第十章-电力电子技术

电工电子技术教学课件第十章电力电子技术简介大庆职业学院王艳春第十章电力电子技术简介电力电子技术是一门应用于电力领域的电子技术，即使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下。利用电力电子器件可以实现整流，逆变，斩波，变频，变相等四种变换。电力电子技术的诞生是以1957年第一个晶闸管为标志的。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展，使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件，集驱动功率小、开关速度快、通态压降小、载流能力大于一身，其性能的优越性使之成为现代电力电子技术的主导器件。另外，为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式（功率模块）。后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。通常情况下，一个应用电力电子系统由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断来完成整个系统的功能。电力电子技术概述电力电子技术的作用与发展第十章电力电子技术简介(1)优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施。(2)改造传统产业和发展机电一体化等产业。据专家预测，今后的电能大部分要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有百分之九十五与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。(3)电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。(4)电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，能引起电子技术的重大改革。本章主要介绍几种电力电子器件、电力电子电路以及常用的电力电子装置。电力电子技术概述电力电子技术在以下几个方面有着明显的优势：

晶闸管(俗称可控硅)是一种大功率半导体可控器件。具有电流容量大、耐压高、控制灵敏、体积小、重量轻、使用简单等优点。主要用于整流、逆变、调压和开关等电路中，并广泛应用于直流电动机的调速、电解和电镀、弧焊等电路或电源中。下面主要介绍单向晶闸管的工作原理、特性及参数。晶闸管的基本结构是由三个PN结四层半导体构成的，从中引出三个电极分别是阳极（A）、阴极(K)和门极(G)一、晶闸管的结构与符号

第一节晶闸管（a）结构与符号(b)塑封晶闸管(c)螺栓型晶闸管(d)平板型晶闸管KGA第十章电力电子技术简介二、晶闸管的工作特性第十章电力电子技术简介第一节晶闸管晶闸管的主要工作特点有以下几个方面：（1）要使晶闸管导通必须同时具备两个条件：晶闸管阳极加上正向电压，即管子阳极端的电位高于阴极端的电位；门极要加上适当的正向电压或电流，即门极端的电位高于阴极端的电位。（2）在晶闸管导通之后，即使门极电流消失，晶闸管仍将处于导通状态。因此，门极的作用仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，控制极就失去了控制作用。（3）要想关断晶闸管，最根本的方法就是将晶闸管的阳极电流减小到小于维持电流。具体就是减小阳极和阴极间电压，将阳极电源断开或在阳极和阴极间加反向电压。正向导通RVSAU

AUGVSAU

AUGUG·反向截止VSAU

AHL正向阻断SAUGU

ARVHL正向导通三、晶闸管的主要参数

（1）额定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。其中断态重复峰值电压UDRM指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；反向重复峰值电压URRM指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。（2）额定电流（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。（3）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，一般为1V左右。（5）维持电流IH：使晶闸管维持导通所必需的最小电流。

第十章电力电子技术简介第一节晶闸管

第十章电力电子技术简介四、晶闸管的派生系列第一节晶闸管GT1T2KGAGKAGKA器件类型符号

特点快速晶闸管（FST）（1）有快速晶闸管和高频晶闸管（2）普通晶闸管的关断时间为数百微秒，快速晶闸管则为数十微秒。（3）高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。双向晶闸管（TRIAC）(1)可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。(2)有两个主电极T1和T2，一个门极G。(3)双向晶闸管门极加正、负触发脉冲都能使管子触发导通(4)不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。光控晶闸管（LTT）(1)又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。(2)光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。(3)用在高压大功率的场合。如8kV/3.5kA，装置最高达300MVA，容量最大。门极可关断晶闸管（GTO）(1)可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。(2)GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。制造水平6kV/6kA。

一、单相可控整流电路

第十章电力电子技术简介1．二极管的单向导电性

1．单相半波可控整流电路（1）电路组成和工作原理第二节晶闸管可控整流图10-2单相半波可控整流电路及工作波形VTTRLu1u2uLiL(a)

整流电路(b)

工作波形图u2wt0p2puguoaq00wtwt

第十章电力电子技术简介1．单相半波可控整流电路（2）电路输出电压和输出电流：

第二节晶闸管可控整流一、单相可控整流电路在晶闸管承受正向电压的时间内，改变控制极触发脉冲的加入时间，负载上得到的电压波形随之改变。晶闸管在加正向电压下不导通的区域称控制角α，如图10-2（b）所示。而导通区域称为导通角θ。可以看出导通角愈大，输出电压愈高，可控整流电路输出电压和输出电流的平均值分别为

由式(10—1)可知，只要适当改变控制角α，也就是控制触发信号的加入时间，就可灵活地改变电路的输出电压UL。单相半波可控整流电路简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。实际上很少应用此种电路。

