电力电子技术王兆安复习重点.docx

1、电力电子技术王兆安复习重点（2 ）双极型器件：由电子和空穴两种载流子参数导电的器并按照系统工作要求形成电力电子器件的工作信号 文档第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（4）交流变交流AC-AC :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。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：指能够直接承担电能变换或控制任务的电

2、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。2电力电子器件一般都工作于 开关状态，以减小本身损耗。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（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。女口 SCR晶闸管。（2） 全控型

3、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）电流型器件：通过从控制端注入或抽岀电流的方式来 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 。件。女口 SCR、GTO、GTR（3 ）

4、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。女口 IGBT。5半控型器件一晶闸管 SCR将器件N1、P2半导体取倾斜截面，则晶闸管变成 V1-PNP 和V2-NPN 两个晶体管。晶闸管的导通工作原理（1 ）当AK间加正向电压 Ea，晶闸管不能导通，主要是 中间存在反向PN结。（2 ）当GK间加正向电压 Eg，NPN晶体管基极存在驱 动电流Ig， NPN晶体管导通，产生集电极电流 Ic2。（3 ）集电极电流Ic2构成PNP的基极驱动电流，PNP导 通，进一步放大产生 PNP集电极电流lc1。（4）Ic1与I G构成NPN的驱动电流，继续上述过程，形 成强烈的负反馈，这样NPN和PN

5、P两个晶体管完全饱和， 晶闸管导通。23143 晶闸管是半控型器件的原因（1 ）晶闸管导通后撤掉外部门极电流 lG，但是NPN基极仍然存在电流，由 PNP集电极电流lc1供给，电流已经形成强烈正反馈，因此晶闸管继续维持导通。（2 ）因此，晶闸管的门极电流只能触发控制其导通而不能 控制其关断。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

6、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。2.4.1.1 GTO 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。（1 ）当GTO承受反

7、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。243 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Ugs大于某一电压值 Ut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。244绝缘栅双极晶体管 IGBT（1）GTR和GTO是双极型电流驱动

8、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。（1 ） IGBT是三端器件，具有栅极 G、集电极C和发射极E。（2 ） IGBT由MOSFET 和GTR组合而成。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

9、备的变流装置。3.1.1单相半波可控整流电路（4 ）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。（7 ）几个定义1“半波”整流：改变触发时刻，ud和id波形随之改变，直流输岀电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流， 其波形只在U2正半周内岀现，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。3.1.1.3 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

10、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3.121 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原理图1由4个晶闸管(VT1 VT 4)组成单相桥式全控整流电路。2VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成一对桥臂。(2 )单相桥式全控整流电路带电阻负载时的波形图10 :VT1 VT 4未触发导通，呈现断态，则 Ud 0、i d 0、i 2 0。1u VT1 UVT4 U2， UVT1 uVT4 u2。2：在角度时，给VT1和VT4加触发脉冲，此时 a

11、点电压高于b点，VT1和VT4承受正向电压，因此可靠导通， uvt1 uvt4 0。电流从a点经VT1、R、VT4流回b点。Ud U2， i2 id，形状与电压相同。3( )：电源U2过零点，VT1和VT4承受反向电压而关1断，UVT1 UVt4 U2 (负半周)。1 4 2同时，VT2和VT3未触发导通，因此 ud 0、i d 0、i 2 0 4( )2 :在( )角度时，给 VT2和VT3加触发脉冲，此时b点电压高于a点，VT2和VT3承受正向 电压，因此可靠导通， uvt2 u vt 3 0。VT 1阳极为a点，阴极为b点；VT4阳极为a 点，阴极为b点；因此u VT1 u VT4 u2

