电力电子 演示文稿定稿(刘立军)

1、电力电子技术课件电力电子技术概述电力电子技术概述1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术 1.2 1.2 电力电子技术的发展电力电子技术的发展史史 1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电子技术电子技术包括包括：信息电子技术信息电子技术 电力电子电力电子技术技术 信息电子技术信息电子技术模拟电子技术和数字电子技术，主要用于信息处理)。 电力电子技术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。电力电子技术主要用于电力变换。 目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。

2、电力电子装置的功率，可大到数百MW甚至GW，也可小到数瓦甚至1W以下1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术的两个分支：电力电子技术的两个分支：电力电子电力电子变流技术变流技术 电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术1 1、电力电子变流技术电力电子变流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，理论基础是电路理论2 2、电力电子器件制造技术、电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术的基础，理论基础是半导体物理1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术“电力电子技术电力电子技术”和和“电

3、力电子学电力电子学”电力电子学电力电子学 60年代出现，1974年，美国的W. Newell用图0-1的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受“电力电子学电力电子学”和“电力电子电力电子技术技术”分别从学术和工程技术的角度来称呼，实际内容没有很大不同。描述电力电子学的倒三角形电力电力电子技术电子技术电子学电子学电力学电力学控制控制理论理论连续、离散 电路、器件静止器、旋转电机1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史 电力电子技术的发展简史电力电子技术的发展简史 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 后来出现了水银整流

4、器，其性能和晶闸管）很相似。在30年代到50年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所、轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史1947年美国贝尔实验室发明晶体管，引发了电子技术的一场革命1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管1960年我国研究成功硅整流管1962年我国研究成功晶闸管）70年代出现电力晶体管、电力场效应管1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史v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。在晶闸管出现以后的相当一段时期内，所使用的电路形式仍然是这些形式v

5、交流电变为直流电的方法除水银整流器外，还有发展更早的电动机直流发电机组，即变流机组。和旋转变流机组相对应，静止变流器的称呼从水银整流器开始并沿用至今1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史v最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管v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。电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业（轧钢用电气传动、感应加热等）、电力工业（直流输电、无功补偿等）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v晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，因而属

6、于半控型器件v对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式v晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史80年代后期开始：复合型器件复合型器件v以绝缘栅极双极型晶体管为代表,IGBT是电力场效应管（MOSFET）和双极结型晶体管的复合。它集MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件。与IGBT相对应，MOS控制晶闸管和集成门极换流晶闸管等都是MOSFET和GTO的复合，它们也综合了MOSFET和GTO两种器件的优点。1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发

7、展史v功率模块功率模块：为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件 做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。v功率集成电路功率集成电路：把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前其功率都还较小，但代 表了电力电子技术发展的一个重要方向 。v智能功率模块智能功率模块则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT。1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史v高压集成电路高压集成电路：一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。v智能功率集成电路智能功率集成电路：一般指纵向功率器件与逻辑或

8、模拟控制电路的单片集成。什么是高压变频器 通常，用来把工频正弦波交流电源改变为其它频率的交变电源的电力电子装置称为变频器。按照国际惯例和我们国家的标准，当供电电压大于或等于10kV时称为高压，小于10kV时称为中压。因此，相应额定电压1-10kV的变频器应分别称为中压和高压变频器。但是考虑到在 1-10kV电压范围内的变频器有着共同的特征，同时，习惯上也把额定电压为6kV或3kV的电动机也称为“高压电动机”。所以把用来驱动1kV以上交流电动机的中、大容量的变频器称为高压变频器。 高中压变频器的应用领域 高压电动机的应用极为广泛，它是工矿企业中主要动力。在冶金、钢铁、石油、化工、电力、水利工程及

9、水处理等各行业的大中型厂矿中，用于拖动风机、泵类、压缩机及各种大型机械。高压变频器适用的场合 高压变频器与标准的大、中功率的异步和同步电动机配套。组成交流变频调速系统，用来驱动风机、水泵、压缩机和各种机械传动装置。达到节能、高效、提高产品质量的目的。 驱动风机水泵。调节风量或水流量，取代依靠挡板或阀门改变流量的方式，达到节能的目的。使用变频器调速，由于消除了阀门或挡板的能量损失，可以使风机、水泵的工作40%。 变频器与风机水泵等机械连用时，具有如下的显著优点： 精确的调节速度和流量，保证工艺质量； 可直接与工作机械耦合，省去减速其等中间机械环节，减少设备投资费用； 可接受计算机或PLC的模拟或

