电力电子技术课程学习指导资料.doc

本文由zuklwz贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第一章 电力电子器件的原理与特性 1、本章学习要求 、 1.1 电力电子器件概述，要求达到“熟悉”层次。 1）电力电子器件的发展概况及其发展趋势。 2）电力电子器件的分类及其各自的特点。 1.2 功率二极管，要求达到“熟悉”层次。 1）功率二极管的工作原理、基本特性、主要参数和主要类型。 2）功率二极管额定电流的定义。 1.3 晶闸管，要求达到“掌握”层次。 1）晶闸管的结构、工作原理及伏安特性。 2）晶闸管主要参数的定义及其含义。 3）电流波形系数 kf 的定义及计算方法。 4）晶闸管导通和关断条件 5）能够根据要求选用晶闸管。 1.4 门极可关断晶闸管（GTO） ，要求达到“熟悉”层次。 1）GTO 的工作原理、特点及主要参数。 1.5 功率场效应管，要求达到“熟悉”层次。 1）功率场效应管的特点，基本特性及安全工作区。 1.6 绝缘栅双极型晶体管（IGBT） ，要求达到“熟悉”层次。 1）IGBT 的工作原理、特点、擎住效应及安全工作区。 1.7 新型电力电子器件简介，要求达到“熟悉”层次。 2、本章重点难点分析 、 有关晶闸管电流计算的问题： 有关晶闸管电流计算的问题： 晶闸管是整流电路中用得比较多的一种电力电子器件， 在进行有关晶闸管的电流计算时， 针对实际流过晶闸管的不同电流波形，应根据电流有效值相等的原则选择计算公式，即允许 流过晶闸管的实际电流有效值应等于额定电流 IT 对应的电流有效值。 利用公式 I = kfId = 1.57IT 进行晶闸管电流计算时，一般可解决两个方面的问题：一是已 知晶闸管的实际工作条件（包括流过的电流波形、幅值等） ，确定所要选用的晶闸管额定电流 值；二是已知晶闸管的额定电流，根据实际工作情况，计算晶闸管的通流能力。前者属于选 1 用晶闸管的问题，后者属于校核晶闸管的问题。 1）计算与选择晶闸管的额定电流 解决这类问题的方法是：首先从题目的已知条件中，找出实际通过晶闸管的电流波形或 有关参数（如电流幅值、触发角等） ，据此算出通过晶闸管的实际电流有效值 I，考虑（1.52） 倍的安全裕量，算得额定电流为 IT = (1.52) I /1.57，再根据 IT 值选择相近电流系列的晶闸管。 2）校核或确定晶闸管的通流能力 解决这类问题的方法是：由已知晶闸管的额定电流，计算出该管子允许通过的电流有效 值。 根据实际电流波形求出电流波形系数， 算得晶闸管允许的实际电流平均值为 Id = 1.57IT / kf （未考虑安全裕量时） 。 3、本章典型例题分析 、 例 1.1 晶闸管导通和关断的条件是什么？ 解：晶闸管导通条件是：1）晶闸管阳极和阴极之间施加正向阳极电压；2）晶闸管门极 和阴极之间必须加上适当的正向脉冲电压和电流。 在晶闸管导通后，门极就失去控制作用，欲使其关断，只需将流过晶闸管的电流减小到 其维持电流以下，可采用阳极加反向电压、减小阳极电压或增大回路阻抗等方式。 例 1.2 单相正弦交流电源，其电压有效值为 220V，晶闸管和电阻串联相接，试计算晶闸 管实际承受的正、 反向电压最大值是多少？考虑 2 倍安全裕量， 晶闸管的额定电压如何选取？ 解： 晶闸管所承受的正、 反向电压最大值为输入正弦交流电源电压的峰值： 220 2 = 311V； 考虑 2 倍安全裕量，则晶闸管额定电压不低于 2311=622V，可取为 700V。 4、本章作业 、 1.1有些晶闸管触发导通后，触发脉冲结束时它又关断是什么原因？ 1.2晶闸管导通后，流过晶闸管的电流大小取决于什么？晶闸管关断后，其承受的电压大小 取决于什么？ 1.3什么信号可用做晶闸管的门极触发信号？ 1.4教材 P43：1.3，1.4，1.5，1.6 第二章 相控整流电路 1、本章学习要求 、 2.1 整流电路的概念，要求达到“熟悉”层次。 2.1.1 整流电路的概念、电路组成、分类等知识。 2 2.2 单相可控整流电路，要求达到“掌握”层次。 2.2.1 单相半波可控整流电路，要求达到“掌握”层次。 1）单相半波可控整流电路的组成及工作原理。 