电力电子技术复习——复习.ppt

电力电子技术辅导,国际电气和电子工程师协会（IEEE）的电力电子学会将电力电子技术表述为： 有效地使用电力半导体器件，应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术。,Newell提出的“倒三角”定义，已为各国所接受，即把电力电子学定义为一门交叉于电气工程三大领域：电力学、电子学和控制理论之间的边缘科学。,电力变换分为四类：交流变直流、直流变交流、直流变直流和交流变交流,电力电子器件,电力电子器件归类 按照器件内部电子和空穴 两种载流子参与导电的情况 单极型：肖特基二极管、 电力MOSFET和SIT等。 双极型：基于PN结的电 力二极管、晶闸管、GTO和 GTR等。 复合型 ：IGBT、SITH 和MCT等。,电力电子器件归类,电流驱动型器件 (双极型器件) 共同特点是：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大，驱动电路也比较复杂。,电压驱动型器件 (单极型器件和复合型器件) 共同特点是：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。,按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的性质，,8/89,通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。 当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增 大而可能成为器件功率损耗的主要因素。,通态损耗,断态损耗,开关损耗,开通损耗,关断损耗,电力电子器件的功率损耗,电力电子器件一般都工作在开关状态,晶闸管SCR,从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构 。 内部是PNPN四层半导体结构。引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。,图 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,晶闸管导通与关断条件,(1 ) 导通的充分必要条件。 1) 阳极与阴极间承受正向电压。 2) 门极施加相对阴极来说为正的脉冲信号。 (2 ) 关断条件为下列之一。 1) 阳极与阴极间承受反向电压。 2) 阳极电流减小到小于维持电流。,图中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为Im，试计算各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3与电流有效值I1、I2、I3。,图中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为Im，试计算各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3与电流有效值I1、I2、I3。,图中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为Im，试计算各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3与电流有效值I1、I2、I3。,双向晶闸管（双向可控硅）,单向晶闸管只能单向导电，如果把两个晶闸管反向并联就构成了双向晶闸管。,门极可关断晶闸管GTO,GTO和普通晶闸管同为PNPN结构，为什么GTO能够自关断，而普通晶闸管不能？,GTO 和普通晶闸管同为PNPN 结构，由P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2,分别具有共基极电流增益a1 和 a2 ，由普通晶闸管的分析可得， a1 + a2=1 是器件临界导通的条件。 a1 + a2 1，两个等效晶体管过饱和而导通； a1 + a2 1，不能维持饱和导通而关断。 GTO 之所以能够自行关断，而普通晶闸管不能，是因为GTO 与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同： 1) GTO 在设计时a2较大，这样晶体管V2控制灵敏，易于GTO 关断； 2) GTO 导通时的a1 + a2更接近于1，普通晶闸管a1 + a2 1 .15，而GTO 则为a1 + a2 1 .05 ，GTO 的饱和程度不深，接近于临界饱和，这样为门极控制关断提供了有利条件； 3) 多元集成结构使每个GTO 元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P2极区所谓的横向电阻很小，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。,大功率晶体管GTR,电力场效应晶体管（电力MOSFET）,电力场效应晶体管MOSFET按导电沟道可分为N沟道和P沟道两大类。当栅极电压为零时漏源之间存在导电的沟道的称为耗尽型；而当栅极电压大于或小于零时才存在导电沟道的称为增强型。,绝缘栅双极晶体管（IGBT）,整流电路,整流电路可根据输入交流电的不同和所采用的方式不同分为： 1）单相可控整流和非可控整流 2）三相可控整流和非可控整流,直流平均电压：,单相半波可控整流电路,电阻负载电流平均值、有效值,移相角的范围,=0时， =时， Ud从最大值到最小值，单向半波可控整流电路的移相角的移相范围是 0180。,晶闸管的导通角=-， 流过晶闸管的平均电流 流过SCR电流的有效值,单相桥式全控整流电路,电阻负载,1）Ud与的关系： 2）移相范围： 当=0时，Ud=0.9U2为最大； 当=时，Ud=0为最小。 故晶闸管可移相范围为0 180。 3）Id与的关系： 整流输出的直流平均电流：,4）流过晶闸管的平均电流IdT： 由于晶闸管是两两分别导通的，每对晶闸管流过一半电流。负载上平均电流就分成两半： 5）负载电流的有效值： 6）流过晶闸管的电流有效值,电感负载,负载电流连续时，整流电压平均值Ud：,移相范围：090。,单相桥式全控整流电路，U2100V，负载中R2，L 值极大，当30时， 要求：作出ud、id、和i2的波形； 求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2； 考虑安全裕量,确定晶闸管的额定电压和额定电流。,ud、id和i2的波形如图,32/131,整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2分别为 Ud0.9 U2 cos0.9100cos3077.97(A) Id Ud/R77.97/238.99(A) I2Id38.99(A) 晶闸管承受的最大反向电压为： U2100 141.4（V） 流过每个晶闸管的电流的有效值为： IVTId 6.36（A） 故晶闸管的额定电压为： UN(23)141.4283424（V） 晶闸管的额定电流为： IN(23)6.361.57812（A） 晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。