电力电子技术重点知识点总结

-1-《电力电子技术》期末复习题第1章绪论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电力变换的种类（1）交流变直流AC-DC：整流（2）直流变交流DC-AC：逆变（3）直流变直流DC-DC：一般通过直流斩波电路实现，也叫斩波电路（4）交流变交流AC-AC：可以是电压或电力的变换，一般称作交流电力控制3电力电子技术分类：分为电力电子器件制造技术和变流技术。4、相控方式;对晶闸管的电路的控制方式主要是相控方式5、斩空方式：与晶闸管电路的相位控制方式对应，采用全空性器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制方式。相对于相控方式可称之为斩空方式。第2章电力电子器件1电力电子器件与主电路的关系（1）主电路：电力电子系统中指能够直接承担电能变换或控制任务的电路。（2）电力电子器件：指应用于主电路中，能够实现电能变换或控制的电子器件。广义可分为电真空器件和半导体器件。2电力电子器件一般特征：1、处理的电功率小至毫瓦级大至兆瓦级。2、都工作于开关状态，以减小本身损耗。3、由电力电子电路来控制。4、安有散热器3电力电子系统基本组成与工作原理（1）一般由主电路、控制电路、检测电路、驱动电路、保护电路等组成。（2）检测主电路中的信号并送入控制电路，根据这些信号并按照系统工作要求形成电力电子器件的工作信号。（3）控制信号通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或关断。（4）同时，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证系统正常可靠运行。4电力电子器件的分类根据控制信号所控制的程度分类（1）半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。如SCR晶闸管。（2）全控型器件：通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件。如GTO、GTR、MOSFET和IGBT。（3）不可控器件：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。如电力二极管。根据驱动信号的性质分类（1）电流驱动型器件：通过从控制端注入或抽出电流的方式来实现导通或关断的电力电子器件。如SCR、GTO、GTR。（2）电压驱动型器件：通过在控制端和公共端之间施加一定电压信号的方式来实现导通或关断的电力电子器件。如MOSFET、IGBT。根据器件内部载流子参与导电的情况分类（1）单极型器件：内部由一种载流子参与导电的器件。如MOSFET。（2）双极型器件：由电子和空穴两种载流子参数导电的器件。如SCR、GTO、GTR。（3）复合型器件：有单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。如IGBT。5半控型器件—晶闸管SCR2.3.1.4.4晶闸管的关断工作原理-2-满足下面条件，晶闸管才能关断：（1）去掉AK间正向电压；（2）AK间加反向电压；（3）设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下。2.3.2.1.1晶闸管正常工作时的静态基本特性（1）当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）当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。2.4.1.1GTO的结构（1）GTO与普通晶闸管的相同点：是PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。（2）GTO与普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，其内部包含数十个甚至数百个供阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起，正是这种特殊结构才能实现门极关断作用。2.4.1.2GTO的静态特性（1）当GTO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）当GTO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）GTO导通后，若门极施加反向驱动电流，则GTO关断，也即可以通过门极电流控制GTO导通和关断。（4）通过AK间施加反向电压同样可以保证GTO关断。2.4.3电力场效应晶体管MOSFET（1）电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它是电压型器件。（3）当GSU大于某一电压值TU时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体，形成反型层。2.4.4绝缘栅双极晶体管IGBT（1）GTR和GTO是双极型电流驱动器件，其优点是通流能力强，耐压及耐电流等级高，但不足是开关速度低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。（2）电力MOSFET是单极型电压驱动器件，其优点是开关速度快、所需驱动功率小，驱动电路简单。（3）复合型器件：将上述两者器件相互取长补短结合而成，综合两者优点。（4）绝缘栅双极晶体管IGBT是一种复合型器件，由GTR和MOSFET两个器件复合而成，具有GTR和MOSFET两者的优点，具有良好的特性。第3章整流电路（1）整流电路定义：将交流电能变成直流电能供给直流用电设备的变流装置。2、整流电路主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半空、全控三种；按电路结构分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路，按变压器二次电流方向是单向双向可分为单拍电路和双拍电路。3.1.1单相半波可控整流电路（1）触发角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起，到施加触发脉冲为止的电角度，称为触发角或控制角。（2）几个定义①“半波”整流：改变触发时刻，du和di波形随之改变，直流输出电压du为极性不变但瞬时值变化-3-的脉动直流，其波形只在2u正半周内出现，因此称“半波”整流。