第一章电力电子技术.ppt

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1、电力新知识、新技术,2,目 录,2,电力电子技术,单片机（微机）原理,变电站综合自动化,特高压交直流输电,第一章 电力电子技术,4,1.1 绪论,1.1 绪论 一、电力电子技术的概念 电力电子技术：应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，包括对电能的频率、相位、大小进行控制。横跨“电力”、“电子”及“控制”三个领域。,5,1.1 绪论,二、电力电子器件的分类 电力电子器件按照开通、关断控制方式可分为三大类 （1）不可控型 （二极管） 为二端器件，一端是阳极，另一端是阴极。其开关操作仅取决于施加于器件阳、阴极间的电压。正向导通，负向关断，流过其中的电流是单方向的。其

2、开通和关断不能按需要控制，为不控型器件。,6,1.1 绪论,（2）半控型 （晶闸管） 是三端器件:阳极、阴极和控制门极。也具有单向导电性，开通需在其阳、阴极间施加正压，而且还必须在门极输入正向控制电压，开通可以被控制。然而这类器件一旦开通，就不能再通过门极控制其关断，只能从外部改变加在阳、阴极间的电压极性或强制阳极电流变成零才能使其关断。 （3）全控型 （MOSFET、IGBT） 这类器件也是带有控制端的三端器件，控制端不仅可控制其开通，而且也能控制其关断，故称全控型。,7,1.1 绪论,三、电能变换的类型 电能变换的四种类型： 交流-直流(AC-DC)变换：将交流电转换为直流电，称整流。 直

3、流-交流(DC-AC)变换：将直流电转换为交流电。当输出接电网时，称之为有源逆变；当输出接无源负载时，称之为无源逆变。 交流-交流(AC-AC)变换：将交流电能的参数加以变换。其中：改变交流电压有效值称为交流调压；将工频交流电直接转换成其他频率的交流电，称为交-交变频。 直流-直流(DC-DC)变换：将恒定直流变成断续脉冲输出，以改变其平均值。,8,1.1 绪论,四、电力电子变流技术的发展 变流技术的发展已经历了以下三个阶段。 （1）第一阶段是电子管、离子管（闸流管、汞弧整流器）的发展与应用阶段； （2）第二阶段是硅整流管、晶闸管的发展与应用阶段； （3）第三阶段是全控型电力电子器件的发展与应

4、用阶段，是电力变流器向高频化发展的阶段，也是变流装置的控制方式由移相控制向时间比率控制发展的阶段。,9,1.1 绪论,五、电力电子变流技术的应用 1、电机传动与控制,数控机床,轧钢机,冶金工业,10,1.1 绪论,2、电子装置用电源,程控交换机,电子装置,微型计算机,11,1.1 绪论,3、电力系统,SVC,高压直流装置HVDC,柔性交流输电FACTS,12,1.1 绪论,4、交通运输,13,1.1 绪论,5、家用电器,14,1.1 绪论,6、其他,大型计算机的UPS,新型能源,15,1.2 电力电子器件,一、晶闸管 晶闸管是一种能够用控制信号控制其导通，但不能控制其关断的半控型器件。其导通时

5、刻可控，满足了调压要求。它具有体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维护简单、操作方便和寿命长等特点，获得了广泛的应用。晶闸管也有许多派生器件，如快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LCT）等。,16,1.2 电力电子器件,具有四层PNPN结构、三端引出线(阳极A、阴极K、门极G)的器件。其结构、电路符号、等效电路如下图示。,17,1.2 电力电子器件,晶闸管导通必须同时具备两个条件: （1）晶闸管主电路加正向电压。 （2）晶闸管控制电路加合适的正向电压，即具有一定宽度的正向脉冲电压（触发脉冲）。 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器

6、件。为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值（维持电流）以下，这可以通过增大负载电阻、降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。,18,1.2 电力电子器件,19,1.2 电力电子器件,晶闸管的主要参数 额定电压UTn 额定电流IT：温度稳定在额定值125度时所允许的通态平均电流。 维持电流IH ：在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流。 擎住电流IL：晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流IL约为维持电流IH的(24)倍。 门极触发电流IGT ：在室温且阳

