21 电力电子技术复习指导.docx

第1页：电力电子技术引言与器件概念

电力电子技术引言电力电子技术的定义：电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电能变换的含义：在输入与输出之间，将电压、电流、频率（含直流）、相位、相数中的一项以上加以改变。电能变换的类型：交流－直流（整流）；直流－直流（直流斩波）；交流－交流（交流电力控制、交交变频）；直流－交流（逆变）电力电子技术的研究内容：电力电子器件制造技术，半导体变流技术002v(t)dt112Tv(t)dtave电压（电流）平均值的计算：VT002v2(t)dt1TTv2(t)dt12eff电压（电流）有效值的计算：V若非正弦波形用v(t)时间函数来表示，则傅立叶级数为：式中，由于＝2f,f1/T,t,所以2202Vnsin(ntn)nnnn1absin(nt)v(t)a0(ancosntbnsinnt)n1an1V00100000022T2T2T21a1Tv(t)dt12v()d2v(t)cosntdt1v()cosndT2v(t)sinntdtv()sinndnTnnnnnn2aabVb1nabtan1电力电子器件――――――――――1.1电力电子器件的概念和特征―――――――――――――――电力电子器件的定义：可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路的定义：电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。电力电子系统的组成：由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。电力电子器件的分类：按照器件能够被控制的程度分类：半控型、全控型、不控型按照驱动电路信号的性质分类：电流驱动型、电压驱动型按照内部导电机理：单极型、双极型、复合型

第2页：电力二极管与晶闸管

―――――――――――――――1.2电力二极管――――――――――――――电气符号：类型：双极型、不控器件二极管的基本特征：单向导电性电力二极管的主要类型：普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管――――――――――――――――1.3晶闸管―――――――――――――――――雪崩击穿O-2UA电气符号：英文缩写：SCR类型：双极型、电流控制、半控型器件晶闸管的工作特性：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开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。晶闸管的基本特性:（非重点）IA正向导通IHIG2IG1IG=0UDRMUbo+UAUDSMURSMURRM-IA晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG

第3页：晶闸管主要参数与GTO

ttO0uAKtdtrrrgrtURRMtIRMiA100%90%10%晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的主要参数:1额定电压：取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。2通态平均电流IT(AV）：在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。3维持电流IH：使晶闸管维持导通所必需的最小电流。4擎住电流IL：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2～4倍。晶闸管的派生器件：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管――――――――1.4门极可关断晶闸管（单极型、电流控制、全控型器件）―――――――KGA电气符号：英文缩写：GTO类型：双极型、电流控制、全控型器件3门极可关断晶闸管的工作特性：导通条件与晶闸管一样。不同之处在于：可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。门极可关断晶闸管的主要参数:（与晶闸管不同的参数）

第4页：GTR、电力MOSFET与IGBT

1最大可关断阳极电流IATO。2电流关断增益off：最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。（off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点）。―――――――――――――1.5电力晶体管――――――――――――――――――CBE电气符号：英文缩写：GTR类型：双极型、电流控制、全控型器件电力晶体管的工作特性：与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的，但工作在开关状态。GTR的二次击穿现象：一次击穿发生时，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。―――――――――――1.6电力场效应晶体管―――――――――――――――――DGS电气符号：英文缩写：P.MOSFET类型：单极型、电压控制型器件电力场效应晶体管的工作特性：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零时截止，栅源极间加正电压时导通。电力场效应晶体管的主要参数:1漏极电压UDS:电力MOSFET电压定额。2漏极直流电流ID：电力MOSFET电流定额。3开启电压UT：使器件开通所需加在栅源间的最小电压。4栅源电压UGS：UGS>20V将导致绝缘层击穿。―――――――――――1.7绝缘栅双极晶体管―――――――――――――――――电气符号：英文缩写：IGBT4类型：复合型、电压控制型器件

