电力电子技术重点

;.单相半波可控整流电路带电阻负载的工作情况直流输出电压平均值ud122u2sintd(t )22u 2 (1cos)0.45u12cos2流过晶闸管的电流平均值idt 和有效值 it 分别为idt2idit12id (2dt )2id续流二极管的电流平均值iddr 和有效值idr 分别为iddr2ididr122id (2dt )2id其移相范围为180u2 的峰值即2u 2单相半波可控整流电路的特点是简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。为 使变压器铁芯不饱和，需增大铁芯截面积，增大了设备的容量。单相桥式全控整流电路带电阻负载的工作情况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u d12u 2sintd (t )22u 2 1cos 210.9u 2cos 2负载直流电流平均值iu d22u 21cos0.9 u 21cosdrr2r2i2 id晶闸管参数计算 承受最大正向电压：1 (2u)22 承受最大反向电压：2u 2 触发角的移相范围：0 时， u d0.9u 2 ；180 o 时， ud0 。因此移相范围为180 o 。i1 i0.45 u 2 1cos 晶闸管电流平均值：dvt2dr2。（ 5）流过晶闸管的电流有效值为：ivt id2（ 6）晶闸管的额定电压=(23)最大反向电压（ 7）晶闸管的额定电流=(1.52)电流的有效值1.57单相桥式全控整流电路带阻感负载直流输出电压平均值u1d2u 2sintd(t)22u 2cos0.9u 2cos触发角的移相范围0 时， u d0.9u 2 ；90 o 时， u d0 。因此移相范围为90 o 。晶闸管承受电压：正向：2u 2 ；反向：2u 2单相桥式半控整流电路，带电阻负载与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。单相桥式全控整流电路带反电动势负载ud 0.9 u2 cosid (ud e)/ri2 id晶闸管承受的最大反向电压为：2 u2流过每个晶闸管的电流的有效值为：ivt id2三相半波可控整流电路带电阻负载o30时，整流电压平均值（负载电流连续）：5u16d2362u 2sintd(t)36 u22cos1.17u 2coso当0时，u d 最大， u d1.17u 2 。30 o 时，整流电压平均值（负载电流断续）：u12ud2632 sintd(t)32 u22 1cos(6)0.675u21cos()6o当150时，u d 最小， u d0uid 负载电流平均值：dr 晶闸管承受的最大反向电压：为变压器二次侧线电压的峰值，u rm23u 26u 22.45u 2 晶闸管承受的最大正向电压：u fm2u 2三相半波可控整流电路带阻感负载整 流 电 压 平 均 值 （ 负 载 电 流 始 终 连 续 ）：u d1.17u 2cos。 晶闸管承受的最大正反向电压：为变压器二次侧线电压的峰值，u fmu rm23u 2iu d6u 22.45u 2d 负载电流平均值：ridvt id 3ivt id3三相桥式全控整流电路带电阻负载时的工作情况（ 1）带电阻负载时的平均值 特点：60 o 时，整流输出电压连续；60 o120 o 时，整流输出电压断续。 整流电压平均值计算公式：以景，周期 为。3ud 所处的线电压波形为背260o ： u d13336u 2sintd (t )2.34u 2cos60 o120 o： u d1336u 2sintd (t )2.34u2 1cos()3 输出电流平均值计算公式：iu ddr三相桥式全控整流电路带电阻电感负载ud 2.34u2cosid ud ridvt id 3ivt id3第二章电力电子器件2. 使晶闸管导通的条件是什么？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或： uak0 且 ugk0。3. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？ 答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。要使晶闸管由导通变为关断， 可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，即降到维持电流以下，便可使导通的晶 闸管关断。4. 图 2-27中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波 形，各波形的电流最大值均为im，试计算各波形的电流平均值 id1、 id2、id3 与电流有效值i1、i2、i3。02044520242a) b)c)图 2-27晶图闸1-43管导电波形解： a)id1= 12i m sin4td(t ) = i m (2221 )0.2717 imi1=1( i24m sint ) 2 d(t ) = i m312420.4767 imb)id2 = 1i m sin4td (t ) = i m (221 )0.5434 imi2 =1( i m4sint )2 d(t ) =2 i m312420.6741i mc)id3=12 id (t )1m=im2 040mi3 =122 i2 d(t ) = 1im25. 上题中如果不考虑安全裕量 ,问 100a 的晶闸管能送出的平均电流 id1、id2、id3 各为多少？这时， 相应的电流最大值im1、im2 、im3 各为多少 ?解：额定电流it(av) =100a的晶闸管，允许的电流有效值i=157a，由上题计算结果知a) im1im189.48b) im2im2126.56i329.35，id10.27170.4767i232.90,id20.54340.6741c)im3=2 i = 314,id3= 1im3=78.54第三章 整流电路3. 单相桥式全控整流电路，u2 100v，负载中 r 2 ， l 值极大，当 30时，要求：作出ud、id、和 i2 的波形；求整流输出平均电压ud、电流 id，变压器二次电流有效值 i2；考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解： ud、id、和 i2 的波形如下图：u2otudotidi dotii d2ot输出平均电压ud、电流id，变压器二次电流有效值i2分别为ud 0.9 u2 cos 0.9 100 cos30 77.97（ v） id ud / r 77.97/ 2 38.99（ a）i2 id 38.99（ a）晶闸管承受的最大反向电压为：2 u2 1002 141.4（ v）考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：un（ 23） 141.4 283424（ v） 具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。