12、。 电流从b点经VT3、R、VT2流回b点。 ud u2， i2 id。(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1 厂 2 u 2 1 COS 1 cosU d 2U 2 sin td( t) - 0.9U22 2(5 )负载直流电流平均值假设负载电感很大，负载电流不能突变，使负载电流U d 2 寸 2U 2 1 COS IdR R0.9RU 2 1 COSid连续且波形近似为一水平线。承受最大正向电压:2 C 2U 2)在角度时，给VT1和VT4加触发脉冲，此时承受最大反向电压:.2U2a点电压高于b占八、5VT1和VT4

13、承受正向电压，触发角的移相范围:0 时，Ud 0.9U2 ；180因此可靠导通，UVT1uvt4 0。，Ud 0。因此移相范围为 180。电流从a点经VT1、L、R、VT4 流回 b 点,晶闸管电流平均值:VT1、VT4 与 VT2、VT3轮流导Ud U2。，因此晶闸管电流平均值只有输出直流电流平均值的一id为一水平线，iVT1,4 id i2 。1，即 1 dVT 1 d0.45, T。VT2和VT3为断态，g,3 0(6 )晶闸管参数计算3.1.2.2 带阻感负载的工作情况时电半 ( ):(1 )单相桥式全控整流电路带阻感负载时的原理图虽然二次电压U2已经过零点变负，但因大电感(2 )单相

14、桥式全控整流电路带阻感负载时的波形图的存在使VTi和VT4持续导通。U VT1uvt40， Ud U2， iVT1,4 id i2，2丁2,3)2)角度时，给VT 2和VT3加触发脉冲,分析时，假设电路已经工作于稳态下。此时b点电压高于a电压，因此可靠导通,点，VT2和VT3承受正向UVT2 U VT 3 0。由于VT2和VT3的导通，使VTi和VT4承受反向电压而关断ivT14 0。VT1阳极为a点，阴极为b点；VT4阳极为a点，阴极为b点；因 此 UVT1 4 U2。电流从b点经VT3、L、R、VT2流回b点, 负载侧只有 U2瞬时值的绝对值大于反电动势，即ud u2。i d 为一水平线，

15、ivT2,3 id i2。 2 （2 ）:虽然二次电压u2已经过零点变正，但因大电感 的存在使 VT2和VT3持续导通。UVT2 UVT3 0， uVT1,4 u2 ， Ud U?，i VT 2,3 id i2， iVT1,4 。U2(2)E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。单相桥式全控整流电路带反电动势负载时的波形图* i 片 ! M I 4廿小1 广； |盘C在角度时，给VTi和VT4加触发脉冲，此时（3 ）直流输出电压平均值1 l 2m 2U 2U d 2U 2 sin td （ t） cos 0.9U 2 cos（4 ）触发角的移相范围0时，Ud 0.9U2 ； 90O时，Ud

16、0。因此移相范围为90。（5 ）晶闸管承受电压： 正向：.2U2 ;反向： 2U2U2E，说明VTi和VT4承受正向电压，因此Ud E可靠导通，Ud u2， id -r 。）（ ）:在（ ）角度时，U2 E，说明VTi和VT4已经开始承受反向电压关断。同时，由于 VT2和VT3还未触发导通，因此Ud E，id 0。3.1.2.3 带反电动势负载时的工作情况）（1 ）单相桥式全控整流电路带反电动势负载时的原理图此过程为VT2和VT3导通阶段，由于是桥式全控整流，因此负载电压与电流同前一阶段,Ud U2，idUd E。R等时，负载可看成一个直流电压源，即反电动势负载。正常情况下，负载电压 ud最低

17、为电动势 E3.2三相可控整流电路321三相半波可控整流电路3.2.1.1电阻负载(1 )三相半波可控整流电路带电阻负载时的原理图1变压器一次侧接成三角形，防止 3次谐波流入电网2变压器二次侧接成星形，以得到零线。3三个晶闸管分别接入 a、b、c三相电源，其所有阴极tt2 :a相电压最高，则VD 1导通，VD 2和 VD3反压关断，Udua t2t3 :b相电压最高,则VD2导通，VD3和 VD1反压关断，Udub t3t4 :b相电压最高,则VD2导通，VD3和 VD1反压关断，UdUb 4按照上述过程如此循环导通，每个二极管导通 120。5自然换向点：在相电压的交点 t1、 t2、 t3处

