电力电子技术复习提纲

第 1 章 绪论掌握电力电子技术的基本概念、学科地位、基本内容， 熟悉电力电子技术和发展历史；考核知识点：电力电子技术的概念、电力电子电路的种类、电力电子技术的应用。第 2 章 电力电子器件第 9 章 电力电子器件应用的共性问题一、要求掌握的重点内容：1、电力电子器件的特征和分类；2、半控型器件：晶闸管的结构与工作原理；3、典型全控型器件：门极可关断晶闸管，电力晶体管，电力场效应晶体管，绝缘栅双极晶体 管的结构与工作原理；4、电力电子器件的保护；5、电力电子器件的驱动电路。二、要求深刻理解的内容：1、不可控器件电力二极管的特性；2、晶闸管、门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管的基本 特性；3、器件的串联与并联等；三、要求了解的内容：1、晶闸管的主要参数；2、4 种典型全控型器件的主要参数；3、其他新型电力电子器件的工作原理。四、难点：器件电流定额的确定，器件的正确选择。五、考核知识点：电力电子器件的分类和特点；功率二极管的分类及各类的适用范围；功率二极管的伏安特性；晶闸管的分类及特点；晶闸管的内部结构以及符号；为什么晶闸管一旦导通，门极便失去控制作用；晶闸管的导通和关断条件；晶闸管的伏安特性；晶闸管的电压 定额和电流定额；5 IL的定义及其区别与联系；晶闸管的主要派生器件有那些，它们都有 什么特征；常见全控器件有几种，请列举出其名称和符号，以及各种全控器件的优缺点。六、本章重点难点分析有关晶闸管电流计算的问题： 解决这类问题的方法是：首先从题目的已知条件中，找出实际通过晶闸管的电流波形或 有关参数（如电流幅值、触发角等），据此算出通过晶闸管的实际电流有效值IT，考虑（1.52） 倍的安全裕量，算得额定电流为ITN = （1.52） IT /1.57,再根据ITN值选择相近电流系列的晶闸 管。六、本章典型例题分析例 2.1 晶闸管导通和关断的条件是什么？ 解：晶闸管导通条件是：1）晶闸管阳极和阴极之间施加正向阳极电压； 2）晶闸管门极 和阴极之间必须加上适当的正向脉冲电压和电流。在晶闸管导通后，门极就失去控制作用，欲使其关断，只需将流过晶闸管的电流减小到 其维持电流以下，可采用阳极加反向电压、减小阳极电压或增大回路阻抗等方式。例2.2单相正弦交流电源，其电压有效值为220V,晶闸管和电阻串联相接，试计算晶闸 管实际承受的正、反向电压最大值是多少？考虑2倍安全裕量，晶闸管的额定电压如何选取？解：晶闸管所承受的正、反向电压最大值为输入正弦交流电源电压的峰值：220伍=311V； 考虑2倍安全裕量，则晶闸管额定电压不低于2X311=622V,可取为700V。第 3 章 整流电路一、要求掌握的重点内容：1、单相可控整流电路：单相半波可控整流电路，单相桥式全控整流电路，单相桥式半控整流 电路。这三种可控整流电路在电阻性负载和大电感性负载 （包括有无续流二极管）时的工作原 理，波形分析和数量关系以及单相桥式半控整流电路在大电感性负载时的失控现象。2、三相可控整流电路：三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路。这两种可控整流电 路在电阻性负载和大电感性负载时的工作原理，波形分析和数量关系以及三相桥式全控整流 电路对触发电路的要求；3、变压器漏感对整流电路的影响；4、整流电路的有源逆变工作状态。二、要求深刻理解的内容：1、整流电路在反电动势负载时的工作情况，4、相控电路的驱动控制。三、要求了解的内容：1、整流电路的谐波和功率因数。四、难点和重点：可控整流电路的波形分析和数量关系。五、考核知识点：各类可控整流电路分析（包括电阻、电感、电动势负载）；有源逆变电路的 分析；半控桥式电路为什么会产生失控现象？如何避免？电感负载 ud 为何会出现负值；三相 全控桥式电路对脉冲的相位和宽度有什么要求？逆变、有源逆变、无源逆变的定义；逆变产 生的条件；有源逆变的应用；逆变失败的定义和原因。