电力电子装置及系统重点

1、第1章绪论1.电源lis信息检测5 5t 半导体电力开关控制信号输出反馈控制系统i运行指令图1.1电力电子装置及其控制系统2. 电力电子装置的主要类型：整流器、直流斩波器、逆变器、交流调压器、静态开关。3. 电力电子装置的应用概况：a. 直流电源装置;通信电源，充电电源，电解、电镀直流电源，开关电源。b. 交流电源装置;交流稳压电源，通用逆变电源，不间断电源ups。c. 特种电源装置：静电除尘用尚压电源，超声波电源，感应加热电源，焊接电源。4. 半导体电力电子开关器件：电力二极管：晶闸管：(a)符号aor11_ kckii(b)等效电路图1.2半导体二极管 电力晶体三极管：图1.5bjt的符号

2、(b)接法g符号图1.3晶闸管符号及接法 电力场效应品体管：体内的二极管(a)n 型 mos 管 图1.7漏极d源极s绝缘门极双极型晶体管igbt：k图1. 4gt0的符号(b) p型mos管p-mosfet的符号和等效电容图1. 9tgbt管擎住效应原理图体内的 二极管(c)极间电容管5. 从不同角度对电力电子器件进行分类a. 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：（1）半控型器件：晶闸管及其派生器件（2）全控型器件：igbt, mosfet, gto, gtr（3）不可控器件：电力二极管b. 按照驱动信号的波形（电力二极管除外）（1）脉冲触发型：晶闸管及其派生器件（2）电平控制型：（全控

3、型器件）igbt, mosfet, gto, gtrc. 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：（1）单极型器件：电力mosfet,功率sit,肖特基二极管（2）双极型器件：gtr, gto,晶闸管，电力二极管等（3）复合型器件：igbt, mot, 1gct等d. 按照驱动电路信号的性质，分为两类：（1）电流驱动型：晶闸管，gto, gtr等（2）电压驱动型：电力mosfet, igbt等6. mct 和 1gct：在晶闸管结构中引进一对mosfet管，通过这一对mosfet管来控制晶闸管的开通和关断就组 成了 mct。集成门极换流晶闸管igct又称为发射极关断晶闸管eto

4、,实际上igct就是把mct 屮的mosfet管从半导体器件内部移到外部来，即在晶闸管壳的外部装设环状的门极，再配以外加集成mosfet实现体外mct的功能。7.半导体电力开关模块和电源集成电路:g 1ak（1）电力转换模块:把同类或不同类的一个或多个开关器件按一定的拓扑结构及转换功能连 接并封装在一起的开关器件组合体。主要有二极管整流模块、晶闸管模块、达林顿三极管模 块、mosfet功率模块、igbt模块、ac-dc-ac变频功率模块、大功率肖特基二极管模块、快 速二极管模块。（2）功率集成电路pic：将电力电子开关器件与电力电子变换器控制系统中的某些环节（工 作状态监测、故障保护、驱动信号

5、处理、缓冲电路等）制作在一整体器件上。分为高压集成 电路i1vic.智能功率集成电路spic、智能功率模块ipm。（3）电源管理集成电路ic： 一种可以各种方式来控制电源转换并管理各种器件的集成电路。 大致可以分为辅助类和控制类,每一类又可分为隔离类和非隔离类。&散热途径主要有热传导、热辐射、热对流三种。对电力电子器件来说，主要采用热传导、 热对流。9. 缓冲电路的基本工作原理：利用电感电流不能突变的特性抑制器件的电流上升率，利用电 容电压不能突变的特性抑制器件的电压上升率。通常 电力电子装置中的电力电子器件都工 作于开关状态，器件的开通和关断都不是瞬时完成的。器件刚刚开通时，器件的等

6、效阻抗大, 如果器件电流很快上升，就会造成很大的开通损耗；同样器件接近完全关断时，器件的电流 还比较大，如果器件承受的电压迅速上升，也会造成很大的关断损耗。其作用是抑制电力电 子器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。缓冲电路开通（小联）关斯（并联）无极性25有极性复合型« i.i耗能式缓冲电路血 厶.常用的关断缓冲电路常用开通缓冲电路复合缓冲电路：bjt开通时电感ls抑制电流的上升率di/dt,关断时抑制电压上升率du/dto 常用的rcd关断缓冲电路：开关管t是bjt,由于二极管。$的单向导电性，t关断吋，g立即 起作用，cs两端的的电压不能突变使