7、极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。,20,1.2 电力电子器件,二、电力MOSFET 功率场效应晶体管，简称P-MOSFET。特点是：属电压全控型器件、控制极静态内阻极高、驱动功率很小、工作频率高、热稳定性优良、无二次击穿、安全工作区宽和跨导线性度高等。但P-MOSFET的电流容量小、耐压低、功率不易做得过大。常用于中小功率开关电路中。 根据导电沟道的类型可分为N沟道和P沟道两大类； 根据零栅压时器件的导电状态分为耗尽型和增强型两类； 目前功率MOSFET的容量水平为50A500V，频率为100kHz。,21,1.2 电力电子器件,N沟道结构图,其结构、

8、等效电路如下图示。外部有三个电极(G栅极、D漏极、S源极)。,22,1.2 电力电子器件,寄生二极管使P-MOSFET无反向阻断能力。 P-MOSFET输出特性反映的是：当UGS一定时， ID与UDS间的关系曲线族.它分为三个区域，即线性导电区I，饱和恒流区II和雪崩击穿区III。 在线性导电区内，ID与UDS几乎呈线性关系。 在饱和恒流区中，当UGS不变时，ID趋于不变。 当UDS增大至使漏极PN结反偏电压过高，发生雪崩击穿，ID突然增加，此时进入雪崩区，直至器件损坏。 转移特性表征器件输入电压对输出电流的控制作用和放大能力。 UT是P-MOSFET的开启电压(又称阀值电压)。,23,1.2

9、 电力电子器件,转移特性,输出特性,24,1.2 电力电子器件,P-MOSFET的主要参数 漏源击穿电压BUDS （最高工作电压） 、栅源击穿电压BUGS （栅源最高电压）、漏极最大电流ID （电流容量） 、开启电压UT （导通的最小栅源电压） 、通态电阻Ron （影响最大输出功率） 、极间电容（影响开关速度）。,25,1.2 电力电子器件,三、绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 绝缘栅双极型晶体管，简称IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)。是由P-MOSFET与双极晶体管混合组成的电压控制的全控双极型自关断器件。它将P-MOSFET和GTR的优点集于一身

10、，既具有P-MOSFET输入阻抗高、开关速度快、工作频率高、热稳定性好、无二次击穿和驱动电路简单的长处，又有GTR通态压降低、耐压高和承受电流大的优点。IGBT的发展方向有两个：一是追求更低损耗和更高速度；二是追求更大容量。,26,1.2 电力电子器件,其结构、电路符号、等效电路如下图示。外部有三个电极(G栅极、C集电极、E发射极)。,27,1.2 电力电子器件,当UCE0时，J3的PN结处于反偏，IGBT呈反向阻断状态。 当UCE0时，分两种情况： （1）若栅极电压UGEUT（开启电压），沟道不能形成，IGBT呈正向阻断状态。 （2）若栅极电压UGEUT ，栅极下的沟道形成，从而使IGBT正

11、向导通。此时，空穴从P+区注入到N基区进行电导调制，减少N基区电阻RN的值，使得IGBT也具有很低的通态压降。 当IGBT栅极加上正电压时，MOSFET内形成沟道，使IGBT导通；当IGBT栅极加上负电压时，MOSFET内沟道消失，IGBT关断。,28,1.2 电力电子器件,转移特性,输出特性,29,1.2 电力电子器件,IGBT的主要参数 集射极额定电压UCES、栅射极额定电压UGES 、栅射极开启电压UT、集电极额定电流IC （集电极最大连续电流）、通态压降UCE(on) 、最大集电极电流ICM （擎住效应）,30,1.3 整流与逆变电路,一、整流电路 1.单相半波可控整流电路（电阻性负载

12、）,31,1.3 整流与逆变电路,变压器Tr起变换电压和隔离的作用。 在电源电压正半波，晶闸管承受正向电压，在t=处触发晶闸管，晶闸管开始导通；负载上的电压等于变压器输出电压u2。在t=时刻，电源电压过零，晶闸管电流小于维持电流而关断，负载电流为零。 在电源电压负半波，uAK0，晶闸管承受反向电压而处于关断状态，负载电流为零，负载上没有输出电压，直到电源电压u2的下一周期。直流输出电压ud和负载电流id的波形相位相同。,32,1.3 整流与逆变电路,改变触发角的大小，直流输出电压ud的波形发生变化，负载上输出电压平均值发生变化，显然=180时，Ud=0。由于晶闸管只在电源电压正半波内导通，输出

