全電力電子技術(shù)課件西交大王兆安版.ppt

電力電子技術(shù),西安交通大學(xué) 王兆安 黃俊 主編 (第四版) 機(jī)械工業(yè)出版社,1.1 什么是電力電子技術(shù),電力電子技術(shù)的概念 可以認(rèn)為，所謂電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。 電力電子技術(shù)中所變換的“電力” 有區(qū)別于“電力系統(tǒng)”所指的“電力” ，后者特指電力網(wǎng)的“電力” ，前者則更一般些。 電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。,1.1 什么是電力電子技術(shù),具體地說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件 對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。 電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基 礎(chǔ)。 變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。,表1-1 電力變換的種類,1.1 什么是電力電子技術(shù),電力電子學(xué) 美國學(xué)者W. Newell認(rèn)為電力電子學(xué)是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而形成的。,圖1-1 描述電力電子學(xué)的倒三角形,1.1 什么是電力電子技術(shù),電力電子技術(shù)和電子學(xué) 電力電子器件的制造技術(shù)和用于信息變換的電子 器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)（都是基于半導(dǎo)體理論） 是一樣的，其大多數(shù)工藝也是相同的。 電力電子電路和信息電子電路的許多分析方法也 是一致的。 電力電子技術(shù)和電力學(xué) 電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電 子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。,1.1 什么是電力電子技術(shù),各種電力電子裝置廣泛 應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止 無功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、 交直流電力傳動(dòng)、電解、勵(lì) 磁、電加熱、高性能交直流 電源等之中，因此，無論是 國內(nèi)國外，通常都把電力電 圖1-2 電氣工程的雙三角形描述 子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。在我國，電力電子與電力傳 動(dòng)是電氣工程的一個(gè)二級學(xué)科。圖1-2用兩個(gè)三角形對電 氣工程進(jìn)行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級學(xué) 科和其他學(xué)科的關(guān)系，小三角形則描述了電氣工程一級學(xué) 科內(nèi)各二級學(xué)科的關(guān)系。,1.1 什么是電力電子技術(shù),電力電子技術(shù)和控制理論 控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力電 子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L的各種 需求。電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強(qiáng)電的技 術(shù)，是弱電和強(qiáng)電之間的接口。而控制理論則是實(shí) 現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。 另外，控制理論是自動(dòng)化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，二 者密不可分，而電力電子裝置則是自動(dòng)化技術(shù)的基 礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。,電力電子技術(shù)的發(fā)展史,圖1-3 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志的。,1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎 明期。 1904年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對電子流進(jìn)行控 制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于電 力領(lǐng)域的先河。 20世紀(jì)30年代到50年代，水銀整流器廣泛用于電化學(xué) 工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳 動(dòng)，甚至用于直流輸電。這一時(shí)期，各種整流電路、逆變 電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在 這一時(shí)期，也應(yīng)用直流發(fā)電機(jī)組來變流。 1947年美國著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了 電子技術(shù)的一場革命。,1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,晶閘管時(shí)代 晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使 之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且 其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電力電子技術(shù)的概念和基 礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立 的。 晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不 能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。對晶閘管電 路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱相控方式。 晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實(shí) 現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。,1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,全控型器件和電力電子集成電路（PIC） 70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管 （BJT）和電力場效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器 件迅速發(fā)展。