10、数字信号，进行实时控制，控制性能优越。变频器的基本构成 变频器的基本构成如图所示，由主回路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成，如上图所示变频器的种类v按直流电源的性质分类电流型变频器电压型变频器v按输出电压调节方式分PAM方式PWM方式调载波频率的PWM方式v按控制方式分类U/f控制转差频率控制矢量控制v按主开关器件分类：如以IGBT、BJT、GTO和SCR分类 国内流行的几种品牌：合康亿盛变频器、ABB变频器、富士变频器、西门子变频器、霍尼威尔变频器等（1）电源变压器T 电源变压器用于将高压电源变换到通用变频器所需的电压等级，考虑到变频器的输入电流有一定量的高次谐波，使电源侧

11、的功率因数降低，加上变频器运行效率的影响，变压器的容量按如下式考虑变压器的容量（kVA）=变频器的输出功率变频器输入功率因数 X 变频器效率 其中变频器的功率因数在有输入交流电抗器1ACL时取0.80.85,无输入电抗器1ACL时则取0.60.8。变频器效率可取0.95，变频器输出功率应为所接电动机的总功率。 变频器生产厂家所推荐的变压器容量的参考值，常取变频器容量的130%左右。变频器的外围设备及其选择电源变压器制动电阻的计算 在异步电动机因设定频率下降而减速时，如果轴转速高于由频率所决定的同步转速，则异步电动机处于再生发电运行状态。运动系统中所存储的动能经逆变器回馈到直流侧，中间直流回路的

12、滤波电容器的电压会因吸收这部分回馈能量而提高。如果回馈能量较大，则有可能使变频器的过压保护功能动作。利用制动电阻可耗散这部分能量，使电动机的制动能力提高。制动电阻的选择，可按如下步骤进行：（1）制动转矩的计算 制动转矩TB可由下式算出：(GD2M+GD2L)(n1n2) 375ts TL TB=式中 GD2M 电动机的GD2(Nm) (Nm2) TL负载转矩(Nm) GD2L负载折算到电动机轴上的GD2n1 减速开始速度（r/min）N2减速完了速度（r/min）ts减速时间（s）（2）制动电阻阻值的计算 在附加制动电阻进行制动的情况下，电动机内部的有功损耗部分，折合成制动转矩，大约为电动机额

13、定转矩的20%。考虑到这一点，可用下式来计算RBO = U2C 1.04(TB -0.2TM )n1UC直流回路电压（V）TB制动转矩(Nm) TM电动机额定转矩N1开始减速时的速度 如果系统所需制动转矩TB180（5）防护方式（IP44）。表示电动机外壳防护的方式为封闭式。第八节第八节 同步电动机同步电动机同步电动机是一种交流电动机， 它的主要特点是转子转速等于同步转速， 即 同步发电机同步发电机在电力工业中有着很广泛的应用：火力发电、 水力发电、 原子能发电等，几乎全部应用三相同步发电机同步电动机同步电动机虽然不像异步电动机那样应用广泛，但由于它的功率因数可以调节，并且大多调节在容性状态下

14、运行， 这样可以补偿采用异步电动机所需的感性电流，从而提高电力网的功率因数。 同步电动机常用在中等功率(50kW)以上，不需调速且转速要求恒定的生产机械中，如大型的空压机、水压机等。 pfn1160绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点， 具有好的特性 1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1. IGBT的结构和工作原理的

15、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) 电气图形符号绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 IGBT的结构的结构（显示图）（显示图） 图1-22aN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

16、管 RN为晶体管基区内的调制电阻绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 IGBT的原理的原理 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 导通导通：，uGE大于开启电压开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通 导通压降导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小 关断关断：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 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2. IGBT的基本特性的基本特性 1) IGBT的静态特性的静态特性图 IGBT的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输

