电力电子复习整理

第一章电力电子技术的概念根据电力电子器件的特性、采用一种有效的静态变换和控制方法，将一种电能形式转换为另一种电能形式的技术。电力电子功率变换的分类AC/DC变换整流器DC/AC变换逆变有源逆变DC/AC变换时，交流输出与电网相连。无源逆变DC/AC变换时，交流输出直接与负载相连。AC/AC变换变频器DC/DC变换直流斩波第二章功率半导体器件分类不可控型:功率二极管:导通和关断均由电路潮流决定。半可控型:晶闸管:在器件在承受正向电压时，由控制信号控制器件的导通，而关断状态由电路潮流决定。全控型:可控开关:由控制信号控制器件的导通和关断。绝缘栅双极晶体管（IGBT）门极可关断晶闸管（GTO）电力场效应晶体管（MOSFET）双极结型晶体管（BJT）绝缘栅门极换流晶闸管（IGCT）二极管的工作原理、特性和分类当功率二极管承受正向电压时，它的正向导通压降很小，大约在1V左右。当功率二极管承受反向电压时，只有极小的漏电流可通过该器件。正向平均电流IF（AV）设正弦半波电流的峰值为Im，则额定电流为:()0I1Isin()2mFAVmItdt额定电流有效值为：20I1(Isin)()22mFmItdt某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形系数:fK电流有效值电流平均值FFAVI1.57I2fK额定电流IF(AV)=100A的电流功率二极管，其额定电流有效值IF=KfIF(AV)=157A。正向压降UF几种常用的功率二极管肖特基二极管快恢复二极管工频二极管晶闸管的工作原理、特性、分类和选型（电流有效值、波形系数、额定电压和额定电流）晶闸管承受正向电压时，在门极注入正向脉冲电流可将它触发导通。晶闸管一旦开始导通，门极就失去控制作用。不论门极触发电流是否存在，晶闸管都保持导通。通过外电路使阳极电流反向，并且降到接近于零的某一数值，可使已导通的晶闸管关断。晶闸管通过电源电压的正半波控制其导通。当晶闸管电流开始反向时，电源电压变负，晶闸管所承受的电压也同时反向。理想晶闸管将会使其电流在t=T/2后立即变为0。波形如图所示。额定电压UR选用晶闸管时，应使其额定电压为正常工作电压峰值UM的2~3倍，以作为安全裕量。UR=(2~3)UM根据所使用具体电流波形来计算出允许使用的电流平均值选用晶闸管时，设三相工频半波电流峰值为Im时的波形，通态平均电流为：()0I1Isin()2mTAVmItdt正弦半波电流有效值为：20I1(Isin)()22mmItdt晶闸管有效值与通态平均电流的比值为：AVI1.57I2T有效值与平均值的比为(波形系数)：()1.57fdTAVIKII实际电路中，由于晶闸管的热容量小，过载能力低，因此在实际选择时，一般取1.5~2倍的安全系数，故在给定晶闸管的额定电流后，可计算出该晶闸管的任意波形时允许的电流平均值为：()1.57(1.5~2)TAVdfIIK半导体功率器件开关能量损耗的计算()()01()2sconcoffdsPUIftt可控开关的理想特性描述11cosIUP①关断时，不论正、反向阻断电压有多高，都没有电流流过该器件。②导通时，压降为零，此时可传导任意大的电流。③该器件一旦被触发，立即从导通状态到关断状态，反之亦然。④该器件只需很小的电流就能触发。BJT、达林顿管、MOSFET、GTO和IGBT的基本原理IGBT像MOSFET一样，IGBT的输入阻抗高，只需很小的能量来开关器件。如同BJT一样，即使当它承受较高电压时，它的导通压降也很小。与GTO类似，IGBT能够被设计承受一定的反向压降。IGBT的耐压可以做得较高，最大允许电压UCEM可达4500V以上。第三章似稳态过程的概念电力电子技术的应用中非正弦的稳态运行过程。网络换流整流器单相桥路：视在功率，有功功率，畸变功率和谐波S=UI=UIdcos22dUIPsin221dUIQ2122QPSDdIUD281畸变功率与控制角a无关，但在电压、电流中产生以下特征频率分量:网络电流:n=1,3,5,7,9,11,输出电压:m=0,2,4,6,8,网络换流整流器三相桥路：视在功率，有功功率，畸变功率和谐波交流侧总电流is和对应的基波电流有效值is1分别为：dsII32dsII3212122QPSDdsUIUIS23cos23dUIPsin231dUIQ2912dUID此处的畸变功率与控制角a无关①与单相整流桥路相同，但没有3及3的倍数次谐波n=1，5，7，11，13，17，19……②直流电压中的谐波m=0，6，12，18……直流电流的谐波次数：m=k×p，k=0,1,2,3,交流侧电流中的谐波次数n=k×p±1，k=1,2,3,…以上各式中，p为每周期的脉冲次数。稳态下的非正弦波形：THD，PF,DPF，浪涌（峰值）系数的计算电流的总谐波含有量为：12112121100100100%hsshssssdisiIIIIIIITHD浪涌系数:电流峰值和电流有效值的比值speaksII.非正弦量的功率因数（PF）:PF=P/S1111coscosssssssUIφIPFφVII位移功率因数（DPF):DPS=cosj1非正弦电流条件下的功率因数:1ssIPFDPFI傅立叶级数的展开方法，及其在谐波分析中的应用（基波和谐波的表达式、幅值、有效值的计算）方波：L)5sin(51)3sin(31)sin(4)(tttAtf第四章单相桥式二极管整流电路Ls=0的波形和计算(输出电压、交流侧电流有效值、谐波表达式、基波分量、谐波分量、功率因数）.ssUUU9.02π20dIs=IdddsIII9.0221为奇数为偶数01hh/hIIssh谐波总畸变率为：THD=48.43%is1波形曲线与us波形同相位:DPF=1.09.0II1ssDPFPF右图所示单相二极管整流电路，Ls为零，直流侧为恒定电流，Id=10A。