7、得集电极和发射极两端的电压上升率du/dt被限制，电 容越大du/dt越小，即du/dt=im/cs。由于有cs, bjt关断时其集电极被电容电压牵制，不 会出现集电极电压和电流同时达到最大值的情况。常用开通缓冲电路：bjt开通时，集电极电压下降期间，电感ls抑制电流的上升率di/dt, 当gtr关断吋ls中能量0. 5lsim2通过二极管ds续流，其能量消耗在ds和电抗器的电阻上。10. 保护技术：过电流保护，电流信号的检测，输出过压保护，输入瞬态电压抑制，输入欠 电压保护，过温保护，器件控制极保护，自锁式保护电路。电流信号的检测：慢速型电流检测元件，快速型电流检测元件（霍尔元件，霍尔元件电

8、流传 感器模块）。11. 应用rs触发器设计一个自锁式保护电路。画出电路原理图。第2章高频开关电源1. 线性稳压电源与高频开关电源的区别：线性稳压电源是应用大功率晶体管的线性放大特性 设计的。而开关电源的ac/dc变换电器的电力电子器件工作在开关模式，功率损耗大大减少。2. 高频开关电源的发展状况：高频化，电源电路的模块化、集成化，绿色化。3. 高频开关电源的基本组成;a.开关电源的输入环节;整流和滤波。b.功率变换电路：5 uul o41 l诵 rh' z£(niax)boost变换器拓扑liu厂1jl0u ，5 厶(max)(c) buck/boost变换器拓扑时钟uri

9、i ii i_iipmw 输出时钟兀rlrtilnil输出(a)图2.4电压前馈模式控制原理图(b)sro锁存器c(a)图2. 5电流控制模式原理图时钟i4.单端反激电源的基木关系式连续工作模式:loru° _ n2 d u；=yd=需+冷d"齐占+缶切up 1 2l,n不连续工作模式（含临界工作模式）:p _uf71_ 比0 2l.t rl(2 1)(2-5)(2 6)(2 7)(2 8)(2 9)(2 10)5.单端反激式开关电源变压器计算cefylculi_to图2. 16单端反激变换器等效电路” =f% fe(2 37)(2 38)lgn/pi =u fi &quo

10、t;l丿 pz t up】+ nup2) 2po17?d2t _ ut(2 39)(2 40)(2 41)(2 42)6. 功率因数为1的高频整流器无源功率因数校正：在电源的输入端加入电感量很大的低频电感，以便减少滤波电容充电电 流的尖峰。有源功率因数校正：有源功率因数校正(pfc)能使电源的输入功率因数提高接近1。通常有两 种办法：a釆用有源滤波器进行无功和谐波补偿，虽然功率因数的改善要好些，但增加了一 套滤波装置，电路复杂性和成本要髙一些，可靠性也会降低。b.采用功率因数校止电路直接 提高整流电路的输入功率因数。单相有源功率因数校正装置主要采用boost电路拓扑;三相大容量整流多采用pwm

11、高频整流;. 单相有源功率因数校正装置的控制方法分为不连续电流模式dcm和连续电流模式ccm.7. 口然采样spwm的控制原理：以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形 的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样spwm法.其优点是所得spwm波形最接 近正弦波，但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉宽 表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以实吋控制。第3章逆变器1. 单项逆变器的拓扑结构主要有半桥式、全桥式、推挽式。半桥式电路输出端的电压波形仅为直流母线电压值的一半，因此电压利用率低，但可利用两 个大电容自动补偿不对称波形。全桥式、推挽式的电压

12、利用率是一样的，均比半桥电路大一 倍，但它们都存在变压器直流不平衡问题，需要采取措施解决。中大容量逆变器多采用全桥结构,主要有双极性和单极倍频两种控制方法。对于开关器件的选择，小容量逆变器多采用电力m0sfet,大容量正弦波输出的逆变器多用 igbt,特大容量逆变器则选择型。2. 驱动电路的基本任务是将信息电子电路传来的信号转换为加在器件控制冋路中的电压和电 流，应该具有一定功率，使器件能够可靠的开通和关断。3逆变器的控制方法：逆变器广泛釆用pwm脉宽调制技术实现对输出电压的控制。调制方式 主要有直流脉宽调制和正弦波脉宽调制两种。直流脉宽调制：利用直流调制信号和三角载波比较，可以得到单脉波控制

