归纳总结电力电子技术

1 / 42 归纳总结电力电子技术 单相半波可控整流 带电阻负载的工作情况： a u 1i R d b c d e 2 / 42 电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。 触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度 ,用 a 表示 ,也称触发角或控制角。 导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用 表示 。 直流输出电压平均值： 1Ud? 2? ? ? 2U21?cos? 2U2sin?td(?t)?(1?cos?)? 2?2 3 / 42 (3-1) VT的 a 移相范围为 180? 通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式简称相控方式。 带阻感负载的工作情况： b c d e f 阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。 续流二极管 4 / 42 数量关 系： IdVT ?Id 2? 12? IVT?IdVDR ? ?Id(?t)?2?Id ? 2d 5 / 42 ?Id 2? 12? IVDR? ? 2? ? Id(?t)?Id 2? 2 d 6 / 42 a b c d e i f g V 单相半波可控整流电路的特点： 1 VT的 a 移相范围为 180?。 2.简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，7 / 42 造成变压器铁芯直流磁化。 3.实际上很少应用此种电路。 4.分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。 单相桥式全控整流电路 带电阻负载的工作情况 : b u c d V 图 3-5 单相全控桥式 带电阻负载时的电路及波形 数量关系： 8 / 42 1?22U21?cos?1?cos?Ud?2U2sin?td(?t)? ?22 a 角的移相范围为 180?。向负载输出的平均电流值为： Ud22U21?cos?U21?cos?Id? R?R2R2 流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即： (3-11) IdVT 1U21?cos?Id? 流过晶闸管的电流有效值： 9 / 42 IVT 1? 2? ? 1 ? ( 2U2U1? sin?t)2d(?t)?2sin2?R?2R2? 变压器二次测电流有效值 I2与输出直流电流 I有效值相等： 2U2U22 10 / 42 ? 1? I?I2?(Rsin?t)d(?t)?R 2?sin2?IVT ?1 2I 不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量 S=U2I2。 2）带阻感负载的工作情况 : i V i VTu V 11 / 42 b) 电力电子技术 期末复习题 第 1 章 绪 论 1 电力电子技术定义：是使用电力 电子器件对电能进行变换和控制的技术，是应用于电力领域的电子技术，主要用于电力变换。 2 电力变换的种类 交流变直流 AC-DC：整流 直流变交流 DC-AC：逆变 直流变直流 DC-DC：一般通过直流斩波电路实现 交流变交流 AC-AC：一般称作交流电力控制 3 电力电子技术分类：分为电力电子器件制造技术和变流技12 / 42 术。 第 2 章 电力电子器件 1 电力电子器件与主电路的关系 主电路：指能够直接承担电能变换或控制任务的电路。 电力电子器件：指应用于主电路中，能够实现电能变换或控制的电子器件。 2 电力电子器件一般都工作于开关状态，以减小本身损耗。 3 电力电子系统基本组成与工作原理 一般由主电路、控制电路、检测电路、驱动电路、保护电路等组成。 检测主电路中的信号并 送入控制电路，根据这些信号并按照系统工作要求形成电力电子器件的工作信号。 控制信号通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导13 / 42 通或关断。 同时，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证系统正常可靠运行。 4 电力电子器件的分类 根据控制信号所控制的程度分类 半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。如 SCR晶闸管。 全控型器件：通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件。如 GTO、 GTR、 MOSFET和 IGBT。 不可控器件：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。