试计算负载所吸收的平均功率。若us为正弦电压曲线，Us=120V，频率50Hz；若us为下图所示的矩形波。(1)us为正弦电压曲线，Us=120V，Ud=0.9Us=108VPd=UdId=1080W(2)根据整流电路的工作原理可知，直流输出电压波形如图所示，所求平均电压和负载吸收的功率分别为：VUd33.13332200180600120200WIUPddd3.1333单相桥式二极管整流电路Ls0的波形和计算(换相重叠角、输出电压）换流：电流从一个二极管转到另一个二极管的过程。换流重叠角:换流时间所对应的电角度用符号r表示单相半波：sdsUIL21cossUU45.0d0dsdILAUπ22πdπ245.0ILUUssd单相全波dssIUL221cosπ29.0πdsd0dILUAUUs分析图中电路的换流基本过程，其中us为正弦电压曲线，Id=10A。Us=120V，频率50Hz，Ls=0，计算Ud和平均功率Pd；Us=120V，频率50Hz，Ls=5mH，计算g、Ud和Pd；(1)Ls=0VUUsd5412045.029.0WIUPddd5401054(2)Ls=5mH9074.0120210105502121cos3sdsUILr=24.85°VILUUdssd5.5110210550212045.0245.03WIUPddd515105.51三相桥式二极管整流电路Ls=0的波形和计算(输出电压、交流侧电流有效值、谐波表达式、基波分量、谐波分量、功率因数）.六脉动整流电路直流电压由6个线电压的部分区间所形成，每个二极管导通120°LLLLLLπ/6π/6d035.12π3)(dcos23/π1UUttUUUUd34.20线电流is的有效值dds816.032IIIis的基波分量is1的有效值为:dds178.06π1IIIis1与相电压us同相位,所以：DPF=1.0hIIh1ssh=5，7，11，13，…955.0π3PF三相桥式二极管整流电路Ls0的波形和计算(换相重叠角、输出电压）LLds221cosUILdsdsdπ33/πILILUdsLLdd0dπ335.1ILUUUU第五章单相全控桥整流电路Ls=0（纯电阻负载、阻感负载、反电动势负载）的波形和计算(输出电压、交流侧电流有效值、谐波表达式、基波分量、谐波分量、功率因数）sssdUUtdtUU9.022)(sin2100cos9.0cos22)(sin210sssdUUtdtUU)cos1(9.00sdddUUUU交流有效值等于对应的直流电流:Is=IdddsIII9.0221hIIssh1位移功率因数为：DPF=cos=cosacos9.01DPFIIPFss单相全控桥整流电路Ls0的波形和计算(换相重叠角、输出电压）sdsUIL22cos)cos(dsdILAU2dssdILUU2cos9.0已知图中，交流电的额定电压为230V，工作频率为50Hz，线路电感Ls上的压降为额定电压的5%，线路的传输容量S=5kVA、控制角a=30o、有功消耗为3kW。试计算在额定输入电压下的换流重叠角r和Ud各为多少？根据已知条件，求得线路电流的额定值为AUSIss74.212305000系统等效阻抗的模数为：Zb=Us/Is=10.58欧线路的等效电感为：Ls=0.05·Zb/w=1.684mH根据dssdILUU2cos9.0整流器吸收的有功功率为：kWILIUIUPdsdsdd32cos9.02将已知条件代入上式中得：032.10714236.6402ddIIId=17.196A将Id=17.196A分别代入sdsUIL22cos)cos(dssdILUU2cos9.0解得：r=5.9oUd=173.47V有源逆变产生的原理和条件，逆变失败的原因及其防止措施。条件：①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；②要求晶闸管的控制角απ/2，使Ud为负值。逆变失败的原因：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，称为逆变失败或逆变颠覆。防止逆变失败的方法有：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β等。整流电路多重化的目的一是可以使装置总体的功率容量大二是能够减少整流装置所产生的谐波和无功功率对电网的干扰三是提高功率因素第六章直流斩波的基本概念、基本的斩波电路类型利用一个或多个开关将某个直流电压等级转换成另一个电压等级。降压斩波器―Buck斩波电路升压斩波器―Boost斩波电路降压/升压斩波器―Buck-Boost斩波电路Cúk斩波器全桥斩波器降压斩波电路的工作原理和计算在开关闭合期间，图中的二极管变为反向偏置，此时，输入电源将能量送到负载和电感中。在开关断开时，电感中的电流则经过二极管将它所储存的能量转移到负载中。)()(00onsondtTUtUUDTtUUsond0升压斩波电路的工作原理和计算当开关器件处于导通状态时，电源将能量传送到电感中；当开关器件处于断开状态时，电源和电感同时都向输出部分提供能量。0)(0offdondtUUtUDTTUUoffsd110升降压斩波电路的工作原理和计算当开