电气工程概论 第四章 电力电子技术与电力传动

三相桥式全控整流电路
电气工程概论 38

电气工程概论 三相桥式全控整流电路带电阻负载α=0时的波形
39
B.逆变

前面我们介绍的各种可控整流电路都工作在整流 状态，是将交流电能变换成直流电提供给负载。 逆变是把直流电转变成交流电，是整流的逆过程， 是将直流电能变换成交流电回馈电网。上述的电 路也可以工作在逆变状态。
电气工程概论
29


电力电子器件中电压，电流额定值从高往低的 器件是SCR、GTO、IGBT、BJT和功率 MOSFET。 工作频率从高往低的器件是功率MOSFET、 IGBT、BJT、GTO和SCR。
电气工程概论
30
常见的功率半导体器件有：二极管、晶闸管、 GTO、VDMOS、BJT、IGBT、IGCT等。
电气工程概论 14
4.3 电力电子技术的研究内容
电力电子技术的研究内容（掌握）
① 电力半导体器件； ② 变换器电路结构与设计； ③ 控制与调节； ④ 电力电子技术中的储能元件； ⑤ 电子电路的封装与制造； ⑥ 电磁干扰和电磁兼容； ⑦ 电机控制；
⑧ 电力质量控制。
电气工程概论 15
（1）电力半导体器件—电力电子技术的核心
电气工程概论 10
软开关技术 就是指通过辅助的谐振电路使开关管开通前电压 先降为零或者关断前电流先降为零，这样，就实 现了在零电压情况下开通或者在零电流条件下关 断，从而大大降低了开关功率损耗，减少了噪声 污染和电磁干扰。 软开关电路的发展经历了3 个阶段： 准谐振电路； 零开关PWM 电路； 零转换PWM 电路。
电气工程概论
2
4.1 电力电子技术的作用
电气工程概论
3
(1)电力电子技术的作用与定义
当今世界电力能源的使用约占总能源的40%。而电能中有 40%需要经过电力电子设备的变换才能被使用。
IEEE给出电力电子技术的定义： Power electronics is the technology associated with the efficient conversion, control and conditioning of electric power by static means from its available input form into the desired electrical output form.
A.二极管
二极管及其符号
性能见书P122第一段
电气工程概论 16

功率二极管的伏安特性
电气工程概论
17
B.晶闸管（THY)
螺栓型和平板型 晶闸管及其符号
性能见书P122第三段
电气工程概论 18
THY的分类
普通晶闸管，多用在大功率整流器和周波变换器中。
快速晶闸管和高频晶闸管，关断时间短，多用在感应加 热的中频电源中。 逆导晶闸管RCT，多用在直流斩波器、倍频式中频电源 和三相逆变器中。 双向晶闸管Triac，多用在交流无触点继电器和交流相位 控制电路中。 光控晶闸管，多用在电力系统高电压大电流场合中。
电气工程概论
19
(1)
欲使晶闸管导通需具备两个条件：
① 应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。 ② 应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电 压和电流。 (2) 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故 晶闸管为半控型器件。 (3) 为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到 一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到 零或反向的方法来实现。
电气工程概论 4
电力电子技术的基本工作框图：
电气工程概论
5
(2)电力电子技术的萌芽



各种产品设备对电源的不同要求，催生了电力 电子技术。电力电子器件的不断涌现，发展了 电力电子技术。 人类最初的电能利用是直流电，而后使用交流 电，这样交流电源和直流用电设备要求直流电 源催生了电力电子技术的发展 。 从19世纪末期到20世纪中期，人类发明了闸 流管等一系列电力电子器件。1948年晶体管 的发明是电子学的第一次革命。
第4章 电力电子技术与电力传动
电气工程概论
1
主要内容
子技术的特点；掌握电力电子技术的研究内容； 了解电力半导体器件；掌握电力变换器电路结构、 设计、控制与调节的基本概念；掌握电磁干扰与 电磁兼容的基本概念；掌握电能质量控制的基本 含义；了解电力电子技术的主要应用领域；了解电力
电子技术的地位和发展方向；了解电力传动技术的概 况；掌握直流、交流传动的基本概念；了解特殊 电机传动；了解PWM技术对电机传动的影响；了解 电力传动的主要应用领域。了解哪些后续专业课程学 习内容与电力电子与电力传动技术相关，了解这些课 程之间及这些课程与其它课程之间的联系。 了解电力电子技术的作用与发展简史；掌握电力电
34
2. 变换器电路结构与设计
交流-直流变换器（AC/DC）——整流器； 直流-直流变换器（DC/DC）——斩波器； 直流-交流变换器（DC/AC）——逆变器；
输入 输出
根据电能变换的输入输出形式，可以分为四种形式：
交流-交流变换器（AC/AC）——交流调压器、周波变换器；
一个性能良好的变换装置设计，大致应包括功能指 标设计、电磁兼容设计、系统散热设计和结构亲和 性设计等几个方面。
简单地说，电力电子技术就是以电子器件为开关，把能得到 的电源变换为所需要的电源的一门科学应用技术，即电源变换 技术。（也是电力电子技术的主要作用：电能变换）（了解）
它是电子工程、电力工程和控制工程相结合的一门技术，以 控制理论为基础、以微电子器件或计算机为工具、以电子开关 器件为执行机构实现对电能的有效变换。
不控型器件 从开关 特性上 分类 半控型器件 二极管：加正压导通，加反压截 止 晶闸管：加正压能控制导通，不 能控制关断，反压截止.
全控型器件
IGBT等：加正压时能控制导通， 也能控制关断。
电气工程概论 31
根据门极 (栅极)驱动 信号的不 同
电流控制器件 驱动功率大，驱动电路复杂，工作频率低。 该类器件有SCR、GTO、BJT。 电压控制器件 驱动功率小，驱动电路简单可靠，工作频 率高。该类器件有功率MOSEET、IGBT。 单极型器件:功率MOSFET
电气工程概论
33
全控型电力电子器件的共同性质

