東南大學(xué)-電力電子技術(shù)課件1

電力電子技術(shù)東南大學(xué)電氣學(xué)院0.緒論電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力變換的電子技術(shù)。電力電子技術(shù)包括電力電子器件、電路和控制三個部分，涉及電氣工程三大領(lǐng)域：電力、電子、控制。電力電子器件及類型電力電子器件是由半導(dǎo)體材料制成的器件。主要包括三大類：整流管：如普通整流管、快速整流管、肖特基整流管等，其伏安特性與二極管類似。晶閘管：主要有普通晶閘管、快速晶閘管、雙向晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管和MOS門極晶閘管等。iu0理想開關(guān)iu0二極管iu0晶閘管iu0晶體管功率晶體管：有雙極型功率晶體管、功率場效應(yīng)晶體管、達林頓管、絕緣柵雙極晶體管等。功率晶體管特性類似于普通晶體管，但只用于開關(guān)狀態(tài)。開關(guān)特性電力半導(dǎo)體器件主要作為開關(guān)來應(yīng)用。開關(guān)器件特點：單向?qū)щ?，其關(guān)斷時漏電流很小，導(dǎo)通時有一很小的管壓降。評價開關(guān)器件品質(zhì)的主要指標(biāo)有容量、開關(guān)速度、驅(qū)動功率、通態(tài)壓降和芯片利用率等。各類開關(guān)器件可從容量、控制特性、工作頻率等方面加以比較，由此可確定各類器件的應(yīng)用領(lǐng)域。容量控制特性工作頻率整流管大不可控低晶閘管大半控中晶體管小全控高電力電子技術(shù)應(yīng)用電力電子技術(shù)幾乎在所有的功率電路中都有應(yīng)用，其最主要的應(yīng)用就是用于電力變換，也稱變流。A.CD.C整流：如直流調(diào)速、牽引整流站、電解、電鍍等。D.CA.C逆變：如交流調(diào)速、中頻電源等。D.CD.C斬波：如電車、地鐵、電瓶車等。A.CA.C變頻：交流調(diào)壓、周波變換，逆變電路，如照明、電爐、交流調(diào)速等。電力電子器件作為開關(guān)還可應(yīng)用于無觸點開關(guān)、脈沖電路等。電源控制電路變流裝置負(fù)載電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛：各種電源，電力牽引及傳動控制，高壓直流輸電，柔性輸電，有源濾波和靜止無功補償，節(jié)能裝置，家用電器，電動汽車等。為了實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換，必須對電力電子器件進行控制，主要的控制方式有：相位控制、通斷控制和脈沖寬度控制。優(yōu)缺點變流技術(shù)已從旋轉(zhuǎn)式機組、水銀整流器到完全由電力半導(dǎo)體變流技術(shù)所替代。其主要優(yōu)點為：效率高、控制特性好、反應(yīng)快、壽命長、體積小等。電力電子裝置的主要缺點有三個方面：(1)過載能力小，使保護電路復(fù)雜，保護困難；(2)產(chǎn)生高次諧波，對電網(wǎng)有干擾，使負(fù)載特性變差；(3)功率因數(shù)低。電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢器件的發(fā)展方向主要在以下方面：大容量化－單個器件的容量不斷提高，以滿足高壓大電流的需要，如單個晶閘管的容量已達8000V、6000A；高頻化－在一定的開關(guān)損耗下盡量提高器件的開關(guān)速度，可以提高系統(tǒng)的性能，改善波形，減小裝置的體積和重量；易驅(qū)動－由電流驅(qū)動發(fā)展為電壓驅(qū)動，大力發(fā)展復(fù)合型器件，如IGBT、MCT，控制驅(qū)動功率小，可用專用集成模塊；降低導(dǎo)通壓降－可提高變流效率，減小能耗；模塊化－將幾個器件封裝在一起，縮小體積、減少連線；功率集成化－將驅(qū)動、保護、檢測、控制、自診斷等功能與電力電子器件集成于一體，稱為功率集成電路PIC，實現(xiàn)集成電路功率化，功率器件集成化。應(yīng)用新材料－如碳化硅、金剛石等，可使器件的功率、頻率、導(dǎo)通壓降、耐高溫等性能更優(yōu)良。電路的發(fā)展：PWM技術(shù)－由全控型器件組成的電路，采用PWM技術(shù)已成為電力變換的主要方式，在逆變、斬波、變頻和整流中均有應(yīng)用。