電氣工程概論 第4章 電力電子與電力傳動

第4章

電力電子與電力傳動

《電氣工程概論》2第4章電力電子與電力傳動

4.1電力電子技術(shù)的產(chǎn)生及發(fā)展

4.2電力電子器件

4.3電力電子變流技術(shù)

4.4電力傳動技術(shù)34.1電力電子技術(shù)的產(chǎn)生及發(fā)展4.1.1電力電子技術(shù)概述電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。將應(yīng)用于信息處理領(lǐng)域的電子技術(shù)稱為信息電子技術(shù)，包括模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)。將應(yīng)用于電力變換領(lǐng)域的電子技術(shù)稱為電力電子技術(shù)。電力電子技術(shù)是一門融合了電力技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)的新興的交叉學(xué)科，其主要任務(wù)是研究各種電力電子器件，以及由這些電力電子器件所構(gòu)成的各種電路及裝置，合理、高效地完成對電能的變換和控制。圖4.1電力電子學(xué)倒三角4

信息電子電路由于功率一般不大，所以器件即可工作在開關(guān)狀態(tài)，也可工作在放大狀態(tài)。而電力電子器件在電力電子電路中一般都工作在開關(guān)狀態(tài)，在通態(tài)時應(yīng)能流過很大電流而壓降很低；在斷態(tài)時應(yīng)能承受很高電壓而漏電流很小；斷態(tài)與通態(tài)間的轉(zhuǎn)換時間很短且功率損耗較小。電力電子技術(shù)主要包括3個組成部分：電力電子器件制造技術(shù)、變流技術(shù)和控制技術(shù)。其中，電力電子器件制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，變流技術(shù)是電力電子技術(shù)的核心，控制技術(shù)是不可或缺的組成部分。電力電子器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理。變流技術(shù)的理論基礎(chǔ)是電路理論。54.1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展1902年出現(xiàn)了第一個玻璃的汞弧整流器。1910年出現(xiàn)了鐵殼汞弧整流器。1920年試制出氧化銅整流器。1923年出現(xiàn)了硒整流器。1947年，美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管。1956年，美國人J.莫爾制成晶閘管雛型。1957年，美國人R.A.約克制成實用的晶閘管。70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。20世紀80年代后期，以絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型器件異軍突起。64.2電力電子器件

電力電子器件是指直接應(yīng)用于承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的主電路中，實現(xiàn)電能變換和控制的電子器件。同處理信息的電子器件相比具有如下特征：能處理電功率的能力，一般遠大于處理信息的電子器件；電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)；電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制；電力電子器件自身的功率損耗遠大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。

按照器件能夠被控制的程度，可分為三類：（1）不可控器件—不能用控制信號來控制其通斷，因此也就不需要驅(qū)動電路。（2）半控型器件—通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。（3）全控型器件—通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。

按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：（1）電流驅(qū)動型—通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)電力電子器件導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。（2）電壓驅(qū)動型—僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)電力電子器件導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。7

按照驅(qū)動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間有效信號的波形，分為兩類：（1）脈沖觸發(fā)型—通過在控制端施加一個電壓或電流的脈沖信號來實現(xiàn)器件的開通或者關(guān)閉的控制，一旦已進入導(dǎo)通或者阻斷狀態(tài)且主電路條件不變的情況下，器件就能維持其導(dǎo)通或者阻斷狀態(tài)，而不必通過繼續(xù)施加控制信號來維持其狀態(tài)。（2）電平控制型—必須通過持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號來使器件開通并維持在導(dǎo)通狀態(tài)，或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。

按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況，分為三類：（1）單極型—由一種載流子參與導(dǎo)電的器件。（2）雙極型—由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件。（3）復(fù)合型—單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件。84.2.1不可控型器件

電力二極管（PowerDiode）結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應(yīng)用?；窘Y(jié)構(gòu)和工作原理與微電子電路中的二極管一樣。由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線及封裝組成。外形有螺栓型和平板型兩種封裝。普通電力二極管又稱為整流二極管，主要利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，其容量大，反向恢?fù)時間較長，多用于開關(guān)頻率不高（1KHZ以下）的整流電路。（a）電力二極管外形（b）結(jié)構(gòu)（c）電氣符號圖4.2功率二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣符號圖4.3電力二極管94.2.2半控型器件

晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱為可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅；它是一種開關(guān)元件，能在高電壓、大電流條件下工作，并且其工作過程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中，是典型的小電流控制大電流的元件。1957年美國通用電器公司開發(fā)出世界上第一款晶閘管產(chǎn)品，并于1958年將其商業(yè)化。（1）晶閘管的結(jié)構(gòu)（a）螺栓型晶閘管（b）平板型晶閘管（c）電氣符號圖4.4晶閘管管芯及電氣符號104.2.3全控型器件全控型器件包括電力晶體管、功率場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極型晶體管等。（1）電力晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）（a）電力晶體管的結(jié)構(gòu)（b）電氣符號（c）內(nèi)部電路圖圖4.8電力晶體管11（2）功率場效應(yīng)晶體管(PowerMOSFET)（a）結(jié)構(gòu)圖（b）N溝道符號（c）P溝道符號圖4.9P-MOSFET單元的結(jié)構(gòu)及電氣符號

功率場效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型。通常主要指絕緣柵型場效應(yīng)晶體管。功率場效應(yīng)晶體管按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道；根據(jù)柵源極電壓與導(dǎo)電溝道出現(xiàn)的關(guān)系可分為耗盡型和增強型。功率場效應(yīng)晶體管一般為N溝道增強型。12（3）絕緣柵雙極型晶體管（Insulate-GateBipolarTransistor—IGBT）絕緣柵雙極晶體管綜合了電力晶體管（GiantTransistor—GTR）和電力場效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET）的優(yōu)點，具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、驅(qū)動電路簡單、通態(tài)電壓低、能承受高電壓大電流等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于變頻器以及其他調(diào)速電路中。IGBT也是三端器件，有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。圖4.10絕緣柵雙極型晶體管及其電氣符號134.2.4其他新型電力電子器件（1）MOS控制型晶閘管（MOSControlledThyristor—MCT）（2）靜電感應(yīng)晶體管（StaticInductionTransistor—SIT）（3）靜電感應(yīng)晶閘管（StaticInductionThyristor—SITH）（4）集成門極換流晶閘管（IntegratedGate-CommutatedThyristor—IGCT）144.2.5功率模塊與功率集成電路

將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路PIC（PowerIntegratedCircuit）。采用封裝集成思想的電力電子電路也有許多名稱。智能功率集成電路SPIC（SmartPowerIC）通常指縱向功率器件與控制和保護電路的集成。常用于電壓調(diào)節(jié)器、汽車功率開關(guān)、開關(guān)電源、電機驅(qū)動、家用電器等產(chǎn)品上。高壓集成電路HVIC（HighVoltageIC）一般指高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。通常用于小型電機驅(qū)動及電話交換機用戶電路等需要較高電壓的地方。智能功率模塊IPM（IntelligentPowerModule）則專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅(qū)動電路的單片集成，也稱智能IGBT（IntelligentIGBT）。集成電力電子模塊和功率集成電路都是具體的電力電子集成技術(shù)。電力電子集成技術(shù)可以帶來很多好處，比如減小裝置體積、提高可靠性、方便用戶使用、降低制造、安裝和維護成本等。具有廣闊的應(yīng)用前景。15

圖4.11功率電力電子模塊圖4.12集成電力電子模塊164.3電力電子變流技術(shù)

變流技術(shù)主要包括：用電力電子器件構(gòu)成各種電力變換電路，對電路進行控制，以及用這些技術(shù)構(gòu)成更為復(fù)雜的電力電子裝置和系統(tǒng)。通常所說的“變流”是指：交流電變直流電(AC-DC)、直流電變交流電(DC-AC)、直流電變直流電(DC-DC)和交流電變交流電(AC-AC)。4.3.1AC-DC變換

整流電路是出現(xiàn)最早的電力電子電路，它的作用是將交流電變?yōu)橹绷麟姽┙o直流用電設(shè)備。整流電路通常由主電路和控制電路組成。主電路包括變壓器、整流器和濾波器。圖4.13整流電路的組成17圖4.14單相橋式全控整流電路圖4.15電阻負載時電路波形圖18整流電路主要應(yīng)用于以下領(lǐng)域：（1）電化學(xué)處理。例如：電鍍、金屬精煉以及化學(xué)氣體（氫氣、氧氣、氯氣等）的生產(chǎn)等。（2）可調(diào)速的直流傳動系統(tǒng)和交流傳動系統(tǒng)。（3）高壓直流輸電系統(tǒng)。（4）通用交—直—交電源，包括不間斷電源系統(tǒng)。（5）新能源發(fā)電技術(shù)。例如：太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池等的電能轉(zhuǎn)換電路。

