電力電子技術課程學習指導資料重慶大學自動化學院第一部分 課程的學習目的及總體要求一、課程性質、地位與學習目的電力電子技術是自動化專業本科學生的一門重要專業技術基礎課程。電力電子技術是研究采用電力電子器件實現對電能的控制和變換的科學，是介于電氣工程三大主要領域電力、電子和控制之間的交叉學科，在電力、工業、交通、航空航天等領域具有廣泛的應用。電力電子技術的應用已經深入到工業生產和社會生活的各個方面，成為傳統產業和高新技術領域不可缺少的關鍵技術，可以有效地節約能源。本課程的目的，是使學生在從應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上，熟悉和掌握電力電子技術的基本理論、基礎知識，掌握各類電力電子電路的電路結構、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在工程技術領域中的應用。二、課程的總體要求本課程主要包括器件、電路、應用這三方面的內容，通過對本課程的學習，要求學生：1電路為主線在熟悉電力電子器件外特性、額定參數及極限參數的基礎上，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，不同負載對電路工作特性的影響以及主電路的參數計算與元件選擇；熟悉了解典型觸發、驅動和緩沖保護電路的組成、工作原理和特點。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，只有畫出各種狀態下的波形，才能加深對電路原理的定性理解，并在此基礎上進行分析。因此，要把它作為主要學習內容，這樣才能抓住各種電力電子電路分析方法的共性。3注重實踐本課程是一門理論性和實踐性均較強的專業技術基礎課，要學會從實際應用的角度去分析和掌握各種典型電路。三、本課程與相關課程的聯系學習本課程以前應先學習電路原理、模擬電子技術和數字電子技術基礎。學習本課程，必須具備電路的基本概念，掌握電路基本定律和分析計算方法，并能夠作暫態分析；熟悉基本放大電路原理和集成運放的應用；熟悉晶體管、MOS管的工作原理，器件的外特性和典型數字集成電路的邏輯功能及外特性。本課程的后續課程是自動化專業的有關專業課程。第二部分 課程學習的基本要求及重點難點內容分析第一章 電力電子器件的原理與特性1、本章學習要求1.1電力電子器件概述，要求達到“熟悉”層次。1）電力電子器件的發展概況及其發展趨勢。2）電力電子器件的分類及其各自的特點。1.2晶閘管，要求達到“掌握”層次。1）晶閘管的結構、工作原理及伏安特性。2）晶閘管主要參數的定義及其含義。3）額定電壓、額定電流、電流波形系數kf的計算方法。4）晶閘管導通和關斷條件。5）能夠根據要求選用晶閘管。1.3電力二極管，要求達到“熟悉”層次。1）電力二極管的工作原理、基本特性、主要參數和主要類型。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，要求達到“熟悉”層次。1）GTR的工作原理、特點及主要參數。1.5電力場效應晶體管，要求達到“熟悉”層次。1）電力場效應晶體管的特點，基本特性及主要參數。1.6絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），要求達到“熟悉”層次。1）IGBT的工作原理、特點、擎住效應及安全工作區。1.7新型電力電子器件簡介，要求達到“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與并聯運行，要求達到“熟悉”層次。2、本章重點難點分析有關晶閘管電流計算的問題：晶閘管是整流電路中用得比較多的一種電力電子器件，在進行有關晶閘管的電流計算時，針對實際流過晶閘管的不同電流波形，應根據電流有效值相等的原則選擇計算公式，即允許流過晶閘管的實際電流有效值應等于額定電流IT對應的電流有效值。利用公式I = kfId = 1.57IT進行晶閘管電流計算時，一般可解決兩個方面的問題：一是已知晶閘管的實際工作條件（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，根據實際工作情況，計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，找出實際通過晶閘管的電流波形或有關參數（如電流幅值、觸發角等），據此算出通過晶閘管的實際電流有效值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，計算出該管子允許通過的電流有效值。根據實際電流波形求出電流波形系數，算得晶閘管允許的實際電流平均值為Id = 1.57IT / kf（未考慮安全裕量時）。3、本章典型例題分析例1.1 晶閘管導通和關斷的條件是什么？解：晶閘管導通條件是：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的正向脈沖電壓和電流。在晶閘管導通后，門極就失去控制作用，欲使其關斷，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，晶閘管和電阻串聯相接，試計算晶閘管實際承受的正、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、本章學習要求2.1整流電路的概述，要求達到“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，要求達到“掌握”層次。2.2.1單相半波可控整流電路，要求達到“掌握”層次。