18、，岀现二极管换相，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。连接在一起，为共阴极接法。(3 )三相半波可控整流电路带电阻负载时的波形图自然换向点：对于三相半波可控整流电路而言，自然换向个的值最大，则该相所对应的二极管导通，并使另两 相的二极管承受反压关断， 输出整流电压即为该相的相电压。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 0b相电压最高， VT2已经承受正压， t2时刻（即 tl t2 :a相电压最高，VTi开始承受正压， 在t1时刻触发导 通，u vt1 0，而VT2和VT 3反压关断。UdUd Ua， iVT1

19、IdR2t2 t3:b相电压最高，VT2开始承受正压，在 t2时刻触发导通，uvt2 0 ,而VT3和VTi反压关断。ud ub， Ivt1 0，VTi承受a点-b点间电压，即U VTi Uab。3t3 t4 :c相电压最高，VT3开始承受正压，在t3时刻触发导 通，u vt3 0，而VTi和VT 2反压关断。ud uc， Ivt1 0，VT i承受a点-c点间电压，即U VTi Uac。（4 ）三相半波可控整流电路带电阻负载时的波形图（30。）定义：ti时刻为自然换向点后 30， t2和t3时刻依次间距120。1ti ( ti 90):a相电压最高，VTi已经承受正压， 但在11时刻（即30

20、）时开始触发导通，uVt1 0，而VT2和VT3 反压关断。UdUd Ua， 1 VTi IdR2（ti 90） t2 :虽然已到a相和b相的自然换向点，b相电压高于a相电压，VT 2已经开始承受正压，但是 VT 2没有门极触发脉冲，因此 VT2保持关断。这样，原来已经导通的VTi仍然承受正向电压（ua 0）而持续导通，uVt1 0， ud ua，UdIVK Id1 R3t2 t3:30 ）时开始触发导通 VT2, uvt2 0，这样VTi开始承受反压而关断。ud ub，iv 0，VT1承受a点-b点间电压，即U VT1 Uab。 t3 t4 :C相电压最高， VT3已经承受正压， t3时刻（

21、即30）时开始触发导通 VT3，UVT3 0，这样VT2 开始承受反压而关断。Ud Uc， ivT1 0，VT 1承受a点-c点间电压，即u VT1 uac。（5 ）三相半波可控整流电路带电阻负载时的波形图（60）、1113K?T1a定义：t1时刻为自然换向点后 60， t2和t3时刻依次间距120。1t1 （ t1 90）:a相电压最高，VT1在t1时刻（即 60）时开始 触发导通，即使过了自然换向点，但因 VT2未导通及Ua 0,而使 VT1持续导通，uvt1 0,而VT2和VT3反压关断。UdUd Ua， iVT1 id。R(t1 90) t2 :a相电压过零变负（ua 0 ），而使VT

22、1承受反压关断，而VT2 （未触发导通）和 VT3仍为关断。iVT1 id 0， Ud 0。3t2 t3及t3 t4期间情况分别为 VT2和VT3导通 过程，与上述相同。（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 30时，负载电流处于连续状态， 各相导电120。2当 30时，负载电流处于连续和断续的临界状态，各相仍导电120。3当 30时，负载电流处于断续状态，直到 150时，整流输出电压为零。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150，其中经历了负载电流连续和断续 的工作过程。（7 ）数值计算130时，整流电压平均值（负载电流连续） ：1

23、.17Upto当 30时，整流电压波形与电阻负载时相同，因为两种负载情况下，负载电流均连续。当 0 时，Ud最大，Ud 1.17U2 30时，整流电压平均值（负载电流断续）Ud12 -63,2U 2 sin td( t)3 2尹2口cos(6（2 ）三相半波可控整流电路带阻感负载时的波形图（60）当 150时，Ud最小，Ud 0负载电流平均值:IdUd。R 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Urm .2 3U2 6U 2 2.45U2定义：ti时刻为自然换向点后 60， t2和t3时刻依次 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 载整流输岀电