六、本章重点难点分析波形分析法： 整流电路的分析，通常采用波形分析法。所谓波形分析法，是指根据电源电压和控制角 以及负载性质，作出负载电压、负载电流、整流元件的电压和电流等波形图，再由波形图推 导出该电路基本电量的计算公式和数量关系。具体来说，分析方法和步骤如下：1）绘出主电路原理图，包括标明交流电压、各整流元件序号和负载性质。2）画出各相电压或线电压波形图，并确定整流元件的自然换相点。3）根据控制角在相应位置上绘出触发脉冲，并标明相应序号。4）根据可控整流电路的工作原理，绘出负载电压、负载电流、晶闸管电流以及晶闸管两 端电压的波形，5）根据波形图推导出基本电量的计算公式。 变压器漏抗对整流电路的影响： 通常整流电路输入端都接有整流变压器，由于整流变压器存在漏抗，在换相时，对整流电压波形将产生影响，不仅产生换相压降，而且使相电压和线电压波形出现缺口，造成电网 电压发生畸变。七、本章典型例题分析例3.1接有续流二极管的单相半波可控整流电路，带大电感负载，R=5Q，变压器二次侧 电压U2=220V。试计算当触发角a分别为30和60时，流过晶闸管和续流二极管中电流的 平均值和有效值；问在什么情况下，流过续流二极管的电流平均值大于流过晶闸管的电流平 均值？解：1）当a = 30时，1 + cosa1 + cos 3 0。U = 0.45U= 0.45 x 220 x= 92.4Vd12流过晶闸管的电流平均值为dT2兀d180。一 30。x 18.5 = 7.7A 360。流过晶闸管的电流有效值为，兀一 a丫 2兀d_360。而F x 18.5 = 16.9 A流过续流二极管的电流平均值为兀+adD2兀d180。+ 30。X18.5 = 10.8A360。流过续流二极管的电流有效值为i兀+ad _ ：2兀d_ 360。，180 + 30x 18.5 = 14.1A2）当 a = 60 时,1 + cosa1 + cos60。U = 0.45U= 0.45 x 220 x= 74.3Vd12=U =竺=14.9 Ad R 5流过晶闸管的电流平均值为dT2兀d180。一 60。x 14.9 = 5A 360。流过晶闸管的电流有效值为Hi：180。-6。x 14.9 = 8.6aI2 兀，360。流过续流二极管的电流平均值为兀+adD2兀d180。+ 60。x 14.9 = 9.9A 360。流过续流二极管的电流有效值为戸I：180。+ 60。x 14.9 = 12.2A 弋2兀-d360。即 a 03）要使IdDIdT，由公式知，只需满足已dD dT例 3.2 在单相桥式全控整流电路中，如果有一只晶闸管因为过流而烧成断路，该电路的 工作情况将如何？如果这只晶闸管被烧成短路，该电路的工作情况又会如何？答：如果有一只晶闸管因为过流而烧成断路，则该单相桥式全控整流电路将作为单相半 波可控整流电路工作；如果这只晶闸管被烧成短路，则会引起其他晶闸管因对电源短路而烧 毁，严重情况下甚至可能使整流变压器因过流而损坏。因此，在设计电路时，在变压器二次 侧与晶闸管之间应串联快速熔断丝，起到过流保护的作用。例 3.3 单相桥式半控整流电路中续流二极管的作用是什么？在何种情况下，流过续流二 极管的电流平均值大于流过晶闸管的电流平均值？答：单相桥式半控整流电路中续流二极管的作用是：为感性负载中电感储存的能量提供一条专门的释放回路，以避免发生一只晶闸管持续导通而两只二极管轮流导通的“失控现象” 由公式知，流过续流二极管的电流平均值I =I ,dD 兀 d流过晶闸管的电流平均值I =K_a IdT2兀 d要使IdDIdT，则只需满足- 兰二巴，即Q - dD dT-2-3例3.4单相全控桥式整流电路，带阻感负载，R = 1Q , L值很大，即满足3 LR, U2 =100 V,当 a = 600 时，求：1）作出输出电压ud、输出电流id、变压器二次侧电流i2的波形；2）求整流输出平均电压Ud、电流Id和二次侧电流有效值I2；3）考虑两倍的安全裕量，选择晶闸管的额定电压和额定电流值。