數(shù)字化與智能化－功率集成電路PIC和智能模塊IPM的應(yīng)用，使得變換電路與計算機控制技術(shù)結(jié)合更加緊密。高效率與軟開關(guān)技術(shù)－應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)可使電路中的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲大大地降低，可大幅提高開關(guān)頻率，也使變換器的效率得到提高。電壓電流過零切換，以實現(xiàn)開關(guān)損耗降為0，且避免裝置對電網(wǎng)與負(fù)載的電磁輻射和射頻干擾。隨著新技術(shù)的大量應(yīng)用，使變流裝置的功率因數(shù)提高、諧波減少、動態(tài)響應(yīng)更快。今后將向無公害化方向發(fā)展，使得裝置的功率因數(shù)接近于1，輸入電流無諧波。學(xué)習(xí)要點電力半導(dǎo)體器件工作在開關(guān)狀態(tài)，而電壓、電流是模擬量，所以是一類非線性電路。分析電力電子線路既不能用解析的方法，也不能用狀態(tài)的方法，而要借助于波形圖對電路作定性分析。學(xué)習(xí)時應(yīng)重視對波形圖的分析。掌握典型變流電路的工作原理、分析方法、參數(shù)計算和元件選擇，詳細分析幾個應(yīng)用實例。1.晶閘管及其可控整流電路1.1普通晶閘管

結(jié)構(gòu)：是一種四層三端器件。由PNPN四層半導(dǎo)體材料構(gòu)成，三個引出端。四層形成三個PN結(jié)。GKAVTpnpnGKAj1j2j3工作原理：晶閘管內(nèi)部導(dǎo)通工作原理可由雙晶體管模型說明。pnpnGKAnpVT1ICOAKGVT2IA陽極電流為晶閘管外形晶閘管散熱器晶閘管工作演示電路一些名詞：陽極電壓ua、陽極電流ia、門極電壓ug、門極電流ig，正向、反向。晶閘管工作特點：(1)導(dǎo)通條件：ua、ug為正；(2)晶閘管門極只能控制導(dǎo)通，不能控制關(guān)斷；(3)關(guān)斷條件為陽極電流小于一定值或加上反向陽極電壓。igugiauaEa主電路Eg控制電路iGuG0門極伏安特性晶閘管特性：陽極伏安特性、門極伏安特性。晶閘管主要參數(shù)電壓參數(shù)：正、反向不重復(fù)峰值電壓UDSM、URSM，正、反向重復(fù)峰值電壓UDRM、URRM，通態(tài)平均電壓UT等。晶閘管的額定電壓取UDRM、URRM中較小值。iGuG0iAuA0UBO陽極伏安特性電流參數(shù)：通態(tài)平均電流IT，浪涌電流ITSM，維持電流IH，掣住電流IL。IT為導(dǎo)通角180的單相半波整流電流平均值對應(yīng)電流有效值正弦半波電流波形系數(shù)it02ImIT實際晶閘管的電流波形通常不是正弦半波，而電流的熱效應(yīng)與電流的有效值有關(guān)，所以選擇晶閘管時應(yīng)根據(jù)電流有效值相等原則來確定。晶閘管的允許的額定電流有效值為I=1.57IT，實際波形的電流有效值不能大于此值。例：流過晶閘管的電流波形如圖2/2Imit0Id平均值Id=Im/4有效值I=Im/2若取IT=100A，則I=1.57IT=157=Im/2，即Im=314A。若取Id＝100A，則Im=400A，I=200=1.57IT，即IT=127A。門極參數(shù)：門極觸發(fā)電壓UGT，門極觸發(fā)電流IGT；門極不觸發(fā)電壓UGD，門極不觸發(fā)電流IGD。動態(tài)參數(shù)：開通時間ton，關(guān)斷時間toff，通態(tài)電流臨界上升率di/dt，斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。導(dǎo)通時，di/dt過大會損壞管子；iGuG0UGTUGDIGTIGDPmpnpnGKAi=Cjdu/dtCj關(guān)斷時，du/dt過大會產(chǎn)生誤觸發(fā)。1.3單相半波可控整流電路可控整流電路是將固定電壓的交流電變成可調(diào)直流電壓的電路。主電路部分包括三個部分：交流電源，整流電路，直流負(fù)載。交流電源：單相、三相、多相。整流電路：不可控整流，可控整流。可控整流包括半波整流，全波整流（半控整流，全控整流）。