一章节电力电子技术综述.ppt

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1、第一章 电力电子技术综述,引言1.1 简单的变换器1.2理想开关和实际开关1.3变换器分类1.4 变换器组成1.5变换器中电感电容连接1.6 变换器的希望特性和考核指标1.7 变换器保护,返回,电力电子技术（Power Electronics Technology）是研究电能变换原理及功率变换装置的综合性学科，包括电压、电流、频率和波形变换，涉及电子学、自动控制原理和计算机技术等学科。,引言,电力电子技术与信息电子技术的主要不同就是效率问题，对于信息处理电路来说，效率大于15%就可以接受，而对于电力电子技术而言，大功率装置效率低于85%还是无法忍受。目前能源问题已是我国面临的主要问题之一，提高

2、电源变换效率是电力电子工程师主要任务。,随着电子技术的不断发展，新器件不断出现，电力电子技术的发展方向是高频、高效、高功率密度和智能化，最终使人们进入电能变换和频率变换更加自由的时代，并充分发挥其节能、降耗和提高装置工作性能的作用。功率半导体器件是现代电力电子技术（Modern Power Electronics）的基础，它的应用范围非常广阔，从毫瓦级的个人无线通信设备，到百万千瓦的高压直流输电（High Voltage DC Transmission）系统。,电力电子技术的应用领域主要有：大功率直流电源。它的发展主要以提高单机容量和增加效率为主要目标。电机控制。无论是交流电机还是直流电机均采

3、用电力电子技术来完成电机的速度、转矩、跟随性等控制，但目前更多的是研究直流调速不能涉及的应用领域。高压直流输电。电源变换。它的发展主要以增加效率和提高控制性能为主要目标，如电焊机、电磁感应加热、电动机车、电动汽车，电镀电源、电冰箱、洗衣机等控制。无功功率补偿。,返回,1.1 简单的变换器,如果您需要从12V获得一个直流电源3.3V，可能想到采用分压器实现，如图1-1a所示。若R=1K，可以算出R2=0.379K，运用电工学中所学的知识，可得到所设计的电源等效内阻为：等效电路如图（b）所示，输出特性显然这个电源在没有电流输出时，其输出电压为3.3V；有电流输出时，其输出电压为IO为输出电流或负载

4、电流。,i,Vo,3.3V,1-1分压器、电压跟随器及输出特性,o,可以看出，随着电流增加输出电压线性下降，当输出电流为12mA时，所设计的电源输出电压为零。也就是说，这个电源对负载变化没有调节能力。理想电压源输出电压不会随输出电流增大而下降，也就是说输出电压对负载变化应该具有100%的调节性能，从电路角度看，即电源等效内阻为零。,从效率方面看这个电路当输出电流为零时，电路损，这些能量通过电阻转化为热。当输出电流为5mA时，此时输出电压 输出功率。电压跟随器电路显然其输出电压较分压器稳定的多，电路中除了电阻损耗外，另附加了晶体管损耗：在大功率应用中，大量的能量损耗在晶体管上，这些热量必须通过散

5、热器散掉，其效率也很低。,通过上述分析，可以看出变换器设计必须考虑至少两个方面问题：输出参数（电压）的稳定问题；变换效率问题；效率很低的变换电路几乎没有应用价值。,周期性的导通和截止直流电源，形成了方波电压，方波电压通过滤波后得到直流电压，在周期恒定时，控制导通时间就可控制输出电压，如图1-2所示。假定开关是理想开关，则损耗为零，效率大大增加，这就是现代电力电子技术中采用的开关工作模式。现代电力电子技术中的所有半导体器件都工作于饱和导通和截止两种工作状态，极力避免工作于放大状态，这也是和信号电路的又一本质区别。,返回,图1-2 PWM原理,1.2理想开关和实际开关,一般认为满足如下条件就是理想

6、开关：开关处于关断状态时能够承受高的端电压，并且漏电流为零；开关处于导通状态时能够流过大电流，并且此时端电压（导通电压）为零；导通、关断切换时所需的开关时间为零；即使反复地开关也不老化。小信号也能导通、关断，对信号延迟时间为零。,电力半导体器件不是理想器件，实际开关特性关断时能承受的端电压是有限的，关断时的阻抗也不是无穷大，总有漏电流流过，产生关断损耗。导通时能够流过的电流是有限的，导通时阻抗也不为零，正向导通电压和电流的乘积产生导通损耗。从关断到导通以及从导通到关断的时间也不是零，这时的电压和电流乘积产生开关损耗。由于端电压有限，所以在需要耐高压时，需要将电力半导体器件串联；同时由于流过的最

