重慶大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程學(xué)習(xí)指導(dǎo)資料.doc

電力電子技術(shù)課程學(xué)習(xí)指導(dǎo)資料重慶大學(xué)自動化學(xué)院第一部分 課程的學(xué)習(xí)目的及總體要求一、課程性質(zhì)、地位與學(xué)習(xí)目的電力電子技術(shù)是自動化專業(yè)本科學(xué)生的一門重要專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程。電力電子技術(shù)是研究采用電力電子器件實(shí)現(xiàn)對電能的控制和變換的科學(xué)，是介于電氣工程三大主要領(lǐng)域電力、電子和控制之間的交叉學(xué)科，在電力、工業(yè)、交通、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。電力電子技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會生活的各個(gè)方面，成為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)，可以有效地節(jié)約能源。本課程的目的，是使學(xué)生在從應(yīng)用的角度熟悉典型電力電子器件的工作原理、外特性及功能的基礎(chǔ)上，熟悉和掌握電力電子技術(shù)的基本理論、基礎(chǔ)知識，掌握各類電力電子電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理，掌握電力電子變流電路的分析方法，并了解電力電子技術(shù)在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。二、課程的總體要求本課程主要包括器件、電路、應(yīng)用這三方面的內(nèi)容，通過對本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生：1電路為主線在熟悉電力電子器件外特性、額定參數(shù)及極限參數(shù)的基礎(chǔ)上，注重分析研究由各類器件所組成的各種電力電子變流電路；著重掌握主電路的組成和工作原理，不同負(fù)載對電路工作特性的影響以及主電路的參數(shù)計(jì)算與元件選擇；熟悉了解典型觸發(fā)、驅(qū)動和緩沖保護(hù)電路的組成、工作原理和特點(diǎn)。2重視分析方法波形分析是電力電子電路的基本分析方法，只有畫出各種狀態(tài)下的波形，才能加深對電路原理的定性理解，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。因此，要把它作為主要學(xué)習(xí)內(nèi)容，這樣才能抓住各種電力電子電路分析方法的共性。3注重實(shí)踐本課程是一門理論性和實(shí)踐性均較強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，要學(xué)會從實(shí)際應(yīng)用的角度去分析和掌握各種典型電路。三、本課程與相關(guān)課程的聯(lián)系學(xué)習(xí)本課程以前應(yīng)先學(xué)習(xí)電路原理、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)本課程，必須具備電路的基本概念，掌握電路基本定律和分析計(jì)算方法，并能夠作暫態(tài)分析；熟悉基本放大電路原理和集成運(yùn)放的應(yīng)用；熟悉晶體管、MOS管的工作原理，器件的外特性和典型數(shù)字集成電路的邏輯功能及外特性。本課程的后續(xù)課程是自動化專業(yè)的有關(guān)專業(yè)課程。