电力电子技术复习——复习ppt课件

1、1勤劳积蓄的必见加增电力电子技术辅导电力电子技术辅导2勤劳积蓄的必见加增国际电气和电子工程师协会国际电气和电子工程师协会IEEEIEEE的的电力电子学会将电力电子技术表述为：电力电子学会将电力电子技术表述为：有效地运用电力半导体器件，运用电路有效地运用电力半导体器件，运用电路和设计实际以及分析开发工具，实现对和设计实际以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术。电能的高效能变换和控制的一门技术。3勤劳积蓄的必见加增 Newell提出的提出的“倒三角定义，已为各国所倒三角定义，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

2、学、电子学和控制实气工程三大领域：电力学、电子学和控制实际之间的边缘科学。际之间的边缘科学。4勤劳积蓄的必见加增电力变换分为四类：交流变直流、直流电力变换分为四类：交流变直流、直流变交流、直流变直流和交流变交流变交流、直流变直流和交流变交流 输入输入 输出输出 交流交流（AC） 直流直流（DC） 直流直流（DC）整流整流 直流斩波直流斩波 交流交流（AC）交流电力控制交流电力控制变频、变相变频、变相逆变逆变 5勤劳积蓄的必见加增电力电子器件电力电子器件6勤劳积蓄的必见加增电力电子器件归类电力电子器件归类 按照器件内部电子和空按照器件内部电子和空穴穴两种载流子参与导电的情况两种载流子参与导电的情

3、况 单极型：肖特基二极单极型：肖特基二极管、管、 电力电力MOSFETMOSFET和和SITSIT等。等。 双极型：基于双极型：基于PNPN结结的电的电 力二极管、晶闸管、力二极管、晶闸管、GTOGTO和和 GTR GTR等。等。 复合型复合型 ：IGBTIGBT、SITHSITH 和和MCTMCT等。等。 7勤劳积蓄的必见加增电力电子器件归类电力电子器件归类 电流驱动型器件电流驱动型器件 (双极型器件双极型器件) 共同特点是：具有电导调制效应，因共同特点是：具有电导调制效应，因此通态压降低，导通损耗小，但任务频此通态压降低，导通损耗小，但任务频率较低，所需驱动功率大，驱动电路也率较低，所需驱

4、动功率大，驱动电路也比较复杂。比较复杂。 电压驱动型器件电压驱动型器件 (单极型器件和复合单极型器件和复合型器件型器件) 共同特点是：输入阻抗高，所需驱共同特点是：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，任务频率高。动功率小，驱动电路简单，任务频率高。 按照驱动电路加在电力电子器件控制端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，和公共端之间的性质，8勤劳积蓄的必见加增通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。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，开关损耗会随之增当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大而能够成为器件功率损耗的主要要素。大而能够成为器件

5、功率损耗的主要要素。 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普通都任务在开关形状电力电子器件普通都任务在开关形状9勤劳积蓄的必见加增晶闸管晶闸管SCR从外形上来看，晶闸从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和管也主要有螺栓型和平板型两种封装构平板型两种封装构造造 。内部是内部是PNPNPNPN四层半导四层半导体构造。引出阳极体构造。引出阳极A A、阴极阴极K K和门极控制和门极控制端端G G三个联接端。三个联接端。 图 晶闸管的外形、构造和电气图形符号 a) 外形 b) 构造 c) 电气图形符号 10勤劳积蓄的必见加增晶闸管导通与关断条件晶闸管导通与关断条件(1

6、 ) 导通的充分必要条件。导通的充分必要条件。1) 阳极与阴极间接受正向电压。阳极与阴极间接受正向电压。2) 门极施加相对阴极来说为正的脉门极施加相对阴极来说为正的脉冲信号。冲信号。(2 ) 关断条件为以下之一。关断条件为以下之一。1) 阳极与阴极间接受反向电压。阳极与阴极间接受反向电压。2) 阳极电流减小到小于维持电流。阳极电流减小到小于维持电流。11勤劳积蓄的必见加增 图中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，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各波形的电流最大值均为ImIm，试计算各波形的电流，试计算各波形的电流平均值平均值Id1Id1、Id2Id2、Id

