1、電力電子技術課件電力電子技術概述電力電子技術概述1.1 1.1 什么是電力電子技術什么是電力電子技術 1.2 1.2 電力電子技術的發展電力電子技術的發展史史 1.3 1.3 電力電子技術的應用電力電子技術的應用 1.1 1.1 什么是電力電子技術什么是電力電子技術電子技術電子技術包括包括：信息電子技術信息電子技術 電力電子電力電子技術技術 信息電子技術信息電子技術模擬電子技術和數字電子技術，主要用于信息處理)。 電力電子技術電力電子技術應用于電力領域的電子技術，使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術。電力電子技術主要用于電力變換。 目前電力電子器件均用半導體制成，故也稱電力半導體器件。

2、電力電子裝置的功率，可大到數百MW甚至GW，也可小到數瓦甚至1W以下1.1 1.1 什么是電力電子技術什么是電力電子技術電力電子技術的兩個分支：電力電子技術的兩個分支：電力電子電力電子變流技術變流技術 電力電子器件制造技術電力電子器件制造技術1 1、電力電子變流技術電力電子變流技術用電力電子器件構成電力變換電路和對其進行控制的技術，及構成電力電子裝置和電力電子系統 的技術。電力電子技術的核心，理論基礎是電路理論2 2、電力電子器件制造技術、電力電子器件制造技術電力電子器件制造技術的基礎，理論基礎是半導體物理1.1 1.1 什么是電力電子技術什么是電力電子技術“電力電子技術電力電子技術”和和“電

3、力電子學電力電子學”電力電子學電力電子學 60年代出現，1974年，美國的W. Newell用圖0-1的倒三角形對電力電子學進行了描述，被全世界普遍接受“電力電子學電力電子學”和“電力電子電力電子技術技術”分別從學術和工程技術的角度來稱呼，實際內容沒有很大不同。描述電力電子學的倒三角形電力電力電子技術電子技術電子學電子學電力學電力學控制控制理論理論連續、離散 電路、器件靜止器、旋轉電機1.2 電力電子技術的發展史電力電子技術的發展史 電力電子技術的發展簡史電力電子技術的發展簡史 1904年出現了電子管，能在真空中對電子流進行控制，并應用于通信和無線電，從而開了電子技術之先河 后來出現了水銀整流

4、器，其性能和晶閘管）很相似。在30年代到50年代，是水銀整流器發展迅速并大量應用的時期。它廣泛用于電化學工業、電氣鐵道直流變電所、軋鋼用直流電動機的傳動，甚至用于直流輸電1.2 電力電子技術的發展史電力電子技術的發展史1947年美國貝爾實驗室發明晶體管，引發了電子技術的一場革命1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管1960年我國研究成功硅整流管1962年我國研究成功晶閘管）70年代出現電力晶體管、電力場效應管1.2 電力電子技術的發展史電力電子技術的發展史v各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經發展成熟并廣為應用。在晶閘管出現以后的相當一段時期內，所使用的電路形式仍然是這些形式v

5、交流電變為直流電的方法除水銀整流器外，還有發展更早的電動機直流發電機組，即變流機組。和旋轉變流機組相對應，靜止變流器的稱呼從水銀整流器開始并沿用至今1.2 電力電子技術的發展史電力電子技術的發展史v最先用于電力領域的半導體器件是硅二極管v晶閘管因電氣性能和控制性能優越，很快取代了水銀整流器和旋轉變流機組，且其應用范圍也迅速擴大。電化學工業、鐵道電氣機車、鋼鐵工業（軋鋼用電氣傳動、感應加熱等）、電力工業（直流輸電、無功補償等）的迅速發展也有力地推動了晶閘管的進步。電力電子技術的概念和基礎就是由于晶閘管及晶閘管變流技術的發展而確立的v晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導通而不能使其關斷的器件，因而屬

6、于半控型器件v對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式v晶閘管的關斷通常依靠電網電壓等外部條件來實現1.2 電力電子技術的發展史電力電子技術的發展史80年代后期開始：復合型器件復合型器件v以絕緣柵極雙極型晶體管為代表,IGBT是電力場效應管（MOSFET）和雙極結型晶體管的復合。它集MOSFET的驅動功率小、開關速度快的優點和BJT通態壓降小、載流能力大的優點于一身，性能十分優越，使之成為現代電力電子技術的主導器件。與IGBT相對應，MOS控制晶閘管和集成門極換流晶閘管等都是MOSFET和GTO的復合，它們也綜合了MOSFET和GTO兩種器件的優點。1.2 電力電子技術的發展史電力電子技術的發