第二部分 課程學(xué)習(xí)的基本要求及重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容分析第一章 電力電子器件的原理與特性1、本章學(xué)習(xí)要求1.1電力電子器件概述，要求達(dá)到“熟悉”層次。1）電力電子器件的發(fā)展概況及其發(fā)展趨勢。2）電力電子器件的分類及其各自的特點(diǎn)。1.2晶閘管，要求達(dá)到“掌握”層次。1）晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理及伏安特性。2）晶閘管主要參數(shù)的定義及其含義。3）額定電壓、額定電流、電流波形系數(shù)kf的計(jì)算方法。4）晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷條件。5）能夠根據(jù)要求選用晶閘管。1.3電力二極管，要求達(dá)到“熟悉”層次。1）電力二極管的工作原理、基本特性、主要參數(shù)和主要類型。2）電力二極管額定電流ID（AV）和額定電壓U（DN）的定義。1.4電力晶體管GTR，要求達(dá)到“熟悉”層次。1）GTR的工作原理、特點(diǎn)及主要參數(shù)。1.5電力場效應(yīng)晶體管，要求達(dá)到“熟悉”層次。1）電力場效應(yīng)晶體管的特點(diǎn)，基本特性及主要參數(shù)。1.6絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），要求達(dá)到“熟悉”層次。1）IGBT的工作原理、特點(diǎn)、擎住效應(yīng)及安全工作區(qū)。1.7新型電力電子器件簡介，要求達(dá)到“熟悉”層次。1.8 功率模塊與功率集成電路簡介，要求“了解”。1.9 電力電子器件的串聯(lián)與并聯(lián)運(yùn)行，要求達(dá)到“熟悉”層次。2、本章重點(diǎn)難點(diǎn)分析有關(guān)晶閘管電流計(jì)算的問題：晶閘管是整流電路中用得比較多的一種電力電子器件，在進(jìn)行有關(guān)晶閘管的電流計(jì)算時(shí)，針對實(shí)際流過晶閘管的不同電流波形，應(yīng)根據(jù)電流有效值相等的原則選擇計(jì)算公式，即允許流過晶閘管的實(shí)際電流有效值應(yīng)等于額定電流IT對應(yīng)的電流有效值。利用公式I = kfId = 1.57IT進(jìn)行晶閘管電流計(jì)算時(shí)，一般可解決兩個(gè)方面的問題：一是已知晶閘管的實(shí)際工作條件（包括流過的電流波形、幅值等），確定所要選用的晶閘管額定電流值；二是已知晶閘管的額定電流，根據(jù)實(shí)際工作情況，計(jì)算晶閘管的通流能力。前者屬于選用晶閘管的問題，后者屬于校核晶閘管的問題。1）計(jì)算與選擇晶閘管的額定電流解決這類問題的方法是：首先從題目的已知條件中，找出實(shí)際通過晶閘管的電流波形或有關(guān)參數(shù)（如電流幅值、觸發(fā)角等），據(jù)此算出通過晶閘管的實(shí)際電流有效值I，考慮（1.52）倍的安全裕量，算得額定電流為IT = (1.52) I /1.57，再根據(jù)IT值選擇相近電流系列的晶閘管。2）校核或確定晶閘管的通流能力解決這類問題的方法是：由已知晶閘管的額定電流，計(jì)算出該管子允許通過的電流有效值。根據(jù)實(shí)際電流波形求出電流波形系數(shù)，算得晶閘管允許的實(shí)際電流平均值為Id = 1.57IT / kf（未考慮安全裕量時(shí)）。3、本章典型例題分析例1.1 晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷的條件是什么？解：晶閘管導(dǎo)通條件是：1）晶閘管陽極和陰極之間施加正向陽極電壓；2）晶閘管門極和陰極之間必須加上適當(dāng)?shù)恼蛎}沖電壓和電流。