第5页：IGBT特性与开关过程

绝缘栅双极晶体管的工作特性：驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。IGBT的基本特性：（非重点）a)b)O有源区正向阻断区饱和区UGE(th)UGEOICICURM反向阻断区UFMUCEUGE(th)GEU增加ttt10%90%UGE90%UGEMUCEC0IO0IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性UGEMI5CMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)10%UGEMICMICMIGBT的开关过程

第6页：主要电力电子器件容量比较表

IGBT的主要参数:1最大集射极间电压UCES：由内部PNP晶体管的击穿电压确定。2最大集电极电流：包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。IGBT的擎住效应：IGBT内部还存在一个寄生晶闸管，当集电极电流大到一定程度，会造成寄生晶闸管开通，导致栅极失去控制作用，这就是擎住效应。―――――――1.8电力电子器件参数比较和适用范围――――――――――――――

主要电力电子器件容量比较：下表给出五种常用器件的额定电流与额定电压典型值。

IT(AV) 指稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值；电力电子器件过载能力较差，选用元件时应留安全裕量。

第7页：功率模块、功率集成电路与驱动参数

――――――――――――1.9功率模块与功率集成电路――――――――――――――将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。包括：1高压集成电路（HighVoltageIC——HVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。2智能功率集成电路（Smart PowerIC——SPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。3智能功率模块（Intelligent PowerModule——IPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT。―――――――――――――1.10电力电子器件的驱动――――――――――――――晶闸管（SCR）的触发电路常见的晶闸管触发电路

主要电力电子器件驱动参数和开关速度比较：下表列出五种器件的开关时间与驱动参数。

第8页：GTO与MOSFET、IGBT驱动电路

GTO的驱动电路典型的直接耦合式GTO驱动电路MOSFET和IGBT的驱动电路使MOSFET开通的驱动电压一般10～15V使IGBT开通的驱动电压一般15～20V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5～-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。电力MOSFET的一种驱动电路M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图8

第9页：电力电子器件的缓冲电路

――――――――――――1.11电力电子器件的缓冲电路――――――――――――――电力电子器件的损耗：通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。缓冲电路：又称吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。缓冲电路的结构和工作原理：di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路ADCB无缓冲电路有缓冲电路uCEiCO9

第10页：整流电路概念与单相可控整流

2整流电路重要概念：控制角α：从晶间管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度称为触发延迟角，用α表示，也称触发角或控制角。导通角θ：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角。相控方式：通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。移相范围：使直流输出电压从最大至最小的控制角变化范围。――――――――――――2.1单相可控整流电路----――――――――――――――VT1VT3VT2VT4整流电压平均值为：单相全控桥式整流电路带阻感负载时的电路及波形数量关系：(以单相全控桥式整流电路为例)U0.9U1cosd22（电阻负载）Ud0.9U2cos（阻感负载，负载电流连续）Ud≈1.2U2RC(3~5)T/2时（电容滤波不可控整流）2U210停止导电角：sin1E（反电势负载）

第11页：三相可控整流电路数量关系

――――――――――――2.2三相可控整流电路----――――――――――――――ud1ud2uduacuacuabucbuabuac=60°uaⅠⅡⅢⅣⅤⅥuacubcubaucaubucOtt1OtOtuVT1uab三相全控桥式整流电路的电路及波形数量关系：(以三相全控桥式整流电路为例)Ud2.34U2cos整流电压平均值为：（电阻负载α≤60时或阻感负载电流连续时）3U2.34U1cos()2d（电阻负载）Ud在（2.34U2~2.45U2）之间变化（电容滤波不可控整流）11

第12页：整流电路谐波功率因数与漏抗影响

――――――――――2.3整流电路的谐波和功率因数―――――――――――不考虑电压畸变，研究电压为正弦波、电流为非正弦波情况下的功率因数：11111SUIIPUIcosIcoscos基波因数——v=I1/I，，即基波电流有效值和总电流有效值之比位移因数（基波功率因数）——cos1整流电路交流侧功率因数分析：（以单相桥式全控整流电路为例）5n1,3,5,Ln1,3,5,Ld31sinntnI(sint1sin3t1sin5tL)2i44n2IsinntId1112IIcos2cos0.9cos变压器二次侧电流谐波分析：（非重点）单相桥式全控整流电路（大电感负载）：电流中仅含奇次谐波。三相桥式全控整流电路（大电感负载）：电流中仅含6k1（k为正整数）次谐波。―――――――――2.4变压器漏抗对各种整流电路的影响-―――――――――――――变压器漏感对整流电路影响：出现换相重叠角，整流输出电压平均值Ud降低。

