电力电子变流技术

电力电子变流技术
绪论
一、电力电子技术包括以下三个方面：
•电力电子元器件
•电力电子变流技术
二、变流技术按其功能可分为：
•整流器：把交流电变为固定的或可调的直流电。

•逆变器：把固定直流电变成固定或可调的交流电。

•斩波器：把固定的电压变成可调的直流电压。

•交流调压器：把固定交流电压变成可调的交流电压。

•周流变流器：把固定的交流电压和频率变为可调的交流电压和频率。

三、电力电子技术的应用：
直流电机调速，交流电机调速，UPS，开关电源，功率因数校正，高压直流输电，照明电源—电子镇流器，新能源并网技术。

四、电力电子器件的分类：
•按照器件能够被控制的程度分：
半控型：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断，如晶闸管。

全控型：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件，如MOSFET、IGBT。

不可控：不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路，如二极管。

•按照驱动信号的性质：电流驱动型和电压驱动型。

•按照驱动信号的波形：脉冲触发型、电平控制器。

•按载流子参与导电的情况：单极型器件、双极型器件、复合型器件。

第一章晶闸管
一、晶闸管的工作特性：
1.当晶闸管承受反向阳极电压时，不论门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。

2.当晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才能导
通，正向阳极电压和正向门极电压两者缺一不可。

3.晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极电压是正还是负，晶闸管保持导通，故导通的控制信号只须正向脉冲电压称之为触发脉冲即可。

4.要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压，或者给阳极加反压，或者降低正向阳极电压，使通过晶闸管的电流降低到一定数值以下。

5.当门极未加触发电压时，晶闸管具有正向阻断能力，它是一般二极管不具备的。

二、电流、电压的平均值、有效值的计算：
1、周期：[0 , ]
2、积分函数
3、有效积分区间: [0 , ]
4、平均值的计算：
5、有效值的计算：
6、波形系数：K
f =I/I
d
>1
第二章单相整流
一、整流电路及其分类：
1、按组成的器件分为：可控、不可控、全控
2、按电路结构分：桥式、零式
3、按交流输入相数分：单相、三相
4、按变压器二次侧电流的方向是单向还是双向分：单拍电路、双拍电路
二、单相整流电路：
1、电路结构：
2、引入概念：
触发角：VT开始承受正向压降至门极脉冲信号到来时的电角度。

导通角：VT在电源电压一个周期内处于导通状态的一个角。

3、四种电路的比较：
单相半波单相桥式单相全波单桥半控
电阻性负载
U
d
180°180°180°180°
U
VT
正 U
2
U
2
U
2
U
2
反 U
2
U
2
U
2
U
2
阻感性负载
U
d
90°90°180°（无VDr）
U
VT
正 U
2
U
2
U
2
U
2
反 U
2
U
2
U
2
U
2
具有变压器中心抽头、晶闸管承受的最大正向电压为 U
2
，最大反向电压为 U
2
，
导通时的晶闸管个数为1个，桥式为2个。

单相桥式半控电路的失控现象：
在电感性负载时，当突然把控制角增大到180°或突然把触发电路切断时，会发生一个晶闸管直通而两个二极管轮流导通的异常现象，称为失控。

直流磁化问题：
第三章三相整流
一、整流电路及分类
三相半波、三相桥式、BYQ漏抗。

二、三相整流电路：
•自然换相点：各晶闸管导通的最早时刻。

•连续和断续的角度：
三相半波可控三相全控桥
电阻性负载移相范围150°120°U
d
波形连续30°60°
U
VT
正 U
2
U
2
反 U
2
U
2
电感性负载
移相范围90°90°
U
d
U
VT
正 U
2
U
2
反 U
2
U
2
1、三相桥式全控整流电路在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个是共阳极组的。

2、关于触发脉冲的相位，共阴极组的VT1、VT3和VT5之间应互差120°；共阳极组VT4、VT6和VT2之间亦互差120°。

接在同一相的两管，如VT1和VT4，VT3与VT6，VT5与VT2之间则互差180°。

3、为了保证整流合闸后共阴极组和共阳极组各有一晶闸管导电，或者由于电流断续后能再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲，有两种方法：
宽脉冲触发：使每个触发脉冲的宽度大于60°（一般取80°到100°）。

双脉冲触发：在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效替代大于60°的宽脉冲。

4、三相桥输出的是变压器二次线电压的整流电压。

5、=0°时晶闸管承受的电压波形如图3-9。

三、整流电压的谐波分析
1、谐波的定义：
对周期性非正弦电量进行傅立叶分析，除了得到与电网基波频率相同的分量，还有一系列大于电网基波频率的分量（基频的整数倍），此部分量为谐波。

