电力电子期末复习材料.doc

1章

电力电子技术是用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，及构成电力电子 装置和电力电子系统的技术

电力电了变流技术：用电力电了器件进行电力变换的技术，简称为变流技术

B !电力变换四人类：交流一直流、直流一交流、直流一直流和交流一交流。

电力电子系统：山控制电路、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。

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索。

半控型器件(Thyristor)

——通过控制信号可以控制具导通而不能控制具关断。

全控型器件(IGBT,MOSFET)

——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。

不可控器件(Power Diode)

——不能用控制信号來控制其通断，因此也就不需要驱动电路。

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。 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。

导通：uGE 大于开启电压UGE(〔h)时，MOSFET 内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT 导通。 通态压降：电导调制效应使电阻RN 减小，使通态压降减小。

关断：栅射极间施加反压或不加信号吋，MOSFET 内的沟道消失，品体管的基极电流被切 断，IGBT 关断。 驱动电路的基木任务：

按控制冃标的要求施加开通或关断的信号。

对半控型器件只需提供开通控制信号。

对全控型器件则既要提供开通控制信号，乂要提供关断控制倍号。

驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。 光隔离一般采用光耦合器

磁隔离的元件通常是脉冲变压器

—— I UGS | >20V 将导致绝缘层击穿。

只能使品闸管的电流降到接近于零的某?数值以下。

晶闸管一旦导通, 门极就火去控制作用。

耍使晶闸筲关断,

换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会 由线路电感在器件两端感应出过电压。

关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而山线路电感在器件两端感应出的过电 压。 —避雷器 ―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—1L 流侧RC 抑制电路 RCD —阀器件关断过电压抑制用RCD 电路

英中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——过载和短路两种情况 保护措施

电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分 区段的保护，直流快速断路器 整定在电子电路动作Z 后实现保护，过电流继电器整定在过载吋动作。

缓冲电路(Snubber Circuit) : 乂称吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dts 过电流和di/dt, 减小器件的开关损耗。

品闸管的串联器件电压分配不均匀

静态均压措施：

选川参数和特性尽量一致的器件。

采用电阻均压，Rp 的阻值应比器件阻断吋的正、反向电阻小得多。 动态均压措施：

选择动态参数和特性尽最一?致的器件。

用RC 并联支路作动态均压。

采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间的差杲

因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。

均流措施：

外因过电压

操作过电压

内因过电压

主要来自雷击和系统操作过程等外因 由分闸、合闸等开关操作引起 由雷击引起 主要來自电力电子装置内部器件的开关过程 雷击过电压

挑选特性参数尽量一?致的器件。采用均流电抗器。

用门极强脉冲触发也冇助于动态均流。

当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串麻并的方法联接O

2章

整流电路：

出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。

变压器漏感对整流电路影响的一些结论： 出现换相重叠角g ,整流输出电压平均值Ud 降低。

整流电路的工作状态增多。

品闸管的di/小减小，有利于晶闸管的安全开通。

冇时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt o

换相时品闸管电压出现缺口，产生正的du/dt,可能使晶闸管谋导通，为此必须加吸收电路。 换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。

电容滤波的单札I 不可控整流电路常用于小功率单和交流输入的场合，如目前人量普及的微 机、电视机等家电产品中

空 载

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?空载时二压2o

?重载时，4逐渐趋近于0.94,即趋近于接逬电阻负载时的特性。重载时，Ud逐渐趋近于0.9U2,即趋近于接近电阻负载时的特性

电容滤波的三相不可控整流电路输岀电压平均值

Ud 在(2.34U2~2.45U2) Z间变化

基波

谐波谐波次数在傅里叶级数中，频率与工频相同的分量频率为基波频率人

于1整数倍的分量

谐波频率和基波频率的整数比

逆变(Invertion)——把直流电转变成交流电，整流的逆过程。

逆变电路——把直流电逆变成交流电的电路。

有源逆变电路——交流侧和电网连结。

应用：直流可逆调速系统、交流绕线转了异步电动机串级调速以及高压直流输电等。无源逆变电路——变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载

对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，?其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路逆变的条件

?:?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。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总流电动势变成顺向串联，形成很大短路电流。

逆变失败的原因

?触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各品闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。

?晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。

?交流电源缺相或突然消火。

换相的裕量角不足，引起换相失败。

?晶闸管的控制角Q兀/2,使S为负值。

3章

? 直流斩波电路(DC Chopper)

令 将直流电变为另一固定电压或可调电压的肓流电

令6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk 斩波电路、Sepic 斩波电路和Zeta 斩波电路。

?斩波电路三种控制方式 & T 不变，变ton —脉冲宽度调制(PWM)o

令ton 不变，变T —频率调制。

令ton 和T 都nJ 调，改变占空比一混合型。

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图降压跖』臟薯储鳖噩波形

电压升高得原歯厂电感L 储能使

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—『乔是用#苇流啤动机传动 ? 二足用作单相訪率数校正（PFC ）电路

