第15章 全控型电力电子器件及其应用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十五章 全控电力电子器件及其应用,第一节,全控电力电子器件,第二节,变频器的基本概念,第三节,脉宽调制型变频器,第四节,直流斩波,返回主目录,第一节,全控电力电子器件,一、,电力晶体管,(GTR,）,二、,可关断晶闸管（,GTO),三、,功率场效应晶体管,(Power MOSFET),四、,绝缘栅双极晶体管,(IGBT),电力电子器件分类,1,电力电子 器件,不控型：,功率二极管,半控型：,晶闸管,全控,型,IGBT(,绝缘栅双极晶体管,),功率,MOSFET,（功率场效应晶体管,),GTR,（电力晶体管GTO,（可关断晶闸管,),全控型电力电子器件分类,2,全控型电力电子器件,单极型,（一种载流子参与导电）,双极型,（两种载流子参与导电）,复合型,（由单极性和 双极型复合）,功率,MOSFET,（功率场效应晶体管,),SIT,（静电感应晶体管）,GTR,（电力晶体管）,GTO,（可关断晶闸管,),SITH(,静电感应晶闸管）,IGBT(,绝缘栅双极晶体管,),MCT,（,MOS,控制晶闸管）,GTR,的结构,15-1,一、,电力晶体管,(GTR,）,GTR,的工作原理,GTR,电流控制器件,正偏（,I,B,0,）时大电流导通,反偏（,I,B,0,）时处于截止状态,GTR,的系列,单管,达林顿管,达林顿模块,GTR,驱动管,输出管,加速管,续流管,生产水平：,1800V,，,1000A,30KH,Z,15-2,图,15-3 GTR,模块,GTR,的特点,GTR,工作在临界饱和状态，一旦施加反向基极电流，器件可迅速关断。,临界饱和,二、,可关断晶闸管（,GTO),GTO,的结构和等效电路,15-4,GTO,的工作原理,GTO,的开通原理：同普通晶闸管,GTO,的关断机理：,闭合,S,，门极加负偏压，,I,C1,被抽走，形成门极负电流,-,I,G.,？,GTO,和,SCR,的不同,GTO,的内部包含有数百个共阳极的小,GTO,，这些小,GTO,称为,GTO,元。,GTO,元的阳极是共有的，门极和阴极分别并联在一起。这是实现门极控制关断所采取的特殊设计。,功率,MOSFET,结构,15-5,三、,功率场效应晶体管（功率,MOSFET),导电沟道形成,I,D,D,G,S,U,GS,1.,导通：,U,GS,0,，导通,2.,关断：,U,GS,0,，截止,功率,MOSFET,工作原理,四、绝缘栅双极晶体管（,IGBT),集,MOSFET,和,GTR,的优点于一身。,输入阻抗高，工作速度快，热稳定性好，驱动电路简单。,生产水平：,2500V,，,1000A,IGBT,的工作原理,1.,导通：,U,GE,U,T,，,导通,U,GE,0,，,截止,2.,关断：,图,15-6 IGBT的等效电路与图形符号,N,沟道,U,CE,0,且,第二节 变频器的基本概念,一、变频调速的基本原理,二、变频器的分类及结构形式,三、逆变器的基本原理与换流方式,基本概念,变频器：,对交流电动机实现变频调速的装置称为变频器。,变频器的功能,：将电网提供的恒压恒频交流电变换成为变压,变频的交流电，对交流电动机实现无级调速。,变流电路,整流,逆变,不可控整流,可控整流：将交流电变换成可调的直流电,有源逆变：将直流电变成和电网同频率,的交流电，直接送回电网。,无源逆变：,将直流电逆变成某一频率或,可变频率的交流电直接供给,负载使用。,一、变频调速的基本原理,异步电动机的转速表达式,式中，是定子供电频率（,H,Z,）；,P,是磁极对数；,s,是转差率；,n,是电动机转速（）。