电力电子基础知识大作业

学XXXxxx2015年6月12日第页1、概述从广义来讲，电子技术应包含信息电子技术和电力电子技术两大分支，而通常所说的电子技术一般指信息电子技术。电力电子技术也称为电力电子学，它真正成为一门独立的学科始于1957年第一只晶闸管的问世。在1970年国际电气和电子工程协会〔IEEE〕电力电子学会上对电力电理论及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术。它包括对电压、电流频率和波形的变换。”简言之，电力电子技术就是利用电力电子器件对电能形态进行变换和控制的一门技术。电力电子技术是电力、电子控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科，它们之间的关系可用倒三角图形描述，如图1-1所示。图1-1描述电力电子学的倒三角形第一，电力电子技术是在电子技术的基础上发展起来的，它们都可可分为器件、电路和应用三个部分，且器件的材料和制造工艺基本相同，只有两者的应用目的有所不同，电黄河科技学院课程作业第页3子技术应用于信息的处理〔如放大等〕，电力电子技术应用于电力变换和控制，它所变换的功率可大到数百甚至数千兆瓦，也可以小到几瓦或毫瓦数量级。第二，电力电子技术广泛应用于电器工程，如高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电器工程中，它对电器工程的现代化起着重要推动作用。第三，电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱点和强电之间的接口。而控制理论是实现这种接口的一种强有力的纽带,是电力电子技术重要理论依据。所以，也可以认为：电力电子技术是运用控制理论将电子技术应用到电力领域的综合性技术。2、电力电子常用器件2.1、电力电子器件概念可以直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。2.2、电力电子器件分类按照电力电子器件能够被控制所实现控制的程度分为以下三类：不可控器件(PowerDiode)：不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。半控型器件〔Thyristor〕：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断断，又称自关断器件。电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两类：电流驱动型：通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。关断的控制。2.3、不可控器件—电力二极管2.3.1电力二极管的工作原理第页结和两端引线以及封装外壳组成。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。如图2-1所示图2-1电力二极管的外形、结构和电气符号〔a)外形〔b)结构〔c)电气图形符号反向截止电流电压阻态第页由于电力二极管正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，而且其引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响；再加上其承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大的影响。此外，为了提高器件的反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。晶闸管这个名称往往专指普通晶闸管〔SCR〕，但随着电力电子技术的发展。晶闸管还应包括许多类型的派生器件。包括快速晶闸管〔FST〕、双向晶闸管〔TRIAC〕、逆导晶闸管〔RCT〕和光控晶闸管〔LTT〕等。这里所说的晶闸管都是指普通晶闸管。〔图e)图2-2晶闸管的外形及图形符号由于通过门极我们可以控制晶闸管的开通；而通过门极我们不能控制晶闸管的关断，因此，晶闸管才被我们称为半控型器件。第页图2-3晶闸管的管芯结构和等效电路按照等效电路和晶体管的工作原理，我们可列出如下方程：和ICO2则分别是V1和V2的共基极漏电流。推出：2G1)A12在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流饱和导通：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。晶闸管导通的必要条件是：必须在晶闸管的阳极、阴极加上正向电压。黄河科技学院课程作业第页72.5晶闸管的应用已被广泛应用于可控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域。2.6全控型电力电子器件晶闸管通过控制信号可以控制其导通，而无法控制其关断，因此，我们称其为半控型器件。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件。是当前电力电子器件中发展最快的一类器件，这类器件品种很多，目前常见结缘栅双极型晶体管〔IGBT〕等。根据器件内部载流子参与导电的种类不同，全控型器件又可分为单极型、双极型和复合型三类。器件内部只有一种载流子参与导电的称为单极型，如电力场控晶体管〔PowerMOSFET〕、静电感应晶体管〔SIT〕等；器件内部有电子和空穴两种载流子导型器件称为复合型器件，如IGBT等。2.6.1门极可关断晶闸管〔GTO〕门极可关断晶闸管GTO是普通晶闸管的一种派生器件，与晶闸管一样都是PNPN四层三端结构。