哈尔滨工业大学课件 电力电子技术44

电力电子技术第44讲7辅助元器件和系统（3）哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.2电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育本讲是第7章辅助元器件和系统的第3讲，上2讲的主要内容是：‡7.1电力电子器件的驱动电路‡7.2电力电子装置的过压和过流保护‡7.3开关器件的开通、关断过程及安全工作区本讲学习：开关过程对这些器件的安全运行和工作特性影响较大。为了使器件的开关轨迹处于安全工作区之内，可在器件外围附加缓冲电路。‡7.4缓冲电路‡7.5其它辅助元器件和控制系统哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.3电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育7.4缓冲电路晶体管在开关动作时，损耗的变化情况器件在处于导通和关断状态下，流过正常电流时，损耗小，并可正常工作。在从导通到关断或从关断到导通，这样的状态变化时，器件上会产生高电压，同时流过大电流，瞬时损耗大，常常会使器件损坏。必须采取实际的保护措施。1.开关损耗哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.4电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗电力电子器件的损耗哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.5电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育器件开关过程中，避免损坏的安全措施降低电源电压Vd或减小负载电流Id，使b点进入SOA边界线内。但可控功率却大幅减小（Vd×Id）为改进这一情况，在晶体管外围附加缓冲电路（snubbercircuit)。哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.6电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育关断缓冲电路（du/dt抑制电路）——吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。开通缓冲电路（di/dt抑制电路）——抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。复合缓冲电路——关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。缓冲电路(SnubberCircuit)：又称吸收电路，抑制器件的内因过电压和du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。2.缓冲电路哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.7电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育1)关断缓冲电路（turnoffsnubber)晶体管关断时，设法使电压上升延迟在集电极和发射极之间加入电容，称为关断缓冲电路。原a→b→c路径，变为a→b‘→c路径哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.8电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育2)开通缓冲电路（turnonsnubber)晶体管导通时，设法抑制电流上升将电感L与器件串连，称为导通缓冲电路。原c→b→a路径，变为c→b‘’→a路径使轨迹更加移向原点，减小开关损耗。哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.9电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育3)实用的缓冲电路若仅仅加入电容和电感，反而产生导通时的过电流，或产生关断时的过电压。实际上采用下面的电路。该电路还具有限制电压和电流上升率的作用。充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路缓冲保护电路中的二极管要求采用快恢复型二极管，以便与功率晶体管的开关时间相配合哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.10电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。另外两种常用的缓冲电路a)RC吸收电路b)放电阻止型RCD吸收电路哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.11电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育现代电力电子装置的发展趋势小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有更高的要求。电力电子装置高频化滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化。开关损耗增加，电磁干扰增大。软开关技术降低开关损耗和开关噪声。进一步提高开关频率。3.软开关技术哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.12电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育软开关的技术基本概念硬开关：开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，导致开关噪声。t0a）硬开关的开通过程b）硬开关的关断过程硬开关的开关过程uiP0uituuiiP00哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.13电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育软开关：在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。降低开关损耗和开关噪声。uiP0uitt0uiP0uitt0a）软开关的开通过程b）软开关的关断过程软开关的开关过程哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.14电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育‰零电压开通€开关开通前其两端电压为零——开通时不会产生损耗和噪声。‰零电流关断€开关关断前其电流为零——关断时不会产生损耗和噪声。