7、展史v功率模塊功率模塊：為了使電力電子裝置的結構緊湊、體積減小，常常把若干個電力電子器件及必要的輔助元件 做成模塊的形式，這給應用帶來了很大的方便。v功率集成電路功率集成電路：把驅動、控制、保護電路和功率器件集成在一起，構成功率集成電路（PIC）。目前其功率都還較小，但代 表了電力電子技術發展的一個重要方向 。v智能功率模塊智能功率模塊則專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅動電路的單片集成，也稱智能IGBT。1.2 電力電子技術的發展史電力電子技術的發展史v高壓集成電路高壓集成電路：一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。v智能功率集成電路智能功率集成電路：一般指縱向功率器件與邏輯或

8、模擬控制電路的單片集成。什么是高壓變頻器 通常，用來把工頻正弦波交流電源改變為其它頻率的交變電源的電力電子裝置稱為變頻器。按照國際慣例和我們國家的標準，當供電電壓大于或等于10kV時稱為高壓，小于10kV時稱為中壓。因此，相應額定電壓1-10kV的變頻器應分別稱為中壓和高壓變頻器。但是考慮到在 1-10kV電壓范圍內的變頻器有著共同的特征，同時，習慣上也把額定電壓為6kV或3kV的電動機也稱為“高壓電動機”。所以把用來驅動1kV以上交流電動機的中、大容量的變頻器稱為高壓變頻器。 高中壓變頻器的應用領域 高壓電動機的應用極為廣泛，它是工礦企業中主要動力。在冶金、鋼鐵、石油、化工、電力、水利工程及

9、水處理等各行業的大中型廠礦中，用于拖動風機、泵類、壓縮機及各種大型機械。高壓變頻器適用的場合 高壓變頻器與標準的大、中功率的異步和同步電動機配套。組成交流變頻調速系統，用來驅動風機、水泵、壓縮機和各種機械傳動裝置。達到節能、高效、提高產品質量的目的。 驅動風機水泵。調節風量或水流量，取代依靠擋板或閥門改變流量的方式，達到節能的目的。使用變頻器調速，由于消除了閥門或擋板的能量損失，可以使風機、水泵的工作40%。 變頻器與風機水泵等機械連用時，具有如下的顯著優點： 精確的調節速度和流量，保證工藝質量； 可直接與工作機械耦合，省去減速其等中間機械環節，減少設備投資費用； 可接受計算機或PLC的模擬或

10、數字信號，進行實時控制，控制性能優越。變頻器的基本構成 變頻器的基本構成如圖所示，由主回路（包括整流器、中間直流環節、逆變器）和控制回路組成，如上圖所示變頻器的種類v按直流電源的性質分類電流型變頻器電壓型變頻器v按輸出電壓調節方式分PAM方式PWM方式調載波頻率的PWM方式v按控制方式分類U/f控制轉差頻率控制矢量控制v按主開關器件分類：如以IGBT、BJT、GTO和SCR分類 國內流行的幾種品牌：合康億盛變頻器、ABB變頻器、富士變頻器、西門子變頻器、霍尼威爾變頻器等（1）電源變壓器T 電源變壓器用于將高壓電源變換到通用變頻器所需的電壓等級，考慮到變頻器的輸入電流有一定量的高次諧波，使電源側

11、的功率因數降低，加上變頻器運行效率的影響，變壓器的容量按如下式考慮變壓器的容量（kVA）=變頻器的輸出功率變頻器輸入功率因數 X 變頻器效率 其中變頻器的功率因數在有輸入交流電抗器1ACL時取0.80.85,無輸入電抗器1ACL時則取0.60.8。變頻器效率可取0.95，變頻器輸出功率應為所接電動機的總功率。 變頻器生產廠家所推薦的變壓器容量的參考值，常取變頻器容量的130%左右。變頻器的外圍設備及其選擇電源變壓器制動電阻的計算 在異步電動機因設定頻率下降而減速時，如果軸轉速高于由頻率所決定的同步轉速，則異步電動機處于再生發電運行狀態。運動系統中所存儲的動能經逆變器回饋到直流側，中間直流回路的

