电机与电气控制

电机与电气控制推荐教材：《电工学Ⅱ——电机与电气控制》侯世英主编高等教育出版社电力电子技术变压器电动机继电接触器控制系统电工测量安全用电电力电子技术电力电子概述常用电力电子器件简介电力电子电路1.1电力电子与信息电子1.2两大分支1.3地位和未来什么是电力电子技术？电力电子技术概述信息电子技术——信息处理电力电子技术——电力变换电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。模拟电子技术电子技术信息电子技术电力电子技术数字电子技术电力电子技术——使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即

应用于电力领域的电子技术。目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。1.1

电力电子与信息电子电力电子器件应用技术---变流技术用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术。是电力电子技术的核心。1.2电力电子技术的两大分支电力电子器件制造技术电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。电力——交流和直流两种

从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流。电力变换四大类

交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流表1

电力变换的种类进行电力变换的技术称为变流技术。逆变直流斩波直流交流电力控制变频、变相整流交流交流直流输出输入变流技术电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。计算机人脑

电力电子技术消化系统和循环系统电力电子＋运动控制肌肉和四肢电力电子技术是电能变换技术,是把粗电变为精电的技术，能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源，因此，电力电子技术将青春永驻。电力电子技术在21世纪将会起着十分重要的作用，有着十分光明的未来。1.3地位和未来电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新技术。历史是人类社会的一面镜子分析过去、现在有助于把握未来科学史是科学家的一面镜子了解一门学科的过去、现在有助于把握未来电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。晶闸管问世，(“公元元年”)IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生电力电子技术的发展史晶闸管变流技术一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业（可调直流电源）交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿电子装置电源：为信息电子装置提供动力家用电器：“节能灯”、变频空调其他：

UPS、航天飞行器、新能源、发电装置电力电子技术的应用轧钢机数控机床冶金工业电解铝1）一般工业电力电子技术的应用2）交通运输电力电子技术的应用3）电力系统SVC高压直流装置HVDC柔性交流输电FACTS电力电子技术的应用4）电子装置用电源程控交换机电子装置微型计算机电力电子技术的应用5）家用电器电力电子技术的应用6）其他大型计算机的UPS航天技术新型能源电力电子技术的应用总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，激发人们学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源，因此可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速，在使用量十分庞大的照明电源等方面，因此它也被称为是节能技术。电力电子技术的应用听了这些，你对电力电子技术了解了吗？1）概念:电力电子器件（PowerElectronicDevice）

——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路（MainPowerCircuit）

——电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。2）分类:

电真空器件

(汞弧整流器、闸流管)

半导体器件

(采用的主要材料硅）电力电子器件的概念和特征电力电子器件常用电力电子器件简介能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗电力电子器件的概念和特征电力电子器件的损耗电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路（变换电路）组成。图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行应用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路半控型器件（Thyristor）

——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET)——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。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。

电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：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。电压驱动型

——仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。电力电子器件的分类

按照驱动电路信号的性质，分为两类：不可控器件—电力二极管二极管你知道什么？1、特性？2、特点？3、基本参数有那些？电力二极管（PowerDiode）结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。(SR)快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。不可控器件—电力二极管·引言整流二极管及模块基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。图1-2电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号PN结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态——二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。

PN结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿PN结与电力二极管的工作原理

PN结的状态电力二极管与普通二极管的区别？额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。有效值=1.57IF(AV)电力二极管的主要参数1)

正向平均电流IF(AV)在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。3）反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。是其雪崩击穿电压UB的2/3,使用时，应当留有两倍的裕量。

4）反向恢复时间trr

trr=td+

tf电力二极管的主要参数2）正向压降UF结温是指管芯PN结的平均温度，用TJM表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125~175

C范围之内。6)浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。电力二极管的主要参数5）最高工作结温TJM1)普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路其反向恢复时间较长(5us以上)正向电流定额和反向电压定额可以达到很高

数千安和数千伏以上.按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。电力二极管的主要类型简称快速二极管快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。电力二极管的主要类型2)快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（10~40ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。电力二极管的主要类型3.肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）。半控器件—晶闸管晶闸管的结构与工作原理晶闸管的基本特性晶闸管的主要参数晶闸管的派生器件半控器件—晶闸管·引言1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）图1-6晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。晶闸管的结构与工作原理常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构晶闸管的结构与工作原理图1-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理按晶体管的工作原理，得：双晶体管构成内部的正反馈关系当晶闸管加上正向电压，同时在门极加上足够的正向电压时，则有电流流入VT2的基极，使VT2导通，VT2导通后，其集电极电流流入VT1的基极，使VT1的基极也导通，如此往复循环，形成强烈的正反馈过程，使两个晶体管到饱和导通，使晶闸管迅速由阻断状态转变为导通状态。IG→IB2↑→IC2(IB1↑)↑→IC1↑IB1IB2晶闸管的基本特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管的基本特性（1）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）静态特性图1-8晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG晶闸管的基本特性反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。图1-8晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性

晶闸管的基本特性1)

开通过程延迟时间td(0.5~1.5

s)上升时间tr

(0.5~3

s)开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr

（1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2)

关断过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr

（1-7)普通晶闸管的关断时间约几百微秒2）

动态特性图1-9晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的主要参数断态重复峰值电压UDRM

——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。国标规定重复频率为50HZ，每次时间不超过10ms。反向重复峰值电压URRM

——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压UT——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。使用注意：1）电压定额晶闸管的主要参数通态平均电流

IT(AV）——在环境温度为40

C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流IH

——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流

IL

——晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。浪涌电流ITSM——指由于电路异常情况引起的使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。2）电流定额晶闸管的主要参数

除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：断态电压临界上升率du/dt

——指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。

——电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。

通态电流临界上升率di/dt

——指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。

——如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3）动态参数晶闸管的派生器件有快速晶闸管和高频晶闸管。开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10

s左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。1）快速晶闸管（FastSwitchingThyristor——FST)晶闸管的派生器件2）双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）图1-10双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。晶闸管的派生器件逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor——RCT）a)KGAb)UOII