動車組牽引系統(tǒng)維護與檢修31-整流技術基礎課件

教學目標【知識目標】：

1．掌握動車組牽引變流器的基本工作原理。

2．掌握動車組牽引變流器的結構及性能參數(shù)。

3．掌握動車組牽引變流器冷卻系統(tǒng)的結構及基本工作原理?！炯寄苣繕恕浚?/p>

1．掌握動車組牽引變流裝置的拆卸、移動及安裝方法。

2．掌握動車組牽引變流裝置常規(guī)維護及檢修項目的處理方法。

3．掌握動車組牽引變流器應急故障處理方法。

項目三動車組主變流器維護與檢修教學目標【知識目標】：項目三動車組主變流器維護與

項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述3.1概述變流器就是將一種直流或交流電變?yōu)榱硪环N直流或交流電的供電設備?？梢哉f變流器是各種變流裝置的總稱。對一個交一直一交電力傳動系統(tǒng)，變流器將包括從整流器，中間直流環(huán)節(jié)，到逆變器及其控制系統(tǒng)。值得特別說明的是，在許多場合下，同一個電力變換電路既可以作整流電路，又能作逆變電路，所以我們也稱這樣的電力變換裝置為變流器。換言之，整流和逆變，交流和直流在變流器中是互相聯(lián)系的，并在一定條件下可互相轉化。項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述3.1

項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述

半導體器件的冷卻方式多種多樣，應根據實際需要來選用。

1.風冷風冷散熱方式結構簡單，成本低，維護方便，主要用于電流額定值為50至500A的器件。

2.沸騰冷卻電力半導體器件浸放在沸騰液（R113）中，冷卻器中上半部為沸騰，在德國ICE高速動車上采用這一冷卻方式。

3.油浸冷卻方式半導體器件浸泡在冷卻油中，冷卻油循環(huán)，將熱量帶到油—空氣熱交換器中散掉，Adtranz公司的大多數(shù)干線機車、動車均采用這種冷卻方式。項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述

項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述

4.熱管冷卻熱管冷卻是一種高效冷卻方式，尤其是采用水作為冷卻介質的熱管，又具有不污染環(huán)境的優(yōu)點，日本新干線高速動車牽引變流器均采用熱管冷卻方式。

交流傳動系統(tǒng)的變流裝置是將交流電轉變?yōu)檎{頻調壓的三相交流電，這種大功率的牽引變流器不同于應用在一般工業(yè)領域中的變流器，它的技術特點可以歸納為如下三點：

1．調速范圍寬根據列車速度的要求，變流器調頻范圍從0.4Hz到200Hz以上，而且調頻要連續(xù)平穩(wěn)，無沖擊。項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述

項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述2．控制特性復雜一般高速列車的牽引性能由恒轉矩區(qū)、恒功率區(qū)及自然特性區(qū)組成，并且要求啟動轉矩大，恒功區(qū)寬。

3．有良好的穩(wěn)態(tài)控制特性和快速動態(tài)響應特性電力機車或者動車由弓網獲得能量，通過輪軌傳遞牽引力?？辙D、打滑、跳弓離線及網壓波動等均能引起功率的急劇變化，牽引變流器應該能夠適應這種負載及外界環(huán)境的急劇變化。項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述

項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述4．輸出電壓波形質量好為了減少諧波分量對牽引電機諧波熱損耗和轉矩脈動影響，輸出波形應盡量接近正弦波。由交流電網供電時，應使功率因數(shù)盡可能的接近1，電網電流波形接近正弦波，從而降低對供電系統(tǒng)的影響和對外界的干擾。

5．牽引與再生制動頻繁，能量雙向流動。

6．效率高，利用率高，可靠性高。

7．由于安裝在車上，對重量、體積和耐振動性能要求嚴格。

8．有利于安裝，調速及維修。項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述

項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、2電力電子器件基礎

實現(xiàn)對電能的高效變換和控制的一門技術，它包括電壓、電流、頻率和波形方面的變換，是電力、電子及控制三大電氣工程技術領域之間的交叉學科，與現(xiàn)代控制理論、材料科學、電機工程及微電子技術等諸多領域密切相關。

