东南大学_电力电子技术课件1

1、12电力电子技术就是应用于电力变换的电子技术。电力电子技术就是应用于电力变换的电子技术。电力电子技术包括电力电子器件、电路和控制三个部电力电子技术包括电力电子器件、电路和控制三个部分，涉及电气工程三大领域：电力、电子、控制。分，涉及电气工程三大领域：电力、电子、控制。 电力电子器件及类型电力电子器件及类型 电力电子器件是由半导体材料制成的器件。主要包括电力电子器件是由半导体材料制成的器件。主要包括三大类：三大类： 整流管：如普通整流管、快速整流管、肖特基整流管整流管：如普通整流管、快速整流管、肖特基整流管等，其伏安特性与二极管类似。等，其伏安特性与二极管类似。 晶闸管：主要有普通晶闸管、快速晶

2、闸管、双向晶闸晶闸管：主要有普通晶闸管、快速晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管、逆导晶闸管和管、可关断晶闸管、逆导晶闸管和MOS门极晶闸管等。门极晶闸管等。3iu0理想开关理想开关iu0二极管二极管iu0晶闸管晶闸管iu0晶体管晶体管功率晶体管：有双极型功率晶体管、功率场效应晶体功率晶体管：有双极型功率晶体管、功率场效应晶体管、达林顿管、绝缘栅双极晶体管等。功率晶体管特管、达林顿管、绝缘栅双极晶体管等。功率晶体管特性类似于普通晶体管，但只用于开关状态。性类似于普通晶体管，但只用于开关状态。 开关特性开关特性 电力半导体器件主要作为开关来应用。电力半导体器件主要作为开关来应用。 开关器件特点：单向

3、导电，其关断时漏电流很小，导开关器件特点：单向导电，其关断时漏电流很小，导通时有一很小的管压降。通时有一很小的管压降。 4评价开关器件品质的主要指标有容量、开关速度、驱评价开关器件品质的主要指标有容量、开关速度、驱动功率、通态压降和芯片利用率等。动功率、通态压降和芯片利用率等。 各类开关器件可从容量、控制特性、工作频率等方面各类开关器件可从容量、控制特性、工作频率等方面加以比较，由此可确定各类器件的应用领域。加以比较，由此可确定各类器件的应用领域。 容量容量控制特性控制特性工作频率工作频率整流管整流管大大不可控不可控低低晶闸管晶闸管大大半控半控中中晶体管晶体管小小全控全控高高 电力电子技术应用

4、电力电子技术应用电力电子技术几乎在所有的功率电路中都有应用，其电力电子技术几乎在所有的功率电路中都有应用，其最主要的应用就是用于电力变换，也称变流。最主要的应用就是用于电力变换，也称变流。 5A.CD.C 整流：如直流调速、牵引整流站、电解、整流：如直流调速、牵引整流站、电解、电镀等。电镀等。D.CA.C 逆变：如交流调速、中频电源等。逆变：如交流调速、中频电源等。D.CD.C 斩波：如电车、地铁、电瓶车等。斩波：如电车、地铁、电瓶车等。A.CA.C 变频：交流调压、周波变换，逆变电路，变频：交流调压、周波变换，逆变电路，如照明、电炉、交流调速等。如照明、电炉、交流调速等。电力电子器件作为开关

5、还可应用于无触点开关、脉冲电力电子器件作为开关还可应用于无触点开关、脉冲电路等。电路等。 6电力电子的应用领域广泛：各种电源，电力牵引及传电力电子的应用领域广泛：各种电源，电力牵引及传动控制，高压直流输电，柔性输电，有源滤波和静止动控制，高压直流输电，柔性输电，有源滤波和静止无功补偿，节能装置，家用电器，电动汽车等。无功补偿，节能装置，家用电器，电动汽车等。 为了实现电能转换，必须对电力电子器件进行控制，为了实现电能转换，必须对电力电子器件进行控制，主要的控制方式有：相位控制、通断控制和脉冲宽度主要的控制方式有：相位控制、通断控制和脉冲宽度控制。控制。 优缺点优缺点 变流技术已从旋转式机组、水

