现代电力电子技术(完整)

现代电力电子技术讲稿姚河清2002.7.27概述1.电力电子技术的概念PowerElectronics&Conversiontechnolegy1.1电力电子技术：电子技术在大功率方面的应用1.2变流技术：实现电流供流方式的转换例如：交流---直流、直流---交流、直流---直流、交流---交流2.电力电子变流技术的应用与发展2.1电力电子变流技术的应用例如：·输变电·电力拖动（轧钢、纺织、造纸等以及其他各种电机的拖动）2.2电力电子变流技术的发展发展的动力1）元器件2）控制技术3）变流技术3.本课程的教学计划3.1教学学时2学分3.2教学内容：整流、调压、逆变3.3教学目的：1）功率电子元件及应用2）各种电路的工作原理分析及应用3）电路设计第一章晶闸管§1—1晶闸管(Thrystor)的工作原理1.晶闸管分类及应用1.1普通晶闸管；交---直变换为主，用作逆变、调压、开关等。1.2快速晶闸管；开通与关断速度快，一般用高频率的逆变、快速开关、调压等。1.3双向晶闸管；可双向道通、用于交流开关、调压。1.4其他晶闸管；可关断晶闸管、特殊门极晶闸管等。2.普通晶闸管的工作原理2.1结构与等效电路（见图1—3）P2P1N1N1P2N2AKGAGKEARPNPNPN图1--3AKG2.2晶闸管的工作状态1）反向截止2）正向截止3）正向导通2.3状态转换1）正向截止---正向导通（触发）条件：A—K加正向电压，同时G—K加触发信号；2）正向导通---截止（关断）条件：A---K电流为零。§1--2晶闸管的特性1.晶闸管的静态特性1.1V—A特性UDRM—正向断态重复电压（可恢复90%UDSM）UDSM--正向断态可恢复电压URRM–反向断态重复电压（可恢复90%URSM）URSM—反向断态可恢复电压Ub0—反向击穿电压IH—正向维持导电电流IG—触发电流DRMUU图1--4晶闸管V-A特性曲线IAUAUDSMUIIIUboRRMRSMHDRMRRMIIIG0G1G2正向导通反向击穿图1—42.晶闸管的门极V—A特性图1--3门极V--A特性可靠触发区IFGMIGT0UGUGTUFGMIG低阻曲线高阻曲线•IGT—可靠触发最小电流•UGT—可靠触发最低电压•IFGM—门极正向峰值电流•UFGM--门极正向峰值电压电压过低，电流过小不能触发；电压过高，电流过大可能烧坏。通常要远小于阳极电压和阳极电流。•使用门极信号应注意：1）有效触发（信号的电压、电流、时间要合适）2）防止干扰3）提高触发速度3晶闸管的动态特性图1—6t1tdiAUAKtrrtgrURRMIRM100%90%P功耗开通损耗通态损耗扩展损耗关断损耗过渡损耗ttt•主要考查参数1）开通时间：tgt=td+tr；td–延迟时间；tr--上升时间。2）关断时间tg：从A—K间施加反向电压开始至恢复正向阻断所需时间。tg=trr+tgrtrr—反向阻断恢复时间tgr—正向阻断恢复时间通常：tgr要远大于trr3）动态损耗：P损耗=断态损耗+通态损耗+开通损耗+关断损耗§1—4晶闸管的主要参数1.电压定额1.1断态重复峰值电压UDRM工作于正向断态，重复频率50HZ，过电压连续时间≤10ms，晶闸管能达到的最高峰值电压；1.2反向重复峰值电压URRM=90%URSM（反向不重复峰值电压）•晶闸管额定电压取值该管的UDRM与USRM中的最小值1.3通态电压降UTH2.电流定额2.1通态平均电流IT（AV）---环境温度40°；电阻性负载；单相工频；半波整流；全导通；规定散热条件；稳定结温不超过规定值；允许的最大平均电流。说明：1）电流导致晶闸管破坏的方式为热破坏。晶闸管的允许承载电流（即额定电流IT（AV））是晶闸管工作在确定的散热条件下，IT（AV）使晶闸管发热达到规定结温。