电力电子复习总结ppt课件.ppt

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1、电力电子技术复习,1.1 电力电子技术概述,使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。,1.1.1 电力电子技术（Power Electronics)的定义,从工程的对象和内容及手段几方面理解电力电子技术,对象：能量中的电能 内容：对电能的变换和控制 手段：利用电力电子器件（半导体器件）,问题：为什么要对电能进行变换和控制？,1.1.2 电力（电能）变换的目的和作用,电力系统的主体：固定频率50或60Hz的交流电作为主体。,使用电力时固定频率的交流电未必总是最佳选择：,需要改变频率，如变频空调,将交流电变成直流电，如微机电源,电能变换举例：电车控制、利用自然能发电,例1.1：电车（地铁等）用

2、设置在车底下的变流装置控制来自架空线的直流电流，对电动机进行调速。,图1.1 电车的调速方式,图1.3 风能发电能量流程,图1.2 太阳能发电能量流程,例1.2：自然能发电（太阳能和风能）在采用自然能发电时，必须控制变化的发电功率。,1.1.3 电能变换的种类,逆变,直流斩波,交流调压控制变频、调功,整流,电力变换四大类型,电力变换四大类 交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流,变流技术（电力电子器件应用技术） 是电力电子技术的核心。 包括：用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术。,电力电子器件制造技术是电力电子技术的基础。,本课程

3、的重点是变流技术。,（1）研究内容包括两大分支：,1.1.4. 电力电子技术的特点,电力电子技术是应用在电力变换领域的电子技术。,（2）与电子技术的关系,2 电力电子器件,本章重点：,1) 电力电子器件的概念、特征和分类2）各种电力电子器件的基本特性：电气符号如何控制开通和关断主要参数,同处理信息的电子器件相比的一般特征：电力电子器件能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。,半导体功率开关与普通半导体器件有何区别?,电力电子器件，又称功率半导体

4、器件，是电力电子电路（变流技术）的基础,2.1 电力电子器件的概念和特征,通态损耗 Won断态损耗 Woff开关损耗 WSW开通损耗关断损耗,电力电子器件的损耗,通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。,2.2 电力电子器件的种类,按照其控制通断的能力分类: 不控型，半控型和全控型。,电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。,电压驱动型 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。,按照驱动电路信号的性质，分为两类：,从发展历程上看：首先开发了二极管，之后是晶闸管和晶体管系列器件。,2.

5、3 电力电子系统的组成,电力电子器件在实际应用中的系统组成,控,制,电,路,检测,电路,驱动,电路,R,L,主电路,V,1,V,2,保护电路,电气隔离,控制电路,电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。,在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行,2.4.1 晶闸管正常工作时的特性总结如下：承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。半控型器件,2.4

6、晶闸管(SCR),断态重复峰值电压UDRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。,通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，应考虑安全裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。,(1) 电压定额,2.4.2 晶闸管的主要参数,通态平均电流 IT(AV） 在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 IT(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。维持

7、电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。,(2) 电流定额,除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：,(3)动态参数,断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率di/dt指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。,3 整流电路,整流(Rectification)：把交流电变换成直流电。 整流电路(Rectifier)：实现整流的电路。 整流电路是出现最早的电力电子变流电路。 最

8、常用的变流电路。,本章内容：由晶闸管构成的相控整流器（主要应用在大功率场合，如电池充电、直流电机驱动）,1) 晶闸管变流器的相位控制原理2）单相晶闸管桥式变流器触发角的定义，导通角的定义，移相控制范围的概念；不同负载情况下的整流输出波形；整流输出电压平均值的计算，整流输出电流平均值的计算。,本章复习重点,3）三相晶闸管桥式变流器自然换流点的定义，器件导通的规律，对触发脉冲的特殊要求。,4）晶闸管变流器的逆变工作状态：逆变的概念，变 流器工作于有源逆变模式的条件，逆变角的概念。整流与逆变工作模式的区别。最小逆变角的限制条件，逆变失败的原因和后果。,3.1 晶闸管变流电路及其控制原理,3.1.1

9、基本晶闸管整流电路,相位控制方式（相控）：通过控制器件导通的时刻（相位）来改变输出功率（电压、电流）的控制方式。,触发角: 从晶闸管开始承受正向阳极电压到施加触发脉冲时刻的电角度,导通角:晶闸管在一个电周期内导通的电角度。,移相（控制）范围：触发角的变化范围,阻感负载,电阻负载,反电势负载,电压与电流成正比，两者波形相同。u2过零时晶闸管关断,由于电感的储能作用，u20后，电流继续流通，晶闸管仍然导通,在|u2|E时，晶闸管承受正电压，才有导通的可能。,阻感负载加续流二极管,电感性负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同。,3.2 三相晶闸管变流电路,自然换流点：控制角的计算起点不

