1、电力电子技术-复习,考试内容：第1章到第9章 考试题型 填空题 20分 简答题 30-35分 计算题 45-50分,第1章 绪论,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。电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基 础。变流技术则是电力电子技术的核心,表1-1 电力变换的种类,第2章 电力电子器件,电力电子器件的功率损耗,关断损耗,开通损耗,开关损耗,断态损耗,通态损耗,第2章 电力电子器件,电力电子器件的分类（P40-41） 按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器件： 晶闸管 全控型器件：GTO、GTR、MOSFET、IGBT 不可控器件：电力二极管 按照驱动信号的性
2、质 电流驱动型：晶闸管、 GTO、GTR 电压驱动型： MOSFET、IGBT 按照驱动信号的波形 脉冲触发型：晶闸管、GTO 电平控制型： MOSFET、IGBT,第2章 电力电子器件,晶闸管正常导通条件 在承受正向电压和门极有触发电流情况下，晶闸管才能开通。 维持晶闸管导通的条件 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 怎样才能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。,第3章 整流电路,单相可控整流电路 三相可控整流电路 变压器漏感对整流电路的影响 整流电路的有源逆变工作状态 相控电路的驱动控制,
3、第3章 整流电路,单相可控整流电路 带电阻负载带阻感负载带反电动势负载电压、电流计算,3.1.1 单相半波可控整流电路,图3-1 单相半波可控整流电路及波形,带电阻负载的工作情况变压器T、电压瞬时值u1和u2，有效值U1和U2。 其它物理量表示如图. 电阻负载、电压与电流波形相同。 暂认为晶闸管（开关器件）为理想器件。,晶闸管导通时其管压降等于零，晶闸管阻断时其漏电流等于零。,触发脉冲,3.1.2 单相桥式全控整流电路,a),带电阻负载的工作情况 电路分析4晶闸管组成1-4, 2-3同开同断。在u2正半周在0- ，id=0, ud=0,VT1、VT4串联承受电压u2。在处给VT1和VT4加触发
4、脉冲，该两管通，电流从a-负载-b端。 在180 , id=0,VT1和VT4断。,VT2和VT3的=0处为t=,u2负半周，在处触发VT2和VT3导通,电流从b-负载-到a端。,3.1.1 单相半波可控整流电路,图3-2 带阻感负载的单相半波可控整流电路及其波形,带阻感负载的工作情况 阻感负载的特点是电流不突变。电路分析VT断态,id=0,ud=0,uVT=u2。处 ud=u2，id从0开始增加。在180处，id 0，VT仍导通。t2时刻，id降至零，VT关断。ud波出现负，平均值Ud下降。,晶闸管关断条件：晶闸管的电流降到维持电流以下,3.1.2 单相桥式全控整流电路,图3-6 单相桥式全
5、控整流电流带阻感负载时的电路及波形,带阻感负载的工作情况 电路分析在u2正半周期 触发角处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2。负载电感很大，id近似为水平线。u2过零时，VT1VT4流过id，不断。 t=+时，触发VT2和VT3导通，VT1VT4断,电流转移,称换相,亦称换流。,带反电动势负载时的工作情况 蓄电池、直流电动机等是反电动势负载。电路分析|u2|E时，才有导通的可能。导通后ud=u2，直至|u2|=E，id=0，ud=E时关断。称为停止导电角。,3.1.2 单相桥式全控整流电路,图3-7 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形,(3-16),第3章
6、整流电路,三相可控整流电路 带电阻负载带阻感负载电压、电流计算,3.2.1 三相半波可控整流电路,a,=30,u,2,u,a,u,b,u,c,O,w,t,O,w,t,O,w,t,O,w,t,O,w,t,u,G,u,d,u,ab,u,ac,w,t,1,i,VT,1,u,VT,1,u,ac,=30 电流处于连续和断续的临界状态，各相导电120。,图3-14 三相半波可控整流电路，电阻负载，=30时的波形,a),3.2.2 三相桥式全控整流电路,原理图 阴极连接在一起的（VT1，VT3，VT5)称为共阴极组；另3个称为共阳极组。 共阴极组与共阳极组与a，b，c三相电源相接。晶闸管的导通顺序为VT1-
7、VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。,图3-18 三相桥式全控整流电路原理图,3.3 变压器漏感对整流电路的影响,变压器漏感实际上变压器绕组总有漏感，该漏感可用一个集中的电感LB表示，并将其折算到变压器二次侧。由于电感对电流的变化起阻碍作用，电感电流不能突变，因此换相过程不能瞬间完成，而是会持续一段时间。 现以三相半波为例来分析，然后将其结论推广假设负载中电感很大，负载电流为水平线。,3.3 变压器漏感对整流电路的影响,分析从VT1换相至VT2过程t1时触发VT2，漏感致ia、ib不能突变，VT1VT2通，相当于短路，产生环流ik。ik=ib是逐渐增大的，而 ia=Id-ik是逐渐减小的。
