电力电子培训.ppt

电力电子技术基础设备室2009年5月12日,,电力电子技术的内容,电子技术信息电子技术电力电子技术信息电子技术模拟电子技术和数字电子技术。（主要进行信息处理）电力电子技术电力电子学,又称功率电子学PowerElectronics。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。（主要进行电力变换）,,,变流技术,电力交流和直流两种从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流。,电力变换四大基本类型交流变直流、直流变交流、直流变直流和交流变交流。进行电力变换的技术称为变流技术,电有直流DC和交流AC两大类。前者有电压幅值和极性的不同，后者除电压幅值和极性外，还有频率和相位的差别。实际应用中，常常需要在两种电能之间，或对同种电能的一个或多个参数如电压，电流，频率和功率因数等进行变换。变换器共有四种类型交流-直流AC-DC变换将交流电转换为直流电。直流-交流DC-AC变换将直流电转换为交流电。这是与整流相反的变换，也称为逆变。当输出接电网时，称之为有源逆变；当输出接负载时，称之为无源逆变。交-交AC-AC变换，将交流电能的参数幅值或频率加以变换。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。,电力电子技术课程的学习要求,1熟悉和掌握常用电力电子器件的工作机理、特性和参数，能正确选择和使用它们。2熟悉和掌握各种基本变换器的工作原理，特别是各种基本电路中的电磁过程，掌握其分析方法、工作波形分析和变换器电路的初步设计计算。3了解各种开关元件的控制电路、缓冲电路和保护电路。4了解各种变换器的特点、性能指标和使用场合。5掌握基本实验方法与训练基本实验技能。,一、电力电子器件,按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类单极型器件由一种载流子参与导电的器件。（电力MOSFET和SIT）双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。（电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH）复合型器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。（IGBT和MCT）,1.1功率二极管1.1.1功率二极管的结构和工作原理,1.功率二极管的结构,2.功率二极管的工作原理由于PN结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件,1.功率二极管的特性1功率二极管的伏安特性二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压Uth又称死区电压，当外加电压小于门坎电压时，正向电流几乎为零。硅二极管的门坎电压约为0.5V，当外加电压大于Uth后，电流会迅速上升。当外加反向电压时，二极管的反向电流IS是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。,1.2晶闸管,晶闸管Thyristor就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR,普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。目前，晶闸管的容量水平已达8kV／6kA。,1.晶闸管的结构晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线A、K、G的器件。常见晶闸管的外形有两种螺栓型和平板型。,晶闸管的结构和等效电路如图1-4所示，晶闸管的管芯是P1N1P2N2四层半导体，形成3个PN结J1、J2和J3。,欲使晶闸管导通需具备两个条件①应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。②应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流2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件。3为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现,1.3功率场效应晶体管,根据其结构不同分为结型场效应晶体管，金属-氧化物-半导体场效应晶体管。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又可分为耗尽型和增强型两类，目前功率MOSFET的容量水平为50A／500V，频率为100kHz。,1.5.1结构和工作原理,1.功率场效应晶体管的结构VDMOS结构采用垂直导电的双扩散MOS结构，利用两次扩散形成的P型和N型区，在硅片表面处的结深之差形成沟道，电流在沟道内沿表面流动，然后垂直被漏极接收。VDMOS管的衬底是重掺杂超低阻N单晶硅片，其上延生长一高阻N－层最终成为漂移区，该层电阻率及外延厚度决定器件的耐压水平,在N－上经过P型和N型的两次扩散，形成NN－PN结构。,功率MOSFET在特性上的优越之处在于没有热电反馈引起的二次击穿、输入阻抗高、跨导的线性度好和工作频率高。,2.功率场效应晶体管的工作原理当栅源极电压UGS＝0时，漏极下的P型区表面不出现反型层，无法沟通漏源。此时即使在漏源之间施加电压也不会形成P区内载流子的移动，即VMOS管保持关断状态。当栅源极电压UGS＞0且不够充分时，栅极下面的P型区表面呈现耗尽状态，还是无法沟通漏源，此时VMOS管仍保持关断状态。当栅源极电压UGS或超过强反型条件时，栅极下面的硅的表面从P型反型成N型，形成N型表面层并把源区和漏区联系起来,从而把漏源沟通，使VMOS管进入导通状态。,率场效应晶体管的特性,1.功率MOSFET的转移特性表示功率MOSFE的输入栅源电压UGS与输出漏极电流ID之间的关系。转移特性表示功率MOSFET的放大能力，与BJT中的电流增益相仿，由于功率MOSFET是电压控制器件，因此用跨导这一参数来表示。,（a）功率MOSFET的转移特性,1.4绝缘栅双极晶体管,1.IGBT的结构和工作原理三端器件栅极G、集电极C和发射极EIGBT的a内部结构断面示意图b简化等效电路c电气图形符号,IGBT的原理驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通，uGE大于开启电压UGEth时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。导通压降电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。关断栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。,二、电力电子电路（变流技术）,1.整流电路2.直流斩波电路3.交流变流电路4.逆变电路,2.1整流电路,（1）单相可控整流电路1.单相半波可控整流电路2.单相桥式全控整流电路3.单相全波可控整流电路4.单相桥式半控整流电路（2）三相可控整流电路1.三相半波可控整流电路2.三相桥式全控整流电路（3）整流电路的有源逆变工作状态,2.1.1单相半波可控整流电路,交流侧接单相电源重点注意工作原理（波形分析）、定量计算、不同负载的影响。1）带电阻负载的工作情况变压器T起变换电压和隔离的作用电阻负载的特点电压与电流成正比，两者波形相同,图2-1单相半波可控整流电路及波形,基本数量关系直流输出电压平均值为VT的a移相范围为180这种通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。,2）带阻感负载的工作情况阻感负载的特点电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变电力电子电路的一种基本分析方法⑴通过器件的理想化，将电路简化为⑵分段线性电路，分段进行分析计算从Ud的波形可以看出，由于电感负载的存在，电源电压由正到负过零点也不会关断，输出电压出现了负波形，输出电压和电流的平均值减小；当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，则id也很小。所以，实际的大感电路中，常常在负载两端并联一个续流二极管。,图2-2带阻感负载的单相半波电路及其波形,2.1.2单相桥式全控整流电路,1）带电阻负载的工作情况工作原理及波形分析VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。