P1c1-电力电子系统
电力系统电力电子化的问题、挑战与机遇
第18页
新疆哈密三塘湖电网振荡
宽 洋 录 波 数 据 from新 疆 电 科 院
120
110kV电 压 /kV
100
35kV电 压 /kV
系统电流/A
80
60
（1）实部全为负，衰减振荡包含弱阻尼振荡； （2）有实部为正的共轭复根，增幅振荡； （3）有实部为零的虚根，等幅振荡。
只能分析平衡点局部无穷小邻域的振荡特性！
第29页
电力系统振荡到底基于何种振荡机理？
• 电力系统为强非线性系统，其振荡到底是何种机理？ 目前尚未完全清楚，多种振荡并未得到合理的解释。
传统电力系统保护已不适用
• 电力电子装置短路后模型（电压/流源？依赖控 制）差别大
• 电力电子设备保护动作时间（几十微秒级甚至 更小）比现有保护动作时间短，保护配合困难
--线路保护动作慢，保护选择性实现难度大 --采用交流、直流断路器隔离故障的模式要变化
• 现有算法提取故障特征太慢（20ms以上） • 现有保护装置的动作速度太慢-直流断路器？
多变流器并联微电网的三种振荡模式
第31页
恒功率源的振荡分析
sLs
sLs
id iq
Rs
Ls
Ls
Rs
id iq
u1d u1q
usd usq
逆变器输出电流的微分方程
u1d id* u1q iq* P
-180
传递函数GUi-I1(s)波特图 传递函数GUi-I2(s)波特图 传递函数GI1-I2(s)波特图
机电传动控制之电力电子技术
特点：体积小、重量轻、无噪声、寿命长、
正向耐压达数千伏）。
容量大（正向平均电流达千安、
优点：
• • • • 功率放大倍数大：用很小的触发脉冲就可以控制很大的功率（电流： 几十A---几千A,电压几百V—几千V），功率放大倍数达几十万倍。 控制灵敏：导通和关断时间很短（微秒级）。 效率高：晶闸管的管压降很小，所以发热损耗小，效率达97.5%。 体积小，重量轻。
21
晶闸管的主要参数
4.维持电流 IH
在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小 电流成为维持电流。一般为几十mA~一百多mA,其数值与元件的温 度成反比，在120°时维持电流约为25°时的一半。
当晶闸管的正向电流小于维持电流时，晶闸管自动关断。 5.开通时间 ton与关断时间 toff
晶闸管 断态重复 峰值电压
3 C T • /•
3极 N型硅 材料 额定通态 平均电流
等级
通态电压的组别
K P •/ • •
晶闸管 普通型 额定通态 平均电流
23
晶闸管好坏的判断方法
A
测试 表内电池极性 点 A---K 顺向或逆向均可 表测量 范围 1K档 1K档 测量结果 高阻抗
（电阻无穷大）
P1
5
晶闸管（Thyristor）
缺点：
过载能力差。 抗干扰能力差（就是因为放大倍数大引起的）。 容易导致电网电压波形畸变。 控制电路复杂。
应用领域：
• 整流（交流 直流）
• 变频（交流 交流） • 逆变（直流 交流）
• 斩波（直流 直流）
此外还可作无触点开关等。
电力电子技术考点总结
电力电子技术考点总结第 1 章绪论1.什么是电力电子技术？(P1）答:电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。
电子技术包括信息电子技术和电力电子技术.2.电力变换分类？及其含义和主要作用?（P1)答：电力变换分为四类：交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流。
3.电力电子技术的应用?（P6)答1。
一般工业2.交通运输3.电力系统4.电子装置用电源5。
家用电器6.其他。
第 2 章电力电子器件1.典型全控型器件的分类？(P25)答：1。
门极可关断晶闸管2。
电力晶闸管3。
电力场效应晶体管4。
绝缘栅双极晶体管。
第 3 章整流电路1.α= 0°时的整流电压、电流中的谐波有什么规律？(P75）答：（1) m脉波整流电压u d0的谐波次数为mk(k = 1,2，3,…)次，即m的倍数次；整流电流的谐波由整流电压的谐波决定,也为mk次。
（2）当m一定时,随谐波次数增加，谐波幅值迅速减小，表明最低次(m次）谐波是最主要的，其他次数的谐波相对较少;当负载中有电感时，负载电流谐波幅值d n的减小更为迅速。
（3） m增加时,最低次谐波次数增加，且幅值迅速减小，电压纹波因数迅速减小.2.双反星形电路设置平衡电抗器的作用？没有会怎样？（P76）答:双反星形电路中设置电感量为Lp的平衡电抗器是为保证两组三相半波整流电路能同时导电，每组各承担一半负载,如果Lp同时只有一个导通，则原电路将变成六相半波整流电路。
3.逆变产生的条件?（P84）答：（1)要有直流电动势，其极性需和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流器直流侧的平均电压。
(2)要求晶闸管的控制角α>π/2，使U d为负值。
4.逆变失败的原因？（P85）答:（1）触发电路工作不可靠,不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲。
(2）晶闸管发生故障，在应该阻断时失去阻断能力，或在应该导通时不能导通，造成逆变失败.(3）在逆变工作时,交流电源发生缺相或突然消失,致使电路短路。
常用电力电子器件介绍
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扩展市场，开发未来，实现现在。2020年12月13日 星期日 上午2时 32分26秒02:32:2620.12.13