12、濾波電容器的電壓會因吸收這部分回饋能量而提高。如果回饋能量較大，則有可能使變頻器的過壓保護功能動作。利用制動電阻可耗散這部分能量，使電動機的制動能力提高。制動電阻的選擇，可按如下步驟進行：（1）制動轉矩的計算 制動轉矩TB可由下式算出：(GD2M+GD2L)(n1n2) 375ts TL TB=式中 GD2M 電動機的GD2(Nm) (Nm2) TL負載轉矩(Nm) GD2L負載折算到電動機軸上的GD2n1 減速開始速度（r/min）N2減速完了速度（r/min）ts減速時間（s）（2）制動電阻阻值的計算 在附加制動電阻進行制動的情況下，電動機內部的有功損耗部分，折合成制動轉矩，大約為電動機額

13、定轉矩的20%。考慮到這一點，可用下式來計算RBO = U2C 1.04(TB -0.2TM )n1UC直流回路電壓（V）TB制動轉矩(Nm) TM電動機額定轉矩N1開始減速時的速度 如果系統所需制動轉矩TB180（5）防護方式（IP44）。表示電動機外殼防護的方式為封閉式。第八節第八節 同步電動機同步電動機同步電動機是一種交流電動機， 它的主要特點是轉子轉速等于同步轉速， 即 同步發電機同步發電機在電力工業中有著很廣泛的應用：火力發電、 水力發電、 原子能發電等，幾乎全部應用三相同步發電機同步電動機同步電動機雖然不像異步電動機那樣應用廣泛，但由于它的功率因數可以調節，并且大多調節在容性狀態下

14、運行， 這樣可以補償采用異步電動機所需的感性電流，從而提高電力網的功率因數。 同步電動機常用在中等功率(50kW)以上，不需調速且轉速要求恒定的生產機械中，如大型的空壓機、水壓機等。 pfn1160絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT） GTR和MOSFET復合，結合二者的優點， 具有好的特性 1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場,中小功率電力電子設備的主導器件 繼續提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1. IGBT的結構和工作原理的

15、結構和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發射極E圖 IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBT的結構的結構（顯示圖）（顯示圖） 圖1-22aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT（N-IGBT） IGBT比VDMOSFET多一層P+注入區，形成了一個大面積的P+N結J1 使IGBT導通時由P+注入區向N基區發射少子，從而對漂移區電導率進行調制，使得IGBT具有很強的通流能力簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結構，一個由MOSFET驅動的厚基區PNP晶體

16、管 RN為晶體管基區內的調制電阻絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBT的原理的原理 驅動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定 導通導通：，uGE大于開啟電壓開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通 導通壓降導通壓降：電導調制效應使電阻RN減小，使通態壓降小 關斷關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管2. IGBT的基本特性的基本特性 1) IGBT的靜態特性的靜態特性圖 IGBT的轉移特性和輸出特性a) 轉移特性 b) 輸

17、出特性O有源區正向阻斷區飽和區反向阻斷區a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 轉移特性轉移特性IC與UGE間的關系，與MOSFET轉移特性類似開啟電壓開啟電壓UGE(th)IGBT能實現電導調制而導通的最低柵射電壓UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時，UGE(th)的值一般為26V 輸出特性輸出特性（伏安特性）以UGE為參考變量時，IC與UCE間的關系分為三個區域：正向阻斷區、有源區和飽和區。分別與GTR的截止區、放大區和飽和區相對應uCE0時，IGBT為反向阻斷工作狀態 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管

18、2) IGBT的動態特性的動態特性上圖為IGBT開關過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBT的開通過程的開通過程 與MOSFET的相似，因為開通過程中IGBT在大部分時間作為MOSFET運行開通延遲時間td(on) 從uGE上升至其幅值10%的時刻，到iC上升至10% ICM 電流上升時間tr iC從10%ICM上升至90%ICM所需時間 開通時間ton開通延遲時間與電流上升時間之和uCE的下降

19、過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程；tfv2MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程 （開關過程圖） 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBT的關斷過程的關斷過程（開關過程圖）（開關過程圖）關斷延遲時間td(off) 從uGE后沿下降到其幅 值90%的時刻起，到iC下降至90%ICM 電流下降時間iC從90%ICM下降至10%ICM 關斷時間toff關斷延遲時間與電流下降之和電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT內部的MOSFET的關斷過程，iC下降較快；tfi2IGBT內部的PNP晶體管的關斷過程，iC下降較慢

