电力电子章节复习.doc

章节复习(1)一、1掌握晶闸管的结构、外形及符号；晶闸管的导通、关断条件；理解晶闸管可控单向导电的含义。2了解晶闸管的工作原理及阳极伏安特性。3理解并记住晶闸管主要参数的定义；晶闸管型号及其含义；能根据电路参数选择晶闸管。4会分析单相半波可控整流电路（电阻性、电感性负载）输出电压ud、电流id和晶闸管两端电压uT的波形。5熟悉续流二极管的作用。6能计算单相半波可控整流电路（电阻性、电感性负载）下晶闸管可能承受的最大电压与流过晶闸管的电流有效值，正确选择晶闸管。7掌握主电路对触发电路的要求。8熟悉单结晶体管出发电路的工作原理、各环节组成及作用，并能通过实验进行调试，使之正常工作。二、主要概念提示及难点释疑1晶闸管导通、关断条件1）晶闸管导通条件：阳极加正向电压、门极加适当正向电压。注意：阳极加正向电压是指阳极电位高于阴极电位，阳极电位可以是正也可以是负。门极正向电压是指门极电位高于阴极电位。2）关断条件：流过晶闸管的阳极电流小于维持电流。可以通过降低晶闸管阳极阴极间电压或增大主电路中的电阻。2晶闸管主要参数1）额定电压：用等级表示，选用管子时额定电压常常时实际工作时可能承受的最大电压的23倍。2）额定电流注意：不同于通常电气元件以有效值来定义额定电流，而是以平均值来定义的。选择管子时要用有效值相等原则即流过晶闸管实际电流的有效值等于（小于更好）管子的额定电流有效值。3单相半波可控整流电路工作原理及参数计算1） 几个名词术语和概念控制角：控制角也叫触发角或触发延迟角，是指晶闸管从承受正向电压开始到触发脉冲出现之间的电角度。导通角：是指晶闸管在一周期内处于导通的电角度。移相：移相是指改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角的大小。移相范围：移相范围是指一个周期内触发脉冲的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。2）分析工作原理、绘制输出电压ud波形时要抓住晶闸管什么时候导通、什么时候关断这个关键。3）电感性负载时，理解输出负电压的原因。关键是理解电感储存、释放能量的性质。4）参数计算时要根据输出波形，应用电工基础中平均值、有效值的概念来推导计算公式。5）续流二极管的作用：使负载不出现负电压，提高输出电压。三、学习方法1波形分析法：波形分析法是整流电路以及触发电路的工作原理分析最有效的方法，读者要学会利用波形分析来分析电路工作原理。2分析计算法：电路中各电量的计算要通过工作原理分析来推导。3 对比法：将电阻性负载和电感性负载以及电感性负载接续流二极管的电路对比分析。例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？解：晶闸管的阳极加正向电压，门极加正向触发脉冲时，晶闸管被触发导通。此后阳极电流逐渐上升到擎住电流后，去掉触发脉冲，则管子继续导通，知道电流升到负载电流后，进入正常工作状态。如果阳极电流还没有升到擎住电流值就去掉门极脉冲，则晶闸管就不能继续导通而关断。(2)一、本课题学习目标与要求1会分析单相桥式可控整流电路（电阻性、电感性负载）输出电压ud、电流id和晶闸管两端电压uT的波形。2熟悉续流二极管的作用和在半控桥电路种的电感性负载的自然续流和失控现象。3能计算单相桥式可控整流电路（电阻性、电感性负载）下晶闸管可能承受的最大电压与流过晶闸管的电流有效值，正确选择晶闸管。4掌握逆变的概念和产生逆变的条件。5掌握逆变失败的原因和逆变角的确定。6掌握可关断晶闸管的结构、外形及符号；可关断晶闸管的工作原理以及驱动保护电路。7会分析晶闸管直流调速装置的工作原理。二、主要概念提示及难点释疑1单相桥式全控整流电路1）电路使用了四个晶闸管，触发电路需发出在相位上相差180的两组触发脉冲。2）电阻性负载时，在电源电压正负半周内，两组晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3轮流导通向负载供电，使得输出电压波形为单相半波电路输出电压波形的两倍。单相全控桥式整流电路带电阻性负载电路参数的计算：输出电压平均值的计算公式：负载电流平均值的计算公式：输出电压的有效值的计算公式：负载电流有效值的计算公式：流过每只晶闸管的电流的平均值的计算公式：流过每只晶闸管的电流的有效值的计算公式：晶闸管可能承受的最大电压为：3）电感性负载时，如电感足够大，输出电压波形出现负值。90时，电流连续，Ud=00.9U2；90时，电流断续，Ud0。