7、大电流有限，在需要流过大电流时，需要将电力半导体器件并联。,需要指出的是，采用理想开关并不是可以解决一切问题，如果出现了理想开关，也是只解决了损耗问题，与此同时会面临新的问题：如由于理想开关在零时间内完成开通和关断，即零时间强制切换大电流，di/dt将非常大，由于分布电感，会产生大的过压，因此抑制这个过压的安装技术改善是非常重要。,返回,1.3变换器分类,图1-3 变换器分类,图1-3为一个单输入单输出变换器，电源可以是直流，也可以是交流，可以是电压源，也可以是电流源；负载可以是电感、电容或电阻，也可以是有源负载或者是把电能转化成其它能量形式的装置；Vc是具有输出变量特征的控制信号，输入和输出

8、侧的电压或电流波形可以单相，也可以是三相或多相形式，变换器由开关、电感、电容和变压器组成，开关包含两端开关（如二极管）和三端开关（如SCR）。为了方便分析，假定这些器件都是理想器件，即具有线性、非时变特征，开关的电压和电流容量满足要求。,1 DC-AC变换器逆变器将直流电源变换成一个交流电源（单相或多相）称之为逆变，这种装置称为逆变器(Inverter)。,基本电路如图1-4（a）所示，通过采用一个开关把直流电源变换成低频或高频交流源，输出波形为脉动直流波形，输出波形经过滤波电路整形成希望的波形，一般希望输出为正弦波形。三相输出通过采用三个开关完成，如图1-4（b）所示。三个开关轮流导通120

9、度，输出三相120度直流脉动波形。交流电的频率、幅度大小和相位是交流电的三要素，使用电力电子技术如何自由地变换三要素，是DC-AC变换技术研究的主要内容。DC-AC变换器应用范围很广，如飞机和空间站电源、UPS、闪光灯充电、太阳能发电、交流电机调速、变速恒频电源和感应加热电源等，它们输出交流频率从50Hz到1MHz不等。DC-AC变换技术将在第6章介绍。,2 AC-DC变换器整流器 将单相或多相交流电源变换成一个直流电源称之为整流，这种装置成为整流器（Rectifier）。,基本电路如图1-5（a）(b)所示。图1-5（a）中交流电源通过二极管整流，二极管阳极承受正电压时导通，承受负电压时截止

10、，因此称二极管为不受控或极性控制开关。二极管后的波形包含交流成分和直流成分，交流成分称之为纹波，因此在二极管之后需要滤波电路。图1-5（b）中用开关取代了二极管，其主要特点是可以在输入交流波形的任何时刻进行开关，而不是和二极管那样阳极正电压时导通负电压时截止。因此可以控制输出电压的交流分量和直流分量，滤波电路仍然需要。AC-DC变换器应用范围很广，典型如电池充电，直流电机驱动，高压直流输电，风力发电等。不控整流和受控整流在第4章介绍。,3 DC-DC变换器将直流电源变换成一路或多路直流电源称之为DC-DC变换。DC-DC变换器也可以由DC-AC变换器和AC-DC变换器串联取得，输入直流电压首先

11、逆变为高频率的AC，接着把AC通过整流变换成DC。在DC-DC变换器中，频率提高可以减轻体积重量，如果需要输入和输出隔离，频率提高也可以减小变压器的重量，同时提高输入和输出电压的变化范围。,4 AC-AC变换器 将一个交流电源（单相或多相）变换成另一个交流电源（单相或多相，同频率或不同频率）称之为AC-AC变换。输出频率低于输入电压频率的AC-AC变换器称之为周波变换器（Cyclo-convweter），其输出频率一般是输入电源频率的几分之一。电源频率和输出频率相同的AC-AC变换器称之为交流控制器。另一种AC-AC变换器由ac-dc变换器和dc-ac变换器串联而成，从而得到希望的输出电压幅度