加正电压的前提下，一旦控制极施加开通触发 信号，器件就导通，在导通时，去掉控制信号， VDMOS BJT IGBT等晶体管型器件立即关断， GTO和IGCT等晶闸管型器件则保持导通， 要 关断GTO和IGCT等晶闸管型器件需要施加关 断信号。
电气工程概论
电气工程概论
35
A.整流
1.单相半波可控整流器图和工作波形(电阻性负载)
电气工程概论
36
2. 单相桥式全控整流（电阻性负载

）
单相全控桥式整流器图和工作波形(电阻性负载)
电气工程概论
37
3.三相桥式全控整流电路（电阻性负载）
工作原理

三相全控整流电路中共阴极接 法(VT1，VT3，VT5)和共阳极 接法(VT4，VT6，VT2)的控制 角α分别与三相半波可控整流 电路共阴极接法和共阳极接法 相同。在一个周期内，晶闸管 的导通顺序为VT1、VT2、 VT3、VT4、VT5、VT6。
电气工程概论 6
(3)电力电子器件的发展
1948年，硅晶体管的发明，被称为电子学的第一次革命； 1957年，美国GE公司发明了可控硅（SCR）电子学的第二 次革命；
1961年，美国GE公司发明了GTO可关断晶闸管；
1970年，发明了BJT(Bipolar Juction Transistor）功率三 极管又称GTR 1978年，发明了功率MOSFET管，功率场效应管 1981年，发明了IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor) 绝缘栅双极性晶体管 1990年，发明了IPM。
电气工程概论 7
容量为12kV/1.5kA的晶闸管
电气工程概论 8
电力电子可控开关元件
电气工程概论 9
(4)电力电子软开关技术的发展
在软开关技术出现之前，通过控制门极来控制 关管的开通和关断，在此过程中，开通电压或关断 流相当大，这种被称之为硬开关的开关方式造成 大的开关损耗，由于现代电力电子装置愈来愈趋 向于小型化和轻量化发展，必然要求开关频率越来 越高。当开关频率很高时，往往造成开关过程中 di/ dt 和du / dt 很大，给电路造成严重的噪声污染 开关损耗，且产生严重的电磁干扰，软开关技术的 现解决了这一系列问题。
电气工程概论 25
G.IGCT—集成门极换向晶闸管
IGCT及其符号
电气工程概论
26
小
1.
结
根据开关器件是否可控分类
(1) 不可控器件 二极管VD是不可控器件。 (2) 半控器件 普通晶闸管SCR是半控器件。 (3) 全控器件 GTO、BJT、功率MOSFET、IGBT等。
电气工程概论 27
2. 根据门极(栅极)驱动信号的不同
电气工程概论 24
F.IGBT—绝缘栅双极晶体管
IGBT及其符号
绝缘栅双极型晶体管IGBT是80年代中期问世的一种新型复
合电力电子器件，由于它兼有MOSFET的快速响应、高输入 阻抗和BJT的低通态压降、高电流密度的特性，这几年发展 十分迅速。目前，IGBT的容量水平达(1200～ 600A)/(1800～3330V),工作频率达40kHz以上。
电气工程概论 11
安装在挪威的±160Mvar、42kV的无功发生器
电气工程概论 12
4.2 电力电子技术的特点
它是从电气工程中3大学科领域（电力、控制、 电子）发展起来的一门新型交叉学科。
它是电子工程、电力工 程和控制工程相结合的 一门技术，以控制理论 为基础、以微电子器件 或计算机为工具、以电 子开关器件为执行机构 实现对电能的有效变换。