電力電子器件是列車牽引變流器的基礎與核心，電力電子器件的性能直接決定了牽引變流器的性能指。其發(fā)展經歷了兩個重要階段，即以SCR為代表的傳統(tǒng)半控型電力電子時代，和以IGBT為代表的全控型自關斷現(xiàn)代電力電子器件時代。項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、2電力電子器1.1什么是電力電子技術◆具體地說，電力電子技術就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術。

?電力電子器件是電力電子技術的基礎。

?變流技術則是電力電子技術的核心。8/21表1-1電力變換的種類1.1什么是電力電子技術◆具體地說，電力電子技術就是使用電1.3電力電子技術的應用■電力電子技術的應用范圍

◆一般工業(yè)?工業(yè)中大量應用各種交直流電動機，都是用電力電子裝置進行調速的。一些對調速性能要求不高的大型鼓風機等近年來也采用了變頻裝置，以達到節(jié)能的目的。避免調速電機起動時的電流沖擊的軟起動裝置。?電化學工業(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?電力電子技術還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應加熱電源淬火電源及直流電弧爐電源等場合。9/211.3電力電子技術的應用■電力電子技術的應用范圍9/211.3電力電子技術的應用◆交通運輸?電氣化鐵道：電氣機車中的直流機車中采用整流裝置，交流機車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術更是一項關鍵技術。除牽引電機傳動外，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術。

?電動汽車：電機依靠電力電子裝置進行電力變換和驅動控制，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，它們也要靠變頻器和斬波器驅動并控制。

?飛機、船舶和電梯都離不開電力電子技術。10/211.3電力電子技術的應用◆交通運輸10/211.3電力電子技術的應用◆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、電視機、音響設備、家用計算機，不少洗衣機、電冰箱、微波爐等電器也應用了電力電子技術?！羝渌?/p>

?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。?抽水儲能發(fā)電站的大型電動機需要用電力電子技術來起動和調速。超導儲能是未來的一種儲能方式，它需要強大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術。11/211.3電力電子技術的應用◆家用電器11/211.3電力電子技術的應用12/21?新能源、可再生能源發(fā)電需要用電力電子技術來緩沖能量和改善電能質量。當需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網時，更離不開電力電子技術。?核聚變反應堆在產生強大磁場和注入能量時，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置?？茖W實驗或某些特殊場合，常需要一些特種電源。圖1-7風場1.3電力電子技術的應用12/21?新能源、可再生能源發(fā)電13/892.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件的特征

◆處理電功率的大?。ǔ惺茈妷汉碗娏鞯哪芰Γ┮话愣歼h大于處理信息的電子器件，是其最重要的參數(shù)，

◆為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關狀態(tài)。

◆由信息電子電路來控制

,而且需要驅動電路。

◆自身的功率損耗通常仍遠大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝散熱器。

13/892.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件14/89

2.1.2應用電力電子器件的系統(tǒng)組成

■電力電子器件實際應用：由控制電路、驅動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。

電氣隔離圖2-1電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成14/89

2.1.2應用電力電子器件的系統(tǒng)組成

■電力電15/892.1.3電力電子器件的分類■按照能夠被控制電路信號所控制的程度

◆半控型器件

?器件的關斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定?主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件?！羧匦推骷?通過控制信號既可以控制其導通、關斷。?目前最常用的是

IGBT和PowerMOSFET。

◆不可控器件

?電力二極管（PowerDiode）?不能用控制信號來控制其通斷。15/892.1.3電力電子器件的分類■按照能夠被控制電路16/892.2不可控器件——電力二極管■電力二極管（PowerDiode）

?自1950s初期就獲得應用，其結構和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在仍然大量應用于許多電氣設備當中。?在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別是開通和關斷速度很快的快恢復二極管和肖特基二極管。

整流二極管及模塊16/892.2不可控器件——電力二極管■電力二極管（Po17/89AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1PN結與電力二極管的工作原理■電力二極管是以半導體PN結為基礎的,實際上是由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。圖2-2電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號

a)外形b)基本結構c)電氣圖形符號17/89AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1P18/892.2.1PN結與電力二極管的工作原理■二極管的基本原理——PN結的單向導電性