2）与晶闸管的发热量相对应的是电流的有效值，而额定电流的计量用的是平均值，其他任意条件下选择晶闸管额定电流的方法：先将任意条件下的电流平均值转换成有效值（乘波形系数Kf)，然后将该有效值转换成规定条件的平均值（除以1.57）。I/IT（AV）==1。57IT(AV)=021Imsintdt=Im22IT(AV)IIm2sin2102mmItdtII）（其他条件下的IT（AV）的计算方法（见表1—5）通常对晶闸管额定电流的计算有两种形式：1）已知晶闸管的工作电流波形和电路输出平均电流，计算需要多大额定电流的晶闸管。2)已知晶闸管额定电流和工作电路，求电路允许输出最大平均电流。注意：计算额定电流时必须考虑安全系数。2.2维持电流；IH2.3擎住电流；IL2.4断态重复峰值电流IDRM（正向）；IRRM（反向）。也称为漏电流dfIIk流过晶闸管的电流有效值电路输出的电流平均值57.1/)(fdAVTkII3.门极定额3.1门极触发电流IGT3.2门极触发电压UGT注意：门极定额取最小值，触发讯号必须大于该值才能有效触发4.动态参数4.1断态电压临界上升速度du/dt4.2通态电流临界上升速度di/dt5.额定结温Tjm§1—5其他相关器件介绍1.二极管1.1普通整流管1.2快速整流管1.3快恢复二极管1.4肖特基二极管2.晶闸管2.1快速晶闸管2.2双向晶闸管注意：双向晶闸管的电流定额用有效值表示。iu2.3逆导晶闸管2.4多管封装管第二章单相可控整流§2—1单相半波整流1.电阻性负载2cos145.0sin22122UttdUUdRUIdd/u2uTRudu1idu2t2ugttidudtuT2.电感性负载2.1没有续流管（导通角延长）2.2有续流管负载角负载角越大；导通角延长越长Rltg1§2—2单相桥式整流1单相全控桥1.1电路结构1.2电阻性负载整流输出平均电压和平均电流的计算：（是半波整流的2倍）u2Rudu1idi2VT1VT4VT3VT2abudidtttut1-4i2图2--4单相挢式全控整流电路，电阻负载的电路及其波形a)b)c)d)2cos1/9.02cos19.0sin21222RURUIUttdUUddd每只管子承受的工作电流平均值为1/2Id；每只管子承受的最高工作电压为：正向：U2反向：交流侧电流的有效值：2222U2sin21)sin2(12222RUtdtURI在电源设计时要参考变压器的视在功率，即；S=U2*I2整流器输出电压的有效值：整流器输出的有功功率：电源的功率因数：2sin21)sin2(1222UtdtUU2sin21222UIUIP2sin21cossp控制角α0306090120150180Ud/U20.90.840.6760.450.2260.060I2/Id1.111.171.331.571.972.82---cosΦ10.9870.8980.7070.4270.170表2—1单相全控桥整流的电压、电流比及功率因素与控制角的关系上述这些参数对整流器的设计是有用的。控制角越小，电源的工作效率越高，但控制性能变差。在设计时必须综合考虑1—3电感性负载由于电感的作用会延长晶闸管的导通时间，根据负载角的不同延续时间不同。以维持负载电流连续为前提，晶闸管的道通角为180°，即（α~π+α）则整流输出电压的平均值:cos9.0sin2122UttdUUdα的调节范围为0~90°晶闸管承受的最高正、反向电压为√2U2。如果电感足够大，输出电流的脉动可忽约不计，输出电流为恒定直流，变压器的输出电流为对称方波。30即：I2/Id=1每只管子的电流有效值：IT=1/√2Id=0.707Id如果电感较小，电流不连续则：)]cos(cos2sin21[22UttdUUdu2Rudu1idi2VT1VT4VT3VT2abL图2--6单相挢式全控整流电路，电感负载的电路及其波形udttIdiT2-3ttttiT1-4i2uT1-41—4.