《电力电子技术》自学指导大纲.docx
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《电力电子技术》自学指导大纲
《电力电子技术》自学指导大纲
课程性质
•《电力电子技术》是一门跨学科的、利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》由三部分内容组成。
–电力电子器件
–电力电子电路
–电力电子系统及其控制
主要任务
培养学生：
•了解电力电子技术的发展动向和应用领域。
•了解与熟悉常用的电力电子器件的工作机理、电气特性和主要参数。
•理解和掌握基本的电力电子电路的工作原理、电路结构、波形的原理、电气性能、分析方法和参数计算，并能进行初步的设计。
•对电力电子电路具有一定的实验和调试能力。
课程教学内容
•绪论
•第一章电力电子器件的原理与特性
•第二章相控整流电路
•第三章直流斩波器
•第四章交流调压电路和交交变频电路
•第五章无源逆变电路
•第六章电力电子器件的门（栅）极控制电路
第一章电力电子器件的原理与特性
（讲课4学时）
•了解电力电子器件的发展、分类与应用，理解和掌握晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR或BJT）、电力场效应晶体管（电力MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等常用的电力电子器件的工作机理、电气特性和主要参数。
•重点：
各种电力电子器件原理、性能上的不同点，各自应用的场合。
•作业：
教材第43页习题1.3、1.4、1.5、1.6、1.8。
第二章相控整流电路
（讲课12学时，实验6学时）
•理解和掌握单相桥式、三相半波、三相桥式等整流电路的电路结构、工作原理、波形的道理、电气性能、分析方法和参数计算。
理解和掌握单相、三相有源逆变电路的工作原理，有源逆变的应用和整流电路的功率因数及其改善的方法
•重点：
波形分析和基本电量计算的方法、有源逆变的条件和有源逆变失败的原因。
•难点：
不同负载对工况的影响和整流器交流侧电抗对整流电路的影响。
•作业：
教材第121页习题2.3、2.5、2.7、2.8、2.11、2.12、2.14、2.15、2.16、2.17、2.18、2.20、2.21、2.22、2.23。
第三章直流斩波器
（讲课6学时，实验2学时）
•了解直流斩波器的工作原理及控制方式，掌握直流斩波器的基本电路、波形分析及电路参数计算，掌握多相多重型斩波电路、多象限斩波电路。
•重点：
掌握各种斩波电路的波形分析及工作原理。
•作业：
教材第156页习题3.1、3.3、3.4、3.5、3.6。
第四章交流调压电路和交交变频电路
（讲课6学时）
•掌握交流调压器的基本类型、用途和电路，简要分析单、三相交流调压电路，理解和掌握交流斩波调压的原理与基本性能，掌握交－交变频电路（周波变换器）的原理及电路，分析其优缺点。
•重点：
交－交变频电路（周波变流器）的原理及电路。
•作业：
教材第173页习题4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6。
第五章无源逆变电路
（讲课8学时，实验2学时）
•掌握无源逆变电路的概念、原理及分类，重点掌握三相桥式逆变电路的原理与参数，了解新器件（IGBT）构成的三相逆变电路及三点式逆变电路及器件容量的选择方法、原则，一般了解SCR及IGBT谐振式逆变电路和电流型逆变电路，掌握逆变电路的调压、脉宽调制和谐波消除方法，掌握电力电子器件的缓冲电路。
•重点：
三相桥式逆变电路的原理与参数、脉宽调制和谐波消除方法。
•作业：
教材第225页习题5.1、5.2、5.3、5.6、5.8、5.9、5.11、5.12、5.14、5.15、5.17、5.18。
