电力电子复习资料讲解

湖北理工学院电气学院电力电子复习课

第一章绪论

BY 12自动化张一鸣

1、电力电子技术的概念

定义:电力电子技术——应用于电力领域的电子技术,使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术.电力电子技术主要用于电力变换。

分为信息电子技术（信息处理）和电力电子技术（电力变换）。

2、电力变换通常可分为哪四大类？

电力变换通常可分为四大类：交流变直流（整流）、直流变交流（逆变）、交流变交流（变频、变压）、直流变直流（斩波）。

第2章电力电子器件

1、电力电子器件的概念

电力电子器件：是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。

2、电力电子器件的分类

按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度分类：

1.半控型器件，例如晶闸管;

2.全控型器件，例如GTO(门极可关断晶闸管)、GTR(电力晶体管)，MOSFET(电力场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管);

3.不可控器件，例如电力二极管;

按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分类：

1.电压驱动型器件，例如IGBT、MOSFET、SIT(静电感应晶闸管);

2.电流驱动型器件，例如晶闸管、GTO、GTR;

根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的有效信号波形分类：

1.脉冲触发型，例如晶闸管、GTO;

2.电子控制型，例如GTR、MOSFET、IGBT;

按照电力电子器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分类：

1.单极型器件，例如电力二极管、晶闸管、GTO、GTR;

2.双极型器件，例如MOSFET、IGBT;

3.复合型器件，例如MCT(MOS控制晶闸管);

3、晶闸管的导通条件、关断条件、维持导通条件

使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或：uAK>0且uGK>0。

使导通了的晶闸管关断的条件是使流过晶闸管的电流减小至一个小的数值，即维持电流IH一下。

维持晶闸管导通的条件是，晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。

4、关断晶闸管的方法

要使晶闸管由导通变为关断，可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，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。

5、晶闸管的符号、英文缩写与引脚

符号SCR A: 阳极G：门极K: 阴极

uAK>0且uGK>0

6、常用的全控型器件有哪些？P-MOSFET、SIT、GTO、GTR 、IGBT是哪些全控型器件的英文缩写，这些器件中哪些是电流控制型器件？哪些是电压控制型器件？

电流型：门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）

电压型：电力场效应晶体管（P-MOSFET）、静电感应晶闸管（SIT）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

7、IGBT的结构

第3章整流电路

1、什么是整流电路？整流电路的主要分类方法。

整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。

1、按组成的器件可分为不可控电路、半控电路、全控电路三种

2按电路结构可分为零式电路和桥式电路

3按电网交流输进相数分为单相电路、三相电路和多相电路

4按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。其中所有半波整流电路都是单拍电路，所有全波整流电路都是双拍电路。

5按控制方式可分为相控式电路和斩波式电路（斩波器）

6按引出方式的不同分中点引出整流电路，桥式整流电路，带平衡电抗器整流电路，环形整流电路，十二相整流电路。

2、控制角（触发角、触发延迟角）、导通角？

输入电压从0开始直到晶闸管触发脉冲到来的瞬间的电角度，称作控制角α；每半个周期晶闸管导通时间的电角度，称作导通角θ。从定义来说α+θ=180°。这俩者用来表示晶闸管在承受正向电压的半个周期的导通或阻断范围。所以导通角越大控制角越小。

3、单相半控桥电感性负载电路中，在负载两端并联一个续流二极管的作用。

防止失控现象的产生。

4、晶闸管的换相重叠角与电路的哪些参数有关？

晶闸管的换相重叠角与电路的触发角α；变压器漏抗XB；平均电流Id；电源相电压U2。等到参数有关。

5、三相半波相控整流电路和三相桥式全控整流电路三相半

波相控整流电路对触发脉冲有什么要求？ 三相半波相控整流电路晶闸管相位相差120度，三相半波相控整流电路六个晶闸管相位依次相差60度。

6、三相全控桥整流电路中，输出电压的脉动频率是多少？ 300Hz 。全波整流输出的脉动频率是100Hz ，半波整流输出电压的脉动频率就是50Hz ，三相半波的就是150Hz 了。

7、产生有源逆变的条件？在所学电路中哪些电路能产生有源逆变？哪些不能产生有源逆变？

条件：（1）变流电路直流侧必须外接与直流电流Id 同方向的直流电源Ed,其值要略大于Ud （|d E |>|d U |），才能提供逆变能量；（2）变流电路必须工作在β＜90°（即α＞90°）区域，使Ud ＜0,才能把直流功率逆变成为交流功率。上了述两个条件，缺一不可，逆变电路需接平波电抗器。

