89电力电子技术

电子电力技术考纲序言：提玄勾要，弃小留大，以飨读者第1考点晶闸管1.1内容归纳与总结1.1.1晶闸管的结构与工作原理(1)晶闸管可用图1-1的符号表示,阳极———A,阴极———K,门极(控制极)———G。图1-1晶闸管符号其结构为三个PN结、四层结构、三端的半控型半导体开关管。(2)它的工作原理可理解为一个PNP三极管与一个NPN三极管的连接,这种连接是以电流正反馈的原理按特殊工艺制造而成的。一旦晶闸管导通,其控制极就失去作用。普通晶闸管有平板型与螺旋型两种1.1.2关断与导通条件(1)导通的充分必要条件。1)阳极与阴极间承受正向电压。2)门极施加相对阴极来说为正的脉冲信号。(2)关断条件为下列之一。1)阳极与阴极间承受反向电压。2)阳极电流减小到小于维持电流1.1.3晶闸管的主要参数(1)晶闸管的通态平均电流IF。在规定的条件下,为晶闸管通以工频、正弦半波电流,且负载为纯电阻负载,导通角不小于170°。此时这个电流的平均值就是半波电流的平均值。若正弦半波电流的峰值为Im,则IF=1/2π0Imsinωtdωt=Im/π.通过的电流有效值为I=1/2π0(Imsinωt)2dωt=Im/2.波形系数:通过晶闸管的电流的(一般为非正弦)有效值与平均值之比Kf,在此I/IF=1.57,即I=1.57IF=KfIFKf称波形系数。还有其他参数:额定电压、维持电流、擎住电流以及一些动态参数和门极特性等。(2)实际应用中晶闸管的选择。主要按实际承受的电压、电流选择晶闸管。电压的选择:按晶闸管实际在线路中承受的电压的峰值,还要乘以一个安全裕量。电流的选择:按晶闸管中实际通过电流的有效值与所选晶闸管(通态平均电流为IF)允许通过的电流有效值相等的原则,再乘以安全裕量,这被称做有效值相等的原则。这里要注意:无论是电流还是电压波形,都有一个峰值、有效值、平均值,要弄清它们的定义及算法。1.2例题解析例题1.1在不用晶闸管测试仪的情况下,如何用万用表简易地测出晶闸管的阳极、阴极与控制极?解:(1)用万用表的欧姆档测试晶闸管的三个电极间的电阻。晶闸管的阳极与阴极间的正向电阻与反向电阻都接近无限大(一般为几百千欧以上)。门极对阴极间的正向电阻一般为几欧到几百欧,不能为零或大于几千欧;反向电阻比正向电阻稍大。(2)要真正判断其好坏,可用以下简单电路测试。图1-2例题1.1图例题1.2图1-3为流过晶闸管中的电流波形,其峰值为Im。(1)计算其平均值与有效值。(2)KP-100型晶闸管不计安全裕量,当这些波形电流流经晶闸管时,晶闸管所能承受的电流平均值与最大值。解:(1)平均值与有效值。平均值1)Id1=1/2π/2Imsinωtdωt=Im/2π2)221323dmmIII图1-3例题1.2图有效值1）2121(sin)222mmIIItdt2）22320123mmIIIdt(2)100A的晶闸管所能承受的电流平均值与最大值。1)晶闸管能承受的电流最大值与平均值100A的晶闸管允许通过的有效值电流为1.57100157TIA实际通过的电流有效值为221(sin)222mmIIItdt按有效值相等的原则,最大值为15722mIA，1442.7mIA平均值为Id1=1/2π/2Imsinωtdωt=Im/2π=70.7A2）电流的平均值与最大值100A的晶闸管允许通过的电流有效值为IT=1.57×100=157A实际通过的电流有效值为22320123mmIIIdt按有效值相等的原则1573mIA，272mIA允许的平均值：221323dmmIII=90.5A例题1.3电路如图1-4,VT导通,画出负载R上的电压波形。图1-4例题1.3图解:(1)R上的波形如下:(2)R上的波形如下:例题1.4电路与波形示于图1-5(a),(b)。若在t1时刻合上K,在t2时刻断开K,求负载电阻上的电压波形。若在t1时刻合上K,t3时刻断开K,输出电压的波形又如何(ug宽度大于360°)?图1-5例题1.4图例题1.5在图1-7中,晶闸管阳极总加正向电压,只要在VT1与VT2的控制极分别加上脉冲,可实现两只晶闸管轮流导通,试分析工作情况。图1-7例题1.5图解:当触发VT1时,正电源经R2,C,VT1为电容器充电,其极性为左负右正,这样,如果VT2正在导通,电容器两端的电压将会使VT2承受反压而关断。另外一支晶闸管也如此。习题1-1晶闸管由关断状态变为导通状态的条件,由导通状态变为关断状态的条件是什么?答案：晶闸管由关断状态变为导通状态必须同时满足两个条件:(1)晶闸管阳极、阴极间承受正向电压。(2)控制极对阴极有正的足够大的触发脉冲。由导通变为关断状态,满足下列两个条件之一即可:(1)晶闸管的阳极、阴极间承受反向电压。(2)减小阳极电流,使其小于维持电流。