4）单相全控桥式整流电路带电感性负载电路参数的计算：输出电压平均值的计算公式：负载电流平均值的计算公式：流过一只晶闸管的电流的平均值和有效值的计算公式：晶闸管可能承受的最大电压为：2单相桥式半控整流电路1）电路是用两只二极管代替了单相桥式全控整流电路种的两只晶闸管，只能用于整流而不能用于逆变。2）大电感负载时存在自然续流和失控现象3）单相全控桥式整流电路带电阻性负载电路参数的计算：输出电压平均值的计算公式：的移相范围是0180。负载电流平均值的计算公式：流过一只晶闸管和整流二极管的电流的平均值和有效值的计算公式：晶闸管可能承受的最大电压为：4）加了续流二极管后，单相全控桥式整流电路带电感性负载电路参数的计算如下：输出电压平均值的计算公式：的移相范围是0180。负载电流平均值的计算公式：流过一只晶闸管和整流二极管的电流的平均值和有效值的计算公式：流过续流二极管的电流的平均值和有效值分别为：晶闸管可能承受的最大电压为：3有源逆变1）产生逆变的条件 变流装置的直流侧必须外接电压极性与晶闸管导通方向一致的直流电源，且其值稍大于变流装置直流侧的平均电压。 变流装置必须工作在90（即90）区间，使其输出直流电压极性与整流状态时相反，才能将直流功率逆变为交流功率送至交流电网。2）逆变和整流的关系同一晶闸管变流装置，当090时工作在整流状态，当90180同时存在一个适当的外接直流电源，则工作在逆变状态。整流和逆变、交流和直流是通过晶闸管变流器联系在一起，在一定条件下可以转化。因而逆变电路的工作原理、参数计算、分析方法等都和整流电路密切相关。三、学习方法1波形分析法：读者要学会利用波形分析来分析桥式整流电路工作原理。2分析计算法：电路中各电量的计算要通过工作原理分析来推导。3 对比法：将单相桥式全控桥和半控桥电路波形和工作原理对比分析。 （3）3交流调压电路（1）单相交流调压电路电感性负载时，要用宽脉冲触发晶闸管，否则在（负载功率因数角）时，会使一个晶闸管不能导通，负载波形只有半周，出现很大的直流分量，电路不能正常工作。（2）单相交流调压电路电阻性负载时，移相范围是=0180，而电感性负载时，移相范围是=180（3）交流功率调节容量较大时，应采用三相交流调压。三相交流调压电路接线方式及性能特点见教材。（4）交流调压可以采用移相触发也可以采用过零触发来实现。过零触发就是在电压为零附近触发晶闸管导通，在设定的周期内改变晶闸管导通的频率树来实现交流调压或调功率。例33 一台220V/10kW的电炉，采用单相交流调压电路，现使其工作在功率为5kW的电路中，试求电路的控制角、工作电流以及电源侧功率因数。解：电炉是电阻性负载。220V、10kW的电炉其电流有效值应为要求输出功率减半，即值减小1/2，故工作电流应为输出功率减半，即值减小1/2，则=90功率因数cos=00.707例34 图31单相交流调压电路，U2220V，L=5.516mH，R1，试求：1）制角的移相范围。2）负载电流最大有效值。3）最大输出功率和功率因数。图31例34图解：1）单相交流调压电感性负载时，控制角的移相范围是所以控制角的移相范围是60。2）因=时，电流为连续状态，此时负载电流最大。3）最大功率（4）一、本课题学习目标与要求1掌握开关电源主要器件（大功率晶体管GTR、功率场效应晶体管MOSFET）的工作原理和特性。2掌握DC/DC变换电路的基本概念和工作原理。3了解PWM控制电路的基本组成和工作原理。4熟悉PWM控制器集成芯片。5了解软开关的基本概念。二、主要概念提示及难点释疑1电力晶体管在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。晶体管通常连接称共发射极电路，NPN型GTR通常工作在正偏（Ib0）时大电流导通；反偏（Ib0）时处于截止高电压状态。因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关工作状态。2电力场效应晶体管当D、S加正电压（漏极为正，源极为负），UGS=0时， D、S之间无电流通过；如果在G、S之间加一正电压UGS，当UGS大于某一电压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型半导体而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。电压UT称开启电压或阀值电压，UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流越大。3DC/DC变换电路DC/DC变换电路是将一种直流电源变换为另一种直流电源的电力电子装置。常见的DC/DC变换电路有非隔离型电路、隔离型电路和软开关电路。（1）降压斩波电路降压斩波电路是一种输出电压的平均值低于输入直流电压的电路。