1电力电子技术绪论1什么是电力电子技术:电力电子技术包括信息电子(模拟,放大状态,数字电路)技术和电力电子技术(电网电能电力,开关通断状态)。电力电子技术就是研究电力电子器件的性能,选用完成特定的电力电能的转换后来获得所需要的电力电能。一般我们从电网中获取的都是比较粗糙的电能,在各种精确和特定功能电路中不能满足要求,因此我们必须的进行变换(整流,逆变,斩波,交流电力控制)。电力电子技术包括电子学(电路和器件),电力学(静止和旋转电机),控制理论(如何实现控制)。电力电子技术可以看成是弱电对于强电的控制,其中控制理论就是纽带。2电力电子技术的发展1947出现晶体管,1957出现了晶闸管,晶闸管属于半控型器件主要控制方式是改变导通的相位角,因此属于相控方式。七十年代后出现了可以关断的GTO,GTR,MOSFET等全控型器件的出现,较相位控制后出现了斩控方式,主要是脉宽调制方式PWM,通过调制这种波形与载波的锯齿波来控制器件的通断,来形成所需要的电源波形,八十年代后IGBT的发展等复合型器件异军突起,以后的隔离,控制检测保护,电路的集成化3电力电子技术的应用在各类电机的控制和调速系统,电力系统变电,无功补偿和抑制谐波,电子装置,家用电器的电源部分4教材的简介和使用说明第一部分:电力电子器件2,9基础了解期间的结构原理参数应用特性,应该以电力二极管,晶闸管,电力MOSFET,IGBT应用较为广泛的为重点。第九章是器件的共同问题包括驱动控制保护以及增容的串并联。第二部分:各种基本的电力电子电路3456主体包括四种交直流间的变化。把握各种电路的共性和个性分析,注意电路的分析能力和方法的形成第三部分:PWM的技术和软开关技术78这是精华第四部分:电力电子的应用还有基础实验部分第一章电力电子器件21.1电力电子器件的概述1主电路:直接承担电能变换任务的的电路电力电子器件可以直接用于主电路实现变换的器件。一般电力电子器件具有如下特点:承受电流电压能力,处理的功率大,本身的损耗,在实际应用中往往需要信息电子电路来控制即所谓的驱动电路2应用电力电子系统的组成组成:主要是有控制电路,驱动电路,检测电路,主电路。一般的驱动电路和检测电路要和主电路强电部分采用光和磁进行电气隔离,还要注意电力电子器件一般比较昂贵耐压耐流能力稍微差一点,在主电路和控制电路中加一些保护电路3分类(1)控制信号所控制的程度:不可控(电力二极管),半控型器件(只开通晶闸管),全控型器件(可以开通和关断GTO,GTR,MOSFET,IGBT)(2)驱动电路加在公共端和控制端的信号的性质:电流型(从控制端注入或者抽出电流来实现导通),电压型(来形成电压场效应)(3)信号的有效波形:脉冲型(使用脉冲使其开,关,不需要维持),电平型(持续维持导通,场效应)(4)内部载流子的情况:单极性(有一种载流子,MOSFET,肖特基二极管),双极性(有两种载流子,GTO,GTR,晶闸管,电力二极管),复合型:由单极性和双极性复合而成的IGBT,MCT总结:单极性和复合型的都是电压驱动型器件,都含有MOSFET都是场效应驱动,且都是要电平型来维持场的存在,而电压型的特点就是输入阻抗大,驱动功率小,IGBT需要小于20V驱动电路简单,开关频率高。双极性的都是电流型器件,需要注入和抽出电流来开通和关断,有电平型的GTR,和脉冲型的晶闸管和GTO,电流型的由于具有电导调制效应(多子浓度增加,电阻率下降,电导率上升),具有通态压降低和损耗小,工作频率低,驱动功率大和电路复杂1.2不可控器件―――电力二极管1原理:也称为导体整流器件,原理是PN节的单相导电性,容量大是由于采用了垂直导电结构,阴阳极是AK极32特性;(1)静态特性:伏安特性,有门槛电压(1)动态特性:3主要参数:正向平均电流和正向压降,昀高阶温度,回复时间,浪涌电流。正向平均电压是指昀大工频正弦半波电流平均值,与有效值=1.57正向平均电压4主要类型:普通二极管(多用于频率不高于1KHZ,但电压达千安和千伏),快速反应二极管,肖特基二极管(反应快速,频率高,但是耐压低使用与200V以下,温度敏感限温工作)1.3半控型器件---晶闸管1原理:采用PNPN四层结构,相当于PNP和NPN的两个器件门极触发导通A阳K阴G控2特性;(1)静态特性:当晶闸管承受反电压时,无论是否有触发都不导通,当在承受正向电压时,仅在门极触发时导通,导通后门极失去作用,都保持导通,仅在晶闸管电流接近于零时才关断(2)动态特性:开通过程,关断过程3主要参数:电压额定通态峰值电压:是由断态和反向峰值电压中较小的一个决定,选用时留有2-3的裕量电流额定:通态平均电流:的1.57倍等于有效值,一般是1.5—2的裕量,浪涌电流,作为设计保护的参数。