电力电子技术复习要点

第一章

1.电力电子技术：使用电力电子器件对电能进行变换和控制（能量的处理）

2.电力电子器件：处理电功率的能力高；

一般工作在开关状态；

由信息电子电路来控制；

功率损耗较大，需要安装散热器。

3.电力变换四大类：整流、逆变、直流斩波、交流变频调压

第二章电力电子器件

1.电力二极管（不可控器件）

（1）组成：一个PN结+两个电极

（2）静态特性：单向导电性

门槛电压U

TO

正向压降U F

（3）动态特性：

开通过程：正向压降先出现一个过冲U FP,经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值。关断过程：须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。

关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。

（4）正向平均电流I F(AV)

指允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值

平均电流I d和正向平均电流是不一样的

（5）电力二极管工艺特点：垂直导电结构（电流通过的有效面积增大）、多一次低掺杂N 区（承受很高的反压）、电导调制效应（增大电导率，正向压降保持很低）

（6）标识

2.晶闸管（半控器件—可开不可关的单向开关）

（1）反向电压——不会导通

正向电压+门极触发电流——导通——一旦导通门极失去控制作用

晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下——关断

（2）静态特性

I G=0时，AK间加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过转折电压U bo，器件开通。门极电流增大，转折电压降低。

导通期间，如果门极电流为0并且AK间电流降至接近于零的某一数值维持电流I H以下，器件关断。

（3）动态特性

延迟时间t d：0—10%；上升时间t r：10%--90%；开通时间t gt：t d+t r

（4）

（5）标识

（6）参数计算

3.性能对比

第三章 整流电路

1.单相可控整流电路

（1）电阻负载

导通角θ：一个电源周期中处于通态的电角度。

触发延迟角α：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度。 VT 的α相移范围为0---180度。

U d =12π∫π

αU 2sinωtd (ωt )=0.45U 21+cosα2

（2）阻感负载

移相范围：0—90度

续流二极管的作用：保证i d 流通 移相范围：0—180度

2.单相桥式全控整流电路

（1）电阻负载

U d =0.9U 2

1+cosα2

I d =

U d

R

I dVT =12

I d I VT =

α角相移范围为0—180度 电压与电流波形相同

（2）阻感负载

U d =0.9U 2cosα

I d =U d

R

I dVT =

12I d I VT =1

d

I 2=I d

α角相移范围为0—90度

（3）带反电动势负载：电阻负载波形相当于x 轴上移E ，要串联一个平波电抗器 阻感负载波形与原来一样 （4）单相桥式半控整流电路：

每个导电回路中一个晶闸管用二极管代替。

正半轴1.4通，过零变负1.3续流，负半轴2.3导通，过零变正2.4续流。 需要并联一个续流二极管 例题

① 当增大晶闸管可控整流的控制角α，负载上得到的直流电压平均值会减小。

② 按负载的性质不同，晶闸管可控整流电路的负载分为电阻负载、阻感负载、反电动势负载。

③ 电阻负载的特点是电压与电流成正比，在单相半波可控整流电阻性负载电路中，晶闸管控制角α的最大移相范围是180度。

④

当晶闸管可控整流的负载为大电感负载时，负载两端的直流电压平均值会降低，解决的

办法就是负载的两端并联接一个续流二极管。

⑤工作于反电动势负载的晶闸管在每一个周期中的导通角小、电流波形不连续、呈脉冲状、

电流平均值小。要求管子的额定电流值要大些。

⑥单相桥式全控整流电路中，带纯电阻负载时，α角移相范围为0—180度，单个晶闸管

U2和√2U2。带阻感负载时，α角移相范围为所承受的最大正向电压和反向电压分为√2

2

0—90度，单个晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压分为√2和√2。带反电动势负载时，欲使电阻上的电流不出现断续现象，可在主电路中直流输出测串联一个平波电抗器。

3.三相半波可控整流电路

①电源侧三角形接法，负载侧星形接法。

②左图晶闸管为共阴极接法

③当某一相晶闸管触发导通时，共阴极的一端电

位为该相相电压，另两个晶闸管承受线电压，负

载获得的是相电压.