第六章电力电子器件的门（栅）极控制电路
（讲课2学时）
•掌握晶闸管对触发电路的要求，了解GTO、IGBT、MOSFET等器件对触发电路的要求。
•重点：
掌握IGBT触发电路。
•作业：
教材第257页习题6.1、6.2、6.5、6.8、6.9。
本课程与其他课程的联系
•本课程的先修课程为：
电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、电机学。
•想更加深入了解电力电子器件的半导体物理原理的学生可选修电力电子器件。
•本课程为学习电传动控制基础、电力电子装置及控制、高频电力电子技术等课程奠定了基础。
所涉及到的理论
•微电子技术
–模拟电路
–脉冲与数字电路
–计算机应用
•电路理论
•电力系统理论
•自动控制原理与系统
•电机学及电机拖动
考试方式与成绩评定
•平时作业：
10％
•期中考试：
20％
•实验：
10％
•期末考试：
60％
参考书目
•半导体变流技术（第三版）
–黄 俊机械工业出版社
•电力电子技术（第一版）
–周明宝机械工业出版社
•现代电力电子技术（第一版）
–张 立科学出版社
•电力电子技术习题集（第一版）
–叶 斌中国铁道出版社
《电力电子技术》自学指导书
绪论
第一章电力电子器件的原理与特性
第二章相控整流电路
第三章直流斩波器
（注：
以上教学内容已在课堂讲授，并进行了复习和总结，后期自学过程中应进一步复习、归纳，结合例题及作业题加深对所学知识的理解和掌握。
）
第四章交流调压电路和交交变频电路
要求及重点
要求：
掌握交流调压器的基本类型、用途和电路，简要分析单、三相交流调压电路，理解和掌握交流斩波调压的原理与基本性能，掌握交－交变频电路的原理及电路，分析其优缺点。
掌握三相周波变流器的有环流运行。
重点：
交－交变频电路（周波变流器）的原理及电路。
4.1交流调压器的类型、用途和电路
–交流调压器的调压方式：
–通断控制
–相位控制
–斩波控制
–交流调压的应用：
–调温的工频加热和感应加热
–灯光调节
–泵及风机的感应电动机调速
–变压器的初级调压
单相调压器的基本电路：
A.反并联电路
B.混合反并联电路
C.二极管桥式电路
D.混合桥式电路
三相调压器的基本电路：
A.反并联电路
B.混合反并联电路
C.形负载内接反并联电路
D.形负载内接反并联电路
E.形负载内接
4.2单相交流调压电路的分析
–以反并联交流调压电路为例
–电阻负载
–交流电压有效值UR
–负载的电流有效值
–功率因数
–晶闸管的电流平均值
–晶闸管的电流有效值I及通态平均电流IT
–交流调压器R负载时的参数与关系
–电感性负载
a.电路
b.电压与电流波形
c.负载电流表达式
–感性负载电流iL的两个分量iL1、iL2
–电流表达式
d.控制角、功率因数角与导通角的关系
–单相交流调压器时的=f（、）曲线
e.几种典型情况：
（1）=0
（2）不等于0、、<180
（3）=
（4）
–感性负载时晶闸管电流和负载电流的有效值
–晶闸管电流有效值：
式中I*---晶闸管的标幺电流有效值
–晶闸管电流有效值
–晶闸管标幺电流有效值I*与、的关系
4.3三相交流调压电路的分析
–分析举例电路
–三相交流调压器正常工作的基本条件
–在三相电路中至少有一相正向晶闸管与另一相反向晶闸管同时导通。
–为了保证电路起始工作时两个晶闸管能同时导通，并且在感性负载和控制角较大时，也能使不同相的正、反两个晶闸管同时导通，要求采用宽脉冲，或者双窄触发脉冲电路。
–各触发信号应与相应的交流电源电压相序一致，并且与电压同步。
–三相交流调压电路在电阻负载下的波形与参数
–波形（见图）
–输出电压有效值Ua
–电阻负载三相调压电路输出电压
（a）晶闸管反并联电路
（b）晶闸管与二极管反并联电路