解： 1）波形略2）Ud = 0.9U2Cosa = 0.9X 100XCos60 = 45Vd2Id = Ud / R = 45 / 1 = 45AddI2 = Id = 45A3）晶闸管可能承受的最大电压为Utm2U2=141V，考虑2倍安全裕量,其值为282V，选额定电压为300V的晶闸管流过晶闸管的电流有效值为IT =X=Id = 31.82Ad考虑2倍安全裕量时晶闸管的平均电流为ITAV = 2It / 1.57 = 40.54A，选额定电流为50A的晶 闸管第 4 章 逆变电路一、要求掌握的重点内容：1、四种换流方式；2、电压型逆变电路：单相和三相逆变电路工作波形和电压计算式。3、电流型逆变电路：单相和三相逆变电路工作波形和电压电流计算式二、要求一般理解的内容：多重逆变电路和多电平逆变电路。三、难点：三相电流型逆变电路，多电平逆变电路。第 5 章 直流-直流变流电路一、要求掌握的重点内容：基本斩波电路一一降压、升压、升降压、Cuk斩波电路基本原理和主要电压电流波形和计算 式。二、要求深刻理解的内容是：复台斩波电路和多相多重斩波电路的工作原理；三、要求一般理解的内容：带隔离的直流-直流变流电路；四、要求了解的内容是 Sepic 和 Zeta 斩波电路。五、重点内容是：降压、升压、升降压斩波电路 难点：根据电路工作原理分析，画出各点的波形图，导出相关计算式。第 6 章 交流-交流变流电路一、要求掌握的重点内容：1、单相交流调压电路：电阻负载和阻感负载工作波形图与相关波形计算式；2、三相交流调压电路，星型联结电路，带电阻负载时改变控制角a负载相电压波形的变化情 况；3、交流调功电路的工作特点；4、单相交交变频电路：电路构成和基本工作原理，整流与逆变工作状态；二、要求一般理解的内容：1、单相交流调压电路谐波的特性；2、三相交流调压电路多种接线形式；3、交流电力电子开关；4、三相交交变频电路接线方式。三、要求了解的内容：1、三相交交变频电路改善输入功率因数和提高输出电压的方法；2、单相及三相交交变频电路的输入输出特性；3、矩阵式变频电路。4、斩控式交流调压电路；5、单相交交变频电路输出正弦波电压的调制方法（余弦交点法）。四、难点：交交变频电路。第 7 章 PWM 控制技术一、要求深刻理解和掌握的重要内容：1、PWM 控制的基本原理；2、PWM 逆变电路及其控制方法；3、PWM 波形的生成方法。二、要求一般理解的内容：1、PWM 逆变电路的谐波分析；2、提高直流电压利用率和减少开关次数；3、PWM 逆变电路的多重化；4、单相PWM整流电路，工作原理和运行方式相量图5、PWM 整流电路及其控制方法。三、难点：PWM的控制方法及波形的生成方法。综合练习题一、填空题1. 晶闸管是四层三端器件，三个引出电极分别为：阳极、阴极和 极。2. 只额定电流为100A的普通晶闸管，其允许通过的电流有效值为 A。3. 具有自关断能力的电力电子器件称为 器件。4. 三相全控桥式整流电路中，采用共阴极组接法的三只晶闸管，要求其触发脉冲以 1200 为间隔，依次在电源电压的半周触发各晶闸管。5. 在考虑变压器漏抗影响时，整流电路输出电压的平均值将 _。6. 三相全控桥式整流电路输出的电压波形在一个周期内脉动 次。7. 采用时间比控制方式改变斩波器负载两端的平均电压，对斩波器触发脉冲的调制方法有三种，分别是;。8降压斩波器中，电源电压Ud=50V，导通比为0.8,则负载电压平均值ULD为 。9.电流型逆变电路直流侧为 ，输出电流波形为 。10根据调制脉冲的极性，PWM也有两种调制方式，分别是和调制。二、简答题1. 试说明晶闸管的开通和关断的条件。2. 试说明晶闸管整流装置实现有源逆变的条件。3. 试说明整流电路中整流变压器二次侧相电压U2选得过高或过低，将出现什么问题？2申4. 单相半控桥整流电路带感性负载时，若该电路不接续流二极管，请对其可能发生的“失控” 现象进行分析。5. 三相桥式全控整流电路带大电感负载时，以连接于A相的共阴极组晶闸管T1为例说明， 在一个周期内，其承受电压的情况。6. 