,改变 ，即可改变异步电动机的转速,n,0,，能实现异步电动机的无级调速吗？,问题,事实上只改变 并不能正常调速，因为据电机学知,假设调速时只改变 ，设 ，则 ，于是电磁转矩 ，这样电动机的拖动能力会降低，对恒转矩负载会因拖不动而堵转。若调节 ，则 ，会引起主磁通饱和，这样励磁电流急剧升高。会使定子铁心损耗 急剧增加。这两种情况都是实际运行中所不允许的。,结论,只改变 ，不能实现异步电动机的无级调速,？,实际调速方法,在调节 的同时，调节定子供电电压 的大小，通过 和 的配合，实现不同类型的调频调速。,当,f,1,f,1n,时，对恒转矩负载，都采用电压频率比例调节，低频段加以电压补偿的恒转矩调速方式，即,=,常数,式中，是定子供电额定频率；是定子供电额定电压。,当,f,1,f,1n,时，对近似恒功率负载，采用只调节频率,f,1,，而不调节电压 的控制方式，即,二、变频器的分类及结构形式,1.,变频器的分类,变频器,交,交变频器,交,直,交,变频器,按无功能量处理方式分,按调压方式分,电压型,电流型,脉冲幅度调制型,脉冲宽度调制型,相位控制调压,直流斩波调压,二、变频器的分类及结构形式,2.,变频器的结构形式,图,15-7,两种类型的变频器,二、变频器的分类及结构形式,2.,变频器的结构形式,图,15-8,交直,交电压型变频器的结构形式,三、逆变器的基本原理与换流方式,图,15-9,单相桥式逆变电路工作原理,当开关,S1,、,S4,闭合，,S2,、,S3,断开时，反之,把直流电变成了交流电,无源逆变。,四个桥臂的切换频率就等于负载电压,u,o,的频率,换流方式,器件换流：器件自身具有的自关断能力进行换流,负载换流：输出电流超前于电压，超前的时间,大于晶闸管的关断时间，,强迫换流：由附加的换流回路产生脉冲，迫使,晶闸管可靠关断。,变频电路的换流方式,第三节 脉宽调制型变频器,一、,PWM,型变频器的基本工作原理,1.,单相桥式,PWM,型变频电路的工作原理,2.,三相桥式,PWM,变频电路的工作原理,二、,PWM,变频电路的调制控制方式,一、,PWM,型变频器的基本工作原理,PWM,基本原理,:,对逆变电路中的开关器件的通断进行有规律的控制，使输出端得到等幅不等宽的脉冲列，用这些脉冲列来代替正弦波。,PWM,控制的重要理论依据,冲量（脉冲的面积）相等而形状不同的窄脉冲（如图,15-10,所示），分别加在具有惯性环节的输入端，其输出响应波形基本相同。,图,15-10,形状不同而冲量相同的各种脉冲,图,15-11 PWM,型变频器基本原理示意图,PWM,型变频器的基本工作原理,PWM,逆变器的输出电压为等幅不等宽的脉冲列,异步电动机的输入电压,按一定比例改变脉冲列中各脉冲的宽度，即可,改变输入电压 （与输出电压 等效）的幅值。,结论,一、,PWM,型变频器的基本工作原理,1.,单相桥式,PWM,型变频电路的工作原理,图,15-12,单相桥式,PWM,变频电路原理图,调制控制：,负载上想得到的正弦波作为调制信号,u,r,，把接受调制的等腰三角波作为载波信号,u,C,。,SPWM,：,调制信号,u,r,为正弦波的脉冲宽度调制叫正弦波脉冲宽度调制。,一、,PWM,型变频器的基本工作原理,1.,单相桥式,PWM,型变频电路的工作原理,1),单极性,PWM,控制方式工作原理,电路,图,15-13,单极性,SPWM,调制波形,原理,单极性脉宽调制：,半个周期内载波信号,u,C,是单极性的信号。,原理分析,1,）当,u,r,0,时，,V,1,通，,V,2,断，在,u,r,与,u,C,正极性三角波交点处控制,V,4,的通断。