1、 1 电力电子期末复习电力电子期末复习 第第 1 章章 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、电子技术分为信息电子技术与电力电子技术。信息电子技术主要用于信息处 理，电力电子技术主要用于电力变换。 3、电力变换的种类： （1）交流变直流 AC-DC：整流整流； （2）直流变交流 DC-AC： 逆变逆变； （3）直流变直流 DC-DC：一般通过直流斩波斩波电路实现； （4）交流变交流 AC-AC：一般称作交流电力控制 第第 2 章章 电力电子器件电力电子器件 晶闸管是硅晶体闸流管的简称，常用的外形有螺栓型与平板型
2、。晶闸管的内部结 构具有 3 端、4 层、3 个 PN 结。在螺栓式晶闸管上有螺栓的一端是阳极。 晶闸管的工作状态有正向阻断状态，正向导通状态和反向阻断状态。 晶闸管的导通晶闸管的导通 导通条件：导通条件：晶闸管承受的正向电压且门极有触发电流。 维持导通的条件维持导通的条件: :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。 误导通现象：误导通现象：1）阳极电压过高造成雪崩效应 2）阳极电压上升率过高（du/dt） 3）结温较高 4）光触发 在晶闸管应用电路中，为了防止误触发，应使干扰信号的幅值限制在不触发区 晶闸管的关断：晶闸管的关断：1）当阳极电流小于维持电流电流时，晶闸管才会
3、由导通转为截 止。2）为了保证晶闸管可靠迅速地关断，在管子阳极电压下降为零之后，应 加 一段时间的反向电压。3）晶闸管在触发开通过程中，当阳极电流小于擎住电流 之前，如去掉触发脉冲，晶闸管又会关断。 晶闸管正常工作静态特性晶闸管正常工作静态特性 1）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）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。 选择晶闸管选择
4、晶闸管 1） 额定电压额定电压:取晶闸管的断态重复峰值电压与反向重复峰值电压中较 小的标值。 额定电压一般为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的 2 3 倍。 2） 通态平均电流通态平均电流：晶闸管在环境温度 40和规定的冷却状态下，稳定结温 时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 额定电流一般取通态平均电流的 1.5 2 倍。 2 正弦波波形平均值与有效值之比为 1：1.57。 3） 晶闸管的维持电流 IH：在 40以下温度条件下，门极断开时，晶闸管从较大 通态电流下降到刚好能保持导通所必须的最小阳极电流。 4） 同一晶闸管，维持电流 IH小于掣住电流 IL，断态不重复峰值电压 UDSM小
5、于转 折电压 UBO。 晶闸管的型号晶闸管的型号 1） 晶闸管的型号为 KK2009， KK 表示快速晶闸管； 200 表示表示额定电流 200A， 9 表示额定电压 900V。KP 表示普通晶闸管，KS 表示双向晶闸管 2） 双向晶闸管的额定电流的定义与普通晶闸管不一样，双向晶闸管的额定电流 是用电流有效值来表示的。 常用电力电子器件、电气符号、文字符号和分类常用电力电子器件、电气符号、文字符号和分类 器件名称 电力二 极管 晶闸管 可关断 晶闸管 大功率 晶体管 电力场效 应晶体管 绝缘栅双 极晶体管 电气符号 文字符号 VD VT GTO GTR MOSFET IGBT 控制程 度分类
6、不可控 半控 全控 控制信 号分类 电流驱动 电压驱动 载流子 参与导 电分类 单极型 双极型 复合型 备注 在可控的器 件中容量最 大 单管输 出功率 最大 存在二 次击穿 现象 可控器件 中工作频 率最高 应用最广 泛； 存在擎 住现象 IGBT、GTR、GTO 和电力 MOSFET 的优缺点的比较如下表： 器 件 概念 工作频率 驱动功率 工作功率 GTO 门极可关断晶闸管 晶闸管派生器件 1 2KHz 小 大 GTR 电力晶体管 10KHz 大 电 力 MOSFET 电力场效应管 100KHz 小 小于 10KW IGBT 绝缘栅双极晶体管由 GTO、GTR、电 力 MOSFET 复合
7、而成 高 小 小于 GTO 3 第第 3 章章 整流电路整流电路 一、单相整流电路一、单相整流电路 单相全控桥反电动势负载电路中，当控制角 大于不导电角 时，晶闸管的导通 角； 当控制角 小于不导电角 时，晶闸管的导通角。 二、三相整流电路二、三相整流电路 单相半波可控整流电路 单相桥式全控整流电路 电阻负载 阻感负载 电阻负载 阻感负载 反电动势 移相范围 最大正向电压 最大反向电压 电流平均值 电流有效值 输出电压平均值 负载直流电流平 均值 三相半波可控整流电路 三相桥式全控整流电路 电阻负载 阻感负载 电阻负载 阻感负载 移相范围 4 1、三相半波可控整流电路带电阻负载不同触发角工作时
