電力電子技術課件

1、第4章 電力電子技術1、什么是電力電子技術 將電子技術和控制技術引入傳統(tǒng)的電力技術領域，利用半導體電力開關器件組成各種電力變換電路實現(xiàn)電能的變換和控制，構成了一門完整的學科，被國際電工委員會命名為電力電子學（Power Electronics）或稱為電力電子技術。第一部分2、與其他學科之間的關系電力學電子學電力學控制理論電力電子技術電路、器件靜止器、旋轉電機連續(xù)、離散 與電子學的關系都分為器件與應用器件的材料、制造工藝應用的理論基礎、分析方法、分析軟件信息電子技術中器件工作在放大狀態(tài)或開關狀態(tài).而電力電子技術中器件只工作在開關狀態(tài).電力電子學和電力學關系電力電子技術廣泛用于電氣工程與電力學的關

2、系電力電子技術高壓直流輸電靜止無功補償交直流電力傳動電解電鍍電加熱電力機車牽引電氣工程分支高性能交直流電源與控制理論的關系控制理論電力電子技術弱電和強電接口弱電控制強電基礎元件支撐技術實現(xiàn)廣泛用于電力電子裝置是自動化的3、學科的組成變流技術電力電子器件構成各種電力變換電路對這些電路進行控制的技術變流技術（電力電子器件應用技術）電力電子技術的核心電力電子器件制造技術 電力電子技術的基礎直流電力交流交流變交流直流變直流直流變交流交流變直流電力變換4、研究任務 (1)電力電子器件的工作原理與應用 (2)電力電子電路的電能變換原理 (3)控制技術以及電力電子裝置的開發(fā)與應用。轉轉轉軋鋼機數(shù)控機床冶金工

3、業(yè)電解鋁5.電力電子技術的應用（1）一般工業(yè)電化學工業(yè)中整流變壓器冶金工業(yè)中高頻感應加熱電源設備電化學整流電源設計（2）交通運輸電力電子技術在汽車42V直流總線下DJ型交流電力傳動機車磁懸浮列車飛機部分國內外知名公司的變頻器 西門子（Siemens）公司施奈德公司 富士公司 安圣（華為電氣）變頻器系列ABB公司SVCHVDCFACTS（3）電力系統(tǒng)程控交換機電子裝置微型計算機（4）電子裝置用電源5）家用電器直流變頻空調的電路原理圖 變頻空調控制器交流變頻控制器的原理框圖 (6)其它大型計算機的UPS航天技術新型能源總之，電力電子技術的應用范圍十分廣泛，激發(fā)人們學習、研究電力電子技術并使其飛速發(fā)

4、展。電力電子裝置提供給負載的是各種不同的電源，因此可以說，電力電子技術研究的也就是電源技術。電力電子技術對節(jié)省電能有重要意義。特別在大型風機、水泵采用變頻調速，在使用量十分龐大的照明電源等方面，因此它也被稱為是節(jié)能技術。電力電子技術和運動控制一起，和計算機技術共同成 為未來科學技術的兩大支柱。計算機 人腦 電力電子技術 消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng) 電力電子運動控制 肌肉和四肢電力電子技術是電能變換技術,是把粗電變?yōu)榫姷募夹g， 能源是人類社會的永恒話題，電能是最優(yōu)質的能源， 因此，電力電子技術將青春永駐。 一門嶄新的技術，21世紀仍將以迅猛的速度發(fā)展。6 、 地位和未來(1)電力電子器件的發(fā)展 半導體

5、整流管（SR） 晶閘管（SCR）及其派生器件 功率晶體管（GTR） 功率場效應管（MOSFET） 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT） 功率集成電路（PIC）和智能功率模塊（IPM）器件電力電子技術的依賴于電力電子器件的發(fā)展晶閘管問世，(公元元年)IGBT出現(xiàn) 功率集成器件晶閘管時代水銀（汞?。┱髌鲿r代全控型器件迅速發(fā)展史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生器件理想開關一、基本模型：二、基本特性：（1）電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)。（2）電力電子器件的開關狀態(tài)由外電路（驅動電路）來控制。（3）在工作中器件的功率損耗（通態(tài)、斷態(tài)、開關損

6、耗）很大。為保證不至因損耗散發(fā)的熱量導致器件溫度過高而損壞，在其工作時一般都要安裝散熱器。器件 電力二極管器件電力二極管實物圖器件AGKGKA晶閘管器件常用晶閘管的結構螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結構器件晶閘管是大功率器件, 工作時產生大量的熱，因此必須安裝散熱器。螺旋式晶閘管緊栓在鋁制散熱器上, 采用自然散熱冷卻方式, 如圖1.3.2(a)所示。平板式晶閘管由兩個彼此絕緣的散熱器緊夾在中間, 散熱方式可以采用風冷或水冷, 以獲得較好的散熱效果,如圖1.3.2 (b)、(c)所示。器件晶閘管的派生器件常規(guī)快速 晶閘管高頻 晶閘管與普通晶閘管相比快速 晶閘管關斷時間為數(shù)十微秒高頻 晶

