电力电子技术

电力电子技术东北大学主编：边春元宋崇辉第一章电力电子技术概述1.1什么是电力电子技术1.2电力电子技术研究的内容1.3电力电子技术的发展状况1.4电力电子技术的应用1.1什么是电力电子技术电力电子技术的概念电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，它是一门利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科电力电子技术突出对“电力”的变换，它变换的功率可以大到数百兆瓦甚至亿瓦，也可小到几瓦或更小电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支，信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换目前所用的电力电子器件采用半导体制成，故称电力半导体器件1.1什么是电力电子技术电力电子技术也可以理解为功率强大，可供诸如电力系统那样大电流、高电压场合应用的电子技术为了解决发热和效率问题，对于大功率的电子电路，器件的运行都采用开关方式。这种开关运行方式就是电力电子器件运行的特点1.1什么是电力电子技术电力电子学电力电子学是由电力学、电子学和控制理论这3个学科交叉而形成用图中但三角形描述电子学电力学电力电子学控制理论图1-1描述电力电子学的到三角1.1什么是电力电子技术电力电子技术与电子学从电子和电力电子的器件制造技术上讲，两者同根同源，从两种电路的分析方法上讲也是一致的电力电子学和电力学电力电子技术广泛应用于电气工程中，这就是电力电子学和电力学的主要关系1.1什么是电力电子技术电力电子技术与控制理论控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能日益优越和完善，可以满足人们的各种需求电力电子技术可以看作弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口，而控制理论则是实现这种接口的强有力的纽带控制理论和自动化技术是密不可分的，而电力电子装置又是自动化技术的基础元件和重要支撑技术1.2电力电子技术的主要内容电力电子技术研究的内容包括3个方面：电力电子器件、变换器主电路和控制电路电力电子器件不控型器件不控型器件是指无控制极的二端器件，如大功率二极管、快恢复二极管等半控型器件是指有控制端口的三端器件这类器件主要有晶闸管（SCR或Thyristor）及其派生器件。1.2电力电子技术的主要内容全控型器件全控型器件也是具有控制端的三端器件，但控制极不但可控制开通，而且也能控制其关断，故称为全控型器件，也称为自关断器件在应用器件时，选择电力电子器件一般需要考虑的是：器件的容量（额定电压和额定电流值）、过载能力、关断控制方式、导通压降、开关速度、驱动性质和驱动功率等1.2电力电子技术的主要内容电力电子器件采用电力电子电路可以实现电能的多种变换。从实现电能变换的角度出发，电力电子电路也称为电力变换器，主要有以下几种基本类型AC/DC变换即将交流电能转换为直流电能，也称为整流DC/DC变换即把固定或变化的直流电压变换成可调或恒定的直流电压，也称为直流斩波1.2电力电子技术的主要内容DC/AC变换即将直流电能变换为交流电能，也称为逆变。完成逆变的电力电子装置叫逆变器AC/AC变换即把交流电能的参数（幅值、频率）加以转换，称为交流变换电路。根据变换参数的不同，交流变换电路可以分为交流调压电路和交—交变频电路上述变换器均具有电力变换功能，凡是具有一种电能变换功能的电路称为基本变换电路，这部分内容将在本教材3、4、5、6章中分别详细讲述1.2电力电子技术的主要内容电力电子电路的控制电力电子控制电路的主要作用：根据输入和输出的要求产生主电路所有大功率电子器件的通断信号，为变换器中的功率开关器件提供控制极驱动信号根据电力电子器件开关状态与控制信号的关系，电力电子器件的常用控制方式可以分为以下3种类型。相控方式相控方式是指器件导通的相位，受控于控制信号幅度的变化，通过改变器件的导通相位角来改变输出电压的大小频控方式频控方式是指开关器件的工作频率受控于控制信号的频率，改变控制信号的频率，输出电压的频率也随之改变斩控方式控方式是指利用控制电压的幅值（调制电压的幅值）来改变一个开关周期中器件导通的占空比，器件以远高于输入、输出电压工作频率的开关频率运行1.2电力电子技术的主要内容另外，电力电子电路必须在一些辅助电路的支持下才能正常工作，这些辅助电路包括：控制电路控制电路的功能是根据输入和输出的要求产生主电路所有大功率电子器件的通断信号。驱动电路驱动电路的功能是根据控制电路给出的通断信号，提供大功率电子器件的足够功率，以确保大功率电子器件的迅速可靠开通和关断。缓冲电路缓冲电路的功能是在大功率电子器件开通和关断的过程中减缓其电流或电压的上升速度，以降低其开关应力和开关损耗。保护电路保护电路的功能是在电力电子电路的电源或负载出现异常时，保护电力电子设备免于损坏。1.2电力电子技术的主要内容电力电子装置电力电子装置是由各类电力电子电路组成的装置，用于大功率电能的变换和控制，又称变流装置。它包括整流器、逆变器、直流变流器、交流变流器、各类电源和开关、电机调速装置、直流输电装置、感应加热装置、无功补偿装置、电镀电解装置、家用电器变流装置等。1.3电力电子技术的发展状况电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的晶闸管出现的前期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。1904年出现了电子管。它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河。20世纪30年代到50年代，水银整流器迅猛发展，它广泛地应用于电化学工业、电气铁道的直流变电，以及轧钢用直流电动机的传动中，甚至用于直流输电。在这一时期，把交流变为直流的方法除水银整流器外，还有发展更早的电动机—直流发电机组，即变流机组1947年美国著名的贝尔实验室发明出了晶体管，晶体管的问世则引发了电子技术的一场革命1.3电力电子技术的发展状况晶闸管时代晶闸管出现由于其优越的电器性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且应用范围也迅速扩大。晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断，因此属于半控型器件。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现，这就使得晶闸管的应用受到了局限1.3电力电子技术的发展状况全控型器件和电力电子集成电路70年代后期，以GTO、BJT和MOSFET为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可以使其关断与晶闸管电路的相位控制方式相对应，采用全控型器件电路的主要控制方式为PMW方式。PMW控制技术在电力电子变流技术中占有十分重要的位置80年代后期，以IGBT为代表的复合型器件异军突起。IGBT是MOSFET和BJT的复合。它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件1.3电力电子技术的发展状况把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PowerIntegratedCircuit，PIC）目前，功率集成电路的功率都还较小，但它代表了电力电子技术发展的一个重要方向随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率不断提高，软开关技术便应运而生，采用软开关技术可使开关损耗降为零，可以提高效率。另外，它可以进一步提高开关频率，从而提高了电力电子装置的功率密度。目前，国际电力电子学界普遍认为，电力电子集成技术是解决电力电子技术发展面临障碍，并进一步拓展电力电子技术应用领域最有希望的出路。1.4电力电子技术的应用电力电子技术广泛地应用于工业、交通、IT、通信、国防以及民用电器、能源等领域，它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门。电力电子变化电源电源变换广义地讲，就是将某一频率、某一电压的电源通过电子线路或其他手段得到所需的频率和电压的电源所进行的变换电源变换技术的发展，是以现代微电子技术和电力电子技术的发展为前提的，依托现代的电力电子器件及推陈出新的电子线路，伴随日益提高的生产应用需求而发展。1.4电力电子技术的应用电力电子补偿控制器在电力系统中，电压和频率是衡量电能质量的两个最基本、最重要的指标，为确保电力系统的正常运行，供电电压和频率必须稳定在一定的范围内。频率的控制与有功功率的控制密切相关，而电压控制的重要方法之一是对电力系统的无功功率进行控制。无功功率补偿通过调控无功功率来提高交流电力系统的性能，大多数的电能质量问题都可以通过对无功功率进行适当控制而得到缓解或彻底解决。无功补偿技术发展到现在已经有几十年的历史，以前采用同步电机来产生无功功率，但随着电力电子技术的发展，无功补偿中的补偿控制器、无功检测装置、投切方式都有了很大的进步。1.4电力电子技术的应用晶闸管补偿控制器（SVC）SVC由标准无功并联设备（电感和电容）组成，能快速地提供变化的无功。它可以分为两个基本类型：晶闸管投切电容器（TSC）和晶闸管控制电抗器（TCR）TCR和TSC组合后的运行原理为：当系统电压低于设定的运行电压时，根据需要补偿的无功量投入适当组数的电容器组，并略有一点正偏差（过补偿），此时再利用TCR调节输出的感性无功功率来抵消这部分过补偿容性无功；当系统电压高于设定电压时，则切除所有电容器组，只留有TCR运行SVC有两个主要特点：一是静止性，其主要部件无转动部分；二是动态补偿，其反应速度很快，能及时跟踪无功功率变化并进行补偿，以达到所设计的各种控制目标由于SVC换流元件关断不可控，因而容易产生较大的谐波电流，而且其对电网电压波动的调节能力也不够理想图1-2TCR+TSC型SVC的基本拓扑结构1.4电力电子技术的应用自关断无功补偿器具有如下优点：体积小、成本低、不需要大量无源元件、无源元件容量较小。自关断无功补偿器用于稳定输电系统，提高电压调节能力和功率因数，校正负载不平衡，并且可以串联和并联于系统。能提供超前或滞后的无功，节省了电容和电感，可避免在某些运行方式下的谐振。响应时间小于一个基波周期，可以连续、精确地控制无功。开关频率高，低次谐波电流小，需要的滤波器比较小。没有浪涌电流。电压变化和暂态时，动态特性好。自关断无功补偿器通过控制，可以作为滤波器用。图1-6电流源变流器的无功补偿器图1-3电压源变流器的无功补偿器第二章电力电子器件与应用2.1电力电子器件概述2.2不可控器件—电力二极管2.3半控型器件—晶闸管2.4全控型器件2.5电力电子器件的保护2.1电力电子器件概述2.1.1电力电子器件的概念和特征2.1.2电力电子器件的分类2.1.3电力电子器件的主要技术指标2.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征目前，电力电子器件主要指以半导体材料硅（Si）或碳化硅（SiC）制成的电力半导体器件电力电子器件和普通半导体器件不一样，在电压等级和功率要求上都远大于普通半导体器件，因而制造工艺也有所不同电力电子器件主要工作于开关状态，因此，也称为功率开关器件2.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件的理想开关模型A、B代表器件的两个主电极K控制开关通断的控制极图2-1电力电子器件的理想开关模型通态电流断态损耗开关损耗通常来说，电力电子器件的通态损耗远远大于断态损耗开关损耗会随器件的开关频率升高而增大，这也是大功率电力电子设备的开关频率不能太高的主要原因2.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件用于电能的变换和控制，其特性表现在以下几方面。（1）电力电子器件工作在开关状态，为的是减小本身的损耗。（2）电力电子器件因直接用在电力电路上，要承受高电压、大电流。（3）电力电子器件需要弱电来控制，应有控制电路和驱动电路。（4）因耗散功率大，需有必要的散热措施。2.1.2电力电子器件的分类根据其可控程度分为不可控器件、半控型器件和全控型器件根据参与导电的载流子不同分为：双极型器件两种载流子都参与导电过程的电力电子器件单极型器件只有一种载流子参与导电过程的电力电子器件混合型器件由双极型和单极型两种器件组成的复合器件2.1.2电力电子器件的分类根据控制极信号的不同分类：电流控制型器件通过从控制极注入或抽出控制电流的方式来实现对器件导