‰零电压关断€与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。‰零电流开通€与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗。软开关特点哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.15电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育7.5控制系统和辅助系统1.电感（电抗器）Vlcl0abIN一个带有空气隙lo的铁心电感(电抗器)结构图‡在电力电子变换和控制系统中。电感常被用作滤波、平波、平衡电流(均流)，磁能—电能转换．以及串联缓冲器降低dj／dt。‡在交流电路中电感的电抗值电感就是一个电抗器。XLω=哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.16电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育2.变压器„在一个铁心上绕制N1,N2两个绕组，如果N1绕组外加频率为f的交流电压V1，则副边感应电压V2=(N2/N1)V1,改变匝比可改变输出电压。„在电力电子变换系统中，电力变压器的输入电压常常不是工频(50Hz或60Hz)正弦交流（如方波），除基波外还有谐波，这时应根据V1的实际波形进行基波和谐波的分析计算。„在电力电子变换和控制系统中传递脉冲电压、电流的脉冲变压器应用很广泛。脉冲变压器一般只通过不大的电流，也需进行特殊设计。R1N2NDV2V∗∗(a)哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.17电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育3.滤波器‰滤波器类型：按放置位置分：输入滤波器、输出滤波器、中间滤波器按电路架构分：LC串、并联滤波器和LC谐振滤波器‡滤波器作用：提高由电源所获取的，以及输出至负载的电力质量hiii1111+=sv1C1Lshssiii+=12212hvvv=+hiii2212+=1LLihvvv=+2LoCRL1LLLhiii=+oL2CDV哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.18电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育hiii1111+=sv1C1Lshssiii+=12212hvvv=+hiii2212+=1LLihvvv=+2LoCRL1LLLhiii=+oL2CDV‰输入滤波器：AC/DC整流电路输入电流i1除基波电流i11外，还有谐波i1h，L1对谐波电流阻抗大，C1对谐波电流阻抗小。i1中的谐波电流几乎全部流入C1，使电源电流is≈is1。‰中间滤波器：L2、C2的输入输出都是直流：它把整流电路输出的直流电压中的谐波降落在L2上，减小C2端的谐波电压；它把逆变器输入端的谐波电流流入C2，减小L2中的谐波电流。‰输出滤波器：谐波电压V2h几乎全部压降在Lo上，谐波电流I2h几乎全部流入Co，使输出电压中VLh很小，负载中iLh很小。哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.19电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育4.散热系统环境A管壳C器件管芯PN结J带散热器的开关器件散热器S‡电力电子变换器中功耗产生热量最必须带出并在环境中散发。半导体开关器件产生的功耗发热问题最为严重，因其较小的体积严重限制了热容量，其温度很容易快速上升。‡高温时半导体开关的电特性变坏，严重过热导致半导体器件短时间内毁坏。‡为防止过热损坏，半导体电力开关器件必须装有散热器，并采用一定的冷却方式将热量带走，如风冷、水冷、油冷等。哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.20电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育‡电力电子变换器都需要一组低压辅助电源，如：±12V，±20V，±5V等，用于为信号检测（如霍尔电压电流传感器）、开关管驱动、保护电路、显示和通讯环节以及控制系统供电。‡通常采用带隔离变压器的DC/DC变换器作为辅助电源，已有系列产品供选用。5.辅助电源哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.21电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育‰通用或专用集成电路芯片，微处理器和数字信号处理器组成控制系统直流电源交流电动机+辅助电源驱动电路SRVRCR逆变器主电路调制信号保护工况显示或通讯DSP控制系统N+-ΔN+v,iv,iΔV、ΔIv,i,fN*速度反馈速度指令（速度调节器）（电压或电流调节器）图7.22交流电动机变速传动系统框图***fIV、、6.控制系统哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.22电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育本讲总结重点：缓冲电路的作用、结构和工作原理，其它辅助器件的作用难点：缓冲电路的原理本讲学习了：‡7.4缓冲电路又称吸收电路，抑制器件的内因过电压和du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。‡7.5其它辅助元器件和控制系统电感（电抗器）、变压器、滤波器、散热系统、辅助电源及控制系统简介。第7章习题哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.23电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育‰完整的电力电子变换器包括一定数量的辅助元器件和子系统。‰驱动器按照控制系统的指令，产生一定波形的驱动电压和驱动电流，实时、适式地控制变换器开关器件开通和关断。‰配置过电压和过电流保护系统，可防止变换器开关器件因短路、过载等原因而损坏。‰缓冲器减小了开关器件开通、关断时的瞬时电压、电流应力，也减小了开关损耗。本章总结上述3个内容为本章的重点。哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术44.24电力电子技术辅助元器件和系统(3)哈尔滨工业大学远程教育‰电感、电容、LC滤波器用在变换器的输入及输出端，可以提高供电电源和变换器输出供给负载的电能质量。‰散热器将热量从变换器开关元器件移走，防止开关器件过热。‰电力电子变换器的工作受控制系统监控，现今基于微处理器和数字信号处理器的控制系统可以实现高性能的控制策略。结束