7、3Id3与电流有效值与电流有效值I1I1、I2I2、I3I3。12勤劳积蓄的必见加增 图中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，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各波形的电流最大值均为ImIm，试计算各波形的电流，试计算各波形的电流平均值平均值Id1Id1、Id2Id2、Id3Id3与电流有效值与电流有效值I1I1、I2I2、I3I3。13勤劳积蓄的必见加增 图中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，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各波形的电流最大值均为ImIm，试计算各波形的电流，试计算各波形的电流平均值平均值Id1Id1

8、、Id2Id2、Id3Id3与电流有效值与电流有效值I1I1、I2I2、I3I3。14勤劳积蓄的必见加增双向晶闸管双向可控硅双向晶闸管双向可控硅 单向晶闸管只能单导游电，假设把两个晶闸单向晶闸管只能单导游电，假设把两个晶闸管反向并联就构成了双向晶闸管。管反向并联就构成了双向晶闸管。15勤劳积蓄的必见加增门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO16勤劳积蓄的必见加增GTO和普通晶闸管同为和普通晶闸管同为PNPN构造，为什么构造，为什么GTO可以自关断，而普通晶闸管不能？可以自关断，而普通晶闸管不能？GTO 和普通晶闸管同为和普通晶闸管同为PNPN 构造，由构造，由P1N1P2和和N1P2N2构成两

9、个晶构成两个晶体管体管V1、V2,分别具有共基极电流增益分别具有共基极电流增益a1 和和 a2 ，由普通晶闸管的分析，由普通晶闸管的分析可得，可得， a1 + a2=1 是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。 a1 + a2 1，两个等效晶体，两个等效晶体管过饱和而导通；管过饱和而导通； a1 + a2 1，不能维持饱和导通而关断。，不能维持饱和导通而关断。GTO 之所以可以自行关断，而普通晶闸管不能，是由于之所以可以自行关断，而普通晶闸管不能，是由于GTO 与普通与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同：晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同：1) GTO 在设计时在设计时a2较大，这

10、样晶体管较大，这样晶体管V2控制灵敏，易于控制灵敏，易于GTO 关断；关断；2) GTO 导通时的导通时的a1 + a2更接近于更接近于1，普通晶闸管，普通晶闸管a1 + a2 1 .15，而，而GTO 那么为那么为a1 + a2 1 .05 ，GTO 的饱和程度不深，接近于临界饱和的饱和程度不深，接近于临界饱和，这样为门极控制关断提供了有利条件；，这样为门极控制关断提供了有利条件；3) 多元集成构造使每个多元集成构造使每个GTO 元阴极面积很小，门极和阴极间的间隔大元阴极面积很小，门极和阴极间的间隔大为缩短，使得为缩短，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极区所谓的横向电阻

11、很小，从而使从门极抽出较大的电流成为能够。电流成为能够。17勤劳积蓄的必见加增大功率晶体管大功率晶体管GTR18勤劳积蓄的必见加增电力场效应晶体管电力电力场效应晶体管电力MOSFET 电力场效应晶体管电力场效应晶体管MOSFETMOSFET按导电沟道可分为按导电沟道可分为N N沟道和沟道和P P沟道两大类。当栅极电压为零时漏源沟道两大类。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加电压大于或小于零时才存在导电沟道的称为加强型。强型。19勤劳积蓄的必见加增绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT20勤

12、劳积蓄的必见加增整流电路整流电路21勤劳积蓄的必见加增 整流电路可根据输入交流电的不同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：和所采用的方式不同分为：1单相可控整流和非可控整流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三相可控整流和非可控整流22勤劳积蓄的必见加增2211 cos2 sin td t 0.4522dUUU 直流平均电压：直流平均电压：单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路RURUIdd2)cos1 (45. 02电阻负载电流平均值、有效值电阻负载电流平均值、有效值2222sin t1() t2TUIIdR21-sin t42UR 23勤劳积蓄的必见加增移

13、相角的范围移相角的范围 =0时，时， =时，时， Ud从最大值到最小值，单向半波可控整从最大值到最小值，单向半波可控整流电路的移相角流电路的移相角的移相范围是的移相范围是 0180。221 cos0.450.452dUUU21cos0.4502dUU24勤劳积蓄的必见加增)2(21sin2sin222)cos(cos22 t tdsin221222UUUUd25勤劳积蓄的必见加增 晶闸管的导通角晶闸管的导通角=-=-， 流过晶闸管的平均电流流过晶闸管的平均电流 流过流过SCRSCR电流的有效值电流的有效值ddTII221 t22TddII dIRURUIdd2cos145. 0226勤劳积蓄的

