《电力电子技术》课件.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 IGBT 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 绝缘栅双极晶体管 1 IGBT的结构和工作原理三端器件 栅极G 集电极C和发射极E图IGBT的结构 简化等效电路和电气图形符号a 内部结构断面示意图b 简化等效电路c 电气图形符号 第20页 IGBT的结构 显示图 图a N沟道VDMOSFET与GTR组合 N沟道IGBT N IGBT IGBT比VDMOSFET多一层P 注入区 形成了一个大面积的P N结J1 使IGBT导通时由P 注入区向N基区发射少子 从而对漂移区电导率进行调制 使得IGBT具有很强的通流能力 简化等效电路表明 IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构 一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管 RN为晶体管基区内的调制电阻 第21页 MOSFET工作的基本原理 第22页 IGBT的原理驱动原理与电力MOSFET基本相同 场控器件 通断由栅射极电压uGE决定 导通 uGE大于开启电压UGE th 时 MOSFET内形成沟道 为晶体管提供基极电流 IGBT导通 导通压降 电导调制效应使电阻RN减小 使通态压降小 关断 栅射极间施加反压或不加信号时 MOSFET内的沟道消失 晶体管的基极电流被切断 IGBT关断 第23页 2 IGBT的基本特性1 IGBT的静态特性图IGBT的转移特性和输出特性a 转移特性b 输出特性 第24页 转移特性 IC与UGE间的关系 与MOSFET转移特性类似 开启电压UGE th IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压 UGE th 随温度升高而略有下降 在 25 C时 UGE th 的值一般为2 6V 输出特性 伏安特性 以UGE为参考变量时 IC与UCE间的关系 分为三个区域 正向阻断区 有源区和饱和区 分别与GTR的截止区 放大区和饱和区相对应 uCE 0时 IGBT为反向阻断工作状态 第25页 2 IGBT的动态特性图IGBT的开关过程 第26页 IGBT的开通过程 与MOSFET的相似 因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行 开通延迟时间td on 从uGE上升至其幅值10 的时刻 到iC上升至10 ICM 电流上升时间tr iC从10 ICM上升至90 ICM所需时间 开通时间ton 开通延迟时间与电流上升时间之和 uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段 tfv1 IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程 tfv2 MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程 开关过程图 第27页 IGBT的关断过程 开关过程图 关断延迟时间td off 从uGE后沿下降到其幅值90 的时刻起 到iC下降至90 ICM 电流下降时间 iC从90 ICM下降至10 ICM 关断时间toff 关断延迟时间与电流下降之和 电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段 tfi1 IGBT内部的MOSFET的关断过程 iC下降较快 tfi2 IGBT内部的PNP晶体管的关断过程 iC下降较慢 IGBT中双极型PNP晶体管的存在 虽然带来了电导调制效应的好处 但也引入了少子储存现象 因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET IGBT的击穿电压 通态压降和关断时间也是需要折衷的参数 第28页 3 IGBT的主要参数1 最大集射极间电压UCES由内部PNP晶体管的击穿电压确定 2 最大集电极电流包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 3 最大集电极功耗PCM正常工作温度下允许的最大功耗 第29页 IGBT的特性和参数特点 1 开关速度高 开关损耗小 在电压1000V以上时 开关损耗只有GTR的1 10 与电力MOSFET相当 2 相同电压和电流定额时 安全工作区比GTR大 且具有耐脉冲电流冲击能力 3 通态压降比VDMOSFET低 特别是在电流较大的区域 4 输入阻抗高 输入特性与MOSFET类似 5 与MOSFET和GTR相比 耐压和通流能力还可以进一步提高 同时保持开关频率高的特点 第30页 4 IGBT的擎住效应和安全工作区寄生晶闸管 由一个N PN 晶体管和作为主开关器件的P N P晶体管组成正偏安全工作区 FBSOA 最大集电极电流 最大集射极间电压和最大集电极功耗确定反向偏置安全工作区 RBSOA 最大集电极电流 最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE dt确定 图IGBT的结构 简化等效电路和电气图形符号a 内部结构断面示意图b 简化等效电路c 电气图形符号 第31页 擎住效应或自锁效应 NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻 P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降 相当于对J3结施加正偏压 一旦J3开通 栅极就会失去对集电极电流的控制作用 电流失控动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小擎住效应曾限制IGBT电流容量提高 20世纪90年代中后期开始逐渐解决IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起 制成模块 成为逆导器件 第32页 5 IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器图M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图 第33页 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 内部具有退饱和检测和保护环节 当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT 并向外部电路给出故障信号M57962L输出的正驱动电压均为 15V左右 负驱动电压为 10V 第34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35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36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37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38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39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40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41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42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43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44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45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46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47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48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49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50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51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52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53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54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 a 30 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55页 2 阻感负载特点 阻感负载 L值很大 id波形基本平直a 30 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56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57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58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59页 2 阻感负载时的工作情况a 60 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60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61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62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63页 2 直流发电机 电动机系统电能的流转图aM电动运转 EG EM 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 EM EG 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 EMb 两电动势同极性EM EGc 两电动势反极性 形成短路 第64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65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66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67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68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69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70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71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72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73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S1 S4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74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75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76页 2 换流方式 器件换流 电网换流 负载换流 强迫换流 第77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78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 0 q 180 V3 V4的栅极信号分别比V2 V1的前移180 quo成为正负各为q的脉冲 改变q即可调节输