重庆大学《电力电子技术》课程学习指导资料.docx

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重庆大学《电力电子技术》课程学习指导资料

《电力电子技术》课程学习指导资料

——重庆大学自动化学院

第一部分课程的学习目的及总体要求

一、课程性质、地位与学习目的

电力电子技术是自动化专业本科学生的一门重要专业技术基础课程。

电力电子技术是研究采用电力电子器件实现对电能的控制和变换的科学，是介于电气工程三大主要领域——电力、电子和控制之间的交叉学科，在电力、工业、交通、航空航天等领域具有广泛的应用。

电力电子技术的应用已经深入到工业生产和社会生活的各个方面，成为传统产业和高新技术领域不可缺少的关键技术，可以有效地节约能源。

本课程的目的，是使学生在从应用的角度熟悉典型电力电子器件的工作原理、外特性及功能的基础上，熟悉和掌握电力电子技术的基本理论、基础知识，掌握各类电力电子电路的电路结构、工作原理，掌握电力电子变流电路的分析方法，并了解电力电子技术在工程技术领域中的应用。

二、课程的总体要求

本课程主要包括器件、电路、应用这三方面的内容，通过对本课程的学习，要求学生：

1．电路为主线——在熟悉电力电子器件外特性、额定参数及极限参数的基础上，注重分析研究由各类器件所组成的各种电力电子变流电路；着重掌握主电路的组成和工作原理，不同负载对电路工作特性的影响以及主电路的参数计算与元件选择；熟悉了解典型触发、驱动和缓冲保护电路的组成、工作原理和特点。

2．重视分析方法——波形分析是电力电子电路的基本分析方法，只有画出各种状态下的波形，才能加深对电路原理的定性理解，并在此基础上进行分析。

因此，要把它作为主要学习内容，这样才能抓住各种电力电子电路分析方法的共性。

3．注重实践——本课程是一门理论性和实践性均较强的专业技术基础课，要学会从实际应用的角度去分析和掌握各种典型电路。

三、本课程与相关课程的联系

学习本课程以前应先学习电路原理、模拟电子技术和数字电子技术基础。

学习本课程，必须具备电路的基本概念，掌握电路基本定律和分析计算方法，并能够作暂态分析；熟悉基本放大电路原理和集成运放的应用；熟悉晶体管、MOS管的工作原理，器件的外特性和典型数字集成电路的逻辑功能及外特性。

本课程的后续课程是自动化专业的有关专业课程。

第二部分课程学习的基本要求及重点难点内容分析

第一章电力电子器件的原理与特性

1、本章学习要求

1.1电力电子器件概述，要求达到“熟悉”层次。

1）电力电子器件的发展概况及其发展趋势。

2）电力电子器件的分类及其各自的特点。

1.2晶闸管，要求达到“掌握”层次。

1）晶闸管的结构、工作原理及伏安特性。

2）晶闸管主要参数的定义及其含义。

3）额定电压、额定电流、电流波形系数kf的计算方法。

4）晶闸管导通和关断条件。

5）能够根据要求选用晶闸管。

1.3电力二极管，要求达到“熟悉”层次。

1）电力二极管的工作原理、基本特性、主要参数和主要类型。

2）电力二极管额定电流ID（AV）和额定电压U（DN）的定义。

1.4电力晶体管GTR，要求达到“熟悉”层次。

1）GTR的工作原理、特点及主要参数。

1.5电力场效应晶体管，要求达到“熟悉”层次。

1）电力场效应晶体管的特点，基本特性及主要参数。

1.6绝缘栅双极型晶体管（IGBT），要求达到“熟悉”层次。

1）IGBT的工作原理、特点、擎住效应及安全工作区。

1.7新型电力电子器件简介，要求达到“熟悉”层次。

1.8功率模块与功率集成电路简介，要求“了解”。

1.9电力电子器件的串联与并联运行，要求达到“熟悉”层次。

2、本章重点难点分析

有关晶闸管电流计算的问题：

晶闸管是整流电路中用得比较多的一种电力电子器件，在进行有关晶闸管的电流计算时，针对实际流过晶闸管的不同电流波形，应根据电流有效值相等的原则选择计算公式，即允许流过晶闸管的实际电流有效值应等于额定电流IT对应的电流有效值。