2）计算带电阻性负载的单相半波可控整流电路的相关参数。 2.2.2 单相桥式全控整流电路，要求达到“熟练掌握”层次。 1）单相桥式全控整流电路的组成及工作原理。 2）带电感性负载时的工作波形。 3）带反电动势负载时的工作波形。 4）带反电动势负载时串接平波电抗器的作用。 5）计算带不同性质负载时，单相桥式全控整流电路的相关参数。 6）带大电感负载时电路的输出电压、输出电流和晶闸管的电压、电流波形。 7）带不同性质负载时，控制角的移相范围。 8）该电路中，晶闸管可能承受的最大正、反向电压值。 9）该电路中相应晶闸管的选取。 2.2.3 单相桥式半控整流电路，要求达到“掌握”层次。 1）单相桥式半控整流电路的组成及工作原理。 2）单相桥式半控整流电路产生失控现象的原因及防止失控的措施。 3）电路中，晶闸管可能承受的最大正、反向电压值。 2.2.4 单相全波可控整流电路，要求达到“熟悉”层次。 1）单相全波可控整流电路的组成及工作原理。 2.3 三相可控整流电路，要求达到“掌握”层次。 2.3.1 三相半波可控整流电路，要求达到“熟练掌握”层次。 1）三相半波可控整流电路的组成及工作原理。 2）三相半波可控整流电路的自然换相点，掌握移相控制角的计算方法。 3）带大电感负载时的工作波形。 4）带大电感负载时电路相关参数的计算。 5）该电路中，晶闸管可能承受的最大正、反向电压值。 6）该电路中相应晶闸管的选取。 7）带不同性质负载时，控制角的移相范围。 2.3.2 三相桥式全控整流电路，要求达到“熟练掌握”层次。 3 1）三相桥式全控整流电路的组成及工作原理。 2）当负载电流连续时，各晶闸管的换流顺序、相互间隔角度及每只管子的导电角。 3）带大电感负载时电路的输出电压、输出电流和晶闸管的电压、电流波形。 4）带大电感负载时，控制角的移相范围。 5）带大电感负载时电路相关参数的计算。 2.3.3 三相桥式半控整流电路，要求达到“熟悉”层次。 1）三相桥式半控整流电路的组成及工作原理。 2）三相桥式半控整流电路的失控现象。 3）电路中，晶闸管组和二极管组的自然换相点以及各自的换相规律。 2.4 整流变压器漏抗对整流电路的影响，要求达到“掌握”层次。 1）在考虑变压器漏抗时，整流电路在换相过程中输出电压值的特点。 2）在考虑变压器漏抗时，晶闸管换相的物理过程和换相重叠角的概念。 3） 由于变压器漏抗的影响， 将产生换相压降、 造成整流输出电压波形畸变以及平均值的变化。 4）换相压降与哪些因素有关。 2.5 整流电路的有源逆变工作状态，要求达到“掌握”层次。 2.5.1 逆变的概念，要求达到“熟悉”层次。 1）逆变的概念。 2）整流和逆变的关系。 3）电源间能量的流转关系。 2.5.2 有源逆变产生的条件，要求达到“掌握”层次。 1）产生有源逆变的两个条件及其含义。 2）有源逆变时能量的流转方向。 2.5.3 三相有源逆变电路，要求达到“掌握”层次。 1）三相半波有源逆变电路的组成及工作原理。 2）三相半波有源逆变电路中相关电量的计算。 3）三相桥式有源逆变电路的组成及工作原理。 4）三相桥式有源逆变电路中相关电量的计算。 2.5.4 逆变失败的原因及最小逆变角的限制，要求达到“掌握”层次。 1）逆变角的定义。 2）逆变失败的概念。 4 3）逆变失败的原因及防止措施。 4）确定最小逆变角的三个因素及其含义。 2.5.5 有源逆变的应用，要求达到“熟悉”层次。 1）直流可逆电力拖动系统中，反并联变流电路控制直流电机的四象限工作运行状态和运行条 件。 2）高压直流输电系统的结构。 3）高压直流输电系统中，能够根据功率的流向，判断中间直流环节两侧变流器的工作状态。 2.6 整流电路的谐波和功率因数，要求达到“熟悉”层次。 1）整流电路中，功率因数的定义。 2.7 晶闸管直流电动机系统，要求达到“熟悉”层次。 1）整流状态下，电流连续和电流断续时电动机的机械特性。 2）逆变状态下，电流连续和电流断续时电动机的机械特性。 2.8 电力公害及改善措施，要求达到“熟悉”层次。 2、本章重点难点分析 、 本章的重点是：波形分析法和单相桥式可控整流电路；有源逆变产生的条件；难点是： 带不同性质负载时整流电路的工作情况；变压器漏抗对整流电路的影响。 