14、必见加增单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路电阻负载电阻负载27勤劳积蓄的必见加增 1Ud与与的关系：的关系： 2移相范围：移相范围： 当当=0时，时，Ud=0.9U2为最大；为最大； 当当=时，时，Ud=0为最小。为最小。 故晶闸管可移相范围为故晶闸管可移相范围为0 180。 3Id与与的关系：的关系： 整流输出的直流平均电流：整流输出的直流平均电流：2cos19 . 0 t tdsin2122UUUd)2cos1(9 . 02RURUIdd28勤劳积蓄的必见加增 4流过晶闸管的平均电流流过晶闸管的平均电流IdT： 由于晶闸管是两两分别导通的，每对晶闸管由于晶闸管是两两分别导通的，每对晶

15、闸管流过一半电流。负载上平均电流就分成两半流过一半电流。负载上平均电流就分成两半： 5负载电流的有效值：负载电流的有效值： 6流过晶闸管的电流有效值流过晶闸管的电流有效值)2cos1(45. 0212RUIIddT22222sin t11()sin2R2UUId tR22222sin t111() tsin22R222TUUIdIR 29勤劳积蓄的必见加增电感负载电感负载负载电流延续时，整流电负载电流延续时，整流电压平均值压平均值Ud：2212sin td t0.9cosdUUU 移相范围：移相范围：090。30勤劳积蓄的必见加增单相桥式全控整流电路，单相桥式全控整流电路，U2U2100V10

16、0V，负载中，负载中R R22，L L 值极大，当值极大，当3030时，时，要求：作出要求：作出udud、idid、和、和i2i2的波形；的波形；求整流输出平均电压求整流输出平均电压UdUd、电流、电流IdId，变压器二次电流，变压器二次电流有效值有效值I2I2；思索平安裕量思索平安裕量, ,确定晶闸管的额定电压和额定电流。确定晶闸管的额定电压和额定电流。31勤劳积蓄的必见加增udud、idid和和i2i2的波形如图的波形如图32勤劳积蓄的必见加增 整流输出平均电压整流输出平均电压Ud、电流、电流Id，变压器二次侧电流，变压器二次侧电流有效值有效值I2分别为分别为 Ud0.9 U2 cos0.

17、9100cos3077.97(A) Id Ud/R77.97/238.99(A) I2Id38.99(A) 晶闸管接受的最大反向电压为：晶闸管接受的最大反向电压为： U2100 141.4V 流过每个晶闸管的电流的有效值为：流过每个晶闸管的电流的有效值为： IVTId 6.36A 故晶闸管的额定电压为：故晶闸管的额定电压为： UN(23)141.4283424V 晶闸管的额定电流为：晶闸管的额定电流为： IN(23)6.361.57812A 晶闸管额定电压和电流的详细数值可按晶闸管产品晶闸管额定电压和电流的详细数值可按晶闸管产品系列参数选取。系列参数选取。22233勤劳积蓄的必见加增反电动势负

18、载反电动势负载 负载电流平均值：负载电流平均值： 电流有效值：电流有效值： 电压平均值：在一样的电压平均值：在一样的角下角下，整流输出电压比电阻性负载，整流输出电压比电阻性负载时大，其值为时大，其值为 tRE- tsin212dUId t)RE- tsin2(122dUI tE)d- tsin2(12UEUd34勤劳积蓄的必见加增三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路=303030 负载电流是不延续负载电流是不延续=30=30电压平均值电压平均值UdUd平均电流平均电流IdId： Id=Ud/R Id=Ud/R流过晶闸管的平均电流：流过晶闸管的平均电流：IDT=Id/3IDT=Id/3流过晶

19、闸管的电流有效值：流过晶闸管的电流有效值：晶闸管的两端最大反向电压晶闸管的两端最大反向电压cos17. 1 t tdsin22326562UUUd4)2(cos331 t)Rtsin2(21265622RUdUIT1222* 36D TUUU35勤劳积蓄的必见加增三相半波可控整流电路，三相半波可控整流电路，U2=100VU2=100V，带电阻电，带电阻电感负载，感负载，R=5R=5，L L值极大，当值极大，当a=60a=60时，要求：时，要求： 画出画出udud、idid和和iVT1iVT1的波形；的波形； 计算计算UdUd、IdId、IdTIdT和和IVTIVT。36勤劳积蓄的必见加增37勤