12、、频率和相数。这样的AC-AC变换器称之为DC-Link ac-ac变换器，这种变换器输出频率与输入电源频率无关。,5 软开关与硬开关 提高变换器工作频率可以减小变换器体积，但增加工作频率会大大增加变换器损耗，降低变换器效率，为了同时提高变换器效率和减小变换器体积，软开关技术应运而生。所谓软开关技术，是指电力电子器件导通或关断时损耗为零的技术，与此相应若导通或关断时损耗不为零则为硬开关。,返回,1.4 变换器组成,1、电阻电阻是唯一的能量损耗器件，电阻作为单独的一个器件，在变换器功率电路中是不存在的，但存在于负载和寄生参数中，例如，电源的等效电阻，电感、变压器和电机中的线圈电阻，导线电阻，电容

13、的等效电阻等。电阻的大小与流过电阻电流的频率无关，但是，导体中的线电阻与频率有关，随着流过电阻的电流频率增大，线电阻增大。这是由于电流流过导线时，导线周围产生磁场，磁场强度H与距离的平方成反比，因此在导线中心磁场强度最大，因此导线中心的感抗比靠近导线表面的区域大，电流流动趋向电抗小的区域，因此电流向导体表面集中，这就相当于增了导线的电阻率，这种现象称之为趋肤效应（skin effect），趋肤深度与频率的平方根成反比。解决趋肤效应的办法就是增加导体的表面积，即用一束细直径导体代替大直径导体，这一束细导体称为多线头导体。,2、电感电感是储能器件，除了作为一个器件存在于变换器中，同时还有寄生电感，

14、如负载的寄生电感，配电系统中导线的自感，变压器和电机的漏感。电感的电压电流关系为：在 时间内，流过一个大电感的电流可以认为是常数，这是因为：因此，可以认为在 时间内，大电感的模型可用电流源代替。,3、电容电容也是一个储能器件，在变换器中作为一个器件存在，同时还存在寄生电容，如变压器中的匝间电容和层间电容，二极管、晶体管、晶闸管等内部的固有电容。电容的电压电流关系为：当以恒定电流充电时，可写为即恒流源向电容充电时，电容两端电压线性增加。在 时间内，大电容的电压可以认为是常数：因此，可以认为在dt 时间内，大电容的模型可以用电压源代替。,4、电源变换器的能量由输入电源提供，电源可以有多种划分方法，

15、如：电压源，电流源；直流电源，交流电源；总是提供恒定幅度电压的电源称为直流电压源（dc voltage source）。基于交流电源的相数多少，交流电源可进一步划分为：单相交流源，三相交流源，多相交流源。,1)电压源和电流源，如图1-8所示。电压源端电压是流过其电流的函数：一般情况下电流流出正端子，但有时电流反向流动，因此，端电压在幅度和波形上与电源内部电压不同。理想电压源的源阻抗为零，因此其端电压和电流无关。电流源流出的电流与其端电压有关：端电压或正或负，端电流在幅度和波形上与电源内部电流不同。理想电流源的源阻抗无穷大，因此流出其端子的电流与端电压无关。,图1-8 电压源和电流源,2）直流电

16、源和交流电源总是提供恒定幅度电压的电源称为直流电压源（dc voltage source）。电池是最接近的理想直流电压源，预先冲好电的大容量电容也是直流电压源，电容值越大储存的电荷越多，供电时间越长。电池可以认为是一个容量非常大的电容。在自然界中不存在电流源，然而，一个预先加上电压的大电感可以认为是一个电流源，必须注意电流源必须用闭合电路储藏电能，而电池和电容可以开路。一个实际的电流源可以通过采用一个交流源或直流源串联一个大电感得到。,例题1 利用24V电池，设计一个20A恒定电流源，向20KHz的变换器供电，电流波动小于1%。解：一个由电压源的大电感闭合回路可以认为是一个电流源，恒流源电流大