利用公式I=kf×Id=1.57IT进行晶闸管电流计算时，一般可解决两个方面的问题：

一是已知晶闸管的实际工作条件（包括流过的电流波形、幅值等），确定所要选用的晶闸管额定电流值；二是已知晶闸管的额定电流，根据实际工作情况，计算晶闸管的通流能力。

前者属于选用晶闸管的问题，后者属于校核晶闸管的问题。

1）计算与选择晶闸管的额定电流

解决这类问题的方法是：

首先从题目的已知条件中，找出实际通过晶闸管的电流波形或有关参数（如电流幅值、触发角等），据此算出通过晶闸管的实际电流有效值I，考虑（1.5~2）倍的安全裕量，算得额定电流为IT=（1.5~2）I/1.57，再根据IT值选择相近电流系列的晶闸管。

2）校核或确定晶闸管的通流能力

解决这类问题的方法是：

由已知晶闸管的额定电流，计算出该管子允许通过的电流有效值。

根据实际电流波形求出电流波形系数，算得晶闸管允许的实际电流平均值为Id=1.57IT/kf（未考虑安全裕量时）。

3、本章典型例题分析

例1.1晶闸管导通和关断的条件是什么？

解：

晶闸管导通条件是：

1）晶闸管阳极和阴极之间施加正向阳极电压；2）晶闸管门极和阴极之间必须加上适当的正向脉冲电压和电流。

在晶闸管导通后，门极就失去控制作用，欲使其关断，只需将流过晶闸管的电流减小到其维持电流以下，可采用阳极加反向电压、减小阳极电压或增大回路阻抗等方式。

例1.2单相正弦交流电源，其电压有效值为220V，晶闸管和电阻串联相接，试计算晶闸管实际承受的正、反向电压最大值是多少？

考虑2倍安全裕量，晶闸管的额定电压如何选取？

解：

晶闸管所承受的正、反向电压最大值为输入正弦交流电源电压的峰值：

220

=311V；考虑2倍安全裕量，则晶闸管额定电压不低于2×311=622V，可取为700V。

第二章相控整流电路

1、本章学习要求

2.1整流电路的概述，要求达到“熟悉”层次。

2.1.1整流电路的概念、电路组成、分类等知识。

2.2单相可控整流电路，要求达到“掌握”层次。

2.2.1单相半波可控整流电路，要求达到“掌握”层次。

1）单相半波可控整流电路的组成及工作原理。

2）计算带电阻性负载的单相半波可控整流电路的相关参数。

2.2.2单相桥式全控整流电路，要求达到“熟练掌握”层次。

1）单相桥式全控整流电路带不同负载时的组成及工作原理、波形分析。

2）计算带不同性质负载时，单相桥式全控整流电路的相关物理量数值计算。

3）带不同性质负载时，控制角α的移相范围。

4）该电路中，晶闸管可能承受的最大正、反向电压值。

5）该电路中相应晶闸管的选取。

2.2.3单相桥式半控整流电路，要求达到“掌握”层次。

1）单相桥式半控整流电路的组成及工作原理。

2）单相桥式半控整流电路产生失控现象的原因及防止失控的措施。

3）电路中，晶闸管可能承受的最大正、反向电压值。

2.3三相可控整流电路，要求达到“掌握”层次。

2.3.1三相半波可控整流电路，要求达到“熟练掌握”层次。

1）三相半波可控整流电路的组成及工作原理。

2）三相半波可控整流电路的自然换相点，掌握移相控制角α的计算方法。

3）带大电感负载时的工作波形。

4）带大电感负载时电路相关参数的计算。

5）该电路中，晶闸管可能承受的最大正、反向电压值。

6）该电路中相应晶闸管的选取。