全控型器件的特點(diǎn)是，通過對門極（基極、柵極）的控 制既可使其開通又可使其關(guān)斷。 采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調(diào)制（PWM） 方式。相對于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式，簡稱斬控方式。 在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合 型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。 與此相對，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT） 復(fù)合了MOSFET和GTO。,1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,把驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)電路和電力電子器件集成在 一起，構(gòu)成電力電子集成電路（PIC），這代表了 電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。電力電子集成 技術(shù)包括以PIC為代表的單片集成技術(shù)、混合集成 技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)。 隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子 電路的工作頻率也不斷提高。與此同時(shí)，軟開關(guān)技 術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開關(guān)損耗 降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度。,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用于 一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信 系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào) 等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。 一般工業(yè) 工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動(dòng)機(jī)，都是用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。 一些對調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等近年來也采用了變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,圖1-4 AB變頻器,有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為 了避免起動(dòng)時(shí)的電流沖擊而采用了 軟起動(dòng)裝置，這種軟起動(dòng)裝置也是 電力電子裝置。 電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源， 電解鋁、電解食鹽水等都需要大容 量整流電源。電鍍裝置也需要整流 電源。 電力電子技術(shù)還大量用于冶金工 業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、 淬火電源及直流電弧爐電源等場合。,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,交通運(yùn)輸 電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機(jī)車中的 直流機(jī)車中采用整流裝置，交流機(jī)車采用變頻裝置。直流 斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電 力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動(dòng)外，車輛 中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)。 電動(dòng)汽車的電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū) 動(dòng)控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺高 級汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器和斬波器 驅(qū)動(dòng)并控制。 飛機(jī)、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,電力系統(tǒng) 據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能 至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。 直流輸電在長距離、大容量輸電時(shí)有很大的優(yōu)勢，其送電端的整 流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主 要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（FACTS） 也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。 晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止 無功發(fā)生器（SVG）、有源電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量 用于電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償或諧波抑制。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置 還可用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電能質(zhì) 量控制，改善供電質(zhì)量。 在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池 充電等都需要電力電子裝置。,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,圖1-5 中國南方電網(wǎng)公司安順換流站,圖1-6 靜止無功發(fā)生器（上）和 晶閘管投切電容器（下）,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,電子裝置用電源 各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流 電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電 源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型 器件的高頻開關(guān)電源。