學(xué)XXXxxx2015年6月12日第頁1、概述從廣義來講，電子技術(shù)應(yīng)包含信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支，而通常所說的電子技術(shù)一般指信息電子技術(shù)。電力電子技術(shù)也稱為電力電子學(xué)，它真正成為一門獨(dú)立的學(xué)科始于1957年第一只晶閘管的問世。在1970年國際電氣和電子工程協(xié)會(huì)〔IEEE〕電力電子學(xué)會(huì)上對(duì)電力電理論及分析開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的高效能變換和控制的一門技術(shù)。它包括對(duì)電壓、電流頻率和波形的變換。”簡言之，電力電子技術(shù)就是利用電力電子器件對(duì)電能形態(tài)進(jìn)行變換和控制的一門技術(shù)。電力電子技術(shù)是電力、電子控制三大電氣工程技術(shù)領(lǐng)域之間的交叉學(xué)科，它們之間的關(guān)系可用倒三角圖形描述，如圖1-1所示。圖1-1描述電力電子學(xué)的倒三角形第一，電力電子技術(shù)是在電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它們都可可分為器件、電路和應(yīng)用三個(gè)部分，且器件的材料和制造工藝基本相同，只有兩者的應(yīng)用目的有所不同，電黃河科技學(xué)院課程作業(yè)第頁3子技術(shù)應(yīng)用于信息的處理〔如放大等〕，電力電子技術(shù)應(yīng)用于電力變換和控制，它所變換的功率可大到數(shù)百甚至數(shù)千兆瓦，也可以小到幾瓦或毫瓦數(shù)量級(jí)。第二，電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于電器工程，如高壓直流輸電、靜止無功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、交直流電力傳動(dòng)、電解、勵(lì)磁、電加熱、高性能交直流電源等電力系統(tǒng)和電器工程中，它對(duì)電器工程的現(xiàn)代化起著重要推動(dòng)作用。第三，電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱點(diǎn)和強(qiáng)電之間的接口。而控制理論是實(shí)現(xiàn)這種接口的一種強(qiáng)有力的紐帶,是電力電子技術(shù)重要理論依據(jù)。所以，也可以認(rèn)為：電力電子技術(shù)是運(yùn)用控制理論將電子技術(shù)應(yīng)用到電力領(lǐng)域的綜合性技術(shù)。2、電力電子常用器件2.1、電力電子器件概念可以直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。2.2、電力電子器件分類按照電力電子器件能夠被控制所實(shí)現(xiàn)控制的程度分為以下三類：不可控器件(PowerDiode)：不能用控制信號(hào)來控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。半控型器件〔Thyristor〕：通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷斷，又稱自關(guān)斷器件。電力電子器件分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型兩類：電流驅(qū)動(dòng)型：通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。關(guān)斷的控制。2.3、不可控器件—電力二極管2.3.1電力二極管的工作原理第頁結(jié)和兩端引線以及封裝外殼組成。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。如圖2-1所示圖2-1電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣符號(hào)〔a)外形〔b)結(jié)構(gòu)〔c)電氣圖形符號(hào)反向截止電流電壓阻態(tài)第頁由于電力二極管正向?qū)〞r(shí)要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，而且其引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響；再加上其承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會(huì)有較大的影響。此外，為了提高器件的反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大。晶閘管這個(gè)名稱往往專指普通晶閘管〔SCR〕，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展。晶閘管還應(yīng)包括許多類型的派生器件。包括快速晶閘管〔FST〕、雙向晶閘管〔TRIAC〕、逆導(dǎo)晶閘管〔RCT〕和光控晶閘管〔LTT〕等。這里所說的晶閘管都是指普通晶閘管。〔圖e)圖2-2晶閘管的外形及圖形符號(hào)由于通過門極我們可以控制晶閘管的開通；而通過門極我們不能控制晶閘管的關(guān)斷，因此，晶閘管才被我們稱為半控型器件。第頁圖2-3晶閘管的管芯結(jié)構(gòu)和等效電路按照等效電路和晶體管的工作原理，我們可列出如下方程：和ICO2則分別是V1和V2的共基極漏電流。推出：2G1)A12在低發(fā)射極電流下是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后，迅速增大。阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流飽和導(dǎo)通：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA，將趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。晶閘管導(dǎo)通的必要條件是：必須在晶閘管的陽極、陰極加上正向電壓。黃河科技學(xué)院課程作業(yè)第頁72.5晶閘管的應(yīng)用已被廣泛應(yīng)用于可控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域。2.6全控型電力電子器件晶閘管通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通，而無法控制其關(guān)斷，因此，我們稱其為半控型器件。通過控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷的電力電子器件被稱為全控型器件。是當(dāng)前電力電子器件中發(fā)展最快的一類器件，這類器件品種很多，目前常見結(jié)緣柵雙極型晶體管〔IGBT〕等。根據(jù)器件內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電的種類不同，全控型器件又可分為單極型、雙極型和復(fù)合型三類。器件內(nèi)部只有一種載流子參與導(dǎo)電的稱為單極型，如電力場(chǎng)控晶體管〔PowerMOSFET〕、靜電感應(yīng)晶體管〔SIT〕等；器件內(nèi)部有電子和空穴兩種載流子導(dǎo)型器件稱為復(fù)合型器件，如IGBT等。2.6.1門極可關(guān)斷晶閘管〔GTO〕門極可關(guān)斷晶閘管GTO是普通晶閘管的一種派生器件，與晶閘管一樣都是PNPN四層三端結(jié)構(gòu)。其電壓、電流容量較大，與普通晶閘管相近，因而在大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。GTO主要用于直流變換和逆變等需要器件強(qiáng)迫關(guān)斷的地方。不同的是，GTO是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出三個(gè)電極，但內(nèi)部則包并聯(lián)在一起。如圖2-3是GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)第頁圖2-3GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)GTO的工作原理仍然可以用圖2－4所示的互補(bǔ)雙晶體管模型來分析P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)互補(bǔ)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益〔共基極放大倍數(shù)〕α1和α2。由普通晶閘管的分析可以看出，α1＋α2＝1是器件臨界導(dǎo)通的條件。時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷第頁9電力晶體管〔Giant功率高耐壓晶體管。因此，也稱為BJT，在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱是等效的。它具有自關(guān)斷能力、控制方便、開關(guān)時(shí)間短、高頻特性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。目前GTR的容量已達(dá)400A/1200V、1000A/400V，工作頻率可達(dá)5kHz，因此被廣泛應(yīng)用于不停電電源、中頻電源和交/直流電機(jī)調(diào)速等電力變流裝置中。NPN三層擴(kuò)散臺(tái)面型結(jié)構(gòu)是單管GTR的典型結(jié)構(gòu)。如圖〔a〕所示：圖中摻雜濃度高為了提高GTR的耐壓能力，在集電區(qū)中設(shè)置了輕摻雜的N—區(qū)。在兩種不同類型的半導(dǎo)體交界處N+-P構(gòu)成發(fā)射結(jié)J1,P-N構(gòu)成集電結(jié)J2,如圖〔b〕所示。GTR的結(jié)構(gòu)及電氣符號(hào)在電力電子技術(shù)中，GTR主要工作在開關(guān)狀態(tài)，我們希望它在電路中的表現(xiàn)接近于理想開關(guān)-----即導(dǎo)通時(shí)的管壓降趨近于零，截止時(shí)的電流趨近于零，而且兩種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換過程要足夠快。黃河科技學(xué)院課程作業(yè)第頁圖2-6GTR的開關(guān)電路及輸出特性2.8絕緣柵雙極型晶體管〔IGBT〕絕緣柵雙極型晶體管〔InsulatedGateBipolar品已經(jīng)系列化，其最大電流容量達(dá)1800A，最高電壓等級(jí)達(dá)4500V，工作頻率達(dá)50KHz。IGBT綜合了MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，其導(dǎo)通電阻是同一耐壓規(guī)格MOSFET的1/10，開關(guān)時(shí)間是同容量GTR的1/10。在電機(jī)拖動(dòng)控制、中頻電源、各種開關(guān)電源以及其他高速低耗的中、小功率領(lǐng)域，IGBT大有取代GTR和MOSFET的趨勢(shì)。2.8.1IGBT的工作原理關(guān)斷由柵極電壓來控制。第頁圖2-7IGBT的結(jié)構(gòu)、等效電路及電氣符號(hào)整流電路：出現(xiàn)最早的電力電子電路的一種，也是應(yīng)用最基本最廣泛的電能變換電路，將交流電變?yōu)橹绷麟?。按交流輸入相?shù)分為單相電路和多相電路。按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向。