7）带不同性质负载时，控制角α的移相范围。

2.3.2三相桥式全控整流电路，要求达到“熟练掌握”层次。

1）三相桥式全控整流电路的组成及工作原理。

2）当负载电流连续时，各晶闸管的换流顺序、相互间隔角度及每只管子的导电角。

3）带大电感负载时电路的输出电压、输出电流和晶闸管的电压、电流波形。

4）带大电感负载时，控制角α的移相范围。

5）带大电感负载时电路相关参数的计算。

2.4整流变压器漏抗对整流电路的影响，要求达到“掌握”层次。

1）在考虑变压器漏抗时，整流电路在换相过程中输出电压值的特点。

2）在考虑变压器漏抗时，晶闸管换相的物理过程和换相重叠角γ的概念。

3）由于变压器漏抗的影响，将产生换相压降、造成整流输出电压波形畸变以及平均值的变化。

4）换相压降与哪些因素有关。

2.5整流电路的谐波和功率因数，要求达到“熟悉”层次。

1）整流电路中，功率因数λ的定义。

2.6电力公害及改善措施，要求达到“熟悉”层次。

2、本章重点难点分析

本章的重点是：

波形分析法和单相桥式可控整流电路；有源逆变产生的条件；难点是：

带不同性质负载时整流电路的工作情况；变压器漏抗对整流电路的影响。

波形分析法：

整流电路的分析，通常采用波形分析法。

所谓波形分析法，是指根据电源电压和控制角以及负载性质，作出负载电压、负载电流、整流元件的电压和电流等波形图，再由波形图推导出该电路基本电量的计算公式和数量关系。

具体来说，分析方法和步骤如下：

1）绘出主电路原理图，包括标明交流电压、各整流元件序号和负载性质。

2）画出各相电压或线电压波形图，并确定整流元件的自然换相点。

3）根据控制角在相应位置上绘出触发脉冲，并标明相应序号。

4）根据可控整流电路的工作原理，绘出负载电压、负载电流、晶闸管电流以及晶闸管两端电压的波形，

5）根据波形图推导出基本电量的计算公式。

变压器漏抗对整流电路的影响：

通常整流电路输入端都接有整流变压器，由于整流变压器存在漏抗，在换相时，对整流电压波形将产生影响，不仅产生换相压降，而且使相电压和线电压波形出现缺口，造成电网电压发生畸变。

3、本章典型例题分析

例2.1接有续流二极管的单相半波可控整流电路，带大电感负载，R=5Ω，变压器二次侧电压U2=220V。

试计算当触发角α分别为30°和60°时，流过晶闸管和续流二极管中电流的平均值和有效值；问在什么情况下，流过续流二极管的电流平均值大于流过晶闸管的电流平均值？

解：

1）当α=30°时，

流过晶闸管的电流平均值为

流过晶闸管的电流有效值为

流过续流二极管的电流平均值为

流过续流二极管的电流有效值为

2）当α=60°时，

流过晶闸管的电流平均值为

流过晶闸管的电流有效值为

流过续流二极管的电流平均值为

流过续流二极管的电流有效值为

3）要使IdD＞IdT，由公式知，只需满足

＞

，即

＞0°

例2.2在单相桥式全控整流电路中，如果有一只晶闸管因为过流而烧成断路，该电路的工作情况将如何？

如果这只晶闸管被烧成短路，该电路的工作情况又会如何？

答：

如果有一只晶闸管因为过流而烧成断路，则该单相桥式全控整流电路将作为单相半波可控整流电路工作；如果这只晶闸管被烧成短路，则会引起其他晶闸管因对电源短路而烧毁，严重情况下甚至可能使整流变压器因过流而损坏。