◆正向導通：PN結外加正向電壓（正向偏置）時，形成自P區(qū)流入從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF。

◆反向截止：當PN結外加反向電壓時（反向偏置）時，PN結表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過。

◆反向擊穿：PN結具有一定的反向耐壓能力，但當施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結反向偏置為截止的工作狀態(tài)。

?按照機理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。

?反向擊穿發(fā)生時，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內，PN結仍可恢復原來的狀態(tài)。?否則PN結因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。

18/892.2.1PN結與電力二極管的工作原理■二極管的19/892.3半控器件—晶閘管·引言■晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被簡稱為可控硅。

■1956年美國貝爾實驗室（BellLaboratories）發(fā)明了晶閘管，1957年美國通用電氣公司（GeneralElectric）開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產品，并于1958年使其商業(yè)化。■其承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高，而且工作可靠，因此在大容量的應用場合仍然具有比較重要的地位。晶閘管及模塊19/892.3半控器件—晶閘管·引言■晶閘管（Thyri20/892.3.1晶閘管的結構與工作原理■晶閘管的結構

◆從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結構。

◆引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端。

◆內部是PNPN四層半導體結構。

圖2-7晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號

a)外形b)結構c)電氣圖形符號

20/892.3.1晶閘管的結構與工作原理■晶閘管的結構21/892.3.2晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性

◆正常工作時的特性

?當晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。

?當晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。

?晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導通。?若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。

21/892.3.2晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性22/892.4典型全控型器件■門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)?！?0世紀80年代以來，電力電子技術進入了一個嶄新時代?！龅湫痛怼T極可關斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力MOSFETIGBT單管及模塊22/892.4典型全控型器件■門極可關斷晶閘管在晶閘管問23/892.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結如下：

?開關速度高，開關損耗小。

?在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。

?通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。

?輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。?與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點。

23/892.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的特性和參數(shù)24/131整流電路基本原理■整流電路（Rectifier）是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設備。

■整流電路的分類

◆按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。

◆按電路結構可分為橋式電路和零式電路。

◆按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。

◆按變壓器二次側電流的方向是單向或雙向，分為單拍電路和雙拍電路。24/131整流電路基本原理■整流電路（Rectifier）25/1313.1.1單相半波可控整流電路wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00圖3-1單相半波可控整流電路及波形■帶電阻負載的工作情況

◆變壓器T起變換電壓和隔離的作用，其一次側和二次側電壓瞬時值分別用u1和u2表示，有效值分別用U1和U2表示，其中U2的大小根據需要的直流輸出電壓ud的平均值Ud確定。

◆電阻負載的特點是電壓與電流成正比，兩者波形相同。

◆在分析整流電路工作時，認為晶閘管（開關器件）為理想器件，即晶閘管導通時其管壓降等于零，晶閘管阻斷時其漏電流等于零，除非特意研究晶閘管的開通、關斷過程，一般認為晶閘管的開通與關斷過程瞬時完成。

25/1313.1.1單相半波可控整流電路wwwwtTVT26/131◆改變觸發(fā)時刻，ud和id波形隨之改變，直流輸出電壓ud為極性不變但瞬時值變化的脈動直流，其波形只在u2正半周內出現(xiàn)，故稱“半波”整流。加之電路中采用了可控器件晶閘管，且交流輸入為單相，故該電路稱為單相半波可控整流電路。整流電壓ud波形在一個電源周期中只脈動1次，故該電路為單脈波整流電路。◆基本數(shù)量關系

?：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度稱為觸發(fā)延遲角，也稱觸發(fā)角或控制角。?：晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度稱為導通角。

?直流輸出電壓平均值

?隨著增大，Ud減小，該電路中VT的移相范圍為180。

◆通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡稱相控方式。

3.1.1單相半波可控整流電路（3-1）26/131◆改變觸發(fā)時刻，ud和id波形隨之改變，直流輸出27/1313.1.1單相半波可控整流電路uwttwwtwtw20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++圖3-2帶阻感負載的單相半波可控整流電路及其波形■帶阻感負載的工作情況