④自然换相点是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角α

的起点，即α=0度

（1）电阻负载

α=0°

晶闸管导通角为120度

α=30°

晶闸管导通角为120度

负载电流处于连续与断续的临界状态。

α=60°

晶闸管导通角小于120度 负载电流断续

电阻负载移相范围为0—150° α≤30°时 U d =1.17U 2cosα

α＞30°时U d =0.675U 2[1+cos (π

6+α)] I d =

U d

R

晶闸管承受最大反向电压U RM =2.45U 2 阳极与阴极间的最大电压U FM =√2U 2 （2）阻感负载

特点：L 值很大，id 波形基本平直。 α≤30°时，波形与电阻负载相同。 α＞30°时

阻感负载移相范围为0—90°

U d=1.17U2cosα

I d=U d R

I2=I VT=0.577I d

额定电流I VT(AV)=I VT

1.57

=0.368I d

U RM=U FM=2.45U2

4.三相桥式全控整流电路

共阴极组：1.3.5 共阳极组：4.6.2（注意顺序）

导通顺序：1-2-3-4-5-6

（1）电阻负载（id与ud波形一致）

α=0°

α=30°

α=60°

α=90°

电阻负载移相范围为0—120°

三相桥式全控整流电路特点：

①2管同时导通，共阴极组和共阳极组各一个，且不能为同一相器件。

②触发脉冲按1-2-3-4-5-6顺序，相位依次差60°，共阴极组和共阳极组内各晶闸管脉冲

依次差120°，同一相上下桥臂脉冲差180°。

③ud一周期脉动六次，为六脉波整流电路。

④为保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲可采取：宽脉冲触发和双窄脉冲触发（常用）

⑤承受压降与三相半波相同

（2）阻感负载

波形与电阻负载相似，不同之处：

①负载电流i d（以及涉及到的其他电流波形）在电感足够大时近似为一条水平线。

②α≤60°时除电流外其他波形与电阻负载一样。

α＞60°时，阻感负载会出现负的部分，而电阻负载不会。

阻感负载的移相范围为0—90°

阻感负载及电阻负载α≤60°时 U d=2.34U2cosα

电阻负载α＞60°时U d=2.34U2[1+cos(π

3

+α)]

I d=U d R

阻感负载二次侧电流有效值I2=0.816I d 晶闸管电压电流的定量分析与三相半波时一致。

5.变压器漏抗对整流电路影响

三相整流电路：?Uγ=X B I d?U d=?Uγ

2π

m

m为脉波数：半波m=3 全控m=6

单相整流电路：?Uγ=2X B I d?U d=?Uγ

2π

m

m为脉波数：全波m=1 全控m=2

I d越大，则γ越大。

X B越大，γ越大。

当α≤90°时，α越

小，γ越大。

6.整流电路的谐波和功率因数

n次谐波电流含有率HRI n=I n

I1

×100%

电流谐波总畸变率THD i=I?

I1

×100%

I n为第n次谐波电流有效值；I1为基波电流有效值；I h为总谐波电流有效值。（1）单相桥式全控

I n=2√d

nπ

n=1,3,5,…….

功率因数λ=0.9cosα（2）三相桥式全控

I n=√6I d

nπ

n=6k±1,k=1,2,3,………

λ=0.955cosα

（3）α=0°时整流电压、电流中的谐波有如下规律

①m脉波整流电压ud0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，随谐波次数增大，谐波幅值迅速减小，表明最低次（m次）谐波是最主要的，其它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dn的减小更为迅速；③m增加时，最低次谐波次数增大，且幅值迅速减小，电压纹波因数迅速下降。

7.大功率可控整流电路

（1）带平衡电抗器的双反星形可控整流电路（低电压大电流）

绕组极性相反目的：消除铁芯直流磁化。

平衡电抗器目的：保证两组三相半波整流电路同时导电。

带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有以下异同点：

①三相桥式电路是两组三相半波电路串联，而双反星形电路是两组三相半波电路并联，且后者需要用平衡电抗器；

②当变压器二次电压有效值U2 相等时，双反星形电路的整流电压平均值Ud 是三相桥式电路的1/2，而整流电流平均值Id 是三相桥式电路的2 倍。

③在两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系是一样的，整流电压ud 和整流电流id 的波形形状一样。