8、的情况 1）当时，负载电流处于连续状态，各相导电。 2）当时，负载电流处于连续和断续的临界状态，各相仍导电。 3） 当时，负载电流处于断续状态，直到时，整流输出电压为 零。 2、三相半波可控整流电路带阻感负载不同触发角工作时的情况 1)阻感负载状态下，由于大电感的存在，使负载电流始终处于连续状态，整流获 得的电流波形基本是平直的， 即流过晶闸管的电流接近矩形波。 各相导电。 2）当时，整流电压波形与电阻负载时相同，负载电流均连续。 3）当时，负载电压波形将出现负的部分，并随着触发角的增大，使负 的部分增多。 4）当时，负载电压波形中正负面积相等，平均值为 0。 3、三相桥式全控整流电路的工作特
9、点： 1）每个时刻均需要两个晶闸管同时导通，形 成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共 阴极组的，一个共阳极组的，且不能为同一 相得晶闸管。 2）对触发脉冲的要求：六个晶闸管的脉冲按 VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6 的顺序， 相位一 最大正向电压 最大反向电压 电流有效值 输出电压平均值 负载直流电流平均值 5 次差；共阴极组 VT1,VT3,VT5 的脉冲依次差，共阴极组 VT4,VT6,VT2 也依次差；同一相得上下两个桥臂，即 VT1 与 VT4，VT3 与 VT6，VT5 与 VT2，脉冲相差 3）整流输出电压 Ud 一周期脉动六次，每次脉动的波形一样，故该电路为六脉
10、波整流电路。 4）在整流电路合闸启动过程种或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证 导通的两个晶闸管均有脉冲。 为此可采用两种方法： 一种是使脉冲宽度大于 （一般取） ，称为宽脉冲触发；另一种方法是，在触发某个晶闸管的同 时，给前一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，连个窄脉冲的前沿 相差，脉宽一般为,称为双脉冲触发。 5）时，整流输出电压连续；时，整流输出电压断续。 三、单相全波与单相全控桥的区别三、单相全波与单相全控桥的区别 1）单相全波可控整流电路中变压器结构复杂相对单相全控桥消耗资源多。 2）单相全波可控整流电路只用两个晶闸管，比全控桥少相应驱动电路也少，但 晶闸管承受最大电
11、压是全控桥的两倍。 3）单相全波可控整流电路导电回路只含一个晶闸管，比单相桥少，管压降也少。 四、双反四、双反星型与三相桥式电路的区别星型与三相桥式电路的区别 1）前者是两组三相半波电路并联，且需平衡电抗器，后者是两组三相半波电路 串联。 2）当变压器二次电压有效值相等时，双反星型电路的整流电压平均值是三 相桥的一半，而整流电流平均值是三相桥的两倍。 3)在两种电路中晶闸管的导通机触发脉冲的分配关系一样，整流电压整流电 流一样。 第第 4 4 章章 逆变电路逆变电路 一、一、换流方式换流方式 6 1、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。 2、电网换流：由电网
12、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。 3、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。 4、强迫换流：设置附加换流电路，给欲关断的晶闸管强追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 二、二、逆变逆变 1、逆变的概念 1）逆变定义：把直流电转变成交流电，对应于整流的逆向过程，即为逆变。 2）有源逆变电路：将交流侧和电网连结时的逆变电路，实质是整流电路形式。 3）无源逆变电路：将交流侧直接与负载连
13、接，即把直流电逆变为某一频率或可 调频率的交流电供给负载的电路。 2、逆变产生的条件 1）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。 2）要求晶闸管的控制触发角，使为负值。 四、逆变失败四、逆变失败 1、逆变失败指的是：逆变过程中因某种原因使换流失败，该关断的器件末关断， 该导通的器件末导通。从而使逆变桥进入整流状态，造成两电源顺向联接，形 成短路。 2、逆变失败后果是严重的，会在逆变桥与逆变电源之间产生强大的环流，损坏 开关器件。 3、产生逆变失败的原因：一是逆变角太小；二是出现触发脉冲丢失；三是主电 路器件损坏；四是电源缺相等。 产
