電力電子最后習題課

電力電子最后習題課第一頁，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章脈寬調制（PWM）技術第二頁，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習要點第三頁，共72頁。介紹各種器件的符號、簡稱、工作原理、基本特性、主要參數以及選擇和使用中應注意的一些問題，然后集中講述電力電子器件的驅動、保護和串、并聯使用這三個問題。最重要的是掌握其基本特性掌握電力電子器件的型號命名法，以及其參數和特性曲線的使用方法，這是在實際中正確應用電力電子器件的兩個基本要求由于電力電子電路的工作特點和具體情況的不同，可能會對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、驅動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，通過驅動電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來完成整個系統(tǒng)的功能返回第五頁，共72頁。有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有檢測電路。廣義上往往其和驅動電路等主電路之外的電路都歸為控制電路，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，如驅動電路與主電路的連接處，或者驅動電路與控制信號的連接處，以及主電路與檢測電路的連接處，一般需要進行電氣隔離，而通過其它手段如光、磁等來傳遞信號。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電路，以保證電力電子器件和整個電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\行，也往往是非常必要的。器件一般有三個端子（或稱極或管角），其中兩個聯結在主電路中，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主電路端子之間加一定的信號來控制的，這個主電路端子是驅動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(2)電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)導通時（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（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態(tài)特性（也就是開關特性）和參數，也是電力電子器件特性很重要的方面，有些時候甚至上升為第一位的重要問題。作電路分析時，為簡單起見往往用理想開關來代替返回第八頁，共72頁。(3)實用中，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控制電路的信號進行放大，這就是電力電子器件的驅動電路。(4)為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設計，在其工作時一般都要安裝散熱器。導通時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斷的轉換過程中產生開通損耗和關斷損耗，總稱開關損耗對某些器件來講，驅動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頻率較高時，開關損耗會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?，重點掌握：電力電子電路作為分段線性電路進行分析的基本思想、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算、各種負載對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，重點了解其工作特點；(未講不要求)與整流電路相關的一些問題，包括：(1)變壓器漏抗對整流電路的影響，重點建立換相壓降、重疊角等概念，并掌握相關的計算，熟悉漏抗對整流電路工作情況的影響。(2)整流電路的諧波和功率因數分析，重點掌握諧波的概念、各種整流電路產生諧波情況的定性分析，功率因數分析的特點、各種整流電路的功率因數分析。(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載電感負載無續(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載大電感負載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載大電感負載UdIdUVTmax反向正向正反向IdVTIVTI2導通角180-a180-a第十七頁，共72頁。2．單相橋式全控整流電路，U2=100V，負載中R=2，L值極大，當=30°時，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），它同有效值的關系是。因此所選晶閘管的額定電流應為：為此可選50A的晶閘管。第二十頁，共72頁。為了對過電壓有安全儲備，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為V，為此可選400V的晶閘管。最后根據晶閘管產品型號表可選用KP-50-4，即通態(tài)平均電流為20A，額定電壓值電壓為4級(400)的晶閘管。第二十一頁，共72頁。例：單相橋式全控整流電路，接電阻負載，交流電源電壓u2在(220+10%)V范圍內變化，要求輸出的直流平均電壓ud從50V～150V連續(xù)可調，且負載平均電流Id均能達到10A，試確定控制角的變化范圍、計算晶閘管導通角的變化范圍、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??；直流輸出電壓ud越大，也越小，所以最小控制角min對應：u2=220*90%=198V ，ud=150V

（相應）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對應：u2=220*110% =242V ，ud=50V由于導通角，的變化范圍為46.9°～122.7°，可導出的變化范圍為：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對應取122.7°時的情況：電阻負載時平均電流和變壓器二次電流有效值的計算公式書中p47第二十五頁，共72頁。要求的電源容量相應為：

晶閘管電流有效值

考慮過電流安全儲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），它同有效值的關系是因此所選晶閘管的額定電流應為：

第二十六頁，共72頁。為此可選20A的晶閘管。為了對過電壓有安全儲備，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為為此可選1000V的晶閘管。最后根據晶閘管產品型號表可選用KP-20-10，即通態(tài)平均電流為20A，額定電壓值電壓為10級(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。電阻負載：a=30的波形特點：負載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài)。晶閘管導通角為120

a>30的情況特點：負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角小于150-a

。a=30°u2uaubucOwtOwtOwtOwtOwtuGuduabuacwt1iVT1uVT1uac第二十九頁，共72頁。wwwa=60°ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaⅠⅡⅢⅣⅤⅥubucOtwt1OtOtuVT1電阻負載：a=60的波形特點：負載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài)。晶閘管導通角120a>60的情況特點：負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角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脈動頻率3f=150Hz6f=300Hz電阻性負載移相范圍150°120°晶閘管最大正向電壓晶閘管最大反向電壓晶閘管導通角120°（≤30°）120°（≤60°）

（＞30°）

（＞60°）不同時Ud

（≤30°）

（≤60°）（30°＜≤150°）（60°≤≤120°）第三十一頁，共72頁。電感性負載移相范圍90°90°晶閘管導通角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Ud第三十二頁，共72頁。變壓器漏抗對整流電路的影響主要是對輸出電壓的影響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，試繪出在電阻性負載和電感性負載下整流電壓波形。解：以=60°為例第三十四頁，共72頁。例：三相半波可控整流電路，阻感負載，R＝2，L＝∞，欲借調節(jié)達到維持Id＝250A為恒值，已知XB＝0.08，附加直流端壓降△U＝10V，供電電壓經常在l～1.15額定范圍內變化，求：

