电力电子装置及系统 考试 知识点 太原理工大学(13届 葬仪落 任影汐整理)

第一章绪论1、电力电子技术的核心是电能形式的变换和控制，并通过电力电子装置实现其应用。2、电力电子装置定义：以满足用电要求为目标，以电力半导体器件为核心，通过合理的电路拓扑和控制方式，采用相关的应用技术对电能实现变换和控制的装置。3、电力电子控制系统：电力电子装置和负载组成的闭环控制系统称为电力电子控制系统。4、电力电子装置的主要类型：AC/DC变换器（整流器）DC/DC变换器（采用PWM控制的变换器也叫直流斩波器）AC/AC变换器（输入输出频率相同叫做交流调压器，频率变化叫变频器）DC/AC变换器（逆变器）静态开关（静态开关通、断时没有触点动作，从而消除了电弧的危害。且静态开关由电子电路控制，自动化程度高。）5、电力电子装置的应用（1）直流电源装置：通信电源、充电电源、电解电镀直流电源、开关电源（2）交流电源装置：交流稳压电源、通用逆变电源、不间断电源UPS（3）特种电源装置：静电除尘用高压电源、超声波电源、感应加热电源、焊接电源（4）电力系统用装置：高压直流输电、无功功率补偿装置和电力有源滤波器、电力开关（5）电机调速用电力电子装置：直流、交流（6）其他实用装置：电子整流器和电子变压器、空调电源、微波炉、应急灯等电源6、电力电子装置的发展前景：交流变频调速、绿色电力电子装置、电动车、新能源发电、信息来源7、半导体电力电子开关器件：电力二极管、晶闸管、电力晶体三极管、电力场效应晶体管、绝缘门极双极型晶体管IGBT8、电力转换模块：把同类或不同类的一个或多个开关器件按一定的拓扑结构及转换功能连接并封装在一起的开关器件组合体。功率集成电路PIC：将电力电子开关器件与电力电子变换器控制系统中的某些环节制作在一个整体上，就叫功率集成电路。电源管理集成电路：可以提供各种方式来控制电源转换并管理各种器件的集成电路。9、散热：（1）为什么要散热？答:PN结是电力电子器件的核心，PN结的性能与温度密切相关，因而每种器件都规定最高允许结温，器件运行不得超过这个温度，否则许多特性参数改变，甚至使器件永久性烧坏，不散热，100A的二极管长时间流过50A也可能被烧坏。（2）散热的原理。散热途径有三种，但电力电子器件采用热传导和热对流两种方式。（3）散热措施：减少器件损耗：采用软开关电路，增加缓冲电路等措施。散热措施：提高接触面光洁度，涂导热硅脂，施加合适安装压力。选择有效散热面积大的散热器。结构设计注意风道的形成，可以用水、油等介质管道帮助冷却。10、缓冲电路：（1）作用：抑制开关器件的di/dt、du/dt，改变开关轨迹，减少开关损耗，使之工作在安全工作区域内。（2）普通晶闸管用无极性缓冲电路，GTO、BJT、IGBT等自关断器件，工作频率比SCR高得多，用有极性缓冲电路。11、保护技术（1）过电流保护：防止过电流：互锁：桥臂中一开关器件有驱动信号时，绝对不允许另一开关器件有驱动信号，可以利用门电路将桥臂中两个驱动信号进行互锁。死区：桥臂中两个开关器件都不允许开通的时间。时间为器件关断时间的1.5-2倍过电流保护方法：①利用参数状态识别对单个器件进行自适应保护。当饱和压降超过限定值的时候，器件驱动电路自动封锁脉冲。②利用常规办法进行最终保护。晶闸管用快速熔断器，高频开关器件用电流检测，过流时限制电流，必要时封锁驱动脉冲。（2）电流信号检测慢速型电流检测元件：电流互感器。注意：互感器二次绕组不能开路。快速型电流检测元件：霍尔元件、霍尔电流传感器模块。（3）输出过压保护封锁驱动信号，为了不出现误保护，应具有反延时特性（过压越多，保护延时越短）。（4）输入瞬态电压抑制（MOV器件）（5）输入欠电压保护（6）过温保护（7）器件控制极保护（8）自锁式保护电路第二章高频开关电源1、线性稳压电源：工作在线性放大区域的稳压电源。线性电源：电力电子器件工作在线性放大区域。开关电源：电力电子器件工作在开关模式，一般指小功率AC-DC、DC-DC。