電力電子最后習(xí)題課

電力電子最后習(xí)題課第一頁，共72頁。第1章電力電子器件第2章整流電路第3章直流斬波電路第4章交流—交流電力變換電路第5章逆變電路第6章脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)第二頁，共72頁。同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征。電力電子系統(tǒng)的組成及各部分的作用電力電子器件的分類學(xué)習(xí)要點(diǎn)第三頁，共72頁。介紹各種器件的符號(hào)、簡稱、工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題，然后集中講述電力電子器件的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和串、并聯(lián)使用這三個(gè)問題。最重要的是掌握其基本特性掌握電力電子器件的型號(hào)命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法，這是在實(shí)際中正確應(yīng)用電力電子器件的兩個(gè)基本要求由于電力電子電路的工作特點(diǎn)和具體情況的不同，可能會(huì)對(duì)與電力電子器件用于同一主電路的其它電路元件，如變壓器、電感、電容、電阻等，有不同于普通電路的要求第四頁，共72頁。應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成

控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來完成整個(gè)系統(tǒng)的功能返回第五頁，共72頁。有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有檢測(cè)電路。廣義上往往其和驅(qū)動(dòng)電路等主電路之外的電路都?xì)w為控制電路，從而粗略地說電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的。主電路中的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流，因此在主電路和控制電路連接的路徑上，如驅(qū)動(dòng)電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動(dòng)電路與控制信號(hào)的連接處，以及主電路與檢測(cè)電路的連接處，一般需要進(jìn)行電氣隔離，而通過其它手段如光、磁等來傳遞信號(hào)。返回第六頁，共72頁。由于主電路中往往有電壓和電流的過沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過電壓和過電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加一些保護(hù)電路，以保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行，也往往是非常必要的。器件一般有三個(gè)端子（或稱極或管角），其中兩個(gè)聯(lián)結(jié)在主電路中，而第三端被稱為控制端（或控制極）。器件通斷是通過在其控制端和一個(gè)主電路端子之間加一定的信號(hào)來控制的，這個(gè)主電路端子是驅(qū)動(dòng)電路和主電路的公共端，一般是主電路電流流出器件的端子。

返回第七頁，共72頁。1、同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征：(1)能處理電功率的大小，即承受電壓和電流的能力，是最重要的參數(shù)(2)電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)導(dǎo)通時(shí)（通態(tài)）阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，而電流由外電路決定阻斷時(shí)（斷態(tài)）阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定電力電子器件的動(dòng)態(tài)特性（也就是開關(guān)特性）和參數(shù)，也是電力電子器件特性很重要的方面，有些時(shí)候甚至上升為第一位的重要問題。作電路分析時(shí)，為簡單起見往往用理想開關(guān)來代替返回第八頁，共72頁。(3)實(shí)用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大，這就是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。(4)為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降，形成通態(tài)損耗返回第九頁，共72頁。阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過，形成斷態(tài)損耗在器件開通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生開通損耗和關(guān)斷損耗，總稱開關(guān)損耗對(duì)某些器件來講，驅(qū)動(dòng)電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因器件開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素返回第十頁，共72頁?？煽卣麟娐罚攸c(diǎn)掌握：電力電子電路作為分段線性電路進(jìn)行分析的基本思想、單相全控橋式整流電路和三相全控橋式整流電路的原理分析與計(jì)算、各種負(fù)載對(duì)整流電路工作情況的影響；電容濾波的不可控整流電路的工作情況，重點(diǎn)了解其工作特點(diǎn)；(未講不要求)與整流電路相關(guān)的一些問題，包括：(1)變壓器漏抗對(duì)整流電路的影響，重點(diǎn)建立換相壓降、重疊角等概念，并掌握相關(guān)的計(jì)算，熟悉漏抗對(duì)整流電路工作情況的影響。(2)整流電路的諧波和功率因數(shù)分析，重點(diǎn)掌握諧波的概念、各種整流電路產(chǎn)生諧波情況的定性分析，功率因數(shù)分析的特點(diǎn)、各種整流電路的功率因數(shù)分析。(未講不要求)