◆阻感負載的特點是電感對電流變化有抗拒作用，使得流過電感的電流不能發(fā)生突變。

◆電路分析?晶閘管VT處于斷態(tài),id=0,ud=0,uVT=u2。

?在t1時刻，即觸發(fā)角處

√ud=u2。

√L的存在使id不能突變，id從0開始增加。?u2由正變負的過零點處，id已經處于減小的過程中，但尚未降到零，因此VT仍處于通態(tài)。

?t2時刻，電感能量釋放完畢，id降至零，VT關斷并立即承受反壓。

?由于電感的存在延遲了VT的關斷時刻，使ud波形出現(xiàn)負的部分，與帶電阻負載時相比其平均值Ud下降。

27/1313.1.1單相半波可控整流電路uwttwwtw28/1313.1.1單相半波可控整流電路◆電力電子電路基本分析方法

?把器件理想化，將電路簡化為分段線性電路。

?器件的每種狀態(tài)組合對應一種線性電路拓撲，器件通斷狀態(tài)變化時，電路拓撲發(fā)生改變。?以前述單相半波電路為例

當VT處于斷態(tài)時，相當于電路在VT處斷開，id=0。當VT處于通時，相當于VT短路。兩種情況的等效電路如圖3-3所示。

圖3-3單相半波可控整流電路的分段線性等效電路

a)VT處于關斷狀態(tài)

b)VT處于導通狀態(tài)28/1313.1.1單相半波可控整流電路◆電力電子電路基

項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、3、1脈沖整流技術基礎謝謝！項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、3、1脈沖整教學目標【知識目標】：

1．掌握動車組牽引變流器的基本工作原理。

2．掌握動車組牽引變流器的結構及性能參數(shù)。

3．掌握動車組牽引變流器冷卻系統(tǒng)的結構及基本工作原理。【技能目標】：

1．掌握動車組牽引變流裝置的拆卸、移動及安裝方法。

2．掌握動車組牽引變流裝置常規(guī)維護及檢修項目的處理方法。

3．掌握動車組牽引變流器應急故障處理方法。

項目三動車組主變流器維護與檢修教學目標【知識目標】：項目三動車組主變流器維護與

項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述3.1概述變流器就是將一種直流或交流電變?yōu)榱硪环N直流或交流電的供電設備?？梢哉f變流器是各種變流裝置的總稱。對一個交一直一交電力傳動系統(tǒng)，變流器將包括從整流器，中間直流環(huán)節(jié)，到逆變器及其控制系統(tǒng)。值得特別說明的是，在許多場合下，同一個電力變換電路既可以作整流電路，又能作逆變電路，所以我們也稱這樣的電力變換裝置為變流器。換言之，整流和逆變，交流和直流在變流器中是互相聯(lián)系的，并在一定條件下可互相轉化。項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述3.1

項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述

半導體器件的冷卻方式多種多樣，應根據實際需要來選用。

1.風冷風冷散熱方式結構簡單，成本低，維護方便，主要用于電流額定值為50至500A的器件。

2.沸騰冷卻電力半導體器件浸放在沸騰液（R113）中，冷卻器中上半部為沸騰，在德國ICE高速動車上采用這一冷卻方式。

3.油浸冷卻方式半導體器件浸泡在冷卻油中，冷卻油循環(huán)，將熱量帶到油—空氣熱交換器中散掉，Adtranz公司的大多數(shù)干線機車、動車均采用這種冷卻方式。項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述

項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述

4.熱管冷卻熱管冷卻是一種高效冷卻方式，尤其是采用水作為冷卻介質的熱管，又具有不污染環(huán)境的優(yōu)點，日本新干線高速動車牽引變流器均采用熱管冷卻方式。

交流傳動系統(tǒng)的變流裝置是將交流電轉變?yōu)檎{頻調壓的三相交流電，這種大功率的牽引變流器不同于應用在一般工業(yè)領域中的變流器，它的技術特點可以歸納為如下三點：

1．調速范圍寬根據列車速度的要求，變流器調頻范圍從0.4Hz到200Hz以上，而且調頻要連續(xù)平穩(wěn)，無沖擊。項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述