能产生：三相半波可控整流电路、单相全控桥可控整流电路

不能产生：三相半控桥整流桥电路、单相全控桥接续流二极管电路、单相半控桥整流电路

8、P95 第3题、第11题、第13题。 3．单相桥式全控整流电路，U2＝100V ，负载中R ＝2Ω，L 值极大，当α＝30°时，要求：①作出ud 、id 、和i2的波形；

②求整流输出平均电压Ud 、电流Id ，变压器二次电流有效值I2；③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。

解：①ud 、id 、和i2的波形如下图：

②输出平均电压Ud 、电流Id ，变压器二次电流有效值I2分别为

Ud ＝0.9U2cos α＝0.9×100×cos30°＝77.97（V ）

Id＝Ud/R＝77.97/2＝38.99（A）

I2＝Id＝38.99（A）

③晶闸管承受的最大反向电压为：

2U2＝1002＝141.4（V）

考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：

UN＝（2~3）×141.4＝283~424（V）

具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。

流过晶闸管的电流有效值为：

IVT＝Id∕2＝27.57（A）

晶闸管的额定电流为：

IN＝（1.5~2）×27.57∕1.57＝26~35（A）

具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。

11．三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5Ω，L值极大，当α=60°时，要求：

1画出ud、id和iVT1的波形；2计算Ud、Id、IdT和IVT。

解：①ud、id和iVT1的波形如下图：

②Ud、Id、IdT和IVT分别如下

Ud＝1.17U2cosα＝1.17×100×cos60°＝58.5（V）

Id＝Ud∕R＝58.5∕5＝11.7（A）IdVT＝Id∕3＝11.7∕3＝3.9（A）IVT＝Id∕3＝6.755（A）

13．三相桥式全控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5Ω，L值极大，当α=60°时，要求：

1画出ud、id和iVT1的波形；2计算Ud、Id、IdT和IVT。

解：①ud、id和iVT1的波形如下：

②Ud、Id、IdT和IVT分别如下

Ud＝2.34U2cosα＝2.34×100×cos60°＝117（V）

Id＝Ud∕R＝117∕5＝23.4（A）IDVT＝Id∕3＝23.4∕3＝7.8（A）IVT＝Id∕3＝23.4∕3＝13.51（A）

9、什么是逆变失败？如何防止逆变失败？

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。

10、带平衡电抗器的双反星形可控整流电路适用什么场合。

低压高电流

11、下列电路中哪些电路可能产生有源逆变？哪些电路不能产生有源逆变？若能产生有源逆变，则说明应满足什么条件；若不能产生有源逆变，则说明理由。

（1）（2）

（3）（4）

条件：（1）变流电路直流侧必须外接与直流电流Id同方向的直流电源Ed,其值要略在于Ud，才能提供逆变能量；（2）变流电路必须工作在β＜90°（即α＞90°）区域，使Ud＜0,才能把直流功率逆变成为交流功率。上了述两个条件，缺一不可，逆变电路需接平波电抗器。（1）（2）不可以产生有源逆变，直流侧没有直流电动势。（3）（4）可以产生有源逆变。（3）满足条件|Em|>Ud时可以产生有源逆变。（4）E<0，|E|>Ud.

第4章逆变电路

1、什么是逆变？什么是有源逆变和无源逆变？按逆变后能量馈送去向不同来分类，电力电子元件构成的逆变器可分为

有源逆变器与无源逆变器两大类。逆变电路根据直流侧电源性质可分为电流型逆变电路和电压型逆变电路。

将直流电转为交流电，这种对应于整流的逆向过程称为逆变。

当交流侧和电网连接时，这种电路称为有源逆变。

如果变流电路的交流侧不和电网链接，而是直接接到负载，把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，称为无源逆变。

2、什么是换流？换流方式有哪几种？无源逆变电路中的换流方式有哪几种？

电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，换流也称为换相。

换流方式：器件换流、电网换流、负载换流、强迫换流。

器件换流，负载换流，强迫换流。

3、什么是电压型逆变器（电路）？什么是电流型逆变器（电路）？

逆变电路直流侧电源是电压源的称为电压型逆变器（电路）。

逆变电路直流侧电源是电流源的称为电流型逆变器（电路）。

4、电压型逆变器（电路）有什么特点？电流型逆变器（电路）有什么特点？

电压型:(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；

(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。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管