在晶閘管導(dǎo)通后，門極就失去控制作用，欲使其關(guān)斷，只需將流過晶閘管的電流減小到其維持電流以下，可采用陽極加反向電壓、減小陽極電壓或增大回路阻抗等方式。例1.2 單相正弦交流電源，其電壓有效值為220V，晶閘管和電阻串聯(lián)相接，試計(jì)算晶閘管實(shí)際承受的正、反向電壓最大值是多少？考慮2倍安全裕量，晶閘管的額定電壓如何選取？解：晶閘管所承受的正、反向電壓最大值為輸入正弦交流電源電壓的峰值：220= 311V；考慮2倍安全裕量，則晶閘管額定電壓不低于2311=622V，可取為700V。 第二章 相控整流電路1、本章學(xué)習(xí)要求2.1整流電路的概述，要求達(dá)到“熟悉”層次。2.1.1整流電路的概念、電路組成、分類等知識。2.2單相可控整流電路，要求達(dá)到“掌握”層次。2.2.1單相半波可控整流電路，要求達(dá)到“掌握”層次。1）單相半波可控整流電路的組成及工作原理。2）計(jì)算帶電阻性負(fù)載的單相半波可控整流電路的相關(guān)參數(shù)。2.2.2單相橋式全控整流電路，要求達(dá)到“熟練掌握”層次。1） 單相橋式全控整流電路帶不同負(fù)載時(shí)的組成及工作原理、波形分析。2）計(jì)算帶不同性質(zhì)負(fù)載時(shí)，單相橋式全控整流電路的相關(guān)物理量數(shù)值計(jì)算。3）帶不同性質(zhì)負(fù)載時(shí)，控制角的移相范圍。4）該電路中，晶閘管可能承受的最大正、反向電壓值。5）該電路中相應(yīng)晶閘管的選取。2.2.3單相橋式半控整流電路，要求達(dá)到“掌握”層次。1）單相橋式半控整流電路的組成及工作原理。2）單相橋式半控整流電路產(chǎn)生失控現(xiàn)象的原因及防止失控的措施。3）電路中，晶閘管可能承受的最大正、反向電壓值。2.3三相可控整流電路，要求達(dá)到“掌握”層次。2.3.1三相半波可控整流電路，要求達(dá)到“熟練掌握”層次。1）三相半波可控整流電路的組成及工作原理。2）三相半波可控整流電路的自然換相點(diǎn)，掌握移相控制角的計(jì)算方法。3）帶大電感負(fù)載時(shí)的工作波形。4）帶大電感負(fù)載時(shí)電路相關(guān)參數(shù)的計(jì)算。5）該電路中，晶閘管可能承受的最大正、反向電壓值。6）該電路中相應(yīng)晶閘管的選取。7）帶不同性質(zhì)負(fù)載時(shí)，控制角的移相范圍。2.3.2三相橋式全控整流電路，要求達(dá)到“熟練掌握”層次。1）三相橋式全控整流電路的組成及工作原理。2）當(dāng)負(fù)載電流連續(xù)時(shí)，各晶閘管的換流順序、相互間隔角度及每只管子的導(dǎo)電角。3）帶大電感負(fù)載時(shí)電路的輸出電壓、輸出電流和晶閘管的電壓、電流波形。4）帶大電感負(fù)載時(shí)，控制角的移相范圍。5）帶大電感負(fù)載時(shí)電路相關(guān)參數(shù)的計(jì)算。2.4整流變壓器漏抗對整流電路的影響，要求達(dá)到“掌握”層次。1）在考慮變壓器漏抗時(shí)，整流電路在換相過程中輸出電壓值的特點(diǎn)。2）在考慮變壓器漏抗時(shí)，晶閘管換相的物理過程和換相重疊角的概念。3）由于變壓器漏抗的影響，將產(chǎn)生換相壓降、造成整流輸出電壓波形畸變以及平均值的變化。4）換相壓降與哪些因素有關(guān)。2.5整流電路的諧波和功率因數(shù)，要求達(dá)到“熟悉”層次。1） 整流電路中，功率因數(shù)的定義。2.6電力公害及改善措施，要求達(dá)到“熟悉”層次。2、本章重點(diǎn)難點(diǎn)分析本章的重點(diǎn)是：波形分析法和單相橋式可控整流電路；有源逆變產(chǎn)生的條件；難點(diǎn)是：帶不同性質(zhì)負(fù)載時(shí)整流電路的工作情況；變壓器漏抗對整流電路的影響。波形分析法：整流電路的分析，通常采用波形分析法。