流过晶闸管的电流有效值为：ivt id2 27.57（ a）晶闸管的额定电流为：in（ 1.52） 27.57 1.57 2635（ a） 具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。4. 单相桥式半控整流电路，电阻性负载，画出整流二极管在一周内承受的电压波形。解：注意到二极管的特点：承受电压为正即导通。因此，二 极管承受的电压不会出现正的部分。在电路中器件均不导通的阶段，交流电源电压由晶闸管平衡。整流二极管在一周内承受的电压波形如下：u202tuvd20tuvd40t5. 单相桥式全控整流电路，u2=100v，负载中r=2 ， l 值极大，反电势e=60v，当=30时，要求： 作出 ud、id 和 i2 的波形； 求整流输出平均电压ud、电流id，变压器二次侧电流有效值 i2； 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解： ud、id 和 i2 的波形如下图：u2otudoti didiitodid2ot整流输出平均电压ud、电流 id，变压器二次侧电流有效值 i2 分别为ud 0.9 u2 cos 0.9 100 cos30 77.97(a) id (ud e)/ r (77.97 60)/2 9(a)i2 id 9(a)晶闸管承受的最大反向电压为：2 u2 1002 141.4（ v）流过每个晶闸管的电流的有效值为：ivt id 2 6.36 （ a） 故晶闸管的额定电压为：un (23) 141.4 283424（ v）晶闸管的额定电流为：in (1.52) 6.36 1.57 68（ a）晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。11三相半波可控整流电路，u2=100v，带电阻电感负载， r=5 ， l 值极大，当=60 时，要求：画出 ud、id 和 ivt1 的波形；计算 ud、id、idt 和 ivt。解： ud、id 和 ivt1 的波形如下图：u2=30uuuabcotuuaubucdotivt 1oti dot ud、id、idt 和 ivt 分别如下ud 1.17 u2cos 1.17 100 cos60 58.5（ v） id ud r 58.5 5 11.7 （ a）idvt id 3 11.7 3 3.9（ a）ivt id3 6.755（ a）13三相桥式全控整流电路，u2=100v，带电阻电感负载， r=5 ， l 值极大，当=60 时，要求：画出 ud、id 和 ivt1 的波形；计算 ud、 id、idt 和 ivt。解： ud、id 和 ivt1 的波形如下：= 60 u2uaubuct1otuuabuacubcubaucaucbuabuacdotidotivt1ot ud、id、idt 和 ivt 分别如下ud 2.34u2cos 2.34 100 cos60117（ v） id ud r 117 5 23.4（ a）idvt id 3 23.4 3 7.8（ a） ivt id3 23.4 3 13.51（ a）15三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载， u2=100v， r=1 ， l=， lb=1mh，求当=30 时、 e=50v时ud、id、的值并作出ud 与 ivt1 和 ivt2 的波形。解：考虑lb 时，有：ud 1.17u2cos ud ud 3xbid 2 id（ ud e） r解方程组得：ud（ r 1.17 u2cos 3xbe）（ 2 r 3xb） 94.63（ v） ud 6.7（ v） id 44.63（ a）又即得出cos cos() 2 i d x b 6 u2换流重叠角cos(30) =0.752 41.2830 =11.28ud、ivt1 和 ivt2 的波形如下：u2uaubucouduaubucotivt1i dotivt2i dot17三相全控桥，反电动势阻感负载，e=200v， r=1 ， l=， u2=220v，=60 ，当 lb=0和 lb=1mh 情况下分别求 ud、id 的值，后者还应求并分别作出ud 与 it 的波形。 解：当lb 0 时：ud 2.34u2cos 2.34 220 cos60 257.4（ v） id（ ud e） r（ 257.4 200） 1 57.4（ a）当 lb 1mh 时ud 2.34u2cos ud ud 3xbidid（ ud e） r解方程组得：ud（ 2.34 u2r cos 3xbe）（ r 3xb） 244.15（ v）id 44.15（ a） ud 13.25（ v）又 cos cos() 2xbid6 u2cos(60) 0.4485 63.35 60 3.35ud、ivt1 和 ivt2 的波形如下：u 2u au bu cotu du abu acu bcu bau cau cbu abu acoti vt1i do i vt2ti dot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（1） ）交流变直流 ac-dc： 整流（2） ）直流变交流 dc-ac： 逆变;.（3） ）直流变直流 dc-dc：一般通过直流 斩波电路实现（4） ）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术。第 2 章 电力电子器件1 电力电子器件与主电路的关系（1） ）主电路：指能够直接承担电能变换或控制任务的电路。（2） ）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（1） ）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。（2） ）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。（3） ）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通或关断。（4） ）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（1） ）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 。（2） ） 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、mosfe和tigbt。