17、小取决于电路总回路电阻，包括导线电阻、电感电阻、负载电阻、电池内阻等，电流源如图例l所示，稳态时回路总电阻R：即导线电阻、电感电阻、负载电阻、电池内阻之和等于。,电压波形随时间幅度周期性变化的电源称之为交流电压源（ac voltage source）。在自然界中不存在交流电流源，一个实际的交流电流源可以通过一个交流源串联一个大电感得到。正弦波是基本的交流波形，任何形状的周期性波形都可以表达为一系列正弦波之和，正如我们在高等数学中所学的傅立叶级数所讲述的那样：,多相交流源输出波形相同，只是在相位上有移相，相互移相，p为相数。例如，三相正弦交流电源由三个互差120度的同样正弦电压波形组成。多相电源

18、传输功率大。三相四线制交流供电，提供三个相电压和一个中性点,这种连接称为星星连接或Y连接，三相三线供电，提供三个线电压，这种连接称为三角形连接，如图1-9所示。在中国单相和三相供电电压分别为220V和380V（有效值，rms），50Hz；在美国单相和三相供电电压分别为120V和220V（有效值，rms），60Hz；在欧洲单相和三相供电电压分别为120V和220V（有效值，rms），50Hz。,5、电力电子器件电力电子器件在功率电路中（主电路）起着开关作用。理想开关就是：当开关导通、流过电流时，其端电压为零；当开关关断、流过电流为零。就是说理想开关损耗为零，即通态损耗为零、断态损耗为零和开关损耗

19、为零。双向开关（bidirectional switch），就是开关在通态时电流可以双向流动，如闸刀。电力电子器件中无双向开关，但可以用两个单向开关反并联组成。双极性开关（bipolar switch），就是开关在断态时既可以承受正向电压也可以承受反向电压，如闸刀、可控硅（Silicon Controlled Rectifier:SCR）。单向（unidirectional）单极性（unipolar）开关，几乎所有的电力半导体器件均为单向单极性开关，如二极管、晶体管等。开关控制信号可能是一个门槛电压或电流，超过这个门槛就导通，也可能是一个电压或电流的脉冲信号。,6、变压器变压器在变换器中是通过

20、磁耦合把电能从一个电路传输到另外其它电路中去，同时改变了电路电压，但传输过程中电压或电流波形的频率不会改变，当然直流电压不能通过变压器传输，能量守恒定律适用于变压器。变压器由磁芯、骨架和绕组组成，磁芯构成闭合磁路，绕组至少两个以上，分别称为原边绕组和副边绕组或初级和次级绕组。两个绕组的变压器如图1-10所示，绕组线圈上的点表示电压极性相同，称为同名端。由于闭合磁路中磁通 相等，线圈电压、匝数和磁通关系式为：由能量守恒定律，变压器输入能量 等于输出能量：,7、负载负载可以分为：阻性负载；其模型可用纯电阻代替，纯电阻负载的变换器一般在低频工作，如加热器、电炉、烤箱等。感性负载；主要由电感组成。容性

21、负载；如电容、激光、显示器等。直流电流负载；如恒转距应用的直流电机。直流电压负载；如恒转速应用的直流电机、电池充电过程。交流电压负载；如恒转速应用的感应同步电机。交流电流负载；如恒转距应用的感应同步电机。,图1-11 电压、电流吸收器,8、控制器目前的控制器主要有两大类，专用芯片和微型计算机。所谓专用芯片也称为适合特定用途的IC，目前有许多公司相继开发出了应用于不同用途的控制芯片，专用芯片的特点是控制简单容易，控制规律采用硬件实现。目前控制系统中常用的微控制器有单片机和DSP等。,返回,1、变换器中电感连接电感电流的突然变化会引起，从而导致电感两端产生很高的电压，也影响到电路中相关的元件。但反

22、过来，电感两端加上一个有限的电压却不能引起电感中电流的瞬间跳变，即电感中电流是连续的。因此，在电力电子变换器中，电感和单向开关不能串接在一起，万一需要这种连接，开关断开时，必须提供电感电流连续的通道。开关两端反并联一个二极管可以为串连的电感提供一个电流通道，电感反并联一个二极管也可为电感提供电流通道，这个二极管称之为续流二极管（free-wheeling diode）。,1.5变换器中电感电容连接,如果周期性的激励包含电感的电路，则在稳态时（steady-state condition）一个周期内电感两端的平均电压为零。这是因为如果电感两端的平均电压非零，那么电感电流将增大到无穷大，所以：稳态