14、生逆变失败的原因： 1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确的给各晶闸管分配脉冲 2）晶闸管发 生故障 3）在逆变工作时，交流电源发生缺相或突然消失 4）换相的裕量角不足， 引起换相失败 4、逆变失败防止：选用可靠的触发器，使用性能良好的晶闸管，保证交流电源 的质量，留出充足的换向裕量角 。 5、为防止因逆变角 过小而造成逆变失败，一般应取 30 35 度，以保证逆 变时能正常换相。 五、逆变电路 逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种： 直流侧是电压源的称为电压型 7 逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。 1、电压型逆变电路有以下主要特点： 1）直流侧为电压源，或并联有大电容。直
15、流 侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。 2）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。 3）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。 4）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。 2、电流型逆变电路的特点： 1）直流侧串联大电感，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。 2）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。交流侧输出电压波 形和相位则因负载
16、阻抗情况的不同而不同。 3）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。 3、电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有 反馈二极管？ 答：在电压型逆变电路中，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。当输出交流电压和电流的极性相同时，电 流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压电流极性相反时，由反馈二极管 提供电流通道。 在电流型逆变电路中，直流电流极性是一定的，无功能量由直流侧电感来缓 冲。当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时，电流
17、并不反向，依然经电路中的 可控开关器件流通，因此不需要并联反馈二极管。 第第 5 5 章章 直流直流- -直流变流电路直流变流电路 例 1 在降压斩波电路中， 已知E=200V，R=10， L值极大，EM=30V，T=50s,ton=20s,计算输 出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。 解 ： 由 于L值 极 大 ， 故 负 载 电 流 连 续 ， 于 是 输 出 电 压 平 均 值 为 ；输出电流平均值为 t t t O O O b) T E iG ton toff io i1 i2 I10I20 t1 uo O O O t t t T EE c) iG iG ton toff io tx
18、 i1 i2 I20 t1t2 uo EM E V + - M R L VD a) io EM uo iG 8 例 2 在图示升压斩波电路中，已知 E=50V，负载电阻 R=20，L 值和 C 值极大，采用脉宽调制控制方式， 当 T=40s，ton=25s 时，计算输出电压平均值 U0，输 出电流平均值 I0。 解：输出电压平均值为： 输出电流平均值为： 1、直流斩波电路的三种控制方式 1）保持开关周期 T 不变，调节开关导通时间，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽 型，简称“PWM”调制。 2）保持开关导通时间不变，改变开关周期 T，称为频率调制或调频型，简称 为“PFM”调制。 3）和 T 都可调
19、，使占空比改变，称为混合型。 2、相比较于升降压电路，Cuk 斩波电路的优点，其输入电源电流与输出负载电 流均连续，没有阶跃变化，有利于对输入、输出滤波。 3、Sepic 电路电源电流连续但负载电流是脉冲波形，有利于输入滤波，Zeta 电路 电源电流脉冲波形而负载电流连续。两电路输出电压均为正极性，且输入输出关 系相同。 4、导电方式:每个桥臂（上或下）的导电角度为，每次换流都是同一 相上下两个桥臂交替之间进行， 各相开始导电的角度依次相差， 因此也称为 纵向换流。 5、导电方式：每个桥臂（左或右）的导电角度为，按到的顺序 每隔依次导通，每次换流都是在上桥臂组或下桥臂组的组内依次换流，因此 也