各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算：本页原表按电路形式给出换相压降 ΔUd 与换相重叠角 γ 的计算式，源文件公式粘连、无法安全切分，此处仅列出四种电路形式与通用公式，完整数值需对照教材人工还原。

• 单相全波：换相压降与换相重叠角待人工还原
• 单相全控桥：换相压降与换相重叠角待人工还原
• 三相半波：换相压降与换相重叠角待人工还原
• 三相全控桥：等效为相电压等于 √3 U2 的 6 脉波整流电路，m＝6
• m 脉波整流电路通用公式：ΔUd ＝ m·XB·Id /(2π)

单相全控桥电路中环流 ik 由 −Id 变为 Id，通用公式不适用；源文件“①”“②”注记亦随表保留待核。

第13页：大功率整流与有源逆变工作状态

―――――――――-2.5大功率可控整流电路（非重点）--------―――――――――――带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的特点：并联两个三相半波整流电路适用于低电压、大电流的场合。多重化整流电路的特点：各种基本整流电路的组合在采用相同器件时可达到更大的功率。可减少交流侧输入电流的谐波或提高功率因数，从而减小对供电电网的干扰。―――――――――-----2.6整流电路的有源逆变工作状态----―――――――――――有源逆变的产生的条件：1有直流电动势，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90，使Ud为负值。电能-102udidRLVT1VT2MEM+u10udu20u10OOtIdidtUd<EMiVT131iVT2iVT2iVT2id=iVT+iVT12iVT1单相全波整流电路的有源逆变工作状态

第14页：有源逆变与直流电动机四象限特性

电流连续时电动机的机械特性表达式：三相桥整流电路在有源逆变工作状态时：Ud2.34U2cos1.35U2cos把>/2时的控制角用=表示，称为逆变角。逆变失败：逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流。最小逆变角的限制：min=++′―――――――――-----2.7晶闸管直流电动机系统----―――――――――――nUd0cosRIdUCeCe晶闸管直流电动机系统在四象限中的机械特性曲线：电动机在四象限中的机械特性正组变流器反组变流器n21Id342431==2'='=2'1'2'3'4'2'3'4'1=';'==';'=11112222'增大方向'增大方向增大方向增大方向正向电动正向制动反向电动反向制动14

第15页：四象限工作状态与触发电路组成

晶闸管直流电动机系统四象限中变流器和电机的工作状态：―――――――――-----2.8整流电路的驱动控制----―――――――――――触发电路的组成：同步变压器同步波形发生器脉冲发生器比较器电网UT0UT1ug15同步电压形成移相控制uk触发电路的定相：触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。脉冲形成和输出

第16页：变流装置的过压与过流保护配置

―――――――――----2.9变流装置的过压和过流保护----―――――――――――过电压保护措施：过电压抑制措施及配置位置F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4直流侧RC抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。过电流保护措施及配置位置：负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值16短路器电流检测电子保护电路变流器直流快速断路器变压器电流互感器快速熔断器

第17页：降压斩波电路原理与控制方式

3直流斩波电路―――――――――--―――--3.1降压斩波电路---――――-―――――――――――EV+-MLVDioREMuoiGtttOOTEiGtontoffOioi1I10i2I20t1uoa)电路图b)电流连续时的波形降压斩波电路原理图及波形电流连续时输出电压平均值：EE17UtonEtontontoffTo斩波电路三种控制方式：（1）T不变，变ton—脉冲宽度调制（PWM）2ton不变，变T—频率调制。3ton和T都可调，改变占空比—混合型。