,在,u,r,u,C,各区间，控制,V,4,为通态，则输出电压 ；,在,u,r,u,C,各区间，控制,V,4,为断态，则,=0,，此时，负载电流可通过,VD,3,和,V,1,续流。,2,）当,u,r,0,时，,V,2,通，,V,1,断，在,u,r,与,u,C,负极性三角波交点处控制,V,3,的通断。,在,u,r,u,C,各区间，控制,V,3,为通态，则输出电压 ；,在,u,r,u,C,各区间，控制,V,3,为断态，则,u,o,=0,，此时，负载电流可通过,VD,4,和,V,2,续流。,电路,波形,一、,PWM,型变频器的基本工作原理,1.,单相桥式,PWM,型变频电路的工作原理,2),双极性,PWM,控制方式工作原理,电路,图,15-14,双极性,SPWM,调制波形,双极性脉宽调制：,载波信号,u,C,是双极性的信号。,原理,原理分析,逆变电路的输出的电压,u,o,为两个方向变化等幅不等宽的脉冲列。,控制方法,u,r,u,C,的各区间，,V,1,和,V,4,导通，,V,2,和,V,3,关断，则 。,u,r,u,C,的各区间，,V,2,和,V,3,导通，,V,1,和,V,4,关断则，。,结果,电路,波形,2.,三相桥式,PWM,变频电路的工作原理,一、PWM,型变频器的基本工作原理,图,15-15,三相桥式,PWM,变频电路原理图,波形,原理,三相桥式,PWM,变频电路的,波形,图,15-16,双极性,SPWM,调制波形,电路,原理,原理分析,调制信号,u,r,的幅值和频率,将决定输出电压,u,o,的幅值和频率。,只要 ,u,C,，就导通,V,1,，封锁,V,4,，；,只要,u,C,，就封锁,V,1,，导通,V,4,，。,以,U,相为例，其控制规律为：,重要结论,电路,波形,二、,PWM,变频电路的调制控制方式,载波比：,在,PWM,变频电路中，载波频率,f,C,与调制信号频率,f,r,之比。,异步调制控制方式：,控制过程中载波比,N,不是常数。,2.,同步调制控制方式,:,控制过程中保持,N,为常数。,图,15-17,分级同步式控制方案,第四节 直流斩波,一、直流斩波器的控制方式,二、逆导晶闸管直流斩波器,三、,GTO,（或,GTR,）直流斩波器,将直流电源的,恒定直流电压,，通过电力电子器件的开关作用，变换成,可调,的,直流电压,的装置，称为直流斩波器。,直流斩波的定义,直流斩波电路原理,U,t,u,i,0,U,t,u,d,0,CH,断,u,d,=0,CH,通,u,d,=U,一、直流斩波器的控制方式,图,15-18,定频调宽,调频调宽,定宽调频,二、逆导晶闸管直流斩波器,逆导晶闸管,KN200/100-8,型号,晶闸管额定电流,200A,二极管额定电流,100A,额定电压,800V,特点：正向压降小，关断时间短，高温特性好。无接线分布电感。,符号,等效电路,图,15-19 a),逆导型斩波器,图,15-19 b),接通,_,+,_,振荡放电,振荡放电,振荡放电波形,图,15-20,0,0,i,t,t,-E,E,三、,GTO,（或,GTR,）直流斩波器,图,15-21,a),电路分析,b),电路分析,图,15-21 a),对,GTO,施加正脉冲时,VT,导通，直流电源向负载供电；,当给,VT,门极负脉冲时，,GTO,便关断，直流电源停止向负载供电，负载电流经续流二极管,VD,续流。,图,15-21 b),该电路主控开关是普通晶闸管,VT1,，,VT2,、,C,是为关断,VT1,而设的附加电路。,当要关断,VT1,时，触发,VT2,导通，与之串联的辅助关断直流电源 给,VT1,施加反向电压，使,VT1,关断，之后，再给,VT2,门极送入负脉冲使,VT2,关断。,谢谢观看！,祝同学们学习愉快！,本章电子教案制作：申凤琴,