13、信号，只要改变直 流调制信号，就可以改变单脉波的脉冲宽度，调节输出电压基波分量的有效值，实现电压控正弦波脉宽调制(spwm):它是在每半个周期内输出若干个宽窄不同的矩形脉冲波，每一矩 形波的血积近似对应正弦波各相应每-等份的正弦波形下的血积可用一个与该面积相等的矩 形来代替，于是正弦波形所包围的面积可用这n个等幅不等宽的矩形脉冲面积之和来等效。各矩形脉冲的宽度口可由理论计算得出，但在实际应用中常由正弦调制波和三角形载波相比 较的方式来确定脉宽：因为等腰三角形波的宽度自上向下是线性变化的，所以当它与某一光 滑曲线相交时，可得到一组幅值不变而宽。宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲。若使脉冲 宽度与正

14、弦函数值成比例，则也可生成spwm波形。spwm控制策略有双极性spw和单极性spwm。0lrk i m 11ll1/11 / ljj li i im/i ii hljl-l-liiiiiii im*11 i 111llj 1 u1 11 1tty i i iv i ii ii ill i ii 1j i i|_l ii i iii i ii n ii1 iinf11i ia1 1 1-11 iii! !11 11 1 11 1zii ii iii 1illi 1uluuuiz(b)单极性spwm图3. 3 两种spwm调制模式4. 研究直流不平衡问题有什么意义，并说明解决方法。答：逆变器直流

15、不平衡即变压器直流不平衡。a.原因：如果主开关器件及驱动电路特性不一 致，一个正弦波中，正负半波控制波形不对称是的逆变桥输出电压波形正负不对称，这样加 在主变压器电压波形正负不对称使得主变压器发生偏磁现象。变圧器铁芯因偏磁单方向饱和, 这就是变压器直流不平衡。b.危害;变压器铁芯因偏磁单方向饱和，会使输出电压波形畸变率 增加，同时在变器原边绕组出现极大的励磁电流，是功率开关管因过流而损坏，对系统危害 巨大。c.措施：引起不平衡的原因分为静态和动态两类。静态是指控制电路和主电路参数不 一致等系统固有的原因造成的不平衡。动态是指参数的温度漂移和负载变化等随机原因引起的，不太好防止。但是它们都可以用

16、控制电路进行补偿，如下图。r201 h h l-o+ucc rp 一 ug1aa1aa/o_tvyvtv(d)主电路(c)动态补偿hi路图3. 5直流不平衡的模拟补偿方法5. 对电机供电的变频电源一般要求兼有调斥和调频两种功能。6. 般将变频电源分为两种：交交变频和交直交变频。7. 逆变一般采用脉宽调制变频方案,通过脉冲宽度可控制逆变器输出交流基波电压的幅值, 通过改变调制周期可控制其输出频率。&高频逆变电路有并联合串联两种类型的谐振电路。第4章不间断电源ups1.典型ups结构图逆变器充电器qi2. ups的类型及其工作原理市电疋常 市电故障后备式ups系统结构图后备式cps原理：在

17、市电正常时，由市电通过简单稳压滤波输出供给用电设备，蓄电池处于 充电状态。当停电时，逆变器工作，将电池提供的直流电转变为稳定的交流电输出给用电设 备。由于平时市电正常时，逆变器是不工作的，只有在市电停电蓄电池放电时才开始工作。(a)主电路(b)系统框图在线互动式ups原理图在线互动式ups工作原理：当在线式ups在电网供电正常时，电网输入的电压一路经过噪声 滤波器去除电网中的高频干扰，以得到纯净的交流电，进入整流器进行整流和滤波，并将交 流电转换为平滑直流电，然后分为两路，一路进入充电器对蓄电池充电，另一路供给逆变器, 而逆变器又将直流电转换成220v, 50血的交流电供负载使用。当发生市电中

18、断时，交流电的 输入己被切断，整流器不再工作，此时蓄电池放电把能量输送到逆变器，再市逆变器把直流 电变成交流电，供负载使用。因此，对负载来说，尽管市电已不复存在，但此时负载并未因 市电中断而停运，仍可以正常运行。(a)主电路(b)系统框图delta变换ups原理图3.典型ups的性能对比«4. i典型its主要性能对比ups类型容/kva输出电压质斌输入功率因数切换时间效率和过栽 能力后备式<2稳斥楙度：+4%士 7%冇波形畸变和干扰低长高双变换在 线式0. 7 1500稳压精度：士 1%波形畸变率小完全不受电网干扰帳据有无功率因数校正惜施而定无低在线互动式0.7 20稳压特度

19、：士20% 有波形畸变和干扰由负栽决定高delta 变换式10 480稳压精度：士 1%波形畸变率小受电网干扰小*无较高4. ups的发展方向(1) 控制系统全数字化：ups采用最新的数字信号控制器(dsp)加以数字化的霍儿传感器 件，实现了 ups系统的100%数字化运行。还采用了多重微处理器冗余系统，用多个有独立供 应电源的微处理器来控制整流器、逆变器和内部静态旁路，因而提高了系统的数字化程度和 可靠性。(2) 主电路拓扑高频化和软开关技术:大功率晶体管或场效应管开关速度比可控硅要高一个 数量级，而tgbt功率器件电流容量和速率又比大功率晶体管或场效应管大得多和快的多，使 功率变换电路的工