如电力二极管。 根据驱动信号的性质分类 电流型器件：通过从控制端注入或抽出电流的方式来实现导通或关断的电力电子器件。如 SCR、 GTO、 GTR。 14 / 42 电压型器件：通过在控制端和公共端之间施加一定电压信号的方式来实现导通或关断的电力电子器件。如 MOSFET、 IGBT。 根据器件内部 载流子参与导电的情况分类 单极型器件：内部由一种载流子参与导电的器件。如 MOSFET。 双极型器件：由电子和空穴两种载流子参数导电的器件。如SCR、 GTO、 GTR。 复合 型器件：有单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。如 IGBT。 5 半控型器件 晶闸管 SCR 晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的双晶体管模型 将器件 N1、 P2半导体取倾斜截面，则晶闸管变成 V1-PNP 和V2-NPN 两个晶体管。 15 / 42 晶闸管的导通工作 原理 当 AK 间加正向电压 EA，晶闸管不能导通，主要是中间存在反向 PN结。 当 GK 间加正向电压 EG， NPN 晶体管基极存在驱动电流 IG，NPN晶体管导通，产生集电极电流 Ic2。 集电极电流 Ic2 构成 PNP 的基极驱动电流， PNP 导通，进一步放大产生 PNP集电极电流 Ic1。 Ic1与 IG构成 NPN 的驱动电流，继续上述过程，形成强烈的负反馈，这样 NPN 和 PNP两个晶体管完全饱和，晶闸管导通。 晶闸管是半控型器件的原因 晶闸管导通后撤掉外部门极电流 IG，但是 NPN基极仍然存在电流，由 PNP集电极电流 Ic1供给，电流已经形成强烈正反馈，因此晶闸管继续维持导通。 因此，晶闸管的门极电流只能触发控制其导通而不能控制其16 / 42 关断。 晶闸管 的关断工作原理 满足下面条件，晶闸管才能关断： 去掉 AK间正向电压； AK间加反向电压； 设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下。 晶闸管正常工作时的静态特性 当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 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。 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。 17 / 42 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。 GTO的结构 GTO与普通晶闸管的相同点：是 PNPN 四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。 GTO 与普通晶闸管的不同点： GTO 是一种多元的功率集成器件，其内部包含数十个甚至数百 个供阳极的小 GTO 元，这些GTO 元的阴极和门极在器件内部并联在一起，正是这种特殊结构才能实现门极关断作用。 GTO的静态特性 当 GTO承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 当 GTO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。 18 / 42 GTO 导通后，若门极施加反向驱动电流，则 GTO 关断，也即可以通过门极电流控制 GTO导通和关断。 通过 AK间施加反向电压同样可以保证 GTO 关断。 电力场效应晶体管 MOSFET 电力 MOSFET 是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它是电压型器件。 当 UGS 大于某一电压值 UT 时，栅极下 P 区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使 P型半导体反型成 N型半导体，形成反型层。 绝缘栅双极晶体管 IGBT GTR 和 GTO 是双极型电流驱动器件，其优点是通流能力强，耐压及耐电流等级高，但不足是开关速度低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 电力 MOSFET 是单极型电压驱动器件，其优点是开关速度快、所需驱动功率小，驱动电路简单。 19 / 42 复合型器件：将上述两者器件相互取长补短结合而成，综合两者优点。 绝缘栅双极晶体管 IGBT是一种复合 型器件，由 GTR和 MOSFET两个器件复合而成，具有 GTR 和 MOSFET 两者的优点，具有良好的特性。 IGBT的结构和工作原理 IGBT是三端器件，具有栅极 G、集电极 C 和发射极 E。 IGBT由 MOSFET和 GTR组合而成。 第 3 章 整流电路 整流电路定义：将交流电能变成直流电能供给直流用电设备的变流装置。 