4派生的主要器件主要类型:快速晶闸管(速度高,电压电流不易做的太高)双向晶闸管光控晶闸管电气隔离好,减少电磁干扰1.4典型全控器件GTO门极可关断器件1原理:由许多小GTO组成便于关断而设计的。导通时与普通晶闸管差不多。只不过饱和程度低,加入负脉冲后抽出门极电流。器件退出饱和2特性;(1)静态特性:动态特性:3主要参数:昀大可关断阳极电流4主要类型:现在很少使用,被MOSFET和IGBT替代GTR巨型晶体管BJT双极性晶体管电力晶体管都是等效的1原理:与普通的双极性晶体管一样的达林顿管,巨型说明耐高压,电流大,开关特性好2特性;(1)静态特性:伏安特性,有门槛电压43主要参数:4主要类型:很少使用电力场效应管电力MOSFET利用栅极电压来控制漏极电流,显著的特点就是驱动电路简单,驱动功率小,开关速度快,工频高,耐热性好,不足的是耐电压电流小。一般在10KW,和1000V以下参数:漏极电压是额定电压,漏极电流是额定电流,栅源极电压<20V绝缘栅极晶体管IGBT(由电力MOSFET和GTR)由于具有双极性两种导电电流型器件的电导效应使得耐压通流能力增强,又具有单极性电压型开关速度快,输入阻抗高,热稳定性好驱动功率小驱动电路简单,占据中,大型电力电子器件的主导,和MOSFET一样场控器件,在栅发射极之间,加反向和不加电压时关断。1.5其它新型电力电子器件MCTMOSFETcontrolthyristor的技术限制,未投入实际使用SIT和SITH有待拓展集成门极换流晶闸管IGCT前景难以预料功率集成电路PowerIntegratedCircuit。PIC将器件与逻辑,控制,保护,传感,检测,驱动,自诊断集成在同一芯片上第二章整流电路整流是将交流电能转化成直流电能供直流设备使用分类器件组成:不可控,半控,全控电路结构:桥式和零式交流相数:单相,三相变压器二次侧电流方向单双分为单拍,双拍。本章要掌握几种昀基本整流电路,研究其基本原理和负载性质影响,器件通断以及波形分析,主要是相控整流主要原理:通过控制器件的通断把交流电选定在某些时间段开通实现在某一电压方向(正负)的控制,再通过多次控制实现波动小,还可以利用电容来滤波平滑直流电,若阻感负载利用能量不能突变,原方向续流则更好的保证了是脉动较小的直流,从而完成交到直的整流过程2.1单相可控整流(电路图,波形,分析参见课本)单相半波可控整流电路(电阻负载,阻感负载)单相桥式可控整流电路(电阻负载,阻感负载,反电动势)可以根据电路设计的任务电压电5流,计算选取晶闸管参数单相全波可控整流电路(电阻负载,阻感负载,反电动势)单相桥式半控整流电路(电阻负载,阻感负载,反电动势)2.2三相可控整流电路(同上)当整流负载容量较大,要求直流脉动较小时,易滤波应采用三相整流。三相半波可控整流电路(电阻负载,阻感负载,反电动势)三相桥式全控整流电路(电阻负载,阻感负载,反电动势)线电压的包围圈,移相角的确定2.3变压器漏感对整流电路的影响2.4电容滤波的不可控整流电路(单相,三相)2.5整流电路的谐波和功率因素2.6大功率可控整流电路双反星型和多重化整流2.7逆变2.8整流电路的相位控制实现触发器和集成触发器KJ和KC系列三个KJ004可以形成六路双脉冲,第3章直流斩波电路主要内容:降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、复合斩波电路的结构与工作原理。重点:降压斩波电路、升压斩波电路的结构与工作原理。难点:升压斩波电路的工作原理基本要求:掌握降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路的结构与工作原理,了解复合斩波电路的结构与工作原理。直流斩波电路(DCChopper)将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电,也称为直接直流直流变换器(DC/DCConverter)。