6、银整流器到完全由电力变流技术已从旋转式机组、水银整流器到完全由电力半导体变流技术所替代。半导体变流技术所替代。其主要优点为：效率高、控制特性好、反应快、寿命其主要优点为：效率高、控制特性好、反应快、寿命长、体积小等。长、体积小等。 7电力电子装置的主要缺点有三个方面：电力电子装置的主要缺点有三个方面：(1) 过载能力小，使保护电路复杂，保护困难；过载能力小，使保护电路复杂，保护困难；(2) 产生高次谐波，对电网有干扰，使负载特性变差；产生高次谐波，对电网有干扰，使负载特性变差；(3) 功率因数低。功率因数低。 电力电子技术的发展趋势电力电子技术的发展趋势 器件器件的发展方向主要在以下方面：的发

7、展方向主要在以下方面： 大容量化大容量化单个器件的容量不断提高，以满足高压大单个器件的容量不断提高，以满足高压大电流的需要，如单个晶闸管的容量已达电流的需要，如单个晶闸管的容量已达8000V、6000A；高频化高频化在一定的开关损耗下尽量提高器件的开关速在一定的开关损耗下尽量提高器件的开关速度，可以提高系统的性能，改善波形，减小装置的体度，可以提高系统的性能，改善波形，减小装置的体积和重量；积和重量； 8易驱动易驱动由电流驱动发展为电压驱动，大力发展复合由电流驱动发展为电压驱动，大力发展复合型器件，如型器件，如IGBT、MCT，控制驱动功率小，可用专，控制驱动功率小，可用专用集成模块；用集成模

8、块；降低导通压降降低导通压降可可提高变流效率，减小能耗；提高变流效率，减小能耗；模块化模块化将几个器件封装在一起，缩小体积、减少连将几个器件封装在一起，缩小体积、减少连线；线； 功率集成化功率集成化将驱动、保护、检测、控制、自诊断等将驱动、保护、检测、控制、自诊断等功能与电力电子器件集成于一体，称为功率集成电路功能与电力电子器件集成于一体，称为功率集成电路PIC，实现集成电路功率化，功率器件集成化。，实现集成电路功率化，功率器件集成化。应用新材料应用新材料如碳化硅、金刚石等，可使器件的功率、如碳化硅、金刚石等，可使器件的功率、频率、导通压降、耐高温等性能更优良。频率、导通压降、耐高温等性能更优

9、良。9电路的发展：电路的发展： PWM技术技术由全控型器件组成的电路，采用由全控型器件组成的电路，采用PWM技技术已成为电力变换的主要方式，在逆变、斩波、变频术已成为电力变换的主要方式，在逆变、斩波、变频和整流中均有应用。和整流中均有应用。数字化与智能化数字化与智能化功率集成电路功率集成电路PIC和智能模块和智能模块IPM的应用，使得变换电路与计算机控制技术结合更加紧的应用，使得变换电路与计算机控制技术结合更加紧密。密。高效率与软开关技术高效率与软开关技术应用软开关技术可使电路中的应用软开关技术可使电路中的开关损耗和开关噪声大大地降低，可大幅提高开关频开关损耗和开关噪声大大地降低，可大幅提高开

10、关频率，也使变换器的效率得到提高。率，也使变换器的效率得到提高。电压电流过零切换，以实现开关损耗降为电压电流过零切换，以实现开关损耗降为0，且避免，且避免装置对电网与负载的电磁辐射和射频干扰。装置对电网与负载的电磁辐射和射频干扰。10随着新技术的大量应用，使变流装置的功率因数提高、随着新技术的大量应用，使变流装置的功率因数提高、谐波减少、动态响应更快。今后将向无公害化方向发谐波减少、动态响应更快。今后将向无公害化方向发展，使得装置的功率因数接近于展，使得装置的功率因数接近于1，输入电流无谐波。，输入电流无谐波。 学习要点学习要点 电力半导体器件工作在开关状态，而电压、电流是模电力半导体器件工作

