电力电子技术内容提要

第1页电力电子技术内容提要模块1电力电子器件1．同处理信息的电子器件相比，电力电子器件具有以下特征：（1）能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力大多都远大于处理信息的电子器件；（2）电力电子器件一般都工作在开关状态。导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定；阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定；（3）实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制；（4）不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器2．在电力电子器件的各种功率损耗中，一般来讲，断态损耗是很小的，通态损耗是主要因素，但当器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素3．电力电子器件的分类：（1）按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，可将电力电子器件分为半控型、全控型和不控型三类，如晶闸管是半控型，PowerMOSFET、IGBT、GTO、GTR、IGCT等是全控型，PowerDiode是不控型。（举例）（2）按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，可将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两大类，如晶闸管、GTR、GTO等是电流驱动型，PowerMOSFET、IGBT、SIT、SITH等是电压驱动型。（举例）（3）按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，可将电力电子器件分为单极型、双极型和复合型三类，如PowerMOSFET、SIT是单极型，晶闸管、GTR、GTO、SITH等是双极型，IGBT、MCT、IGCT等是复合型。（举例）4.电力二极管的关断（即恢复反向阻断能力）须经过一段短暂的时间，关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。5．电力二极管的种类：普通二极管GPD、快恢复二极管FRD和肖特基二极管SBD。6．晶闸管的导通条件是在承受正向的阳极电压的同时，注入正向门极触发电流。导通后，门极将失去控制作用。导通后流过晶闸管的电流大小由外电路决定。7．晶闸管的关断条件是阳极电流小于维持电流，通常通过施加足够长时间的反向阳极电压来实现关断。关断后，晶闸管两端的电压大小由外电路决定。8．晶闸管的两个主要额定参数选择：额定电压一般取为正常工作时晶闸管所承受的正反向峰值电压的2~3倍，额定电流一般按以下式子来求解：152152157157fdTAV.~.~..KIII其中I为晶闸管实际流过电流的有效值，Kf为实际电流波形的波形系数，定义为电流有效值与平均值的比值，不同电流波形有不同的波形系数，正弦半波电流的波形系数为1.57，Id为晶闸管实际流过电流的平均值。（看14点例子）9.如果加在晶闸管上的断态电压上升率du/dt过大，将会引起晶闸管误导通，为了限制断态电压上升率，可以在元件上并联一个阻容支路。10.在晶闸管的开通期间，如果流过管子的电流上升率di/dt过大，将会造成管子局部过热而损坏，为了限制电流上升率，可以在元件上串接空心电感。11．GTR有二次击穿现象。12.PowerMOSFET是单极型、电压驱动型器件，驱动功率小，开关速度快，工作频率高，但电流容量小，耐压低，一般用于中小功率的电力电子装置。（加强记忆）第2页13.IGBT的结构是功率MOSFET和GTR组成的达林顿结构，是一个由MOSFET驱动的厚基区PNP型GTR，IGBT集以上两者各自优点于一身，具有输入阻抗高，开关速度快，通态压降低，耐压高，通流大等优点，是一种新型的复合型器件。（加强记忆）14.例：如图所示的是某一整流电路中晶闸管的电流波形，图中阴影部分为晶闸管的导通区。（1）计算电流平均值，电流有效值和波形系数；（2）如果不考虑安全裕量，问采用额定电流的晶闸管允许输出平均电流为多少？相应的电流幅值为多少？o/AimI3mI/radt23/5/3模块2整流电路15.通过控制触发脉冲的相位来控制输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式，单相半波可控整流电路带电阻负载时，晶闸管触发脉冲的移相角α的范围为0～1800，晶闸管的导通角θ范围为1800～0。（同样要弄清单相全桥、三相半波、三相全桥整流电路带电阻、带大电感负载、带大电感负载接续流二极管等情况下的α和θ的情况）16.单相桥式整流电路输出两脉波电压，最大直流输出电压平均值Ud0＝0.9U2，晶闸管承受的最大正、反向电压为22U；三相桥式整流电路输出六脉波电压，最大直流输出电压平均值Ud0＝2.34U2，晶闸管承受的最大正、反向电压为26U。17.三相半波带电阻负载整流电路当α300时，输出电压和电流波形发生断续；三相全桥带电阻负载整流电路当α600时，输出电压和电流波形发生断续。18.例：单相桥式全控整流电路大电感负载，已知U2=100V，R=10Ω，α=45°。（1）负载端不接续流二极管VD，计算输出整流电压、电流平均值及晶闸管电流有效值。（2）负载端接续流二极管VD，计算输出整流电压、电流平均值及晶闸管、续流二级管电流有效值。画出ud、id、iT、iD、uT及变压器次级电流i2的波形。（见课堂笔记）模块3直流斩波电路19.直流斩波电路可分基本斩波电路、复合斩波电路和多相多重斩波电路。其中降压斩波电路和升压斩波电路是最基本的斩波电路。20.降压斩波电路输出电压可表示为：onotUEET，升压斩波电路输出电压可表示为：1ooffTEUEt，升降压斩波电路输出电压可表示为：1onoofftUEEt，如果忽略电路中的所有损耗，这三类直流斩波电路都可看成直流变压器。21.例：在如图所示的降压斩波电路中，已知E＝200V，R=10Ω，L值极大，EM=30V。采用脉宽调制控制方式，当T=50us，ton=20us时，计算输出电压平均值U0﹑输出电流平均值I0、输入电流平均值I1以及输入功率Pi。第3页EV+-MRLVDioEMuoiG1i模块4逆变电路22.把直流电变成交流电的过程称逆变，它是整流的逆过程。