习题1-2晶闸管的转折电压、额定电压、额定电流、维持电流、擎住电流是如何定义的?答案：转折电压:当断开门极,阳极电压Ua增大到晶闸管正向击穿导通的电压。额定电压:晶闸管断态正向不重复峰值电压的90%,即断态正向重复峰值电压。额定电流:通态平均电流,条件为环境温度为40℃和规定的冷却条件,电阻负载且导通角不小于170°,所加电流为工频正弦半波时的电流平均值。维持电流:晶闸管维持导通状态所必需的最小电流。擎住电流:晶闸管由断态进入导通过程中,如果撤掉触发脉冲,能继续维持晶闸管导通的最小电流。习题1-3额定电流为100A的晶闸管,当导通角为90°,180°时,允许的晶闸管峰值电流为多少?若考虑到晶闸管的安全裕量呢?提示：假设通过晶闸管的电流为工频正弦半波的90°,180°,见图1-8。图1-8习题1-3图100A的晶闸管,允许通过的电流有效值为157A。(1)当导通角为90°时,实际通过的电流有效值为221sin222mTmIIIwtdwt根据有效值相等的原则求出Im。答案：Im=442.7A。考虑到安全裕量,Im应乘以安全裕量系数。(2)根据同样的方法可求出电流为180°时的Im。答案：Im=314A。考虑到安全裕量,Im应乘以安全裕量系数。习题1-4额定电流为100A的晶闸管流过单相全波电流时,允许其最大平均电流是多少?提示100A的晶闸管允许通过的电流有效值为1.57×100=157A。当流过单相全波电流时,求出这个电流的有效值,这里注意:两个相同波形的有效值为其中一个波形有效值的2倍,而不是2倍。2012sin2mIIwtdwt按有效值相等的原则求出Im。平均电流Id=1/π0Imsinωtdωt根据有效值相等的原则先求出Im,代入平均电流公式,或先求出波形系数再求Id。答案最大平均电流Id=141.4A。习题1-5图1-9中波形的阴影部分为晶闸管中的电流波形,其最大值为Im,计算各波形电流平均值、有效值与波形系数。在不考虑安全裕量时,各应选择多大的晶闸管(电流)?提示从题中可以看出一个波形的电流都有其峰值、有效值、平均值,要将它们的定义弄清楚。在选择晶闸管的额定电流时,一定要按有效值相等的原则,即晶闸管允许的电流有效值与实际通过晶闸管的电流有效值相等的原则。解：1）1012sindmmIIwtdwtI22101(sin)2mTmIIIwtdwt11122TFdIKI2）2313sin2dmmIIwtdwtI223113(sin)0.6338TmmmIIwtdwtII2221.31TFdIKI3）2301I24mdmIIdwt22301I22mTmIIdwt3332TFdIKI第2考点单相可控整流电路从本章起,主要分析的内容是可控电路的输出电压波形及有关的计算。从某种意义上来讲,波形分析法是理解各种可控电路的一种基本方法,掌握了波形分析法,其他一切问题都可迎刃而解。从电路角度来看,有各种整流电路,如单相、三相零式、三相桥式等,这些整流电路又可接各种负载,如电阻负载、电感性负载、反电动势负载等。这样看起来,内容就显得很多。但是,它们都有一个共同的规律。只要掌握这些规律,分析问题就能得心应手,书就会越念越薄。2.1内容归纳与总结2.1.1单相半控桥式整流电路分析了单相半控桥式整流电路在电阻性负载、电感性负载时,输出电压波形及输出电压平均值与控制角α的关系。所有的半控电路对电感性负载来讲,都有一个失控的问题,必须加续流二极管才能得以解决。电阻性负载与带续流二极管的电感性负载输出电压波形在形式上是相同的。电阻性负载时:负载电流的波形与电阻上的电压波形是相同的,只是幅值不同。电感性负载时:在电感足够大时,认为电流是连续且是平行于横轴的纯直流量。这样,给计算与分析问题带来很大方便,计算中所引起的误差,在工程上是允许的。2.1.2单相全控桥式整流电路电阻性负载:输出电压波形同半控桥式整流电路。电感性负载:没有失控的问题。它不但在电压的正半周能使晶闸管导通,在电感足够大时,此电感还能维持晶闸管在交流电压的负半周继续导通,并且在α=90°时,正负电压相等,使其输出电压的平均值为零。2.2例题解析例2.1带整流变压器的单相半控桥式整流电路,U1=220V,电阻负载,R=4Ω。要求负载电流在0～25A之间变化,试求(1)变压器的变比;(2)波形系数;(3)变压器容量;(4)负载电阻R的功率;(5)电路最大功率因数。解:(1)Ud=0.9U2(1+cosα)/2,Ud=4×25=100V。设α=0时,Ud最大,见图2-1,则U2=Ud/0.9=100/0.9=111V变比K=U1/U2=220/111≈2图2-1例题2.1图(2)波形系数是有效值与平均值之比。有效值201sin222mTmIIIwtdwt平均值012sindmmIIwtdwtI波形系数1.11tfdIKI