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做专业的企业，做专业的事情，让自 己专业 起来。2020年12月上 午2时32分20.12.1302: 32December 13, 2020
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时间是人类发展的空间。2020年12月13日星 期日2时 32分26秒02:32:2613 December 2020
• （一）、基本结构 • 是一种大功率晶体管，又叫双极型晶体管（BJT），GTR在结构上常用达林顿
结构形式，是由多个晶体管复合组成的大功率晶体管，通过与反相续流二极 管并联组成一个模块，如图2-4所示。
• GTR也具有三个极，分别是基极（B）、发射极（E）、集电极（C）。 • （二）、GTR的工作特点 • GTR如同普通的晶体管一样，也有三种工作状态，即放大、饱和及截止状态，
•
严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020年12月 上午2时 32分20.12.1302:32December 13, 2020
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作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2020年12月13日星期 日2时32分26秒 02:32: 2613 December 2020
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好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。上 午2时32分26秒 上午2时32分02:32:2620.12.13
两个晶体管相互复合,当有足够的门极电流Ig时，就会形成强烈的正反馈，即
• 此时两个晶体管迅速饱和导通，即晶闸管饱和导通。 • 若要关断晶闸管，则应设法使晶闸管的阳极电流减小到维持电流以下。
A
A
A
G
P1
P1
J1
N1
N1
电力电子变换和控制技术
IFRIFrms /1.57
11
半导体电力二极管的开关特性
开关过程，由导通状态转为阻断状 态并不是立即完成，它要经历一个 短时的过渡过程；
此过程的长短、过渡过程的波形对 不同性能的二极管有很大差异；
理解开关过程对今后选用电力电子 器件，理解电力电子电路的运行是 很有帮助的，因此应对二极管的开 关特性有较清晰的了解。
25
2.3.1 逆阻型晶闸管SCR—两个三极管正反馈 晶闸管的结构、符号和结构模型
26
晶闸管的等值电路
A
IA
P1
J1
N1
T1
I C2
I C1 G
J2 J2
P2 P2
Rg Vg
Ig
i
B2 J3
N1
T2
N2
IC
K
(d)等效电路 27
IC1a1IAiC0 B1RICa2ICiC0B2IA
IA IC 1 IC 2 a 1 IA a 2 IC I0
45
小 结（续1）
根据开通和关断所需门极（栅极）驱动信号的不同要 求，开关器件又可分为电流控制型开关器件和电压控 制型开关器件两大类：
SCR、BJT和GTO为电流驱动控制型器件
P－MOSFET、IGBT均为电压驱动控制型器件
三极管BJT要求有正的、持续的基极电流开通并保持 为通态，当基极电流为零后BJT关断。为了加速其关 断，最好能提供负的脉冲电流。
5
5
2.1.2 半导体二极管基本特性—单向导电性 PN结高频等效电路
R
A(P)
K(N)
C
6
2.1.3 半导体电力二极管重要参数 半导体电力二极管的重要参数主要用来衡量 二极管使用过程中：
(华北电力大学版)电力电子技术课后习题答案
电力电子技术习题集标* 的习题是课本上没有的，作为习题的扩展习题一* 试说明什么是电导调制效应及其作用。
答：当PN结通过正向大电流时，大量空穴被注入基区（通常是N型材料），基区的空穴浓度（少子）大幅度增加，这些载流子来不及和基区的电子中和就到达负极。
为了维持基区半导体的电中性，基区的多子（电子）浓度也要相应大幅度增加。
这就意味着，在大注入的条件下原始基片的电阻率实际上大大地下降了，也就是电导率大大增加了。
这种现象被称为基区的电导调制效应。
电导调制效应使半导体器件的通态压降降低，通态损耗下降；但是会带来反向恢复问题，使关断时间延长，相应也增加了开关损耗。
1.晶闸管正常导通的条件是什么，导通后流过的电流由什么决定？晶闸管由导通变为关断的条件是什么，如何实现？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压（U AK>0），并在门极施加触发电流（U GK>0）。
2.有时晶闸管触发导通后，触发脉冲结束后它又关断了，是何原因？答：这是由于晶闸管的阳极电流I A没有达到晶闸管的擎住电流（I L）就去掉了触发脉冲，这种情况下，晶闸管将自动返回阻断状态。
在具体电路中，由于阳极电流上升到擎住电流需要一定的时间（主要由外电路结构决定），所以门极触发信号需要保证一定的宽度。
* 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：维持晶闸管导通的条件是使其阳极电流I A大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流I H。
要使晶闸管由导通转为关断，可利用外加反向电压或由外电路作用使流过晶闸管的电流降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。
3.图1-30中的阴影部分表示流过晶闸管的电流波形，其最大值均为I m，试计算各波形的电流平均值、有效值。