输出电压平均值为式中k为斩波器的占空比（2）升压斩波电路升压斩波电路的输出电压总是高于输入电压。输出电压平均值为 （3）升降压斩波电路升降压斩波电路可以得到高于或低于输入电压的输出电压。输出电压为：上式中，若改变占空比k，则输出电压既可高于电源电压，也可能低于电源电压。由此可知，当0k1/2时，斩波器输出电压低于直流电源输入，此时为降压斩波器；当1/2k60时，输出电压波形中出现负值。（6）I、I2和IT三者的关系为6保护电路最常用的过电压保护是阻容吸收电路。此外还有硒堆、压敏电阻以及整流式阻容吸收电路等。最常用的过电流保护是快速熔断器。此外还有快速开关等。保护电路元件的选择计算以及估算常常与实际值相差很多。因此可以从经验值中选择保护元件。7逆变电路（1）电力变流器的换流方式1）负载谐振换流由负载谐振电路产生一个电压，在换流时关断已经导通的晶闸管，一般有串联和并联谐振逆变电路，或两者共同组成的串、并联谐振逆变电路。2）强迫换流附加换流电路，在换流时产生一个反向电压关断晶闸管。3）器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流。（2）电流型和电压型逆变电路电压型逆变电路的基本特点：1)直流侧并联大电容，直流电压基本无脉动。2)输出电压为矩形波，电流波形与负载有关。3)电感性负载时，需要提供无功。为了有无功通道，逆变桥臂需要并联二极管。电流型逆变电路的基本特点：1）直流侧串联大电感，直流电源电流基本无脉动。2）交流侧电容用于吸收换流时负载电感的能量。这种电路的换流方式一般有强迫换流和负载换流。3）输出电流为矩形波，电压波形与负载有关。4）直流侧电感起到缓冲无功能量的作用，晶闸管两端不需要并联二极管。（3）单相并联谐振逆变电路该电路的换流方式是负载换流，与负载并联的电容C为换流电容，可使负载电流超前于负载电压，即负载呈容性。交流输出电流波形接近矩形波，故谐波幅值远小于基波，基波频率接近于负载电路谐振频率，负载电路对基波呈高阻抗，而对谐波呈现低阻抗，因此负载电压波形接近正弦波。1变频器的组成及工作原理变频器通常由主电路、控制电路和保护电路组成。主电路如图61所示。图61 变频器主电路图2电压型和电流型变频器电压型变频器和电流型变频器的区别仅在于中间直流环节滤波器的形式不同，但是这样一来，却造成两类变频器在性能上相当大的差异，主要表现列表6-1比较如下：表6-1 电压型变频器与电流型变频器的性能比较特点名称电压型变频器电流型变频器储能元件电容器电抗器输出波形的特点电压波形为矩形波电流波形近似正弦波电流波形为矩形波电压波形为近似正弦波回路构成上的特点有反馈二极管直流电源并联大容量电容（低阻抗电压源）电动机四象限运转需要再生用变流器无反馈二极管直流电源串联大电感（高阻抗电流源）电动机四象限运转容易特性上的特点负载短路时产生过电流开环电动机也可能稳定运转负载短路时能抑制过电流电动机运转不稳定需要反馈控制3绝缘门极晶体管（IGBT）IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是一种压控型器件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的，当UGE为正且大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流使其导通。当栅极与发射极之间加反向电压或不加电压时，MOSFET内的沟道消失，晶体管无基极电流，IGBT关断。4脉宽调制（PWM）型逆变电路PWM控制的基本原理：在采样控制理论中有一个重要结论：冲量（脉冲的面积）相等而形状不同窄脉冲（如图6-22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，也就是说尽管脉冲形状不同，但只要脉冲在面积相等，其作用的效果基本相同。这就是PWM控制的重要理论依据。例61 IGBT在实际应用中要采取哪些保护措施？解：（1）过流保护：通过检测出的过电流信号切断门极信号，使IGBT关断。（2）过压保护：设置吸收电路可抑制过电压并限制电压上升率。（3）过热保护：利用温度传感器检测出IGBT的壳温，当超过允许值时令主电路跳闸。1填空题1）请在正确的空格内标出下面元件的简称：绝缘栅双极型晶体管 ；IGBT是 和 的复合管。2）PWM逆变电路的控制方法有 、 、 三种。其中调制法又可分为 、 两种。3）对异步电动机实施变频调速控制，通常的控制方式有 、 、 、 等四种。4）目前常用的具有自关断能力的电力电子元件有 、 、 、 几种。5）绝缘栅双极型晶体管是以 作为栅极，以 作为发射极与集电极复合而成。 6）SPWM脉宽调制型