電力電子技術(shù)教材

電力電子技術(shù)概述

PowerElectronics北京交通大學(xué)梁暉1主要內(nèi)容一、電機(jī)驅(qū)動及變頻調(diào)速的基本概念二、電力電子學(xué)科概況及應(yīng)用領(lǐng)域三、整流電路基本工作原理四、逆變電路基本工作原理五、PWM控制技術(shù)六、電機(jī)的四象限運(yùn)行2一、電機(jī)驅(qū)動及變頻調(diào)速的基本概念電機(jī)——實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換（Electricalmachine、machine、motor）直流電機(jī)——分他勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)等優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速方便缺點(diǎn)：體積大、成本高、有滑環(huán)、需維護(hù)交流電機(jī)——分異步（鼠籠、繞線）、同步等優(yōu)點(diǎn)：體積小、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)量小缺點(diǎn)：調(diào)速復(fù)雜四象限運(yùn)行——正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)3驅(qū)動——調(diào)節(jié)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)距、轉(zhuǎn)向等（調(diào)速、控制、傳動、drive、control）直流電機(jī)調(diào)速——調(diào)壓調(diào)速為主轉(zhuǎn)速與外加直流電壓近似成正比交流電機(jī)調(diào)速——變頻調(diào)速為主轉(zhuǎn)速與外加交流頻率近似成正比4直流調(diào)速系統(tǒng)5交流變頻調(diào)速系統(tǒng)6二、電力電子技術(shù)學(xué)科概況電力電子技術(shù)－－對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)（包括對電壓、電流、頻率和相位的變換）由三部分內(nèi)容組成－－電力電子器件電力電子電路

電力電子系統(tǒng)及控制也稱為半導(dǎo)體變流技術(shù)（變流）7電力電子與信息電子信息電子技術(shù)——信號處理電力電子技術(shù)——電能變換電子技術(shù)信息電子技術(shù)電力電子技術(shù)模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)8電能來源：交流電：電網(wǎng)（220V、380V，定壓定頻）直流電：蓄電池（12V等，電壓不穩(wěn)）負(fù)載需求：交流：不同電壓、不同頻率、變壓變頻直流：不同電壓、穩(wěn)壓、調(diào)壓、隔離四種基本變換形式AC～DC整流DC～AC逆變DC～DC斬波AC～AC交交變頻9電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域一般工業(yè)：交直流電機(jī)、電化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)交通運(yùn)輸：電氣化鐵道、電動汽車、航空、航海電力系統(tǒng)：高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補(bǔ)償電子裝置電源：為信息電子裝置提供動力家用電器：“節(jié)能燈”、變頻空調(diào)其他：

UPS、航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置10211122122313241425152616全電飛行器（太陽能供電）17應(yīng)用實(shí)例：AC～DC

整流直流傳動、電力牽引、電解、電鍍DC～AC

逆變交流傳動（電機(jī)調(diào)速、電動汽車、變頻空調(diào)）DC～DC

斬波開關(guān)電源（各種電壓等級的直流電源）AC～AC

交交變頻低速傳動（冶金、礦井提升機(jī)等）18其它方面的應(yīng)用常規(guī)電源：不停電電源、開關(guān)電源、微機(jī)及儀器儀表電源、航空電源、通信電源等。專用電源：電化學(xué)電源、蓄電池充電放電、電子模擬負(fù)載、電解水電源、交流電子穩(wěn)壓電源、脈沖功率電源等；新型能源：如太陽能電池，風(fēng)力發(fā)電等；節(jié)能：如利用變頻器調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速19電力電子器件的發(fā)展第一代電力電子器件無關(guān)斷能力的SCR第二代電力電子器件有關(guān)斷能力的GTO、GTR等第三代電力電子器件性能優(yōu)異的復(fù)合型器件如IGBT智能功率器件IPM等20電力電子器件的特征（與普通半導(dǎo)體器件相比）功率遠(yuǎn)大于信息電子器件，從mW~MW。電壓和電流等級是其最重要的參數(shù)；工作在開關(guān)狀態(tài)（相當(dāng)于普通晶體管的飽和與截止?fàn)顟B(tài)），因而動態(tài)特性（開關(guān)特性）也是很重要的參數(shù)，有時(shí)甚至是最重要的參數(shù)；需要用驅(qū)動電路驅(qū)動；需要裝散熱器散熱（開關(guān)過程存在損耗）；21晶閘管MOSFET

IGBT

IGCT22電力電子技術(shù)的發(fā)展傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)階段（1960～1980年）器件基礎(chǔ)：以晶閘管為核心的晶閘管大家族主要應(yīng)用：相控整流器、直流斬波器等基本特征：整流（交流到直流的順變）現(xiàn)代的電力電子技術(shù)階段（1980年～至今）器件基礎(chǔ)：高頻率、全控型、功率集成器件主要應(yīng)用：脈寬調(diào)制（PWM）逆變電路、