23、时，周期结束时的电感电流与周期开始时的电感电流相等。因为：所以：,电感中储存的能量：但如果线圈运动，如在电机中，电感是时间的函数，但对固定电感来讲，为常数，因此，电感中储存的能量：iL0和iL代表电感初始电流和电感当前电流。,返回,2、变换器中电容连接电容两端电压的突然变化，会引起无穷大的，从而导致非常大的电流流进或流出电容，但反过来，非常大的电流流进或流出电容，却不会引起电容电压的瞬间跳变，即电容两端的电压是连续的。因此，在电力电子变换器中，电容和单向开关不能并接在一起，无论何时需要这种连接，开关断开时，必须提供阻塞二极管与电容串接在一起，防止万一开关闭和形成短路。,如果周期性的激励包含电容

24、的电路，则在稳态时一个周期内流出和流入电容的平均电压为零。这是因为如果流出流入电容的平均电流非零，那么电容电压将泵升到无穷大，所以：与电感一样，稳态时，周期结束时的电容电压与周期开始时的电容电压相等。因为：电容中储存的能量：一般说来，如果构成电容的介质是运动的，则电容值是时间的函数，但对固定电容来讲，为常数，因此,返回,1.6 变换器特性和指标,变换器工作有两个阶段：:瞬态阶段（transient phase）和稳态阶段（steady-state phase）。在瞬态阶段，电压和电流波形每个周期都会发生变化；而在稳态阶段，每个周期所有波形都相同。1、变换器应具有如下特征：输出电压（电流）和给定

25、值和波形相同；输出电压（电流）对负载、输入电压（电流）和器件参数变化不敏感；输入电源失真最小，输出电压（电流）失真最小；控制灵敏，控制范围大；功耗最小，瞬态阶段阻抗最大；储能最少。,2、瞬态部分主要考虑：输入电源的瞬态电流。输出短路时的输入电源电流；冲击（浪涌 surge）保护；突加重载和卸载时变换器输出端的瞬态电压；开关器件两端的最高电压和最高电压变化率；开关器件两端的最高电流和最高电流变化率；变换器接通和断开时输出端的最大瞬态电压和名义输出电压之差。,3、稳态部分主要考虑：正向传输特性（forward transfer characteristic）。正向传输特性是指输出变量和输入变量的关

26、系，主要有电压传输特性，和电流传输特性。反射特性（reflective characteristic）。所谓的反射特性，是指输出对输入电压和电流的影响。谐波曲线。变换器的输入和输出波形一般来说都不是正弦信号，谐波曲线是指交流电压、电流或瞬时功率的幅值和频率关系。,4、相关定义平均值（average）。即一个周期波形积分平均值，平均电压值又称为直流电压值。有效值rms(root-mean-square)。有效值定义：某非直流电压（电流）加在一个电阻上，产生的功率如果和另一个直流电压（电流）加在同一电阻上的功率相等（同样时间内产生的热量相同），这个直流电压或电流被称为这个非直流电压或电流的有效值：

27、峰峰值（peak-peak ripple）。纹波的最大尖峰和最小尖峰之差。不希望的最低谐波频率（lowest undesired harmonic frequency）。在DC-AC逆变器中是希望谐波频率远离基波频率。此谐波频率称之为不希望的最低谐波频率。,功率因数（power factor）传统的功率因数概念是在线性负载条件下得到的，交流电路中的电压与电流为同频率的正弦波，相位差为，功率因数为。为了校正功率因数，通常在感性负载两端并联移相电容，用容性无功功率补偿感性无功功率。由于电力电子设备的整流装置（不控和相控整流）和开关电源等非线性负载的大量投入使用，尽管输入电压为正弦，电流却为严重非正

28、弦，因此线性电路的功率因数计算不再适用于AC/DC变流电路，而采用PF（Power Factor）表示功率因数。功率因数PF（power factor）定义：交流输入有功功率与视在功率的比值：,一般认为输入电压为无畸变的正弦波，那么只有输入电流的基波分量影响有功功率，即 被定义为相移功率因数（displacement power factor），描述了负载的电抗特性。于是功率因数可表示为 定义为畸变功率因数。畸变功率因数的定义为：其中，为输入电流（网侧电流）的基波电流，,为输入电流的2次谐波电流、3次谐波电流、谐波电流。功率因数定义为相移功率因数和畸变功率因数的乘积，可表示为：,返回,1.7