大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、 微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源。 在大型計(jì)算機(jī)等場合，常常需要不間斷電源 （Uninterruptible Power Supply_ UPS）供電，不 間斷電源實(shí)際就是典型的電力電子裝置。,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,家用電器 電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量 能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。 空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算機(jī)， 不少洗衣機(jī)、 電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。 其它 航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器 也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。 抽水儲(chǔ)能發(fā)電站的大型電動(dòng)機(jī)需要用電力電子技術(shù)來 起動(dòng)和調(diào)速。超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來的一種儲(chǔ)能方式，它需要強(qiáng) 大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)。,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng) 力發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要用電力 電子技術(shù)來緩沖能量和改善電能質(zhì) 量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) 時(shí)，更 離不開電力電子技術(shù)。 核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場和 注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電 源，這種電源就是電力電子裝置。 科學(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場合，常常需 要一些特種電源，這也是電力電子 技術(shù)的用武之地。,圖1-7 風(fēng)場,1.4 本教材的內(nèi)容簡介,本教材的內(nèi)容,1.6.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述,驅(qū)動(dòng)電路主電路與控制電路之間的接口,使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗。 對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。 一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。,驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：,將信息電子電路傳來的信號按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。 對半控型器件只需提供開通控制信號。 對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號。,2,驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。 光隔離一般采用光耦合器 磁隔離的元件通常是脈沖變壓器,圖1-25 光耦合器的類型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型,1.6.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述,3,按照驅(qū)動(dòng)信號的性質(zhì)，可分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型。 驅(qū)動(dòng)電路具體形式可以是分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅(qū)動(dòng)電路。,分類,1.6.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述,4,1.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路,晶閘管的觸發(fā)電路作用,產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。,晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：,脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通。 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度。 不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。 有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。,5,V1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)。 脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)。 V1、V2導(dǎo)通時(shí)，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。,圖1-27 常見的晶閘管觸發(fā)電路,常見的晶閘管觸發(fā)電路,1.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路,6,1.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路,1) 電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路,GTR驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)滿足下列要求：,開通驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使GTR處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)。 關(guān)斷GTR時(shí)，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。 