直流斩波电路的种类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,其中前两种是昀基本的电路。复合斩波电路——不同基本斩波电路组合6多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合3.1基本斩波电路重点:昀基本的2种——降压斩波电路和升压斩波电路。(1)降压斩波电路斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机,也可带蓄电池负载,两种情况下负载中均会出现反电动势,如图3-1中Em所示。为使io连续且脉动小,通常使L值较大。数量关系电流连续时,负载电压平均值(3-1)a——导通占空比,简称占空比或导通比Uo昀大为E,减小a,Uo随之减小——降压斩波电路。也称为Buck变换器。负载电流平均值I=Ud/R(3-2)电流断续时,Uo平均值会被抬高,一般不希望出现斩波电路三种控制方式a脉冲宽度调制(PWM)或脉冲调宽型——T不变,调节ton,应用昀多b频率调制或调频型——ton不变,改变Tc混合型——ton和T都可调,使占空比改变7图3-1降压斩波电路的原理图及波形a)电路图b)电流连续时的波形c)电流断续时的波形2升压斩波电路(1)升压斩波电路的基本原理工作原理:假设L值、C值很大,V通时,E向L充电,充电电流恒为I1,同时C的电压向负载供电,因C值很大,输出电压Uo为恒值,记为Uo。设V通的时间为ton,此阶段L上积蓄的能量为EI1tonV断时,E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为toff,则此期间电感L释放能量为(3-3)8图3-2升压斩波电路及其工作波形a)电路图b)波形稳态时,一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等,得(3-4)输出电压高于电源电压,故称升压斩波电路。也称之为boost变换器进一步分析:aL储能之后具有使电压泵升的作用b电容C可将输出电压保持住(2)升压斩波电路的典型应用直流电动机传动9图3-3用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形a)电路图b)电流连续时c)电流断续时用于直流电动机传动时,通常用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源,实际L值不可能为无穷大,因此有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。电机反电动势相当于图3-3中的电源,此时直流电源相当于图3-3中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的,因此不必并联电容器。3升降压斩波电路和Cuk斩波电路(1).升降压斩波电路设L值很大,C值也很大。使电感电流iL和电容电压即负载电压uo基本为恒值。基本工作原理:V通时,电源E经V向L供电使其贮能,此时电流为i1。同时,C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时,L的能量向负载释放,电流为i2。负载电压极性为上负下正,与电源电压极性相反,该电路也称作反极性斩波电路10稳态时,一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零,即(3-5)当V处于通态期间,uL=E;而当V处于断态期间,uL=-uo。于是:(3-6)所以输出电压为:(3-7)改变α,输出电压既可以比电源电压高,也可以比电源电压低。当0α1/2时为降压当1/2α1时为升压因此称作升降压斩波电路。或称之为buck-boost变换器。(2)Cuk斩波电路图3-5所示为Cuk斩波电路的原理图及其等效电路。V通时,E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分别流过电流;V断时,E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分别流过电流;输出电压的极性与电源电压极性相反;等效电路如图3-5b所示,相当于开关