1）單相半波可控整流電路的組成及工作原理。2）計算帶電阻性負載的單相半波可控整流電路的相關參數。2.2.2單相橋式全控整流電路，要求達到“熟練掌握”層次。1） 單相橋式全控整流電路帶不同負載時的組成及工作原理、波形分析。2）計算帶不同性質負載時，單相橋式全控整流電路的相關物理量數值計算。3）帶不同性質負載時，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）該電路中相應晶閘管的選取。2.2.3單相橋式半控整流電路，要求達到“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生失控現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，要求達到“掌握”層次。2.3.1三相半波可控整流電路，要求達到“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，掌握移相控制角的計算方法。3）帶大電感負載時的工作波形。4）帶大電感負載時電路相關參數的計算。5）該電路中，晶閘管可能承受的最大正、反向電壓值。6）該電路中相應晶閘管的選取。7）帶不同性質負載時，控制角的移相范圍。2.3.2三相橋式全控整流電路，要求達到“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）當負載電流連續時，各晶閘管的換流順序、相互間隔角度及每只管子的導電角。3）帶大電感負載時電路的輸出電壓、輸出電流和晶閘管的電壓、電流波形。4）帶大電感負載時，控制角的移相范圍。5）帶大電感負載時電路相關參數的計算。2.4整流變壓器漏抗對整流電路的影響，要求達到“掌握”層次。1）在考慮變壓器漏抗時，整流電路在換相過程中輸出電壓值的特點。2）在考慮變壓器漏抗時，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。2.5整流電路的諧波和功率因數，要求達到“熟悉”層次。1） 整流電路中，功率因數的定義。2.6電力公害及改善措施，要求達到“熟悉”層次。2、本章重點難點分析本章的重點是：波形分析法和單相橋式可控整流電路；有源逆變產生的條件；難點是：帶不同性質負載時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，是指根據電源電壓和控制角以及負載性質，作出負載電壓、負載電流、整流元件的電壓和電流等波形圖，再由波形圖推導出該電路基本電量的計算公式和數量關系。具體來說，分析方法和步驟如下：1）繪出主電路原理圖，包括標明交流電壓、各整流元件序號和負載性質。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。3）根據控制角在相應位置上繪出觸發脈沖，并標明相應序號。4）根據可控整流電路的工作原理，繪出負載電壓、負載電流、晶閘管電流以及晶閘管兩端電壓的波形，5）根據波形圖推導出基本電量的計算公式。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，對整流電壓波形將產生影響，不僅產生換相壓降，而且使相電壓和線電壓波形出現缺口，造成電網電壓發生畸變。3、本章典型例題分析例2.1 接有續流二極管的單相半波可控整流電路，帶大電感負載，R=5，變壓器二次側電壓U2=220V。試計算當觸發角分別為30和60時，流過晶閘管和續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= 30時， 流過晶閘管的電流平均值為 流過晶閘管的電流有效值為 流過續流二極管的電流平均值為 流過續流二極管的電流有效值為 2）當= 60時， 流過晶閘管的電流平均值為 流過晶閘管的電流有效值為 流過續流二極管的電流平均值為 流過續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為過流而燒成斷路，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為過流而燒成斷路，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對電源短路而燒毀，嚴重情況下甚至可能使整流變壓器因過流而損壞。因此，在設計電路時，在變壓器二次側與晶閘管之間應串聯快速熔斷絲，起到過流保護的作用。例2.3 單相橋式半控整流電路中續流二極管的作用是什么？在何種情況下，流過續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流二極管的作用是：為感性負載中電感儲存的能量提供一條專門的釋放回路，以避免發生一只晶閘管持續導通而兩只二極管輪流導通的“失控現象”。由公式知，流過續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，帶阻感負載，R = 1，L值很大，即滿足LR，U2 = 100V，當= 600時，求：1）作出輸出電壓ud、輸出電流id、變壓器二次側電流i2的波形；2）求整流輸出平均電壓Ud、電流Id和二次側電流有效值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.本章學習要求3.1整流電路的有源逆變工作狀態，要求達到“掌握”層次。3.1.1逆變的概念，要求達到“熟悉”層次。1）逆變的概念。2）整流和逆變的關系。3）電源間能量的流轉關系。