其电压、电流容量较大，与普通晶闸管相近，因而在大功率场合仍有较多的应用。GTO主要用于直流变换和逆变等需要器件强迫关断的地方。不同的是，GTO是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出三个电极，但内部则包并联在一起。如图2-3是GTO的内部结构和电气图形符号第页图2-3GTO的内部结构和电气图形符号GTO的工作原理仍然可以用图2－4所示的互补双晶体管模型来分析P1N1P2和N1P2N2构成的两个互补晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益〔共基极放大倍数〕α1和α2。由普通晶闸管的分析可以看出，α1＋α2＝1是器件临界导通的条件。时，不能维持饱和导通而关断第页9电力晶体管〔Giant功率高耐压晶体管。因此，也称为BJT，在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称是等效的。它具有自关断能力、控制方便、开关时间短、高频特性好、价格低廉等优点。目前GTR的容量已达400A/1200V、1000A/400V，工作频率可达5kHz，因此被广泛应用于不停电电源、中频电源和交/直流电机调速等电力变流装置中。NPN三层扩散台面型结构是单管GTR的典型结构。如图〔a〕所示：图中掺杂浓度高为了提高GTR的耐压能力，在集电区中设置了轻掺杂的N—区。在两种不同类型的半导体交界处N+-P构成发射结J1,P-N构成集电结J2,如图〔b〕所示。GTR的结构及电气符号在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态，我们希望它在电路中的表现接近于理想开关-----即导通时的管压降趋近于零，截止时的电流趋近于零，而且两种状态间的转换过程要足够快。黄河科技学院课程作业第页图2-6GTR的开关电路及输出特性2.8绝缘栅双极型晶体管〔IGBT〕绝缘栅双极型晶体管〔InsulatedGateBipolar品已经系列化，其最大电流容量达1800A，最高电压等级达4500V，工作频率达50KHz。IGBT综合了MOSFET和GTR的优点，其导通电阻是同一耐压规格MOSFET的1/10，开关时间是同容量GTR的1/10。在电机拖动控制、中频电源、各种开关电源以及其他高速低耗的中、小功率领域，IGBT大有取代GTR和MOSFET的趋势。2.8.1IGBT的工作原理关断由栅极电压来控制。第页图2-7IGBT的结构、等效电路及电气符号整流电路：出现最早的电力电子电路的一种，也是应用最基本最广泛的电能变换电路，将交流电变为直流电。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向。电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同如图3-1(a)所示为单向半波带电阻性负载可控整流电路，它由整流变压器TR、晶闸管VT和负载电阻Rd组成。图中u1、u2分别为变压器一二侧电压瞬时值，ud.id分别是i2为变压器二次绕组电流瞬时值。黄河科技学院课程作业第页TiudVTuuuR12d202t1g0td0tuVT0t加触发脉冲止的电角度,导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用θ表示。移相范围:使整流电压平均值ud从最大值变到0时对应的α角的变化范围。直流输出电压平均值为1Ucos2sin)UUtdtcos)5U22d22方式。黄河科技学院课程作业第页13阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。电力电子电路的一种基本分析方法:通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通态时，相当于VT短路。VTiTduLRVTa)uuu12duuu2b)c)0t2t1g0td++d)e)0ttid0uVTf)0t图3-2带阻感负载的单相半波电路及其波形3.3单相桥式全控整流电路3.3.1带电阻负载的工作情况通，当u2过零时关断；VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2负半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。黄河科技学院课程作业第页TT13iVVdiT2aua)uuRd12bTT24VVudddid0tui20图3-3单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形3.3.2带阻感负载的工作情况假设电路已工作于稳态，如图3-4，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电+a时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。2OudOidIdOOiIdTOIdTi32OId4b3.4逆变电路逆变——与整流相对应，直流电变成交流电。交流侧接电网，为有源逆变。交流黄河科技学院课程作业第页15侧接负载，为无源逆变。3.4.1有缘逆变逆变电路普通晶闸管。其出端A、B、C经限流电感Lа、Lb和Lc与公共电网联结。此处三相电网作为逆变电路负载接受其馈入电能，桥中各晶闸管T1～T6均工作于开关状态，采用相控方式〔见电力电子电路〕。各晶闸管的导通时刻由加到各门极脉冲的相位决定。逆变桥可视为按一定时序依次轮番通断的6两支元件处于导通状态(其余为阻断状态)。例如在某一时刻有T1和T2导通，则有id此时作为电网相电流iA和ic有T4和T5id番通断，iA和ic均为交变方波。