第七章常用半导体器件2、单相半控桥式整流电路（1）电路组成和工作原理第二节晶闸管可控整流一、单相可控整流电路u1V1RLu2V2V3V4uLuLugaq00wtwtu2wt0p2p图10-3单相半控桥式整流电路(a)整流电路(b)电路输出波形

第十章电力电子技术简介第二节晶闸管可控整流单相半控桥式整流电路如图10-3(a)所示，图中V1和V4组成一对桥臂，在u2正半周承受正向电压，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。V2和V3组成另一对桥臂，在u2负半周承受正向电压，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。负载两端的电压波形如图10-3(b)所示。一、单相可控整流电路2、单相半控桥式整流电路（1）电路组成和工作原理（2）负载上获得的电压、电流的平均值二、三相半控桥式整流电路

第十章电力电子技术简介（1）电路组成和工作原理三相全控桥式整流电路由一组共阴极接法的三相半波可控整流电路和一组共阳极接法的三相半波可控整流电路串联而成，如图10-4所示。第二节晶闸管可控整流图10-4三相桥式整流电路u2UUVRLWu2V

L1u2W

L2

L3+-V1-V6

第十章电力电子技术简介共阴极组在电源电压正半周时导通，流经变压器次级绕组的电流为正；共阳极组在电压负半周时导通，流经变压器次级绕组的电流为负。因此，整流输出电压的平均值UL为三相半波整流时的两倍，在大电感负载时为式中U2为变压器次级相电压有效值。（2）电路的输出电压晶闸管弧焊整流器是一种直流弧焊电源。它利用可控的晶闸管做为整流器，而且完全采用电子线路实现控制功能。电源电压经三相主变压器降压，由晶闸管组进行整流，利用改变晶闸管触发角移相控制输出电流的大小。从输出端分流器上取出电流负反馈信号，使焊机获得下降的外特性。由于电流负反馈电路及控制电路的时间常数都较小，因此焊机的动特性好。由于具有较深的电流负反馈，焊机的电流稳定性好，当电网电压波动±10%时，补偿电路可使焊机电流保持稳定。因此，可以获得多种所需外特性，且可方便、精确、无级调节焊接电流和电压。第二节晶闸管可控整流二、三相半控桥式整流电路

第十章电力电子技术简介交流调压电路是只改变交流电的电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电力电子电路。交流调压电路广泛应用于工业和民用电气设备中，例如灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制)，异步电动机软起动，异步电动机调速，供用电系统对无功功率的连续调节，在高压小电流或低压大电流直流电源中。晶闸管串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可控制交流电力。晶闸管替代传统的机械开关对电路进行通断控制。晶闸管交流开关与机械开关相比，具有响应速度快、无触点、寿命长、适用于频繁的通断控制等优点。另外，晶闸管交流开关是在交流电源的过零点进行通断切换，在关断时可以抑制负载电感储能造成的瞬时过压，同时使负载的电压、电流最大限度地接近正弦波，对电源不构成谐波。第三节交流变换电路

第十章电力电子技术简介

1．单相交流调压器晶闸管交流开关组成的交流电压的基本形式如图10-10（a）所示。电路中晶闸管可以在门极电流的通断触发下，控制负载电流的通断。双向晶闸管在承受正向电压时触发导通，而在电压过零或承受反压时自然关断。一、晶闸管交流调压器第三节交流变换电路wtu0pwt0ug2p+a0ug1wt0wtuLap（c）电阻负载时的工作波形RuLuV1V2RULu（b）双向晶闸管构成的调压电路（a）两个反向并联晶闸管组成的调压电路

第十章电力电子技术简介2.三相交流调压器用三只双向晶闸管作开关元件，分别接至负载就构成了三相调压电路。负载可以是Y连接也可以是△连接。通过控制触发脉冲的相位控制角α，便可以控制加在负载上的电压的大小。电源u的正半周内，晶闸管V1承受正向电压，当ωt＝α时，触发V1使其导通，则负载上得到缺α角的正弦半波电压，当电源电压过零时，V1管电流下降为零而关断。在电源电压u的负半周，V2晶闸管承受正向电压，当ωt＝π＋α时，触发V2使其导通，则负载上又得到缺α角的正弦负半波电压。持续这样的控制，在负载电阻上便得到每半波缺α角的正弦电压。改变α角的大小，便改变了输出电压有效值的大小。1．单相交流调压器wtu0pwt0ug2p+a0ug1wt0wtuLap第三节交流变换电路一、晶闸管交流调压器