11、在开关状态，而电压、电流是模拟量，所以是一类非线性电路。分析电力电子线路既拟量，所以是一类非线性电路。分析电力电子线路既不能用解析的方法，也不能用状态的方法，而要借助不能用解析的方法，也不能用状态的方法，而要借助于波形图对电路作定性分析。于波形图对电路作定性分析。学习时应重视对波形图的分析。掌握典型变流电路的学习时应重视对波形图的分析。掌握典型变流电路的工作原理、分析方法、参数计算和元件选择，详细分工作原理、分析方法、参数计算和元件选择，详细分析几个应用实例。析几个应用实例。 111.1 普通晶闸管普通晶闸管 结构结构：是一种四层三端器件。由：是一种四层三端器件。由PNPN四层半导体四层半导体

12、材料构成，三个引出端。四层形成三个材料构成，三个引出端。四层形成三个PN结。结。 GKAVTpnpnGKAj1j2j3工作原理：晶闸管内部导通工作原理可由双晶体管模工作原理：晶闸管内部导通工作原理可由双晶体管模型说明。型说明。pnpnGKAnpVT1ICOAKGVT2IA)(1III21G2coA 阳极电流为阳极电流为121314晶闸管工作演示电路晶闸管工作演示电路一些名词：阳极电压一些名词：阳极电压ua、阳极电流、阳极电流ia、门极电压、门极电压ug、门、门极电流极电流ig，正向、反向。，正向、反向。晶闸管工作特点：晶闸管工作特点：(1) 导通条件：导通条件：ua、ug为正；为正；(2) 晶

13、闸管门极只能控制导通，不能控制关断；晶闸管门极只能控制导通，不能控制关断；(3) 关断条件为阳极电流小于一定值或加上反向阳极电关断条件为阳极电流小于一定值或加上反向阳极电压。压。igugiauaEa主电路主电路Eg控制电路控制电路15iGuG0门极伏安特性门极伏安特性晶闸管特性：阳极伏安特性、门极伏安特性。晶闸管特性：阳极伏安特性、门极伏安特性。晶闸管主要参数晶闸管主要参数电压参数：电压参数：正、反向不重复峰值电压正、反向不重复峰值电压UDSM、URSM，正、反向重复，正、反向重复峰值电压峰值电压UDRM、URRM，通态平均电压，通态平均电压UT等。等。晶闸管的额定电压取晶闸管的额定电压取UD

14、RM、URRM中较小值。中较小值。iGuG0iAuA0UBO阳极伏安特性阳极伏安特性16电流参数：电流参数：通态平均电流通态平均电流IT，浪涌电流，浪涌电流ITSM，维持电流，维持电流IH，掣住，掣住电流电流IL。IT为导通角为导通角180 的单相半波整流电流平均值的单相半波整流电流平均值 m0mTItd) tsin(I21I对应电流有效值对应电流有效值2Itd) tsinI (21Im02m 正弦半波电流波形系数正弦半波电流波形系数 57. 12IIKTf i t02 ImIT17实际晶闸管的电流波形通常不是正弦半波，而电流的实际晶闸管的电流波形通常不是正弦半波，而电流的热效应与电流的有效值

15、有关，所以选择晶闸管时应根热效应与电流的有效值有关，所以选择晶闸管时应根据电流有效值相等原则来确定。据电流有效值相等原则来确定。晶闸管的允许的额定电流有效值为晶闸管的允许的额定电流有效值为I=1.57IT，实际波，实际波形的电流有效值不能大于此值。形的电流有效值不能大于此值。例：流过晶闸管的电流波形如图例：流过晶闸管的电流波形如图2 /2Imi t0Id平均值平均值 Id=Im/4有效值有效值 I=Im/2若取若取IT=100A，则，则I=1.57IT=157=Im/2，即，即Im=314A。若取若取Id100A，则，则Im=400A，I=200=1.57IT，即，即IT=127A。18门极参

16、数：门极参数：门极触发电压门极触发电压UGT，门极触发电流，门极触发电流IGT；门极不触发电；门极不触发电压压UGD，门极不触发电流，门极不触发电流IGD。动态参数：动态参数：开通时间开通时间ton，关断时间，关断时间toff，通态电流临界上升率，通态电流临界上升率di/dt，断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt。导通时，导通时，di/dt过大会损坏管子；过大会损坏管子；iGuG0UGTUGDIGTIGDPmpnpnGKAi=Cjdu/dtCj关断时，关断时，du/dt过大会产生误触发。过大会产生误触发。 191.3 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路可控整流电路是将固定电压的