,反电动势负载,负载电流平均值： 电流有效值： 电压平均值：在相同的角下，整流输出电压比电阻性负载时大，其值为,三相半波可控整流电路 30 负载电流是不连续 =30电压平均值Ud 平均电流Id： Id=Ud/R 流过晶闸管的平均电流：IDT=Id/3 流过晶闸管的电流有效值： 晶闸管的两端最大反向电压,三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5，L值极大，当a=60 时，要求： 画出ud、id和iVT1的波形； 计算Ud、Id、IdT和IVT。,3.1 三相半波可控整流电路,在三相半波整流电路中，如果A相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流电压ud的波形。,38,电感负载 在3090区,输出电压ud出现负值,大电感负载接续流二极管,ud不出现负值。,三相桥式可控整流电路,三相桥式全控整流电路带电阻负载=30时的波形,三相桥式全控整流电路带电阻负载=60时的波形,三相桥式全控整流电路带电阻负载=90时的波形,(一)电阻性负载,当 60时，电流连续； 60，电流不连续。这样我们计算时也要分为两种情况： 当060时 当60120，整流只在正半周进行 当=120时, ，Ud=0。电阻负载时最大移相范围是120。,(二) 电感负载:,在大电感负载下，晶闸管的导通角总是=120， 电感负载要求的最大移相范围是= 0 90。 实际工作中电流呈矩形波，设其中幅值为Id, Id=Ud/ R 晶闸管承受的电流平均值：IdT =Id/ 3 有效值： 晶闸管通态平均电流：,变压器漏感对整流电路的影响,变压器漏感对整流电路影响的一些结论。 （1）出现换相重叠角,整流输出电压平均值Ud降低。 （2）整流电路的工作状态增多。 （3）晶闸管的di/dt减小,有利于晶闸管的安全开通。有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。 （4）换相时晶闸管电压出现缺口,产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通,为此必须加吸收电路。 （5）换相使电网电压出现缺口,成为干扰源。,有源逆变电路分析,有源逆变的条件,/2保证晶闸管大部分时间在电源电压的负半周导通； 直流侧要有直流电源EM，其大小要大于由角决定的直流输出电压Ud，即|EM|Ud|，其方向应当使晶闸管承受正向压降。,逆变失败的原因,1）触发脉冲的原因： 脉冲丢失 触发脉冲分布不均匀 2）晶闸管发生故障 3）在逆变中，交流电源发生故障也会引起逆变失败 4）换相裕量不足，引起换相失败,整流到逆变的转换,四象限运行时的工作情况,交流调压、直流斩波电路,阻性负载的交流调压电路,流过晶闸管的电流平均值： 流过晶闸管的电流有效值: 负载电压有效值： 随的逐渐增大，灯泡（电阻R）上的电压有效值U2逐渐减小。,电阻-电感过负载的交流调压电路,降压斩波器,升压斩波电路,复合斩波器 :电流可逆斩波电路,如图5-19由降压斩波器和升压斩波器复合组成。图5-20(a)是由5-19中DT1、D1构成降压斩波器，电源向直流电动机供电，使电动机作电动运行。5-20(b)是由DT2、D2构成升压斩波器，把直流电动机所具有的动能变为电能反送到电源，使直流电动机进行再生制动运行。,复合斩波器 :桥式可逆斩波器,该电路可以使直流电动机正转电动、正转再生制动、反转电动、反转再生制动。即四象限工作。,无源逆变电路,把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上时，称为有源逆变；而交流侧直接和负载连接时，则称这种逆变为无源逆变。,交交变频电路,62,单相交交变频电路,如果考虑感性负载的无环流工作的死区时间,可以把一个周期的波形分成6个区域： （1）组变流器的逆变工作区：i00，变流器工作于第二象限，为组变流器逆变工作状态； （2）死区1： 电流过零，无环流死区； （3）组变流器工作的整流区：i00, u00，变流器工作于第一象限，为组变流器整流工作状态；,（4）组变流器的工作的逆变区：i00, u090能量从负载流向电网. 电动机负载,可以四象限运行。,换流方式分类,换流方式可分为以下几种： 自换流 （1）器件换流 （2）强迫换流 外部换流 （3）负载换流 （4）电网换流,电压型逆变电路的主要特点： 1）直流侧为电压源（或并联有大电容，相当于电压源），直流侧电压基本无脉动，直流回路基本呈现低阻抗。 2）由于直流电压源的钳位作用,交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。 3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥的各臂上都并联了反接续流二极管（而实际上IGBT管内本来就有一个反向并联的二极管）。,单相电压型逆变电路,半桥逆变电路 半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂由一个开关器件和一个反并联二极管组成。负载联接在直流电源中点和两个桥臂联接点之间。,全桥逆变电路,电流型逆变电路有以下主要特点： 1)直流侧为电流源(串联大电感，相当于电流源)，直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。 2)电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，而且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。 3)当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。由于反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样给开关器件反并联续流二极管。,电流型逆变电路,PWM技术 PWM控制技术就是控制半导体开关元件的导通与关断时间比对脉冲的宽度进行调制的技术,即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）。,用PWM波代替正弦半波,把图7-3a的正弦半波分成N等份,就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/,但幅值不等,且脉冲顶部不是水平直线,而是曲线,各脉冲的幅值按正弦规律变化。,把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积(冲量)相等,如7-3b的脉冲序列,即PWM波形。,uc,ur,uof,uo,-ud,ud,uo,图7-6 双极性PWM控制方式波形,异步调制和同步调制,在PWM控制电路中,载波频率fc 与调制信号频率fr之比N= fc / fr称为载波比。 根据