②单相半波可控整流电路：如上半波整流，同时电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，因此为单相半波可控整流电路。3、带电阻情况：du=0.45范围是4、带阻感负载时;5电力电子电路的基本特点及分析方法（1）电力电子器件为非线性特性，因此电力电子电路是非线性电路。（2）电力电子器件通常工作于通态或断态状态，当忽略器件的开通过程和关断过程时，可以将器件理想化，看作理想开关，即通态时认为开关闭合，其阻抗为零；断态时认为开关断开，其阻抗为无穷大。3.1.2单相桥式全控整流电路3.1.2.1带电阻负载的工作情况1、单相桥式全控整流电路带电阻负载时的波形图（3）全波整流在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，因此该电路为全波整流。（4）直流输出电压平均值2cos19.02cos122)(sin21222dUUttdUU（5）负载直流电流平均值2cos19.02cos122R22ddRURUUI（6）晶闸管参数计算①承受最大正向电压：)2(212U②承受最大反向电压：22U③触发角的移相范围：。④晶闸管电流平均值：VT1、VT4与VT2、VT3轮流导电，因此晶闸管电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即2cos145.0212ddVTRUII。-4-3.1.2.2带阻感负载的工作情况（1）单相桥式全控整流电路带阻感负载时的原理图（3）直流输出电压平均值cos9.0cos22)(sin21222dUUttdUU（4）触发角的移相范围（5）晶闸管承受电压：正向：22U；反向：22U3.2三相可控整流电路3.2.1三相半波可控整流电路3.2.1.1电阻负载（（2）三相半波不可控整流电路带电阻负载时的波形图④按照上述过程如此循环导通，每个二极管导通o120。⑤自然换向点：在相电压的交点1t、2t、3t处，出现二极管换相，即电流由一个二极管向另一个二极管转移，这些交点为自然换向点。（3）三相半波可控整流电路带电阻负载时的波形图（o0）自然换向点：对于三相半波可控整流电路而言，自然换向点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻（即开始承受正向电压），该时刻为各晶闸管触发角的起点，即o0。（6）三相半波可控整流电路带电阻负载不同触发角工作时的情况总结①当o30时，负载电流处于连续状态，各相导电o120。②当o30时，负载电流处于连续和断续的临界状态，各相仍导电o120。③当o30时，负载电流处于断续状态，直到o150时，整流输出电压为零。-5-④结合上述分析，三相半波可控整流电路带电阻负载时角的移相范围为o150，其中经历了负载电流连续和断续的工作过程。（7）数值计算①o30时，整流电压平均值（负载电流连续）：cos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUU当o0时，dU最大，2d17.1UU。②o30时，整流电压平均值（负载电流断续）：)]6cos(1[675.0)]6cos(1[223)(sin23212262dUUttdUU当o150时，dU最小，0dU。③负载电流平均值：RUIdd。④晶闸管承受的最大反向电压：为变压器二次侧线电压的峰值，222RM45.2632UUUU⑤晶闸管承受的最大正向电压：如a相，二次侧a相电压与晶闸管正向电压之和为负载整流输出电压dU，由于dU最小为0，因此晶闸管最大正向电压2FM2UU。2.2.1.2阻感负载（3）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总结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，各相导电o120。②当o30时，负载电压du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。③当o90时，负载电压du波形中正负面积相等，du平均值为0。④结合上述分析，三相半波可控整流电路带阻感负载时角的移相范围为o90。（4）数值计算①整流电压平均值（负载电流始终连续）：cos17.12dUU。②晶闸管承受的最大正反向电压：为变压器二次侧线电压的峰值，222RMFM45.2632UUUUU-6-3.2.2三相桥式全控整流电路3.2.2.1带电阻负载时的工作情况（3）总结①对于共阴极组的3个晶闸管来说，阳极所接交流电压值最高的一个导通；对于共阳极组的3个晶闸管来说，阴极所接交流电压值最低的一个导通。②每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，1个是共阳极组的，且不能为同1相的晶闸管。③对触发脉冲的要求：6个晶闸管的脉冲按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的顺序，相位依次差o60。④共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差o120，共阳极组VT2、VT4、VT6的脉冲依次差o120。⑤同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差o180。⑥整流输出电压du一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉冲整流电路。①与o0时相比，晶闸管起始导通时刻推迟了o30，组成du的每一段线电压因此推迟o30，du平均值降低。②VT1处于通态的o120期间，变压器二次侧a相电流0ai，波形与同时段的du波形相同。VT4处于通态的o120期间，ai波形与同时段的du波形相同，但为负值。①与o30时相比，晶闸管起始导通时刻继续向后推迟o30，du平均值继续降低，并出现了为零的点。②当o60时，du波形均连续，对于电阻负载，di波形与du波形的形状一样，保持连续。（3）总结①当o60时，负载电流将出现断续状态。②当o120时，整流输出电压du波形全为零，因此带电阻负载时的三相桥式全控整流电路角的移相范围是o120。3.2.2、2带阻感负载时的工作情况角的移相范围是903.2.2.7三相桥式全控整流电路的定量分析（1）带电阻负载时的平均值①特点：o60时，整流输出电压连续；oo12060时，整流输出电压断续。②整流电压平均值计算公式：以du所处的线电压波形为背景，周期为3。-7-)]3cos(1[34.2)(sin63112060cos34.2)(sin6