關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負(fù)偏壓。,7,圖1-31 GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路,GTR驅(qū)動(dòng)電路包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。,驅(qū)動(dòng)GTR的集成驅(qū)動(dòng)電路中，THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL較為常見。,1.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路,8,為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻小。 使MOSFET開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般1015V，使IGBT開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般15 20V。 關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（一般取-5 -15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。 在柵極串入一只低值電阻，可以減小寄生振蕩。,2) 電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路,1.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路,電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)滿足下列要求：,電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件。,9,1.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路,(1) 電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路 電氣隔離和晶體管放大電路兩部分,專為驅(qū)動(dòng)電力MOSFET而設(shè)計(jì)的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動(dòng)電壓+15V和-10V。,圖1-32 電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路,10,(2) IGBT的驅(qū)動(dòng),常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和 M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。,多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器。,1.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路,11,1.7 電力電子器件的保護(hù),1.7.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù) 1.7.2 過電流保護(hù) 1.7.3 緩沖電路,12,1.7.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù),外因過電壓：主要來自系統(tǒng)操作過程和雷擊等外因 操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起 雷擊過電壓：由雷擊引起 內(nèi)因過電壓：主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程 換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管在換相結(jié)束后，不能立即恢復(fù)阻斷能力，有較大的反向電流流過，當(dāng)恢復(fù)阻斷能力后，反向電流急劇減小，會(huì)因線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。 關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。,電力電子裝置可能的過電壓外因過電壓和內(nèi)因過電壓,13,電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。 其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇。,1.7.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù),過電壓保護(hù)措施,14,圖1-34 過電壓抑制措施及配置位置,1.7.2 過電流保護(hù),過電流過載和短路兩種情況 保護(hù)措施,同時(shí)采用幾種過電流保護(hù)措施，提高可靠性和合理性。 電子電路作為第一保護(hù)措施，快熔僅作為短路時(shí)的部分 區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時(shí)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。,15,對一些重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或者工作頻率較高、很難用快速熔斷器保護(hù)的全控型器件，需采用電子電路進(jìn)行過電流保護(hù)。 常在全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié)，這對器件過電流響應(yīng)是最快 。,1.7.2 過電流保護(hù),16,1.7.3 緩沖電路,關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗。 開通緩沖電路（di/dt抑制電路）抑制器件開通時(shí)的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。 復(fù)合緩沖電路關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路的結(jié)合。 通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路。,緩沖電路(Snubber Circuit) ： 又稱吸收電路，其作用是抑制器件的內(nèi)因過電壓、du/dt或者過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。,17,1.7.3 緩沖電路,緩沖電路作用分析,充放電型RCD緩沖電路，適用于中等容量的場合。,18,另外兩種常用的緩沖電路 RC緩沖電路主要用于小容量器件，而放電阻止型RCD緩沖電路用于中或大容量器件。,1.7.3 緩沖電路,19,圖1-40 另外兩種常用的緩沖電路,圖1-42 電力電子器件分類“樹”,本章小結(jié),主要內(nèi)容 介紹各種主要電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性和主要參數(shù)等。 