10、再选择在相电压 由负变正的过零点，而选择在各相电压的交点处,三相可控整流电路的运行特性、波形不仅与负载有关，而且与控制角有很大关系，应按不同进行分析。,导通角 共阴极组和共阳极组各1器件同时通形成供电回路，每个器件导通角为120,三相桥式可控整流电路的特点,电压脉动次数 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。,触发脉冲的特点按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

11、差180。,在如下情况的触发问题电路启动时电流不连续时,对触发脉冲的特殊要求,触发时，必须保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲,解决办法宽脉冲触发双窄脉冲触发（常用）,宽脉冲触发： 触发脉冲宽度大于60,双窄脉冲触发： 给上次触发的晶闸管1个补脉冲。,3.3 整流电路的有源逆变工作状态,晶闸管变流器的两种工作状态:整流把交流电变成直流电。 特点：ud0,电能流动方向：交流直流逆变把直流电变成交流电，整流的逆过程。 特点：ud0,电能流动方向：直流交流,1. 逆变的概念,有源逆变电路交流侧和电网连结，逆变时可把直流电逆变为50Hz的交流电反馈回电网。 无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接，而

12、直接接到负载（如交流电机、电炉等）。,2. 逆变的条件,产生逆变的条件： 1）直流侧有直流电动势，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a p /2，使Vd为负值。 3)电路直流回路中必须要有足够大的电感，以保证有 源逆变连续进行,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。,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。,直流侧平均电压逆变角：把a p /2时的控制角用p- = b 表示， b 称为逆变角。（逆

13、变角b和控制角a的计量方向相反，其大小自b =0的起始点向左方计量）,0 p /2 时，变流器工作在整流状态。 p /2 p 时，变流器工作在逆变状态。,逆变和整流的区别,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。,限制最小逆变角是防止逆变失败的关键措施之一。,3. 逆变失败,为保证可靠换流，对最小逆变角应有限制,bmin=d +g+q,bmin一般取3035。,4 逆变电路,逆变电路作用： 固定直流幅值和频率都可控的正弦交流 逆变电路的交流侧接负载，为无源逆变。,逆变电路的种类： 根据输出

14、端交流的相数分类 单相逆变电路：逆变器的输出为单相交流电 三相逆变电路：逆变器的输出为三相交流电 根据输入端直流电源特性分类 电压源型逆变电路：逆变器的输入为直流电压源 电流源型逆变电路：逆变器的输入为直流电流源,1) 逆变的基本概念：有源逆变与无源逆变的区别；电压源型与电流源型逆变器的区别。2）四种换流方式的特点,本章重点,4.1 逆变电路的基本工作原理,逆变电路最基本的工作原理 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。 改变输入直流电平Ud的大小，就可改变交流电的幅值,4.2 换流方式分类,1) 器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流。在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO

15、、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。2) 电网换流电网提供换流电压的换流方式。将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加任何元件。但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。3) 负载换流4) 强迫换流,换流方式总结：器件换流只适用于全控型器件。其余三种方式针对晶闸管。,器件换流强迫换流,因器件或变流器自身原因引起换流,自换流,电网换流负载换流,借助于外部手段（电网电压或负载电压）换流,外部换流,电压型全桥逆变电路,(1)直流侧为电压源或并联大电容，相当于电压源，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

16、同而不同。 (3)阻感负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。,4.3 电压型逆变电路,电流型三相桥式逆变电路,4.4 电流型逆变电路,(1)直流侧串大电感，电流基 本无脉动，相当于电流源。,(2)交流输出电流为矩形波，与负载 阻抗角无关。输出电压波形和 相位因负载不同而不同。 (3)当交流侧为阻感负载时需提供无功功率，直流侧电感起缓冲 无功能量的作用，因反馈无功能量时直流电流并不反向，因此 不必给开关器件反并联二极管。,PWM控制方法的基本原理产生PWM波形的三种方法调制法的原理,本章重点,7 PWM控制技术,

17、规则采样法的原理和计算方法。特定谐波消去法的原理和特点。滞环比较法的原理和特点。,5 直流斩波电路,直流斩波电路（DC Chopper）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter）。一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流。,电路种类包括6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩 波电路、 升降压斩波电路、Cuk斩波电路、 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是 最基本的电路。,1) 斩波电路的三种控制方式2）降压斩波电路、升压斩波电路电路结构电路工作过程分析，变压比公式的推导，电路参数的计算。,本章复习重点,5.1

18、斩波电路的控制原理,通过对器件导通占空比的控制来调节输出电压的平均值,斩波电路的三种控制方式（改变占空比的方式）脉冲宽度调制PWM（Pulse Width Modulation） 周期不变，通过导通时间的改变，控制输出电压。脉冲频率调制PFM（Pulse Frequency Modulation） 导通时间不变，改变导通的周期来改变输出电压。混合型调制：ton和Ts都可调，以改变占空比。,PWM（脉冲宽度调制）是直流直流变换器中最常用的控制方法。,5.2 降压斩波电路,平均输出电压,可将降压斩波器看作直流降压变压器。,电路结构,电路结构,升压变换器特点：输出电压高于输入电压,5.3 升压斩波电

