现代电力电子技术(完整)

现代电力电子技术

讲稿姚河清2002.7.27概述1.电力电子技术的概念PowerElectronics&Conversiontechnolegy1.1电力电子技术：电子技术在大功率方面的应用

1.2变流技术：实现电流供流方式的转换例如：交流---直流、直流---交流、直流---直流、交流---交流2.电力电子变流技术的应用与发展

2.1电力电子变流技术的应用

例如：·输变电

·电力拖动（轧钢、纺织、造纸

等以及其他各种电机的拖动）2.2电力电子变流技术的发展发展的动力1）元器件

2）控制技术

3）变流技术3.本课程的教学计划3.1教学学时2学分3.2教学内容：整流、调压、逆变3.3教学目的：1）功率电子元件及应用

2）各种电路的工作原理分析及应用

3）电路设计

第一章晶闸管§1—1晶闸管(Thrystor)的工作原理1.晶闸管分类及应用1.1普通晶闸管；交---直变换为主，用作逆变、调压、开关等。1.2快速晶闸管；开通与关断速度快，一般用高频率的逆变、快速开关、调压等。1.3双向晶闸管；可双向道通、用于交流开关、调压。1.4其他晶闸管；可关断晶闸管、特殊门极晶闸管等。2.普通晶闸管的工作原理

2.1结构与等效电路（见图1—3）

2.2晶闸管的工作状态

1）反向截止

2）正向截止

3）正向导通

2.3状态转换

1）正向截止---正向导通（触发）条件：

A—K加正向电压，同时G—K加触发信号；

2）正向导通---截止（关断）条件：

A---K电流为零。

§1--2晶闸管的特性1.晶闸管的静态特性1.1V—A特性

UDRM—正向断态重复电压（可恢复90%UDSM）

UDSM--正向断态可恢复电压

URRM–反向断态重复电压（可恢复90%URSM）

URSM—反向断态可恢复电压

Ub0—反向击穿电压

IH—正向维持导电电流

IG—触发电流图1—42.晶闸管的门极V—A特性IGT—可靠触发最小电流UGT—可靠触发最低电压IFGM—门极正向峰值电流UFGM--门极正向峰值电压电压过低，电流过小不能触发；电压过高，电流过大可能烧坏。通常要远小于阳极电压和阳极电流。使用门极信号应注意：

1）有效触发（信号的电压、电流、时间要合适）

2）防止干扰

3）提高触发速度3晶闸管的动态特性

图1—6

主要考查参数

1）开通时间：

tgt=td+tr

；td–延迟时间；

tr--上升时间。

2）关断时间tg：从A—K间施加反向电压开始至恢复正向阻断所需时间。

tg=trr+tgr

trr—反向阻断恢复时间

tgr—正向阻断恢复时间通常：tgr要远大于trr3）动态损耗：

P损耗=断态损耗+通态损耗+开通损耗+关断损耗§1—4晶闸管的主要参数1.电压定额1.1断态重复峰值电压UDRM

工作于正向断态，重复频率50HZ，过电压连续时间≤10ms，晶闸管能达到的最高峰值电压；1.2反向重复峰值电压URRM=90%URSM（反向不重复峰值电压）晶闸管额定电压取值该管的UDRM与USRM中的最小值

1.3通态电压降UTH

2.电流定额

2.1通态平均电流IT（AV）---环境温度40°；电阻性负载；单相工频；半波整流；全导通；规定散热条件；稳定结温不超过规定值；允许的最大平均电流。

说明：1）电流导致晶闸管破坏的方式为热破坏。晶闸

管的允许承载电流（即额定电流IT（AV））是

晶闸管工作在确定的散热条件下，IT（AV）使

晶闸管发热达到规定结温。

2）与晶闸管的发热量相对应的是电流的有效值，而额定电流的计量用的是平均值，其他任意条件下选择晶闸管额定电流的方法：先将任意条件下的电流平均值转换成有效值（乘波形系数Kf)，然后将该有效值转换成规定条件的平均值（除以1.57）。