–三相交流调压电路在感性负载下的工况
–三相交流调压电路的I*与、的关系
–感性负载（=45）下三相调压电路的电流波形
4.4交流斩波调压电路
–交流斩波调压的原理与基本性能
–原理图
–交流斩波电路输出电压
（a）电阻负载
（b）感性负载
（d）改善cos的斩波调压
交流斩波调压电路
GTR交流斩波器、GTO交流斩波器、用GTR构成的三相交流斩波器
4．5交－交变频电路概述
–交流变换的目的：
–调节电压、频率、相位
–形式：
–交－直－交变频器（整流器＋逆变器）
–交－交变频器（直接变频器）
–整流电路：
Ud>0或Ud<0，Id>0
–三相半波整流电路：
Ud=1.17U2cos
–交交变频器：
–在0至之间变化，输出交流电压
–正、负两组整流器反并联，输出交流电流
–输出电压、电流波形图：
–三相零式交交变频器：
–应用领域：
–大功率、低速交流传动（轧钢机、矿井提升机、造纸、冶炼等）
–分类：
–单相、三相
–桥式、零式
–有环流、无环流
–高频（f0>fi）、低频（f04．6三相交－交变频器
–三相输入、三相输出－－应用普遍
–常用零式及桥式交－交变频器比较：
元件整流脉波输出谐波功率
个数形式数电压含量等级
零式－－18支半波少低较高中等
桥式－－36支全波多高较低大
–三相输出各差120°，基本原理相同。
–i0>0－－正组工作，UP=Ud=1.17U2cosP,
0–i0<0－－负组工作，UN=-Ud=-1.17U2cosN
平均值UN=UP，N=-P。
–输出瞬时值uNuP，u=uP–uN。
–u在正、负组间产生环流，采用电抗器限制。
–有环流运行方式：
–目的：
使正、负组输出电流平滑过渡。
–特点：
正、负组同时工作，采用环流电抗器抑制组间环流。
–优点：
正、负组自动切换，输出电流连续、平滑、无死区，
系统动态性能高，稳定性好
–缺点：
增加电抗器，成本高，损耗大。
–无环流运行方式：
–目的：
取消电抗器，降低成本及损耗。
–特点：
i0>0时正组工作，封锁负组，
i0<0时负组工作，封锁正组。
–优点：
无组间环流，成本低，损耗小。
–缺点：
需要检测电流过零点，控制复杂，控制失败时，造成组间电源短路，输出电流存在死区，波形畸变。
–交－交变频器输出电压：
–输出电压峰值：
–输出电压有效值：
–电压降系数：
–改变min，可调节输出电压U0。
–min=0时，=1，U0=U0max=0.83U2。
–交－交变频器控制方法：
–余弦交点法：
给定输出曲线与一余弦曲线相交，在交点处产生各晶闸管的触发脉冲。
–改变给定曲线的频率和幅值，可控制输出电压的频率和大小。
–交－交变频器输出频率：
f0/fi=1/2时，半周期内有6脉波，谐波大
f0/fi=1/3时，半周期内有9脉波，谐波较小
f0/fi=1/6时，半周期内有18脉波，谐波小
–为了减小谐波含量，降低负载转矩脉动，应保证f0/fi<1/3，即f0<16.7Hz。
–交－交变频器的功率因数：
–整流电路：
cos=cos
–交－交变频器：
因为0<<，所以coscos=f（,cos），
cos－负载功率因数。
–输入侧总功率因数：
–交－交变频器的优点：
–无中间直流环节，损耗小，效率高。
–开关器件采用晶闸管，以利于大功率应用，
采用电源自然换相，不需强迫换流电路。
–可以实现能量反馈，使电机作四象限运行。
–输出低频时，谐波含量小，负载转矩脉动低。
因此适用于大功率、低速交流传动领域。
–交－交变频器的缺点：
–晶闸管元件数量多，成本高，控制复杂。
–最高输出频率受限制，f0/fi<1/3。
–输入侧功率因数低，当输出电压较低时，功率因数更低。
第五章无源逆变电路
5.1无源逆变电路的原理及分类
–无源逆变：
直流交流（向负载直接供电）
–变频器：
既能调压又能调频
–无源逆变器