例題第十一頁，共72頁。單相半波整流電路a)TVTRu1u2uVTudidwwwwt0wt1p2ptttuguduVTaq000u2idiVTIdIdwtwtOOp-ap+aiVDR第十二頁，共72頁。單相半波整流電阻負(fù)載電感負(fù)載無續(xù)流二極管有續(xù)流二極管UdIdUVTmax反向正反向反向IdVTIVTIdVDIVD移相范圍180180180第十三頁，共72頁。單相橋式整流電路u(i)pwtwtwt000i2udidddaauVT1,4uu2OwtOwtOwtudidi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4b)idOEudwtIdOwtaqd第十四頁，共72頁。單相橋式全控整流電阻負(fù)載大電感負(fù)載UdIdUVTmax反向正向正反向IdVTIVTI2Id移相范圍18090第十五頁，共72頁。udOudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR第十六頁，共72頁。單相橋式半控整流電阻負(fù)載大電感負(fù)載UdIdUVTmax反向正向正反向IdVTIVTI2導(dǎo)通角180-a180-a第十七頁，共72頁。2．單相橋式全控整流電路，U2=100V，負(fù)載中R=2，L值極大，當(dāng)=30°時(shí)，要求：1）作出ud、id和i2的波形；2）求整流輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓器二次電流有效值I2；3）考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。第十八頁，共72頁。解：1）ud、id和i2的波形如右圖所示 該波形可參考P26圖6作出2）求整流輸出平均電壓Ud第十九頁，共72頁。3）晶閘管電流有效值考慮過電流安全儲(chǔ)備通常把晶閘管的額定電流放大1.5～2倍，又晶閘管的額定電流值是通態(tài)平均電流（正弦半波電流平均值），它同有效值的關(guān)系是。因此所選晶閘管的額定電流應(yīng)為：為此可選50A的晶閘管。第二十頁，共72頁。為了對(duì)過電壓有安全儲(chǔ)備，通常把晶閘管的額定電壓也放大2～3倍，因此所選晶閘管的電壓額定值應(yīng)為V，為此可選400V的晶閘管。最后根據(jù)晶閘管產(chǎn)品型號(hào)表可選用KP-50-4，即通態(tài)平均電流為20A，額定電壓值電壓為4級(jí)(400)的晶閘管。第二十一頁，共72頁。例：單相橋式全控整流電路，接電阻負(fù)載，交流電源電壓u2在(220+10%)V范圍內(nèi)變化，要求輸出的直流平均電壓ud從50V～150V連續(xù)可調(diào)，且負(fù)載平均電流Id均能達(dá)到10A，試確定控制角的變化范圍、計(jì)算晶閘管導(dǎo)通角的變化范圍、要求的電源容量，并選擇晶閘管。第二十二頁，共72頁。解：由式得到：由此得控制角由上式可知，電源電壓u2越小，越?。恢绷鬏敵鲭妷簎d越大，也越小，所以最小控制角min對(duì)應(yīng)：u2=220*90%=198V ，ud=150V

（相應(yīng)）第二十三頁，共72頁。同樣電源電壓u2越大，越大；直流輸出電壓ud越小，也越大，所以最大控制角max對(duì)應(yīng)：u2=220*110% =242V ，ud=50V由于導(dǎo)通角，的變化范圍為46.9°～122.7°，可導(dǎo)出的變化范圍為：133.1°～57.3°。第二十四頁，共72頁。在本例中要求輸出電流平均值Id能達(dá)到10A，由于隨的增大而增大，為此交流電源電流的最大有效值應(yīng)對(duì)應(yīng)取122.7°時(shí)的情況：電阻負(fù)載時(shí)平均電流和變壓器二次電流有效值的計(jì)算公式書中p47第二十五頁，共72頁。要求的電源容量相應(yīng)為：

晶閘管電流有效值

考慮過電流安全儲(chǔ)備通常把晶閘管的額定電流放大1.5～2倍，又晶閘管的額定電流值是通態(tài)平均電流（正弦半波電流平均值），它同有效值的關(guān)系是因此所選晶閘管的額定電流應(yīng)為：

第二十六頁，共72頁。為此可選20A的晶閘管。為了對(duì)過電壓有安全儲(chǔ)備，通常把晶閘管的額定電壓也放大2～3倍，因此所選晶閘管的電壓額定值應(yīng)為為此可選1000V的晶閘管。最后根據(jù)晶閘管產(chǎn)品型號(hào)表可選用KP-20-10，即通態(tài)平均電流為20A，額定電壓值電壓為10級(jí)(1000)的晶閘管。第二十七頁，共72頁。三相可控整流電路第二十八頁，共72頁。電阻負(fù)載：a=30的波形特點(diǎn)：負(fù)載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài)。晶閘管導(dǎo)通角為120

a>30的情況特點(diǎn)：負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角小于150-a

。a=30°u2uaubucOwtOwtOwtOwtOwtuGuduabuacwt1iVT1uVT1uac第二十九頁，共72頁。wwwa=60°ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaⅠⅡⅢⅣⅤⅥubucOtwt1OtOtuVT1電阻負(fù)載：a=60的波形特點(diǎn)：負(fù)載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài)。晶閘管導(dǎo)通角120a>60的情況特點(diǎn)：負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角2(120-a)