I/IT（AV）=

=1。57

其他条件下的IT（AV

）的计算方法（见表1—5）

通常对晶闸管额定电流的计算有两种形式：

1）已知晶闸管的工作电流波形和电路输出平均电流，

计算需要多大额定电流的晶闸管。

2)已知晶闸管额定电流和工作电路，求电路允许输出

最大平均电流。

注意：计算额定电流时必须考虑安全系数。

2.2维持电流；IH

2.3擎住电流；IL

2.4断态重复峰值电流IDRM（正向）；IRRM（反向）。也称为漏电流流过晶闸管的电流有效值电路输出的电流平均值3.门极定额

3.1门极触发电流IGT

3.2门极触发电压UGT

注意：门极定额取最小值，触发讯号必须大于该值才能

有效触发

4.动态参数

4.1断态电压临界上升速度du/dt

4.2通态电流临界上升速度di/dt

5.额定结温Tjm

§1—5其他相关器件介绍1.二极管1.1普通整流管1.2快速整流管1.3快恢复二极管1.4肖特基二极管2.晶闸管2.1快速晶闸管2.2双向晶闸管注意：双向晶闸管的电流定额用有效值表示。2.3逆导晶闸管

2.4多管封装管第二章单相可控整流§2—1单相半波整流1.电阻性负载2.电感性负载

2.1没有续流管（导通角延长）

2.2有续流管

负载角

负载角越大；导通角延长越长§2—2单相桥式整流1单相全控桥1.1电路结构1.2电阻性负载整流输出平均电压和平均电流的计算：（是半波整流的2倍）每只管子承受的工作电流平均值为1/2Id；

每只管子承受的最高工作电压为：

正向：

U2

反向：

交流侧电流的有效值：

在电源设计时要参考变压器的视在功率，即；

S=U2*I2

整流器输出电压的有效值：

整流器输出的有功功率：

电源的功率因数：

控制角α0306090120150180Ud/U20.90.840.6760.450.2260.060I2/Id1.111.171.331.571.972.82---cosΦ10.9870.8980.7070.4270.170表2—1单相全控桥整流的电压、电流比及功率因素

与控制角的关系上述这些参数对整流器的设计是有用的。控制角越小，电源的工作效率越高，但控制性能变差。在设计时必须综合考虑1—3电感性负载

由于电感的作用会延长晶闸管的导通时间，根据负载角

的不同延续时间不同。

以维持负载电流连续为前提，晶闸管的道通角为180°，即（α~π+α）则整流输出电压的平均值:

α的调节范围为0~90°晶闸管承受的最高正、反向电压为√2U2。如果电感足够大，输出电流的脉动可忽约不计，输出电流为恒定直流，变压器的输出电流为对称方波。30即：

I2/Id=1每只管子的电流有效值：IT=1/√2Id=0.707Id如果电感较小，电流不连续则：1—4.反电动势负载分析

晶闸管最小触发角：

αmin

停止导电角

反电动势使晶闸管的导通角减小，容易造成电流断续。常用的如电机的电枢供电，电流断续会有两方面的不利影响：

1）电磁力矩降低。当机械力矩增大时速度会降低。即：机械特性变软。

2）低速运行电流冲击加大，会引起很大的换相火花。常用解决办法：串联平波电抗器。平波电抗器的设计方法：设计原则：维持最低运行速度稳定，额定机械负载工作状态下的电流连续。当一定负载低速运行电流连续时，电枢电阻很小，为了简化运算，可忽略。简化后

求解，得：

该方程即为维持电流连续的最小电流求解方程。最小连续电流是触发角的函数。电路等效：回路方程：最小连续电流的平均值：

2.单相半控桥

2-1.电路原理图

2-2.电感性负载时有

无续流二极管的工作

效果分析：

由上式可设计电感。其他整流器可依此方法进行计算。1）无续流二极管

存在问题：失控现象。

解释：当触发角很小时，如果突然停止触发，假设此时是VT1-VD4之间道通，在停止触发后，电感的反感电势续流维持其道通，U2反向后还可以经VT1-VD2续流，当U2再换到正向时，由于VT1未关断，不经触发即可持续导通，既出现了失控。

2）有续流二极管

3）另一种半控桥2-3.反电动势负载：§2—3.单相可控整流的触发控制

1.对触发控制的要求

1-1同步

1-2.移相能达到所要求的移相工作区间

1-3.触发有效触发晶闸管的脉冲（电压、电流、时间）

2.单结晶体管式触发电路

2-1.单结晶体管当Ue＜UA时，二极管反向，只有很小的漏电电流。

当:

VD两端的电压为零，达到临界点P，对应的UP为峰点电压；IP为峰点电流。

当Ue＞Ua时，二极管正向导通，随电流Ie的增加，电阻

Rb1减小，行成P点至V点的负阻区，电流急剧增加。V点电压UV相当于二极管的正向压降，V点为谷点。

当Ue再次低于UV时，e与b1之间恢复阻断。

每只单结晶体管的η值不同，较多的在0.75左右。

2-2单结晶体管自激振荡器

振荡频率：物理意义：1）阻断状态时，UC的充电要能达到UP

以上，以使e—b1开通。

2）开通状态时，UC放电能底于谷点电压，以使e—b1之间灰复阻断。振荡条件：2-3单结晶体管式触发电路1）输出与控制电路有共零线：2).输出与控制电路隔离第三章三相可控整流§3—1三相半波可控整流1。电阻负载1。1电路原理（共阴接法）1.2典型波形α=

0时波形（见上图）最大导通角：β=2π/3最大移相范围：π/6~π最小电流连续触发角：α=30°；当α＞30°电流断续。半波整流对变压器工作状态的影响：次极绕组通过直流脉动电流。

1.3参数计算整流输出平均电压ud:a)当α≤30°时，各相工作区π/6+α~5π/6+α

α=0点的确定：自然换相点，ωt=π/6a)当α≤30°时，各相工作区π/6+α~5π/6+αb)当α＞30°时，各相工作区π/6+α~π输出负载电流

平均电流：Id=Ud/R相电流有效值：

1—电阻性负载2—电感负载3—电阻电感负载4—电阻负载时IT/Id上图反映了随着α的增大，变压器的工作效率降低；晶闸管的容量要增大。晶闸管承受的最高反向电压：URM=√2√3U2（线电压峰值）；最高正向电压：UFM=√2U2

2.电感性负载加电感是为了减小输出电流脉动。假设：

加电感后电流脉动很小，

各波形示意如图：当α=90°时，Ud=0,此时输出电压正负半周相等。

α的移相范围为：0~90°

输出电流为：晶闸管电流的有效值与相电流相等即：

I2=IT=Id/√3=0.577Id晶闸管承受的电压为线电压峰值，即：

UFM=URM=√2√3U2如果电感较小，当α较大时，不能满足电流连续要求，则电流断续。3.共阳接法

工作原理和共阴接法相同，输出负电压三相半波整流存在问题：变压器次极绕组的电流为直流，很容易造成铁芯磁饱和。§3-2三相全控桥1.电路工作原理理解方法1：正负两组三相半波的串联

理解方法2：电路工作过程分析三相交流相电压与线电压的矢量关系如图。同步点：自然换相点（即α=0点）当α=0时的工作过程分析：正向输出组（共阴极组）和反向输出组（共阳极组）都是自然换相点换相，在一个周期内VT1~VT6轮流道通，可分为6个工作区，每个工作区内同时有两个晶闸管导通。输出波形：ud为三相相电压的外包络线。或者是6相线电压的上包络线。要点：1）同时要求两管导通，共阳极组和共阴极组各