所謂波形分析法，是指根據(jù)電源電壓和控制角以及負(fù)載性質(zhì)，作出負(fù)載電壓、負(fù)載電流、整流元件的電壓和電流等波形圖，再由波形圖推導(dǎo)出該電路基本電量的計(jì)算公式和數(shù)量關(guān)系。具體來說，分析方法和步驟如下：1）繪出主電路原理圖，包括標(biāo)明交流電壓、各整流元件序號和負(fù)載性質(zhì)。2）畫出各相電壓或線電壓波形圖，并確定整流元件的自然換相點(diǎn)。3）根據(jù)控制角在相應(yīng)位置上繪出觸發(fā)脈沖，并標(biāo)明相應(yīng)序號。4）根據(jù)可控整流電路的工作原理，繪出負(fù)載電壓、負(fù)載電流、晶閘管電流以及晶閘管兩端電壓的波形，5）根據(jù)波形圖推導(dǎo)出基本電量的計(jì)算公式。變壓器漏抗對整流電路的影響：通常整流電路輸入端都接有整流變壓器，由于整流變壓器存在漏抗，在換相時(shí)，對整流電壓波形將產(chǎn)生影響，不僅產(chǎn)生換相壓降，而且使相電壓和線電壓波形出現(xiàn)缺口，造成電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變。3、本章典型例題分析例2.1 接有續(xù)流二極管的單相半波可控整流電路，帶大電感負(fù)載，R=5，變壓器二次側(cè)電壓U2=220V。試計(jì)算當(dāng)觸發(fā)角分別為30和60時(shí)，流過晶閘管和續(xù)流二極管中電流的平均值和有效值；問在什么情況下，流過續(xù)流二極管的電流平均值大于流過晶閘管的電流平均值？解：1）當(dāng)= 30時(shí)， 流過晶閘管的電流平均值為 流過晶閘管的電流有效值為 流過續(xù)流二極管的電流平均值為 流過續(xù)流二極管的電流有效值為 2）當(dāng)= 60時(shí)， 流過晶閘管的電流平均值為 流過晶閘管的電流有效值為 流過續(xù)流二極管的電流平均值為 流過續(xù)流二極管的電流有效值為 3）要使IdDIdT，由公式知，只需滿足，即0例2.2 在單相橋式全控整流電路中，如果有一只晶閘管因?yàn)檫^流而燒成斷路，該電路的工作情況將如何？如果這只晶閘管被燒成短路，該電路的工作情況又會如何？答：如果有一只晶閘管因?yàn)檫^流而燒成斷路，則該單相橋式全控整流電路將作為單相半波可控整流電路工作；如果這只晶閘管被燒成短路，則會引起其他晶閘管因?qū)﹄娫炊搪范鵁龤?，?yán)重情況下甚至可能使整流變壓器因過流而損壞。因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，在變壓器二次側(cè)與晶閘管之間應(yīng)串聯(lián)快速熔斷絲，起到過流保護(hù)的作用。例2.3 單相橋式半控整流電路中續(xù)流二極管的作用是什么？在何種情況下，流過續(xù)流二極管的電流平均值大于流過晶閘管的電流平均值？答：單相橋式半控整流電路中續(xù)流二極管的作用是：為感性負(fù)載中電感儲存的能量提供一條專門的釋放回路，以避免發(fā)生一只晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩只二極管輪流導(dǎo)通的“失控現(xiàn)象”。由公式知，流過續(xù)流二極管的電流平均值，流過晶閘管的電流平均值要使IdDIdT，則只需滿足，即例2.4 單相全控橋式整流電路，帶阻感負(fù)載，R = 1，L值很大，即滿足LR，U2 = 100V，當(dāng)= 600時(shí)，求：1）作出輸出電壓ud、輸出電流id、變壓器二次側(cè)電流i2的波形；2）求整流輸出平均電壓Ud、電流Id和二次側(cè)電流有效值I2；3）考慮兩倍的安全裕量，選擇晶閘管的額定電壓和額定電流值。