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1、1,电 力 电 子 技 术 概 述 Power Electronics,北 京 交 通 大 学 梁 晖,2,主要内容,一、电机驱动及变频调速的基本概念 二、电力电子学科概况及应用领域 三、整流电路基本工作原理 四、逆变电路基本工作原理 五、PWM控制技术 六、电机的四象限运行,3,一、电机驱动及变频调速的基本概念,电机实现电能和机械能的转换 （ Electrical machine、machine、motor ） 直流电机分他励、串励、复励等 优点：调速方便 缺点：体积大、成本高、有滑环、需维护 交流电机分异步（鼠笼、绕线）、同步等 优点：体积小、结构简单、维护量小 缺点：调速复杂 四象限运行
2、正转、反转、电动机、发电机,4,驱动调节控制电机的转速、转距、转向等 （调速、控制、传动、drive、control） 直流电机调速调压调速为主 转速与外加直流电压近似成正比 交流电机调速变频调速为主 转速与外加交流频率近似成正比,5,直流调速系统,6,交流变频调速系统,7,二、电力电子技术学科概况,电力电子技术 对电能进行变换和控制的技术 （包括对电压、电流、频率和相位的变换） 由三部分内容组成电力电子器件 电力电子电路 电力电子系统及控制 也称为半导体变流技术（变流）,8,电力电子与信息电子,信息电子技术信号处理 电力电子技术电能变换,电子技术,信息电子技术,电力电子技术,模拟电子技术,数
3、字电子技术,9,电能来源： 交流电：电网（220V、380V，定压定频） 直流电：蓄电池（12V等，电压不稳） 负载需求： 交流：不同电压、不同频率、变压变频 直流：不同电压、稳压、调压、隔离 四种基本变换形式 ACDC 整流 DCAC 逆变 DCDC 斩波 ACAC 交交变频,10,电力电子技术应用领域,一般工业： 交直流电机、电化学工业、冶金工业 交通运输： 电气化铁道、电动汽车、航空、航海 电力系统： 高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿 电子装置电源： 为信息电子装置提供动力 家用电器： “节能灯”、变频空调 其他： UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置,21,22,23,24,25
4、,26,17,全电飞行器（太阳能供电）,18,应用实例： ACDC 整流 直流传动、电力牵引、电解、电镀 DCAC 逆变 交流传动（电机调速、电动汽车、变频空调） DCDC 斩波 开关电源（各种电压等级的直流电源） ACAC 交交变频 低速传动（冶金、矿井提升机等）,19,其它方面的应用,常规电源：不停电电源、开关电源、微机及仪器 仪表电源、航空电源、通信电源等。 专用电源：电化学电源、蓄电池充电放电、电子 模拟负载、电解水电源、交流电子稳 压电源、脉冲功率电源等； 新型能源：如太阳能电池，风力发电等； 节能： 如利用变频器调节电动机转速,20,电力电子器件的发展,第一代电力电子器件 无关断能
5、力的SCR 第二代电力电子器件 有关断能力的GTO、GTR等 第三代电力电子器件 性能优异的复合型器件如IGBT 智能功率器件IPM 等,21,电力电子器件的特征（与普通半导体器件相比） 功率远大于信息电子器件，从mWMW。电压和电流等级是其最重要的参数； 工作在开关状态（相当于普通晶体管的饱和与截止状态），因而动态特性（开关特性）也是很重要的参数，有时甚至是最重要的参数； 需要用驱动电路驱动； 需要装散热器散热（开关过程存在损耗） ；,22,晶闸管 MOSFET IGBT IGCT,23,电力电子技术的发展,传统的电力电子技术阶段（19601980年） 器件基础：以晶闸管为核心的晶闸管大家族
