东南大学-电力电子技术课件1

电力电子技术东南大学电气学院0.绪论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是由半导体材料制成的器件。主要包括三大类：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。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MOS门极晶闸管等。iu0理想开关iu0二极管iu0晶闸管iu0晶体管功率晶体管：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。功率晶体管特性类似于普通晶体管，但只用于开关状态。开关特性电力半导体器件主要作为开关来应用。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。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。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。容量控制特性工作频率整流管大不可控低晶闸管大半控中晶体管小全控高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，其最主要的应用就是用于电力变换，也称变流。A.CD.C整流：如直流调速、牵引整流站、电解、电镀等。D.CA.C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。A.CA.C变频：交流调压、周波变换，逆变电路，如照明、电炉、交流调速等。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。电源控制电路变流装置负载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，主要的控制方式有：相位控制、通断控制和脉冲宽度控制。优缺点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。其主要优点为：效率高、控制特性好、反应快、寿命长、体积小等。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；(2)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。电力电子技术的发展趋势器件的发展方向主要在以下方面：大容量化－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8000V、6000A；高频化－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，减小装置的体积和重量；易驱动－由电流驱动发展为电压驱动，大力发展复合型器件，如IGBT、MCT，控制驱动功率小，可用专用集成模块；降低导通压降－可提高变流效率，减小能耗；模块化－将几个器件封装在一起，缩小体积、减少连线；功率集成化－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PIC，实现集成电路功率化，功率器件集成化。应用新材料－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。电路的发展：PWM技术－由全控型器件组成的电路，采用PWM技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。数字化与智能化－功率集成电路PIC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密。高效率与软开关技术－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0，且避免装置对电网与负载的电磁辐射和射频干扰。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展，使得装置的功率因数接近于1，输入电流无谐波。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。1.晶闸管及其可控整流电路1.1普通晶闸管

结构：是一种四层三端器件。由PNPN四层半导体材料构成，三个引出端。四层形成三个PN结。GKAVTpnpnGKAj1j2j3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。pnpnGKAnpVT1ICOAKGVT2IA阳极电流为晶闸管外形晶闸管散热器晶闸管工作演示电路一些名词：阳极电压ua、阳极电流ia、门极电压ug、门极电流ig，正向、反向。晶闸管工作特点：(1)导通条件：ua、ug为正；(2)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压。igugiauaEa主电路Eg控制电路iGuG0门极伏安特性晶闸管特性：阳极伏安特性、门极伏安特性。晶闸管主要参数电压参数：正、反向不重复峰值电压UDSM、URSM，正、反向重复峰值电压UDRM、URRM，通态平均电压UT等。晶闸管的额定电压取UDRM、URRM中较小值。iGuG0iAuA0UBO阳极伏安特性电流参数：通态平均电流IT，浪涌电流ITSM，维持电流IH，掣住电流IL。IT为导通角180的单相半波整流电流平均值对应电流有效值正弦半波电流波形系数it02ImIT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。晶闸管的允许的额定电流有效值为I=1.57IT，实际波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2/2Imit0Id平均值Id=Im/4有效值I=Im/2若取IT=100A，则I=1.57IT=157=Im/2，即Im=314A。若取Id＝100A，则Im=400A，I=200=1.57IT，即IT=127A。门极参数：门极触发电压UGT，门极触发电流IGT；门极不触发电压UGD，门极不触发电流IGD。动态参数：开通时间ton，关断时间toff，通态电流临界上升率di/dt，断态电压临界上升率du/dt。导通时，di/dt过大会损坏管子；iGuG0UGTUGDIGTIGDPmpnpnGKAi=Cjdu/dtCj关断时，du/dt过大会产生误触发。1.3单相半波可控整流电路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。主电路部分包括三个部分：交流电源，整流电路，直流负载。交流电源：单相、三相、多相。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，全控整流）。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、参数为零或无穷大等。u1RVTu2uAKudiduVTt0u2t0udt0触发电路自然换流点延迟角导通角单相半波可控整流电路电阻性负载u1RVTu2uAKudidudt0整流电压平均值整流电流平均值Id=Ud/R晶闸管电流有效值1.4单相桥式可控整流电路1.4.1单相全控桥式整流电路电阻性负载u2t0udt0u1RVTu2uAKudidL接入续流二极管可使输出平均电压增大。电感性负载电路分析：结构为桥式，一对共阴极，一对共阳极。13abR42要点：自然换流点，触发导通，管子轮流导通，两个晶闸管同时导通。idu113abR42u2ud+id13abR42u1u2ud+udt0波形分析：uT1t0u2t0uabubai2t013abR42idi2u1u2ud桥式整流电路，管子都不导通时，管子承受电压为电源一半。单相桥式电阻性负载全控整流电路移相范围180。参数计算：负载平均电压、平均电流Id=Ud/R负载电流有效值功率因数随增加，功率因数减小。即使是电阻负载，当>0时，功率因数小于1，如=90时，cos=0.707。电阻、电感负载电感电流不能突变，电感为储能元件，输出端有反向电压。当电感足够大时，即L>>R，电流连续。