3.1.2有源逆變產生的條件，要求達到“掌握”層次。1）產生有源逆變的兩個條件及其含義。2）有源逆變時能量的流轉方向。3.1.3三相有源逆變電路，要求達到“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電量的計算。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電量的計算。3.1.4逆變失敗的原因及最小逆變角的限制，要求達到“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因素及其含義。2、本章重點難點分析1)本章的重點是：有源逆變產生的條件；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（3個物理量的含義）第四章 無源逆變電路1、本章學習要求4.1無源逆變電路的原理，要求達到“熟悉”層次。1）逆變的概念。2）有源逆變和無源逆變的區別。3）逆變電路的分類及其各自的特點。4.2單相電壓型逆變電路，要求達到“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）與開關管反并聯的續流二極管的作用。4.3脈沖寬度調制（PWM），要求達到“熟悉”層次。1）正弦脈寬調制（SPWM）的基本原理。2）PWM的單極性調制和雙極性調制方式。2） 載波信號、調制信號、載波比和調制比的概念及含義。3） 同步調制的概念。第五章 直流斬波器1、本章學習要求5.1直流斬波器的工作原理及控制方式，要求達到“掌握”層次。5.2直流斬波器基本電路，要求達到“掌握”層次。5.2.1降壓斬波器，要求達到“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式。5.2.2升壓斬波器，要求達到“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式。5.3 復合斬波器，了解。2、本章重點基本概念、降壓斬波、升壓斬波電路的電路圖、工作原理、波形分析、基本計算（k、T、Uo）第六章 交流調壓電路和相控交-交變頻電路1、本章學習要求4.1單相交流調壓電路，要求達到“熟悉”層次。1）交流調壓電路的概念。2）單相交流調壓、調功電路的電路結構及工作原理、波形分析。2）第七章 電力電子變流裝置的控制和保護電路1、本章學習要求7.1掌握常見保護電路種類和保護措施7.2晶閘管門極觸發電路，要求達到“熟悉”層次。1） 晶閘管對觸發電路的基本要求。2) 同步信號為鋸齒波的觸發電路工作原理 2）7.3了解幾種全控型器件的驅動電路。1）GTR對驅動電路的基本要求。第三部分 綜合練習題一、填空題1晶閘管是四層三端器件，三個引出電極分別為：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，要求其觸發脈沖以1200為間隔，依次在電源電壓的 半周觸發各晶閘管。5在考慮變壓器漏抗影響時，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周期內脈動 次。7采用時間比控制方式改變斬波器負載兩端的平均電壓，對斬波器觸發脈沖的調制方法有三種，分別是 ； ； 。8降壓斬波器中，電源電壓Ud=50V，導通比為0.8，則負載電壓平均值ULD為 。9電流型逆變電路直流側為 ，輸出電流波形為 。10根據調制脈沖的極性，PWM也有兩種調制方式，分別是 和 調制。二、簡答題1試說明晶閘管的開通和關斷的條件。2試說明晶閘管整流裝置實現有源逆變的條件。3試說明整流電路中整流變壓器二次側相電壓U2選得過高或過低，將出現什么問題？4單相半控橋整流電路帶感性負載時，若該電路不接續流二極管，請對其可能發生的“失控”現象進行分析。5三相橋式全控整流電路帶大電感負載時，以連接于A相的共陰極組晶閘管T1為例說明，在一個周期內，其承受電壓的情況。6某單相可控整流電路，分別給阻性負載和蓄電池反電動勢負載供電，在流過負載電流平均值相同的條件下，哪一種負載下晶閘管的額定電流應選大一些？為什么？三、計算題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，帶阻感負載，R = 5，L值很大，即滿足LR，U2 = 100V，當= 600時，求：1）作出輸出電壓ud、輸出電流id、變壓器二次側電流i2的波形；2）求整流輸出平均電壓Ud、電流Id和二次側電流有效值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，負載電動勢Ed=-200V，當= 300時，求：1）畫出輸出電壓ud、流過晶閘管電流iT1的波形；2）計算變流電路輸出平均電壓Ud、負載平均電流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脈沖寬度調制；脈沖頻率調制；調頻調寬混合控制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的正向脈沖電壓和電流。在晶閘管導通后，門極就失去控制作用，欲使其關斷，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）變流電路直流側應具有能提供逆變能量的直流電源電動勢Ed，其極性應與晶閘管的導電電流方向一致；2）變流電路輸出的平均電壓Ud的極性必須為負，以保證與直流電源電動勢Ed構成同極性相連，即控制角90，且滿足UdEd。3整流電路中整流變壓器二次側相電壓