线性稳压电源的工作原理：依靠调节大功率晶体管T的基极电流的大小改变负载R上的电流，来调节输出电压，T上有一定的电压和电流，功率损耗较大。2、开关电源发展状况：（1）高频化（2）电源电路的模块化、集成化（3）绿色化3、高频开关电源的基本组成：（1）输入环节：输入浪涌电流抑制、瞬态电压抑制、线路滤波器、输入整流滤波浪涌电流：在合闸的瞬间，由于输入滤波电容的充电，交流电源端阻抗低，产生浪涌电流。抑制方法：限流电阻加开关（将限流电阻串接于交流线路或整流桥后的直流母线上，开关与电阻并联）、采用负温度系数热敏电阻NTC、功率很小的开关电源直接在线路中串接电阻限制浪涌电流。瞬态电压：在交流线路间并联压敏电阻或者瞬态电压抑制二极管（TVS）抑制输入瞬态电压（2）功率变换电路（Buck变换、Boost变换、Buck/Boost变换、正激、反激、推挽、半桥、全桥）（3）控制驱动保护电路：PWM电压控制模式、PWM峰值电流控制模式4、单端反激式开关电源（1）工作模式：不连续工作模式（DCM）、临界工作模式、连续工作模式（CCM）连续：不连续：（2）工作原理：变压器PT既是变压器也是一个线性电感，T饱和导通时其等效阻抗近似为零，如果外加电压Ui恒定，流过绕组N1的电流i1线性增长，由于绕组N1、N2是反极性的，二极管D截止，副边没有电流，导通期间的能量储存在初级电感里;当开关截止时，副边绕组感应电势使二极管导通，通过输出电容和负载释放磁场能量。反激变换器：开关管导通时电源将电能转为磁能储存在电感（变压器）中，当开关管关断时再将磁能变为电能传送到负载单端变换器：变压器磁通仅在单方向变化①自激型单端反激开关电源RCC：ib→T通,i1流过N1→U1、Uf(Nf)→ib增加→i1增加→T饱和，i1线性上升，→Czcd的存在，→ib随时间下降→T进入放大区，i1受控减小→Uf反向→ib进一步减小→使T很快截止。临界工作状态：②他激型单端反激开关电源（UC3842）振荡器的振荡频率由外接的电阻RT和电容CT决定，而外接电容同时还决定死区时间的长短。死区时间、开关频率同RT和电容CT的关系如下所示:设计时可先根据所需的死区时间用式(8-2)计算CT值，然后再根据式(8-3)计算RT值。驱动电路的结构为推挽结构的跟随电路，其输出峰值电流可达500mA，可以直接驱动主电路的开关器件。欠电压保护电路对集成PWM控制器的电源实施监控。电路初上电时，电源电压低于启动电压（典型值约为16V），欠电压保护电路封锁PWM信号的输出，输出端（引脚6）为低电平。只有当电源电压大于启动电压后，经过一次软启动过程，UC3842的内部电路才开始工作，输出端才有PWM信号输出。工作过程中，如果电源电压跌落至保护闭位（典型值为10V）以下时，输出PWM信号被封锁，避免输出混乱的脉冲信号，以保护主电路开关器件。只有当电源电压再次大于启动电压后，再经过一次软启动过程，UC3842的内部电路才重新开始工作，恢复PWM信号输出。5、功率因数校正：无源功率因数校正和有源功率因数校正。功率因数PF定义：PF=P/S=(I1/I)cosφ=λcosφ（有功功率P与视在功率s的比值）功率因数校正PFC原理：通过一定的措施，使输入电流连续，并尽可能接近于电压波形（正弦波），或者使输入电流的谐波分量尽量小，提高功率因数。（1）无源功率因数校正：在电源输入端加入电感量很大的低频电感，以便减少滤波电容充电电流的尖峰。缺点：校正效果不理想，功率因数只能达到0.85左右，电感体积大，增加了设备的体积和重量，系统成本提高。（2）有源功率因数校正（APFC）：功率因数可以达到1。①采用有源滤波器进行无功和谐波补偿②采用功率因数校正电路（单相有源功率因数校正装置的控制方法分为不连续电流模式DCM和连续电流CCM模式，采取Boost电路拓扑，三相大容量整流用PWM高频整流器）有源功率因数校正控制技术原理有源功率因数校正技术主要采用一个变换器串入整流滤波与变换器之间,通过特殊的控制,一方面强迫输入电流跟随输入电压,从而实现单位功率因数,另一方面反馈输出电压使之稳定,从而使变换器的输入实现预稳。