同理可知iB也为交变方波。由此可见,假设门极脉冲的基本重复频率保持与公共电网同步，则各相电流的重复频率也必然与电网同步，这样电网就得到由直流端提供的、由逆变电路转换的交流功率。当变换装置交流侧接在电网上，把直流电逆变成同频率的交流电回馈到电网上去，称为有源逆变。当变换装置交流侧和负载连接时，将由变换装置直接给电机等负载提供频率可变的交流电，这种工作模式称为无源逆变。有源逆变本质上是触发角大于90度的整流，有源逆变的拓扑结构与整流一模一样，只是当触发角大于90度时整流电路的功率方向发生了变化，相当于实现了逆变功能。所以有源逆变的交流侧一定需要电源无源逆变主要应用：各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。在整流和有源逆变电路中，工作状态的晶闸管处于交流电压作用下，其关断是靠源逆变电路中，晶闸管处于直流电压作用下，假设不采取措施是无法关断的。所以说，整流与有源逆变电路的主要矛盾是触发导通，而无源逆变电路的主要矛盾则是实现关断。黄河科技学院课程作业第页16交流变换电路是对交流电路的幅值、频率、相数等参数进行变换的电路。变频电路用于改变交流电能的频率，一般还可同时改变电压。变频电路分为直接变频电路和间接变频电路。前者不经过任何中间环节，直接将一种频率的交流电转变为另一种频率的交流电，通常还可同时控制输出电压。这类电路的优点是电能变换效率高；缺点是控制复杂，电路较庞大。间接变频电路需经两次以上变换才能将一种频率的变〕和交流-直流-高频-交流变频电路〔整流后先经逆变为高频，再经直接降频〕两类。3.6直流斩波电路。将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电；也称为直接直流--直流变换器〔DC/DCConverter〕。一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流——交流——直流直流斩波种类：6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路复合斩波电路——不同基本斩波电路组合多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合容性也提出了更高的要求。小型化、轻量化。开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。软开关技术降低开关损耗和开关噪声。使开关频率可以大幅度提高。路存在的开关损耗和开关噪声问题。黄河科技学院课程作业第页17其分为准谐振、零开关PWM和零转换PWM三大类；每一类都包含基本拓扑和众多的派生拓扑。零电压开关准谐振电路、零电压开关PWM电路和零电压转换PWM电路分别是三类软开关电路的代表；谐振直流环电路是软开关技术在逆变电路中的典型应用。PWM〔PulseWidth对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形〔含形状和幅值〕。直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术，斩控式交流调压电路。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础。原理内容：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。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。实例将图所示的脉冲作为输入，加在图4-2a所示的R-L4-2b给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。黄河科技学院课程作业第页电力电子技术是新兴的一种电子技术，被广泛的应用到电力电子领域，而且随着变频技术的研究和发展，电力电子的发展有了更有力的保障，目前，电子电力技术的作用主要在发电，输电，配电等各个环节。主要目的，为发电的实现起到了不可替代的作用。低压变频器技术已非常成熟，国内外有众多的生产厂家，并有完整的系列产品。风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的65%，发电厂的厂用电率平均为8%，且运行效率低。使用低压或高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以到达节能的目的。作用之二：太阳能发电的独立系统措施。大功率太阳能发电，无论是独立系统还是并网系统，通常需要将太阳能电池阵列发出的直流电转换为交流电，所以具有最大功率跟踪功能的逆变器成为系统的核心。日本实施的阳光计划以3～4kW以10～15kW的独立系统居多，而大型系统有在美国加州的西门子太阳能发电厂等。作用之三：挖掘变频电源的发电潜能水力发电的有效功率取决于水头水蓄能机组)，机组的最正确转速亦随之发生变化。风力发电的有效功率与风速的三次方成正比，风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。为了获得最大有效功率，可使机黄河科技学院课程作业第页19组变速运行，通过调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。作用之四：控制大型发电机的静止励磁静止励磁采用晶闸管整流自并励方式，具有结构简单、可靠性高及造价低等优点，被世界各大电力系统广泛采用。由于省去了励磁机这个中间惯性环节，因而具有其特有的快速性调节，给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。通过电子电力技术的四项突出作用让