20、 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導調制效應的好處，但也引入了少子儲存現象，因而IGBT的開關速度低于電力MOSFETIGBT的擊穿電壓、通態壓降和關斷時間也是需要折衷的參數 3. IGBT的主要參數的主要參數1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES 由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定2) 最大集電極電流最大集電極電流 包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP3)最大集電極功耗最大集電極功耗PCM 正常工作溫度下允許的最大功耗 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數特點的特性和參數特點(1) 開關速度高，開關損耗小。在電

21、壓1000V以上 時，開關損耗只有GTR的1/10，與電力 MOSFET相當(2) 相同電壓和電流定額時，安全工作區比GTR 大，且具有耐脈沖電流沖擊能力(3) 通態壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較 大的區域(4) 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似(5) 與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可 以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點 變頻器發展介紹變頻器發展介紹 國外第一臺高壓變頻器交交變頻調速的異步電動機矢量控制系統，由日本的東芝電器公司在1980年研制成功。高壓變頻器的原理及其分類 高壓變頻器的分類及其電路的拓撲結構高壓變頻器的種類繁多，其分類方法也多種多樣。按著中間

22、環節有無直流部分，可分為交交變頻器和交直交變頻器；按著直流部分的性質，可分為電流型和電壓型變頻器；按著有無中間低壓回路，可分為高高變頻器和高低高變頻器；按著輸出電平數，可分為兩電平、三電平、五電平及多電平變頻器；按著電壓等級和用途，可分為通用變頻器和高壓變頻器；按著嵌位方式，可分為二極管嵌位型和電容嵌位型變頻器等等。 電流型變頻器由于在變頻器的直流環節采用了電感元件而得名，其優點是具有四象限運行能力，能很方便地實現電機的制動功能。缺點是需要對逆變橋進行強迫換流，裝置結構復雜，調整較為困難。另外，由于電網側采用可控硅移相整流，故輸入電流諧波較大，容量大時對電網會有一定的影響。 電壓型變頻器 由于

23、在變頻器的直流環節采用了電容元件而得名，其特點是不能進行四象限運行，當負載電動機需要制動時，需要另行安裝制動電路。功率較大時，輸出還需要增設正弦波濾波器 高低高變頻器采用升降壓的辦法，將低壓或通用變頻器應用在中、高壓環境中而得名。原理是通過降壓變壓器，將電網電壓降到低壓變頻器額定或允許的電壓輸入范圍內，經變頻器的變換形成頻率和幅度都可變的交流電，再經過升壓變壓器變換成電機所需要的電壓等級。這種方式，由于采用標準的低壓變頻器，配合降壓，升壓變壓器，故可以任意匹配電網及電動機的電壓等級，容量小的時侯（500KW）改造成本較直接高壓變頻器低。缺點是升降壓變壓器體積大，比較笨重，頻率范圍易受變壓器的影

24、響。一般高低高變頻器可分為電流型和電壓型兩種。 高壓變頻器保護電路介紹整流電路概述整流電路概述 整流電路是電力電子電路中出現最早的一種。 整流電路整流電路1）實現交流電能轉換為直流電能的電路。2）是一種把交流電源電壓轉換成所需的直流電壓的一種電路。3）是把大小和方向都隨時間變化的交流電變為單方向流動直流電的變流過程的電路。4）在電力電子學中，將交流電轉變為直流電的過程稱為整流，完成整流過程的電力電子變換電路稱為整流電路。 整流電路的分類整流電路的分類1 1）按整流器件分類）按整流器件分類 不可控整流不可控整流：完全由整流二極管構成，電路的輸出直流電壓的平均值和輸入交流電壓的有效值之比是固定不變

25、的。 全控整流全控整流：整流器件由可控器件構成，其輸出直流電壓的平均值及極性都可以通過控制器件的導通而得到調節。在這種電路中，功率可以由電源向負載傳送，也可由負載反饋給電源。 半控整流：半控整流：整流器件由不控器件和可控器件混合組成，在此電路中，負載電壓極性不能變，但平均值可以調節。 2 2）按整流輸出波形和輸入波形的關系）按整流輸出波形和輸入波形的關系 半波整流電路半波整流電路：整流器件的陽極（或陰極）全部連接在一起，并接到負載的一端，負載的另一端與電源相連，每條交流電源線中的電流是單一方向的，負載上得到的只是電源電壓波形的一半。 全波整流電路全波整流電路：可以看成是兩組半波整流電路串聯，整