19、路,升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用 二是电容C可将输出电压保持住,升压斩波电路可看作直流升压变压器。,把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路,变频电路,即改变频率又改变电压的电路,交交变频（直接变频） 交直交变频（间接变频）,交流电力控制电路,只改变电压,电流或控制电路的通断,而不改变频率的电路。,交流调压电路（相位控制或斩波控制）交流调功电路（通断控制）,交流-交流(AC-AC)变流电路的分类,6 交流电力控制交交变频电路,电阻负载时工作原理分析 在u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角进行控制就可以调节输出电压正负半周起始时刻均

20、为电压过零时刻，稳态时，正负半周的 相等。改变 可调节输出电压。,基本原理：两个晶闸管反并联（双向晶闸管）串联在交流电路中，通过对晶闸管的相位控制就可控制输出的交流电力。（幅值或功率）,6.1相控式单相交流调压电路,斩控式交流调压电路,用V1进行斩波控制,用V3给负载电流提供续流通道,在交流电源u1的正半周,开关器件为全控型控制方式为斩波,6.2斩控式单相交流调压电路,在交流电源u1的负半周,用V2进行斩波控制,用V4给负载电流提供续流通道,斩控式单相交流调压器的特性（电阻负载时）,电阻负载斩控式交流调压电路波形,调节占空比可改变输出电压有效值,6.3 交交变频器,把电网频率的交流电直接变成可

21、调频率的交流电的变流电路，属于直接变频电路。广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。,单相交交变频器的工作原理,改变两组变流器的切换频率，可改变交流输出电压频率 改变变流器的控制角，就可以改变交流输出电压的幅值,两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。,由P组和N组反并联的相控晶闸管变流电路构成。P组工作时，负载电流io为正；N组工作时，io为负。,为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对角进行调制,在半个周期内让P组角按正弦规律从90减到0或某个值，再增加到90。每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律变化。另外半个周期可对N组进行同样的控

22、制。uo由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。,输出上限频率 输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重。电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难确定一个明确的界限。当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的1/31/2。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。,单相交交变频器的输入输出特性,输入功率因数：输入电流相位滞后于输入电压，需要电网提供无功功率。,交交变频和交直交变频的比较交交变频电路的优点： 效

23、率较高（一次变流），可方便地实现四象限工作，低频输出波形接近正弦波。交交变频电路的缺点： 接线复杂，采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管。 受电网频率和变流器输出脉波数的限制，输出频率较低。 输入功率因数较低，输入电流谐波含量大。,7 PWM控制技术,PWM 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形。,7.1 PWM控制的基本原理,重要理论基础面积等效原理,冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。,7.2 PWM逆变电路及其控制方法,产生PWM逆变电路开关控制信号的方法,计算法：根据正弦波频率、幅值

24、和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变器开关器件的通断，以得到所需PWM波形的调制方法。,如：规则采样法，特定谐波消去法,跟踪控制法：将实际电流（电压）与参考电流（电压）相比较，通过闭环控制强制电流（电压）按给定值变化。,如：滞环比较法，三角波比较法,调制法：在调制信号和载波信号的交点时刻控制器件的通断，利用直流输入电源，在负载上调制出期望的信号。,规则采样法原理,规则采样法,自然采样法：按照SPWM控制的基本原理产生的PWM波的方法，其求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。,规则采样法：工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。,三角波两个正峰值之间

25、为一个采样周期Tc 。自然采样法中，脉冲中点不和三角波负峰点重合。规则采样法使两者重合，使计算大为减化。,脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。,分段同步调制 分段同步调制是异步调制和同步调制的综合应用。,把整个控制信号f1的频率变化范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同。在f1高的频段采用较低的N，使三角波频率不致过高；在f1低的频段采用较高的N，使三角波频率不致过低。,7.3 PWM整流电路,把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形成了PWM整流电路。控制PWM整流电路，使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为1，也称单位功率因数

26、变流器，或高功率因数整流器。,现代电力电子装置的发展趋势小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有更高的要求。电力电子装置高频化滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化。开关损耗增加，电磁干扰增大。 软开关技术降低开关损耗和开关噪声。进一步提高开关频率。,8 软开关技术,软开关：,在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。降低开关损耗和开关噪声。,a）软开关的开通过程,b）软开关的关断过程,零电压开通：开关开通前开关两端电压为零。零电流关断：开关关断前开关电流为零。零电压关断：与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。零电流开通：与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗。,软开关的分类,触发电路的作用： 产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。触发电路应满足下列要求脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。触发脉冲应有足够的幅度，使器件快速开通。不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。,9 电力电子器件的驱动、保护、串并联,