因此，在设计电路时，在变压器二次侧与晶闸管之间应串联快速熔断丝，起到过流保护的作用。

例2.3单相桥式半控整流电路中续流二极管的作用是什么？

在何种情况下，流过续流二极管的电流平均值大于流过晶闸管的电流平均值？

答：

单相桥式半控整流电路中续流二极管的作用是：

为感性负载中电感储存的能量提供一条专门的释放回路，以避免发生一只晶闸管持续导通而两只二极管轮流导通的“失控现象”。

由公式知，流过续流二极管的电流平均值

，

流过晶闸管的电流平均值

要使IdD＞IdT，则只需满足

＞

，即

＞

例2.4单相全控桥式整流电路，带阻感负载，R=1Ω，L值很大，即满足ωL>>R，U2=100V，当α=600时，求：

1）作出输出电压ud、输出电流id、变压器二次侧电流i2的波形；

2）求整流输出平均电压Ud、电流Id和二次侧电流有效值I2；

3）考虑两倍的安全裕量，选择晶闸管的额定电压和额定电流值。

解：

1）波形略

2）Ud=0.9U2Cosα=0.9×100×Cos60°=45V

Id=Ud/R=45/1=45A

I2=Id=45A

3）晶闸管可能承受的最大电压为UTM=

=141V，考虑2倍安全裕量,其值为

282V，选额定电压为300V的晶闸管

流过晶闸管的电流有效值为IT=

Id=31.82A

考虑2倍安全裕量时晶闸管的平均电流为ITAV=2IT/1.57=40.54A，选额定电流为50A的晶闸管

第三章有源逆变电路

1.本章学习要求

3.1整流电路的有源逆变工作状态，要求达到“掌握”层次。

3.1.1逆变的概念，要求达到“熟悉”层次。

1）逆变的概念。

2）整流和逆变的关系。

3）电源间能量的流转关系。

3.1.2有源逆变产生的条件，要求达到“掌握”层次。

1）产生有源逆变的两个条件及其含义。

2）有源逆变时能量的流转方向。

3.1.3三相有源逆变电路，要求达到“掌握”层次。

1）三相半波有源逆变电路的组成及工作原理。

2）三相半波有源逆变电路中相关电量的计算。

3）三相桥式有源逆变电路的组成及工作原理。

4）三相桥式有源逆变电路中相关电量的计算。

3.1.4逆变失败的原因及最小逆变角的限制，要求达到“掌握”层次。

1）逆变角β的定义。

2）逆变失败的概念。

3）逆变失败的原因及防止措施。

4）确定最小逆变角的三个因素及其含义。

2、本章重点难点分析

1）本章的重点是：

有源逆变产生的条件；有源逆变的基本原理、逆变失败与最小逆变角的限制、变流装置的功能指标（3个物理量的含义）

第四章无源逆变电路

1、本章学习要求

4.1无源逆变电路的原理，要求达到“熟悉”层次。

1）逆变的概念。

2）有源逆变和无源逆变的区别。

3）逆变电路的分类及其各自的特点。

4.2单相电压型逆变电路，要求达到“掌握”层次。

1）单相半桥逆变电路的电路组成及工作原理。

2）单相桥式逆变电路的电路组成及工作原理。

3）与开关管反并联的续流二极管的作用。

4.3脉冲宽度调制（PWM），要求达到“熟悉”层次。

1）正弦脉宽调制（SPWM）的基本原理。

2）PWM的单极性调制和双极性调制方式。

2）载波信号、调制信号、载波比和调制比的概念及含义。

3）同步调制的概念。

第五章直流斩波器

1、本章学习要求

5.1直流斩波器的工作原理及控制方式，要求达到“掌握”层次。

5.2直流斩波器基本电路，要求达到“掌握”层次。

5.2.1降压斩波器，要求达到“掌握”层次。

1）降压斩波器的电路组成及其工作原理。

2）降压斩波器输出电压平均值的表达式。

5.2.2升压斩波器，要求达到“熟悉”层次。

1）升压斩波器的电路组成及其工作原理。

4）升压斩波器输出电压平均值的表达式。

5.3复合斩波器，了解。

2、本章重点

基本概念、降压斩波、升压斩波电路的电路图、工作原理、波形分析、基本计算（k、T、Uo）

第六章交流调压电路和相控交-交变频电路

1、本章学习要求

4.1单相交流调压电路，要求达到“熟悉”层次。

1）交流调压电路的概念。

2）单相交流调压、调功电路的电路结构及工作原理、波形分析。

2）

第七章电力电子变流装置的控制和保护电路

1、本章学习要求

7.1掌握常见保护电路种类和保护措施

7.2晶闸管门极触发电路，要求达到“熟悉”层次。

1）晶闸管对触发电路的基本要求。

2）同步信号为锯齿波的触发电路工作原理

2）

7.3了解几种全控型器件的驱动电路。

1）GTR对驱动电路的基本要求。

第三部分综合练习题

一、填空题

1．晶闸管是四层三端器件，三个引出电极分别为：

阳极、阴极和极。

2．一只额定电流为100A的普通晶闸管，其允许通过的电流有效值为A。

3．具有自关断能力的电力电子器件称为器件。

4．三相全控桥式整流电路中，采用共阴极组接法的三只晶闸管，要求其触发脉冲以1200

为间隔，依次在电源电压的半周触发各晶闸管。