20、称为横向换流。 第第 6 6 章章 交流交流交流交流变流变流电路电路 1、 交流交流变流电路是把一种形式的电流变成另一种形式的电流的电路。 （可 改变相关的电压（电流）、频率和相数） 2、只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路称为交流 电力控制电路。 9 3、在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便的调节输出电压的 有效值的电路称为交流调压电路。 4、以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断态周期数的 比，可以方便的调节输出功率的平均值的电路称为交流调功电路。 5、交流调压电路和交流调功电路有什么区别？二者各运用于什么样的负载？为 什么？ 答： 交
21、流调压电路和交流调功电路的电路形式完全相同，二者的区别在于控制方 式不同。 交流调压电路是在交流电源的每个周期对输出电压波形进行控制。 而交流调 功电路是将负载与交流电源接通几个周波，再断开几个周波，通过改变接通周波 数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。 交流调压电路广泛用于灯光控制及异步电动机的软起动，也用于异步电动机 调速。在供用电系统中，还常用于对无功功率的连续调节。此外，在高电压小电 流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。 交流调功电路常用于电炉温度这样时间常数很大的控制对象。由于控制对象 的时间常数大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁控制
22、。 6、交交变频电路的最高输出频率是多少？制约输出频率提高的因素是什么？ 答：一般来讲，构成交交变频电路的两组变流电路的脉波数越多，最高输出 频率就越高。当交交变频电路中采用常用的 6 脉波三相桥式整流电路时，最高输 出频率不应高于电网频率的 1/31/2。当电网频率为 50Hz 时，交交变频电路输出 的上限频率为 20Hz 左右。 当输出频率增高时，输出电压一周期所包含的电网电压段数减少，波形畸变 严重， 电压波形畸变和由此引起的电流波形畸变以及电动机的转矩脉动是限制输 出频率提高的主要因素。 第第 7 7 章章 PWMPWM 控制技术控制技术 1、PWM 波：一系列等幅值而不等宽度的矩形脉
23、冲就是 PWM 波形。 2、面积等效原理 （1）冲量的定义：指窄脉冲的面积。 （2）脉冲面积等效原理：当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，即惯性环节的输出响应波形基本相同。 3、SPWM 波形：当 PWM 波形的脉冲宽度按正弦规律变化，与正弦波等效时，称为 SPWM 波形。 4、同步调制：在 PWM 控制电路中，载波频率 与调制信号频率之比 称为载波比，当它为常数时的调制方式称为同步调制。 5、异步调制：载波信号和调制信号不保持同步的调制方式，即 N 值不断变化， 称为异步调制。 10 第第 8 8 章章 软开关技术软开关技术 1、根据电路中主要的开关元件开通
24、及关断时的电压电流状态，可将软开关电路 分为零电压电路和零电流电路两大类； 2、根据软开关技术发展的历程可将软开关电路分为准谐振电路，零开关 PWM 电 路和零转换 PWM 电路。 3、软开关电路种类很多，大致可分成零电压电路、零电流电路两大类。 4、对异步电动机实施变频调速控制，通常的控制方式有恒压频比控制、转差频 率控制、矢量控制、直接转矩控制等四种。 第第 9 9 章电力电子器件应用的共性问章电力电子器件应用的共性问题 1、驱动电路的基本任务是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求， 转换为加工在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。 2 、电力电子器件的过电压保护和过电流保护 1）在晶闸管两端并联的 RC 回路是用来防止过流损坏晶闸管的。 2）为了防止雷电对晶闸管的损坏，可在整流变压器的一次线圈两端并接一个压 敏电阻或 RC 回路。 3、晶闸管的串联或并联要进行均压或均流保护 晶闸管元件并联时，要保证每一路元件所分担的电流相等。 两个以上晶闸管串联使用时，要给每只管子并联相同的 RC 电路是均压措施。