–旋转变频器
–静止变频器：
交－交变频器、直－交变频器
–单相桥式逆变电路示意图
–组成：
–主电路
–门控电路
–控制电路
–单相桥式逆变电路的原理（R负载）
–主电路
–波形图
•输出电压（图b）
•输出电流（图c）
•直流输入电流（图d）
–单相桥式逆变电路的原理（L负载）
–主电路
–波形图
•输出电压（图b）
•输出电流（图c）
•直流输入电流（图d）
–单相半桥GTO逆变电路及波形
–主电路
–波形图
•输出电压（图b）
•输出电流（图c）
–单相零式逆变电路及波形
–主电路
–波形图
–感性负载下SCR单相零式逆变电路
–逆变器的基本类型
–按结构分类
–桥式
–零式
–按电网相数分类
–单相
–多相
–按器件分类
–半控型
–全控型
–按调制方法分类
–SPWM
–阶梯波
–按导通的角度分类
–180
–120
–按强迫换流的特点
–谐振型
–并联电容型等
–按储能元件的性质分类
–电压型逆变器
–电流型逆变器
5.2三相桥式逆变电路的原理及参数
–电路结构
–根据各管导通时间分：
–180导通型
–120导通型
–线电压由相电压相减得出
–180导通型各阶段的等值电路及电压值
180导通型三相逆变器的输出波形
–180导通型三相逆变器的参数
–相电压表达式、相电压有效值
–线电压表达式、线电压有效值
–120导通型三相逆变器的输出波形
–180导通方式和120导通方式的比较：
–120方式上下两管间有60的间隙，对换流有利，但是管子的利用率低，且若采用星形接法，则始终有一相断开，在换流时会引起较高的感应电势，而180方式无论在三角形还是星形接法时，正常工作都不会产生过电压，故180方式应用较为普遍。
–感性负载情况
–负载电流滞后角小于60
（a）A相电压波形
（b）A相电流波形
（c）T1的电流波形
（d）D4的电流波形
（e）直流输入电流
–负载电流滞后角大于60
–感性负载下逆变器中可能有三种电流：
–功率电流：
它通过两个或三个逆变管，将能量从直流电源送到负载。
–环路电流：
它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈二极管，形成环流，但此环流不经过电源。
–反馈电流：
通过两个反馈二极管将负载能量反馈到直流电源中去。
–逆变器的能量反馈及电机的再生制动图
电压型的能量反馈电流型的能量反馈
–逆变器－感应电动机系统的电压矢量
5.3IGBT三相逆变电路和三点式逆变电路
–IGBT三相逆变器电路图
–六阶梯波时的电压、电流波形
–PWM时的电压、电流波形
–IGBT的选择
–电压定额的选择
US：
交流电源的峰值电压
K1：
电网电压波动系数，K1=1.15
K2：
直流中间回路有反馈时的泵升电压，K2=1.2
K3：
必要的电压安全系数，K3=1.3～1.5
–电流定额的选择
cos:
电动机的功率因数
U:
交流电源相电压有效值
K4:
电流的安全系数，取K4=2
K5:
电流脉动率，取K5=1.2
–三点式（三电平）逆变电路示意图
–三点式逆变器的输出电压波形
–逆变器的相电压波形（a）方波输出（b）PWM方式输出
–三点式逆变电路在不同控制角时的负载相电压波形
–GTO的定额选择
–续流二极管的定额和特性选择
–续流二极管的电流定额为主管GTO电流定额的1/3左右。
–二极管的反向恢复特性及Ldir/dt
5.4SCR及IGBT谐振式逆变电路
–SCR的几种换流方法
–电网换流
•利用电网电压自动过零并变负来换流
–强迫换流
•电压换流型
•电流换流型
–负载换流
–并联谐振式晶闸管逆变器
–串联谐振式晶闸管逆变器
–全控型器件构成的谐振型逆变器
5．5电流型逆变电路
–优点：
–由于有大电感抑流，短路的危险性也比电压型逆变器小得多。