20、劳积蓄的必见加增38勤劳积蓄的必见加增3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 在三相半波整流电路中，假设在三相半波整流电路中，假设A相的触相的触发脉冲消逝，试绘出在电阻性负载和电发脉冲消逝，试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流电压感性负载下整流电压ud的波形。的波形。 39勤劳积蓄的必见加增电感负载电感负载 在在30 60 60，电，电流不延续。这样我们计算时也要分为两种情流不延续。这样我们计算时也要分为两种情况：况： 当当0 06060时时 当当6060120/2/2保证晶闸管大部分时间在电源保证晶闸管大部分时间在电源电压的负半周导通；电压的负半周导通； 直流侧要有直流电源直流侧要

21、有直流电源EMEM，其大小要大，其大小要大于由于由角决议的直流输出电压角决议的直流输出电压UdUd，即，即|EM|Ud|EM|Ud|，其方向该当使晶闸管接受正，其方向该当使晶闸管接受正向压降。向压降。51勤劳积蓄的必见加增逆变失败的缘由逆变失败的缘由 1触发脉冲的缘由：触发脉冲的缘由： 脉冲丧失脉冲丧失 触发脉冲分布不均匀触发脉冲分布不均匀 2晶闸管发生缺点晶闸管发生缺点 3在逆变中，交流电源发在逆变中，交流电源发生缺点也会引起逆变失败生缺点也会引起逆变失败 4换相裕量缺乏，引起换换相裕量缺乏，引起换相失败相失败52勤劳积蓄的必见加增整流到逆变的转换整流到逆变的转换53勤劳积蓄的必见加增四象限

22、运转时的任务情况四象限运转时的任务情况54勤劳积蓄的必见加增交流调压、直流斩波电路交流调压、直流斩波电路55勤劳积蓄的必见加增阻性负载的交流调压电路阻性负载的交流调压电路 流过晶闸管的电流平均值：流过晶闸管的电流平均值： 流过晶闸管的电流有效值流过晶闸管的电流有效值: : 负载电压有效值：负载电压有效值： 随随的逐渐增大，灯泡电阻的逐渐增大，灯泡电阻R R上的电压有效值上的电压有效值U2U2逐渐减小。逐渐减小。1122(1 cos)1sin td t22 dTUUIRR2112sin t11sin2() t(1)222TUUIdRR22sin t t)sin2(11212UdUU56勤劳积蓄的

23、必见加增电阻电阻-电感过负载的交流调压电路电感过负载的交流调压电路57勤劳积蓄的必见加增降压斩波器降压斩波器58勤劳积蓄的必见加增0iG0ioI1升压斩波电路升压斩波电路59勤劳积蓄的必见加增复合斩波器复合斩波器 :电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 如图如图5-195-19由降压斩波器和升压斩波器复合组成。图由降压斩波器和升压斩波器复合组成。图5-5-20(a)20(a)是由是由5-195-19中中DT1DT1、D1D1构成降压斩波器，电源向直构成降压斩波器，电源向直流电动机供电，使电动机作电动运转。流电动机供电，使电动机作电动运转。5-20(b)5-20(b)是由是由DT2DT2、D2D2构

24、成升压斩波器，把直流电动机所具有的动构成升压斩波器，把直流电动机所具有的动能变为电能反送到电源，使直流电动机进展再生制动能变为电能反送到电源，使直流电动机进展再生制动运转。运转。60勤劳积蓄的必见加增复合斩波器复合斩波器 :桥式可逆斩波器桥式可逆斩波器 该电路可以使直该电路可以使直流电动机正转电流电动机正转电动、正转再生制动、正转再生制动、反转电动、动、反转电动、反转再生制动。反转再生制动。即四象限任务。即四象限任务。61勤劳积蓄的必见加增无源逆变电路无源逆变电路 把直流电变成交流电称为逆变。当交流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；而交侧接在电网上时，称为有源逆变

25、；而交流侧直接和负载衔接时，那么称这种逆流侧直接和负载衔接时，那么称这种逆变为无源逆变。变为无源逆变。62勤劳积蓄的必见加增交交变频电路交交变频电路63勤劳积蓄的必见加增 单相交交变频电路单相交交变频电路, ,假设思索感性负载的无环流任务假设思索感性负载的无环流任务的死区时间的死区时间, ,可以把一个周期的波形分成可以把一个周期的波形分成6 6个区域：个区域： 1 1组变流器的逆变任务区：组变流器的逆变任务区：i00i00，变流，变流器任务于第二象限，为器任务于第二象限，为组变流器逆变任务形状；组变流器逆变任务形状； 2 2死区死区1 1： 电流过零，无环流死区；电流过零，无环流死区； 3 3