（2）多重化整流电路（大功率，少谐波，降干扰）

整流电路多重化的目的主要包括两个方面：

一是可以使装置总体的功率容量大。

二是能够减少整流装置所产生的谐波和无功功率对电网的干扰。

8.整流电路的有源逆变工作状态

（1）逆变产生条件

①直流侧要有电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流电路直流侧的平均电压；

③要求晶闸管的控制角α>π/2，使Ud 为负值。

（2）只有全控电路可以实现有源逆变。

单相桥式全控逆变状态α=180度，三相桥式全控α=120°。

（3）逆变失败

逆变失败会形成很大短路电流。

逆变时最小逆变角βmin=30°—35°

（4）数量关系

输出平均电压和平均电流公式与整流相同

α+β=π

9.同步信号为锯齿波触发电路

（1）电路四大环节：同步检测环节、锯齿波形成环节、移相环节、脉冲形成和放大环节。（2）调节电位器RP1可以改变锯齿波斜率。

（3）触发脉冲相移范围大于锯齿波宽度。

第四章逆变电路

交流侧接电网为有源逆变。

交流侧接负载为无源逆变，也称变频器。

1.电压型单相半桥逆变电路

负载交流电压为方波

输出电压有效值U0=U d

2

2.单相全桥逆变电路

触发方式：V1和V4一组，V2和V3一组，相位差180度（每个桥臂每次导通180°）

输出电压幅值是U d

3.相移式全桥逆变电路

电路图与全桥逆变电路相同

（1）触发方式：V1和V2相位差180度，V3和V4相位差

180度。但是V1和V3相位不相同，V3滞后V1的θ电角

度。

（2）

（3）纯电阻负载时，VD1—VD4不再导通，不起续流作用。

（4）输出电压与负载性质无关，电流的波形与相位与负载性质有关。

4.单相SPWM全桥逆变电路+第七章

（1）PWM控制基本原理

①理论基础—面积等效原理。

②三角波载波在信号波正半周期或负半周期里只有单一的极性，所得的PWM 波形在半个周期中也只在单极性范围内变化，称为单极性PWM 控制方式。

三角波载波始终是有正有负为双极性的，所得的PWM 波形在半个周期中有正、有负，则称之为双极性PWM 控制方式。

③死区时间：同一相上下臂的驱动信号互补。为了防止两臂直通短路，在一个臂加关断信号时，留一小段死区时间。

长短由开关器件关断时间决定。

影响：使波形稍稍偏离正弦波。

④调制比：调制波幅值与载波幅值之比

载波比：载波频率与调制波频率之比

（2）

①异步调制：载波信号和调制信号不保持同步的调制方法。

特点：1）通常保持f c固定不变，当f r变化时，载波比N是变化的。

2）在信号波的半个周期内，PWM 波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4 周期的脉冲也不对称。

3）当f r较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响较小。 4）当f r增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响变大。

②同步调制：载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式。

特点：1）基本同步调制方式，f r变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。

2）为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。

3）f r很低时，f c也很低，由调制带来的谐波不易滤除。

4）f r很高时，f c会过高，使开关器件难以承受。

分段同步调制优点：分段同步调制是把逆变电路的输出频率划分为若干段，每个频段的载波比一定，不同频段采用不同的载波比。其优点主要是，在高频段采用较低的载波比，使载波频率不致过高，可限制在功率器件允许的范围内。而在低频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。

（3）规则采样法

基本思路：取三角波载波两个正峰值之间为一个采样周期。使每个PWM 脉冲的中点和三角波一周期的中点（即负峰点）重合，在三角波的负峰时刻对正弦信号波采样而得到正弦波的值，用幅值与该正弦波值相等的一条水平直线近似代替正弦信号波，用该直线与三角波载波的交点代替正弦波与载波的交点，即可得出控制功率开关器件通断的时刻。