单相半波可控整流电路 触发角 ?： 20 / 42 从晶闸管开始承受正向阳极电压起，到施加触发脉冲为止的电角度，称为触发角或控制角。 几个定义 “ 半波 ” 整流：改变触发时刻， ud和 id波形随之改变，直流输出电压 ud 为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在 u2正半周内出现，因此称 “ 半波 ” 整流。 单相半波可控整流电路：如上半波整流，同时电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，因此为单相半波可控整流电路。 电力电子电路的基本特点及分析方法 电力电子器件为非线性特性，因此电力电子电路是非线性电路。 电力电子器件通常工作于通态或断态状态，当忽略器件的开通过程和关断过程时，可以将器件理想化，看作理想开关，即通态时认为开关闭合，其阻抗为零；断态时认为开关断开 ，21 / 42 其阻抗为无穷大。 单相桥式全控整流电路 带电阻负载的工作情况 单相桥式全控整流电路带电阻负载时的原理图 由 4个晶闸管组成单相桥式全控整流电路。 VT1 和 VT4组成一对桥臂， VT2 和 VT3组成一对桥臂。 单相桥式全控整流电路带电阻负载时的波形图 0? ： ? VT1 VT4 未触发导通，呈现断态，则 ud?0、 id?0、i2?0。 ? uVT1?uVT4?u2， uVT1?uVT4?1u2。 2 ? ： ? 在 ?角度时，给 VT1 和 VT4加触发脉冲，此时 a点22 / 42 电压高于 b点， VT1 和 VT4承受正向电压，因此可靠导通， uVT1?uVT4?0。 ? 电流从 a 点经 VT1 、 R、 VT4 流回 b 点。 ? ud?u2， i2?id，形状与电压相同。 ?(?) ： ? 电源 u2过零点， VT1 和 VT4承受反向电压而关断，uVT1?uVT4?1。 u22? 同时， VT2 和 VT3 未触发导通，因此ud?0、 id?0、 i2?0。 (?)2? ： ? 在 (?)角度时，给 VT2 和 VT3加触发脉冲，此时b 点电压高于 a点， VT2 和 VT3承受正向电压，因此可靠导 通， uVT2?uVT3?0。 ? ? 23 / 42 ? VT1 阳极为 a点，阴极为 b 点； VT4 阳极为 a点，阴极为 b 点；因此 uVT1?uVT4?u2。 电流从 b 点经 VT3 、 R、VT2流回 b 点。 ud?u2， i2?id。 全波整流 在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，因此该电路为全波整流。 直流输出电压平均值 1?22U21?cos?1?cos? ?22? 负载直流电流平均值 Id?Ud?2U2sin?td(?t)?Ud22U21?cos?U1?cos? R?R2R2 晶闸管参数计算 24 / 42 承受最大正向电压： 1(2U2) 2 承受最大反向电压： 2U2 触发角的移相范围： ?0 时， Ud?； ?180o时， Ud?0。因此移相范围为 180o。 晶闸管电流平均值： VT1 、 VT4 与VT2 、 VT3 轮流导电，因此晶闸管电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即 IdVT?U1?cos?1。 Id? 2R2 带阻感负载的工作情况 单相桥式全控整流电路带阻感负载时的原理图 单相桥式全控整流电路带阻感负载时的波形图 ? 25 / 42 ? 分析时，假设电路已经工作于稳态下。 假设负载电感很大，负载电流不能突变，使负载电流 id 连续且波形近似为一水平线。 ? ： ? 在 ?角度时，给 VT1 和 VT4加触发脉冲，此时 a点电压高于 b点， VT1 和 VT4承受正向电压，因此可靠导通， uVT1?uVT4?0。 ? ? ? 电流从 a 点经 VT1 、 L、 R、 VT4 流回 b点， ud?u2。 id为一水平线， iVT1,4?id?i2。 VT2 和 VT3为断态， iVT2,3?0 电力电子技术课程总结 截止到第十七周，意义非比寻常的电力电子技术课程就要结束了，本人对这门课程开始就是心怀重视态度对待它，奈何一看教学模式竟然是考查，然后又见到旁边那 么多的同学都是采取消极的态度，所以本人的态度也是一落千丈，至此就26 / 42 是心情好时就听老师讲，心情不好抑或是有其他比较有趣的事情的时候就干自己的事情去了，虽然偶尔也会忌惮于老师的发威而艰难的将眼睛往黑板上挪，但心中始终想的是自己的事情，好了，废话不扯了，还是说正事吧，以下就是我本人对电力电子的一些想法和理解以及从网上了解的相关应用，当然这些仅仅只是从我听了课的那几次课来介绍，其他没有介绍的请见谅 (原因就不多说了哈 )。 首先解释一下，什么是电力电子技术。书本上如是说：电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。