(1)U2和變化范圍。

(2)變壓器容量第三十五頁，共72頁。對于三相半波整流，換相壓降

當=0°時

此為U2的最小值第三十六頁，共72頁。當U2=1.15*444.06＝510.67V時，它對應的控制角為最大，此時cos=519.55/(510.67*1.17)=0.8696，由此導出=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周期中各導通120°因為晶閘管同相應變壓器二次繞組串聯，所以變壓器二次電流I2d＝Id/3=250/3=83.33A

第三十八頁，共72頁。因為變壓器二次側電流的直流分量不可能感應到原邊，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，電阻性負載，如果有一個晶閘管不能導通，此時的整流波形如何?如果有一個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量關系，逆變顛覆和最小逆變角的限制。有源逆變的應用：直流電動機在晶閘管整流電路控制下的機械特性的特點——分連續(xù)時和斷續(xù)時；四象限運行——整流與逆變的轉換。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構、工作方式及波形、基本數量關系以及特點。單相、三相串聯二極管電流型逆變電路的電路結構、換流方式、工作方式及特點。第四十一頁，共72頁。例：試繪出三相橋式逆變電路中當=/4時，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：對于電壓型逆變電路，考慮到大部分負載是電感性負載，當改變導通的器件時，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，同時在能量上電感儲存的能量通過反饋二極管向電源側反饋。對于電流型逆變電路，為了使其能夠進行負載換相，往往在負載兩端并聯補償電容器使負載略呈容性，對于容性負載而言，其兩端的電流允許突變，所以不需要反饋二極管，事實上負載中電感的續(xù)流靠補償電容器維持。第四十三頁，共72頁。交流變換電路的學習要點：(1)

交流—交流變流電路的分類及其基本概念；(2)

單相交流調壓電路的電路構成，在電阻負載和阻感負載時的工作原理和電路特性；(3)

三相交流調壓電路的基本構成和基本工作原理；(4)

交流調功電路和交流電力電子開關的基本概念；（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用；（不要求）第四十四頁，共72頁。例：一交流單相晶閘管調壓器，用作控制從220V交流電源送至電阻為0.5、感抗為0.5的串聯負載電路的功率。試求：1)控制角范圍；2)負載電流的最大有效值；3)最大功率和這時的功率因數；4)當=/2時，晶閘管電流的有效值、導通角和電源側功率因數。第四十五頁，共72頁。單相交流調壓電路a為參變量時IVTN和a關系曲線j

=90°0.40.51601800401208075°60°45°j

=0a/(°)IVTN負載電流有效值IVT的標么值第四十六頁，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，調整繞組1-3與1-2之間的匝數是1-0的10％。試分析圖示兩組反并聯晶閘管組成的電路，是如何實現在輸入電壓波動時，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，采用脈寬調制控制方式，T＝20μs，當Ton＝4μs時。（20分）求：（1）輸出電壓平均值Uo；（2）輸出電流平均值Io；（3）計算輸出電流的最大和最小瞬時值，并判斷負載電流是否連續(xù)。第四十九頁，共72頁。例：圖為一種簡單的舞臺調光線路，輸入為單相交流電源，電位器RP一般為幾百千歐。求：1、根據ud，ug波形分析電路調光工作原理；2、說明RP，VD及開關Q的作用；3、本電路晶閘管最小導通角qmin是多少？udugu2ACRPVDQVT第五十頁，共72頁。

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

1）控制角范圍；

2）負載電流的最大有效值；

3）求最大功率和這時的功率因數；

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

=

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

=

min時，負載電流和負載電壓的波形為有相位移的純正弦波，電源和負載之間的關系就像兩個晶閘管被短接時一樣。于是最大負載電流有效值Io為第五十三頁，共72頁。3）最大功率。最大輸出電流時功率達最大值在這種=、正弦波電流工作情況下，功率因數就等于基波相移因數cos。但在＞min的非正弦電流工作情況下，功率因數將小于基波相移因數。第五十四頁，共72頁。4）對于=/2。由P102圖6，對應于=/2和=/4查得ITN≈0.3

晶閘管電流的基準值為因而晶閘管電流有效值為第五十五頁，共72頁。對應于=/2和=/4由P100圖3查得導通角為

=130°輸出負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,負載R=2Ω，L值極大，反電動勢E=50V，當α=300時，求輸出平均電壓ud、平均電流Id、晶閘管的平均電流Idvt和Ivt,設整流變壓器一次側電壓為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，阻感負載，R=5Ω，L=∞，LB=2mh,u2=110V,u1=220V,當α=00時，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、調試下圖所示晶閘管電路，在斷開Rd測量輸出電壓Ud是否正確可調時，發(fā)現電壓表讀數不正常，接上Rd后一切正常，為什么？答：電壓表阻大使晶閘管Ia<Ih關斷，電壓表上電壓為其內阻與晶閘管漏電阻串聯對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VT導通，Ia=100/50=2mA,Ia<IH,VT不導通，電路不合理第六十一頁，共72頁。5、某純電阻負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、和負載電阻兩端的電壓波形。設VT1燒斷，波形如右圖所示：第六十二頁，共72頁。6、某電阻負載要求0~24V直流電壓，最大負載電流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通角、額定電壓、電流值、電源與變壓器二次側的功率因素以及對電源要求的容量。解：因為所以從極端情況考慮取V當時，當時，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載電流有效值第六十三頁，共72頁。對單相半波可控整流電路負載電流有效值就是晶閘管電流有效值對電源要求容量：第六十四頁，共72頁。7、某電阻負載，Rd=50?,要求Ud在0到600V可調，試用單相半波與單相全波二種整流電路來供給，分別計算(1)晶閘管額定電壓、電流值，(2)連接負載的導線截面(導線允許電流密度j=6A/mm2)，(3)