6、 主要应用：相控整流器、直流斩波器等 基本特征：整流（交流到直流的顺变） 现代的电力电子技术阶段（1980年至今） 器件基础：高频率、全控型、功率集成器件 主要应用：脉宽调制（PWM）逆变电路、 高频斩波电路等 基本特征：进入逆变时期,24,现代电力电子技术与传统的电力电子技术相比较，有如下特点： 高频化（减小体积、重量） 模块化（器件、控制单元、系统） 全控型（IGBT为主） 控制技术数字化（DSP） 绿色化（节能、减少污染）,25,本学科的特点,强电、弱电、控制相结合 跨学科或边缘学科 实践性强 功率范围大，从几瓦到数百兆瓦以上 发展迅速、与现代新技术紧密结合 广阔的应用前景,26,27,
7、中功率实验装置,28,大功率风力发电,29,课程教学内容,第一章 绪论（2学时） 第二章 电力电子器件的原理与特性（4） 第三章 相控整流电路（10+2） 第四章 有源逆变与相控变流器特性（4+2） 第五章 直直变换器（斩波电路） （4+2） 第六章 无源逆变电路（6+2） 第七章 PWM整流电路及其应用（4） 第九章 交流调压电路及交交变频电路（3） 第十一章 电力电子器件的应用基础（3）,30,本课程与其他课程的联系,本课程的先修课程为：电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、电机学。 想更加深入了解电力电子器件的半导体物理原理的学生可选修电力电子器件。 本课程为学习电传动控制基础、电力电子
8、装置及控制、开关电源技术、变频调速等课程奠定了基础。,31,三、整流电路基本工作原理,整流交流到直流的变换 不控整流（二极管） 相控整流（晶闸管） PWM整流（IGBT）,32,相控整流电路的一般结构,主电路: 交流电源：工频电网或整流变压器 滤波器：为保证电流连续 负载：阻性负载、阻感负载、反电势负载等 控制电路：模拟控制、数字控制、单片机、DSP,33,单相桥式全控整流电路,工作原理（正半周） t：发脉冲，T1T4导通 t：iT1=iT4=Id，T1T4仍然 导通，T2T3承受正电压 t ：T2T3导通，T1T4 关断,34,三相桥式全控整流电路,35,PWM脉冲整流电路,概述 脉冲整流器
9、是一种以脉宽控制方式（PWM）工作的变流器，又称为四象限变流器 与相控整流器相比具有下列优点： 功率因数高，可达到1； 谐波含量低，减少对电网污染； 体积小、重量轻和动态响应速度高,36,37,电压型三相脉冲整流器 主电路结构 工作原理 与单相脉冲变流器相同,38,PWM整流器在大容量通用变频器中的应用 用于交直交系统，提高功率因数，减小谐波； 成本高于二极管整流桥。,39,PWM整流器在可再生能源中的应用 可再生能源（风能、太阳能、潮汐发电、水力发电等）不可控 ，不能直接并入电网 。 太阳能发电并网系统,40,四、逆变电路基本工作原理,逆变直流到交流的变换 根据逆变输出交流电能去向分类： 有
10、源逆变 以电网为负载 变流装置（变流器） 无源逆变 以用电器为负载 变频器,41,无源逆变概述,无源逆变 直流 交流（向负载直接供电） 无源逆变电路简称逆变电路 通常由全控器件构成 逆变器与变频器 逆变电路经常与变频的概念联系在一起 变频电路分为交交变频和交直交变频两种 交直交变频由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变 各种功率等级,42,逆变器的基本类型（续）,按直流侧电源的性质分类（常用此分类） 电压型逆变器 电流型逆变器,43,三相电压型逆变器工作原理,44,五、PWM控制技术,方波型逆变器的问题 本身不能调节输出电压幅值 输出电压中含有大量的5、7、11次谐波 解决方法 采用
11、PWM控制技术 本节主要讨论电压型逆变器的 PWM 控制方法,45,PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展 使得实现PWM控制变得十分容易。 PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。 PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术。,46,PWM控制技术的理论基础,冲量等效原理 （面积等效原理）：冲量相等而形状不同的窄脉冲作用于惯性系统时，其效果基本相同 。 （说明为什么PWM波能与正弦波等效）,47,正弦脉宽调制（SPWM）原理,目标函数