波形分析法： 波形分析法： 整流电路的分析，通常采用波形分析法。所谓波形分析法，是指根据电源电压和控制角 以及负载性质，作出负载电压、负载电流、整流元件的电压和电流等波形图，再由波形图推 导出该电路基本电量的计算公式和数量关系。具体来说，分析方法和步骤如下： 1）绘出主电路原理图，包括标明交流电压、各整流元件序号和负载性质。 2）画出各相电压或线电压波形图，并确定整流元件的自然换相点。 3）根据控制角在相应位置上绘出触发脉冲，并标明相应序号。 4）根据可控整流电路的工作原理，绘出负载电压、负载电流、晶闸管电流以及晶闸管两 端电压的波形， 5）根据波形图推导出基本电量的计算公式。 变压器漏抗对整流电路的影响： 变压器漏抗对整流电路的影响： 通常整流电路输入端都接有整流变压器，由于整流变压器存在漏抗，在换相时，对整流 电压波形将产生影响，不仅产生换相压降，而且使相电压和线电压波形出现缺口，造成电网 电压发生畸变。 5 3、本章典型例题分析 、 例 2.1 接有续流二极管的单相半波可控整流电路，带大电感负载，R=5，变压器二次侧 电压 U2=220V。试计算当触发角分别为 30和 60时，流过晶闸管和续流二极管中电流的 平均值和有效值；问在什么情况下，流过续流二极管的电流平均值大于流过晶闸管的电流平 均值？ 解：1）当= 30时， 1 + cos 1 + cos 30 = 0.45 220 = 92.4V 2 2 U 92.4 Id = d = = 18.5 A R 5 ? 180 ? 30 I dT = Id = 18.5 = 7.7 A 流过晶闸管的电流平均值为 2 360 U d = 0.45U1 流过晶闸管的电流有效值为 IT = ? 180 ? 30 Id = 18.5 = 16.9 A 2 360 I dD = ID = 流过续流二极管的电流平均值为 + 180 + 30 Id = 18.5 = 10.8 A 2 360 + 180 + 30 Id = 18.5 = 14.1A 2 360 流过续流二极管的电流有效值为 2）当= 60时， 1 + cos 1 + cos 60 = 0.45 220 = 74.3V 2 2 U 74.3 Id = d = = 14.9 A R 5 ? 180 ? 60 流过晶闸管的电流平均值为 I dT = Id = 14.9 = 5 A 2 360 U d = 0.45U1 流过晶闸管的电流有效值为 IT = ? 180 ? 60 Id = 14.9 = 8.6 A 2 360 I dD = ID = 流过续流二极管的电流平均值为 + 180 + 60 Id = 14.9 = 9.9 A 2 360 + 180 + 60 Id = 14.9 = 12.2 A 2 360 流过续流二极管的电流有效值为 3）要使 IdDIdT，由公式知，只需满足 + ? ，即 0 2 2 例 2.2 在单相桥式全控整流电路中，如果有一只晶闸管因为过流而烧成断路，该电路的 工作情况将如何？如果这只晶闸管被烧成短路，该电路的工作情况又会如何？ 答：如果有一只晶闸管因为过流而烧成断路，则该单相桥式全控整流电路将作为单相半 6 波可控整流电路工作；如果这只晶闸管被烧成短路，则会引起其他晶闸管因对电源短路而烧 毁，严重情况下甚至可能使整流变压器因过流而损坏。因此，在设计电路时，在变压器二次 侧与晶闸管之间应串联快速熔断丝，起到过流保护的作用。 例 2.3 单相桥式半控整流电路中续流二极管的作用是什么？在何种情况下，流过续流二 极管的电流平均值大于流过晶闸管的电流平均值？ 答：单相桥式半控整流电路中续流二极管的作用是：为感性负载中电感储存的能量提供 一条专门的释放回路， 以避免发生一只晶闸管持续导通而两只二极管轮流导通的 “失控现象” 。 由公式知，流过续流二极管的电流平均值 I dD = I ， d ? 流过晶闸管的电流平均值 I dT = Id 2 ? ，即 要使 IdDIdT，则只需满足 2 3 0 例 2.4 单相全控桥式整流电路，带阻感负载，R = 1，L 值很大，即满足LR，U2 = 100V，当= 60 时，求： 1）作出输出电压 ud、输出电流 id、变压器二次侧电流 i2 的波形； 2）求整流输出平均电压 Ud、电流 Id 和二次侧电流有效值 I2； 3）考虑两倍的安全裕量，选择晶闸管的额定电压和额定电流值。 