8、 当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1关断，换流结束。 表示换相重叠角。,t1时刻,图3-26 考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形,3.7 整流电路的有源逆变工作状态,使变流器工作于有源逆变状态的条件 直流侧要有电动势，其极性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； 要求晶闸管的控制角/2，使Ud为负值。 逆变失败 逆变运行时，一旦发生换流失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变为顺向串联，由于逆变电路内阻很小，形成很大的短路电流。,逆变失败的原因 触发电路工作不可靠，如脉冲丢失、脉冲延时等。 晶闸管发生故障，
9、该断时不断，或该通时不通。 交流电源缺相或突然消失。 换相的裕量角不足，引起换相失败。 防止逆变失败的方法 采用精确可靠的触发电路，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等,3.7 整流电路的有源逆变工作状态,例：三相全控桥变流器，反电动势阻感负载，R=1，L=，U2=220V，LB=1mH，当EM=-400V， =60 时求Ud, Id与的值，此时送回电网的有功功率是多少？ 解：由题意可列出如下3个等式：三式联立求解，得2.342201cos(180-60)650110-3(-400)/(1+650110-3) -290.3（V）由下式可计算换流重叠角：，代入数据，得
10、： cos(180-60)cos（180-60+ ）=0.1279送回电网的有功功率为,3.8 相控电路的驱动控制,同步信号为锯齿波的触发电路结构,换流 电流从一个支路向另一个支路转移的过程 换流方式 器件换流 电网换流 负载换流 强迫换流 电压型逆变电路,第4章 逆变电路,4.2 单相电压型逆变电路,b),图4-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,半桥逆变电路 在两个电容的联结点便成为直流电源的中点。工作原理设V1和V2的栅极信号互补。uo为矩形波，Um=Ud/2。 电路带阻感负载，io如图所示的电流波形。,4.2.1 单相电压型逆变电路,a),b),图4-7 单相全桥逆变电路的移相调压
11、方式,移相调压方式 上下桥互补,且V3的基极信号比V1落后（0180）。工作过程t1时刻前V1和V4导通， uo=Ud。t1时刻V4截止，uo=0。t2时刻V1截止，uo=-Ud。到负载电流过零，uo仍为-Ud。t3时刻V3截止，而V4不能立刻导通，VD4导通续流，uo再次为零。改变 就可调节输出电压。,第5章 直流直流变流电路,基本斩波电路复合斩波电路带隔离的直流直流变流电路,5.1.1 降压斩波电路,图5-1 降压斩波电路的原理图及波形 a）电路图 b）电流连续时c）电流断续时的波形,降压斩波电路（Buck Chopper）,5.1.2 升压斩波电路,a),b),图5-2 升压斩波电路及其
12、工作波形 a）电路图 b）波形,升压斩波电路 工作原理假设L和C值很大。 V通态，L蓄能，C 较大Uo 基本恒定。V断态，向C充电，并向负载供能。基本的数量关系稳态时，L积蓄与释放的能量相等,化简得,上式中的,(5-20),(5-21),5.1.3 升降压斩波电路,a),图5-4 升降压斩波电路及其波形 a）电路图 b）波形,升降压斩波电路 工作原理 V导通时，L贮能。C维持输出。 V关断时，L向负载放能，电流i2，负载电压上负下正。,5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路,电流可逆斩波电路 桥式可逆斩波电路,5.2.1 电流可逆斩波电路,a),图5-7 电流可逆斩波电路及其波形 a） 电路图
13、 b） 波形,电路结构V1和VD1构成降压斩波电路，第1象限、电动。V2和VD2构成升压斩波电路，第2象限、再生制动。防止V1和V2同时导通。,5.2.2 桥式可逆斩波电路,图5-8 桥式可逆斩波电路,桥式可逆斩波电路 将两个电流可逆斩波电路组合起来，电动机可以4象限运行。工作过程V4导通时，等效为电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。V2导通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，提供负电压，工作于第3、4象限。,5.3 带隔离的直流直流变流电路,正激电路 反激电路 半桥电路 全桥电路 推挽电路 全波整流和全桥整流,5.3.1 正激电路,输出电压,输