13、电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，故称“半波”整流。,33,1.3 整流与逆变电路,几个名词： （1）触发角与导通角 触发角也称触发延迟角或控制角，是指晶闸管从承受正向电压开始到导通时止之间的电角度。 导通角，是指晶闸管在一周期内处于通态的电角度。 （2） 移相与移相范围 移相是指改变触发脉冲ug出现的时刻，即改变控制角的大小。 移相范围是指触发脉冲ug的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范围是0180。,34,1.3 整流与逆变电路,2.单相半波可控整流电路（阻感性负载）,35,1.3 整流与逆变电路,工作原理 （1）在t=0期间：晶闸管阳-阴

14、极间的电压uAK大于零，此时没有触发信号，晶闸管处于正向关断状态，输出电压、电流都等于零。 （2）在t=时刻，门极加触发信号，晶闸管触发导通，电源电压u2加到负载上，输出电压ud= u2 。由于电感的存在，负载电流id只能从零按指数规律逐渐上升。 （3）在t=t1 t2期间：输出电流id 从零增至最大值。在id的增长过程中，电感产生的感应电势力图限制电流增大，电源提供的能量一部分供给负载电阻，一部分为电感的储能。,36,1.3 整流与逆变电路,（4）在t=t2 t3期间：负载电流从最大值开始下降，电感电压改变方向，电感释放能量，企图维持电流不变。 （5）在t=时，交流电压u2过零，由于感应电压

15、的存在，晶闸管阳极、阴极间的电压uAK仍大于零，晶闸管继续导通，此时电感储存的磁能一部分释放变成电阻的热能，另一部分磁能变成电能送回电网，电感的储能全部释放完后，晶闸管在u2 反压作用下而截止。直到下一个周期的正半周，即t=2+时，晶闸管再次被触发导通，如此循环不已。 与电阻性负载相比，负载电感的存在，使得晶闸管的导通角增大，在电源电压由正到负的过零点也不会关断，输出电压出现了负波形，输出电压和电流的平均值减小；大电感负载时输出电压正负面积趋于相等，输出电压平均值趋于零。,37,1.3 整流与逆变电路,3.单相半波可控整流电路（阻感性负载加续流二极管）,38,工作原理 在电源电压正半波，电压u

16、20，晶闸管uAK0。在t=处触发晶闸管，使其导通，形成负载电流id，负载上有输出电压和电流，此间续流二极管VD承受反向阳极电压而关断。 在电源电压负半波，电感感应电压使续流二极管VD导通续流，此时电压u2 0， u2通过续流二极管VD使晶闸管承受反向电压而关断，负载两端的输出电压为续流二极管的管压降，如果电感足够大，续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通，使id连续，且id波形近似为一条直线。,1.3 整流与逆变电路,39,1.3 整流与逆变电路,以上分析可看出，电感性负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，续流二极管可起到提高输出电压的作用。在大电感负载时负载电流波形连续且近

17、似一条直线，流过晶闸管的电流波形和流过续流二极管的电流波形是矩形波。 对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器移相范围与单相半波可控整流器电阻性负载相同，为0180，且有+=180。,40,1.3 整流与逆变电路,4.单相桥式全控整流电路（电阻性负载）,41,1.3 整流与逆变电路,工作原理 （1）在u2正半波的（0）区间： 晶闸管VT1、VT4承受正压，但无触发脉冲。四个晶闸管都不通。假设四个晶闸管的漏电阻相等，则uT1.4= uT2.3=1/2 u2。 （2）在u2正半波的t=时刻： 触发晶闸管VT1、VT4使其导通。电流沿 aVT1RVT4bTr的二次绕组a流通，负载上有电压（ud

18、=u2）和电流输出，两者波形相位相同且uT1.4=0。此时电源电压反向施加到晶闸管VT2、VT3上，使其承受反压而处于关断状态，则uT2.3=u2。晶闸管VT1、VT4直导通到t=止，此时因电源电压过零，晶闸管阳极电流下降为零而关断。,42,1.3 整流与逆变电路,（3）在u2负半波的（+）区间： 晶闸管VT2、VT3承受正压，因无触发脉冲，VT2、VT3处于关断状态。此时，uT2.3=uT1.4= 1/2 u2。 （4）在u2负半波的t=+时刻： 触发晶闸管VT2、VT3，元件导通，电流沿 bVT3RVT2aTr的二次绕组b流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载电阻上，负载上有输出电压（u

