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1、船舶电力推进技术,第三讲 船舶交流电力推进系统及其变频器,3.1交流电力推进系统概述,K变频器；KZ控制装置Y原动机；G交流发电机；M交流电动机,交流电力推进系统方框图,3.1交流电力推进系统概述,交流电力推进系统优点,（1）交流电机的极限容量大。（2）降低了电机的总损耗，提高了效率。（3）可以采用较高的电压。（4）交流电机的结构比直流电机简单，维护方便。,3.1交流电力推进系统概述,交流电力推进系统主要设备的参数,（1）推进电动机功率（2）电站机组数量及负荷率（3）电压等级（4）变频器型式（5）螺旋桨型式,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,电力二极管20世纪50年代初期就获得应用，当时也
2、被称为半导体整流器。虽是不可控器件，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在仍然大量应用于许多电气设备当中，特别是快恢复二极管和肖特基二极管，仍分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合具有不可替代的地位。,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,电力二极管的工作原理,电力二极管的外形、结构和电气图形符号,电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都是以半导体PN结为基础的。,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,电力二极管的基本特性,电力二极管的伏安特性,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,电力二极管的主要参数,（1）正向平均电流IF(AV)（2）正向压降UF（3）
3、反向重复峰值电压URRM（4）最高工作结温TJM（5）浪涌电流IFSM,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,电力二极管的主要类型,（1）普通二极管（2）快恢复二极管（3）肖特基二极管,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,晶闸管晶闸管是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SCR），以前被简称为可控硅。,晶闸管的外形、结构、电气图形符号,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,晶闸管的结构与工作原理,晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,晶闸管的基本特性,晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG,（1）当晶闸管承受反
4、向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。（2）当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通。（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。（4）若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,晶闸管的主要参数,（1）电压定额1）断态重复峰值电压UDRM2）反向重复峰值电压URRM3）通态（峰值）电压UTM（2）电流定额1）通态平均电流场IT(AV)2）维持电流IH 3）擎住电流IL4）浪涌电流ITSM,3.2推进变频器用大功率电
5、力电子器件,门极可关断晶闸管（GTO）门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off ThyristorGTO)是晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。GTO的许多性能虽然与绝缘栅双极晶体管、电力场效应晶体管相比要差，但其电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,GTO的结构和工作原理,GTO的内部结构和电气图形符号,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,GTO的主要参数,（1）最大可关断阳极电流IATO（2）电流关断增益off,其他参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同,
6、3.2推进变频器用大功率电力电子器件,绝缘栅双极晶体管(IGBT)绝缘栅双极晶体管(IGBT)综合了GTR和MOSFET的优点，具有良好的特性。因此，自其1986年开始投入市场，就迅速扩展了其应用领域，成为中小功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,IGBT的结构和工作原理,IGBT的结构、等效电路及电气符号,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,IGBT的基本特性,IGBT的转移特性和输出特性,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,（1）IGBT开关速度高，开关损耗小。（2）在相同电压和电流定额的情况下，IG