14、出电感电流不连续时，在负载为零的极限情况下,(5-52),输出滤波电感电流连续时,S开通：S断开：,5.3.2 反激电路,图 5-14 反激电路原理图,图 5-15 反激电路的理想化波形,反激电路工作过程S开通后，VD处于断态，W1绕组的电流线性增长，电感储能增加。S关断后，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过W2绕组和VD向输出端释放，电压为 。,S开通：S断开：,5.3.3 半桥电路,输出电压,(5-54),S1或S2开通：,S1和S2关断：,5.3.3 半桥电路,输出电压,输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（5-54）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下,(
15、5-54),滤波电感L的电流连续时,5.3.6 全波整流和全桥整流,图5-22 a)全波整流电路原理图,双端电路中常用的整流电路形式为全波整流电路和全桥整流电路。 全波整流电路的特点优点：电感L的电流回路中只有一个二极管压降，损耗小，而且整流电路中只需要2个二极管，元件数较少。缺点：二极管断态时承受的反压较高，对器件耐压要求较高，而且变压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。适用场合：输出电压较低的情况下（100V）。,5.3.6 全波整流和全桥整流,全桥电路的特点优点：二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值，变压器的绕组简单。缺点：电感L的电流回路中存在两个二极管压降，损耗较大，而且电路中需要
16、4个二极管，元件数较多。适用场合：高压输出的情况下。 同步整流电路当电路的输出电压非常低时，可以采用同步整流电路，利用低电压MOSFET具有非常小的导通电阻的特性降低整流电路的导通损耗，进一步提高效率。这种电路的缺点是需要对V1和V2的通与断进行控制，增加了控制电路的复杂性。,图5-22 b)全桥整流电路原理图,图5-23 同步整流电路原理图,第6章 交流交流变流电路,交流调压电路 交流调功电路,6.1.1 单相交流调压电路,图6-1 电阻负载单相交流调压电路及其波形,电阻负载工作过程对VT1和VT2的进行控制，调节输出电压。基本的数量关系,功率因数,(6-1),(6-2),(6-3),(6-
17、4),6.2.1 交流调功电路,图6-11 交流调功电路典型波形(M=3、N=2),交流调功电路 工作原理电路形式相同，控制方式不同。 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。,VT1,PWM控制的基本原理 PWM控制方法 计算法和调制法 异步调制和同步调制 规则采样法 PWM跟踪控制技术,第7章 PWM控制技术,7.2.1 计算法和调制法,图7-4 单相桥式PWM逆变电路,单相桥式PWM逆变电路（调制法）电路工作过程V1和V2，V3和V4通断互补。在uo的正半周， V1通。 io为正，V1和V4导通时，uo=Ud。 io为正， V4断，V1通和VD3续流，uo=0。在
18、io为负，io从VD1和VD4流过，uo=Ud。 io为负,V4断，V3通后，io从V3和VD1续流，uo=0。uo总可以得到Ud 和零两种电平。,7.2.2 异步调制和同步调制,载波频率fc与调制信号频率fr之比N= fc/fr称为载波比，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，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。 通常载波频率fc固定不变，信号波频率fr变化时，载波比N是变化的。,7.2.2 异步调制和同步调制,图7-10 同步调制三相PWM波形,同步调制 载波比N等于常数，载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。
19、 N不变，一个周期脉冲数、脉冲相位固定。三相电路中，常用一个三角波载波，取N为3的整数倍且为奇数。输出频率很低时，谐波难滤，输出频率很高时，fc 高，器件难以承受。,7.2.2 异步调制和同步调制,图7-11 分段同步调制方式举例,分段同步调制 把fr范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比N为恒定，不同频段的载波比不同。 在fr高的频段采用较低载波比。 在fr低的频段采用较高载波比。为了防止fc在切换点附近的来回跳动，采用了滞后切换的方法。,实线表示输出频率增高时的切换频率,虚线表示输出频率降低时的切换频率,7.2.3 规则采样法,图7-12 规则采样法,和的确定设调制信号,式中，a称为
20、调制度，0a1；r为正弦信号波角频率，从图可得,脉冲两边的间隙宽度为,(7-6),(7-7),7.3 PWM跟踪控制技术,滞环比较方式 三角波比较方式 定时比较方式,7.3.1 滞环比较方式,图7-24 滞环比较方式电流跟踪控制举例,图7-25 滞环比较方式的指令电流和输出电流,跟踪控制方法：电流或电压波形为指令信号，把实际值作为反馈信号。通过两者瞬时值比较来决定器件的通断，使实际输出跟踪指令信号变化。滞环比较方式 电流跟踪控制应用最多。 把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为比较器的输入，输出来控制功率器件V1和V2的通断。,电抗器,7.3.2 三角波比较方式,图7-29 三角波比