20、作频率高达50kllzo变换电路频率的提高，使得用丁滤波的电感、电容以 及噪音、体积等大为减少，使ups效率、动态响应特性和控制精度等大为提髙。(b)高频链逆变形式ups高频隔离ups系统结构框图(3) 智能化：智能系统通过对各类信息的分析综合，除完成ups相应部分正常运行的控制功 能外，还应完成对运行中的ups进行实时监测，对电路中的重要数据信息进行分析处理，从 中得出各部分电路工作是否正常等功能；在ups发生故障吋，能根据检测结果，及吋进行分 析，诊断出故障部位，并给出处理方法；根据现场需要及时采収必要的自身应急保护控制动 作，以防故障影响面的扩大；完成必耍的口身维护，具有交换信息功能，可

21、以随时向计算机 输入或从联网机获取信息。(4) 网络化：ups应具有联网功能，在网络上可随时观察ups的各项参数，而且在市电或ups 故障时，可以向服务器，工作站等发出信息；在市电停电或蓄电池放点结束吋，能够按顺序 关闭工作站，服务器等，使维护、查询、监控更加便捷。(5) 绿色化：随着对电网质量标准要求的提高，要求ups的输入功率因数不能太低，应尽量 减少输入电流的谐波和从电网吸收的无功能量。无源功率因数校正：在电源的输入端加入电 感量很大的低频电感，以便减少滤波电容充电电流的尖峰。有源功率因数校正：有源功率因 数校正能使电源的输入功率因数提高接近lo5. ups的组成和设计幣流器触发逆变器触

22、发控制电路控制屯路辅助电賂辅助电路旁路电源静止开关 控制电路静止开关16. ups蓄电池容量的选择:mnxpcosd*e mm(4-1)蓄电池放电速率例：一台120kva的ups电源，要求蓄电池后备工作30min,临界放电电压320v,求电池组标 称容量。解：电池组最大放电电流为=333. 3a120 x 10* va x 0. 80.9 乂320 v根据蓄电池后备工作30min,查表知需要电池组提供的放电速率为0. 92c左右，则标称容量c = 33蔦a h = 362a h(44)7. 整流器在ups中的作用：将市电交流转化为直流电，经滤波后供给逆变器；给蓄电池提供 充电电压，其充电起作用

23、。&逆变器在ups中的作用：逆变器是ups的核心部分，负责把整流滤波后的直流电或蓄电池 储存的直流电转换为用户所需的稳压稳频交流电能。ups逆变器主电路结构选择：半桥式、全桥式、推挽式。小容量后备式方波ups多采用推挽 式逆变器结构，中大容量ups多采用全桥式逆变器结构,极少数采用半桥式逆变器结构。 ups逆变器根据容量和用途的不同，有输入输出隔离型和非隔离型。& ups滤波电路包括交流输入滤波、克流电压滤波、及交流输出滤波3大类。滤波电路的设 计主要考虑差模滤波和共模滤波。其功能是改善变换器从电网来供电质暈以及对负载供电供 电的电压质量。lc滤波器的谐振频率右 0.1x2/(

24、4 5)滤波器特性阻抗(4-6)系统特性阻抗q=(。50.8) &5 7)9. 接地装置：保护接地，逻辑接地，防雷接地。10. 保护和报警系统：过载保护，过电压保护，欠电压保护，短路保护，过热保护，蓄电池的 液面和温度保护，三项输入型ups输入电压异常保护。11. 基本锁相环是rti鉴相器、环路滤波器和斥控振荡器组成的一种相位负反馈系统。12. 工作原理：鉴相器的输出信号v d (t)是输入信号vi (t)和振荡器输出信号v o (t) 的相位差,该误差电压信号通过环路滤波器滤除高频分量和噪声后，输出低频信号vc (t)作 为co的控制信号。在控制电压v c (t)作用下，vco输出信

25、号v o (t)的频率发生变化 并反馈到鉴相器。第5章 直流-直流变流装置1. 四彖限斩波调速系统原理：a. 电动机正向电动状态运行，变换器工作在第一象限，使t4导通，t2、t3关断，根据转速 要求对t1进行pwm调制，此时变换器等效为一个降压斩波电路，能量由输入直流电源供向负 载。b. 电动机正向制动状态可以使t4导通，t1,t3关断，变换器等效为一个升压斩波电路，调控t2,电动机的反电势升压变换得到一个略人于ud的电压，使得电动机的输出电流反向，电磁 转矩反向，直流电机运行在发电制动状态，电机的能量就回馈到电网，转速下降。c.电动机反向电动状态运行原理跟正向相似，即第三象限运行，使t2导通

