第11章 全控型電力電子器件及其應(yīng)用

第十一章全控電力電子器件及其應(yīng)用第一節(jié)全控電力電子器件第二節(jié)變頻器的基本概念

第三節(jié)脈寬調(diào)制型變頻器

第四節(jié)直流斬波

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全控電力電子器件一、電力晶體管(GTR）二、可關(guān)斷晶閘管（GTO)三、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(PowerMOSFET)四、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)電力電子器件分類1電力電子器件不控型：功率二極管半控型：晶閘管全控型

IGBT(絕緣柵雙極晶體管)功率MOSFET（功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管)GTR（電力晶體管）GTO（可關(guān)斷晶閘管)全控型電力電子器件分類2全控型電力電子器件單極型（一種載流子參與導(dǎo)電）雙極型（兩種載流子參與導(dǎo)電）

復(fù)合型（由單極性和雙極型復(fù)合）功率MOSFET（功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管)SIT（靜電感應(yīng)晶體管）GTR（電力晶體管）GTO（可關(guān)斷晶閘管)SITH(靜電感應(yīng)晶閘管）

IGBT(絕緣柵雙極晶體管)MCT（MOS控制晶閘管）一、電力晶體管(GTR）圖11－1電路圖符號(hào)GTOGTRGTR的工作原理

GTR電流控制器件正偏（IB＞0）時(shí)大電流導(dǎo)通反偏（IB＜0）時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)二、可關(guān)斷晶閘管（GTO)GTO的等效電路11-2GTO的工作原理GTO的開通原理：同普通晶閘管GTO的關(guān)斷機(jī)理：閉合S，門極加負(fù)偏壓，IC1被抽走，形成門極負(fù)電流-IG.？GTO和SCR的不同GTO的內(nèi)部包含有數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO，這些小GTO稱為GTO元。GTO元的陽(yáng)極是共有的，門極和陰極分別并聯(lián)在一起。這是實(shí)現(xiàn)門極控制關(guān)斷所采取的特殊設(shè)計(jì)。

電力MOSFET結(jié)構(gòu)11-3三、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET)電力＋－導(dǎo)電溝道形成IDDGSUGS＋－1.導(dǎo)通：UGS＞0，導(dǎo)通2.關(guān)斷：UGS＜0，截止功率MOSFET工作原理四、絕緣柵雙極晶體管（IGBT)集MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)于一身。輸入阻抗高，工作速度快，熱穩(wěn)定性好，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。生產(chǎn)水平：2500V，1000AIGBT的工作原理1.導(dǎo)通：UGE＞UT，導(dǎo)通UGE＜0，截止2.關(guān)斷：圖11-4IGBT的等效電路與圖形符號(hào)N溝道UCE＞0且第二節(jié)變頻器的基本概念

一、變頻調(diào)速的基本原理二、變頻器的分類及結(jié)構(gòu)形式三、逆變器的基本原理與換流方式基本概念變頻器：對(duì)交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置稱為變頻器。變頻器的功能：將電網(wǎng)提供的恒壓恒頻交流電變換成為變壓變頻的交流電，對(duì)交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。變流電路整流逆變不可控整流可控整流：將交流電變換成可調(diào)的直流電有源逆變：將直流電變成和電網(wǎng)同頻率的交流電，直接送回電網(wǎng)。無源逆變：將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電直接供給負(fù)載使用。一、變頻調(diào)速的基本原理異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式式中，是定子供電頻率（HZ）；P是磁極對(duì)數(shù)；s是轉(zhuǎn)差率；n是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（）。改變，即可改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n0，能實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速嗎？