電阻負(fù)載的特點(diǎn)：電壓與電流成正比，兩者波形相同如圖3-1(a)所示為單向半波帶電阻性負(fù)載可控整流電路，它由整流變壓器TR、晶閘管VT和負(fù)載電阻Rd組成。圖中u1、u2分別為變壓器一二側(cè)電壓瞬時(shí)值，ud.id分別是i2為變壓器二次繞組電流瞬時(shí)值。黃河科技學(xué)院課程作業(yè)第頁TiudVTuuuR12d202t1g0td0tuVT0t加觸發(fā)脈沖止的電角度,導(dǎo)通角：晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度，用θ表示。移相范圍:使整流電壓平均值ud從最大值變到0時(shí)對(duì)應(yīng)的α角的變化范圍。直流輸出電壓平均值為1Ucos2sin)UUtdtcos)5U22d22方式。黃河科技學(xué)院課程作業(yè)第頁13阻感負(fù)載的特點(diǎn)：電感對(duì)電流變化有抗拒作用，使得流過電感的電流不能發(fā)生突變。電力電子電路的一種基本分析方法:通過器件的理想化，將電路簡化為分段線性電相當(dāng)于電路在VT處斷開，id=0。當(dāng)VT處于通態(tài)時(shí)，相當(dāng)于VT短路。VTiTduLRVTa)uuu12duuu2b)c)0t2t1g0td++d)e)0ttid0uVTf)0t圖3-2帶阻感負(fù)載的單相半波電路及其波形3.3單相橋式全控整流電路3.3.1帶電阻負(fù)載的工作情況通，當(dāng)u2過零時(shí)關(guān)斷；VT2和VT3組成另一對(duì)橋臂，在u2負(fù)半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過零時(shí)關(guān)斷。黃河科技學(xué)院課程作業(yè)第頁TT13iVVdiT2aua)uuRd12bTT24VVudddid0tui20圖3-3單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形3.3.2帶阻感負(fù)載的工作情況假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，如圖3-4，id的平均值不變。假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電+a時(shí)刻，晶閘管VT1和VT4關(guān)斷，VT2和VT3兩管導(dǎo)通。2OudOidIdOOiIdTOIdTi32OId4b3.4逆變電路逆變——與整流相對(duì)應(yīng)，直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。交流黃河科技學(xué)院課程作業(yè)第頁15側(cè)接負(fù)載，為無源逆變。3.4.1有緣逆變逆變電路普通晶閘管。其出端A、B、C經(jīng)限流電感Lа、Lb和Lc與公共電網(wǎng)聯(lián)結(jié)。此處三相電網(wǎng)作為逆變電路負(fù)載接受其饋入電能，橋中各晶閘管T1～T6均工作于開關(guān)狀態(tài)，采用相控方式〔見電力電子電路〕。各晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻由加到各門極脈沖的相位決定。逆變橋可視為按一定時(shí)序依次輪番通斷的6兩支元件處于導(dǎo)通狀態(tài)(其余為阻斷狀態(tài))。例如在某一時(shí)刻有T1和T2導(dǎo)通，則有id此時(shí)作為電網(wǎng)相電流iA和ic有T4和T5id番通斷，iA和ic均為交變方波。同理可知iB也為交變方波。由此可見,假設(shè)門極脈沖的基本重復(fù)頻率保持與公共電網(wǎng)同步，則各相電流的重復(fù)頻率也必然與電網(wǎng)同步，這樣電網(wǎng)就得到由直流端提供的、由逆變電路轉(zhuǎn)換的交流功率。當(dāng)變換裝置交流側(cè)接在電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流電回饋到電網(wǎng)上去，稱為有源逆變。當(dāng)變換裝置交流側(cè)和負(fù)載連接時(shí)，將由變換裝置直接給電機(jī)等負(fù)載提供頻率可變的交流電，這種工作模式稱為無源逆變。有源逆變本質(zhì)上是觸發(fā)角大于90度的整流，有源逆變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與整流一模一樣，只是當(dāng)觸發(fā)角大于90度時(shí)整流電路的功率方向發(fā)生了變化，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了逆變功能。所以有源逆變的交流側(cè)一定需要電源無源逆變主要應(yīng)用：各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。在整流和有源逆變電路中，工作狀態(tài)的晶閘管處于交流電壓作用下，其關(guān)斷是靠源逆變電路中，晶閘管處于直流電壓作用下，假設(shè)不采取措施是無法關(guān)斷的。所以說，整流與有源逆變電路的主要矛盾是觸發(fā)導(dǎo)通，而無源逆變電路的主要矛盾則是實(shí)現(xiàn)關(guān)斷。黃河科技學(xué)院課程作業(yè)第頁16交流變換電路是對(duì)交流電路的幅值、頻率、相數(shù)等參數(shù)進(jìn)行變換的電路。變頻電路用于改變交流電能的頻率，一般還可同時(shí)改變電壓。變頻電路分為直接變頻電路和間接變頻電路。前者不經(jīng)過任何中間環(huán)節(jié)，直接將一種頻率的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N頻率的交流電，通常還可同時(shí)控制輸出電壓。這類電路的優(yōu)點(diǎn)是電能變換效率高；缺點(diǎn)是控制復(fù)雜，電路較龐大。間接變頻電路需經(jīng)兩次以上變換才能將一種頻率的變〕和交流-直流-高頻-交流變頻電路〔整流后先經(jīng)逆變?yōu)楦哳l，再經(jīng)直接降頻〕兩類。