当交流侧和电网连接的逆变称有源逆变，当交流侧不与电网连接，而直接与负载连接的逆变称无源逆变。23.产生逆变的条件有：（1）有能提供逆变能量的直流电源，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧平均电压。（2）晶闸管的控制角π/2，使Ud为负值。（加强记忆）24.半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。25.逆变失败的原因：（加强记忆）（1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相；（2）晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通；（3）交流电源缺相或突然消失；（4）换相的裕量角不足，引起换相失败。26.最小逆变角确定为：βmin=δ+γ+θ′，其中δ:晶闸管的关断时间tq折合的电角度，γ：换相重叠角，θ′：安全裕量角，实际应用中一般最小逆变角为300~350。27.例：三相全控桥变流器，反电动势阻感负载，R=1Ω,L=∞，U2=220V，当EM=-400V，β＝60°时求Ud、Id和I2的值，此时送回电网的有功功率是多少?28.电流从一个支路向另一个支路转移的过程，称换流，也称换相。换流方式主要有器件换流、电网换流、负载换流和强迫换流四种。四种换流方式的特点。（加强记忆）29.直流侧是电压源的无源逆变电路称电压型逆变电路。电压型逆变电路的特点：（加强记忆）（1）直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；（2）输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；（3）阻感负载时需提供无功，直流侧电容起着缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。30.直流侧是电流源的无源逆变电路称电流型逆变电路。电流型逆变电路的特点：（加强记忆）（1）直流侧串大电感，相当于电流源，直流侧电流基本无脉动；（2）交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同；（3）直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故不必给开关器件反并联二极管。31.三相电压型逆变电路的工作方式采用1800导电方式，每桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差1200，任一瞬间有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。（加强记忆）32.三相电流型逆变电路的工作方式采用1200导电方式，每桥臂导电120°每时刻上下桥臂组各有一个臂导通，换流是在上下桥臂组之间进行，也称为横向换流。（加强记忆）33.例：三相桥式电压型逆变电路，180º导电方式，Ud=100V。试求输出相电压的基波幅值UUN1m和有效值UUN1，输出线电压的基波幅值UUV1m和有效值UUV1，输出线电压中5次谐波的有效值UUV5。输出相电压21dUNsinsinnUutntn，第4页输出线电压2311dUVsin()sinknUutntn模块5PWM控制技术34.脉冲宽度调制（PWM）技术，是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）的控制技术。如在直流斩波电路中获得等效直流电压波形的直流PWM波；在逆变电路中获得等效正弦电压波形的SPWM波。35.PWM控制技术的重要理论依据是：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。36.SPWM控制：就是利用正弦波作为调制信号，去调制高频三角载波，产生一系列宽度正比于正弦波幅值的等幅脉冲（开关信号），对应的是在调制信号与载波的交点处控制开关器件的通断，从而得到与开关信号同步的宽度正比于正弦波幅值的等幅脉冲，即SPWM波，根据冲量相等原理，它等效于正弦波。将这样的SPWM输出波形通过低通滤波器即可得到期望的正弦交流波。（加强记忆）37.在正弦波PWM控制逆变电路的SPWM波形分析中，可知除了含有调制信号频率wr分量外，不含有低次谐波，只含有载波频率wc及其附近的谐波以及2wc、3wc等及其附近的谐波。38.例：如图所示的正弦半波，设半周期的等幅脉冲数为n，脉冲的幅值为相应的正弦波幅值的m倍。试按脉冲面积和正弦波面积相等的原则计算各脉冲的宽度。tOua)b)Out1knknmUmmUkSkSkkd模块6交流调压电路39.交流调压电路和交流调功电路对晶闸管的控制分别采用的是相位控制和通断控制两种方法。在交流调压电路中，每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值；在交流调功电路中，以交流电周期为单位控制晶闸管通断，改变通断周期数的比，调节输出功率的平均值。40.交流调功电路是将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率，常用于电炉的温度控制。41.由反并联晶闸管组成的交流电力电子开关与接触器、继电器相比，具有响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断等优点，适用于操作频繁、可逆运行及有易燃、易爆气体的场合。42.ThyristorSwitchedCapacitor—TSC指的是晶闸管投切电容器，对无功功率控制，可提高功率因数，稳定电网电压，改善供电质量，性能优于机械开关投切的电容器。43.StaticVarCampensator—SVC指的是静止无功补偿装置，用来对无功功率进行动态补偿，以补偿电压波动或闪变。44.例：一单相交流调压器，电源为工频220V，阻感串连作为负载，其中R=0.5Ω，XL=0.5Ω。试求：①开通角α的变化范围；②负载电流的最大有效值；③最大输出功率及此时电源侧的功率因数。第5页模块5的作业答案：填空题：1．宽度等效直流电压波形等效正弦电压波形2．电流型电压型电压型计算法调制法调制法3．单极性PWM双极性PWM4．同步调制异步调制异步调制同步调制5．自然采样法规则采样法6．0.866梯形低次谐波模块6的作业答案：选择题：1.B2.B3.A4.B5.C6.B7.C8.C9.D10.B（其中第8题改为触发灵敏度