有一个晶闸管导通

2）触发要求：宽脉冲触发或者双窄脉冲触发

原因：同时两管导通，当其中一个换相时，

必须对换相管加脉冲，同时没有换相

的那个晶闸管也要加脉冲触发，

否则，当换相管换相时，有可能造成

回路电流断流，使没有换相的晶闸管

关断。

宽脉冲的宽度必须大于60°，宽脉冲的发生

电路比较复杂，通常用双窄脉冲触发较多。

3）晶闸管承受的最高正、反向电压为线电压的

峰值。

4）输出电压的脉动频率为相电压频率的6倍频。

脉动电压幅值为：2.α>0工作原理分析2.1电阻性负载

α=30°分析脉动为：

α=60°临界断续点当0＜α＜60°时：当60°

＜α＜120°时：2.2电感性负载

以电流连续为前提，则每只晶闸管的导通角始终

为120°

移相范围：0≤α≤90°

流过晶闸管的电流有效值为：

流过晶闸管电流平均值：

当变压器次极为Y型接法时，相电流有效值：

为三相半波整流的倍，每相的工作时间为三相半波的两倍。晶闸管最高承压为线电压峰值，与三相半波相同。

§3-3整流电压的谐波分析

谐波的概念：周期性非正弦函数可用付理叶级数分析。

即：一个非正弦函数可分解为无穷次正

弦函数的合成，各次正弦函数既为该非

正弦函数的对应次谐波。

研究目的：1）比较各种整流电路的工作效果，选择合

适的整流形式（通常要提高最低次谐波的

频率，降低最低次谐波的幅值。

2）正确设计滤波电路。

3）降低高次谐波对变压器一次侧的影响，减

小对电网的影响。1.多相整流电路的一般分析

1.1当α=0时

设：相数为M，输出电压以2π/M周期重复，将一个

周期作付氏变换。

进行付氏变换

付氏变换的一般表达式：

整流输出电压波形以纵座标对称，其函数为偶函数，付里叶展开为与余弦函数，即：式中：

Ud0既为直流输出平均电压

bn为n次谐波的幅值，则：

式中:nωt-----角频率分析式3-25可得到如下结论：1）m相整流电压只有以m为整数倍的谐波（如：三相半波整流只有3、6、9……倍频谐波；2）相数越多，谐波频率越高；对应各次谐波的幅值越小。纹波因数:

定义：

UR---纹波电压

式中：U--为整流输出电压的有效值。

可作为整流输出电压的脉动评价，越大，脉动越严重。1.2

α＞0分析

an和bn的求解可依P51式3-39和3-40式中：

§3-4变压器漏抗对整流电路的影响

变压器的漏感：

电磁藕和的漏磁引起。在变压器二次侧相当

于各相串联了一个电感，对整流输出电压

电流的影响如图所示。在换相期间，关断相

和开通相会存在一个电流衰减和电流递增的

重叠道通区：

γ---换相重叠区

γ区内的电压为导通两相电压的平均值。

漏感越大，γ角越大；

电流越大，γ角越大；

α角越大，角越小。γ影响：1）限制短路峰值电流，减缓电流变化速度。

2）导致波形畸变，影响电网。

3）α的调节范围减小，功率因素降低。通常设计要减小漏感，但漏感也有特殊应用，例如：电焊机。§3-5可控整流电路带反电势负载

经常应用于带电机负载，充电器等。

略§3-6大功率可控整流电路1.双反星型带平衡电抗器可控整流电路1.1电路原理图1.2电路原理分析要求：

1）各相参数相同

2）两组三相半波整流并联输出，同时有两管导通，提高电源的电流输出。问题：并联两相的瞬时电压不等，不能保证两管同时道

通。

解决办法：加平衡电抗器。

作用原理：两组三相半波的

α=0点都是自然换相点，

各自的工作原理与三相半波整流相同。

在接入平衡电抗器之后，以α=0的工作情况分析：

在正向组α=0点，假设此时V’相已经导通，能否实现两相同时导通的关键在于此时，V’相导通的同时，U相是否能触发导通。

如图V’相电流流过平衡电抗器下部绕组，有1/2UP压降

由于平衡电抗器的自感作用，会得到如图上‘+’下‘--’的感应电势UP，只要能满足：

VT1即可获得正向导通条件，加上触发即可导通。

Ud1和Ud2的电位差由平衡电抗器承担，即：

输出电压：ud=1/2(ud1+ud2)

输出电流：id=i1+i2

此种工作状态一直维持到反相组换相，在反向组的自然

换相点，将有v’相和w’相的换相，各波形如下图：

α＞0时的波形分析：电源的输出特性：当α=0时如下图Lp的电感量与Idmin的关系：

输出参数：输出特点：1）输出电流大；脉动小；

2）没有直流磁化问题（和6相半波相比）

3）变压器二次绕组的电流容量比六相半波整

流大一倍；

4）晶闸管的电流容量提高。

平衡电抗器的应用为不同相位的整流电路提供了并联运行的方法，可保持电流分配的平衡。

2.十二相整流电路

略

第四章.有源逆变电路1.逆变的概念交流---直流整流直流---交流逆变逆变交流输出负载为无源------无源逆变逆变交流输出负载为同频交流电源------有源逆变2.有源逆变的发生条件整流α的调节范围确定原则：从α=0到Ud=f(αmax)=0确定的αmax范围。当α＞αmax时，Ud为负值。但当负载具有反方向直流电源时，负载直流电源可以维持晶闸管导通，此时晶闸管的工作状态相当于将负载的直