电流型：(1)直流侧串大电感，相当于电流源。

(2)交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同。

(3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必反并联二极管。

5、电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？

作用：电压型逆变器当交流侧为阻感性负载时，需要向电源反馈无功功率。直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂开关器件都反并联了反馈二极管。

原因：而对电流型逆变器来说，当交流侧为阻感负载时，也需要提供无功能量反馈，但直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因反馈无功能量时，直流电流并不反向，因此不必象电压型逆变器那样要给开关器件反并联二极管。

6、电流型三相桥式逆变电路，120°导通型，则在任一时刻

开关管导通的个数是不同相的上、下桥臂各一只 ；其换相是在不同相（或不同桥臂）上的元件之间进行的，即横向换相（流）。

7、180°导电型电压型三相桥式逆变电路，其换相是在同一相（或同一桥臂）的上、下二个开关之间进行 ，即纵向换相（流）。

8、采用多重化电压源型逆变器（电路）的目的，主要是为了减小输出谐波。 9、电流型逆变器（电路）中间直流环节贮能元件是电感 ；电压型逆变器（电路）中间直流环节贮能元件是电容。 10、并联与串联谐振式逆变器（电路）属于负载换流方式，无需专门换流关断电路。

第5章 直流直流变流电路

1、什么是直流直流变流电路？

是指将直流变为另一固定的电压或可调电压的直流电。

2、最基本的两种直流斩波电路的计算。如：有一开关频率为20kHz 的Buck 变换电路工作在电感电流连续的情况下，L=0.5mH ，输入电压Ud=12V ，输出电压U0=8V ，求：①占空比D 的大小；②求电感中电流的峰-峰值ΔIL 。 解答：

（1） D U U d 1o =, 667.012

8o ===U U D d （2） )(d s O

d O LU f U U U IL -=?)(L f D U s O -=1)(2664.0105.01020667.0183

3=???-?=-

3、根据对输出电压平均值进行控制的方法不同，直流斩波电路可有哪三种控制方式？并简述其控制原理。

第一种调制方式为：保持开关周期不变，改变开关导通时间ton称为脉宽调制。简称“PWM”调制。

第二种调制方式为：保持开关导通时间ton不变，改变开关周期，称为频率调制。简称为“PFM”调制。

第三种调制方式为：同时改变周期T与导通时间ton。使占空比改变，称为混合调制. 4、升压斩波电路中，已知电源电压，负载电压和斩波周期，则全控型器件的开通时间怎么计算？

5、降压斩波电路中，已知电源电压，负载电压和斩波周期，则全控型器件的开通时间怎么计算？

6、图示电路是什么电路？当直流电动机工作在电动运行状态时，试画出此时的等效电路图并简述其工作原理。当直流电动机工作在再生制动运行状态时，试画出此时的等效电路

图并简述其工作原理。

电流可逆斩波电路

当直流电动机工作在电动运行状态时，V1和VD1构成降压斩波电路，工作于第一象限。

当直流电动机工作在再生制动运行状态时，V2和VD2构成降压斩波电路，工作于第二象限。

第6章交流交流变流电路

1、什么是交流交流变流电路？

把一种形式的交流变为另外一种形式的交流的电路。

2、什么是交流电力控制电路？什么是变频电路？

交流电力控制电路：把两个晶闸管反并联后串联在电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流输出，这种电路不改变交流电的频率。

变频电路：对交流电的频率进行变换的电路。

3、对于电阻性负载单相交流调压电路，控制角的移相范围为0°<α<180°；对于阻感性负载单相交流调压电路，控制角的移相范围为φ<α<180°。

4、什么是交流调压电路和交流调功电路？二者各运用于什么样的负载？

交流调压电路：在每半个周波内通过对晶闸管的开通纤维的控制，调节输出电压的有效值。交流调功电路：以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断，改变通断周期数和断态周期数的比，可以方便的调节输出功率的平均值。

交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。在供用电系统中，还常用于对无功功率的连续调节。此外，在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。如采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联；同样，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联。这都是十分不合理的。采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都不太大也不太小，在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。

交流调功电路常用于电炉温度这样时间常数很大的控制对象。由于控制对象的时间常数大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁控制。

5、交交变频电路的最高输出频率是多少？制约输出频率提高的因素是什么？

1、 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，其输出上限频率约为20Hz 。电压波形畸变及由此产生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素。

6、交交变频电路的主要特点是什么？其主要用途是什么？ 交交变频电路的主要特点是：只用一次变流，效率较高；可方便实现四象限工作；低频输出时的特性接近正弦波。

主要用途：500千瓦或1000千瓦以下的大功率、低转速的交流调速电路，如轧机主传动装置、鼓风机、球磨机等场合。

7、三相交交变频电路主要有哪两种接线方式 ？ 三相交交变频电路有公共交流母线进线方式和输出星形联结方式两种接线方式。

第7章 PWM 控制技术

1、什么是PWM 控制？试说明PWM 控制的基本原理。 PWM 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

在采样控制理论中有一条重要的结论：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，冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理.

