电力电子技术期末复习

1、电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电力变换通常分为四大类:1、交流变直流ACDC (整流2、直流变交流DCAC (逆变3、直流变直流DCDC (斩波4、交流变交流ACAC 交流变交流可以是电压或电力的变换,称做交流电力控制,也可以是频率或相数的变换。电力电子器件的系统一般由控制电路、驱动电路和易电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。主电路中的电压和电流一般都较大,而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流。在电力电子系统中,主要承担电能的变换或控制任务的电路成为主电路电力电子器件的分类:半控型器件:晶闸管;全控型器件:绝缘栅双极晶体管IGBT,电力场效应晶体管MOS

2、FET.;不可控器件:电力二极管。电力二极管可以有螺栓形、平板行等多种封装。二极管基本原理:PN结单向导电性。电力二极管可以有螺栓型、平板型等封装元件名称:电力晶体管GTR,可关断晶闸管GTO,功率场效应晶闸管MOSFET,绝缘栅双极型晶体管IGBT;门极可关断晶闸管GTO,电力双极型晶体管BJT,电力场效晶体管Power-MOSFET (电力MOSFET;电力二极管Power Diode;半导体整流器Semiconductor Recifier ,SR;MOS控制晶闸管MCT;静电感应晶体管SIT;静电感应晶闸管SITH;集成门极换流晶闸管IGCT;电力二极管的正向平均电流为F(AVI,则允

3、许流过的最大电流有效值为1.57F(AVI。电力二极管的反向重复峰值电压为雪崩击穿电压的2/3晶闸管静态特性: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、关断晶闸管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。动态特性:1、开通过程(开通时间t gt=上升t r+延迟t d:;2、关断过程(关断时间t q=反向阻断恢复t rr+正向阻断恢复t gr门极可关断晶闸管GTO是一种多元的功率

4、集成器件。电力晶体管GTR耐压高、电流大、开关特性好。电力场效应晶体管(电力MOSFET绝缘栅双极晶体管IGBT/IGT2. 使晶闸管导通的条件是什么?答: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:u AK>0且u GK>0。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1-43中阴影部分为晶闸管处于通

5、态区间的电流波形,各波形的电流最大值均为I m,试计算各波形的电流平均值I d1、I d2、I d3与电流有效值I1、I2、I 。0022244254abc图1-43图1-43 晶闸管导电波形aI d1=214(sin ttdIm=2mI(122+0.2717I mI1=42(sin(21tdtIm=2mI2143+0.4767I mbI d2=14(sin ttdIm=mI(122+0.5434I mI2 =42(sin(1tdtIm=2mI2123+0.898 I mcI d3=212(tdIm=0.25I mI3 =22(21tdIm=0.5I m5. 上题中如果不考虑安全裕量,问100

6、A的晶闸管能送出的平均电流I d1、I d2、I d3各为多少?这时,相应的电流最大值I m1、I m2、I m3各为多少?解:额定电流I T(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 I m14767.0I329.35,I d10.2717I m189.48b I m26741.0I232.90, I d20.5434I m2126.56cI m3=2 I = 314, I d3=41I m3=78.5整流电路分类:1、单相半波可控整流电路2、单相桥式全控整流电路3、单相全波可控整流电路4、单相桥式半控整流电路5、三相半波可控整流电路6、三相桥式全控整流电

7、路产生逆变的条件:1、要有直流电动势,其极性需和晶闸管的导通方向一致,其值应大于变流器直流侧的平均电压;2、要求晶闸管的控制角>/2,使Ud为负值。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u d、i d 、和i 2的波形;求整流输出平均电压U d 、电流I d ,变压器二次电流有效值I 2;考虑安全裕量,确定晶闸管的额定电压和额定电流。解:u d 、i d 、和i 2的波形如下图: 输出平均电压U d 、电流I d ,变压器二次电流有效值I 2分别为 U d =0.9 U 2 cos =0.9×100×cos

8、30°=77.97(V I d =U d /R =77.97/2=38.99(A I 2=I d =38.99(A 晶闸管承受的最大反向电压为:2U 2=1002=141.4(V 考虑安全裕量,晶闸管的额定电压为: U N =(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:I VT =I d 2=27.57(A 晶闸管的额定电流为:I N =(1.52×27.571.57=2635(A 具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。6. 晶闸管串联的单相半控桥(桥中VT 1、VT 2为晶闸管,电路如图2-11所示,U 2

9、=100V ,电阻电感负载,R =2,L 值很大,当=60时求流过器件电流的有效值,并作出u d 、i d 、i VT 、i D 的波形。 解:u d 、i d 、i VT 、i D 的波形如下图: i i负载电压的平均值为:23/cos(19.0(d sin 21232d +=U t t U U =67.5(V 负载电流的平均值为: I d =U d R =67.522=33.75(A 流过晶闸管VT 1、VT 2的电流有效值为:I VT =31I d =19.49(A 流过二极管VD 3、VD 4的电流有效值为:I VD =32I d =27.56(A 7. 在三相半波整流电路中,如果a

