第4章电力电子技术

1、第4章电力电子技术第一部分分析方法、分析软件分析方法、分析软件信息电子技术中器件工作在放大状态或信息电子技术中器件工作在放大状态或开关状态开关状态.而电力电子技术中器件只工而电力电子技术中器件只工作在开关状态作在开关状态.电力电子技术电力电子技术高高压压直直流流输输电电静静止止无无功功补补偿偿交交直直流流电电力力传传动动电电解解电电镀镀电电加加热热电电力力机机车车牵牵引引电气工程电气工程分支分支高性能交直流电源高性能交直流电源控制理论控制理论电力电子技术电力电子技术弱电和强电接口弱电和强电接口弱电控制强电弱电控制强电基础基础元件元件支撑支撑技术技术实实现现广泛用于广泛用于电力电子装置电力电子装

2、置是自动化的是自动化的电力电子技术电力电子技术电力电子器件电力电子器件制造技术制造技术变流技术变流技术直流直流电力电力交流交流交流变交流交流变交流直流变直流直流变直流直流变交流直流变交流交流变直流交流变直流电力变换电力变换转转转轧钢机数控机床冶金工业电解铝电化学工业中整流变压器电化学工业中整流变压器冶金工业中高频感应加热电源设备冶金工业中高频感应加热电源设备电化学整流电源设计电化学整流电源设计电力电子技术在汽车电力电子技术在汽车42V直流总线下直流总线下DJ型交流电力传动机车型交流电力传动机车磁悬浮列车磁悬浮列车飞机飞机 西门子（西门子（Siemens）公司）公司施奈德公司施奈德公司 富士公司

3、富士公司 安圣（华为电气）变频器系列安圣（华为电气）变频器系列ABB公司公司HVDCFACTS程控交换机微型计算机5）家用电器直流变频空调的电路原理图直流变频空调的电路原理图 变频空调控制器变频空调控制器交流变频控制器的原理框图交流变频控制器的原理框图 (6)(6)其它其它大型计算机的UPS新型能源器件晶闸管问世，(公元元年)IGBT出现 功率集成器件晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代全控型器件迅速发展史前期（黎明期）1904193019471957197019801990 2000t(年)晶体管诞生器件一、基本模型：一、基本模型：器件器件器件AGKGKA器件螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外

4、形及结构器件器件常规快速 晶闸管高频 晶闸管与普通晶闸管相比快速 晶闸管关断时间为数十微秒高频 晶闸管关断时间为10s左右电压和电流定额不易做高应用于400Hz和10kHz以上的斩波或逆变电路中开关时间以及du/dt、di/dt的耐量都有了明显的改善器件 是一对反并联结的普通晶闸管的集成。 有两个主电极T1和T2，一个门极G。 门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通。 不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。a)b)IOUIG=0GT1T2器件是将晶闸管反并连一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。与普通晶闸管相比正向压降小关断时间短高温

5、特性好额定电流晶闸管电流反并联的二极管的电流b)a)UOIKGAIG=0器件 是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。 小功率光控晶闸管只有阳 极和阴极两个端子。 大功率光控晶闸管带有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器的光缆。 光触发保证主电路与控制电路之间的绝缘，避免电磁干扰的影响。器件电力MOSFETIGBT单管及模块器件平板式平板式器件螺旋式螺旋式器件功能模块功能模块器件散热器散热器器件门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO电力晶体管电力晶体管GTRC电力场效应晶体管电力场效应晶体管MOS绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTMOS控制晶闸管控制晶闸管MCT静电感应晶体管静电感应

6、晶体管SIT静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT器件返回l结构发展知识背景结构发展知识背景器件器件AC/DCb)c)d)e)f)u2uaubuca a =0Ow wt1w wt2w wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1w wtw wtw wtw wtw wtRidabcTudVT2VT1VT3器件AC/DC器件AC/DCwupud1,ud2OO60 360 wt1wttuaubucucuaubub器件AC/DCCLRBA1*0 滞后 30 3iAc1b1a11c2b2a2iab2ua2b2ua1b1ia1idud0a)b)c)d)ia1

7、Id180360ia2iab2iAIdiab2wtwtwtwt000Id2333Id33IdId32 3(1+ )Id32 3(1+)Id33Id13器件AC/DC同步环节同步环节锯齿波的形成锯齿波的形成移相移相环节环节脉冲形脉冲形成与放成与放大大强触发强触发双窄脉冲形成双窄脉冲形成器件AC/DCusa1234567111091413128161512345671110914131281615KJ004KJ004-15 V+15 V12345671110914131281615KJ004RP6RP3(1 6 脚为 6路单脉冲输入)12345671110914131281615KJ 041(15

8、10 脚为 6路双脉冲输出)至 VT1usbuscupucoR19R13R20R14R21R15R9R3R6R18R8R2R5R17R7R1R4R16R10R11R12C7C4C1C8C5C2C9C6C3RP4RP1RP5RP2至 VT2至 VT3至 VT4至 VT5至 VT6完整的三相全控桥触发电路完整的三相全控桥触发电路+15VU UA AU UB BU UC C放大环节放大环节g1g2g3g4g5g6直流偏压直流偏压控制电压控制电压器件AC/DC单相触发三相触发器件AC/DCtOtOtOtOtOq qb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo+- -CRLUdV1V2V3V

9、4VD1VD2VD3VD4uoiotOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud3器件DC/ACM3UVW+- -LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT5VT6UVWNT1A1T2B1A21C1B21A22C21B22C22uUNuU2uU1UdIII器件DC/AC+VDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILIL+_器件DC/DCERVDa)CVL1L2uo+器件DC/DCROu1uoioVT1VT2u1uoio

10、uVTwtOwtOwtOwtRL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3器件AC/ACn负载acn负载abca)b)负载abcc)负载bd) 图4-9abcuaubuciaUa0nuaubucianuaubucianuaubuciaVT1VT3VT4VT5VT6VT2器件AC/ACPuoZNuo0输出电压 ap=0平均输出电压2ap2apt器件AC/AC返回采样控制理论中一个重要结论冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同冲量 窄脉冲的面积效果基本相同 环节的输出响应波形基本相同d)单位脉冲函数f (t)d (t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正

11、弦半波脉冲tOtOtOf (t)f (t)f (t)PWM控制原理i (t )u (t)i(t)t0a)b)图6-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形具体的实例说明“面积等效原理”PWM控制原理OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波OutPWM控制原理Ou t若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。SPWM波Out如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波OutOutPWM控制原理PWM控制原理装置 指起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的指起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的直流稳压电源。直流稳压电源。稳压电源：通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。稳压电源：通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。1 1、线性稳压电源：、线性稳压电源：2 2、开关稳压电源：、开关稳压电源：装置1 1、线性稳压电源：、线性稳压电源：优点：优良的纹波及动态响应特性；优点：优良的纹波及动态响应特性；缺点：（缺点：（1 1）输入采用）输入采用50Hz50Hz工频变压器，体积庞大；工频变压器，体积庞大； （2 2）电压调整器件工作在线性放大区内）电压调整器件工作在线性放大区内,损耗