原理,用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等。 正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等。 宽度按正弦规律变化。,图 用PWM波代替正弦半波,SPWM波形 脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。 要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。,第69页,PWM逆变电路及其控制方法,1.PWM逆变电路 PWM逆变电路如图所示,第70页,2. PWM逆变电路及其控制方法 计算法 根据正弦波频率、幅值和半周期 脉冲数，准确计算PWM波各脉冲 宽度和间隔，据此控制逆变电路开 关器件的通断，就可得到所需PWM 波形. 繁琐，当输出正弦波的频率、幅 值或相位变化时，结果都要变化. 调制法 输出波形作调制信号，进行调制 得到期望的PWM波. 通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波. 等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称.,第71页,2.软开关技术,引言 电力电子装置高频化 滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化。 开关损耗增加，电磁干扰增大。 软开关技术 降低开关损耗和开关噪声,进一步提高开关频率。 硬开关： 开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。产生较大的开关损耗和开关噪声。 软开关： 在电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，使开关条件得以改善。降低开关损耗和开关噪声。软开关有时也被成为谐振开关,第72页,软开关的分类 -零电压开关：使开关开通前其两端电压 为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零电压开通，简称零电压开关。 -零电流开关：使开关关断前其电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断，简称零电流开关。,第73页,完,