第18页：升压斩波电路与输出电压

―――――――――--―――--3.2升压斩波电路---――――-―――――――――――a)电路图iGE0io0I1b)波形升压斩波电路及工作波形E18111E输出电压平均值：Uo

第19页：Cuk、Sepic与Zeta斩波电路

―――――――――--―--3.3其它基本斩波电路（非重点）―-―――――――――――升降压斩波电路：EEEtU1ontonTtofftonoCuk斩波电路：EEEtU1ontonTtofftonoSepic斩波电路：EEEtU1ontonTtofftonoZeta斩波电路：EEEtU1ontonTtofftono19

第20页：直流可逆PWM斩波系统

―――――――――--―--3.4直流可逆PWM系统---――――-―――――――――――桥式双极模式可逆斩波电路:（轻载情况）输出电压平均值：UAB(21)US单极式同频桥式可逆斩波电路:（非重点）输出电压平均值：UABUS20

第21页：单相交流调压电路

4交流电力控制电路和交交变频电路―――――――――--―--4.1单相交流调压电路---――――-―――――――――――单相交流调压电路电阻负载时负载电压有效值：1121otU1sin222UsintdU功率因数：PUoIoUoSU1IoU1谐波分析：由于波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波。RLu1uoV2斩控式交流调压电路（非重点）电源电流不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波。功率因数接近1。VD1V1i1VD2V3V4VD4VD3斩控式交流调压电路ROu1uoioVT1VT2u1uoiotOuVTtOtOt21

第22页：三相交流调压与交流调功电路

―――――――――--―--4.2三相交流调压电路（非重点）―-―――――――――――星形联结电路谐波分析：电流谐波次数为6k±1，与单相交流调压电路相比，没有3倍次谐波，因三相对称时，它们不能流过三相三线电路。支路控制三角联结电路谐波分析：在相同负载和α角时，线电流中谐波含量少于三相三线星形电路。晶闸管控制电抗器（TCR）控制角可连续调节流过电抗器的电流，从而调节无功功率。―――――――――--―--4.3交流调功电路---――――-―――――――――――电阻负载单相交流调压电路交流调功原理：通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。M电源周期22控制周期=M倍电源周期=24M导通段=2NO3M2MMuo,iou1uot2U1交流调功电路典型波形(M=

• N=2)

第23页：交流电力电子开关与交交变频电路

―――――――――--―--4.4交流电力电子开关---――――-―――――――――――把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用。晶闸管投切电容（TSC）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。―――――――――--―--4.5交交变频电路---――――-―――――――――――单相交交变频器两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。当采用6脉波三相桥式电路时，输出上限频率不高于电网频率的1/3~1/2。三相交交变频电路（非重点）由三组输出电压相位各差120°的单相交交变频电路组成。右图为输出星形联结方式在各相电压中叠加同样的直流分量或3倍于输出频率的谐波分量，可以使输入功率因数得到改善并提高输出电压。23

第24页：矩阵式变频器与三相电压型逆变电路

―――――――――--―--4.6矩阵式变频器（非重点）―――-―――――――――――控制方式：直接变频电路，采用的开关器件是全控型。控制方式是斩波控制。vuw313233ucu212223buuu13ua1112优点：输出电压为正弦波。输出频率不受电网频率的限制。5逆变电路换流方式（非重点）：器件换流，电网换流，负载换流，强迫换流―――――――――----5.1三相电压型逆变电路---―――-―――――――――――电压型逆变电路：直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。（方波控制方式）基本工作方式：180°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120°。tuUN'OuVN'OuWN'OuUVtttOtOtOtiUOtidOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuNN'UdUd2Ud3Ud62Ud243