12、正弦输出电压 使脉冲列的作用效果尽量接近于正弦波的作用效果 基本原理,根据冲量等效原理，用一组幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲列来代替正弦波 改变各脉冲的宽度和变化周期即可改变等效正弦波的幅值和频率,48,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）,49,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,SPWM波,若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。,正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）,50,正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）,3、SPWM的控制方法（说明SPWM波实现方法问题） 离线计算法根据输出正弦波的频率、幅值和半个周期内的
13、脉冲数计算PWM波各脉冲的宽度和间隔。 缺点：计算量大，繁琐。 调制法将目标涵数（波形）作为调制信号，通过对载波的调制得到PWM波形。 一般用等腰三角形波作为载波； 根据输出电压波形的极性可分为单极性（或不对称）调制和双极性（或对称）调制。,51,正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）,1. 单极性调制 正半周：T1导通，T4交替通断，T2、T3截止 负半周：T2导通，T3交替通断，T1、T4截止,52,正弦脉宽调制（SPWM）原理（续）,2. 双极性调制 同一桥臂上的两个管子处于互补工作状态 uruc时：T1、T4导通，uo= UD uruc时：T2、T3导通，uo= - UD,53,三相逆变器
14、一般采用双极性调制 在双极性调制中，上下桥臂互补工作。为了防止桥臂直通短路，一个管子关断后， 再延迟t 时间，才开通另一个管子， t 称为死区时间。 死区时间给输出的PWM波形带来影响，使其偏离正弦波。,54,对脉宽调制的制约条件,PWM控制中两个重要定义： 载波比： 调制比： （调制深度） 载波比 N 受开关器件开关频率和损耗的限制： 调制比 M 受最小脉宽与最小间歇的限制,55,同步调制与异步调制,1. 同步调制 ：在变频输出过程中，载波比 N不变，载波信号与调制波信号保持同步的调制方式。 即开关频率与输出频率同比例变化。 优点：波形对称性好。当 N 为奇数时，输出波形正、负半周对称；当N
15、为3的倍数时，三相输出波形对称，相互之间保持 120相位移。 缺点：低频时谐波大。当输出频率很低时，开关频率也随之降低，谐波显著增加，使负载电机产生较大的脉动转矩和噪声。,56,57,同步调制与异步调制（续）,2. 异步调制 ：在变频输出过程中，载波频率fc不变，载波比 N 随输出频率的降低而增大。 优点：低频特性好。减少负载电机的转距脉动与噪声，改善低频工作性能。 缺点：波形对称性差。N连续变化，当N不等于整数及三的倍数时，输出正负不对称，三相不对称，会产生次谐波。要求开关频率较高。,58,同步调制与异步调制（续）,3. 分段同步调制：把变频范围划分成若干频段，每个频段内都维持载波比N恒定，
16、不同频段取不同的N值。,分段同步要注意的问题： 各段载波比均取3的奇数倍； 各频率切换点采用滞后切换的方法 ； 尽量减小在频率切换点处因载波比的变化而造成的输出电压冲击。,59,SPWM波形实现方式,SPWM波形具体生成方式有： 模拟控制 生成方式 特点：实时性好，但控制电路复杂，可靠性差 数字控制 （微机）生成方式（包括专用芯片实现） 特点：控制电路简单、可靠 目前最常用的生成方式,60,SPWM的数字控制,自然采样法： 按照正弦调制波与三角载波的自然交点，采集脉冲前、后沿时刻，生成SPWM波形，叫做自然采样法。（Natural Sampling）,61,SPWM的数字控制（续）,自然采样法脉宽计算,超越方程，求解困难！虽能确切反映正弦脉宽调制的原始方法，却不适于微机实时控制。,62,SPWM的数字控制（续）,规则采样法：按照某种