解：1)波形略2）Ud = 0.9U2Cos= 0.9100Cos60= 45V Id = Ud / R = 45 / 1 = 45A I2 = Id = 45A3）晶閘管可能承受的最大電壓為UTM=141V，考慮2倍安全裕量,其值為282V，選額定電壓為300V的晶閘管流過晶閘管的電流有效值為IT =Id = 31.82A考慮2倍安全裕量時(shí)晶閘管的平均電流為ITAV = 2IT / 1.57 = 40.54A，選額定電流為50A的晶閘管第三章 有源逆變電路1.本章學(xué)習(xí)要求3.1整流電路的有源逆變工作狀態(tài)，要求達(dá)到“掌握”層次。3.1.1逆變的概念，要求達(dá)到“熟悉”層次。1）逆變的概念。2）整流和逆變的關(guān)系。3）電源間能量的流轉(zhuǎn)關(guān)系。3.1.2有源逆變產(chǎn)生的條件，要求達(dá)到“掌握”層次。1）產(chǎn)生有源逆變的兩個(gè)條件及其含義。2）有源逆變時(shí)能量的流轉(zhuǎn)方向。3.1.3三相有源逆變電路，要求達(dá)到“掌握”層次。1）三相半波有源逆變電路的組成及工作原理。2）三相半波有源逆變電路中相關(guān)電量的計(jì)算。3）三相橋式有源逆變電路的組成及工作原理。4）三相橋式有源逆變電路中相關(guān)電量的計(jì)算。3.1.4逆變失敗的原因及最小逆變角的限制，要求達(dá)到“掌握”層次。1）逆變角的定義。2）逆變失敗的概念。3）逆變失敗的原因及防止措施。4）確定最小逆變角的三個(gè)因素及其含義。2、本章重點(diǎn)難點(diǎn)分析1)本章的重點(diǎn)是：有源逆變產(chǎn)生的條件；有源逆變的基本原理、逆變失敗與最小逆變角的限制、變流裝置的功能指標(biāo)（3個(gè)物理量的含義）第四章 無源逆變電路1、本章學(xué)習(xí)要求4.1無源逆變電路的原理，要求達(dá)到“熟悉”層次。1）逆變的概念。2）有源逆變和無源逆變的區(qū)別。3）逆變電路的分類及其各自的特點(diǎn)。4.2單相電壓型逆變電路，要求達(dá)到“掌握”層次。1）單相半橋逆變電路的電路組成及工作原理。2）單相橋式逆變電路的電路組成及工作原理。3）與開關(guān)管反并聯(lián)的續(xù)流二極管的作用。4.3脈沖寬度調(diào)制（PWM），要求達(dá)到“熟悉”層次。1）正弦脈寬調(diào)制（SPWM）的基本原理。2）PWM的單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制方式。2） 載波信號、調(diào)制信號、載波比和調(diào)制比的概念及含義。3） 同步調(diào)制的概念。第五章 直流斬波器1、本章學(xué)習(xí)要求5.1直流斬波器的工作原理及控制方式，要求達(dá)到“掌握”層次。5.2直流斬波器基本電路，要求達(dá)到“掌握”層次。5.2.1降壓斬波器，要求達(dá)到“掌握”層次。1）降壓斬波器的電路組成及其工作原理。2）降壓斬波器輸出電壓平均值的表達(dá)式。5.2.2升壓斬波器，要求達(dá)到“熟悉”層次。1）升壓斬波器的電路組成及其工作原理。4） 升壓斬波器輸出電壓平均值的表達(dá)式。5.3 復(fù)合斬波器，了解。2、本章重點(diǎn)基本概念、降壓斬波、升壓斬波電路的電路圖、工作原理、波形分析、基本計(jì)算（k、T、Uo）第六章 交流調(diào)壓電路和相控交-交變頻電路1、本章學(xué)習(xí)要求4.1單相交流調(diào)壓電路，要求達(dá)到“熟悉”層次。1）交流調(diào)壓電路的概念。2）單相交流調(diào)壓、調(diào)功電路的電路結(jié)構(gòu)及工作原理、波形分析。2）第七章 電力電子變流裝置的控制和保護(hù)電路1、本章學(xué)習(xí)要求7.1掌握常見保護(hù)電路種類和保護(hù)措施7.2晶閘管門極觸發(fā)電路，要求達(dá)到“熟悉”層次。1） 晶閘管對觸發(fā)電路的基本要求。2) 同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路工作原理 2）7.3了解幾種全控型器件的驅(qū)動電路。