19、d=-u2）和电流，且波形相位相同。此时电源电压反向加到晶闸管VT1、VT4上，使其承受反压而处于关断状态。晶闸管VT2、VT3一直要导通到t=2为止，此时电源电压再次过零，晶闸管阳极电流也下降为零而关断。晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3在对应时刻不断周期性交替导通、关断。,43,1.3 整流与逆变电路,单相桥式整流器电阻性负载时的移相范围是0180。=0时，输出电压最高；=180时，输出电压最小。晶闸管承受最大正反向电压Um是相电压峰值。 负载上正负两个半波内均有相同方向的电流流过，从而使直流输出电压、电流的脉动程度较前述单相半波得到了改善。变压器二次绕组在正、负半周内均有大小相等、方向

20、相反的电流流过，从而改善了变压器的工作状态，并提高了变压器的有效利用率。,44,1.3 整流与逆变电路,5.单相桥式全控整流电路（阻感性负载）,45,1.3 整流与逆变电路,6.单相桥式半控整流电路（阻感性负载带续流二极管）,46,1.3 整流与逆变电路,二、逆变电路 逆变电路是把直流电逆变成交流电的电路。按照负载性质的不同，逆变分为有源逆变和无源逆变。 当可控整流电路工作在逆变状态时，如果把该电路的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变成与交流电源同频率的交流电返送到电网上去，则称作有源逆变。 如果可控整流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到无源负载，则称为无源逆变。,47,1.3 整流与逆变电

21、路,48,1.3 整流与逆变电路,三、交流-交流变换电路,49,1.3 整流与逆变电路,负载上交流电压有效值U与控制角的关系为 电流有效值 电路功率因数 电路的移相范围为0 。,50,四、直流-直流变换电路 1.降压式直流斩波电路（BUCK）,1.3 整流与逆变电路,51,1.3 整流与逆变电路,电路的工作原理 1）当VT导通时，电源E向串在回路中的电感L充电，电感电压左正右负；而负载电压上正下负，此时在R与L之间的二极管VD被反偏截止。由于电感L的恒流作用，此充电电流为恒值I1。另外，VD截止时C向负载R放电，由于C已经被充电且C容量很大，所以负载电压保持为一恒值，记为U0。设VT的导通时间

22、为ton，则此阶段电感L上的储能可以表示为 ； 2）在VT关断时，储能电感L两端电势极性变成左负右正，VD转为正偏，电感L与电源E叠加共同向电容C充电，向负载R供能。如果VT的关断时间为toff，则此时间内电感L释放的能量可以表示为,52,1.3 整流与逆变电路,基本数量关系 当电路处于稳态时，一个周期内电感L储存的能量与释放的能量相等，即 = 由上式可求出负载电压U0的表达式，即 U0 = 由斩波电路的工作原理可看出，周期T toff，或T / toff1，故负载上的输出电压U0高于电路输入电压E，该变换电路称为升压式斩波电路。,53,1.3 整流与逆变电路,2.升压式直流斩波电路（BOOS

23、T）,54,1.3 整流与逆变电路,电路的工作原理 1）当VT导通时，电源E向串在回路中的电感L充电，电感电压左正右负；而负载电压上正下负，此时在R与L之间的二极管VD被反偏截止。由于电感L的恒流作用，此充电电流为恒值I1。另外，VD截止时C向负载R放电，由于C已经被充电且C容量很大，所以负载电压保持为一恒值，记为U0。设VT的导通时间为ton，则此阶段电感L上的储能可以表示为 ； 2）在VT关断时，储能电感L两端电势极性变成左负右正，VD转为正偏，电感L与电源E叠加共同向电容C充电，向负载R供能。如果VT的关断时间为toff，则此时间内电感L释放的能量可以表示为 。,55,基本数量关系 当电路处于稳态时，一个周期内电感L储存的能量与释放的能量相等，即 = 由上式可求出负载电压U0的表达式，即 U0 = 由斩波电路的工作原理可看出，周期T toff，或T / toff1，故负载上的输出电压U0高于电路输入电压E，该变换电路称为升压式斩波电路。,1.3 整流与逆变电路,