29、变换器保护,1、浪涌电压保护浪涌保护（surge voltage protection），通常用硒二极管（selenium diode）或金属氧化物变阻器MOV（metal oxide varistors）来保护变换器免受输入瞬态浪涌电压的破坏。通常把硒二极管反并联在变换器电源输入端。正常情况下，硒二极管流过很小的电流，当一个浪涌电压到来时，硒二极管击穿流过很大的电流以限制其两端的电压，从而保护变换器免受瞬态高电压损害。交流输入时用两个硒二极管背对背连接后并接在变换器电源输入端。金属氧化物变阻器MOV，又称压敏电阻，是一个非线性电阻器，它由被绝缘膜隔离的金属氧化物粒子组成，电压高时，绝缘膜导电

30、，从而限制变换器的输入电压。,2、过电流保护过电流保护（protection against excessive current），通常采用在输入电源回路中串入保险（fuse）保护短路和过电流。保险可能是一条细线，在过电流时烧断，也可能使半导体元件，它在正常条件下为低阻抗器件，在过电流条件下为永久性的高阻抗。由于开关器件对电流和电压非常敏感，其承受过电流的时间非常短，一般只有几微秒，因此保护电路必须具有很快的响应时间，而保险烧断需要一定的时间，因此采用保险丝往往不能保护开关器件免受过电流损坏，现在常用霍尔电流传感器进行保护。,3、开关器件保护开关器件保护（protection of switc

31、hing device）就是要限制开关应力在安全值以内，并进行功率传输。开关应力就是瞬态电压最大值、瞬态电流最大值。特别要注意变换器接通、断开以及过电压时的开关器件保护。为了保证开关器件的安全工作，通常设置缓冲电路，缓冲电路又称为吸收电路（snubber circuit）来保护开关器件，其作用是抑制开关器件的过压、过流、，减少开关器件的损耗。缓冲电路可以分为关断缓冲和开通缓冲电路，关断缓冲又叫做 抑制电路，用于吸收开关器件关断过程中的过电压。开通缓冲又叫做 抑制电路。变换器中的电线具有非常大的自感，这个自感的作用主要表现在开关器件电压尖峰的大小和延续时间，减少电路自感是解决的主要办法，如电源回

32、路采用三明治结构连接，即减少回路面积从而减少自感。,返回,当VT关断时，集电极电流IC下降，并联电流给缓冲电容充电，充电电流IS经过二极管VDs流通，以加快充电时间和减少吸收损耗。VT完全关断，负载电流全部转移到吸收回路中,吸收电容的大小为,图1-12 缓冲与吸收电路,练习题1 三角波电流源，峰值为10A，频率为1KHz，向容量为1uF的电容充电（电容电压初始值为零），如题1图所示，列出电容上电压和电流表达式，并画出电压和电流波形。2 方波电压源，峰值为300V，频率为1KHz，负载为300uH的电感（电感电流初始值为零），如题2图所示，写出电感电流表达式，并画出电压和电流波形。,3 有几类变

33、换器？4 变换器的主要组成有哪几部分？5 说明为什么大电容的模型可用电压源取代，大电感负载的模型可用电流源取代？6 电感和半导体开关串联，当半导体开关断开时，会发生什么？7 电容能否和半导体开关并接在一起，为什么？8 有效值定义。9 功率因数定义。,10 电池电压为12V，其输出电流波形如题图所示，计算在29us内：1）其输出平均电流；2）输出平均功率。11某电路输出电压电流波形如题图所示，计算其输出平均功率。,12 说明缓冲电路（吸收电路）的主要目的是什么，抑制需要那些器件？13 为什么说移相功率因数不能充分说明电流和电压的相互关系？14 双向开关、单向开关是指什么？电力电子器件是哪一类？15 电力电子技术的主要研究领域有哪些？16 利用24V电池，设计一个10A恒定电流源，向工作频率为20KHz的变换器供电，要求电流波动小于1%，计算需要多大的电感才能满足要求。17 所谓电力电子技术是什么样的技术领域？18 请写出交流电3要素。19 机械开关能否满足电力电子技术应用？,