。第三十頁，共72頁。電路名稱三相半波三相橋式全控輸出平均電壓范圍0～1.17U20～2.34U2脈動(dòng)頻率3f=150Hz6f=300Hz電阻性負(fù)載移相范圍150°120°晶閘管最大正向電壓晶閘管最大反向電壓晶閘管導(dǎo)通角120°（≤30°）120°（≤60°）

（＞30°）

（＞60°）不同時(shí)Ud

（≤30°）

（≤60°）（30°＜≤150°）（60°≤≤120°）第三十一頁，共72頁。電感性負(fù)載移相范圍90°90°晶閘管導(dǎo)通角120°120°晶閘管電流平均值晶閘管電流有效值晶閘管最大正向電壓晶閘管最大反向電壓不同時(shí)Ud第三十二頁，共72頁。變壓器漏抗對(duì)整流電路的影響主要是對(duì)輸出電壓的影響②電路形式單相全波單相全控橋三相半波三相全控橋m脈波整流電路①udidwtOwtOgiciaibiciaIduaubucaId第三十三頁，共72頁。例：三相半波整流電路中，如果a相的觸發(fā)脈沖消失，試?yán)L出在電阻性負(fù)載和電感性負(fù)載下整流電壓波形。解：以=60°為例第三十四頁，共72頁。例：三相半波可控整流電路，阻感負(fù)載，R＝2，L＝∞，欲借調(diào)節(jié)達(dá)到維持Id＝250A為恒值，已知XB＝0.08，附加直流端壓降△U＝10V，供電電壓經(jīng)常在l～1.15額定范圍內(nèi)變化，求：

(1)U2和變化范圍。

(2)變壓器容量第三十五頁，共72頁。對(duì)于三相半波整流，換相壓降

當(dāng)=0°時(shí)

此為U2的最小值第三十六頁，共72頁。當(dāng)U2=1.15*444.06＝510.67V時(shí)，它對(duì)應(yīng)的控制角為最大，此時(shí)cos=519.55/(510.67*1.17)=0.8696，由此導(dǎo)出=29.6°。即所求U2變化范圍是444.06～510.67V，變化范圍是0≤≤29.6°。(2)要求變壓器的容量，首先必須求出變壓器一次和二次側(cè)電流有效值，如下圖所示為i2，i1波形。第三十七頁，共72頁。由于電感足夠大使得電流連續(xù)且近似為恒定值，再考慮到三只晶閘管在一個(gè)周期中各導(dǎo)通120°因?yàn)榫чl管同相應(yīng)變壓器二次繞組串聯(lián)，所以變壓器二次電流I2d＝Id/3=250/3=83.33A

第三十八頁，共72頁。因?yàn)樽儔浩鞫蝹?cè)電流的直流分量不可能感應(yīng)到原邊，所以i1波形如圖所示第三十九頁，共72頁。例：三相橋式全控整流電路中，電阻性負(fù)載，如果有一個(gè)晶閘管不能導(dǎo)通，此時(shí)的整流波形如何?如果有一個(gè)晶閘管被擊穿而短路，其他晶閘管受什么影響?僅VT3做出不能導(dǎo)通的整流波形。第四十頁，共72頁。什么是逆變？逆變的分類？依據(jù)是什么？有源逆變的條件，波形分析，輸出電壓的大小即基本數(shù)量關(guān)系，逆變顛覆和最小逆變角的限制。有源逆變的應(yīng)用：直流電動(dòng)機(jī)在晶閘管整流電路控制下的機(jī)械特性的特點(diǎn)——分連續(xù)時(shí)和斷續(xù)時(shí)；四象限運(yùn)行——整流與逆變的轉(zhuǎn)換。什么是無源逆變？有哪些換流方式？原理是什么？無源逆變按照直流電源的性質(zhì)分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路。分別介紹了單相和三相兩種情況。單相半橋、單相全橋、三相橋式電壓型逆變電路的電路結(jié)構(gòu)、工作方式及波形、基本數(shù)量關(guān)系以及特點(diǎn)。單相、三相串聯(lián)二極管電流型逆變電路的電路結(jié)構(gòu)、換流方式、工作方式及特點(diǎn)。第四十一頁，共72頁。例：試?yán)L出三相橋式逆變電路中當(dāng)=/4時(shí)，晶閘管VT1和VT4兩端的電壓波形圖，并分析它們承受的正、反向最大電壓各為多少?第四十二頁，共72頁。例：電壓型逆變電路中反饋二極管的作用是什么？為什么電流型逆變電路中沒有反饋二極管？解：對(duì)于電壓型逆變電路，考慮到大部分負(fù)載是電感性負(fù)載，當(dāng)改變導(dǎo)通的器件時(shí)，由于電感兩端的電流不能突變，因而要靠反饋二極管提供續(xù)流通路，同時(shí)在能量上電感儲(chǔ)存的能量通過反饋二極管向電源側(cè)反饋。對(duì)于電流型逆變電路，為了使其能夠進(jìn)行負(fù)載換相，往往在負(fù)載兩端并聯(lián)補(bǔ)償電容器使負(fù)載略呈容性，對(duì)于容性負(fù)載而言，其兩端的電流允許突變，所以不需要反饋二極管，事實(shí)上負(fù)載中電感的續(xù)流靠補(bǔ)償電容器維持。第四十三頁，共72頁。交流變換電路的學(xué)習(xí)要點(diǎn)：(1)