26、组变流器任务的整流区：组变流器任务的整流区：i00, u00i00, u00，变流，变流器任务于第一象限，为器任务于第一象限，为组变流器整流任务形状；组变流器整流任务形状；64勤劳积蓄的必见加增 4 4组变流器的任务的逆变区：组变流器的任务的逆变区：i00, u00, u00，变，变流器任务于第四象限，为流器任务于第四象限，为组变流器逆变任务形状；组变流器逆变任务形状； 5 5死区死区2 2：电流过零，无环流死区；：电流过零，无环流死区； 6 6组变流器的任务的整流区：组变流器的任务的整流区：i00, u00,i00, u00,变流变流器任务于第三象限器任务于第三象限, ,为为组变流器任务在整

27、流形状。组变流器任务在整流形状。 输出电压和电流之间的相位差输出电压和电流之间的相位差9090;90能量从负载流向电网能量从负载流向电网. . 电动机负载电动机负载, ,可以四象限运转。可以四象限运转。65勤劳积蓄的必见加增换流方式分类换流方式分类 换流方式可分为以下几种：换流方式可分为以下几种： 自换流自换流 1 1器件换流器件换流 2 2强迫换流强迫换流 外部换流外部换流 3 3负载换流负载换流 4 4电网换流电网换流66勤劳积蓄的必见加增 电压型逆变电路的主要特点：电压型逆变电路的主要特点： 1 1直流侧为电压源或并联有大电容，相当于电压直流侧为电压源或并联有大电容，相当于电压源，直流侧

28、电压根本无脉动，直流回路根本呈现源，直流侧电压根本无脉动，直流回路根本呈现低阻抗。低阻抗。 2 2由于直流电压源的钳位作用由于直流电压源的钳位作用, ,交流侧输出电压波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。出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。 3 3当交流侧为阻感负载时需求提供无功功率，直流当交流侧为阻感负载时需求提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反响的无功能量提供通道，逆变桥的各臂上都流侧反响的无功能

29、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践上并联了反接续流二极管而实践上IGBTIGBT管内本来就管内本来就有一个反向并联的二极管。有一个反向并联的二极管。67勤劳积蓄的必见加增单相电压型逆变电路单相电压型逆变电路 半桥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。接在直流电源中点和两个桥臂联接点之间。68勤劳积蓄的必见加增 全桥逆变电路全桥逆变电路69勤劳积蓄的必见加增70勤劳积蓄的必见加增 电流型逆变电路有以下主要

30、特点：电流型逆变电路有以下主要特点： 1)1)直流侧为电流源直流侧为电流源( (串联大电感，相当于电流源串联大电感，相当于电流源) )，直流侧电流根本无脉动，直流回路呈现高阻抗。直流侧电流根本无脉动，直流回路呈现高阻抗。 2)2)电路中开关器件的作用仅是改动直流电流的流通电路中开关器件的作用仅是改动直流电流的流通途径，因此交流侧输出电流为矩形波，而且与负载途径，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那么因阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位那么因负载阻抗情况的不同而不同。负载阻抗情况的不同而不同。 3)3)当交流侧为阻感负载时需求提供无功功率，直流当交流

31、侧为阻感负载时需求提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。由于反响无功能量侧电感起缓冲无功能量的作用。由于反响无功能量时直流电流并不反向，因此不用像电压型逆变电路时直流电流并不反向，因此不用像电压型逆变电路那样给开关器件反并联续流二极管。那样给开关器件反并联续流二极管。71勤劳积蓄的必见加增电流型逆变电路电流型逆变电路72勤劳积蓄的必见加增73勤劳积蓄的必见加增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展调制的技术,即经过对一系列脉冲的宽度进展调制，来等效地获得所需求波形含外形和幅值。74勤劳积蓄的必见加增用用PWM波替代正弦半波波替代正弦半波 把图把图7-3a7-3a的正弦半波分成的正弦半波分成N N等份等份, ,就可以把正弦就可以把正弦半波看成是由半波看成