21、较方式电流跟踪型逆变电路,三角波比较方式 把指令电流i*U、i*V和i*W和实际电流iU、iV、iW比较，偏差放大、比较，产生PWM波形。放大器A通常具有比例积分特性或比例特性。特点开关频率固定。常用三相三角波载波。输出电流所含的谐波少。,7.3.2 三角波比较方式,定时比较方式 不用滞环比较器，固定的时钟定时比较。定时采样，控制开关器件的通断，使被控制量跟踪指令信号。以单相半桥逆变电路为例，在采样时刻如ii*，V1关断，V2导通，使i减小。每个控制作用都使电流误差减小。最高开关频率为时钟频率的1/2。没有一定的环宽，控制的精度低一些。,第9章 电力电子器件应用的共性问题 电力电子器件的驱动
22、电力电子器件的保护 电力电子器件的串联使用和并联使用,9.1.1 电力电子器件驱动电路概述,驱动电路 是电力电子主电路与控制电路之间的接口。良好的驱动电路使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本任务 按控制目标的要求给器件施加开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号；对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。,9.1.1 电力电子器件驱动电路概述,驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离
23、一般采用光耦合器光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。有普通、高速和高传输比三种类型。 磁隔离的元件通常是脉冲变压器当脉冲较宽时，为避免铁心饱和，常采用高频调制和解调的方法。,图9-1 光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型,9.1.2 晶闸管的触发电路,图9-2 理想的晶闸管触发脉冲电流波形 t1t2脉冲前沿上升时间（1s） t1t3强脉冲宽度 IM强脉冲幅值（3IGT5IGT） t1t4脉冲宽度 I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）,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还
24、包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,GTR 开通的基极驱动电流应使其处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。关断时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。,图9-6 理想的GTR基极驱动电流波形,图9-7 GTR的一种驱动电路,9.1.3 典型全控型器件的驱动电路,GTR的一种驱动电路包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。VD2和VD3构成贝克箝位电路，是一种抗饱和电路，可使GTR导通时处于临界饱和状态；C2为加速开通过程的电容，开通时R5被C2短路，这样可以实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。,图9-6 理想的GTR基
25、极驱动电流波形,图9-7 GTR的一种驱动电路,9.2.1 过电压的产生及过电压保护,过电压分为外因过电压和内因过电压两类。 外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压。雷击过电压：由雷击引起的过电压。 内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。,9.3.1 晶闸管的串联,图9-17 晶闸管的串联 a
26、)伏安特性差异 b)串联均压措施,晶闸管的串联 当晶闸管的额定电压小于实际要求时，可以用两个以上同型号器件相串联。静态不均压问题 由于器件静态特性不同而造成的均压问题。为达到静态均压，首先应选用参数和特性尽量一致的器件，此外可以采用电阻均压。动态不均压问题 由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压问题。为达到动态均压，同样首先应选择动态参数和特性尽量一致的器件，另外还可以用RC并联支路作动态均压。,Rp的阻值应比任何一个器件阻断时的正、反向电阻小得多,9.3.2 晶闸管的并联,晶闸管的并联大功率晶闸管装置中，常用多个器件并联来承担较大的电流。 晶闸管并联就会分别因静态和动态特性参数的差异而存在电流分配不均匀的问题。 均流的首要措施是挑选特性参数尽量一致的器件，此外还可以采用均流电抗器；同样，用门极强脉冲触发也有助于动态均流。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。,