1）GTR對驅(qū)動電路的基本要求。第三部分 綜合練習(xí)題一、填空題1晶閘管是四層三端器件，三個(gè)引出電極分別為：陽極、陰極和 極。2一只額定電流為100A的普通晶閘管，其允許通過的電流有效值為 A。3具有自關(guān)斷能力的電力電子器件稱為 器件。4三相全控橋式整流電路中，采用共陰極組接法的三只晶閘管，要求其觸發(fā)脈沖以1200為間隔，依次在電源電壓的 半周觸發(fā)各晶閘管。5在考慮變壓器漏抗影響時(shí)，整流電路輸出電壓的平均值將 。6三相全控橋式整流電路輸出的電壓波形在一個(gè)周期內(nèi)脈動 次。7采用時(shí)間比控制方式改變斬波器負(fù)載兩端的平均電壓，對斬波器觸發(fā)脈沖的調(diào)制方法有三種，分別是 ； ； 。8降壓斬波器中，電源電壓Ud=50V，導(dǎo)通比為0.8，則負(fù)載電壓平均值ULD為 。9電流型逆變電路直流側(cè)為 ，輸出電流波形為 。10根據(jù)調(diào)制脈沖的極性，PWM也有兩種調(diào)制方式，分別是 和 調(diào)制。二、簡答題1試說明晶閘管的開通和關(guān)斷的條件。2試說明晶閘管整流裝置實(shí)現(xiàn)有源逆變的條件。3試說明整流電路中整流變壓器二次側(cè)相電壓U2選得過高或過低，將出現(xiàn)什么問題？4單相半控橋整流電路帶感性負(fù)載時(shí)，若該電路不接續(xù)流二極管，請對其可能發(fā)生的“失控”現(xiàn)象進(jìn)行分析。5三相橋式全控整流電路帶大電感負(fù)載時(shí)，以連接于A相的共陰極組晶閘管T1為例說明，在一個(gè)周期內(nèi)，其承受電壓的情況。6某單相可控整流電路，分別給阻性負(fù)載和蓄電池反電動勢負(fù)載供電，在流過負(fù)載電流平均值相同的條件下，哪一種負(fù)載下晶閘管的額定電流應(yīng)選大一些？為什么？三、計(jì)算題1單相橋式可控整流電路，帶一大電感對蓄電池充電，R = 3，電感L足夠大，U2 = 220V，反電動勢E = 60V。1）要保持充電電流為10A，估算此時(shí)的控制角；2）該電路中晶閘管承受的最大電壓是多少？2單相全控橋式整流電路，帶阻感負(fù)載，R = 5，L值很大，即滿足LR，U2 = 100V，當(dāng)= 600時(shí)，求：1）作出輸出電壓ud、輸出電流id、變壓器二次側(cè)電流i2的波形；2）求整流輸出平均電壓Ud、電流Id和二次側(cè)電流有效值I2；3）考慮兩倍的安全裕量，選擇晶閘管的額定電壓和額定電流值。3單相全控橋式有源逆變電路，回路電阻R = 1，平波電抗器Ld足夠大，變壓器二次電壓有效值U2 = 220V，負(fù)載電動勢Ed=-200V，當(dāng)= 300時(shí)，求：1）畫出輸出電壓ud、流過晶閘管電流iT1的波形；2）計(jì)算變流電路輸出平均電壓Ud、負(fù)載平均電流Id。參考答案：一、填空題（本大題共14小空，每小空2分，共28分）1門21573全控型4正5減小667脈沖寬度調(diào)制；脈沖頻率調(diào)制；調(diào)頻調(diào)寬混合控制840V9電流源；矩形波10單極性；雙極性二、簡答題1晶閘管導(dǎo)通條件是：1）晶閘管陽極和陰極之間施加正向陽極電壓；2）晶閘管門極和陰極之間必須加上適當(dāng)?shù)恼蛎}沖電壓和電流。在晶閘管導(dǎo)通后，門極就失去控制作用，欲使其關(guān)斷，只需將流過晶閘管的電流減小到其維持電流以下，可采用陽極加反向電壓、減小陽極電壓或增大回路阻抗等方式。21）變流電路直流側(cè)應(yīng)具有能提供逆變能量的直流電源電動勢Ed，其極性應(yīng)與晶閘管的導(dǎo)電電流方向一致；2）變流電路輸出的平均電壓Ud的極性必須為負(fù)，以保證與直流電源電動勢Ed構(gòu)成同極性相連，即控制角90，且滿足UdEd。3整流電路中整流變壓器二次側(cè)相電壓