5．在考虑变压器漏抗影响时，整流电路输出电压的平均值将。

6．三相全控桥式整流电路输出的电压波形在一个周期内脉动次。

7．采用时间比控制方式改变斩波器负载两端的平均电压，对斩波器触发脉冲的调制方法有三种，分别是；；。

8．降压斩波器中，电源电压Ud=50V，导通比为0.8，则负载电压平均值ULD为。

9．电流型逆变电路直流侧为，输出电流波形为。

10．根据调制脉冲的极性，PWM也有两种调制方式，分别是和调制。

二、简答题

1．试说明晶闸管的开通和关断的条件。

2．试说明晶闸管整流装置实现有源逆变的条件。

3．试说明整流电路中整流变压器二次侧相电压U2φ选得过高或过低，将出现什么问题？

4．单相半控桥整流电路带感性负载时，若该电路不接续流二极管，请对其可能发生的“失控”现象进行分析。

5．三相桥式全控整流电路带大电感负载时，以连接于A相的共阴极组晶闸管T1为例说明，在一个周期内，其承受电压的情况。

6．某单相可控整流电路，分别给阻性负载和蓄电池反电动势负载供电，在流过负载电流平均值相同的条件下，哪一种负载下晶闸管的额定电流应选大一些？

为什么？

三、计算题

1．单相桥式可控整流电路，带一大电感对蓄电池充电，R=3Ω，电感L足够大，U2=220V，

反电动势E=60V。

1）要保持充电电流为10A，估算此时的控制角α；

2）该电路中晶闸管承受的最大电压是多少？

2．单相全控桥式整流电路，带阻感负载，R=5Ω，L值很大，即满足ωL>>R，U2=100V，当α=600时，求：

1）作出输出电压ud、输出电流id、变压器二次侧电流i2的波形；

2）求整流输出平均电压Ud、电流Id和二次侧电流有效值I2；

3）考虑两倍的安全裕量，选择晶闸管的额定电压和额定电流值。

3．单相全控桥式有源逆变电路，回路电阻R=1Ω，平波电抗器Ld足够大，变压器二次电压有效值U2=220V，负载电动势Ed=-200V，当β=300时，求：

1）画出输出电压ud、流过晶闸管电流iT1的波形；

2）计算变流电路输出平均电压Ud、负载平均电流Id。

参考答案：

一、填空题（本大题共14小空，每小空2分，共28分）

1．门2．1573．全控型

4．正5．减小6．6

7．脉冲宽度调制；脉冲频率调制；调频调宽混合控制

8．40V9．电流源；矩形波10．单极性；双极性

二、简答题

1．晶闸管导通条件是：

1）晶闸管阳极和阴极之间施加正向阳极电压；2）晶闸管门极和阴极之间必须加上适当的正向脉冲电压和电流。

在晶闸管导通后，门极就失去控制作用，欲使其关断，只需将流过晶闸管的电流减小到其维持电流以下，可采用阳极加反向电压、减小阳极电压或增大回路阻抗等方式。

2．1）变流电路直流侧应具有能提供逆变能量的直流电源电动势Ed，其极性应与晶闸管的导电电流方向一致；2）变流电路输出的平均电压Ud的极性必须为负，以保证与直流电源电动势Ed构成同极性相连，即控制角α＞90°，且满足∣Ud∣＞∣Ed∣。

3．整流电路中整流变压器二次侧相电压U2φ选得过高，则晶闸管运行时控制角过大，造成功率因数变坏，无功功率增大；选择过低，则有可能在最不利的运行情况下，即使晶闸管的控制角退到最小时，仍然不能达到负载要求的额定电压。

4．单相半控桥整流电路带感性负载时，不接续流二极管，将可能发生失控现象。

以晶闸管T1导通的情况为例，当交流电源电压在负半周时，负载电流通过T1和二极管D2续流，输出电压为零；当交流电源电压在正半周时，负载电流通过T1和二极管D4流通，输出电压为电源电压。

即在一个周期内，晶闸管T1持续导通，二极管D1、D2轮流导通，输出电压波形为正弦半波。

5．T1导通期间，承受正向管压降（≈0）为120°；T1关断期间，分别承受线电压uab、uac各120°。

6．反电动势负载时晶闸管额定电流应选大一些。

因为反电动势负载时，晶闸管的导通角θ比电阻性负载时小。

反电动势负载的电流波形系数Kf比电阻负载时大。

三、计算题（，本大题共3小题，每小题12分，共36分）

1．解：

1）Ud=0.9U2Cosα

Id=（Ud－E）/R=（0.9U2Cosα－E）/R

Cosα=（IdR＋E）/（0.9U2）=（10×3＋60）/（0.9×220）=0.445

α=63°

2）U=1.414×220=311V

2．解：

1）波形略

2）Ud=0.9U2Cosα=0.9×100×Cos60°=45V

Id=Ud/R=45/5=9A

I2=Id=9A

3）晶闸管可能承受的最大电压为UTM=

=141V，考虑2倍安全裕量,其值为

282V，选额定电压为300V的晶闸管

流过晶闸管的电流有效值为IT=

Id=6.363A

考虑2倍安全裕量时晶闸管的平均电流为ITAV=2IT/1.57=8.1A，选额定电流为10A的晶闸管

3．解：

1）波形略

2）Ud=-0.9U2cosβ=-0.9×220×cos30°=-171.5V

Id=28.5A