17、交流电变成可调直流电可控整流电路是将固定电压的交流电变成可调直流电压的电路。压的电路。主电路部分包括三个部分：交流电源，整流电路，直主电路部分包括三个部分：交流电源，整流电路，直流负载。流负载。 交流电源：单相、三相、多相。交流电源：单相、三相、多相。整流电路：不可控整流，可控整流。整流电路：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，全控可控整流包括半波整流，全波整流（半控整流，全控整流）。整流）。直流负载：电阻性、电感性、电容性、反电势。直流负载：电阻性、电感性、电容性、反电势。一些电路分析假设：理想化管子、周期性波形、参数一些电路分析假设：理想化管子、周期性波形、参数

18、为零或无穷大等。为零或无穷大等。20u1RVTu2uAKudid uVT t0u2 t0ud t0触发电路触发电路自然换流点自然换流点延迟角延迟角 导通角导通角 单相半波可控整流单相半波可控整流电路电阻性负载电路电阻性负载 21u1RVTu2uAKudid ud t0整流电压平均值整流电压平均值2cos1U45. 0ttdsinU221tdu21U22dd 整流电流平均值整流电流平均值 Id=Ud/R晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值 22sin41RUtdi21I2202d221.4 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路1.4.1 单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路电阻性负载电阻性负

19、载 u2 t0ud t0u1RVTu2uAKudidL接入续流二极接入续流二极管可使输出平管可使输出平均电压增大。均电压增大。电感性负载电感性负载 23电路分析：电路分析：结构为桥式，结构为桥式，一对共阴极，一对共阴极，一对共阳极。一对共阳极。13abR42要点：自然换要点：自然换流点，触发导流点，触发导通，管子轮流通，管子轮流导通，两个晶导通，两个晶闸管同时导通。闸管同时导通。idu113abR42u2ud+ id13abR42u1u2ud+ 24 ud t0波形分析：波形分析：uT1 t0u2 t0uabuba i2 t013abR42idi2u1u2ud25桥式整流电路，管子都不导通时，

20、管子承受电压为电桥式整流电路，管子都不导通时，管子承受电压为电源一半。源一半。单相桥式电阻性负载全控整流电路移相范围单相桥式电阻性负载全控整流电路移相范围180 。参数计算：参数计算：负载平均电压、平均电流负载平均电压、平均电流 2cos1U9 . 0ttdsinU21tdu21U222dd Id=Ud/R负载电流有效值负载电流有效值 tdRtsinU21tdRu21I22202d 2sin21RU22I 26功率因数功率因数 2sin21URIIURISPPF22222随随 增加，功率因数减小。即使是电阻负载，当增加，功率因数减小。即使是电阻负载，当 0时，时，功率因数小于功率因数小于1，如

21、，如 =90 时，时，cos =0.707。电阻、电感负载电阻、电感负载电感电流不能突变，电感为储能元件，输出端有反向电感电流不能突变，电感为储能元件，输出端有反向电压。当电感足够大时，即电压。当电感足够大时，即 LR，电流连续，电流连续。 电路分析：换相（换流），触发换流，电流连续，每电路分析：换相（换流），触发换流，电流连续，每管导通管导通180 。晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值 2ItdRu21I222VT 27ud t0 13abR42idLu1u2udu2 t0uT1 t0波形分析：波形分析：28当电感足够大，当电感足够大， LR时，纹波很小，认为电流连续时，纹波很小，认为电流连续

22、且平直。且平直。 电流波形电流波形: 90 ，ud=0，电流不，电流不连续。连续。参数计算：参数计算：大电感，电流连续，大电感，电流连续，090 ，负载电压、电流平均，负载电压、电流平均值值 cosU9 . 0cosU22tdu1U222d Id=Ud/R电流有效值：电流有效值： 2IIIIIVT2d 29u2 t0iT2 t0ud t0i2 t0iT1 t0idId13abR42idLu1u2ud30当负载电感较小时，电流不连续，当负载电感较小时，电流不连续， 、 、 之间关系之间关系由超越方程确定由超越方程确定 LRexp)sin()sin(这种情况使得电路特性变差，也不容易分析计算，以这