7、BT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。（3）IGBT的通态压降比MOSFET低，特别是在电流较大的区域。（4）IGBT的输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。（5）与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,集成门极换向晶闸管(IGCT)集成门极换向晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT)是从GTO发展出来的新型器件。由于IGCT具有无需吸收电路和低开关损耗的特点，使它已成为中压传动的首选器件之一。核心技术包括：硅片的
8、重大改进、门极驱动电路和器件的封装形式。可分为非对称型、反向导通型和对称型三种。,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,IGCT及其电气符号,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,IGCT典型应用,IGCT开通时的di/dt吸收电路图,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,注入增强栅晶体管（IEGT）IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)是一种注入增强栅晶体管，它是电压驱动型带MOS栅极，能控制大电流的电力电子器件。具有低饱和压降，宽安全工作区低栅极驱动功率和较高的工作频率。,IEGT的电气符号图,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,IEGT的基本结
9、构与工作原理,IEGT的开通机理,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,IEGT的基本特性,IEGT的开通机理的开关特性,3.2推进变频器用大功率电力电子器件,IEGT的最大额定值与主要技术参数,3.3交直交变频器分类,交直交电流型变频器,由晶闸管整流，并由电感滤波形成直流电流环节，也称为负载换向逆变器或同步器。,交直交电流型变频器,3.3交直交变频器分类,交直交电流型变频器,主要有整流器和逆变器两大部分。整流器结构较为固定，一般采用不可控二极管，依据电网要求整流器可设计成6脉波、12脉波或24脉波等。逆变器的结构灵活多样，主要有H桥型、两电平型、多电平型等,12脉波整流器,3.4H桥型逆变器
10、,单相半桥逆变电路,单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,3.4H桥型逆变器,单相H桥逆变器,单相全桥电压型逆变电路,单相全桥逆变电路的移相调压方式,3.4H桥型逆变器,多相H桥逆变器,三相H桥逆变器,3.4H桥型逆变器,15相H桥逆变器,3.4H桥型逆变器,三电平H桥逆变单元,3.5两电平逆变器,三相两电平逆变电路,三相桥式逆变电路,3.5两电平逆变器,多相两电平逆变电路,逆变器并联结构,3.5两电平逆变器,三Y 9相推进系统,3.6多电平逆变器,多电平逆变器是20世纪80年代初提出的一种逆变器结构，采用这种结构可以在提高逆变器输出电压的同时降低输出电压的谐波，因此在高压、大功率传动领域得到了
11、广泛应用。多电平逆变器有多种结构形式，如二极管中点钳位式、飞跨电容式和级联式多电平逆变器。,3.6多电平逆变器,多电平逆变器是20世纪80年代初提出的一种逆变器结构，采用这种结构可以在提高逆变器输出电压的同时降低输出电压的谐波，因此在高压、大功率传动领域得到了广泛应用。多电平逆变器有多种结构形式，如二极管中点钳位式、飞跨电容式和级联式多电平逆变器。,3.6多电平逆变器,三相二极管中点钳位式三电平逆变器,3.6多电平逆变器,三相飞跨电容式三电平逆变器,3.6多电平逆变器,级联式多电平逆变器,3.6多电平逆变器,中点钳位三相三电平逆变器,Sa=0,Sa=l,Sa=2,3.6多电平逆变器,A相输出端
12、A对电源中点O的电压,Sa=0，1，2时：vAO=-VD/2，0，+VD/2,3.6多电平逆变器,中点钳位三电平逆变器电压空间矢量,矢量图,开关状态对应的效电路,3.6多电平逆变器,中点钳位三电平逆变器输出电压波形图,三电平逆变器输出电压的波形质量明显要好些。对三电平逆变器采用PWM技术还可以进一步提高波形质量。三电平逆变器开关器件的额定电压值可以低一倍，或者同样额定电压值的开关器件用于三电平逆变器时直流电压可以高一倍，因而输出功率也可大一倍。多电平逆变器尤其适合大功率、高电压场合。,3.7交交变频器,交交变频器也称为周波变频器(Cycloconvertor)，它是把电网频率的交流电直接变换成
13、可调频率交流电的逆变电路。因为没有中间直流环节，因此属于直接变频电路。交交变频器的主开关器件一般采用晶闸管，广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实际使用的主要是三相输出交交变频器。但单相交交变频器是三相交交变频器的基础。,3.7交交变频器,单相交交变频电路电路构成和基本工作原理,单相交-交变频器的电路结构,单相交交变频电路输出电压波形,3.7交交变频器,整流与逆变工作状态,交-交变频器的理想等效电路,理想交交变频器的工作状态,3.7交交变频器,输出正弦波电压的调制方法余弦交点法,（1）理论基础,不同时 和ot的关系曲线,3.7交交变频器,1）输出上限频率2）输出电压谐波3）输入电流谐波4）输入功率因数,交交变频器的输入位移功率因数,（2）输入输出特性,3.7交交变频器,三相交交变频电路电路连接方式,（1）公共交流母线进线方式,（2）输出星形联结方式,3.7交交变频器,输入输出特性,交交变频电路的输入电流波形,3.7交交变频器,三相电路总的有功功率为各相有功功率之和，但视在功率却不能简单相加，而应该由总输入电流有效值和输入电压有效值来计算，比三相各自的视在功率之和要小。因此，三相交交变频电路总输入功率因数要高于单相交交变频电路。,