流电源逆变成交流反送到交流电源，此种工作状态即称为

有源逆变。

3.有源逆变的应用

直流电动机停机、换相运行

高压直流输电等第五章交流调压与斩波电路§5-1交流调压电路利用晶闸管控制其导通时间，调节交流输出电压的方法。1）单相调压电路2.三相调压电路

2.1有零线接法

各相自成回路

2.2无零线接法2.2无零线接法

α=0(相电压过零点）触发和三相桥式整流相比：

同步点不同，要求在相电压过零点（三相桥式在自

然换相点）；

触发脉冲形式相同，要求宽脉冲或双窄脉冲触发。

2.3负载三角行接法§5.2斩波电路（直流调压）

通过晶闸管或其他元件的通断，调节直流电压输出。根据调制方法可分为：

1）脉宽调制型。周期（频率）不变，通过改变脉冲宽度，改变电压输出。

2）频率调节型。脉宽不变，通过改变频率，改变电压输出。1.降压崭波电路2.升压斩波电路3.复合斩波电路

1）电流可逆斩波电路(P118图5-18）

输出电压不改变方向，电流方向可变；

2）桥式可逆斩波电路(P118图5-19）

输出电压和电流方向都可变；

3）负载电流多重化斩波电路(P119图5-20）

4.晶闸管的换流

晶闸管的换流要求

晶闸管的换流电路第六章晶闸管的串并联与保护§6.1晶闸管的串并联1.串联目的：提高工作电压。

问题：各管的降压不均匀。

解决办法：1）用参数一致的晶闸管；

2）采用电阻均压；

3）使用时留有余量2.并联

目的：提高工作电流。

问题：各管的分流不均匀。

解决办法：1）用参数一致的晶闸管；

2）采用均流电路；（见P125图6-2）

3）使用时留有余量

§6.2晶闸管的保护1）过电流保护快速熔断器保护；快速短路器保护；反馈保护等。2）过电压保护过电压现象：雷电、合闸与分闸、晶闸管触发与关断等。常用保护措施：并联压敏电阻、并联R-C电路。3）电压上升速度与电流上升速度的保护电压上升速度限制：并联电容电流上升速度限制：串联电感一种电路第七章自关断器件

§7—1几种自关断器件介绍一.电力晶体管1.工作原理（与一般晶体管工作原理相同）2.通常应用模拟工作状态与开关工作状态3.应用特点

3.1.模拟运行：运行速度较快，控制失真小。

晶体管承受很大的功率损耗，不利于大功

率输出控制。

3.2.开关运行：晶体管轮流工作在饱和导通和截止状态。

控制原理：调频控制，PWM控制

调频控制PWM控制4.达林管顿

特点：提高放大倍数，减小控制电流Ib

二.电力场效应管

单个场效应管符号

（耗尽型：零电压导通，正负电压截止

增强型P沟道：正电压导通负电压截止

增强型N沟道：负电压导通正电压截止）电力场效应管为多个场效应管的并联

电力场效应管的开关特性：三.可关断晶闸管（GTO）

1.GTO的结构和工作原理

电力GTO是多个单GTO的并联结构，单个GTO的工作原理如下：上图中a1是P1N1P2的电流放大倍数;a2是N1P2N2的电流放大倍数.随Ie不同而改变关系曲线如上图。

根据原理图有：

IA=a1IA+a2Ik---------(7—7)

当门极电流为零时：

IA=Ik

即：a1+a2=1是GTO的临界饱和条件，

当a1+a2>1时GTO导通，反之GTO不能维持

饱和导通而关断.

当门极电流不等于零时GTO的阴极电流

IK=IA+IG-------------(7—8)

门极的控制增益为：(将式7-8带入式7-7）

当IG<0时

β为关断增