10、相的触发脉冲消失,试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流电压u d 的波形。解:假设=0,当负载为电阻时,u d 的波形如下:当负载为电感时,u d 的波形如下:11.三相半波可控整流电路,U 2=100V ,带电阻电感负载,R =5,L 值极大,当=60时,要求: 画出u d 、i d 和i VT1的波形; 计算U d 、I d 、I dT 和I VT 。 解:u d 、i d 和i VT1的波形如下图:ti u 2U d 、I d 、I dT 和I VT 分别如下U d =1.17U 2cos =1.17×100×cos60°=58.5(V I d =U d R

11、 =58.55=11.7(A I dVT =I d 3=11.73=3.9(A I VT =I d 3=6.755(A 12.在三相桥式全控整流电路中,电阻负载,如果有一个晶闸管不能导通,此时的整流电压u d 波形如何?如果有一个晶闸管被击穿而短路,其他晶闸管受什么影响?答:假设VT 1不能导通,整流电压u d 波形如下: 假设VT 1被击穿而短路,则当晶闸管VT 3或VT 5导通时,将发生电源相间短路,使得VT 3、VT 5也可能分别被击穿。13.三相桥式全控整流电路,U 2=100V ,带电阻电感负载,R =5,L 值极大,当=60时,要求: 画出u d 、i d 和i VT1的波形; 计

12、算U d 、I d 、I dT 和I VT 。 解:u 、i 和i 的波形如下:i U d 、I d 、I dT 和I VT 分别如下U d =2.34U 2cos =2.34×100×cos60°=117(V I d =U d R =1175=23.4(A I DVT =I d 3=23.43=7.8(A I VT =I d 3=23.43=13.51(A 1.无源逆变电路和有源逆变电路有何不同? 答:两种电路的不同主要是:有源逆变电路的交流侧接电网,即交流侧接有电源。无源逆变电路的交流侧直接和负载联接。2.换流方式各有那几种?各有什么特点? 答:换流方式有4种

13、:器件换流:利用全控器件的自关断能力进行换流。全控型器件采用此换流方式。电网换流:由电网提供换流电压,只要把负的电网电压加在欲换流的器件上即可。负载换流:由负载提供换流电压,当负载为电容性负载即负载电流超前于负载电压时,可实现负载换流。强迫换流:设置附加换流电路,给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压换流称为强迫换流。通常是利用附加电容上的能量实现,也称电容换流。晶闸管电路不能采用器件换流,根据电路形式的不同采用电网换流、负载换流和强迫换流3种方式。3.什么是电压型逆变电路?什么是电流型逆答:按照逆变电路直流测电源性质分类,直流电压型逆变电路的主要特点是: 直流侧为电压源,或并联有大电容,相当于由于

14、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。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥各臂都并联了反馈二极管。电流型逆变电路的主要特点是: 直流侧串联有大电感,相当于电流源。直流侧电流基本无脉动,直流回路呈现高阻抗。电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径,因此交流侧输出电流为矩形波,并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则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,直流侧电感起缓冲无功能量的作用。

15、因为反馈无功能量时直流电流并不反向,因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。1.简述图3-1a 所示的降压斩波电路工作原理。 答:降压斩波器的原理是:在一个控制周期中,让V 导通一段时间t on ,由电源E 向L 、R 、M 供电,在此期间,u o =E 。然后使V 关断一段时间t off ,此时电感L 通过二极管VD 向R 和M 供电,u o =0。一个周期内的平均电压U o =E t t t +offon on 。输出电压小于电源电压,起到降压的作用。 2.在图3-1a 所示的降压斩波电路中,已知E =200V ,R =10,L 值极大,E M =30V ,T =50s ,t

16、 on =20s ,计算输出电压平均值U o ,输出电流平均值I o 。 解:由于L 值极大,故负载电流连续,于是输出电压平均值为U o =E Tt on =5020020=80(V输出电流平均值为I o =RE U Mo -=103080-=5(A4.简述图3-2a 所示升压斩波电路的基本工作原理。 答:假设电路中电感L 值很大,电容C 值也很大。当V 处于通态时,电源E 向电感L 充电,充电电流基本恒定为I 1,同时电容C 上的电压向负载R 供电,因C 值很大,基本保持输出电压为恒值U o 。设V 处于通态的时间为t on ,此阶段电感L 上积蓄的能量为on 1t EI 。当V 处于断态时

17、E 和L 共同向电容C 充电并向负载R 提供能量。设V 处于断态的时间为t off ,则在此期间电感L 释放的能量为(off 1o t I E U -。当电路工作于稳态时,一个周期T 中电感L 积蓄的能量与释放的能量相等,即:(off 1o on 1t I E U t EI -=化简得:E t T E t t t U offoffoffon o =+=式中的1/off t T ,输出电压高于电源电压,故称该电路为升压斩波电路。5.在图3-2a 所示的升压斩波电路中,已知E =50V ,L 值和C 值极大,R =20,采用脉宽调制控制方式,当T =40s ,t on =25s 时,计算输出电压平

18、均值U o ,输出电流平均值I o 。 解:输出电压平均值为:U o =E t T off=50254040-=133.3(V 输出电流平均值为:I o =RU o =203.133=6.667(A1.试说明PWM 控制的基本原理。 答:PWM 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。在采样控制理论中有一条重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同,冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理以正弦PWM 控制为例。把正弦半波分成N 等份,就可把其看成是N 个彼此相连的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等,都等于/N ,但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线,各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积(冲量相等,就得到PWM 波形。各PWM 脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理,