17、出特性O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 转移特性转移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似开启电压开启电压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+25C时，UGE(th)的值一般为26V 输出特性输出特性（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uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管

18、2) IGBT的动态特性的动态特性上图为IGBT开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 IGBT的开通过程的开通过程 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

19、过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程 （开关过程图） 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 IGBT的关断过程的关断过程（开关过程图）（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。tfi1IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢

20、 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 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MOSFETIGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数 3. IGBT的主要参数的主要参数1) 最大集射极间电压最大集射极间电压UCES 由内部PNP晶体管的击穿电压确定2) 最大集电极电流最大集电极电流 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP3)最大集电极功耗最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大功耗 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的特性和参数特点的特性和参数特点(1) 开关速度高，开关损耗小。在电

21、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 变频器发展介绍变频器发展介绍 国外第一台高压变频器交交变频调速的异步电动机矢量控制系统，由日本的东芝电器公司在1980年研制成功。高压变频器的原理及其分类 高压变频器的分类及其电路的拓扑结构高压变频器的种类繁多，其分类方法也多种多样。按着中间

22、环节有无直流部分，可分为交交变频器和交直交变频器；按着直流部分的性质，可分为电流型和电压型变频器；按着有无中间低压回路，可分为高高变频器和高低高变频器；按着输出电平数，可分为两电平、三电平、五电平及多电平变频器；按着电压等级和用途，可分为通用变频器和高压变频器；按着嵌位方式，可分为二极管嵌位型和电容嵌位型变频器等等。 电流型变频器由于在变频器的直流环节采用了电感元件而得名，其优点是具有四象限运行能力，能很方便地实现电机的制动功能。缺点是需要对逆变桥进行强迫换流，装置结构复杂，调整较为困难。另外，由于电网侧采用可控硅移相整流，故输入电流谐波较大，容量大时对电网会有一定的影响。 电压型变频器 由于

23、在变频器的直流环节采用了电容元件而得名，其特点是不能进行四象限运行，当负载电动机需要制动时，需要另行安装制动电路。功率较大时，输出还需要增设正弦波滤波器 高低高变频器采用升降压的办法，将低压或通用变频器应用在中、高压环境中而得名。原理是通过降压变压器，将电网电压降到低压变频器额定或允许的电压输入范围内，经变频器的变换形成频率和幅度都可变的交流电，再经过升压变压器变换成电机所需要的电压等级。这种方式，由于采用标准的低压变频器，配合降压，升压变压器，故可以任意匹配电网及电动机的电压等级，容量小的时侯（500KW）改造成本较直接高压变频器低。缺点是升降压变压器体积大，比较笨重，频率范围易受变压器的影

24、响。一般高低高变频器可分为电流型和电压型两种。 高压变频器保护电路介绍整流电路概述整流电路概述 整流电路是电力电子电路中出现最早的一种。 整流电路整流电路1）实现交流电能转换为直流电能的电路。2）是一种把交流电源电压转换成所需的直流电压的一种电路。3）是把大小和方向都随时间变化的交流电变为单方向流动直流电的变流过程的电路。4）在电力电子学中，将交流电转变为直流电的过程称为整流，完成整流过程的电力电子变换电路称为整流电路。 整流电路的分类整流电路的分类1 1）按整流器件分类）按整流器件分类 不可控整流不可控整流：完全由整流二极管构成，电路的输出直流电压的平均值和输入交流电压的有效值之比是固定不变

25、的。 全控整流全控整流：整流器件由可控器件构成，其输出直流电压的平均值及极性都可以通过控制器件的导通而得到调节。在这种电路中，功率可以由电源向负载传送，也可由负载反馈给电源。 半控整流：半控整流：整流器件由不控器件和可控器件混合组成，在此电路中，负载电压极性不能变，但平均值可以调节。 2 2）按整流输出波形和输入波形的关系）按整流输出波形和输入波形的关系 半波整流电路半波整流电路：整流器件的阳极（或阴极）全部连接在一起，并接到负载的一端，负载的另一端与电源相连，每条交流电源线中的电流是单一方向的，负载上得到的只是电源电压波形的一半。 全波整流电路全波整流电路：可以看成是两组半波整流电路串联，整