反电动势负载分析晶闸管最小触发角：αmin停止导电角u2Rudu1idi2VT1VT4VT3VT2abudtt图2--8单相挢式全控整流电路，反电动势负载的电路及其波形a)b)EEidIdmin2122sinUEtdEtUEUd)sin2(12反电动势使晶闸管的导通角减小，容易造成电流断续。常用的如电机的电枢供电，电流断续会有两方面的不利影响：1）电磁力矩降低。当机械力矩增大时速度会降低。即：机械特性变软。2）低速运行电流冲击加大，会引起很大的换相火花。•常用解决办法：串联平波电抗器。•平波电抗器的设计方法：•设计原则：维持最低运行速度稳定，额定机械负载工作状态下的电流连续。udidLREEtURidtdiLd)sin(22当一定负载低速运行电流连续时，电枢电阻很小，为了简化运算，可忽略。简化后求解，得：]cos2)cos([cos2)(2ttLUtid该方程即为维持电流连续的最小电流求解方程。最小连续电流是触发角的函数。•电路等效：•回路方程：最小连续电流的平均值：2.单相半控桥2-1.电路原理图2-2.电感性负载时有无续流二极管的工作效果分析：02minsin22)(1LUtdtiIdd由上式可设计电感。其他整流器可依此方法进行计算。u2u1i2VT1VD4VT3VD2abRudidVDR1）无续流二极管存在问题：失控现象。解释：当触发角很小时，如果突然停止触发，假设此时是VT1-VD4之间道通，在停止触发后，电感的反感电势续流维持其道通，U2反向后还可以经VT1-VD2续流，当U2再换到正向时，由于VT1未关断，不经触发即可持续导通，既出现了失控。2）有续流二极管3）另一种半控桥u2u1i2VT1VD4VT2VD3abRudid2-3.反电动势负载：§2—3.单相可控整流的触发控制1.对触发控制的要求1-1同步1-2.移相能达到所要求的移相工作区间1-3.触发有效触发晶闸管的脉冲（电压、电流、时间）2.单结晶体管式触发电路2-1.单结晶体管b1b2eUeUpUvPIpIvvIe(a)符号（C）特性曲线b1b2eIeRb1Rb2EeEbbs(b)试验电路AVD当Ue＜UA时，二极管反向，只有很小的漏电电流。当:bbbbbbbAEERRRUUe211VD两端的电压为零，达到临界点P，对应的UP为峰点电压；IP为峰点电流。当Ue＞Ua时，二极管正向导通，随电流Ie的增加，电阻Rb1减小，行成P点至V点的负阻区，电流急剧增加。V点电压UV相当于二极管的正向压降，V点为谷点。当Ue再次低于UV时，e与b1之间恢复阻断。每只单结晶体管的η值不同，较多的在0.75左右。2-2单结晶体管自激振荡器ReR2EcR1u0(a)(b)Ucu0UpUvvVppIUEIUEeR)11ln(R11eCTf振荡频率：物理意义：1）阻断状态时，UC的充电要能达到UP以上，以使e—b1开通。2）开通状态时，UC放电能底于谷点电压，以使e—b1之间灰复阻断。振荡条件：2-3单结晶体管式触发电路1）输出与控制电路有共零线：2).输出与控制电路隔离u1u2uzvsRRCb1b2ecsVT1VT3VD2VD4Rttttusuzucub1ud0000第三章三相可控整流§3—1三相半波可控整流1。电阻负载1。1电路原理（共阴接法）AUBCWVUT3UT2UT1Rudid0tuwv00tt0tugudiT10tuT11.2典型波形α=0时波形（见上图）•最大导通角：β=2π/3•最大移相范围：π/6~π•最小电流连续触发角：α=30°；当α＞30°电流断续。•半波整流对变压器工作状态的影响：次极绕组通过直流脉动电流。1.3参数计算•整流输出平均电压ud:a)