,图2-3单相桥式全控整流电路带电阻负载时的电路及波形,2）带阻感负载的工作情况为便于讨论，假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断至ωtπa时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通,图2-4单相全控桥式带阻感负载时的电路及波形,2.1.2三相可控整流电路,2.1.2.1三相半波可控整流电路负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时用基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路应用最广。1）电阻负载电路的特点变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起共阴极接法,,稳定工作时，三个晶闸管的触发脉冲互差120，规定ωtπ/6为控制角α的起点，称为自然换相点。三相半波共阴极可控整流电路自然换相点是三相电源相电压正半周波形的交叉点，在各相相电压的π/6处，即ωt1、ωt2、ωt3点，自然换相点之间互差2π/3，三相脉冲也互差120。在ωt1时刻触发VT1，在ωt1～ωt2区间有uu＞uv、uu＞uw，u相电压最高，VT1承受正向电压而导通，输出电压ud＝uu。其他晶闸管承受反向电压而不能导通。VT1通过的电流iT1与变压器二次侧u相电流波形相同，大小相等。,图2-5三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a0时的波形,,a30时的波形负载电流处于连续和断续之间的临界状态,图2-6三相半波可控整流电路电阻负载，a30时的波形,a30的情况特点负载电流断续，晶闸管导通角小于120,图2-7三相半波可控整流电路电阻负载，a60时的波形,增大α，则整流电压相应减小。α30是输出电压、电流连续和断续的临界点。当α＜30时，后一相的晶闸管导通使前一相的晶闸管关断。当α＞30时，导通的晶闸管由于交流电压过零变负而关断后，后一相的晶闸管未到触发时刻，此时三个晶闸管都不导通，直到后一相的晶闸管被触发导通。从上述波形图可以看出晶闸管承受最大正向电压是变压器二次相电压的峰值，UFMU2，晶闸管承受最大反向电压是变压器二次线电压的峰值，URMU2U2。α150时输出电压为零，所以三相半波整流电路电阻性负载移相范围是0～150,2.1.2.2三相桥式全控整流电路,应用最为广泛三相半波可控整流的变压器存在直流磁化的问题，造成变压器发热和利用率下降。它可看作是三相半波共阴极接法VT1，VT3，VT5和三相半波共阳极接法VT4，VT6，VT2的串联组合。共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）,图2-8三相桥式全控整流电路原理图,（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1各晶闸管导通，且不能为同一相器件。（2）对触发脉冲的要求按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法一种是宽脉冲触发；另一种是双脉冲触发（常用）（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同。,三相桥式全控整流电路的特点,图2-7三相桥式全控整流电路带电阻负载a0时的波形,1）带电阻负载时的工作情况a0时的情况假设将电路中的晶闸管换作二极管进行分析。对于共阴极阻的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通。对于共阳极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的导通。任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态。2）阻感负载时的工作情况a≤60时ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同。阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。,图2-9三相桥式全控整流电路带阻感负载a0时的波形,图2-10三相桥式全控整流电路电路带阻感负载a30时的波形,2.3逆变电路,什么是逆变为什么要逆变逆变（invertion）把直流电转变成交流电，整流的逆过程。实例电力机车下坡行驶，机车的位能转变为电能，反送到交流电网中去。逆变电路把直流电逆变成交流电的电路。有源逆变电路交流侧和电网连结。变流器工作在逆变状态，交流侧接到固定频率的交流电源上，通过变流器把直流电能逆变成交流电能送到交流电网。应用直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等。对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。即可整流又可逆变的晶闸管电路称为变流器或变流装置，无源逆变变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，通过变流器把直流电能变成某一频率或可调频率的交流电能直接供电给负载的。“交流侧接负载”,1.逆变产生的条件,产生逆变的条件有二（1）有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧平均电压。（2）晶闸管的控制角/2，使Ud为负值。,半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。,图2-10单相全波电路的整流和逆变,2.三相桥整流电路的有源逆变工作状态,逆变和整流的区别控制角不同0时，电路工作在整流状态p/2p时，电路工作在逆变状态,图2-11三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形,p/2,3.逆变失败与最小逆变角的限制,逆变失败（逆变颠覆）逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流。逆变失败的原因（1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。（2）晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。（3）交流电源缺相或突然消失。（4）换相的裕量角不足。,2.3交流变流电路概述,交流-交流变流电路一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，可改变相关的电压、电流、频率和相数等。交流电力控制电路只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率。交流调压电路相位控制（或斩控式）交流调功电路及交流无触点开关通断控制。变频电路改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的。交交变频电路直接把一种频率的交流变成另一种频率或可变频率的交流，直接变频电路。1.晶闸管交交变频电路2.矩阵式变频电路交直交变频电路先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流。间接变频,在交-直-交变频器中，由于直流逆变到交流中间滤波环节不同，可分为电压型与电流型。电压型逆变器中间采用大电容滤波，电源阻抗很小，类似电压源，逆变器输出比较平直的矩形波，电流波接近于正弦波。,电压型逆变电路的特点1直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。2输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。3阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管,图电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）,1直流侧串大电感，相当于电流源。2交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同。3直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管，。,图电流型三相桥式逆变电路,电流型逆变电路主要特点,