23、种情况使得电路特性变差，也不容易分析计算，以下不再讨论。下不再讨论。为使电流连续，可在负载端串联电感。为使电流连续，可在负载端串联电感。电感性负载并联续流二极管，使得负载电压不再出现电感性负载并联续流二极管，使得负载电压不再出现负值，可增加输出直流电压负值，可增加输出直流电压Ud。具有续流二极管的电路波形分析：具有续流二极管的电路波形分析：31：u2 t0ud t0iT2 t0iT1 t0iD t0Id13abR42idLu1u2udD32求周期性矩形波的求周期性矩形波的电流有效值：电流有效值： 2ItdI21tdi21Id2d2020i t2 Id若矩形波宽度为若矩形波宽度为 ，幅值为，幅值

24、为Id，则电流有效值为，则电流有效值为例：带续流二极管单相可控电路，电感负载，例：带续流二极管单相可控电路，电感负载， 60 ，各管子有效值电流各管子有效值电流3I360120IIddVT 3I360260IIddD 331.4.2 单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路电阻负载电阻负载T1D1abRD2T2idu1u2udu2 t0ud t0uT1 t034电阻负载半控电路的输出波形电阻负载半控电路的输出波形ud、id与全控电路相同，与全控电路相同，晶闸管承受电压不同。晶闸管承受电压不同。电阻电感负载电阻电感负载电感足够大，电流连续。电感足够大，电流连续。T1D1abRD2T2idLu1u

25、2ud电路分析：整流管自然换流，晶闸管强迫换流；电路分析：整流管自然换流，晶闸管强迫换流；电流连续，每管导通电流连续，每管导通180 ；同一桥臂的晶闸管和整流管构成续流回路。同一桥臂的晶闸管和整流管构成续流回路。35u2 t0ud t0iT1 t0iD2 t0i2 t0T1D1abRD2T2idLu1u2ud36iD2 t0u2 t0ud t0iT1 t0T1D2T1D1iT2iD1T2D1T2D2T1D1abRD2T2idLu1u2ud37T1D2T1D1T1D2iD2 t0iD1iT1 t0iT20ud t半控电路电感性负载时，若一个晶闸管失效，会出现半控电路电感性负载时，若一个晶闸管失效

26、，会出现失控现象。失控现象。T1D1abRD2T2idLu1u2ud加入续流加入续流二极管可二极管可避免失控避免失控D381.5 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路三相半波电路有共阴极和共阳极二种结构电路。三相半波电路有共阴极和共阳极二种结构电路。通常经变压器供电，变压器接成通常经变压器供电，变压器接成 /Y，二次侧必须有中，二次侧必须有中线。线。1.5.1 三相半波不可控整流电路三相半波不可控整流电路电阻性负载电路分析要点：电阻性负载电路分析要点：整流输出电压波为三相电压中幅值最高的相电压；整流输出电压波为三相电压中幅值最高的相电压；整流管反相电压为三相电源的线电压；整流管反相电压为三

27、相电源的线电压；自然换流自然换流(换相换相)点在二相电压波的交叉点；点在二相电压波的交叉点；三管轮流导通，每管一周内导通三管轮流导通，每管一周内导通120 ；每周脉动三次，脉动频率是电源频率的三倍。每周脉动三次，脉动频率是电源频率的三倍。39 t0uaucubud t0uabuacuD1idud13abcABCR2401.5.2 三相半波电阻负载可控整流电路三相半波电阻负载可控整流电路电路分析：电路分析：晶闸管触发导通，相电压高于其他相电压；晶闸管触发导通，相电压高于其他相电压；延迟角延迟角 起始点为自然换相点，对于起始点为自然换相点，对于VT1， t=30 时，时， 0；电压过零时晶闸管关断