第25页：电流型逆变、多重化与PWM基本原理

―――――――――----5.2三相电流型逆变电路――-―――――――――――电流型逆变电路：直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。基本工作方式：120°导电方式（非重点）每个臂一周期内导电120°，每个时刻上下桥臂组各有一个臂导通，换流方式为横向换流。―――――5.3多重逆变电路和多电平逆变电路（非重点）―――-―――――――――――多重逆变电路：通过多重化把几个矩形波组合起来，使输出接近正弦。多电平逆变电路：输出较多电平，使输出接近正弦。6PWM控制技术PWM控制的基本原理：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。（又称面积等效原理）SPWM波Ouω>tSPWM波SPWM波Ouω>tOu>ωtOuω>t面积相等原则用一系列等幅不等宽的脉冲来代替（等效）一个正弦半波tOtOttIdiWOiUOiVuUV25

第26页：SPWM调制法与同步异步调制

――――――――6.1SPWM波形的生成方法：调制法-―――-―――――――――――调制法：在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断，在负载上调制出期望的信号。单相逆变桥及控制方法谐波分析：（双极性SPWM波形）PWM波中不含低次谐波，只含c及其附近的谐波以及2c、3c等及其附近的谐波。ucuruOtOtuouofuoUd-UdurucuOtOtuouofuoUd-Ud单极性PWM控制方式双极性PWM控制方式三相桥逆变桥PWM控制方法异步调制和同步调制：根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。同步调制时：三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。26

第27页：SPWM计算法与规则采样法

O――――――――6.2SPWM波形的生成方法：计算法-―――-―――――――――――计算法：根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。特定谐波消去法:一般在输出电压半周期内，器件通、断各k次，考虑到PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可消去k－1个频率的特定谐波。uoUd2ta2a1a3u27cuOtur-Ud特定谐波消去法的输出PWM波形自然采样法：按照SPWM控制的基本原理产生的PWM波的方法，其求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。规则采样法:工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。TcADBOtuotAtDtB''22规则采样法

第28页：PWM控制方法改进与跟踪控制技术

――――――――6.3PWM逆变电路控制方法的改进（非重点）―-―――――――――――梯形波调制方法：采用梯形波作为调制信号，可有效提高直流电压利用率。当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量幅值更大。线电压控制方式：对两个线电压进行控制，适当地利用多余的一个自由度来改善控制性能。可使输出线电压不含低次谐波的同时尽可能提高直流电压利用率，并尽量减少器件开关次数。PWM多重化逆变电路：提高等效开关频率、减少开关损耗、减少和载波有关的谐波分量。――――――――――6.4PWM跟踪控制技术-―――-―――――――――――PWM波形生成的第三种方法——电流跟踪控制方法。把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。常用的有滞环比较方式和三角波比较方式。滞环比较方式28

第29页：电流跟踪型逆变与PWM整流电路

三角波比较方式AAA三角波比较方式电流跟踪型逆变电路―――――――――――――6.5PWM整流电路（非重点）―――-―――――――――――把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形成了PWM整流电路。控制PWM整流电路，使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为1，也称单位功率因数变流器，或高功率因数整流器。PWM整流电路的运行方式向量图b)逆变运行29c)无功补偿运行U·sU·L·URa)整流运行·UAB·Is·Us·UR·UAB·IsU·LU·s·UR·UAB·IsU·Ld)Is超前角为·Us·UR·UAB·IsU·L

第30页：软开关技术与组合变流电路

7软开关技术和组合变流电路―――――――――――7.1软开关技术（非重点）-――――-―――――――――――软开关的优点：软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开关的开关条件，大大降低了硬开关电路存在的开关损耗和开关噪声问题。软开关电路的分类：准谐振电路，零开关PWM电路，零转换PWM电路。―――――――――――――7.2组合变流电路-――――-―――――――――――组合变流电路：将某几种基本的变流电路组合起来，以实现一定的新功能，即构成组合变流电路。间接交流变流电路：先将交流电整流为直流电，再将直流电逆变为交流电，是先整流后逆变的组合。典型应用：交－直－交变频器，UPS间接直流变流电路：先将直流电逆变为交流电，再将交流电整流为直流电，是先逆变后整流的组合。变压器整流电路流滤波器逆变电路变压器整流电路流滤波器逆变电路变压器整流电路直流30交流交流脉动直流直流滤波器逆变电路间接直流变流电路的结构典型应用：开关电源