2、PWM 逆变电路的控制方法主要有哪几种？

计算法和调制法。

3、什么是异步调制？什么是同步调制？ 载波频率c f 调制信号频率r f 载波比r c

f f N

异步调制法是保持载波频率不变，载波信号和调制信号不保持同步，载波比是变化的。 同步调制时，保持载波比为常数，并在变频时使载波和信号波保持同步变化。

4、在PWM 逆变电路的相电压正弦波调制信号中叠加适当的3次谐波，使之成为鞍形波的目的 是什么？

包含幅值更大的基波分量

5、单极性和双极性PWM 调制有什么区别？

单极性PWM 控制方式。三角波载波在信号波正半周期或负半周期里只有单一的极性，所得的PWM 波形在半个周期中也只在单极性范围内变化。

双极性PWM控制方式的三角波载波始终是有正有负为双极性的，所得的PWM波形在半个周期中有正、有负。

6、若增大SPWM逆变器的输出电压基波频率，可采用的控制方法是增大正弦调制波频率。

7、试画出采用IGBT作为开关器件的单相桥式PWM逆变电路原理图。若采用单极性PWM控制方式，试简述其控制规律，并画出负载电压uo的波形。若采用双极性PWM控制方式，试简述其控制规律，并画出负载电压uo的波形。（调制信号和载波的波形如图所示）

单相桥式PWM逆变电路原理图：

单极性PWM控制双极性PWM控制

第8章软开关技术

1、什么是硬开关？什么是软开关？

硬开关：开关在控制电路的开通和关断过程中，会引起电压和电流的剧烈变化，并产生较大的开关损耗和开关噪声，这样的开关叫硬开关。软开关：有时也称为谐振开关，软开关电路在电路中增加了小电感、电容等谐振器件，在开关过程前后引入谐振，使开关条件得以改善，从而降低开关损耗和开关噪声。

1、根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路分成零电压电路和零电流电路。

3、软开关电路的分类。根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。

4、高频化的意义是什么？为什么提高开关频率可以减小滤波器的体积和重量?

高频化可以减小滤波器的参数,并使变压器小型化,从而有效的降低装置的体穆和重量。使装置小型化,轻量化是高频化的意义所在。提高开关频率,周期变短,可使滤除开关频率中谐波的电感和电容的参数变小,从而减轻了滤波器的体积和重量;对于变压器来说,当输入电压为正弦波时,U=4.44f*N*B*S 当频率/提高时,可减小N ，S 参数值,从而减小了变压器的体积和重量。

第9章 电力电子器件应用的共性问题

1、电力电子器件的驱动电路对整个电力电子装置的影响。 电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口， 是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路可使电力电子器件工作在比较理想的开关状态,可缩短开关时间,减少开关损耗,对装置的运行效率、可靠性和安全性都有着重要意义。另外，对电力电子器件或整个装置的一些保护措施也往往就将近设在驱动电路中，或者通过驱动电路来实现，这使得驱动电路的设计更为重要。

2、电力电子器件的常规保护有哪些？ 过电压保护，过电流保护，t u D D ，t D D i

3、电力电子器件过电压保护和过电流保护各有哪些主要方法？

1.过电压保护常用RC 阻容吸收、雪崩二极管、压敏电阻、硒堆和转折二极管等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较长用的措施。

2.过电流保护常用快速熔断器、直流快速断路器和过流继电器都是较长用的措施。

4、在各种过流保护方法中，动作速度排在第一位的是哪种保护手段？

反馈控制过流保护。

5、晶闸管串联使用时应采用均压措施，并联使用时应采用均流措施。

6、全控型器件的缓冲电路的主要作用是什么?

全控型器件缓冲电路的主要作用是抑制器件的内因过电压,du/dt 或过电流和di/dt, 减小器件的开关损耗。

试卷题型

1、填空题（9个小题，共20个空）

2、简答题（5个小题）

3、单项选择题（8个小题）

4、分析作图题（3个小题）

5、计算题（2个小题）