7、閘管關斷時間為10s左右電壓和電流定額不易做高應用于400Hz和10kHz以上的斬波或逆變電路中開關時間以及du/dt、di/dt的耐量都有了明顯的改善快速晶閘管器件雙向晶閘管 是一對反并聯(lián)結的普通晶閘管的集成。 有兩個主電極T1和T2，一個門極G。 門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導通。 不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。器件逆導晶閘管是將晶閘管反并連一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。與普通晶閘管相比正向壓降小關斷時間短高溫特性好額定電流晶閘管電流反并聯(lián)的二極管的電流器件 光控晶閘管（光觸發(fā)晶閘管） 是利用一定波長的光照信

8、號觸發(fā)導通的晶閘管。 小功率光控晶閘管只有陽 極和陰極兩個端子。 大功率光控晶閘管帶有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導體激光器的光纜。 光觸發(fā)保證主電路與控制電路之間的絕緣，避免電磁干擾的影響。器件常用的典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊器件平板式器件螺旋式器件功能模塊器件散熱器器件門極可關斷晶閘管GTO電力晶體管GTRC電力場效應晶體管MOS絕緣柵雙極晶體管IGBTMOS控制晶閘管MCT靜電感應晶體管SIT靜電感應晶閘管SITH集成門極換流晶閘管IGCT器件返回早期的電力場效應管采用水平結構(PMOS)，器件的源極S、柵極G和漏極D均被置于硅片的一側(與小功率MOS管相似)。存在

9、通態(tài)電阻大、頻率特性差和硅片利用率低等缺點。 20世紀70的代中期將LSIC垂直導電結構應用到電力場效應管的制作中，出現(xiàn)了VMOS結構。大幅度提高了器件的電壓阻斷能力、載流能力和開關速度。20世紀80年代以來，采用二次擴散形成的P形區(qū)和N+型區(qū)在硅片表面的結深之差來形成極短溝道長度(12m)，研制成了垂直導電的雙擴散場控晶體管，簡稱為VDMOS。目前生產的VDMOS中絕大多數(shù)是N溝道增強型，這是由于P溝道器件在相同硅片面積下，其通態(tài)電阻是N型器件的23倍。因此今后若無特別說明，均指N溝道增強型器件。結構發(fā)展知識背景器件單相半波整流電路單相橋式整流電路器件AC/DC三相半波整流電路b)c)d)e

10、)f)u2uaubuca =0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwtRidabcTudVT2VT1VT3器件AC/DC三相橋式整流電路器件AC/DC雙反星型整流電路upud1,ud2OO60360t1ttuaubucucuaubub器件AC/DC多重化整流電路器件AC/DC三相橋式整流電路同步環(huán)節(jié)鋸齒波的形成移相環(huán)節(jié)脈沖形成與放大強觸發(fā)雙窄脈沖形成器件AC/DC完整的三相全控橋觸發(fā)電路+15VUAUBUC放大環(huán)節(jié)g1g2g3g4g5g6直流偏壓控制電壓器件AC/DC單相觸發(fā)三相觸發(fā)器件AC/DCtOtOtOtOtOqb)uG1uG2uG3uG4uo

11、iot1t2t3iouo+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio單相全橋逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud3三相電壓型逆變電路器件DC/AC三相電流型逆變電路M3UVW+-LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT5VT6UVWNT1A1T2B1A21C1B21A22C21B22C22uUNuU2uU1UdIII三相電壓型二重逆變電路器件DC/AC降壓斬波電路+_升壓斬波電路升降壓斬波電路器件DC/DCCUK

12、斬波電路SEPIC斬波電路ZETA斬波電路ERVDa)CVL1L2uo+器件DC/DC單相交流調壓電路ROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTwtOwtOwtOwt斬控式交流調壓電路器件AC/AC三相交流調壓電路器件AC/ACPuoZNuo0輸出電壓 ap=0平均輸出電壓t單相交流變頻電路矩陣式變頻電路器件AC/AC返回采樣控制理論中一個重要結論沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同沖量 窄脈沖的面積效果基本相同 環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同d)單位脈沖函數(shù)f (t)d (t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf (t)f (t)f (t)

13、PWM控制原理i(t )u(t)i(t)t0a)b)圖6-2 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形具體的實例說明“面積等效原理”PWM控制原理OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波OutPWM控制原理若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。SPWM波Out如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波OutOutPWM控制原理計算法和調治法異步調制和同步調制規(guī)則采樣法PWM逆變電路的諧波分析提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)PWM逆變電路多重化PWM控制原理電力電子裝置開關電源有源功率因數(shù)校正 不間斷電源（UPS）靜止無功補償裝置變頻調速裝置裝置一、開關電源 指起電壓調整功能的器件始終工作在線性放大區(qū)的直流穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源：通常分為線性穩(wěn)壓電源和開關穩(wěn)壓電源。 簡稱開關電源(Switching Power Supply)，指起電壓調整功能的器件始終以開關方式工作的一種直流穩(wěn)壓電源。 1、線性穩(wěn)壓電源：2、開關穩(wěn)壓電源：裝置1、線性穩(wěn)壓電源：優(yōu)點：優(yōu)良的紋波及動態(tài)響應特性；缺點：（1）輸入采用50Hz工頻變壓器