（3） ）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（1） ）电流驱动型器件 ：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。（2） ）电压驱动型器件 ：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mosfe、t igbt。根据器件内部载流子参与导电的情况分类（1） ）单极型器件：内部由一种载流子参与导电的器件。如mosfe。t（2） ）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。（3） ）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。电力二极管的主要参数正向平均电流if(av)指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用tc表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 if(av)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。正向压降 uf指电力二极管在指定温度下， 流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。反向重复峰值电压urrm指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。最高工作结温tjm结温是指管芯pn结的平均温度，用tj 表示。最高工作结温是指在pn结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。 tjm通常在 125175c范围之内。反向恢复时间trr浪涌电流 ifsm指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。电力二极管的主要类型普通二极管又称整流二极管，快恢复二极管，快恢复外延二极管，肖特基二极管肖特基二极管优缺点?优点：反向恢复时间很短 （ 1040ns），正向恢复过程中不会有明显的电压过冲； 在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管； 因此，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。?弱点：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200v以下的低压场合；反向漏电流较大且对温度敏感， 因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。晶闸管的导通工作原理（1） ）当 ak间加正向电压 pn结。ea ，晶闸管不能导通， 主要是中间存在反向（2） ）当 gk间加正向电压eg ， npn晶体管基极存在驱动电流i g ，npn晶体管导通，产生集电极电流i c2 。（3） ）集电极电流 i c2 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i c1 。（4） ） i c1 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。2.3.1.4.3 晶闸管是半控型器件的原因（1） ）晶闸管导通后撤掉外部门极电流i g ，但是 npn基极仍然存在电流，由 pnp集电极电流 i c1 供给， 电流已经形成强烈正反馈，因此晶闸管继续维持导通。（2） ）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关断。2.3.1.4.4 晶闸管的关断工作原理满足下面条件，晶闸管才能关断：（1） ）去掉 ak间正向电压；（2） ）ak间加反向电压；（3） ）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。2.3.2.1.1晶闸管正常工作时的静态特性（1） ）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。（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。2.4.1.1 gto的结构（1） ）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。（2） ）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。2.4.1.2 gto的静态特性（1） ）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。（2） ）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。（3） ）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。（4） ）通过 ak间施加反向电压同样可以保证gto关断。2.4.3 电力场效应晶体管mosfet（ 1）电力 mosfe是t 用栅极电压来控制漏极电流的，因此它是电压型器件。（ 3）当u gs 大于某一电压值 u t 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。2.4.4 绝缘栅双极晶体管igbt（1） ）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。（2） ）电力 mosfe是t 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。（3） ）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。（4） ）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。（1） ）igbt是三端器件，具有栅极g、集电极 c和发射极 e。（2） ）igbt由 mosfe和tgtr组合而成。3.7.1.3逆变产生的条件（1） ）单相全波电路（相当于发电机）-电动机系统（2） ）单相全波电路（整流状态）-电动机（电动状态）系统 电动机处于电动运行状态， 全波电路处于整流工作状态 （ 0），2直流输出电压 u d0 ，而且u dem，才能输出电枢电流i du dem 。r 能量流向：交流电网输出电功率，电动机输入电功率。