問題事實(shí)上只改變并不能正常調(diào)速，因?yàn)閾?jù)電機(jī)學(xué)知假設(shè)調(diào)速時(shí)只改變，設(shè)，則，于是電磁轉(zhuǎn)矩，這樣電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)能力會(huì)降低，對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載會(huì)因拖不動(dòng)而堵轉(zhuǎn)。若調(diào)節(jié)，則，會(huì)引起主磁通飽和，這樣勵(lì)磁電流急劇升高。會(huì)使定子鐵心損耗急劇增加。這兩種情況都是實(shí)際運(yùn)行中所不允許的。結(jié)論只改變，不能實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速？實(shí)際調(diào)速方法在調(diào)節(jié)的同時(shí)，調(diào)節(jié)定子供電電壓的大小，通過和的配合，實(shí)現(xiàn)不同類型的調(diào)頻調(diào)速。當(dāng)f1≤f1n時(shí)，對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，都采用電壓頻率比例調(diào)節(jié)，低頻段加以電壓補(bǔ)償?shù)暮戕D(zhuǎn)矩調(diào)速方式，即=常數(shù)式中，是定子供電額定頻率；是定子供電額定電壓。當(dāng)f1＞f1n時(shí)，對(duì)近似恒功率負(fù)載，采用只調(diào)節(jié)頻率f1，而不調(diào)節(jié)電壓的控制方式，即二、變頻器的分類及結(jié)構(gòu)形式1.變頻器的分類變頻器交—交變頻器交—直—交變頻器按無功能量處理方式分按調(diào)壓方式分電壓型電流型脈沖幅度調(diào)制型脈沖寬度調(diào)制型相位控制調(diào)壓直流斬波調(diào)壓二、變頻器的分類及結(jié)構(gòu)形式2.變頻器的結(jié)構(gòu)形式圖11-5兩種類型的變頻器二、變頻器的分類及結(jié)構(gòu)形式2.變頻器的結(jié)構(gòu)形式圖11-6交—直—交電壓型變頻器的結(jié)構(gòu)形式三、逆變器的基本原理與換流方式圖11-7單相橋式逆變電路工作原理當(dāng)開關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，，反之把直流電變成了交流電——無源逆變。四個(gè)橋臂的切換頻率就等于負(fù)載電壓uo的頻率換流方式器件換流：器件自身具有的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流負(fù)載換流：輸出電流超前于電壓，超前的時(shí)間大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間，強(qiáng)迫換流：由附加的換流回路產(chǎn)生脈沖，迫使晶閘管可靠關(guān)斷。變頻電路的換流方式

第三節(jié)脈寬調(diào)制型變頻器

一、PWM型變頻器的基本工作原理

1.單相橋式PWM型變頻電路的工作原理

2.三相橋式PWM變頻電路的工作原理二、PWM變頻電路的調(diào)制控制方式一、PWM型變頻器的基本工作原理PWM基本原理:

對(duì)逆變電路中的開關(guān)器件的通斷進(jìn)行有規(guī)律的控制，使輸出端得到等幅不等寬的脈沖列，用這些脈沖列來代替正弦波。PWM控制的重要理論依據(jù)沖量（脈沖的面積）相等而形狀不同的窄脈沖（如圖11-10所示），分別加在具有慣性環(huán)節(jié)的輸入端，其輸出響應(yīng)波形基本相同。圖11-8形狀不同而沖量相同的各種脈沖圖11-9PWM型變頻器基本原理示意圖PWM型變頻器的基本工作原理PWM逆變器的輸出電壓為等幅不等寬的脈沖列異步電動(dòng)機(jī)的輸入電壓按一定比例改變脈沖列中各脈沖的寬度，即可改變輸入電壓（與輸出電壓等效）的幅值。結(jié)論一、PWM型變頻器的基本工作原理1.單相橋式PWM型變頻電路的工作原理圖11-10單相橋式PWM變頻電路原理圖調(diào)制控制：負(fù)載上想得到的正弦波作為調(diào)制信號(hào)ur，把接受調(diào)制的等腰三角波作為載波信號(hào)uC。SPWM：調(diào)制信號(hào)ur為正弦波的脈沖寬度調(diào)制叫正弦波脈沖寬度調(diào)制。一、PWM型變頻器的基本工作原理1.單相橋式PWM型變頻電路的工作原理1)單極性PWM控制方式工作原理電路圖11-11單極性SPWM調(diào)制波形原理單極性脈寬調(diào)制：半個(gè)周期內(nèi)載波信號(hào)uC是單極性的信號(hào)。原理分析1）當(dāng)ur＞0時(shí)，V1通，V2斷，在ur與uC正極性三角波交點(diǎn)處控制V4的通斷。在ur＞uC各區(qū)間，控制V4為通態(tài)，則輸出電壓；在ur＜uC各區(qū)間，控制V4為斷態(tài)，則=0，此時(shí)，負(fù)載電流可通過VD3和V1續(xù)流。2）當(dāng)ur＜0時(shí)，V2通，V1斷，在ur與uC負(fù)極性三角波交點(diǎn)處控制V3的通斷。在ur＜uC各區(qū)間，控制V3為通態(tài)，則輸出電壓；在ur＞uC各區(qū)間，控制V3為斷態(tài)，則uo=0，此時(shí)，負(fù)載電流可通過VD4和V2續(xù)流。電路波形一、PWM型變頻器的基本工作原理1.單相橋式PWM型變頻電路的工作原理2)雙極性PWM控制方式工作原理電路圖11-12雙極性SPWM調(diào)制波形雙極性脈寬調(diào)制：載波信號(hào)uC是雙極性的信號(hào)。原理原理分析逆變電路的輸出的電壓uo為兩個(gè)方向變化等幅不等寬的脈沖列。控制方法

ur＞uC的各區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通，V2和V3關(guān)斷，則。ur＜uC的各區(qū)間，V2和V3導(dǎo)通，V1和V4關(guān)斷則，。結(jié)果電路波形2.三相橋式PWM變頻電路的工作原理一、PWM型變頻器的基本工作原理圖11-13三相橋式PWM變頻電路原理圖波形原理三相橋式PWM變頻電路的波形圖11-14雙極性SPWM調(diào)制波形電路原理

原理分析調(diào)制信號(hào)ur的幅值和頻率將決定輸出電壓uo的幅值和頻率。只要＞uC，就導(dǎo)通V1，封鎖V4，；只要＜uC，就封鎖V1，導(dǎo)通V4，。以U相為例，其控制規(guī)律為：重要結(jié)論電路波形二、PWM變頻電路的調(diào)制控制方式載波比：在PWM變頻電路中，載波頻率fC與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比。異步調(diào)制控制方式：控制過程中載波比N不是常數(shù)。2.同步調(diào)制控制方式:

控制過程中保持N為常數(shù)。圖11-15分級(jí)同步式控制方案第四節(jié)直流斬波

一、直流斬波器的控制方式二、逆導(dǎo)晶閘管直流斬波器三、GTO（或GTR）直流斬波器將直流電源的恒定直流電壓，通過電力電子器件的開關(guān)作用，變換成可調(diào)的直流電壓的裝置，稱為直流斬波器。直流斬波的定義直流斬波電路原理Utui0Utud0CH斷ud=0CH通ud=U一、直流斬波器的控制方式圖11-16定頻調(diào)寬調(diào)頻調(diào)寬定寬調(diào)頻二、逆導(dǎo)晶閘管直流斬波器逆導(dǎo)晶閘管KN200/100-8型號(hào)晶閘管額定電流200A二極管額定電流100A額定電壓800V特點(diǎn)：正向壓降小，關(guān)斷時(shí)間短，高溫特性好。無接線分布電感。符號(hào)等效電路圖11-17a)逆導(dǎo)型斬波器圖11-17b)接通＋_+_×振蕩放電振蕩放電

振蕩放電波形圖11-1800iωtωt-EE三、GTO（或GTR）直流斬波器圖11-19a)電路分析b)電路分析圖11-19a)