我理解是，就是强电模块的电力和弱电模块的电子相结合从而形成的一门新兴技术，主要是由电力学，电子学以及控制理论三个学科相互交叉相互补充而成的，已经成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课程。 然后就是介绍一些相关的但是比较重要的电力电子器件。首先是种类： 不可控器件 半控型器件 (SCR) 开通条件、关断条件 27 / 42 全控型器件 (GTO、 GTR、 MOSFET、 IGBT) 其中器件的典型代表就是晶闸管，谈到晶闸管必须讨论一下这原件的两个主要功能：整流和续流。我只介绍关于整流方面的相关类容。经过 VT 我的听课，整流电路是电路中保证稳定的一个必要因素，也是不可缺少的因素，由于可控元件的不同导致导通角和关断角都会不一样，至于工作原理，波形以及管压降就请自行查阅相关书本。整流电路中存在几种特殊的状态依次是：逆变；整流以及无环流。整流电路又可以分为几种类型分别是：单相半波整流电路、单相桥式全控整流电路、单相全波可控整流电路、单相桥式半控整流、电路三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路 ，其中整流电路的负载又有以下三种：电阻、 阻感、反电势。下面仅仅附上最简单的单相半波可控整流电路的电路原理图，其他相关波形请查阅书本。 T 单相半波可控整流电路如右 U1 图所示： idUd 28 / 42 U2 UVT UVTR 除了整流电路之外，比较重要的电力电子概念就是斩波电路，斩波，顾名思义就是将波形斩断，做到输出可调，其中的直流斩波电路又有升压和降压两种。牵涉到的相关参数有平均电压、电流的计算、占空比 a 等等。本课程中对于复合/多重多相斩波电路不作要求。整流电路和斩波电路之外还有逆变电路。所谓逆变电路就是将直流转变为交流的相关电路，同时要区别无源逆变电路和有源逆变电路的异同点，逆变电路的基本工作原理、 主要用途、换流方式具体细节参照书本，逆变电路中可以分为电压型逆变电路、电流型逆变电路。具体电路图由于篇幅限制不在此介绍。当然对于某个电路我们要能够区别这是整流电路还是逆变电路，关键就是看电流是有直流变为交流还是由交流变为直流，前者我们称为逆变，后者称为整流。 谈完这些，最后不能落下的就是 PWM控制技术，由于本人对这个不是很了解，一下只是简单介绍一下相关事情， PWM 控制的基本原理是面积等效原理，而 SPWM 波形 脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形。 PWM 控制方法有计算法、调制法 和跟踪法等三种方法。当然我们也必须知道单极性和双极性 PWM 调制有什么区别以及了解特定谐29 / 42 波消去法的原理。 以上只是按照书本上的大概内容讲述了一下我所了解到的知识点，下面我将主要从电力电子技术在各个领域尤其是电力系统领域的应用，当然，限于本人的 水平，我只能粗浅的谈谈大致的应用，详细的以及相关原理应用请读者自行查询相关书籍。 异步电机变频调速系统、混合动力汽车、不间断电源、电池充电器、感应加热炉、变速恒频风力发电等相关设备都是应用了有关的电力电子技术，而电力电子在电力系统中 的应用则是可以细分很多方面，简单的说光伏发电接口超导储能、有源电力滤波器、静止无功补偿、静止无功发生器、高压直流输电、灵活交流输电系统，由于本人在本学期同时选修了电力系统经济技术讲座，在这课程当中，老师着重介绍的柔性发电技术同样是电力电子技术的重要应用方面。比如说高压直流输电、静止无功补偿、静止无功发生器、有源电力滤波器、晶闸管控制串联电容装置、次同步振荡阻尼器、晶闸管控制相角调节器、静止调相机、晶闸管控制动态制动器、统一潮流控制器。 30 / 42 由于技术讲座这门课程同样是选修课程，我们只是对其有了一个大概的了解而已，读者若想深入研究，请参考相关资料。 自考模拟数字及电力电子技术知识点总结归纳 差动放大电路 一、克服零点漂移现象最常用的方法是采用差动放大电路 二、长尾式差动放大电路 1、电路组成 Rb1?Rb2?Rb;Rc1?Rc2?Rc ?1?2?;rbe1?rbe2?rbe 静态分析 IBQRB?UBEQ?2?1?IBQRE?UEE?IBQ? UEE?UBEQRB?21?RE 31 / 42 UEE2RE ?UEE2?RE ICQ?IBQ? UCEQ?UCC?ICQRC?UBEQ 动态分析 差模放大倍数 uu?u ?Ad= 0 ? o 1 o 2 输入电阻： Rid=2(RB +rbe) u id u i1 ? u i2 输出电阻： Rod=2RC ? 1 ?(R/RL)c AD2uo1K? ?CMR 共模抑制比 AC2ui1RB?rbe 2、双端输入单端输出电路 32 / 42 输入电阻： Rid=2(RB +rbe) 1?