26、流器件一组接成共阴极，一组接成共阳极，分别接到负载的两端，在全波整流电路中，每条交流电源线中的电流是交变的。 3 3）按电路结构分类）按电路结构分类 按电路结构可分为桥式电路和零式电路 4 4）按交流输入相数）按交流输入相数 分为单相电路，三相电路和多相电路5 5）按变压器二次侧电流的方向为单向或双向）按变压器二次侧电流的方向为单向或双向 分为单拍电路和双拍电路6 6）按控制方式分类）按控制方式分类 相控整流电路相控整流电路：采用晶闸管为主要的功率开关器件，通过控制触发脉冲起始相位来控制输出电压的大小。电路容量大，控制简单，技术成熟。 PWMPWM整流电路：整流电路：采用全控器件，使用现代的控

27、制技术，在工程领域因其优良的性能得到越来越多的应用。过压保护 1. 引起过压的原因引起过压的原因n操作过电压：由拉闸、合闸、快速直流开关的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。n浪涌过压：由雷击等偶然原因引起，从电网进入变换器的过压。n电力电子器件关断过电压：电力电子器件关断时产生的过压。(1) 在电力电子变换器-电动机调速系统中，由于电动机回馈制动造成直流侧直流电压过高产生的过压。也称为泵升电压。 2. 过压保护方法过压保护方法 过压保护的基本原则是：根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的附加电路，当达到定过压值时，自动开通附加电路，使过压通过附加电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从

28、而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。保护电路形式很多，也很复杂。 图1-1 过压保护方法的原理图 (1) 雷击过压可在变压器初级接避雷器加以保护。(2) 二次电压很高或电压比很大的变压器，一次侧合闸时，由于一次、二次绕组间存在分布电容，高电压可通过分布电容耦合到二次侧而出现瞬时过压。可采取变压器附加屏蔽层接地或变压器星形中点通过电容接地的方法来减小。(3) 泵升电压保护当电动机回馈制动时，电动机的动能转换成电能回馈到直流侧，引起直流侧电压升高，当电压升高到一定值时，会造成变换器的过电压。通常采用开关电路将能量消耗在电阻上。 （4）阻容保护电路将电容并联在回路中，当电路中出现

29、电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡。RC阻容保护电路可以设置在变换器装置的交流侧、直流侧。也可将RC保护电路直接并在主电路的元件上，有效地抑制元件关断时的关断过压，其接法如图6-2所示。 图1-2 几种RC阻容保护电路的接法 由于压敏电阻的正、反向特性对称，因此单相电路只需一个，三相电路用3个，联接成Y形或形 图1-4 压敏电阻保护的接法 压敏电阻的主要参数： 额定电压U1mA 指漏电流为1mA时的电压值。 残压比UYU1mA UY为放电电流达规定值IY时的电压。 允许的通流容量 指在

30、规定的波形下(冲击电流前沿10s，持续时间20s)允许通过的浪涌电流。 压敏电阻选用方法： 额定电压为 (压敏电阻承受工作电压的峰值) (6-10) Uy值由被保护元件的耐压值决定。 通流容量应大于实际的浪诵电流。但实际浪涌电流很难计算，故一般当变压器容量大、距外线路近、无避雷器时应尽可能取大值。压敏电阻在二极管整流设备上可代替全部的阻容保护，在晶间管可控整流器上可代替交流侧、直流侧的阻容保护。总的来说，压敏电阻只能用作过压保护，不能作du/dt保护。 )9 . 08 . 0(mA1U过流保护1. 引起过流的原因引起过流的原因 当电力电子变换器内部某一器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起变换器内元件的电流超过正常工作电流，即出现过流。由于电力电子器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因此，必须对变换器进行适当的过流保护。变换器的过流一般主要分为两类：过载过流和短路过流。 2. 过流流保护的方法 (4) 快速熔断器(图中的FUF) 快速熔断器是防止变换器过流损坏的最后一道防线。在晶闸管变换器中，快速熔断器是应用最普遍的过流保护措施，可用于交流侧、直流侧和装置主电路中。其中交