上海海事大学电力电子整理.docx

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上海海事大学电力电子整理

主电路:

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

电力电子器件:

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。

①目前也往往专指电力半导体器件,②采用的主要材料是半导体硅。

电力电子器件一般特征：

①能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数②工作在开关状态③需要驱动电路④需要安装散热器

功率损耗：

通态损耗、断态损耗、开关损耗、驱动损耗①通态损耗是功率损耗主要成因②当器件的开关频率较高时，开关损耗是主因。

（开关损耗：

开通和关断损耗）

电力电子系统：

由控制电路、驱动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：

①半控型， 全控型器件，不可控器件②按驱动性质;电流驱动型，电压驱动型③按电子和空穴：

单极型，双极型，双极型④按波形：

脉冲触发型，电平控制型

不可控器件——电力二极管:

①基本结构：

以半导体PN结为基础②基本原理：

PN结的单向导电性

PN结的电容效应：

PN结的空间电荷区就是一个平板电容器，其电荷量在外加电压变化时发生相同的变化，呈现电容效应，称之为结电容。

（结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关状态时结电容可能与电路的杂散电感引起高频振荡，影响电路的正常工作。

使用时应加以注意。

）

电导调制效应：

当PN结上流过I较小时，二极管电阻主要是低掺杂N区的欧姆电阻，其阻值较高且为常量，因而管压降随I上升而增加；当PN结上流过的I较大时，低掺杂N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体的电中性条件，其多子浓度也大幅增加，使得电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。

（作用：

使得电力二极管在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的电力二极管表现为低阻态。

）

静态特性（伏安特性）:

当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。

与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。

电力二极管的主要参数:

1.正向平均电流IF（AV）（额定电流）：

正弦半波电流的平均值Id:

正弦半波电流的有效值I:

I/Id=1.57,（（额定电流为IF（AV）的二极管允许的电流有效值为：

1.57IF（AV）

2.正向压降UF

3.反向重复峰值电压URRM：

是其雪崩击穿电压UB的2/3

4.最高工作结温TJM：

通常在125~175︒C范围之内

5.反向恢复时间trr：

trr=td+tf

6.浪涌电流IFSM

电力二极管的主要类型：

①普通二极管（反向恢复时间较长，一般在5μs以上；多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中；正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上）②快恢复二极管（反向恢复过程很短,5μs以下；耐压较低）③肖特基二极管（单极型；反向恢复时间很短（10~40ns）；正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；反向耐压不高，多用于200V以下；反向漏电流较大，且对温度敏感）

半控型器件——晶闸管

晶闸管导通条件：

晶闸管承受正向阳极电压，并在门极注入正向触发电流。

门极触发：

为了节省驱动功率，减小驱动损耗，驱动信号通常采用脉冲信号

维持晶闸管导通的条件是：

使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流（即维持电流）。

怎样才能使晶闸管由导通变为关断：

可通过外加反向阳极电压或减小负载电流的办法，使流过晶闸管的电流降到维持电流值以下。

（阳极电流〈维持电流或阳极反电压〉

其他几种可能导通的情况：

①阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应②阳极电压上升率du/dt过高③结温较高④光直接照射硅片，即光触发（只有门极触发（包括光触发）是最可靠的控制手段）

晶闸管的基本特性：

开通过程（特性图）

延迟时间td：

门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间

上升时间tr：

阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间

开通时间tgt：

tgt=td+tr

普通晶闸管延迟时间为0.5~1.5μs，上升时间为0.5~3μs

关断过程

→反向阻断恢复时间trr：

正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间

→正向阻断恢复时间tgr：

晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间

在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通

Ø关断时间tq：

tq=trr+tgr普通晶闸管的关断时间约几百微秒

晶闸管的主要参数：

1.电压定额

1） 断态重复峰值电压UDRM：

在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。

2） 反向重复峰值电压URRM：

在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。

额定电压——UDRM和URRM中较小的值

选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍

2.电流定额

1）  通态平均电流IT（AV）（额定电流）

—晶闸管在环境温度为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。

Ø使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管

即：

晶闸管允许通过的电流有效值≤1.57IT（AV）

应留一定的裕量，一般取1.5~2倍

2） 维持电流IH——使晶闸管维持导通所必需的最小电流

3） 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

4）浪涌电流ITSM——指由于电路异常情况引起的并使结温超过

额定结温的不重复性最大正向过载电流

动态参数：

除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：

（1）   断态电压临界上升率du/dt---指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。

如果du/dt过大，会使晶闸管误导通

（2） 通态电流临界上升率di/dt：

指在规定条件下晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率

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

全控型器件典型代表：

门极可关断晶闸管GTO，电力晶体管GTR，电力场效应晶体管MOSFET，绝缘栅双极晶体管IGBT（自锁效应P37）

MOSFET的开关时间很短，一般在10-100ns之间。

是电力电子器件中开关频率最高的器件。

门极可关断晶闸管：

GTO能够通过门极关断的原因:

内部结构、参数与普通晶闸管不同

整流电路的分类：

①按控制方式可分：

不可控、半控、全控②按电路结构可分：

桥式电路,零式电路③按交流输入相数分：

单相电路和多相电路④按变压器二次侧电流的方向是单向或双向分：

单拍电路和双拍电路

《一》单相半波可控整流电路：

变压器T起：

电压匹配和隔离的作用

几个重要的基本概念：

触发延迟角：

从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止

的电角度，用a表示，又称触发角或控制角

导通角：

晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为，用θ表示

移相：

改变控制角的大小

移相范围：

正常运行下控制角能够变化的范围

同步：

使触发信号与晶闸管阳极电压在频率和相位上一致

几个概念的解释：

ud为脉动直流，波形只在u2正半周内出现，故称“半波”整流

采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路为单相半波可控整流电路

 ud波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路

基本数量关系:

设

（1）,直流输出电压平均值为

这种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

（2）,输出电流平均值为Id=Ud/R

（3）,VT承受的最大峰值电压为

（4）,a移相范围为0--180︒

（5）,VT的导通角：

负载电压有效值:

Ud/U2Kf=I/Id与控制角的关系

控制角0°306090120150180

Ud/U20.450.420.3380.2250.1130.03010

U/U20.7070.69860.63420.50.31270.12010

Kf=I/Id1.571.661.882.222.783.99—

控制角0°最大工频正弦半波电流的平均值。

2.单相半波可控整流电路——带阻感负载的工作情况

阻感负载的特点：

电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变

电感电压：

负载阻抗角：

，

式中，，。

由此式可得出图3-2e所示的id波形。

当ωt=θ+α时，id=0，代入式（3-3）并整理得：

输出的直流电压平均值:

3.单相半波可控整流电路——有续流二极管的电路

数量关系:

（L“足够大”）

晶闸管导通角：

p-a续流管导通角：

p+a

若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则有：

负载电压平均值：

负载电流平均值：

晶闸管电流平均值：

晶闸管电流有效值：

续流管电流平均值：

续流管电流有效值：

《二》单相桥式全控整流电路：

1.单相桥式全控整流电路——带电阻负载的工作情况

关断时晶闸管各承受电压：

u2/2

a角的移相范围为180︒

数量关系:

负载电压平均值:

负载电流平均值:

流过晶闸管的电流平均值:

负载电压有效值:

负载电流有效值:

晶闸管电流有效值:

变压器副边电流有效值（变压器二次电流有效值）:

I2=I

不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2。

•整流电路的功率因数:

2.单相桥式全控整流电路——带阻感负载的工作情况  

小电感时，id断续,导通角<180º。

负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线

Ø换相，亦称换流

数量关系:

整流输出电压平均值：

整流输出电流平均值:

Id=Ud/R

晶闸管移相范围为：

0︒~90︒。

晶闸管承受的最大正反向电压均为：

晶闸管导通角θ与a无关，均为180︒

晶闸管电流的平均值：

:

，晶闸管电流的有效值：

Ø

阻感负载带续流二极管的电路:

整流输出电压平均值：

晶闸管移相范围为180︒。

晶闸管导通角θ=p-a

续流二极管导通角:

2a

2.单相桥式全控整流电路——带反电动势负载时的工作情况

与电阻负载时相比，晶闸管导通角小

停止导电角δ:

《三》单相全波可控整流电路：

（单相双半波可控整流电路）

《四》单相桥式半控整流电路：

单相可控整流电路（工作于整流状态）

《五》三相半波可控整流电路：

1.三相桥式全控整流电路——电阻负载

三相半波可控整流电路,电阻负载的特点:

a=30︒时负载电流处于连续和断续之间的临界状态,称为临界控制角

负载电流连续，晶闸管导通角等于120︒

负载电流断续，晶闸管导通角小于120︒

电阻负载时a角的移相范围为150︒

晶闸管承受的最大反向电压为二次线电压峰值:

Ø整流电压平均值的计算

（1）a≤30︒时，负载电流连续，有：

当a=0时，Ud最大，为：

（2）a>30︒时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：

负载电流的平均值：

Id=Ud/R

晶闸管承受的最大反向电压=变压器二次线电压峰值=

晶闸管阳极与零点间的最高电压=变压器二次相电压的峰值=

2.三相半波可控整流电路——阻感负载

特点：

阻感负载，L值很大，id波形基本平直

Øa≤30︒时：

整流电压波形与电阻负载时相同

Øa>30︒时（如a=60︒时的波形如图3-17所示）

电感作用下,电流连续,ud波形中出现负的部分

Ø整流电压平均值（id连续时）:

Ud=1.17U2cosa

Ø

阻感负载时的移相范围为90︒

晶闸管电流的有效值=变压器二次电流=

晶闸管额定电流：

晶闸管最大正反向电压峰值=变压器二次线电压峰值=

9．三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a,b两组的自然换相点是同一点吗？

如果不是，它们在相位上差多少度？

答：

三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a,b两相之间换相的自然换相点不是同一点，它们在相位上相差180°。

10.有两组三相半波可控整流电路，一组是共阴极接法，一组是共阳极接法，如果它们的触发角都是a,那么共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲对同一相来说，例如都是a相，在相位上差多少度？

答：

相差180°。

《六》三相桥式全控整流电路：

三相桥式全控整流电路的特点

（1）两管同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1：

可采用两种方法，保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲：

1宽脉冲触发（脉冲宽度>60︒）②双脉冲触发（常用）

（2）对触发脉冲的要求：

按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60︒

共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120︒，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120︒