解：1)波形略 2）Ud = 0.9U2Cos= 0.9100Cos60= 45V Id = Ud / R = 45 / 1 = 45A I2 = Id = 45A 3）晶闸管可能承受的最大电压为 UTM= 2U 2 =141V，考虑 2 倍安全裕量,其值为 282V，选额定电压为 300V 的晶闸管 流过晶闸管的电流有效值为 IT = 1 Id = 31.82A 2 考虑 2 倍安全裕量时晶闸管的平均电流为 ITAV = 2IT / 1.57 = 40.54A，选额定电流为 50A 的晶闸管 4、本章作业 、 2.1单相桥式全控整流电路，带大电感负载，U2=220V，R=2，求晶闸管的额定电流和额 定电压。 2.2单相半波可控整流电路中，如晶闸管：1）不加触发脉冲；2）内部短路；3）内部断路， 7 试分析晶闸管两端与负载电压波形。 2.3某单相可控整流电路，分别给阻性负载和蓄电池反电动势负载供电，在流过负载电流平 均值相同的条件下，哪一种负载下晶闸管的额定电流应选大一些？为什么？ 2.4某单相桥式全控整流电路，带大电感负载，变压器二次侧电压 U2=220V，R=2，触发 角= 30时，求：1）画出输出电压 ud、输出电流 id 和变压器二次侧电流 i2 波形；2）计算 整流电路输出平均电压 Ud、平均电流 Id 及变压器二次电流有效值 I2；3）考虑 2 倍安全裕量， 选择晶闸管的额定电压、额定电流值。 2.5教材 P121123 的习题。 第三章 直流斩波器 1、本章学习要求 、 3.1 直流斩波器的工作原理及控制方式，要求达到“掌握”层次。 3.2 直流斩波器基本电路，要求达到“掌握”层次。 3.2.1 降压斩波器，要求达到“掌握”层次。 1）降压斩波器的电路组成及其工作原理。 2）降压斩波器输出电压平均值的表达式。 3.2.2 升压斩波器，要求达到“熟悉”层次。 1）升压斩波器的电路组成及其工作原理。 2）升压斩波器输出电压平均值的表达式。 交流调压电路和相控交-交变频电路 第四章 交流调压电路和相控交 交变频电路 1、本章学习要求 、 4.1 单相交流调压电路，要求达到“熟悉”层次。 1）交流调压电路的概念。 2）单相交流调压电路的电路结构及工作原理。 3）单相交流调压电路带阻感负载时的相关电量的计算。 第五章 无源逆变电路 1、本章学习要求 、 5.1 无源逆变电路的原理，要求达到“熟悉”层次。 1）逆变的概念。 2）有源逆变和无源逆变的区别。 8 3）逆变电路的分类及其各自的特点。 5.2 单相电压型逆变电路，要求达到“掌握”层次。 1）单相半桥逆变电路的电路组成及工作原理。 2）单相桥式逆变电路的电路组成及工作原理。 3）与开关管反并联的续流二极管的作用。 5.3 脉冲宽度调制（PWM） ，要求达到“熟悉”层次。 1）正弦脉宽调制（SPWM）的基本原理。 2）PWM 的单极性调制和双极性调制方式。 3）载波信号、调制信号、载波比和调制比的概念及含义。 2、本章作业 、 5.1无源逆变与有源逆变有什么不同？ 5.2什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？从电路组成和工作波形上看，这二者 各有什么特点？ 5.3电压型逆变电路中，与开关管反并联的二极管的作用是什么？ 电力电子器件的门（ 第六章 电力电子器件的门（栅）极控制电路 1、本章学习要求 、 6.1 晶闸管门极触发电路，要求达到“熟悉”层次。 1）晶闸管对触发电路的基本要求。 6.2 GTR 的基极驱动电路，要求达到“熟悉”层次。 1）GTR 对驱动电路的基本要求。 2、本章作业 、 6.1晶闸管主电路对触发电路的要求是什么？ 第七章 相控整流主电路参数的计算和设计 1、本章学习要求 、 7.1 整流变压器参数的计算，要求达到“熟悉”层次。 1）选择整流变压器二次侧相电压的原则。 7.2 整流元件的选择，要求达到“掌握”层次。 1）整流元件额定电压、额定电流的选择。 7.3 晶闸管的串联与并联，要求达到“熟悉”层次。 9 1）晶闸管在进行串、并联使用时应注意的相关问题。 