电路分析：换相（换流），触发换流，电流连续，每管导通180。晶闸管电流有效值udt013abR42idLu1u2udu2t0uT1t0波形分析：当电感足够大，L>>R时，纹波很小，认为电流连续且平直。电流波形:<90，电流连续；>90，ud=0，电流不连续。参数计算：大电感，电流连续，090，负载电压、电流平均值Id=Ud/R电流有效值：u2t0iT2t0udt0i2t0iT1t0idId13abR42idLu1u2ud当负载电感较小时，电流不连续，、、之间关系由超越方程确定这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。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：续流二极管作用：u2t0udt0iT2t0iT1t0iDt0Id13abR42idLu1u2udD求周期性矩形波的电流有效值：0it2Id若矩形波宽度为，幅值为Id，则电流有效值为例：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1.4.2单相半控桥式整流电路电阻负载T1D1abRD2T2idu1u2udu2t0udt0uT1t0电阻负载半控电路的输出波形ud、id与全控电路相同，晶闸管承受电压不同。电阻电感负载电感足够大，电流连续。T1D1abRD2T2idLu1u2ud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180；同一桥臂的晶闸管和整流管构成续流回路。u2t0udt0iT1t0iD2t0i2t0单相桥式半控整流电路电感负载T1D1abRD2T2idLu1u2udiD2t0u2t0udt0iT1t0T1D2T1D1iT2iD1T2D1T2D2T1D1abRD2T2idLu1u2ud同一桥臂管子构成续流回路T1D2T1D1T1D2iD2t0iD1iT1t0iT20udt半控电路电感性负载时，若一个晶闸管失效，会出现失控现象。T1D1abRD2T2idLu1u2ud加入续流二极管可避免失控D1.5三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。通常经变压器供电，变压器接成/Y，二次侧必须有中线。1.5.1三相半波不可控整流电路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；整流管反相电压为三相电源的线电压；自然换流(换相)点在二相电压波的交叉点；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。t0uaucubudt0uabuacuD1idud13abcABCR21.5.2三相半波电阻负载可控整流电路电路分析：晶闸管触发导通，相电压高于其他相电压；延迟角起始点为自然换相点，对于VT1，t=30时，＝0；电压过零时晶闸管关断，每管导通角≤120。波形分析：≤30时，整流电流波形连续，导通角＝120；>30时，电流波形不连续，导通角<120；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3倍；移相范围为150。udt0uaucub=30udt0uaucub=120udt0uaucub=60id13abcABCR2ud参数计算：＝0～30时，负载平均电压值＝30～150时，负载平均电压值负载电流平均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

Ud0=1.17U21.5.3三相半波感性负载可控整流电路电路和波形分析<90时电流连续，电流波形平直，导通角120，移相范围90。>90时电流不连续，输出电压平均值为0。输出平均电压Ud=1.17U2cos输出平均电流Id=Ud/R晶闸管平均电流IdT=Id/3晶闸管电流有效值晶闸管承受最大电压UTM=2.45U2udt0uaucub=30udt0uaucub=60udt0uaucub=90id13abcABCR2Lud60udt0uaucubudt0uaucubid13abcABCR2ud三相半波可控整流共阳极接法电路1.6三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的串联。共阴极电路共阳极电路Rid0pqud输出电压为ud=uP−uQid135abcABCR4620pqud1.6.2三相全控桥式整流电路电路分析：三相变压器接法/Y；晶闸管导通顺序，1234561……，依次相隔60触发导通，同时有两个晶闸管导通，需要宽脉冲触发；共阴极点电位up，共阳极点电位uq，输出电压是两者之差，即ud=uP−uQ135abcABCR462T1,T6导通ud135abcABC462idRT1,T2导通ud135abcABC462idRT3,T2导通ud135abcABC462idR三相全控桥式整流电路工作原理T3,T4导通ud135abcABC462idRT5,T6导通ud135abcABC462idRT5,T4导通ud135abcABC462idR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；输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；<60时电流连续；>60时电流不连续；每个管子导通角≤120，电阻负载时移相范围120；三相桥式电路脉冲宽度需大于60，或双脉冲。tig2tig3tig4tig5tig6tig160120360u2t0uaucubabudt0bcacbacbcaabbcac=0upuqidud135abcABCR4620pq三相桥式全控整流电路电阻负载u2t0uaucubabudt0bcacbacbcaabbcac30三相桥式全控整流电路电阻负载idud135abcABCR4620pqu2t0uaucubabudt0bcacbacbcaabbcac60三相桥式全控整流电路电阻负载idud135abcABCR4620pqud0Ruab1iduac2ubc3uba4uca5ucb6ABC三相桥式全控整流电路可等效为六相半波整流电路abudt0bcacbacbcaabbcac电路计算：＝0～60时输出平均电压＝60～120时输出平均电压

晶闸管承受的最大电压为电源线电压的峰值2.45U2。