全电力电子技术课件（西交大王兆安

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1、电力电子技术,西安交通大学 王兆安 黄俊 主编 (第四版) 机械工业出版社,1.1 什么是电力电子技术,电力电子技术的概念 可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。 电力电子技术中所变换的“电力” 有区别于“电力系统”所指的“电力” ，后者特指电力网的“电力” ，前者则更一般些。 电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。,1.1 什么是电力电子技术,具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件 对电能进行变换和控制的技术。 电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基 础。 变流技术则是电力电子技术的核心。,表1-1 电

2、力变换的种类,1.1 什么是电力电子技术,电力电子学 美国学者W. Newell认为电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。,图1-1 描述电力电子学的倒三角形,1.1 什么是电力电子技术,电力电子技术和电子学 电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子 器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论） 是一样的，其大多数工艺也是相同的。 电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也 是一致的。 电力电子技术和电力学 电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电 子学和电力学的主要关系。,1.1 什么是电力电子技术,各种电力电子装置广泛 应用于高压直流输电、静止 无功补偿、电力机车

3、牵引、 交直流电力传动、电解、励 磁、电加热、高性能交直流 电源等之中，因此，无论是 国内国外，通常都把电力电 图1-2 电气工程的双三角形描述 子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传 动是电气工程的一个二级学科。图1-2用两个三角形对电 气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学 科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学 科内各二级学科的关系。,1.1 什么是电力电子技术,电力电子技术和控制理论 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不断满足人们日益增长的各种 需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技 术，是弱电和强电之间的接口。而控

4、制理论则是实 现这种接口的一条强有力的纽带。 另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二 者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基 础元件和重要支撑技术。,1.2 电力电子技术的发展史,电力电子技术的发展史,图1-3 电力电子技术的发展史,一般认为，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。,1.2 电力电子技术的发展史,晶闸管出现前的时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，从而开启了电子技术用于电 力领域的先河。 20世纪30年代到50年代，水银整流器广泛用于电化学 工业、电

5、气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传 动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变 电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在 这一时期，也应用直流发电机组来变流。 1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了 电子技术的一场革命。,1.2 电力电子技术的发展史,晶闸管时代 晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使 之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且 其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基 础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立 的。 晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不 能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电 路的控制方式主要是相位控制

6、方式，简称相控方式。 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很大的局限。,1.2 电力电子技术的发展史,全控型器件和电力电子集成电路（PIC） 70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管 （BJT）和电力场效应晶体管（Power-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使其关断。 采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM） 方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式。 在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合 型器

7、件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。 与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT） 复合了MOSFET和GTO。,1.2 电力电子技术的发展史,把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在 一起，构成电力电子集成电路（PIC），这代表了 电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成 技术包括以PIC为代表的单片集成技术、混合集成 技术以及系统集成技术。 随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子 电路的工作频率也不断提高。与此同时，软开关技 术的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗 降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度。,1.3 电力电子

8、技术的应用,电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于 一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信 系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调 等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。 一般工业 工业中大量应用各种交直流电动机，都是用电力电子装置进行调速的。 一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。,1.3 电力电子技术的应用,图1-4 AB变频器,有些并不特别要求调速的电机为 了避免起动时的电流冲击而采用了 软起动装置，这种软起动装置也是 电力电子装置。 电化学工业大量使用直流电源， 电解铝、电解食盐水等都需要大容 量整流电源。电镀装置也需要整流 电

9、源。 电力电子技术还大量用于冶金工 业中的高频或中频感应加热电源、 淬火电源及直流电弧炉电源等场合。,1.3 电力电子技术的应用,交通运输 电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的 直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流 斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电 力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆 中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术。 电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱 动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高 级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器 驱动并控制。 飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。,1.3

10、电力电子技术的应用,电力系统 据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能 至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。 直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整 流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主 要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS） 也是依靠电力电子装置才得以实现的。 晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、静止 无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量 用于电力系统的无功补偿或谐波抑制。在配电网系统，电力电子装置 还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进

11、行电能质 量控制，改善供电质量。 在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池 充电等都需要电力电子装置。,1.3 电力电子技术的应用,图1-5 中国南方电网公司安顺换流站,图1-6 静止无功发生器（上）和 晶闸管投切电容器（下）,1.3 电力电子技术的应用,电子装置用电源 各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流 电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电 源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型 器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、 微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。 在大型计算机等场合，常常需要不间断电源 （Uninterruptible Powe

12、r Supply_ UPS）供电，不 间断电源实际就是典型的电力电子装置。,1.3 电力电子技术的应用,家用电器 电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量 能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。 空调、电视机、音响设备、家用计算机， 不少洗衣机、 电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。 其它 航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器 也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。 抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来 起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强 大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。,1.3 电力电子技术的应用,新能源、可再生能源发电比如

13、风 力发电、太阳能发电，需要用电力 电子技术来缓冲能量和改善电能质 量。当需要和电力系统联网 时，更 离不开电力电子技术。 核聚变反应堆在产生强大磁场和 注入能量时，需要大容量的脉冲电 源，这种电源就是电力电子装置。 科学实验或某些特殊场合，常常需 要一些特种电源，这也是电力电子 技术的用武之地。,图1-7 风场,1.4 本教材的内容简介,本教材的内容,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述,驱动电路主电路与控制电路之间的接口,使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。 对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。 一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现

14、。,驱动电路的基本任务：,将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号。 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。,2,驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。 光隔离一般采用光耦合器 磁隔离的元件通常是脉冲变压器,图1-25 光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述,3,按照驱动信号的性质，可分为电流驱动型和电压驱动型。 驱动电路具体形式可以是分立元件的，但目前的趋势是采用专用

15、集成驱动电路。,分类,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述,4,1.6.2 晶闸管的触发电路,晶闸管的触发电路作用,产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。,晶闸管触发电路应满足下列要求：,脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。 触发脉冲应有足够的幅度。 不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。 有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。,5,V1、V2构成脉冲放大环节。 脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节。 V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。,图1-27 常见的晶闸管触发电路,常见的晶闸管触发电路,1.6.

16、2 晶闸管的触发电路,6,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,1) 电流驱动型器件的驱动电路,GTR驱动电路应满足下列要求：,开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。 关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。 关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。,7,图1-31 GTR的一种驱动电路,GTR驱动电路包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。,驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见。,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,8,为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。 使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般15 20V。 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。 在栅极串入一只低值电阻，可以减小寄生振荡。,2) 电压驱动