如不考虑安全裕量，额定电流100A的晶闸管，流过上述电流波形时，允许流过的电流平均值I d各位多少？(f)图1-30 习题1-4附图解：（a）mm m mI11I sin()()2I0.3185I22daI t d tπωωπππ====⎰mI2 aI==额定电流100A 的晶闸管允许流过的电流有效值为157A ，则m I 3140.5aI A ==；平均值I da 为：mI 100da I A π==（b ）m m m 012I sin()()I 0.6369I db I t d t πωωππ===⎰b I == 额定电流100A 的晶闸管允许流过的电流有效值为157A ，则m I 222b A =；平均值I db 为：m 0.6369I 141.4db I A ==（c ）m m m 313I sin()()I 0.4777I 2dc I t d t ππωωππ===⎰m 0.6343I c I == 额定电流100A 的晶闸管允许流过的电流有效值为157A ，则m I 247.50.6343cI A ==；平均值I dc为：m 0.4777I 118dc I A == （d ）m m m m 33I 113I sin()()I 0.2388I 2224dd I t d t ππωωπππ====⎰m 0.4486I d I == 额定电流100A 的晶闸管允许流过的电流有效值为157A ，则m I 3500.4486dI A ==；平均值I dd为：0.2388*35090.7dd I A == （e ）4m m m 011I ()I 0.125I 224de I d t ππωππ===⎰m 0.3536I e I ==额定电流100A 的晶闸管允许流过的电流有效值为157A ，则m I 4440.3536eI A ==： 平均值I de 为：0.125*44455.5de I A == （f ）4mm m 011I ()I 0.25I 4df I d t ππωππ===⎰m 0.5I f I ==额定电流100A 的晶闸管允许流过的电流有效值为157A ，则：m I 3140.5f I A ==平均值I de 为： 0.25*31478.5df I A ==* 在图1-31所示电路中，若使用一次脉冲触发，试问为保证晶闸管充分导通，触发脉冲宽度至少要多宽？图中，E =50V ；L =0.5H ；R =0.5Ω; I L =50mA （擎住电流）。
电力系统中常用电力电子器件
全控型器件（IGBT,MOSFET)
——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又 称自关断器件。
不可控器件(Power Diode)
——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动 电路。
6
电力电子器件的分类
按照驱动电路信号的性质，分为两类：
电流驱动型
——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者 关断的控 制。
式中 1 和 2 分别是晶体管 V1 和 V2 的 共基极电流增益； ICBO1 和 ICBO2 分别 是 V1 和 V2 的共基极漏电流。由以上 式可得 ：
IA
2 I G I CBO1 I CBO2
1 ( 1 2 )
图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理
有效值相等：工作中实际波形的电流与正向平均电 流所造成的发热效应相等。
15
电力二极管的主要参数
2）正向压降UF
在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向 压降。
3） 反向重复峰值电压URRM
对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应当留有两倍的裕量（按照电路中电力二极管可能 承受的反向最高峰值电压的两倍来选定）。
12
电力二极管的基本特性
2) 动态特性
——二极管的电压-电流特性随时间变 化的 ——结电容的存在
F
diF dt td tF t0
trr t1
UF
tf t2 UR t
diR dt IRP U a) RP iF
延迟时间：td= t1- t0,
电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf
电压驱动型
P1c1-电力电子系统解读
According to how the devices within the converters are switched, there are three possibilities: 1. Line frequency (naturally commutated) converters 2. Switched (forced-commutated) converters 3. Resonant and quasi-resonant converters
Power Converter
Power output
io Vo
Load
Feedback/ Feed forward
Controller
Reference
Power electronics----to process and control the flow of electric energy by supplying voltages and current in a form that is optimally suited for user loads.