（3） ）单相全波电路（有源逆变状态）-电动机（发电回馈制动）系统 电动机处于发电回馈制动运行状态，由于晶闸管单向导电性，电路内 i d 的方向依然不变。 这样，要保证电动机有电动运行变成发电回馈制动运行，必须改变em的极性，同时直流输出电压u d 也改变极性（ u d0 ， 2）。 此时，必须保证交流侧，实现逆变。emu d， i demu dr，才能把电能从直流侧送到 能量流向：电动机输出电功率，交流电网吸收电功率。全波电路有源逆变工作状态下，为什么晶闸管触发角处于，仍能导通运行？2答：主要由于全波电路有外接直流电动势em 的存在且emu d，这是电动机处于发电回馈制动状态时得到的，这样能够保证系统得到很大的续流，即使晶闸管的阳极电位大部分处于交流电压为负的半周期，但是仍能承受正向电压而导通。（ 4）有源逆变产生的条件 变流电路外侧要有直流电动势，其极性必须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流电路直流侧的平均电压。 要求晶闸管的控制触发角，使u d 为负值。2第 4 章 逆变电路（1） ）逆变定义：将直流电能变成交流电能。（2） ）有源逆变：逆变电路的交流输出侧接在电网上。（3） ）无源逆变：逆变电路的交流输出侧直接和负载相连。换流方式分为外部换流和自换流两大类，外部换流包括 电网换流和负载换流两种， 自换流包括 器件换流和强迫换流两种。换流概念在晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所下降。?分类直接耦合式强迫换流 （也叫电压换流）：由换流电路内电容直接提供换流电压。电感耦合式强迫换流 （也叫电流换流）：通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。熄灭：当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终;.止流通而变为零，则称为熄灭。4.2 电压型逆变电路（1） ）逆变电路分类：根据直流侧电源性质可以分为电压（源）型逆变电路和电流（源）型逆变电路。（2） ）电压（源）型逆变电路vsi：直流侧为电压源。（3） ）电流（源）型逆变电路csi：直流侧为电流源。（4） ）电压型逆变电路举例： 直流侧为电压源，或并联有大电容。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈低阻抗。 由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。 而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。 当交流侧为阻感负载时，需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。 图中逆变桥各臂都并联反馈二极管，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道。电压型逆变电路的特点直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波， 输出电流因负载阻抗不同而不同。阻感负载时需提供无功功率， 为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。半桥逆变电路： 在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点便成为直流电源的中点，负载联接在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。全桥逆变电路共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通180。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高出一倍。在这种情况下， 要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压 ud来实现。三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。4.3 电流型逆变电路直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。电流型逆变电路主要特点：直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关，输出电压波形和相位因负载不同而不同。直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。 自励方式： 实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式。他励方式：固定工作频率的控制方式称为他励方式。第 7 章 pw（m pulse width modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术， 即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值） 。pwm逆变电路控制波常用方法计算法根据逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，将 pwm波形中各脉冲的宽度和间隔准确计算出来，按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的pwm波形，这种方法称之为计算法。调制法把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的pwm波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。载波比： 载波频率 fc与调制信号频率fr之比 n= fc/fr pwm调制方式可分为 异步调制 和同步调制 两种。异步调制： 载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。同步调制： 载波比 n等于常数， 并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。自然采样法：在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成spwm波形的方法称为 自然采样法。规则采样法：是一种应用较广的工程实用方法，其效果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法小得多。第九章1. 驱动电路主电路与控制电路之间的伪接口* 驱动电路作用：（ 1）使器件工作