交流—交流變流電路的分類及其基本概念；(2)

單相交流調(diào)壓電路的電路構(gòu)成，在電阻負(fù)載和阻感負(fù)載時(shí)的工作原理和電路特性；(3)

三相交流調(diào)壓電路的基本構(gòu)成和基本工作原理；(4)

交流調(diào)功電路和交流電力電子開關(guān)的基本概念；（不要求）(5)

晶閘管相位控制交交變頻電路的電路構(gòu)成、工作原理和輸入輸出特性；；（不要求）(6)

各種交流—交流變流電路的主要應(yīng)用；（不要求）第四十四頁，共72頁。例：一交流單相晶閘管調(diào)壓器，用作控制從220V交流電源送至電阻為0.5、感抗為0.5的串聯(lián)負(fù)載電路的功率。試求：1)控制角范圍；2)負(fù)載電流的最大有效值；3)最大功率和這時(shí)的功率因數(shù)；4)當(dāng)=/2時(shí)，晶閘管電流的有效值、導(dǎo)通角和電源側(cè)功率因數(shù)。第四十五頁，共72頁。單相交流調(diào)壓電路a為參變量時(shí)IVTN和a關(guān)系曲線j

=90°0.40.51601800401208075°60°45°j

=0a/(°)IVTN負(fù)載電流有效值IVT的標(biāo)么值第四十六頁，共72頁。020100601401802010060/(°)180140j=90°75°60°45°30°15°0°第四十七頁，共72頁。例：已知自耦變壓器基本繞組為1-0，調(diào)整繞組1-3與1-2之間的匝數(shù)是1-0的10％。試分析圖示兩組反并聯(lián)晶閘管組成的電路，是如何實(shí)現(xiàn)在輸入電壓波動(dòng)時(shí)，使輸出電壓∪0保持穩(wěn)定？第四十八頁，共72頁。例：下圖所示的降壓斬波電路中，E＝100V，L＝100mH，R＝0.5Ω，EM＝10V，采用脈寬調(diào)制控制方式，T＝20μs，當(dāng)Ton＝4μs時(shí)。（20分）求：（1）輸出電壓平均值Uo；（2）輸出電流平均值Io；（3）計(jì)算輸出電流的最大和最小瞬時(shí)值，并判斷負(fù)載電流是否連續(xù)。第四十九頁，共72頁。例：圖為一種簡單的舞臺(tái)調(diào)光線路，輸入為單相交流電源，電位器RP一般為幾百千歐。求：1、根據(jù)ud，ug波形分析電路調(diào)光工作原理；2、說明RP，VD及開關(guān)Q的作用；3、本電路晶閘管最小導(dǎo)通角qmin是多少？udugu2ACRPVDQVT第五十頁，共72頁。

例：一交流單相晶閘管調(diào)壓器，用作控制從220V交流電源送至電阻為0.5、感抗為0.5的串聯(lián)負(fù)載電路的功率。試求：

1）控制角范圍；

2）負(fù)載電流的最大有效值；

3）求最大功率和這時(shí)的功率因數(shù)；

4）當(dāng)=/2時(shí)，晶閘管電流的有效值、導(dǎo)通角和電源側(cè)功率因數(shù)。第五十一頁，共72頁。1）控制角范圍。當(dāng)功率為零時(shí)，每個(gè)晶閘管必須在電源外加正向電壓降到零的瞬間開通，這時(shí)沒有電流流過。因此若要P=0時(shí)，則應(yīng)使觸發(fā)控制角