28、，每管导通角电压过零时晶闸管关断，每管导通角120 。波形分析：波形分析： 30 时，时，整流电流波形连续，导通角整流电流波形连续，导通角120 ； 30 时，电流波形不连续，导通角时，电流波形不连续，导通角120 ；电流波形与电压波形相同；电流波形与电压波形相同；每周期三个波，输出电压基波频率是电源频率每周期三个波，输出电压基波频率是电源频率3倍；倍；移相范围为移相范围为150 。41 ud t0uaucub =30 ud t0uaucub =120 ud t0uaucub =60 id13abcABCR2ud42参数计算：参数计算： 0 30 时，负载平均电压值时，负载平均电压值 cosU

29、17. 1ttdsinU23/21U2150302d)30cos(13U17. 1ttdsinU23/21U2180302d 30 150 时时，负载平均电压值，负载平均电压值RUIdd 负载电流平均值负载电流平均值晶闸管两端电压最大值为线电压峰值晶闸管两端电压最大值为线电压峰值2.45U2。 0 时输出平均电压最大时输出平均电压最大 Ud0=1.17U2431.5.3 三相半波感性负载可控整流电路三相半波感性负载可控整流电路电路和波形分析电路和波形分析 90 时电流不连续，输出电压平均值为时电流不连续，输出电压平均值为0。输出平均电压输出平均电压 Ud=1.17U2cos 输出平均电流输出平

30、均电流 Id=Ud/R晶闸管平均电流晶闸管平均电流 IdT=Id/3晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值 dd12002dVTI577. 03ItdI21I 晶闸管承受最大电压晶闸管承受最大电压 UTM=2.45U244ud t0uaucub =30 ud t0uaucub =60 ud t0uaucub =90 id13abcABCR2Lud4560 ud t0uaucub ud t0uaucubid13abcABCR2ud三相半波可控整流共阳极接法电路三相半波可控整流共阳极接法电路461.6 三相桥式可控整流电路三相桥式可控整流电路三相桥式整流电路二次侧没有直流分量，整流电压的三相桥式整流电路

31、二次侧没有直流分量，整流电压的纹波更小。纹波更小。三相全控桥式整流电路可看作两个三相半波整流电路三相全控桥式整流电路可看作两个三相半波整流电路的串联。的串联。共阴极电路共阴极电路共阳极电路共阳极电路Rid0pqud输出电压为输出电压为 ud=uPuQ47id135abcABCR4620pqud1.6.2 三相全控桥式整流电路三相全控桥式整流电路电路分析：电路分析：三相变压器接法三相变压器接法 /Y；晶闸管导通顺序，晶闸管导通顺序，1234561，依次，依次相隔相隔60 触发导通，同时有两个晶闸管导通，需要宽脉触发导通，同时有两个晶闸管导通，需要宽脉冲触发；冲触发；共阴极点电位共阴极点电位up，

32、共阳极点电位，共阳极点电位uq，输出电压是两者，输出电压是两者之差，即之差，即 ud=uPuQ48135abcABCR462T1,T6导通导通ud135abcABC462idRT1,T2导通导通ud135abcABC462idRT3,T2导通导通ud135abcABC462idR49T3,T4导通导通ud135abcABC462idRT5,T6导通导通ud135abcABC462idRT5,T4导通导通ud135abcABC462idR50电阻负载时波形分析电阻负载时波形分析换相分别在共阴极组和共阳极组中进行；换相分别在共阴极组和共阳极组中进行；输出电压由两组相电压波形合成，负载上为线电压波输

33、出电压由两组相电压波形合成，负载上为线电压波形，每周期脉动六次；形，每周期脉动六次； 60 时电流不连续；时电流不连续；每个管子导通角每个管子导通角120 ，电阻负载时，电阻负载时移相范围移相范围120 ；三相桥式电路脉冲宽度需大于三相桥式电路脉冲宽度需大于60 ，或双脉冲。，或双脉冲。 tig2 tig3 tig4 tig5 tig6 tig160 120 360 51u2 t0uaucubabud t0bcacbacbcaabbcac =0 upuqidud135abcABCR4620pq52u2 t0uaucubabud t0bcacbacbcaabbcac30 idud135abcABCR4620pq53u2 t0uaucubabud t0bcacbacbcaabbcac60 idud135abcABCR4620pq54ud0Ruab1iduac2ubc3uba4uca5ucb6