Power Electronics
Part 1 Introduction
Chapter 1：Power Electronic System 1-1 Introduction 1-2 Need for High Efficiency and High Power Density 1-3 Applications and the Role of Power Electronics 1-4 Classification of Power Converters 1-5 About the text 1-6 Interdisciplinary nature of power electronics
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Source
Power input
Vi ii
Power Converter
Power output
io Vo
Load
Feedback/ Feed forward
Controller
Reference
Providing the needed interface between the electrical source and the electrical load. transferring of power: differing in frequency, voltage amplitudes and the number of phase. Needed high energy efficiency and high power density.
Power Converter
Power output
io Vo
Load
Feedback/ Feed forward
Controller
Reference
Power electronics----to process and control the flow of electric energy by supplying voltages and current in a form that is optimally suited for user loads.
1-4-3 direct-link structure (Matrix Converters)
Theoretically there is no energy storage element between the input and the output sides. therefore, it can be considered a direct-link structure.
Strategic Space and Defense Applications
1-4 Classification of Power Converters 1-4-1 Conversion of electric power 1. DC (a) Regulated (constant) magnitude (b) Adjustable magnitude 2. AC (a) constant frequency, adjustable magnitude (b) Adjustable frequency and adjustable magnitude
Feedback/ Feed forward
Controller
Reference
-Electric Motor -light -heating -power converter -other electric or electronic equipment
Source
Power input
Vi ii
1-3-8 Lighting, Heating, Air conditioning, Cooking, Cleaning
Power electronics interface: High-frequency power electronic ballasts
1-3-9 Renewable Energy Photovoltaic Systems
Photovoltaic Systems
Solar cells produce dc, power electronics interface transfer power to the utility system.
Wind-Electric Systems
1-3-10 Strategic Space and Defense Applications
Provide: adjustable magnitude dc voltage to dc motor Sinusoidal ac voltages with adjustable amplitude and frequency to ac motor
1-3-5 Transportation adjustable speed electric drives • Electric vehicles and Hybrid electric vehicles (EVs and HEVs) • light rail • all-electric ships • drive-by-wire automobiles.
Power input
Power Converter
Power output
1. Ac to dc----rectify, rectifier Control 2. Dc to dc----chopper input 3. Dc to ac----invert, inverter 4. Ac to ac----Fixed frequency : AC controller Variable frequency: Cycloconverter or frequency converter
Continuous, discrete
Control
Power electronics is the interface between electronics and power.
Relation with multiple disciplines
Systems & Control theory
1-3-6 Electro-technical applications
Induction Heating
Electric Welding
1-3-7 Utility Applications High-voltage dc transmission (HVDC) Flexible ac transmission (FACTS) Static var compensation & harmonics suppression: TCR, TSC, SVG, APF Custom power & power quality control
Boost Converter
Powering the cell phones
1-3-2 Uninterruptible Power Supplies
Computer Communication equipment Consumer eleservation Electric Motor Driven systems
1-1 Introduction Typical power sources and loads for a power electronic system
Source
Power input
Vi ii
Power Converter
Power output
io Vo
Load
-Electric utility -battery -other electric energy source -power converter
Voltage-link structure
The capacitor in parallel with two converters forms a dc Voltage-link.
Current-link structure
The induct in series with two converters act as a dc current-link.
Circuit theory Electric machines Signal processing Simulation & computing
H
substitute adjustable speed drive for Constant speed drive to save energy
R2
R1 n1
H1 H2 n2
Q2 Q1
Q
1-3-4 Process control and factory automation Robotics and flexible production needed precise Speed and position control
Power Electronics
Part 1 Introduction
Chapter 1：Power Electronic System 1-1 Introduction 1-2 Need for High Efficiency and High Power Density 1-3 Applications and the Role of Power Electronics 1-4 Classification of Power Converters 1-5 About the text 1-6 Interdisciplinary nature of power electronics
Relative factors: the development of controller (linear integrated circuits and/or digital signal processors); the development of power semiconductor devices; the expansion market for power electronics.
1-2 NEED FOR HIGH EFFICIENCY AND HIGH POWER DENSITY High energy efficiency is important for several reasons: Lowers operating costs by avoiding the cost of wasted energy Contributes less to global warming Reduces the need for cooling therefore increasing power density