第十章电力电子技术简介晶闸管交交变频电路能够把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，属于直接变频电路。广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实际使用的主要是三相输出交交变频电路ZPNUL交交变频电路效率较高、可方便地实现四象限工作、低频输出波形接近正弦波。但交交变频电路的接线复杂，受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低。输入功率因数较低。输入电流谐波含量大，频谱复杂。三相交交变频主要应用于500kW或1000kW以上的大功率、低转速的交流调速电路中。目前已在轧机主传动装置、鼓风机、矿石破碎机、球磨机、卷扬机等场合应用。既可用于异步电动机，也可用于同步电动机传动。第三节交流变换电路二、交交型变频器

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2.特点及应用

不同半导体材料制造的发光二极管发出光的颜色不同，如磷砷化镓（GaAsP）材料发红光或黄光，磷化镓（GaP）材料发红光或绿光，氮化镓（GaN）材料发蓝光，碳化硅（SiC）材料发黄光，砷化镓（GaAs）材料发不可见的红外线。发光二极管的开启电压比普通二极管的大，门坎电压为0.9～1.1V，正向工作电压为1.5～2.5V,工作电流为5～15mA。反向击穿电压较低，一般小于10V。正向电流越大，发光越强。使用时，应注意不要超过最大功耗、最大正向电流和反向击穿电压等参数。（a）IGBT的简化等效电路(b)

电气图形符号

(c)实物图10-5绝缘栅双极型晶体管IGBT一、IGBT的结构和符号第四节绝缘栅双极型晶体管（IGBT）三、IGBT的特性和参数特点可以总结如下：第十章电力电子技术简介（1）开关速度高，开关损耗小。（2）相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。（3）通态压降比低。（4）输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。（4）与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。

2.特点及应用在应用电路中，IGBT的C接电源正极，E接电源负极。它的导通和关断由栅极电压来控制。栅极施以正向电压时，IGBT导通；在栅极上施以负电压时，IGBT关断。值得注意的是，IGBT的反向电压承受能力很差，其反向阻断电压UBM只有几十伏，因此限制了它在需要承受高反压场合的应用。选择和使用IGBT时主要考虑最大集射极间电压UCES、

最大集电极电流、最大集电极功耗PCM等参数。一、IGBT的结构和符号第四节绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

第十章电力电子技术简介

1.功率模块

20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。功率模块可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。如图10-6为IGBT晶闸管功率模块。四、功率模块和功率成电路第四节绝缘栅双极型晶体管（IGBT）（a）IGBT功率模块(b)功率集成电路图10-6功率模块和功率成电路

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2.功率成电路（PIC）将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率成电路（PIC）。类似功率集成电路的还有许多名称，但实际上各有侧重。高压集成电路（HVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率集成电路（SPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率模块（IPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（IntelligentIGBT）。如智能功率模块（IPM）主要应用于变频器、伺服驱动、变频电源和变频家电。功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。四、功率模块和功率成电路第四节绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

第十章电力电子技术简介直流变换电路能将某一直流电压变换成另一固定电压或大小可调的直流电压。它是利用电力电子开关器件周期性地开通与关断来改变输出电压的大小，也称直流斩波电路。直流变换电路在生产中用以构成直流脉冲调速电源和开关式稳压电源，适用于机床伺服系统和公共交通车辆传动。开关式稳压电源就是直流变换电路的一个应用实例，它与传统的线性直流稳压电源相比，效率高而体积小，成为新一代直流稳压电源。

第十章电力电子技术简介第五节逆变电路一、逆变电路的作用和分类在工程应用中，除了将交流电转变为大小可调的直流电外，还需将直流电转变为交流电。这种对应于整流的逆向过程，定义为逆变。例如，电力机车下坡行驶时，直流电动机工作在发电状态制动运行，机车的势能转变为电能，并反送到电网中。完成逆变功能的电路称为逆变电路。对于可控整流电路而言，只要满足一定条件，既可以工作于整流状态，又可以工作于逆变状态，这类电路称为变流电路或变流器。

逆变电路分为有源逆变和无源逆变。电路的交流侧与电网直接相连，直流电逆变成与电网同频率的交流电反送回电网，这种逆变称为有源逆变。有源逆变常用于直流可逆调速系统、交流绕线式转子异步电动机的串级调速以及高压直流输电等领域。无源逆变是将直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电直接供给负载。无源逆变主要用于变频电路、不间断电源UPS、开关电源和逆变电焊机等方面。变频电路分为交交变频和交直交变频两种。交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。