項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述2．控制特性復雜一般高速列車的牽引性能由恒轉矩區(qū)、恒功率區(qū)及自然特性區(qū)組成，并且要求啟動轉矩大，恒功區(qū)寬。

3．有良好的穩(wěn)態(tài)控制特性和快速動態(tài)響應特性電力機車或者動車由弓網獲得能量，通過輪軌傳遞牽引力?？辙D、打滑、跳弓離線及網壓波動等均能引起功率的急劇變化，牽引變流器應該能夠適應這種負載及外界環(huán)境的急劇變化。項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述

項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述4．輸出電壓波形質量好為了減少諧波分量對牽引電機諧波熱損耗和轉矩脈動影響，輸出波形應盡量接近正弦波。由交流電網供電時，應使功率因數(shù)盡可能的接近1，電網電流波形接近正弦波，從而降低對供電系統(tǒng)的影響和對外界的干擾。

5．牽引與再生制動頻繁，能量雙向流動。

6．效率高，利用率高，可靠性高。

7．由于安裝在車上，對重量、體積和耐振動性能要求嚴格。

8．有利于安裝，調速及維修。項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、1概述

項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、2電力電子器件基礎

實現(xiàn)對電能的高效變換和控制的一門技術，它包括電壓、電流、頻率和波形方面的變換，是電力、電子及控制三大電氣工程技術領域之間的交叉學科，與現(xiàn)代控制理論、材料科學、電機工程及微電子技術等諸多領域密切相關。

電力電子器件是列車牽引變流器的基礎與核心，電力電子器件的性能直接決定了牽引變流器的性能指。其發(fā)展經歷了兩個重要階段，即以SCR為代表的傳統(tǒng)半控型電力電子時代，和以IGBT為代表的全控型自關斷現(xiàn)代電力電子器件時代。項目三動車組牽引變流器維護與檢修3、2電力電子器1.1什么是電力電子技術◆具體地說，電力電子技術就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術。

?電力電子器件是電力電子技術的基礎。

?變流技術則是電力電子技術的核心。37/21表1-1電力變換的種類1.1什么是電力電子技術◆具體地說，電力電子技術就是使用電1.3電力電子技術的應用■電力電子技術的應用范圍

◆一般工業(yè)?工業(yè)中大量應用各種交直流電動機，都是用電力電子裝置進行調速的。一些對調速性能要求不高的大型鼓風機等近年來也采用了變頻裝置，以達到節(jié)能的目的。避免調速電機起動時的電流沖擊的軟起動裝置。?電化學工業(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?電力電子技術還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應加熱電源淬火電源及直流電弧爐電源等場合。38/211.3電力電子技術的應用■電力電子技術的應用范圍9/211.3電力電子技術的應用◆交通運輸?電氣化鐵道：電氣機車中的直流機車中采用整流裝置，交流機車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術更是一項關鍵技術。除牽引電機傳動外，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術。

?電動汽車：電機依靠電力電子裝置進行電力變換和驅動控制，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，它們也要靠變頻器和斬波器驅動并控制。

?飛機、船舶和電梯都離不開電力電子技術。39/211.3電力電子技術的應用◆交通運輸10/211.3電力電子技術的應用◆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、電視機、音響設備、家用計算機，不少洗衣機、電冰箱、微波爐等電器也應用了電力電子技術。◆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。?抽水儲能發(fā)電站的大型電動機需要用電力電子技術來起動和調速。超導儲能是未來的一種儲能方式，它需要強大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術。40/211.3電力電子技術的應用◆家用電器11/211.3電力電子技術的應用41/21?新能源、可再生能源發(fā)電需要用電力電子技術來緩沖能量和改善電能質量。當需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網時，更離不開電力電子技術。?核聚變反應堆在產生強大磁場和注入能量時，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置。科學實驗或某些特殊場合，常需要一些特種電源。圖1-7風場1.3電力電子技術的應用12/21?新能源、可再生能源發(fā)電42/892.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件的特征