直流負(fù)載：電阻性、電感性、電容性、反電勢。一些電路分析假設(shè)：理想化管子、周期性波形、參數(shù)為零或無窮大等。u1RVTu2uAKudiduVTt0u2t0udt0觸發(fā)電路自然換流點延遲角導(dǎo)通角單相半波可控整流電路電阻性負(fù)載u1RVTu2uAKudidudt0整流電壓平均值整流電流平均值Id=Ud/R晶閘管電流有效值1.4單相橋式可控整流電路1.4.1單相全控橋式整流電路電阻性負(fù)載u2t0udt0u1RVTu2uAKudidL接入續(xù)流二極管可使輸出平均電壓增大。電感性負(fù)載電路分析：結(jié)構(gòu)為橋式，一對共陰極，一對共陽極。13abR42要點：自然換流點，觸發(fā)導(dǎo)通，管子輪流導(dǎo)通，兩個晶閘管同時導(dǎo)通。idu113abR42u2ud+id13abR42u1u2ud+udt0波形分析：uT1t0u2t0uabubai2t013abR42idi2u1u2ud橋式整流電路，管子都不導(dǎo)通時，管子承受電壓為電源一半。單相橋式電阻性負(fù)載全控整流電路移相范圍180。參數(shù)計算：負(fù)載平均電壓、平均電流Id=Ud/R負(fù)載電流有效值功率因數(shù)隨增加，功率因數(shù)減小。即使是電阻負(fù)載，當(dāng)>0時，功率因數(shù)小于1，如=90時，cos=0.707。電阻、電感負(fù)載電感電流不能突變，電感為儲能元件，輸出端有反向電壓。當(dāng)電感足夠大時，即L>>R，電流連續(xù)。

電路分析：換相（換流），觸發(fā)換流，電流連續(xù)，每管導(dǎo)通180。晶閘管電流有效值udt013abR42idLu1u2udu2t0uT1t0波形分析：當(dāng)電感足夠大，L>>R時，紋波很小，認(rèn)為電流連續(xù)且平直。電流波形:<90，電流連續(xù)；>90，ud=0，電流不連續(xù)。參數(shù)計算：大電感，電流連續(xù)，090，負(fù)載電壓、電流平均值Id=Ud/R電流有效值：u2t0iT2t0udt0i2t0iT1t0idId13abR42idLu1u2ud當(dāng)負(fù)載電感較小時，電流不連續(xù)，、、之間關(guān)系由超越方程確定這種情況使得電路特性變差，也不容易分析計算，以下不再討論。為使電流連續(xù)，可在負(fù)載端串聯(lián)電感。電感性負(fù)載并聯(lián)續(xù)流二極管，使得負(fù)載電壓不再出現(xiàn)負(fù)值，可增加輸出直流電壓Ud。具有續(xù)流二極管的電路波形分析：續(xù)流二極管作用：u2t0udt0iT2t0iT1t0iDt0Id13abR42idLu1u2udD求周期性矩形波的電流有效值：0it2Id若矩形波寬度為，幅值為Id，則電流有效值為例：帶續(xù)流二極管單相可控電路，電感負(fù)載，＝60，各管子有效值電流1.4.2單相半控橋式整流電路電阻負(fù)載T1D1abRD2T2idu1u2udu2t0udt0uT1t0電阻負(fù)載半控電路的輸出波形ud、id與全控電路相同，晶閘管承受電壓不同。電阻電感負(fù)載電感足夠大，電流連續(xù)。T1D1abRD2T2idLu1u2ud電路分析：整流管自然換流，晶閘管強迫換流；電流連續(xù)，每管導(dǎo)通180；同一橋臂的晶閘管和整流管構(gòu)成續(xù)流回路。u2t0udt0iT1t0iD2t0i2t0單相橋式半控整流電路電感負(fù)載T1D1abRD2T2idLu1u2udiD2t0u2t0udt0iT1t0T1D2T1D1iT2iD1T2D1T2D2T1D1abRD2T2idLu1u2ud同一橋臂管子構(gòu)成續(xù)流回路T1D2T1D1T1D2iD2t0iD1iT1t0iT20udt半控電路電感性負(fù)載時，若一個晶閘管失效，會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。T1D1abRD2T2idLu1u2ud加入續(xù)流二極管可避免失控D1.5三相半波可控整流電路三相半波電路有共陰極和共陽極二種結(jié)構(gòu)電路。通常經(jīng)變壓器供電，變壓器接成/Y，二次側(cè)必須有中線。