第十章电力电子技术简介第五节逆变电路二、逆变电路的基本工作原理负载S1S3S2S44iuLUi（a）电路示意图（b）电路输出波形图10-7逆变电路及其波形举例uLt1t2tiouL0在图10-7（a）所示的电路中，S1～S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uL为正；S1、S4断开，S2、S3闭合时，uL为负。通过这样的变换，就把输入的直流电变成了交流电。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。电阻负载时，负载电流iL和uL的波形相同，相位也相同,如图10-7（b）所示。阻感负载时，iL

uL滞后于uL，波形也不同。

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1．焊逆变器的组成及其作用三、弧焊逆变器第五节逆变电路弧焊逆变器是电子控制的弧焊电源中的一种新类型。因此它的组成、基本原理与通常的电子控制弧焊电源相比在本质上是基本相同的，一般都采用闭环反馈系统控制它的电气性能，即控制它的外特性和动特性给定电路工频交流变压器滤波器输出滤波电弧负栽逆变器输入整流输输入整流传感器比较放大驱动电路TRC电子控制电路直流直流高压中频低压中频直流图10-9逆变式弧焊电源电路结构图

第十章电力电子技术简介主要组成及其作用如下：（1）主电路：由供电系统、电子功率系统和焊接电弧等组成。供电系统把工频交流电经整流器变换为直流电供给电子功率开关系统（逆变器）。此外还通过变压、整流、滤波及稳压系统对电子控制系统提供所需的各种直流电压。电子开关系统是弧焊逆变器的逆变器主电路，起着变换电参数（电压、电流及波形）的作用。并以低电压大电流向焊接电弧提供所需的电气性能和工艺参数。这里必须指出，一个电子功率系统，其本身并不能焊接，必须与电子控制系统结合起来才能焊接。也就是说，只有两者的结合才能对焊接电弧提供所需要的电气性能和焊接参数。(2)电子控制系统对电子功率开关系统提供足够大的、按电弧所需变化规律的开关脉冲信号驱动逆变主电路的工作。(3)反馈给定系统由检测电路、给定电路、比较放大电路等组成。检测电路主要作用是提取电弧电压和电流的反馈信号；给定电路用于提供给定信号，决定对电弧提供焊接工艺参数的电流大小；与电子控制系统一起，实现对弧焊逆变器的闭环控制，并使它获得所需外特性和动特性。三、弧焊逆变器第五节逆变电路

第十章电力电子技术简介2．焊逆变器的基本工作原理在供电系统中，单相或三相交流电网电压，经输入整流器整流和滤波器滤波后获得逆变器所需的平滑的直流电压。该直流电压在电子功率开关系统中经逆变器的大功率开关器件（晶闸管、晶体管、场效应管或IGBT）组成的交替开关作用，变成几千至几万赫的中高频电流，再经过中高频变压器降至适合于焊接的几十伏低电压，并借助于电子控制系统的控制电路和给定反馈电路及焊接回路的阻抗，获得焊接工艺所需的外特性和动特性。如果需要采用直流电进行焊接，还需经输出整流器整流和滤波，把中高频交流电变成直流输出。弧焊逆变器主电路的基本工作原理可以归纳为：工频交流——直流——逆变为中高频交流——降压——二次整流——直流输出。3．逆变式弧焊电源的特点

逆变电源被称为“明天的电源”，其在焊接设备中的应用为焊接设备的发展带来了革命性的变化。弧焊逆变器具有高效节能、体积小、重量轻、良好的动特性和弧焊工艺性能；微机或单旋钮控制调节焊接工艺参数；设备费用较低等优点。但逆变电源但对制造技术要求较高。第五节逆变电路三、弧焊逆变器四、异步电动机的变频调速技术

第十章电力电子技术简介对交流电动机实现变频调速的装置叫变频器，其功能是将电网电压提供的恒压恒频CVCF交流电变换为变压变频VVVF交流电，通过变频伴随变压，对交流电动机实现无级调速。变频器可分为交—交变频器与交—直—交变频器两大类型，其结构对比如图10-10所示。(a)(b)交-交变频器3～整流器逆变器滤波器M3～M图10-10两种变频器的结构形式第五节逆变电路

第十章电力电子技术简介

目前，通用型变频器绝大多数是交—直—交型变频器，通常尤以电压型变频器为通用，其主回路图，如图10-10（b）所示，它是变频器的核心电路，由整流回路，直流滤波电路及逆变电路组成，还包括有限流电路、制动电路、控制电路等组成部分。图10-11为某变频器常见外形图，图10-12为目前常见的通用变频器内部结构图，它由主电路、给定电路、微机（单片机）控制系统、隔离驱动电路、保护电路、显示电路等部分组成。四、异步电动机的变频调速技术（1）主电路由整流、滤波和绝缘栅晶体管IGBT构成的逆变电路组成。完成交-直-交变换。（2）给定电路用于选择变频器的运行频率，一般由键盘设定，也可以用电位器设定。（3）微机控制系统主要根据用户所要求的运行频率，在内部进行补偿运算，算出与频率