同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180︒

（3）ud由线电压波形组成，周期脉动6次，故该电路为6脉波整流电路

（4）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同

1.三相桥式全控整流电路——带电阻负载时的工作情况

3.三相桥式全控整流电路——阻感负载时的工作情况

4.三相桥式全控整流电路——定量分析

①当电流连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a≤60︒时）整流输出电压的平均值为：

②带电阻负载且a>60︒时，整流电压平均值为：

③输出电流平均值为：

Id=Ud/R

④当整流变压器采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次电流有效值：

⑤接反电势阻感负载时的Id为：

三相可控整流电路（工作于整流状态）

3.3变压器漏感对整流电路的影响⑤⑥⑦⑧⑨⑩

①换相重叠角——换相过程持续的时间，用电角度表示

②换相过程中，整流输出电压瞬时值ud：

③换相压降——与不考虑变压器漏感时相比，ud平均值降低的多少

（式中是漏感为的变压器每相折算到二次侧的漏抗，）

④换相重叠角的计算：

（考试时老师会给出此式）

3.7整流电路的有源逆变工作状态

逆变（invertion）——把直流电转变成交流电，整流的逆过程

逆变分：

有源逆变（交流侧和（无限大）电网连结；移相控制），

无源逆变（交流侧不与电网联接，而直接接到负载；调频控制）

变流电路：

既工作在整流状态又工作在逆变状态

逆变和整流的区别：

控制角的不同：

•当α工作在0~90°时：

电路工作在整流状态

•当α工作在90°~180°时：

电路工作在逆变状态

整流输出电压和控制角的关系：

工作在有源逆变的条件：

（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：

p/2<α

逆变角：

把a>p/2时的控制角用b表示，称为逆变角。

b=p-α，计量方向和控制角a的相反有源逆变状态时各电量的计算：

输出直流电流的平均值：

输出直流电流的平均值亦可用整流的公式，即：

每个晶闸管导通2p/3，故流过晶闸管的电流有效值为（忽略直流电流id的脉动）

从交流电源送到直流侧负载的有功功率：

在三相桥式电路中，变压器二次线电流的有效值为：

………………

3.7.3逆变失败与最小逆变角的限制

逆变失败（逆变颠覆）——逆变时换相失败.。

（由于逆变电路的内阻很小，就会形成很大的短路电流，这种情况称为逆变失败，或称逆变颠覆。

）

防止逆变夫败的方法有：

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，留出充足的换相裕量角

等。

逆变失败的原因：

（1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等

（2）晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通

（3）交流电源缺相或突然消失.（4）换相裕量角不足

2.确定最小逆变角bmin的依据

逆变时允许采用的最小逆变角b应等于：

bmin=d+g+q′

d---晶闸管的关断时间tq折合的电角度，tq大的可达200~300ms，折算到电角度约4︒~5︒；

g——换相重叠角，随直流平均电流和换相电抗的增加而增大。

θ’—-安全裕量角,通常取5︒~10︒

第4章逆变电路

①有源逆变——交流侧接电网；无源逆变——交流侧接负载

②控制方式：

有源逆变为相位控制方式；无源逆变多为开关频率控制方式—与变频关系密切

③换流：

电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相。

换流方式分类：

⑴器件换流—利用全控型器件的自关断能力进行换流

⑵电网换流—由电网提供换流电压。

只要把负的电网电压加在欲换流的器件上即可。

⑶负载换流—由负载提供换流电压。

负载换流只适用于电容性负载

⑷强迫换流—设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。

通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。

注：

（晶闸管电路不能采用器件换流，需根据电路形式的不同采用电网换流，负载换流，强迫换流）

换流方式总结；（填空题）

◆器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。

逆变电路中，半控型器件换流方式有负载换流、强迫换流。

◆器件换流和强迫换流属于自换流，电网换流和负载换流属于外部换流。

自换流是因为器件或变流器自身的原因而实现换流的，

外部换流是借助于外部手段而实现换流的，

◆当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。

⑤逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：

Ø电压型逆变电路或电压源型逆变电路—直流侧是电压源

Ø电流型逆变电路或电流源型逆变电路—直流侧是电流源

电压型逆变电路的主要持点是：

①直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。

直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。

②由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。

而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。

③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，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，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。

电流型逆变电路的主要特点是：

①直流侧串联有大电感，相当于电流源。

直流侧电流基本无脉动,直流回路呈现高阻抗。

②电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。

而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。

③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流测电惑起缓冲无功能量的作用。

因为反馈无功能量时直流电流并不反向。

因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。

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？

答：

⑴在电压型逆变电路中，当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，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，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。

当输出交流电压和电流的极性相同时，电流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压电流极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。

⑵在电流型逆变电路中，直流电流极性是一定的,无功能量由直流侧电感来缓冲。

当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时,电流并不反向，依然经电路中的可控开关器件流通,因此不需要并联反馈二极管。

5.6并联谐振式逆变电路利用负载电压进行换相，为保证换相应满足什么条件？

答：

假设在t时刻触发VT2、VT3使其导通，负载电压Uo就通过VT2、VT3施加在VTl、VT4上,使其承受反向电压关断，电流从VTl、VT4向VT2、VT3转移触发VT2、VT3时刻/必须在Uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。

5.7串联二极管式电流型逆变电路中,二极管的作用是什么?

答：

二极管的主要作用：

一是为换流电容器充电提供通道，并使换流电容的电压能够得以保持，为晶闸管换流做好准备；

二是使换流电容的电压能够施加到换流过程中刚刚关断的晶闸管上，使晶闸管在关断之后能够承受一定时间的反向电压，确保晶闸管可靠关断，从而确保晶闸管换流成功。

第5章直流斩波电路

v直流斩波电路的种类（6种）

⒈降压，⒉升压，⒊升降压，⒋Cuk，⒌Sepic，⒍Zeta斩波电路

《一》降压斩波电路：

基本的数量关系：

电流连续时负载电压的平均值为：

式中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比。

负载电流平均值为：

斩波电路有三种控制方式：

☞脉冲宽度调制（PWM）：

T不变，改变ton。

☞频率调制：

ton不变，改变T。

☞混合型：

ton和T都可调，改变占空比

电路图：

工作原理：

《二》升压斩波电路：

负载电压的平均值为：

输出电流的平均值Io为：

电路原理图：

工作原理：

《三》桥式可逆斩波电路：

5.3带隔离的直流直流变流电路

《一》正激电路《二》反激电路《三》半桥电路《四》全桥电路《五》推挽电路

直流-直流变流电路（DC/DCConverter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。

■直接直流变流电路包括6种基本斩波电路、2种复合斩波电路及多相多重斩波电路，其中最基本的是降压斩波电路和升压斩波电路两种。

■常见的间接直流变换电路可以分为单端和双端电路两大类，单端电路包括正激和反激两类，双端电路包括全桥、半桥和推挽三类，每一类电路都可能有多种不同的拓扑形式或控制方法。

第六章：

交流-交流变流电路

交流电力控制电路——只改变电压、电流,或控制电路的通断，不改变频率

交流调压电路——相位控制（或斩控式）；交流调功电路及交流无触点开关——通断控制

3．交流调压电路和交流调功电路有什么区别？

二者各运用于什么样的负载？

为什么？

答：

交流调压电路和交流调功电路的电路形式完全相同，二者的区别在于控制方式不同。

⑴交流调压电路是在交流电源的每个周期对输出电压波形进行控制。

而交流调功电路是

将负载与交流电源接通几个周波，再断开几个周波，通过改变接通周波数与断开周波数的

比值来调节负载所消耗的平均功率。

⑵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。

Δ3．交流调压电路和交流调功电路有什么区别？

各自的工作原理

答：

交流调压和交流