26、流器件一組接成共陰極，一組接成共陽極，分別接到負載的兩端，在全波整流電路中，每條交流電源線中的電流是交變的。 3 3）按電路結構分類）按電路結構分類 按電路結構可分為橋式電路和零式電路 4 4）按交流輸入相數）按交流輸入相數 分為單相電路，三相電路和多相電路5 5）按變壓器二次側電流的方向為單向或雙向）按變壓器二次側電流的方向為單向或雙向 分為單拍電路和雙拍電路6 6）按控制方式分類）按控制方式分類 相控整流電路相控整流電路：采用晶閘管為主要的功率開關器件，通過控制觸發脈沖起始相位來控制輸出電壓的大小。電路容量大，控制簡單，技術成熟。 PWMPWM整流電路：整流電路：采用全控器件，使用現代的控

27、制技術，在工程領域因其優良的性能得到越來越多的應用。過壓保護 1. 引起過壓的原因引起過壓的原因n操作過電壓：由拉閘、合閘、快速直流開關的切斷等經常性操作中的電磁過程引起的過壓。n浪涌過壓：由雷擊等偶然原因引起，從電網進入變換器的過壓。n電力電子器件關斷過電壓：電力電子器件關斷時產生的過壓。(1) 在電力電子變換器-電動機調速系統中，由于電動機回饋制動造成直流側直流電壓過高產生的過壓。也稱為泵升電壓。 2. 過壓保護方法過壓保護方法 過壓保護的基本原則是：根據電路中過壓產生的不同部位，加入不同的附加電路，當達到定過壓值時，自動開通附加電路，使過壓通過附加電路形成通路，消耗過壓儲存的電磁能量，從

28、而使過壓的能量不會加到主開關器件上，保護了電力電子器件。保護電路形式很多，也很復雜。 圖1-1 過壓保護方法的原理圖 (1) 雷擊過壓可在變壓器初級接避雷器加以保護。(2) 二次電壓很高或電壓比很大的變壓器，一次側合閘時，由于一次、二次繞組間存在分布電容，高電壓可通過分布電容耦合到二次側而出現瞬時過壓。可采取變壓器附加屏蔽層接地或變壓器星形中點通過電容接地的方法來減小。(3) 泵升電壓保護當電動機回饋制動時，電動機的動能轉換成電能回饋到直流側，引起直流側電壓升高，當電壓升高到一定值時，會造成變換器的過電壓。通常采用開關電路將能量消耗在電阻上。 （4）阻容保護電路將電容并聯在回路中，當電路中出現

29、電壓尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與電容串聯的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產生振蕩。RC阻容保護電路可以設置在變換器裝置的交流側、直流側。也可將RC保護電路直接并在主電路的元件上，有效地抑制元件關斷時的關斷過壓，其接法如圖6-2所示。 圖1-2 幾種RC阻容保護電路的接法 由于壓敏電阻的正、反向特性對稱，因此單相電路只需一個，三相電路用3個，聯接成Y形或形 圖1-4 壓敏電阻保護的接法 壓敏電阻的主要參數： 額定電壓U1mA 指漏電流為1mA時的電壓值。 殘壓比UYU1mA UY為放電電流達規定值IY時的電壓。 允許的通流容量 指在

30、規定的波形下(沖擊電流前沿10s，持續時間20s)允許通過的浪涌電流。 壓敏電阻選用方法： 額定電壓為 (壓敏電阻承受工作電壓的峰值) (6-10) Uy值由被保護元件的耐壓值決定。 通流容量應大于實際的浪誦電流。但實際浪涌電流很難計算，故一般當變壓器容量大、距外線路近、無避雷器時應盡可能取大值。壓敏電阻在二極管整流設備上可代替全部的阻容保護，在晶間管可控整流器上可代替交流側、直流側的阻容保護。總的來說，壓敏電阻只能用作過壓保護，不能作du/dt保護。 )9 . 08 . 0(mA1U過流保護1. 引起過流的原因引起過流的原因 當電力電子變換器內部某一器件擊穿或短路、觸發電路或控制電路發生故障、出現過載、直流側短路、可逆傳動系統產生環流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等，均可引起變換器內元件的電流超過正常工作電流，即出現過流。由于電力電子器件的電流過載能力比一般電氣設備差得多，因此，必須對變換器進行適當的過流保護。變換器的過流一般主要分為兩類：過載過流和短路過流。 2. 過流流保護的方法 (4) 快速熔斷器(圖中的FUF) 快速熔斷器是防止變換器過流損壞的最后一道防線。在晶閘管變換器中，快速熔斷器是應用最普遍的過流保護措施，可用于交流側、直流側和裝置主電路中。其中交