集中討論電力電子器件的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)。,電力電子器件類型歸納 單極型：電力MOSFET 雙極型：電力二極管、晶閘管、GTO、GTR 復(fù)合型：IGBT,20,本章小結(jié),特點(diǎn)：輸入阻抗高，所需驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡單，工作頻率高。 電流驅(qū)動(dòng)型：雙極型器件 特點(diǎn)：具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，因而通態(tài)壓降低，導(dǎo)通損耗小，但工作頻率較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜。,電壓驅(qū)動(dòng)型：單極型器件和復(fù)合型器件,21,IGBT為主體，第四代產(chǎn)品，制造水平2.5kV / 1.8kA，兆瓦以下首選。仍在不斷發(fā)展，與IGCT等新器件激烈競爭，試圖在兆瓦以上取代GTO。 GTO：兆瓦以上首選，制造水平6kV / 6kA。 光控晶閘管：功率更大場合，8kV/3.5kA，裝置最高達(dá)300MVA，容量最大。 電力MOSFET：長足進(jìn)步，中小功率領(lǐng)域特別是低壓場合，地位牢固。 功率模塊和功率集成電路是現(xiàn)代電力電子發(fā)展的一個(gè)共同趨勢。,本章小結(jié),當(dāng)前的格局:,22,預(yù)習(xí)第二章第一節(jié) 單相可控整流電路 思考題： 1、單相可控整流電路有哪幾種？ 2、什么是阻感負(fù)載？什么是電感負(fù)載？ 3、分析電力電子電路的方法是什么？,第二章 整流電路, 2.1、電力二極管(Power Diode),3、封裝,5、伏安特性, 2.2、晶閘管(SCR、VT),一、結(jié)構(gòu),3、封裝,4、雙體晶體管模型,二、工作原理,A-、K+、G任意 VT不通,A+、K- G+ VT通；G為零，VT不通,VT導(dǎo)通后；G任意，VT通,VT導(dǎo)通后；Ia或Uak接近于“0”，VT關(guān)斷,三、晶閘管基本特性,1、伏安特性,雪崩擊穿,2、晶閘管電流定額,2.1 通態(tài)平均電流IT（AV） 是工頻正弦半波的通態(tài)電流在一個(gè)整周期內(nèi)的平均值。,2.2 有效電流 通過電流的熱效應(yīng)來定義，把交流電流一個(gè)周期內(nèi)消耗的能量等效用一個(gè)直流電流值來代替。,=,2.3單相半波可控整流電路,一、阻性負(fù)載,二、阻感負(fù)載,三、帶續(xù)流二極管 單相半波可控整流電路,晶閘管電流 平均值,晶閘管電流 有效值,續(xù)流二極管 電流平均值,有效值,小結(jié):單相半波可控 整流電路的特點(diǎn),1、電路簡單，但輸出脈動(dòng)大；,2、變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。,3、實(shí)際上很少應(yīng)用此種電路，分析該電路的主要目的在于利用其簡單易學(xué)的特點(diǎn)，建立起整流電路的基本概念,聲光自熄開關(guān),1、要求 白天燈不亮； 晚上無聲音時(shí)燈不亮； 晚上有聲音時(shí)燈亮。,2、原理框圖,聲光自熄開關(guān)（一）原理分析 （白天）,12V,1.2 k,低,高,低,高,低,低,低,聲光自熄開關(guān)（一）原理分析 （晚上無聲音）,4M,高,低,高,低,高,低,低,聲光自熄開關(guān)（一）原理分析 （晚上有聲音）,4M,高,高,低,高,低,高,高,聲光自熄開關(guān)（二）,2.4 單相橋式全控整流電路,一、阻性負(fù)載,二、阻感負(fù)載,晶閘管移相范圍為90； 晶閘管導(dǎo)通角與a無關(guān)，均為180 。,晶閘管電流平均值,晶閘管電流有效值,q,三、反電動(dòng)勢負(fù)載,1、在|u2|E 時(shí)，晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能,導(dǎo)通之后,2、直至|u2|=E，id即降至0使得晶閘管關(guān)斷，此后ud=E與電阻負(fù)載時(shí)相比，晶閘管提前了電角度停止導(dǎo)電，稱為停止導(dǎo)電角。,2.5 單相橋式半控整流電路,1、至?xí)r間段內(nèi)，電流流經(jīng)VT1、L、R、VD4至變壓器；,2、至+ 時(shí)間段內(nèi)，電流流經(jīng)VT1、L、R、VD2；,3、 + 至2時(shí)間段內(nèi)，電流流經(jīng)VT3、L、R、VD2至變壓器；,4、 2至2 + 時(shí)間段內(nèi)，電流流經(jīng)VT3、L、R、VD4至變壓器；,2.6 三相半波可控整流電路,變壓器一次側(cè)：三角形；二次側(cè)：星形。,晶閘管：共陰極接法,二極管換相：電流從一個(gè)二極管向另一個(gè)二極管轉(zhuǎn)移。,uab,uac,自然換相點(diǎn)是晶閘管觸發(fā)角的起點(diǎn)。,=0,一、電阻負(fù)載,=300時(shí)三相半波可控整流電路,a=30時(shí)的波形 負(fù)載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài),uab,uac,=600時(shí)三相半波可控整流電路, 30時(shí)的波形 負(fù)載電流處于斷續(xù)狀態(tài), =150時(shí)的波形 負(fù)載電壓、電流為零,三相半波可控整流電路整流電壓平均值的計(jì)算,（1）a30時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，有：,當(dāng)a=0時(shí)，Ud最大,（2）a30時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時(shí)有：,負(fù)載電流平均值為：,晶閘管承受的最大反向電壓為變壓器二次線電壓峰值：,晶閘管陽極與陰極間的最大正向電壓等于變壓器二次相電壓的峰值：,二、阻感負(fù)載,例1：,在三相半波整流電路中，如果a相的觸發(fā)脈沖消失，試?yán)L出在電阻性負(fù)載和電感性負(fù)載下整流電壓ud的波形。,d2,d1,2.6 三相橋式全控整流電路,一、電阻負(fù)載（=00）,=300, =300時(shí)的工作情況 ： 1、晶閘管起始導(dǎo)通時(shí)刻推遲了30，組成ud的每 一段線電壓因此推遲30 2、從t1開始把一周期等分為6段，ud波形仍由6段 線電壓構(gòu)成，每一段導(dǎo)通晶閘管的編號等仍符合 表2-1的規(guī)律 3、變壓器二次側(cè)電流ia波形的特點(diǎn)：在VT1處于 通態(tài)的120期間，ia為正，ia波形的形狀與同時(shí) 段的ud波形相同，在VT4處于通態(tài)的120期間， ia波形的形狀也與同時(shí)段的ud波形相同，但為負(fù) 值。,=600,ud波形中每段線電壓的波形繼續(xù)后移，ud平均值繼續(xù)降低。a=60時(shí)ud出現(xiàn)為零的點(diǎn)。