=

max=，RL負(fù)載時(shí)，的最小有效控制角min決定于負(fù)載阻抗角。于是當(dāng)P=Pmax。時(shí)，所以其控制范圍為/4≤≤。第五十二頁，共72頁。2）最大電流。當(dāng)

=

min時(shí)，負(fù)載電流和負(fù)載電壓的波形為有相位移的純正弦波，電源和負(fù)載之間的關(guān)系就像兩個(gè)晶閘管被短接時(shí)一樣。于是最大負(fù)載電流有效值Io為第五十三頁，共72頁。3）最大功率。最大輸出電流時(shí)功率達(dá)最大值在這種=、正弦波電流工作情況下，功率因數(shù)就等于基波相移因數(shù)cos。但在＞min的非正弦電流工作情況下，功率因數(shù)將小于基波相移因數(shù)。第五十四頁，共72頁。4）對(duì)于=/2。由P102圖6，對(duì)應(yīng)于=/2和=/4查得ITN≈0.3

晶閘管電流的基準(zhǔn)值為因而晶閘管電流有效值為第五十五頁，共72頁。對(duì)應(yīng)于=/2和=/4由P100圖3查得導(dǎo)通角為

=130°輸出負(fù)載電流有效值為輸出功率為第五十六頁，共72頁。1、單相全控橋中u2=100V,負(fù)載R=2Ω，L值極大，反電動(dòng)勢(shì)E=50V，當(dāng)α=300時(shí)，求輸出平均電壓ud、平均電流Id、晶閘管的平均電流Idvt和Ivt,設(shè)整流變壓器一次側(cè)電壓為220V，求變壓器一、二次則繞組電流有效值，并作出ud,id,i2的波形。解：L值極大，所以電流連續(xù)

第五十七頁，共72頁。第五十八頁，共72頁。2、單相橋式全控整流電路，阻感負(fù)載，R=5Ω，L=∞，LB=2mh,u2=110V,u1=220V,當(dāng)α=00時(shí)，求Id,I2,I1和r。解：L=∞，電流連續(xù)，考慮LB的影響即可求出r第五十九頁，共72頁。3、調(diào)試下圖所示晶閘管電路，在斷開Rd測(cè)量輸出電壓Ud是否正確可調(diào)時(shí)，發(fā)現(xiàn)電壓表讀數(shù)不正常，接上Rd后一切正常，為什么？答：電壓表阻大使晶閘管Ia<Ih關(guān)斷，電壓表上電壓為其內(nèi)阻與晶閘管漏電阻串聯(lián)對(duì)U2的分壓第六十頁，共72頁。4、晶閘管維持電流IH=4mA，使用在下圖所示電路中是否合理？為什么?(不考慮電壓電流裕量)

設(shè)VT導(dǎo)通，Ia=100/50=2mA,Ia<IH,VT不導(dǎo)通，電路不合理第六十一頁，共72頁。5、某純電阻負(fù)載的單相橋式半控整流電路，若其中一只晶閘管的陽、陰極之間被燒斷，試畫出整流二極管、晶閘管兩端、和負(fù)載電阻兩端的電壓波形。設(shè)VT1燒斷，波形如右圖所示：第六十二頁，共72頁。6、某電阻負(fù)載要求0~24V直流電壓，最大負(fù)載電流Id=30A,如用220V交流直接供電與用變壓器降到60V供電，都采用單相半波可控整流電路，是否都能滿足要求？試比較兩種供電方案的晶閘管的導(dǎo)通角、額定電壓、電流值、電源與變壓器二次側(cè)的功率因素以及對(duì)電源要求的容量。解：因?yàn)樗詮臉O端情況考慮取V當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，在單相半波可控整流電路中，晶閘管承受的最大正反向電壓為最大負(fù)載電流有效值第六十三頁，共72頁。對(duì)單相半波可控整流電路負(fù)載電流有效值就是晶閘管電流有效值對(duì)電源要求容量：第六十四頁，共72頁。7、某電阻負(fù)載，Rd=50?,要求Ud在0到600V可調(diào)，試用單相半波與單相全波二種整流電路來供給，分別計(jì)算(1)晶閘管額定電壓、電流值，(2)連接負(fù)載的導(dǎo)線截面(導(dǎo)線允許電流密度j=6A/mm2)，(3)