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电力电子技术重点 作者： 日期：28 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流过晶闸管的电流平均值IdT和有效值IT分别为续流二极管的电流平均值IdDR和有效值IDR分别为其移相范围为180，其承受的最大正反向电压均为u2的峰值即 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负载直流电流平均值 I2Id 晶闸管参数计算 承受最大正向电压： 承受最大反向电压： 触发角的移相范围：时，；时，。因此移相范围为。 晶闸管电流平均值：。（5）流过晶闸管的电流有效值为：IVTId（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触发角的移相范围时，；时，。因此移相范围为。晶闸管承受电压：正向：；反向：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Ud0.9 U2 cos Id (UdE)/R I2Id 晶闸管承受的最大反向电压为：U2流过每个晶闸管的电流的有效值为：IVTId 三相半波可控整流电路 带电阻负载 时，整流电压平均值（负载电流连续）：当时，最大，。时，整流电压平均值（负载电流断续）：当时，最小， 负载电流平均值： 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， 晶闸管承受的最大正向电压：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）：。 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， 负载电流平均值：IdVTId3 IVTId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：时，整流输出电压连续；时，整流输出电压断续。 整流电压平均值计算公式：以所处的线电压波形为背景，周期为。 输出电流平均值计算公式：三相桥式全控整流电路 带电阻电感负载Ud2.34U2cosa IdUdR IDVTId3 IVTId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。图2-27 晶闸管导电波形解：a) Id1=()0.2717 ImI1=0.4767 Imb) Id2 =()0.5434 ImI2 =0.6741Ic) Id3= ImI3 = Im5. 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) Im1329.35，Id10.2717 Im189.48b) Im2232.90,Id20.5434 Im2126.56c) Im3=2 I = 314,Id3= Im3=78.5第三章 整流电路 3单相桥式全控整流电路，U2100V，负载中R2，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：输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2分别为Ud0.9 U2 cos0.9100cos3077.97（V）IdUd /R77.97/238.99（A）I2Id 38.99（A） 晶闸管承受的最大反向电压为：U2100141.4（V）考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：UN（23）141.4283424（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：IVTId27.57（A）晶闸管的额定电流为：IN（1.52）27.571.572635（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： 5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a=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： 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Ud0.9 U2 cos0.9100cos3077.97(A)Id (UdE)/R(77.9760)/29(A)I2Id 9(A) 晶闸管承受的最大反向电压为：U2100141.4（V）流过每个晶闸管的电流的有效值为：IVTId 6.36（A）故晶闸管的额定电压为：UN(23)141.4283424（V） 晶闸管的额定电流为：IN(1.52)6.361.5768（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a=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： Ud、Id、IdT和IVT分别如下Ud1.17U2cosa1.17100cos6058.5（V）IdUdR58.5511.7（A）IdVTId311.733.9（A）IVTId6.755（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a=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： Ud、Id、IdT和IVT分别如下Ud2.34U2cosa2.34100cos60117（V）IdUdR117523.4（A）IDVTId323.437.8（A）IVTId23.413.51（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a=30时、E=50V时Ud、Id、g 的值并作出ud与iVT1和iVT2的波形。 解：考虑LB时，有：Ud1.17U2cosUdUd3XBId2Id（UdE）R 解方程组得：Ud（R 1.17U2cos3XBE）（2R3XB）94.63（V）Ud6.7（V）Id44.63（A）又2U2 即得出=0.752 换流重叠角g 41.28- 30=11.28ud、iVT1和iVT2的波形如下： 17三相全控桥，反电动势阻感负载，E=200V，R=1，L=，U2=220V，a=60，当LB=0和LB=1mH情况下分别求Ud、Id的值，后者还应求g 并分别作出ud与iT的波形。解：当LB0时：Ud2.34U2cos2.34220cos60257.4（V）Id（UdE）R（257.4200）157.4（A）当LB1mH时Ud2.34U2cosUdUd3XBIdId（UdE）R解方程组得：Ud（2.34U2R cos3XBE）（R3XB）244.15（V）Id44.15（A）Ud13.25（V）又2XBIdU20.448563.35603.35ud、IVT1和IVT2的波形如下：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、MOSFET和IGBT。（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MOSFET、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MOSFET。（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，晶闸管不能导通，主要是中间存在反向PN结。（2）当GK间加正向电压，NPN晶体管基极存在驱动电流，NPN晶体管导通，产生集电极电流。（3）集电极电流构成PNP的基极驱动电流，PNP导通，进一步放大产生PNP集电极电流。（4）与构成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，但是NPN基极仍然存在电流，由PNP集电极电流供给，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MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它是电压型器件。（3）当大于某一电压值时，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MOSFET是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MOSFET和GTR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（），直流输出电压，而且，才能输出电枢电流。 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，必须改变的极性，同时直流输出电压也改变极性（，）。 此时，必须保证，才能把电能从直流侧送到交流侧，实现逆变。 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？答：主要由于全波电路有外接直流电动势的存在且，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，使为负值。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PWM（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/frPWM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） 使器件工作在较理想的开关状态（2）缩短开关时间（3）减小开关损耗（4）提高装置的运行效率、可靠性和安全性驱动电路的分类：（1）电流驱动型：GTO、GTR（2）电压驱动型：MOSFET、IGBT（晶闸管的驱动电路常称为触发电路）驱动电路的发展趋势：分立元件专用集成驱动电路*晶闸管的触发电路 作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。*电力电子装置可能的过电压原因2.电力电子器件的保护外因过电压：(1) 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起(2) 雷击过电压：由雷击引起抑制外因过电压来采用RC过电压抑制电路。采用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较常用的措施。内因过电压：（1）换相过电压：由线路电感在器件两端感应出过电压 （2）关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压 RC3和RCD为抑制内因过电压的措施。 *过电流分过载和短路两种情况。过电流保护措施：快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施*快速熔断器：电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施*快熔对器件的保护方式分两种：全保护和短路保护全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合短路保护方式：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用*晶闸管的串联1、静态不均压问题采取的措施：1）选用参数和特性尽量一致的器件2）采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多2、动态不均压问题采取的措施：1）选择动态参数和特性尽量一致的器件 2）用RC并联支路作动态均压3）采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间上的差异*晶闸管的并联问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀均流措施：1）挑选特性参数尽量一致的器件2）采用均流电抗器3）用门极强脉冲触发也有助于动态均流4）当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接第十章正组变流器反组变流器na3a2a1Ida4b2b3b4b1a =b =p2a =b =p2b3b2b1b4a2a3a4a1a1=b 1;a 1=b1a2=b 2;a 2=b2a 增大方向b 增大方向a 增大方向b 增大方向第1、第4象限中的特性和第3、第2象限中的特性是分别属于两组变流器的，它们输出整流电压的极性彼此相反，故分别标以正组和反组变流器。 运行工作点由第1（第3）象限的特性，转到第2（第4）象限的特性时，表明电动机由电动运行转入发电制动运行；相应的变流器的工况由整流转为逆变。