3.6直流斬波電路。將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電；也稱為直接直流--直流變換器〔DC/DCConverter〕。一般指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡话ㄖ绷鳌涣鳌绷髦绷鲾夭ǚN類：6種基本斬波電路：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，其中前兩種是最基本的電路復(fù)合斬波電路——不同基本斬波電路組合多相多重?cái)夭娐贰嗤Y(jié)構(gòu)基本斬波電路組合容性也提出了更高的要求。小型化、輕量化。開關(guān)損耗增加，電路效率嚴(yán)重下降，電磁干擾增大。軟開關(guān)技術(shù)降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。使開關(guān)頻率可以大幅度提高。路存在的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲問題。黃河科技學(xué)院課程作業(yè)第頁17其分為準(zhǔn)諧振、零開關(guān)PWM和零轉(zhuǎn)換PWM三大類；每一類都包含基本拓?fù)浜捅姸嗟呐缮負(fù)?。零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路、零電壓開關(guān)PWM電路和零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路分別是三類軟開關(guān)電路的代表；諧振直流環(huán)電路是軟開關(guān)技術(shù)在逆變電路中的典型應(yīng)用。PWM〔PulseWidth對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形〔含形狀和幅值〕。直流斬波電路實(shí)際上采用的就是PWM技術(shù)，斬控式交流調(diào)壓電路。PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對(duì)逆變電路的影響也最為深刻，現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是PWM型逆變電路。面積等效原理是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。原理內(nèi)容：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(shí)，其效果基本相同。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。實(shí)例將圖所示的脈沖作為輸入，加在圖4-2a所示的R-L4-2b給出了不同窄脈沖時(shí)i(t)的響應(yīng)波形。黃河科技學(xué)院課程作業(yè)第頁電力電子技術(shù)是新興的一種電子技術(shù)，被廣泛的應(yīng)用到電力電子領(lǐng)域，而且隨著變頻技術(shù)的研究和發(fā)展，電力電子的發(fā)展有了更有力的保障，目前，電子電力技術(shù)的作用主要在發(fā)電，輸電，配電等各個(gè)環(huán)節(jié)。主要目的，為發(fā)電的實(shí)現(xiàn)起到了不可替代的作用。低壓變頻器技術(shù)已非常成熟，國內(nèi)外有眾多的生產(chǎn)廠家，并有完整的系列產(chǎn)品。風(fēng)機(jī)水泵耗電量約占火電設(shè)備總耗電量的65%，發(fā)電廠的廠用電率平均為8%，且運(yùn)行效率低。使用低壓或高壓變頻器，實(shí)施風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速，可以到達(dá)節(jié)能的目的。作用之二：太陽能發(fā)電的獨(dú)立系統(tǒng)措施。大功率太陽能發(fā)電，無論是獨(dú)立系統(tǒng)還是并網(wǎng)系統(tǒng)，通常需要將太陽能電池陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，所以具有最大功率跟蹤功能的逆變器成為系統(tǒng)的核心。日本實(shí)施的陽光計(jì)劃以3～4kW以10～15kW的獨(dú)立系統(tǒng)居多，而大型系統(tǒng)有在美國加州的西門子太陽能發(fā)電廠等。作用之三：挖掘變頻電源的發(fā)電潛能水力發(fā)電的有效功率取決于水頭水蓄能機(jī)組)，機(jī)組的最正確轉(zhuǎn)速亦隨之發(fā)生變化。風(fēng)力發(fā)電的有效功率與風(fēng)速的三次方成正比，風(fēng)車捕捉最大風(fēng)能的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化。為了獲得最大有效功率，可使機(jī)黃河科技學(xué)院課程作業(yè)第頁19組變速運(yùn)行，通過調(diào)整轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率，使其與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定。此項(xiàng)應(yīng)用的技術(shù)核心是變頻電源。作用之四：控制大型發(fā)電機(jī)的靜止勵(lì)磁靜止勵(lì)磁采用晶閘管整流自并勵(lì)方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，被世界各大電力系統(tǒng)廣泛采用。由于省去了勵(lì)磁機(jī)這個(gè)中間慣性環(huán)節(jié)，因而具有其特有的快速性調(diào)節(jié)，給先進(jìn)的控制規(guī)律提供了充分發(fā)揮作用并產(chǎn)生良好控制效果的有利條件。通過電子電力技術(shù)的四項(xiàng)突出作用讓