7.4 电抗器参数的计算，要求达到“熟悉”层次。 1）晶闸管装置直流侧串入的平波电抗器的作用。 2、本章作业 、 7.1整流电路供电的整流变压器二次侧相电压的选择是由哪些因素决定的？若二次侧相电压 选得过高或过低，将出现什么问题? 7.2晶闸管串联或并联使用时，应采取什么样的均压或均流措施？ 注意：对于专升本（业余）学生，本课程着重要求大家掌握第一、二、六、七章的内容， 注意 其余各章的内容只要求了解基本概念和基本原理即可。 第三部分 综合练习题 极。 A。 一、填空题（本大题共 14 小空，每小空 2 分，共 28 分） 填空题（本大题共 小空， 1晶闸管是四层三端器件，三个引出电极分别为：阳极、阴极和 2一只额定电流为 100A 的普通晶闸管，其允许通过的电流有效值为 3具有自关断能力的电力电子器件称为 器件。 0 4三相全控桥式整流电路中，采用共阴极组接法的三只晶闸管，要求其触发脉冲以 120 为间隔，依次在电源电压的 半周触发各晶闸管。 。 次。 5在考虑变压器漏抗影响时，整流电路输出电压的平均值将 6三相全控桥式整流电路输出的电压波形在一个周期内脉动 7采用时间比控制方式改变斩波器负载两端的平均电压，对斩波器触发脉冲的调制方法有三 种，分别是 ； ； 。 。 8降压斩波器中，电源电压 Ud=50V，导通比为 0.8，则负载电压平均值 ULD 为 9电流型逆变电路直流侧为 ，输出电流波形为 。 和 调制。 10根据调制脉冲的极性，PWM 也有两种调制方式，分别是 小题， 二、简答题（本大题共 6 小题，每小题 6 分，共 36 分） 简答题（ 1试说明晶闸管的开通和关断的条件。 2试说明晶闸管整流装置实现有源逆变的条件。 3试说明整流电路中整流变压器二次侧相电压 U2选得过高或过低，将出现什么问题？ 4单相半控桥整流电路带感性负载时，若该电路不接续流二极管，请对其可能发生的“失控” 10 现象进行分析。 5三相桥式全控整流电路带大电感负载时，以连接于 A 相的共阴极组晶闸管 T1 为例说明， 在一个周期内，其承受电压的情况。 6某单相可控整流电路，分别给阻性负载和蓄电池反电动势负载供电，在流过负载电流平均 值相同的条件下，哪一种负载下晶闸管的额定电流应选大一些？为什么？ 三、计算题（，本大题共 3 小题，每小题 12 分，共 36 分） 计算题（，本大题共 小题， （， 1单相桥式可控整流电路，带一大电感对蓄电池充电，R = 3，电感 L 足够大，U2 = 220V， 反电动势 E = 60V。 1）要保持充电电流为 10A，估算此时的控制角； 2）该电路中晶闸管承受的最大电压是多少？ 2单相全控桥式整流电路，带阻感负载，R = 5，L 值很大，即满足LR，U2 = 100V， 当= 60 时，求： 1）作出输出电压 ud、输出电流 id、变压器二次侧电流 i2 的波形； 2）求整流输出平均电压 Ud、电流 Id 和二次侧电流有效值 I2； 3）考虑两倍的安全裕量，选择晶闸管的额定电压和额定电流值。 3单相全控桥式有源逆变电路，回路电阻 R = 1，平波电抗器 Ld 足够大，变压器二次电压 有效值 U2 = 220V，负载电动势 Ed=-200V，当= 30 时，求： 1）画出输出电压 ud、流过晶闸管电流 iT1 的波形； 2）计算变流电路输出平均电压 Ud、负载平均电流 Id。 0 0 参考答案： 参考答案： 小空， 一、填空题（本大题共 14 小空，每小空 2 分，共 28 分） 填空题（ 1门 4正 2157 5减小 3全控型 66 7脉冲宽度调制；脉冲频率调制；调频调宽混合控制 840V 9电流源；矩形波 10单极性；双极性 二、简答题（本大题共 6 小题，每小题 6 分，共 36 分） 简答题（ 小题， 1晶闸管导通条件是：1）晶闸管阳极和阴极之间施加正向阳极电压；2）晶闸管门极和 阴极之间必须加上适当的正向脉冲电压和电流。 在晶闸管导通后，门极就失去控制作用，欲使其关断，只需将流过晶闸管的电流减小到 11 其维持电流以下，可采用阳极加反向电压、减小阳极电压或增大回路阻抗等方式。 21）变流电路直流侧应具有能提供逆变能量的直流电源电动势 Ed，其极性应与晶闸管 的导电电流方向一致；2）变流电路