(R/RL) A d = ? C 输出电阻： Rod=RC 2 RB?rbe 功率放大电路 一、乙类双电源互补对称功率放大电路 二、甲乙类双电源互补对称功率放大电路 为减少交越失真，在两管的发射结提供一个微小的偏置电压，使管子在静态时处于临界导通或微导通状态，当加正弦电压时，可以即刻导通，则三极管的导通角度略大于半个周期，称为甲乙类放大，电路称为甲乙类互补对称功率放大电路 三、分析计算 33 / 42 1. 最大不失真输出功率 Pomax 忽略 VCES时 2VCC?VCES2VCC() Pomax? 22RLPomax= RL (VCC?VCES)2 ? 2RL 2、电源供给的功率 PV 2VCCVom PV=Po?PT? RL 34 / 42 例：已知 VCC 16V， RL 4 ， T1 和 T2 管的饱和管压降UCES 2V，输入电压足够大。试问：最大输出功率 Pom和效率 各为多少？ 解：最大输出功率和效率分别为 Pom? (VCC?CES)2 2RL ? Vom?VCC 时， PVm 2V ?CC RL 2 ?= 35 / 42 PoVom ?PV4VCC ? VCC?CES ?%4VCC 放大电路中的反馈 一、反馈的类型 正反馈 反馈使净输入电量增加，从而使输出量增大，即反馈信号增强了输入信号。 负反馈 反馈使净输入电量减小，从而使输出量减小，即反馈信号削弱了输入信号。 判别方法：瞬时极性法 步骤：假设输入信号某一时刻对地电压的瞬时极性；沿着信号正向传输的路经，依次推出电路中相关点的瞬时极性；根据输出信号极性判断反馈信号的极36 / 42 性；判断出正负反馈的性质。 2.直流反馈和交流反馈 直流反馈 反馈回的信号为直流量的反馈。 交流反馈 反馈回的信号为交流量的反馈。 交、直流反馈 反馈回的信号既有直流量又有交流量的反馈。 例题 1.分析下图电路是否存在反馈，是正反馈还是负反馈？直反馈还是交流反馈？ 解： RE 介于输入输出回路，故存在反馈。根据瞬时极性法，反馈使 uid 减小，为负反馈。因为经过反馈元件 RE 的反馈号既有直流量，也有交流量，故该反馈同时存 在直流反馈和交流反馈。 二、负 反馈放大电路的基本类型 电压反馈和电流反馈 37 / 42 电压反馈 反馈信号取样于输出电压。 判别方法：将输出负载 RL 短路 (或 uo = 0 )，若反馈消失则为电压反馈。 电流反馈 反馈信号取样于输出电流。 判别方法：将输出负载 RL 短路 (或 uo = 0 )，若反馈信号仍然存在则为电流反馈。 串联反馈和并联反馈 串联反馈 在输入端，反馈 信号与输入信号以电压相加减的形式出现。 uid ? ui - uf 并联反馈 在输入端，反馈信号与输入信号以电流相加减的形式出现。 iid ? ii - if 对于运算放大器来说，反馈信号与输入信号同时加在同相输入端或反相输入端，则为并联反馈；一个加在同相输入端，另一个加在反相输入端则为串联反馈。 例题 2.分析如图所示的反馈放大电路。 分析：电阻 Rf 跨接在输入回路与输出回路之间，输出电压 uo 经 Rf 与 R1 分压反馈到输入回路，故电路有反馈；根据瞬时极性法，反馈使 净输入电压 uid 减小，为负反馈；38 / 42 RL = 0，无反馈，故为电压反馈； uf = uoR1/(R1 + Rf) 也说明是电压反馈； uid = ui- uf ，故为串联反馈；所以， 此电路为电压串联负反馈。 例题 3.分析如下图所示的反馈放大电路。 分析： Rf 为输入回路和输出回路的公共电阻，故有反馈。反馈使净输入电压 uid 减小，为负反馈； RL = 0，反馈存在，故为电流反馈； uf = ioRf ，也说明是电流反馈； uid = ui uf 故为串联反馈；所以此电路为电流串联负反馈。 例题 4.分析如下图所示的反馈放大电路。 分析： Rf 为输入回路和输出回路的公共电阻，故电路存在反馈； RL = 0，无反馈，故为电压反馈；根据瞬时极性法判断，反馈使净输入电流 iid 减小，为负反馈； iid = ii - 39 / 42 if ，故为并联反馈；所以此 电路为电压并联负反馈。 例题 5.分析如下图所示的反馈放大电路。 分析： Rf 为输入回路和输出回路的公共电阻，故电路存在反馈；令 RL = 0，反馈仍然存在，故 为电流反馈；根据瞬时极性 法判断，反馈使净输入电流 iid 减小，为负反馈；iid = ii - if ，故为并联反馈；所以此电路为电流并联负反馈。 三、负反馈对放大电路性能的影响 1、提高增益的稳定性 2、减小失真和扩展通频带 3、改变放大电路的输入和输出电阻 串联负反馈使输入电阻增大，并联负反馈使输入电阻减小。 电压负反馈 F 与 A 并联，使输出电阻减小，电流负反馈 F 与 A 串联，使输出电阻增大。 四、负反馈放大电路应用中的几个问题 欲稳定电路中某个量，则采用该量的负反馈 稳定直流，引直流反馈；稳定交流，引交流反馈；稳定输出电压，引电压反馈；稳定输出电流，引电流反馈。 40 / 42 根据对输入、输出电阻的要求选择反馈类型 欲提高输入电阻，采用串联反馈；欲降低输入电阻，采用并联反馈；要求高内阻输出，采用电流反馈；要求低内阻输出，采用电压反馈。