,a =600,d1,d2,=900,小結(jié) v 當(dāng)a60時(shí)，ud波形均連續(xù)，對 于電阻負(fù)載，id波形與ud波形形狀 一樣，也連續(xù)； v 當(dāng)a60時(shí)，ud波形每60中有一段 為零，ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值； v 帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流 電路a 角的移相范圍是120,二、三相橋式全控整流電路阻感負(fù)載,圖1 三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載a =0時(shí)的波形,圖2 三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載a =30時(shí)的波形,圖3 三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載a =90時(shí)的波形,阻感負(fù)載時(shí)的工作情況 60時(shí) ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)相似，各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形等都一樣。, 60時(shí) 阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同，電阻負(fù)載時(shí)ud波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分，而阻感負(fù)載時(shí)，由于電感L的作用，ud波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的a 角移相范圍為90,三相橋式全控整流電路定量分析,當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時(shí)（即帶阻感負(fù)載時(shí)，或帶電阻負(fù)載a60時(shí)）的平均值為：,帶電阻負(fù)載且a 60時(shí)，整流電壓 平均值為：,輸出電流平均值為 ：Id=Ud /R,當(dāng)整流變壓器采用星形接法，帶阻感負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流波形為正負(fù)半周各寬120、前沿相差180的矩形波，其有效值為：,接反電勢阻感負(fù)載時(shí)的Id為：,2.7 整流電路的有源逆變,逆變把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，整流的逆過程。,l 如：電力機(jī)車下坡行駛，機(jī)車的位能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，反送到交流電網(wǎng)中去。,1、兩電動(dòng)勢同極性UdEM 電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),2、兩電動(dòng)勢同極性EMUd 電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng),3、實(shí)際上形成短路,逆變產(chǎn)生的條件,單結(jié)晶體管,工作原理和特性曲線,IEO,谷點(diǎn)電壓C,單結(jié)晶體管振蕩電路,單結(jié)晶體管觸發(fā)電路,單結(jié)晶體管觸發(fā)電路 (二),雙向晶閘管,吊 扇 調(diào) 速 電 路,觸摸式調(diào)光臺燈,觸電的形式,保護(hù)接地,將電氣設(shè)備在正常運(yùn)行情況下不帶電的金屬外殼或構(gòu)架用足夠粗的金屬線（例如鋼筋）與接地體可靠地鏈接起來，以保護(hù)人身的安全。,保護(hù)接零,在1000伏以下接地良好的三相四線制系統(tǒng)中，例如380/220伏系統(tǒng)，電氣設(shè)備的外殼或構(gòu)架與系統(tǒng)的零線相接，即保護(hù)接零。,重復(fù)接地,在采用保護(hù)接零時(shí)，除系統(tǒng)的中點(diǎn)接地外，還必須在零線上一處或者多處進(jìn)行接地。,在同一配電系統(tǒng)中，不允許一部分電氣設(shè)備采用保護(hù)接地，而另一部分電氣設(shè)備采用保護(hù)接零。,第三章 直流斬波電路,直流斬波電路： 一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，不包括直流交流直流?開關(guān)電源向輕、小、薄、高頻化、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。,第一個(gè)階段是功率半導(dǎo)體器件從雙極型器件(SCR、GTO)發(fā)展為MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等)，使電力電子系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)高頻化，并大幅度降低導(dǎo)通損耗，電路也更為簡單。,第二個(gè)階段自20世紀(jì)80年代開始，高頻化和軟開關(guān)技術(shù)的研究開發(fā)，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開關(guān)技術(shù)是過去20年國際電力電子界研究的熱點(diǎn)之一。,第三個(gè)階段從20世紀(jì)90年代中期開始，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊(IPEM)技術(shù)開始發(fā)展，它是當(dāng)今國際電力電子界亟待解決的新問題之一。,MOSFET,電力場效應(yīng)晶體管,電力MOSFET靜態(tài)特性,轉(zhuǎn)移特性： 漏極電流和柵源間電壓的關(guān)系,電力MOSFET動(dòng)態(tài)特性,uGSP：非飽和區(qū)柵壓 uT： 開啟電壓,IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理,IGBT則結(jié)合了雙極型功率晶體管和MOSFET的優(yōu)點(diǎn) ： 驅(qū)動(dòng)功率??； 控制電路簡單； 開關(guān)損耗??； 0.055 mJ/A 通斷速度快和工作頻率較高； 硬開關(guān)頻率可達(dá)150kHz，軟開 關(guān)電路中可達(dá)300kHz 耐壓高 應(yīng)用6600V，實(shí)驗(yàn)室8000V,E,線性穩(wěn)壓電源方框圖,降壓斬波電路 （Buck Chopper）,斬波電路三種控制方式（根據(jù)對輸出電壓 平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同而劃分） 1、T不變，變ton 脈沖寬度調(diào)制（PWM） 2、ton不變，變T 頻率調(diào)制 3、ton和T都可調(diào)，改變占空比混合型,升壓斬波電路 (Boost Chopper ),1、V通時(shí)，E向L充電，充電電流恒為I1，同時(shí)C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓Uo為恒值。設(shè)V通的時(shí)間為ton，此階段L上積蓄的能量為：,2、V斷時(shí)，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時(shí)間為toff，則此期間電感L釋放能量為：,升降壓斬波電路,1、V通時(shí)，電源E經(jīng)V向L供電使其貯能，此時(shí)電流為i1。同時(shí)，C維持輸出電壓恒定并向負(fù)載R供電。