电路对晶闸管关断时间（即晶闸管的快速性）的要求比电压型逆变器的要求低，电路相对电压型也比较简单，造价略低。
–全控型电力电子器件的电流型逆变电路
–波形图
（a）相电压
（b）线电压
（c）PWM时的相电流
–表达式：
相电流、线电流
–理想情况下，相电流中：
–基波电流的幅值
–基波电流有效值
–相电流的有效值
5．6逆变电路的调压、脉宽调制和谐波消除
–逆变器调压的基本方法
–调节输出变压器的变化
–调节逆变器的直流输入电压
–逆变器的相位位移或多重化技术
–通过对逆变器本身的控制实现调压调频
–逆变器相位移调压原理
–逆变器相位移调压输出波形
–逆变器的正弦波脉宽调制（SPWM）
–单极性正弦脉宽调制
（a）输出电压波
（b）两种控制电压波的相交
–单极性SPWM在载波比为20时的基波与谐波
–双极性正弦脉宽调制
（a）三角形载波与正弦调制波的相交
（b）输出相电压
–双极性SPWM在N=19时的基波与谐波
–SPWM的载波比与输出频率
–不同开关频率下三种逆变器的电机电流波形
–用脉宽调制消除指定的谐波分量
–消除3次和5次两种谐波的电压波形
–SPWM逆变器的自然采样与规则采样
（a）对称规则采样（b）不对称规则采样
5．7PWM型逆变器的控制系统
–微机实现SPWM控制的方法：
–表格法（ROM法）
–随时计算法（RAM法）
–实时计算法
•自然采样法
•规则采样法
–对称规则采样法
–不对称规则采样法
5．8电力电子器件的缓冲电路
–缓冲电路对不同器件的作用
–GTR在开关过程中的波形及vCE和iC的轨迹
–缓冲电路的基本结构：
串并联RLCD缓冲电路
并联RCD缓冲电路
单电容电路
桥臂模块公用的RCD电路
有反馈功能的RCD电路
不对称有反馈功能的RCD电路
三角形吸收电路
–缓冲电路中的杂散电感对关断波形的影响
缓冲电路中的L’s使阳极电压产生尖峰
–缓冲电路中吸收电容CS值的确定
–缓冲电路中RS阻值的确定
第六章电力电子器件的门极控制电路
–电力电子装置－－主电路、控制电路
–控制电路的作用：
–将给定信号转换为主电路开关器件所需的触发脉冲信号，以使主电路实现相应功能。
–控制电路的构成：
–控制电源
–控制脉冲产生电路
–门极控制电路
–同步信号产生电路
–检测、反馈电路
–保护电路
–显示、报警电路
–本章主要内容：
–掌握晶闸管对触发电路的要求，掌握IGBT、MOSFET等器件对触发电路的要求。
–重点：
–掌握IGBT触发电路。
6．1晶闸管对触发电路的要求
–触发脉冲的作用：
–决定晶闸管导通时刻，提供门极触发电流。
–触发脉冲参数要求：
–触发电流－－大于额定值，保证可靠触发
–触发脉冲宽度－－使阳极电流大于擎住电流
–强触发－－提高di/dt的承受能力
–触发功率－－需要功率放大电路
–触发脉冲形式要求：
–正向脉冲－－门极对阴极为正电压
–脉冲形式－－宽脉冲、窄脉冲、脉冲列
–与主电路同步－－保持固定相位关系
–与主电路隔离－－高、低压电源隔离
–抗干扰能力－－防止误触发
6．2MOSFET和IGBT的驱动电路
–场控型器件，驱动简单，驱动功率小。
–基本控制原理：
–开通：
为栅极电容提供充电电流。
–关断：
为栅极电容提供放电回路。
–为了提高开关频率，减小开通关断时间，充电、放电电流不能太小。
–驱动电路形式：
–直接驱动
–隔离驱动（变压器隔离、光耦隔离）
–两种直接驱动电路
–脉冲变压器隔离的驱动电路
–光耦隔离的驱动电路
–IGBT驱动电路
–对IGBT驱动电路的基本要求：
–提供一定的正向和反向驱动电压，
–提供足够大的瞬时驱动电流，
–输入、输出延迟时间小，
–绝缘性能高，
–过电流保护。
–IGBT驱动模块：
–性能可靠、使用方便、应用普遍，
–基本功能类似，性能不断提高。
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