26、，t1,t4关断，対t3 进行pwm调制。d.电动机反向制动状态同正向原理，使t2导通，tl, t3关断，调控t4,电机可以运行于反向 制动状态。直流电机四象限斩波调速系统设计直流电机四象限斩波调速系统设计硕件平台：三相igbt桥(带缓冲)3滑怎电机调速系统2.调速系统原理框图zo|t，°2 d,ud2l制动绕m张动绕组滑怎电机滑差电机调速原理：电磁调速异步电动机是rh普通鼠笼式异步电动机.电磁滑差离合器和电 气控制装置三部分组成。异步电机作为原动机使用，当它旋转时带动离合器的电枢一起旋转, 改变离合器的电磁力，就能改变电动机的转速。离合器的励磁电流是直流，通过直流斩波电 路可以调节

27、它的励磁电流，改变它的电磁力。4.具有中间变换环节的dc/dc变换器 主电路工作原理24v直流电源系统框图24v直流电源主电路基本结构图5. 高频软开关变换通过谐振电路造成开关管在开通或关断时的零电压或零电流开关环境，使得器件开关过程类 似于缓冲电路，这就是软开关技术。有谐振开关技术和恒频软开关技术。6. 移相控制全桥软开关dc/dc变换器移相全桥零电压开关dc/dc电源第6章晶闸管变流装置1. 交流调功器基本原理：图中方框部分为调功器。快速熔断器fu、反并联晶闸管vt、电流互感器ta等组成调功器主 电路。零脉冲电路（1）、导通比电路（2）、过流截止电路（3）、“与”门电路（4）和脉 冲变压器

28、（5）组成晶闸管控制电路。电炉负载rl,温度传感器bst及ptd调节器通过外控 开关s与调功器组成闭环控制，可自动调节电路温度。“与”门电路（4）接受三个信号。首先是电路（1）发出的与电源电压波形过零点同步的触 发脉冲，即“零脉冲”信号；英次是电路（2）周期性输出的高电平连续可调的导通比（占空 比）信号；第三是过电流截止信号。只要主电路没有出现过电流，电路（3）就输出高电平,“与”门电路与脉冲变压器均输出与电源电压过零点同步的、数目连续可调的触发脉冲，使 vt相应导通。所以，调功器输出功率可在零与全功率（导通比为1,既连续导通时的输出功 率）输出之间平滑可调。触发脉冲0过吧uuuuuuuuui

29、i_n_n（b）变周期过零触发心人2恒周期和变周期调功器控制原理调功器基本原理2. 晶闸管相控调速系统(1)晶闸管相控整流直流电动机调速系统系统采用转速、电流双闭环的控制结构。两个调节器分别调节转速和电流，两者之间实行串 行连接，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制品闸管的 触发电路。从闭坏反馈的结构上看，电流调节坏是内坏，按典型t型系统设计；速度调节坏 为外环，按典型1【型系统设计。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节 器都釆用pi调节器，这样组成的双闭环系统，在给定突加(含启动)的过程中表现为一个 恒值电流调节系统，在稳态中又表现为无静差调速系统

30、，可获得良好的动态及静态品质。三相桥式全控整流主电路及系统原理图触发器原理图输入器原理图dzi（2）晶闸管相控交流调压调速系统异步电动机定子供电频率不变时，其电磁转矩与输入电压有效值的平方成正比，利用交流调 压电路，可以达到调速目的，但在实际系统中，还必须能控制异步电动机正、反向运转，一 般可在主电路中串入两个接触器來改变供电电压相序。下图是一个简单的交流调压调速系统。它主要市给定电源、交流电压变换器、速度调节器、 交流电流变换器、电流调节器，触发脉冲装置、晶闸管髙压器、电动机等组成，该系统没有 速度反馈，只有电压反馈，是个调压系统，用于对调速精度要求不高的场合，釆用6只晶闸 管组成调压器为异步电动机供电。2x,rpiyov loo-q+1交流调压调速系统主要控制部件原理图vv触发器零位启动保护电路第7章 电力系统用电力电子装置1. 电力系统无功补偿：电容补偿是主要的无功补偿之一。随着电力电子技术发展，出现了开 关型静止无功补偿装置，主要有阻抗补偿