高頻斬波電路等基本特征：進(jìn)入逆變時(shí)期23現(xiàn)代電力電子技術(shù)與傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)相比較，有如下特點(diǎn)：高頻化（減小體積、重量）模塊化（器件、控制單元、系統(tǒng)）全控型（IGBT為主）控制技術(shù)數(shù)字化（DSP）綠色化（節(jié)能、減少污染）24本學(xué)科的特點(diǎn)強(qiáng)電、弱電、控制相結(jié)合跨學(xué)科或邊緣學(xué)科實(shí)踐性強(qiáng)功率范圍大，從幾瓦到數(shù)百兆瓦以上發(fā)展迅速、與現(xiàn)代新技術(shù)緊密結(jié)合廣闊的應(yīng)用前景2526中功率實(shí)驗(yàn)裝置27大功率風(fēng)力發(fā)電28課程教學(xué)內(nèi)容第一章緒論（2學(xué)時(shí)）第二章電力電子器件的原理與特性（4）第三章相控整流電路（10+2）第四章有源逆變與相控變流器特性（4+2）第五章直直變換器（斬波電路）（4+2）第六章無源逆變電路（6+2）第七章PWM整流電路及其應(yīng)用（4）第九章交流調(diào)壓電路及交交變頻電路（3）第十一章電力電子器件的應(yīng)用基礎(chǔ)（3）29本課程與其他課程的聯(lián)系本課程的先修課程為：電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)。想更加深入了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理原理的學(xué)生可選修電力電子器件。本課程為學(xué)習(xí)電傳動控制基礎(chǔ)、電力電子裝置及控制、開關(guān)電源技術(shù)、變頻調(diào)速等課程奠定了基礎(chǔ)。30三、整流電路基本工作原理整流——交流到直流的變換不控整流（二極管）相控整流（晶閘管）PWM整流（IGBT）31相控整流電路的一般結(jié)構(gòu)主電路:－交流電源：工頻電網(wǎng)或整流變壓器

－濾波器：為保證電流連續(xù)

－負(fù)載：阻性負(fù)載、阻感負(fù)載、反電勢負(fù)載等控制電路：模擬控制、數(shù)字控制、單片機(jī)、DSP32單相橋式全控整流電路工作原理（正半周）－ωt＝：發(fā)脈沖，T1T4導(dǎo)通－ωt＝π：iT1=iT4=Id，T1T4仍然導(dǎo)通，T2T3承受正電壓－ωt＝π＋：T2T3導(dǎo)通，T1T4

關(guān)斷33三相橋式全控整流電路34PWM脈沖整流電路概述脈沖整流器是一種以脈寬控制方式（PWM）工作的變流器，又稱為四象限變流器與相控整流器相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：功率因數(shù)高，可達(dá)到±1；諧波含量低，減少對電網(wǎng)污染；體積小、重量輕和動態(tài)響應(yīng)速度高3536電壓型三相脈沖整流器主電路結(jié)構(gòu)工作原理與單相脈沖變流器相同37PWM整流器在大容量通用變頻器中的應(yīng)用用于交－直－交系統(tǒng)，提高功率因數(shù)，減小諧波；成本高于二極管整流橋。38PWM整流器在可再生能源中的應(yīng)用可再生能源（風(fēng)能、太陽能、潮汐發(fā)電、水力發(fā)電等）不可控，不能直接并入電網(wǎng)。太陽能發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)39四、逆變電路基本工作原理逆變——直流到交流的變換根據(jù)逆變輸出交流電能去向分類：有源逆變以電網(wǎng)為負(fù)載變流裝置（變流器）無源逆變以用電器為負(fù)載變頻器40無源逆變概述無源逆變直流交流（向負(fù)載直接供電）無源逆變電路簡稱逆變電路

通常由全控器件構(gòu)成逆變器與變頻器逆變電路經(jīng)常與變頻的概念聯(lián)系在一起變頻電路分為交交變頻和交直交變頻兩種交直交變頻由交直變換和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變各種功率等級41逆變器的基本類型（續(xù)）按直流側(cè)電源的性質(zhì)分類（常用此分類）電壓型逆變器電流型逆變器42三相電壓型逆變器工作原理43五、PWM控制技術(shù)方波型逆變器的問題本身不能調(diào)節(jié)輸出電壓幅值輸出電壓中含有大量的5、7、11次諧波解決方法采用PWM控制技術(shù)本節(jié)主要討論電壓型逆變器的PWM控制方法44PWM控制的思想源于通信技術(shù)，全控型器件的發(fā)展使得實(shí)現(xiàn)PWM控制變得十分容易。PWM技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的成功應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位?，F(xiàn)在使用的各種逆變電路都采用了PWM技術(shù)。45PWM控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)沖量等效原理（面積等效原理）：沖量相等而形狀不同的窄脈沖作用于慣性系統(tǒng)時(shí)，其效果基本相同。