功率因数为1的高频整流器：非连续电流模式、连续电流模式功率因数校正器，三相高频整流器。第三章逆变器1.常见单相逆变器主电路拓扑逆变器有单相和三相两种，三相逆变器可由三相半桥组成，也可由3个相位互差120°的单相逆变器组成。半桥电路缺点：输出端电压波形幅值仅为直流母线电压值的一半，电压利用率低优点：可以利用两个大电容自动补偿不对称波形全桥电路缺点：变压器直流不平衡（中大容量逆变器）优点：电压利用率与推挽一样，为半桥两倍推挽电路缺点：变压器直流不平衡（适合低压输入场合）优点：电压损失小，直流母线电压只有一个开关管管压降损失，驱动电路简单2、驱动电路：主电路与控制电路之间的接口电路。3、逆变器控制方法:（1）直流脉宽调制(定义：利用直流调制信号和三角波比较，可以得到单脉波信号；改变直流调制信号，就可改变单脉波的脉冲宽度，调节电压基波分量的有效值，实现电压控制目的)方波输出电路简单，易于闭环控制，电压输出稳定度也比较高，具有成本低的优点。但是方波输出含有大量的低次谐波，波形畸变严重。（2）正弦波脉宽调制（SPWM技术，利用面积冲量等效原理获得谐波含量很小的正弦电压输出）单极性SPWM调制模式双极性SPWM调制模式4.逆变器直流不平衡（直流偏磁）直流偏磁：由于逆变电压中出现直流分量，使变压器磁芯的工作磁滞回线中心偏离了坐标原点，正反向脉冲磁过程中工作状态不对称，使得变压器正负半周传输的能量不平衡。原因：主开关器件及驱动电路特性不一致，一个正弦周波中，正负半波控制波形不对称，元件参数的分散性引起死区不一致，主电路同一桥臂上、下两个开关器件的开通、关断时间不等,饱和压降不同,缓冲电路参数有差异等。危害：变压器铁芯“偏磁”单方向饱和，输出电压波形畸变率增加，变压器原边绕组出现极大励磁电流，威胁器件安全运行。抗直流偏磁措施：增加变压器磁心气隙，改善磁导率的线性度，增大抗偏磁能力；变压器设计时，最大磁密比较小；限制最大脉冲宽度，在一个周期内尽量使正负脉冲宽度一致，特别是在动态工作状况下；检测通过开关管的电流，当此电流连续几个周波超过设定值，则切断控制脉冲，使变压器有足够的时间去磁，然后再开通控制脉冲；在变压器原边串联隔直电容，提高变压器抗不平衡的能力；严格挑选开关特性一致的功率管用于全桥逆变电路；采用反馈进行直流补偿。5.SPWM控制电路框图（电压调节为了稳压，电流调节为了限制输出电流）urucuOtOtuououoUd-UdurucuOtOtuouofuoUd-Ud6.三相SPWM系统框图7.交流电动机变频调速系统异步电动机转速fs定子电压频率8.感应加热电源（高频谐振逆变器：将市电整流，再逆变成高频交流给感应线圈供电）感应加热是利用电磁感应原理对工件进行加热，工件中功率密度的分布可以方便的予以控制和调节，因而可以提高加热工件的质量、并联谐振式逆变电路市电整流后串联一个大电感L1，属电流源逆变器，逆变桥输出电流近似方波，LCR是逆变桥的谐振负载逆变器工作频率接近于并联谐振负载电路的谐振点，因此负载电压接近于正弦波，每个开关管增加串联二极管，增大每臂的导通压降和通态损耗。串联谐振式逆变电路逆变器的工作频率略高于负载电路的谐振工作点时，负载电路呈电感性，电流过零点滞后于电压过零点。t1时刻以前开关管T2T3导通，输出电压和电流为负，在t1时刻关断T2T3，这时流经负载的电流尚未下降至零，负载中电感要维持电流，使电流经T1T4与T2T3的反并联二极管D1D4流通，T1T4的驱动脉冲式互补的，在电流自然下降过零前已对T1T4加上驱动脉冲，在t2时刻电流自然地由二极管D1D4换至开关管T1T4，称为自然换流（可使开通损耗降到零）。逆变电路功率调节：逆变器工作频率fs始终应接近并大于其谐振频率，负载的谐振频率fr=1/2πsqr(LC).电流互感器检测输出电流，如果输出电流小于设定值，电流调节器的输出就使压控振荡器的工作频率降低，分频以后的逆