,2、V斷時(shí)，L的能量向負(fù)載釋放，電流為i2。負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反，該電路也稱作反極性斬波電路。,一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時(shí)間的積分為零,當(dāng)V處于通態(tài)期間，uL = E；而當(dāng)V處于斷態(tài)期間， uL = - uo；,Sepic斬波電路,1、當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)，EL1V回路和C1VL2回路同時(shí)導(dǎo)電，L1和L2貯能。,2、V斷時(shí)，EL1C1VD回路和L2VDR回路分別流過電流；,開關(guān)電源分類,1、按負(fù)載與開關(guān)管 聯(lián)接方式分：,晶體管開關(guān)穩(wěn)壓電源,半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源,波形分析,U1,半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電源主電路,反饋控制,4 交流電力控制電路和交交變頻電路,改變電壓電流 或電路通斷,改變頻率的電路,4.1交流調(diào)壓電路,一、電阻負(fù)載,二、阻感負(fù)載,負(fù)載電壓有效值,晶閘管電流有效值,在t = a 時(shí)刻開通VT1，負(fù)載電流滿足,= , = ,(=0),1、VT1提前導(dǎo)通，L被過充電，放電時(shí)間延長， VT1的導(dǎo)通角超過；,2、觸發(fā)VT2時(shí)， io尚未過零， VT1仍導(dǎo)通， VT2不通；,3、io過零后， VT2導(dǎo)通， VT2導(dǎo)通角小于；,4、io由兩個(gè)分量組成：正弦穩(wěn)態(tài)分量、指數(shù)衰減分量；衰減過程中， VT1導(dǎo)通時(shí)間漸短， VT2的導(dǎo)通時(shí)間漸長，最終VT1、VT2導(dǎo)通角趨近于 。,三、斬控式交流調(diào)壓電路,4.2 三相交流調(diào)壓電路,星形 聯(lián)接,線路控制 三角形 聯(lián)接,支路控制 三角形 聯(lián)接,中點(diǎn)控制 三角形 聯(lián)接,=00,三相全波星形連接的調(diào)壓電路,相電壓過零點(diǎn)定為a的起點(diǎn)，a =0時(shí)一直有三個(gè)晶閘管導(dǎo)通；,VT1- VT6,依次相差60,VT1- VT6,導(dǎo)通角為180,=300,VT4,t=00-300 時(shí) VT5,VT6導(dǎo)通， uRA=O,t=300-600 VT1、VT5、VT6導(dǎo)通， uRA= uA,t=600-900 VT1、VT6導(dǎo)通， uRA= uAB/2,t=900-1200 VT1、VT2、VT6導(dǎo)通， uRA= uA,t=1200-1500 VT1、VT2導(dǎo)通， uRA= uAC /2,t=1500-1800 VT1、VT2、VT3導(dǎo)通， uRA= uA,=900,t=900-1500 時(shí) VT1,VT6導(dǎo)通， uRA= uAB/2,t=1500-2100 VT1、VT2導(dǎo)通， uRA= uAC /2,t=2100-2700 VT2、VT3導(dǎo)通， uRA=0,t=2700-3300 VT3、VT4導(dǎo)通， uRA= -uAB/2,t=3300-3900 VT4、VT5導(dǎo)通， uRA= -uAC /2,t=3900-4500 VT5、VT6導(dǎo)通， uRA= 0,=1200,總結(jié)： 1、 060三管導(dǎo)通與兩管導(dǎo)通交替，每管導(dǎo)通180- ，但=0時(shí)一直是三管導(dǎo)通；,2、6090兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120；,3、90150：兩管導(dǎo)通與無晶閘管導(dǎo)通交替，導(dǎo)通角度為300-2。,4.2 單相交交變頻電路, 交交變頻電路把電網(wǎng)頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電，屬于直接變頻電路。, 廣泛用于大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)用的主要是三相輸出交交變頻電路。,電路構(gòu)成,1、P組工作時(shí)，負(fù)載電流io為正;N組工作時(shí)，io為負(fù)；,基本工作原理,2、兩組變流器按一定的頻率交替工作，負(fù)載就得到該頻率的交流電。改變兩組變流器的切換頻率，就可改變輸出頻率。,3、改變變流電路的控制角a，就可以改變交流輸出電壓的幅值；,4、為使uo波形接近正弦波，可按正弦規(guī)律對a角進(jìn)行調(diào)制；,5、在半個(gè)周期內(nèi)讓P組a 角按正弦規(guī)律從90減到0或某個(gè)值，再增加到90，每個(gè)控制間隔內(nèi)的平均輸出電壓就按正弦規(guī)律從零增至最高，再減到零。另外半個(gè)周期可對N組進(jìn)行同樣的控制；,二、整流與逆變工作狀態(tài),整流,逆變,整流,逆變,t2-t3 ：uo反向，io仍為正，正組逆變，輸出功率為負(fù)；,t1-t2：uo和io均為正，正組整流，輸出功率為正；,t4-t5 ：uo反向，io仍為負(fù)，負(fù)組逆變，輸出功率為負(fù)；,t3-t4：uo和io均為負(fù)，反組整流，輸出功率為正；,阻斷,阻斷,單相交交變頻電路電壓和電流波形圖,考慮無環(huán)流工作方式下io過零的死區(qū)時(shí)間，一周期可分為6段,第1段io 0 反組逆變,第五章 逆變電路,1）定義：將逆變電路的交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流電反送到電網(wǎng)去。 2）應(yīng)用：直流電機(jī)的可逆調(diào)速、高壓直流輸電和太陽能發(fā)電等方面。,有源逆變:,無源逆變,1）定義：逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而是直接接到負(fù)載，即將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負(fù)載 2）應(yīng)用：它在交流電機(jī)變頻調(diào)速、感應(yīng)加熱、不停電電源等方面應(yīng)用十分廣泛，是構(gòu)成電力電子技術(shù)的重要內(nèi)容。,單相橋式逆變電路,換流電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程， 也稱換相。,無源逆變換流方式分類,1、器件換流 利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。,2、電網(wǎng)換流 由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流。,3、強(qiáng)迫換流 設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反向電壓或反向電流。,直接耦合式 強(qiáng)迫換流,4、負(fù)載換流,單相半橋電壓型逆變電路,逆變電路按其直流電源性質(zhì)分：電壓型和電流型, 特點(diǎn) (1) 直