2、来源：非纯属负载如R-L，L-C
3、谐波的次数：
N (f
n 为谐波频率，f
为基频)
4、功率因数：
正弦电路：
非正弦电路： (为基波因数，为位移因数)
四、变压器二次侧的谐波分析
换相重叠角：换相过程中所持续的时间。

换相压降：
由于变压器的漏感抗存在出现了换相重叠角，使得整流输出电压有效值降低。

单相双半波电路m=2 ，三相半波m = 3 ，三相桥式m = 6 ，单相桥式 m=4
第四章有源逆变电路
一、逆变的定义及分类
1、定义：利用晶闸管电路把直流电转变成交流电，这种对于整流的逆向过程，定义为逆变。

把直流电逆变成交流电的电路称为逆变电路。

2、分类：
把直流电逆变为同频率的交流电送到电网去，叫有源逆变。

如果变压器的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，叫无源逆变。

二、逆变产生的条件：
1、必须要有直流电动势源，其极性须与晶闸管导通的方向一致，其值应稍大于变流器直流侧的平均电压；其次要求晶闸管的>，使Ud为负值。

两者必须同时满足才能实现有源逆变。

2、半控桥或有续流二极管的电路，因它们不能输出负电压，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。

欲实现有源逆变，只能采用全控的电路。

三、逆变失败与最小逆变角
•逆变失败的原因：
1、触发电路工作不可靠；
2、晶闸管发生故障；
3、在逆变工作时，交流电源发生缺相或突然消失；
4、换相的裕量角不足。

•避免逆变失败的措施：
1、采用可靠的触发电路；
2、选用可靠的SCR，防止误导通；
3、加快速熔断器或快速开关；
4、不能太小，必须限定在一定范围内。

确定的依据
四、最小逆变角
min
min
为晶闸管的关断时间折合的电角度；为安全裕量角。

第六章晶闸管的串并联及保护
电力电子系统的组成：控制电路、驱动电路、保护电路、主电路。

一、晶闸管的串联：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。

问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。

静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。

动态不均压：由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。

晶闸管触发电路的作用：保证晶闸管正常工作（可靠工作）
串联的均压措施：
1、选用积蓄载流子数量比较一致的器件；
2、通过实验选取恢复电流比较一致的器件；
3、用RC并联支路；
4、使用门极强脉冲触发，缩短开通时间。

触发电路的要求：
1、脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通；
2、触发脉冲应有足够的幅度；
3、不超过门极电压、电流和功率的额定值，且在可选触发区域内；
4、有良好的抗干扰性能、温度稳定性以及与主电路的电气隔离。

电气隔离有两种：光隔离—光耦合器，磁隔离—脉冲变压器。

二、晶闸管的并联
目的：多个器件并联来承担较大的电流
问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。

均流的措施：
1、挑选特性参数尽量一致的器件。

2、采用均流电抗器。

3、用门极强脉冲触发也有助于动态均流。

4、当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。

三、保护
1、过电流保护：快速熔断器、快速开关和过电流继电器；利用反馈控制。

2、过电压保护：
产生的原因：
内因：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，换相过电压和关断过电压。

外因：主要来自雷击和系统操作过程等外因。

抑制方法：
1 、用非线性元件限制过电压的幅度；
2 、用电阻消耗产生过电压的能量；
3 、用储能元件吸收产生过电压的能量。

第十章 PWM型逆变电路
一、PWM：脉冲宽度调制型电路
重要理论基础——面积等效原理
PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。

1、PWM波调制方法：单极性和双极性
2、PWM调制的特点：
可以得到接近于正弦波的输出电压；
整流部分采用二极管可以得到接近1 的功率因数；
只用一级可控的功率环节，电路结构简单；
通过对输出脉冲宽度的控制，可以改变变频器的动态响应.
二、PWM逆变电路的调制方法
载波比：载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr。

根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制
1、同步调制
载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数。

特点：
变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。

基本同步调制方式，f
r
三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。

为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。

fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。

fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。

2、异步调制
载波信号和调制信号不同步的调制方式。

特点：
通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的
在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。

当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小。

当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。

三、SPWM波的生成方法
1、自然采样法：得用超越方程。

2、规则采样法：分为单边调制和双边调制。

3、低次谐波消去法：可以消去指定的低次谐波。