（a）摩托車整流器（b）手機充電器

（c）手機旅行充電器（d）手機萬能充電器圖4.17整流電路的應(yīng)用194.3.2DC-AC變換DC-AC（逆變）是把直流電（電池、蓄電池）轉(zhuǎn)變成交流電（一般為220V、50Hz正弦波）的過程。（a）（b）圖4.18逆變電路及其波形舉例20

一個完整的逆變電路由逆變主電路、驅(qū)動和控制電路、輸入/輸出電路、輔助電路四部分組成。（1）逆變主電路逆變主電路由電力電子開關(guān)器件組成，是能量變換的主體。（2）驅(qū)動和控制電路驅(qū)動和控制電路主要是按照控制要求產(chǎn)生一系列的控制信號，實現(xiàn)對主電路的控制，完成逆變電路的調(diào)壓、調(diào)頻等功能。（3）輸入/輸出電路逆變主電路的輸入為直流電，輸入電路為了保證直流電源為恒壓源或恒流源，必須設(shè)置儲能原件。采用電容元件可穩(wěn)定電壓，采用電感元件可穩(wěn)定電流。輸出電路主要是濾波電路。（4）輔助電路輔助電路包括輔助電源和保護電路。輔助電源為電路中各個部分提供直流工作電壓。保護電路主要是防止在故障或非正常情況下電路受到破壞。21圖4.19逆變電路的基本結(jié)構(gòu)圖4.20逆變器224.3.3AC-AC變換

交流變換電路就是將一種形式的交流電變換為另一種形式的交流電?？梢愿淖兿嚓P(guān)的電壓（電流）、頻率和相數(shù)。交流變換電路可分為兩大類：一類是只改變電壓的大小或僅對電路實現(xiàn)通斷控制，而不改變頻率的電路，稱為交流電力控制電路；另一類是把一種頻率的交流電變換為另一種頻率固定或可變的交流電稱為變頻電路。根據(jù)控制方式不同交流電力控制電路又分為交流調(diào)壓電路、交流調(diào)功電路和交流無觸點開關(guān)三種。圖4.21交流調(diào)壓電路圖4.22交交直接變頻電路23

（a）變頻器（b）調(diào)壓器4.24交流變換電路的應(yīng)用244.3.4DC-DC變換

直流斬波電路（DCChopper）是將固定的直流電壓轉(zhuǎn)換為可調(diào)的直流電壓的一種電力電子電路。它被廣泛應(yīng)用于直流開關(guān)電源和直流電動機驅(qū)動系統(tǒng)中。斬波電路有6種基本的電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。圖4.25降壓斬波電路圖4.26升壓斬波電路25圖4.27升降壓斬波電路圖4.28斬波器264.4電力傳動技術(shù)

電力傳動是指用電動機把電能轉(zhuǎn)換成機械能，去帶動各種類型的生產(chǎn)機械、交通車輛以及生活中需要運動的物品的技術(shù)，是通過合理使用電動機實現(xiàn)生產(chǎn)過程機械設(shè)備電氣化及其自動控制的電氣設(shè)備及系統(tǒng)的技術(shù)總稱。圖4.29電力傳動系統(tǒng)274.4.1電力傳動的應(yīng)用

(a)動車（b）輪船

(c)自動化生產(chǎn)線(d)電梯圖4.30電力傳動的應(yīng)用284.4.2直流電動機傳動

直流電動機是依靠直流電驅(qū)動的電動機，在小型電器上應(yīng)用較為廣泛。直流電機的工作原理：當(dāng)線圈通電后，轉(zhuǎn)子周圍產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子的左側(cè)被推離左側(cè)的磁鐵，并被吸引到右側(cè)，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子依靠慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子運行至水平位置時電流變換器將線圈的電流方向逆轉(zhuǎn)，線圈所產(chǎn)生的磁場亦同時逆轉(zhuǎn)，使這一過程得以重復(fù)。

圖4.31直流電機的工作過程29直流電動機的轉(zhuǎn)速ω的表達式為：Ua是電動機電樞兩端的電壓；Ia是電動機電樞回路電流；Ra是電動機回路電阻；Ce是電動機電勢常數(shù)；Ф是電動機勵磁磁通。通過式可知，直流電動機的調(diào)速方式有三種：（1）調(diào)壓調(diào)速，即保持Ra和φ不變，通過調(diào)節(jié)Ua來調(diào)節(jié)n，是一種大范圍無級調(diào)速方式。（2）弱磁升速，即保持Ra和Ua不變，通過減少φ來升高n，是一種小范圍無級調(diào)速方式。（3）變電阻調(diào)速，即保持Ua和φ不變，通過調(diào)節(jié)Ra來調(diào)節(jié)n，是一種大范圍有級調(diào)速方