（說明為什么PWM波能與正弦波等效）46正弦脈寬調(diào)制（SPWM）原理目標(biāo)函數(shù)——正弦輸出電壓使脈沖列的作用效果盡量接近于正弦波的作用效果基本原理

根據(jù)沖量等效原理，用一組幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖列來代替正弦波改變各脈沖的寬度和變化周期即可改變等效正弦波的幅值和頻率47如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波正弦脈寬調(diào)制（SPWM）原理（續(xù)）48如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波SPWM波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。正弦脈寬調(diào)制（SPWM）原理（續(xù)）49正弦脈寬調(diào)制（SPWM）原理（續(xù)）3、SPWM的控制方法（說明SPWM波實(shí)現(xiàn)方法問題）離線計(jì)算法——根據(jù)輸出正弦波的頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)計(jì)算PWM波各脈沖的寬度和間隔。缺點(diǎn)：計(jì)算量大，繁瑣。調(diào)制法——將目標(biāo)涵數(shù)（波形）作為調(diào)制信號，通過對載波的調(diào)制得到PWM波形。一般用等腰三角形波作為載波；根據(jù)輸出電壓波形的極性可分為單極性（或不對稱）調(diào)制和雙極性（或?qū)ΨQ）調(diào)制。50正弦脈寬調(diào)制（SPWM）原理（續(xù)）1.單極性調(diào)制正半周：T1導(dǎo)通，T4交替通斷，T2、T3截止負(fù)半周：T2導(dǎo)通，T3交替通斷，T1、T4截止51正弦脈寬調(diào)制（SPWM）原理（續(xù)）

2.雙極性調(diào)制同一橋臂上的兩個(gè)管子處于互補(bǔ)工作狀態(tài)ur>uc時(shí)：T1、T4導(dǎo)通，uo=UDur<uc時(shí)：T2、T3導(dǎo)通，uo=-UD52三相逆變器一般采用雙極性調(diào)制在雙極性調(diào)制中，上下橋臂互補(bǔ)工作。為了防止橋臂直通短路，一個(gè)管子關(guān)斷后，再延遲△t時(shí)間，才開通另一個(gè)管子，△t稱為死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間給輸出的PWM波形帶來影響，使其偏離正弦波。53對脈寬調(diào)制的制約條件PWM控制中兩個(gè)重要定義：載波比：調(diào)制比：（調(diào)制深度）載波比N受開關(guān)器件開關(guān)頻率和損耗的限制：調(diào)制比M受最小脈寬與最小間歇的限制

54同步調(diào)制與異步調(diào)制1.同步調(diào)制：在變頻輸出過程中，載波比N不變，載波信號與調(diào)制波信號保持同步的調(diào)制方式。即開關(guān)頻率與輸出頻率同比例變化。優(yōu)點(diǎn)：波形對稱性好。當(dāng)N為奇數(shù)時(shí)，輸出波形正、負(fù)半周對稱；當(dāng)N為3的倍數(shù)時(shí)，三相輸出波形對稱，相互之間保持120

相位移。缺點(diǎn)：低頻時(shí)諧波大。當(dāng)輸出頻率很低時(shí)，開關(guān)頻率也隨之降低，諧波顯著增加，使負(fù)載電機(jī)產(chǎn)生較大的脈動轉(zhuǎn)矩和噪聲。5556同步調(diào)制與異步調(diào)制（續(xù)）2.異步調(diào)制：在變頻輸出過程中，載波頻率fc不變，載波比N隨輸出頻率的降低而增大。優(yōu)點(diǎn)：低頻特性好。減少負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)距脈動與噪聲，改善低頻工作性能。缺點(diǎn)：波形對稱性差。N連續(xù)變化，當(dāng)N不等于整數(shù)及三的倍數(shù)時(shí)，輸出正負(fù)不對稱，三相不對稱，會產(chǎn)生次諧波。要求開關(guān)頻率較高。57同步調(diào)制與異步調(diào)制（續(xù)）

3.分段同步調(diào)制：把變頻范圍劃分成若干頻段，每個(gè)頻段內(nèi)都維持載波比N恒定，不同頻段取不同的N值。分段同步要注意的問題：各段載波比均取3的奇數(shù)倍；各頻率切換點(diǎn)采用滯后切換的方法；盡量減小在頻率切換點(diǎn)處因載波比的變化而造成的輸出電壓沖擊。58SPWM波形實(shí)現(xiàn)方式SPWM波形具體生成方式有：模擬控制生成方式特點(diǎn)：實(shí)時(shí)性好，但控制電路復(fù)雜，可靠性差數(shù)字