?三是用于其他交直流电源因中

B 电流可逆斩波电路及波形

令 VI 和VD1构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于笫1象限。

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令V2和VD2构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第2象限。

◎必须防止VI和V2同时导通而导致的电源短路。

e笫3种工作方式：一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。

&当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过,

这样电动机电枢回路总冇电流流过。B电路响应很快。

?使V4保持通时，等效为图3?7a所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。

?使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负

电压，可使电动机工作于第3、4象限。

—?种形式的交流变成另-?种形式交流的电路

在进行交流一交流变速时，可改变相关的电压、电流、频率和相数等

交流电丿J控制电路

两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过控制晶闸管就可控制交流电力

交流调压电路

每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节输岀电压有效值

交流调功电路

以交流电周期为单位控制品闸管通断，改变通断周期数的比，调节输出功率的平均值交流电力电子开关

不调节输出平均功率，只接通或断开电路，串入电路的晶闸管可用于功率补尝电路的投切等场合

?交流调功电路与交流调压电路电路形式完全相同，只是控制方法不同。

?交流调功电路不是在每个交流电源周期都对输出电压波形进行控制，而是将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周波，通过改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。

?因具直接调节对象是电路的平均输出功率，所以称为交流调功电路

?通常控制晶闸管导通时刻都是在电源电压过零的时刻，在交流电源接通期间，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。

?晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)

?把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路称为变频电路，屈丁?直接变频电路。

?广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。

?工作原理

◎P组工作时，负载电流io为正。

B N组工作时，io为负。

◎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。

■改变两组变流器的切换频率，就町改变输出频率wo O

?改变变流电路的控制角a,就可以改变交流输出电压的幅值。

$使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a角进行调制。

◎在半个周期内让P组a角按正弦规律从9()。减到()。或某个值，再增加到90°,每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。另外半个周期

可对N组进行同样的控制。

◎UO由若干段电源电压拼接而成，在no的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。

输出上限频率

?输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重。电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因索。

?就输出波形畸变和输出上限频率的关系而言，很难确定一个明确的界限。

?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。电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz0

5章

逆变—与整流相对应，直流电变成交流电。

&交流侧接电网，为有源逆变。

窃交流侧接负载，为无源逆变。

?逆变与变频

◎变频电路：分为交交变频和交肓交变频两种。

&交直交变频由交直变换(整流)和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。?主要应用

-各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。

-交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。

?换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。

器件换流(Device Commutation)

-利用全控型器件的自关断能力进行换流。

-在采川IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的电路屮的换流方式是器件换流。

2)电网换流(Line Commutation)

-电网提供换流电压的换流方式。

-将负的电网电压施加在欲关断的品闸管上即可使其关断。不需要器件貝-有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。

3)负载换流(Load Commutation )

4)强迫换流(Forced Commutation

◎器件换流——适用于全控型器件。

◎具余三种方式——针对晶闸管。

逆变电路的分类

电压型逆变电路直流侧是电压源

电流型逆变电路直流侧是电流源

电压型逆变电路的特点

(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基木无脉动。

(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。

(3)阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向宜流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。

单相电斥型全桥逆变电路

三相电压型全桥逆变电路1 8 0°导通型

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脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需婆的波形

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的坏节上时，具效果基本相同。

冲量窄脉冲的面积

效果基本相同环节的输岀响应波形基本和同

如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波

若耍改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。脉冲冲量相等宽度按正弦波规律变化

◎等幅PWM波输入电源是恒定直流

令不等幅PWM波输入电源是交流或不是恒定的肓流脉宽调制实现方法计算法

B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。

&木法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。

调制法（例如在IGBT单相桥式电压型逆变电路屮）

&工作时VI和V2通断互补，V3和V4通断也互补。

e以uo正半周为例，VI通，V2断，V3和V4交替通断。

窃负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。

窃负载电流为正的区间，VI和V4导通时，uo等于Ud o

载波比载波频率fc与调制信号频率fr Z比，N二fc / fr

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界步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式

窃通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的

◎在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称

&当fr较低吋，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小

令当fr?增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变人同步调制载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同

步，即N等于常数。

?基木同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。

&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。

B fi?很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。

令&很高吋，fc会过高，使开关器件难以承受。

分段同步调制——

异步调制和同步调制的综合应用。

令把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同。

◎在fr高的频段采用较低的N,使载波频率不致过高；在fM氐的频段采用较高的N, 使载波频率不致过低。

窃为防止fc在切换点附近來回跳动，采用滞后切换的方法。

◎同步调制比界步调制复杂，但用微机控制时容易实现。

令可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。