某单相可控整流电路，分别给阻性负载和蓄电池反电动势负载供电，在流过负载电流平均 值相同的条件下，哪一种负载下晶闸管的额定电流应选大一些？为什么？三、计算题1单相桥式可控整流电路，带一大电感对蓄电池充电，R = 3Q，电感L足够大，U2= 220V， 反电动势E = 60V。1）要保持充电电流为10A，估算此时的控制角a ；2）该电路中晶闸管承受的最大电压是多少？2. 单相全控桥式整流电路，带阻感负载，R = 5Q，L值很大，即满足3 LR，U2= 100V，当a = 6O0时，求：1）作出输出电压ud、输出电流id、变压器二次侧电流i2的波形；2）求整流输出平均电压Ud、电流Id和二次侧电流有效值I2；3）考虑两倍的安全裕量，选择晶闸管的额定电压和额定电流值。3. 单相全控桥式有源逆变电路，回路电阻R = 1Q，平波电抗器Ld足够大，变压器二次电压 有效值U2= 220V，负载电动势Ed=-200V，当0 = 30。时，求：1）画出输出电压ud、流过晶闸管电流iT1的波形；2）计算变流电路输出平均电压Ud、负载平均电流Id。参考答案：一、填空题（本大题共 14小空，每小空 2分，共 28分） 1门21573全控型4正5减小667脉冲宽度调制；脉冲频率调制；调频调宽混合控制 840V9电流源；矩形波10单极性；双极性二、简答题1晶闸管导通条件是：1）晶闸管阳极和阴极之间施加正向阳极电压；2）晶闸管门极和 阴极之间必须加上适当的正向脉冲电压和电流。在晶闸管导通后，门极就失去控制作用，欲使其关断，只需将流过晶闸管的电流减小到 其维持电流以下，可采用阳极加反向电压、减小阳极电压或增大回路阻抗等方式。2. 1）变流电路直流侧应具有能提供逆变能量的直流电源电动势Ed，其极性应与晶闸管 的导电电流方向一致；2）变流电路输出的平均电压 Ud 的极性必须为负，以保证与直流电源 电动势Ed构成同极性相连，即控制角a 90，且满足I Ud | Ed |。3. 整流电路中整流变压器二次侧相电压U2选得过高，则晶闸管运行时控制角过大，造2申成功率因数变坏，无功功率增大；选择过低，则有可能在最不利的运行情况下，即使晶闸管 的控制角退到最小时，仍然不能达到负载要求的额定电压。4. 单相半控桥整流电路带感性负载时，不接续流二极管，将可能发生失控现象。以晶闸 管T1导通的情况为例，当交流电源电压在负半周时，负载电流通过T1和二极管D2续流，输 出电压为零；当交流电源电压在正半周时，负载电流通过-和二极管D4流通，输出电压为 电源电压。即在一个周期内，晶闸管-持续导通，二极管DD2轮流导通，输出电压波形 为正弦半波。5. T1导通期间，承受正向管压降（0）为120； T1关断期间，分别承受线电压ub、11abuac 各 120。ac6. 反电动势负载时晶闸管额定电流应选大一些。因为反电动势负载时，晶闸管的导通角 0比电阻性负载时小。反电动势负载的电流波形系数叫比电阻负载时大。三、计算题（，本大题共 3小题，每小题12分，共36分）1.解：1） Ud = 0.9U2CosaId = （ Ud-E ） / R = （ 0.9U2Cosa -E ） / RCosa =( Id R+E ) /(0.9U2 ) = (10x3 + 60 ) /(0.9x220 ) = 0.445a = 632) U = 1.414x220 = 311V2解：1)波形略2) Ud = 0.9U2Cosa = 0.9X 100XCos60 = 45Vd2Id = Ud / R = 45 / 5 = 9AddI2 = Id = 9A3) 晶闸管可能承受的最大电压为UTM.-2U 2=141V,考虑2倍安全裕量,其值为 282V,选额定电压为300V的晶闸管流过晶闸管的电流有效值为IT =丄1日=6.363AT V2 d考虑2倍安全裕量时晶闸管的平均电流为ITAV = 2It / 1.57 = 8.1A,选额定电流为10A的晶 闸管3解： 1)波形略2)U = -0.9U cos0=0.9x220xcos30 = -171.5Vd2Id = 28.5Ad