24、压 U d，由于U d最小为0，因此晶闸管最大 正向电压U FM 2U 2。2.2.1.2阻感负载（1 ）三相半波可控整流电路带阻感负载时的原理图1当阻感负载中的电感值很大时，整流获得的电流 id波 形基本是平直的，即流过晶闸管的电流接近矩形波。间距120。1t1 t2 :VT1承受正压并触发导通，过自然换向点后 a相电压仍大于0，VT1仍持续导通。a相过零点后，由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT1仍持续导通。ud ua， ia id 1 d， i b i c 0， u VT1 0 02t2 t3:当t2时刻，b相电压最高，同时触发导通，则 VT2导通，这样 VT1承受反压关断，由 VT2

25、向负载供电。ud ub , ib id 1 d , ia ic 0 , uVT 1 Uab。 t3 t4 :工作过程与上述相同。Ud Uc , ic id I d , i a ib 0, UVT 1 U ac。(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 120。2当 30时，负载电压Ud波形将岀现负的部分， 并随 着触发角的增大，使负的部分增多。3当 90时，负载电压Ud波形中正负面积相等，Ud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90。(4 )数值计算1整流电压平

26、均值(负载电流始终连续)：Ud 1.17U2 cos 。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，U fm U rm 12 -?；3U 2 6U 2 2.45U 2t J 卞 /f ”负rc叫VTjVT八T足(1 )由6只晶闸管组成，形成三个桥臂，其中每个桥臂 连接一相电源(2 )阴极连接在一起的 3只晶闸管(VT1、VT3、VT5)称为共阴极组，处于桥臂上端。(3 )阳极连接在一起的 3只晶闸管(VT4、VTe、VT2)称为共阳极组，处于桥臂下端。(4 )晶闸管的导通顺序： VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VTe。3.2.2.1 带电阻负载时的工作情况( 0 )(1)

27、基本说明1自然换向点仍为 a、b、c相的交点。2将t1时刻(自然换向点)后的一个电源周期分成 6段, 每段电角度为60，分别为I、H、皿、W、V、W。(2)波形图分析3.2.2三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路原理图：阶段W：阶段V:承受反压（U be承受反压（U bae相电压最大，b承受反压（Uaeb相电压最大，ae相电压最大，aUd Uba , i VTiUd Uea， i VTi相电压最小,0 ）而关断,U ba,UVTi相电压最小,0 ）而关断,Uea 下,UVTi相电压最小,0 ）而关断,阶段I：ud Ueb , iVTiU eb 盲,UVTia相电压最大，b相电压最小，触发导

28、通 VTi （事实上, VT6已经导通）Ud Uab , iVTiRUab,UVTi阶段a相电压最大，e相电压最小,承受反压（ueb 0 ）而关断,U aeUd Uae, IVTi ， UVTi阶段皿:b相电压最大，e相电压最小,承受反压（UabUd Ube， i VTi0 ）而关断,Ube 百,UVTi（3）总结对于共阴极组的3个晶闸管来说,触发导通VT4，则VT3持续导通。U ab。触发导通VT5，则VT4持续导通。uae。触发导通VT6，则VT5持续导通。uae。VT2VT3VT4阳极所接交流电压值最高的一个导通；对于共阳极组的 3所接交流电压值最低的一个导通。个晶闸管来说，阴极触发导通VT2 ,则VT6VTi持续导通。触发导通VT3，则VTiVT2持续导通。uab。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,且不能为同I相的晶闸管。i个是共阳极组的,对触发脉冲的要求：6个晶闸管的脉冲按VT3 VT4 VT5 VT6的顺序，相位依次差VTi VT260。共阴极组VTi、VT3、VT5的脉冲依次差VT2、VT4