1.5.1三相半波不可控整流電路電阻性負(fù)載電路分析要點：整流輸出電壓波為三相電壓中幅值最高的相電壓；整流管反相電壓為三相電源的線電壓；自然換流(換相)點在二相電壓波的交叉點；三管輪流導(dǎo)通，每管一周內(nèi)導(dǎo)通120；每周脈動三次，脈動頻率是電源頻率的三倍。t0uaucubudt0uabuacuD1idud13abcABCR21.5.2三相半波電阻負(fù)載可控整流電路電路分析：晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，相電壓高于其他相電壓；延遲角起始點為自然換相點，對于VT1，t=30時，＝0；電壓過零時晶閘管關(guān)斷，每管導(dǎo)通角≤120。波形分析：≤30時，整流電流波形連續(xù)，導(dǎo)通角＝120；>30時，電流波形不連續(xù)，導(dǎo)通角<120；電流波形與電壓波形相同；每周期三個波，輸出電壓基波頻率是電源頻率3倍；移相范圍為150。udt0uaucub=30udt0uaucub=120udt0uaucub=60id13abcABCR2ud參數(shù)計算：＝0～30時，負(fù)載平均電壓值＝30～150時，負(fù)載平均電壓值負(fù)載電流平均值晶閘管兩端電壓最大值為線電壓峰值2.45U2。

＝0時輸出平均電壓最大

Ud0=1.17U21.5.3三相半波感性負(fù)載可控整流電路電路和波形分析<90時電流連續(xù)，電流波形平直，導(dǎo)通角120，移相范圍90。>90時電流不連續(xù)，輸出電壓平均值為0。輸出平均電壓Ud=1.17U2cos輸出平均電流Id=Ud/R晶閘管平均電流IdT=Id/3晶閘管電流有效值晶閘管承受最大電壓UTM=2.45U2udt0uaucub=30udt0uaucub=60udt0uaucub=90id13abcABCR2Lud60udt0uaucubudt0uaucubid13abcABCR2ud三相半波可控整流共陽極接法電路1.6三相橋式可控整流電路三相橋式整流電路二次側(cè)沒有直流分量，整流電壓的紋波更小。三相全控橋式整流電路可看作兩個三相半波整流電路的串聯(lián)。共陰極電路共陽極電路Rid0pqud輸出電壓為ud=uP?uQid135abcABCR4620pqud1.6.2三相全控橋式整流電路電路分析：三相變壓器接法/Y；晶閘管導(dǎo)通順序，1234561……，依次相隔60觸發(fā)導(dǎo)通，同時有兩個晶閘管導(dǎo)通，需要寬脈沖觸發(fā)；共陰極點電位up，共陽極點電位uq，輸出電壓是兩者之差，即ud=uP?uQ135abcABCR462T1,T6導(dǎo)通ud135abcABC462idRT1,T2導(dǎo)通ud135abcABC462idRT3,T2導(dǎo)通ud135abcABC462idR三相全控橋式整流電路工作原理T3,T4導(dǎo)通ud135abcABC462idRT5,T6導(dǎo)通ud135abcABC462idRT5,T4導(dǎo)通ud135abcABC462idR電阻負(fù)載時波形分析換相分別在共陰極組和共陽極組中進行；輸出電壓由兩組相電壓波形合成，負(fù)載上為線電壓波形，每周期脈動六次；<60時電流連續(xù)；>60時電流不連續(xù)；每個管子導(dǎo)通角≤120，電阻負(fù)載時移相范圍120；三相橋式電路脈沖寬度需大于60，或雙脈沖。tig2tig3tig4tig5tig6tig160120360u2t0uaucubabudt0bcacbacbcaabbcac=0upuqidud135abcABCR4620pq三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載u2t0uaucubabudt0bcacbacbcaabbcac30三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載idud135abcABCR4620pqu2t0uaucubabudt0bcacbacbcaabbcac60三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載idud135abcABCR4620pqud0Ruab1iduac2ubc3uba4uca5ucb6ABC三相橋式全控整流電路可等效為六相半波整流電路abudt0bcacbacbcaabbcac電路計算：＝0～60時輸出平均電壓＝60～120時輸出平均電壓

晶閘管承受的最大電壓為電源線電壓的峰值2.45U2。