◆處理電功率的大?。ǔ惺茈妷汉碗娏鞯哪芰Γ┮话愣歼h大于處理信息的電子器件，是其最重要的參數(shù)，

◆為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關狀態(tài)。

◆由信息電子電路來控制

,而且需要驅動電路。

◆自身的功率損耗通常仍遠大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝散熱器。

13/892.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件43/89

2.1.2應用電力電子器件的系統(tǒng)組成

■電力電子器件實際應用：由控制電路、驅動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。

電氣隔離圖2-1電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成14/89

2.1.2應用電力電子器件的系統(tǒng)組成

■電力電44/892.1.3電力電子器件的分類■按照能夠被控制電路信號所控制的程度

◆半控型器件

?器件的關斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定?主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件?！羧匦推骷?通過控制信號既可以控制其導通、關斷。?目前最常用的是

IGBT和PowerMOSFET。

◆不可控器件

?電力二極管（PowerDiode）?不能用控制信號來控制其通斷。15/892.1.3電力電子器件的分類■按照能夠被控制電路45/892.2不可控器件——電力二極管■電力二極管（PowerDiode）

?自1950s初期就獲得應用，其結構和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在仍然大量應用于許多電氣設備當中。?在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別是開通和關斷速度很快的快恢復二極管和肖特基二極管。

整流二極管及模塊16/892.2不可控器件——電力二極管■電力二極管（Po46/89AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1PN結與電力二極管的工作原理■電力二極管是以半導體PN結為基礎的,實際上是由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。圖2-2電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號

a)外形b)基本結構c)電氣圖形符號17/89AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1P47/892.2.1PN結與電力二極管的工作原理■二極管的基本原理——PN結的單向導電性

◆正向導通：PN結外加正向電壓（正向偏置）時，形成自P區(qū)流入從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF。

◆反向截止：當PN結外加反向電壓時（反向偏置）時，PN結表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過。

◆反向擊穿：PN結具有一定的反向耐壓能力，但當施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結反向偏置為截止的工作狀態(tài)。

?按照機理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。

?反向擊穿發(fā)生時，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內，PN結仍可恢復原來的狀態(tài)。?否則PN結因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。

18/892.2.1PN結與電力二極管的工作原理■二極管的48/892.3半控器件—晶閘管·引言■晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被簡稱為可控硅。

■1956年美國貝爾實驗室（BellLaboratories）發(fā)明了晶閘管，1957年美國通用電氣公司（GeneralElectric）開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產品，并于1958年使其商業(yè)化。■其承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高，而且工作可靠，因此在大容量的應用場合仍然具有比較重要的地位。晶閘管及模塊19/892.3半控器件—晶閘管·引言■晶閘管（Thyri49/892.3.1晶閘管的結構與工作原理■晶閘管的結構

◆從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結構。

◆引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端。

◆內部是PNPN四層半導體結構。

圖2-7晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號

a)外形b)結構c)電氣圖形符號

20/892.3.1晶閘管的結構與工作原理■晶閘管的結構50/892.3.2晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性

◆正常工作時的特性

?當晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。

?當晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。

?晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導通。?若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。

21/892.3.2晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性51/892.4典型全控型器件■門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。■20世紀80年代以來，電力電子技術進入了一個嶄新時代?！龅湫痛怼T極可關斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力MOSFETIGBT單管及模塊22/892.4典型全控型器件■門極可關斷晶閘管在晶閘管問52/892.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結如下：

?開關速度高，開關損耗小。

?在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。

?通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。

?輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。?與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點。

23/892.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的特性和參數(shù)53/131整流電路基本原理■整流電路（Rectifier）是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設備。

■整流電路的分類

◆按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。

◆按電路結構可分為橋式電路和零式電路。

◆按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。

◆按變壓器二次側電流的方向是單向或雙向，分為單拍電路和雙拍電路。24/131整流電路基本原理■整流電路（Rectifier）54/1313.1.1單相半波可控整流電路wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00圖3-1單相半波可控整流電路及波形■帶電阻負載的工作情況

◆變壓器T起變換電壓和隔離的作用，其一次側和二次側電壓瞬時值分別用u1和u2表示，有效值分別用U1和U2表示，其中U2的大小根據需要的直流輸出電壓ud的平均值Ud確定。

◆電阻負載的特點是電壓與電流成正比，兩者波形相同。