优点：计算非常简单，计算量大大减少，而效果接近自然采样法，得到的SPWM 波形仍然很接近正弦波，克服了自然采样法难以在实时控制中在线计算，在工程中实际应用不多的缺点。（4）PWM逆变电路谐波分析

单相SPWM 波形中所含的谐波频率为：nωc±kωr

式中，n=1,3,5,…时，k=0,2,4, …；n=2,4,6,…时，k=1,3,5, …

在上述谐波中，幅值最高影响最大的是角频率为ωc的谐波分量。

三相SPWM 波形中所含的谐波频率为：nωc±kωr

式中，n=1,3,5,…时，k=3(2m-1)±1，m=1,2,…；

n=2,4,6,…时，k=6m+1 m=0,1,….k=6m-1 m=1,2,…

在上述谐波中，幅值较高的是ωc±2ωr和2ωc±ωr。

（5）滞环比较方式

电流跟踪型PWM 变流电路就是对变流电路采用电流跟踪控制。也就是，不用信号波对载波进行调制，而是把希望输出的电流作为指令信号，把实际电流作为反馈信号，通过二者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率器件的通断，使实际的输出跟踪电流的变化。

采用滞环比较方式的电流跟踪型变流器的特点：

①硬件电路简单；

②属于实时控制方式，电流响应快；

③不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量；

④与计算法和调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐

波含量较多；

⑤采用闭环控制。

（6）PWM整流电路

PWM 整流电路就是采用PWM 控制的整流电路，通过对PWM 整流电路的适当控制，可以使其输入电流十分接近正弦波且和输入电压同相位，功率因数接近1。

与相控整流电路异同：

①相控整流电路是对晶闸管的开通起始角进行控制，属于相控方式。其交流输入电流中含有较大的谐波分量，且交流输入电流相位滞后于电压，总的功率因数低。

②PWM 整流电路采用SPWM 控制技术，为斩控方式。其基本工作方式为整流，此时输入电流可以和电压同相位，功率因数近似为1。

③PWM 整流电路可以实现能量正反两个方向的流动，即既可以运行在整流状态，从交流侧向直流侧输送能量；也可以运行在逆变状态，从直流侧向交流侧输送能量。而且，这两种方式都可以在单位功率因数下运行。

④此外，还可以使交流电流超前电压90°，交流电源送出无功功率，成为静止无功功率发生器。或使电流比电压超前或滞后任一角度φ。

5.三相电压型逆变电路

导通顺序：

每个桥臂导电角度为180°

每次换流都在同一相上下两个桥臂之间进行，称为纵向换流。

二极管作用：续流。

上下桥臂避免直通，需加死区。

数量关系：①U、V、N相对于N，电压只可能为±U d/2。

②u NN’频率为u UN’三倍幅值为其1/3.

③u VN、u WN、u UN波形相同相位依次差120°

④I和U相位差越大，阻抗角就越大，功率因数就越小。

⑤i d每60°脉动一次

6.多重逆变电路

逆变电路多重化的目的：

一是使总体上装置的功率等级提高，

二是可以改善输出电压的波形。因为无论是电压型逆变电路输出的矩形电压波，还是电流型逆变电路输出的矩形电流波，都含有较多谐波，对负载有不利影响，采用多重逆变电路，可以把几个矩形波组合起来获得接近正弦波的波形。

实现方法：

逆变电路多重化就是把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。组合方式有串联多重和并联多重两种方式。串联多重是把几个逆变电路的输出串联起来，并联多重是把几个逆变电路的输出并联起来。

串联多重逆变电路多用于电压型逆变电路的多重化。

第五章直流变换电路

1.降压斩波电路

（1）工作过程

t=0时V导通，电源E向负载供电，电感（通

常较大使负载电流连续且脉动小）充电，负

载电压u0=E,负载电流i0按指数曲线上升。

t=t1时V关断，电感放电，二极管VD续流，

负载电压u0近似为零,负载电流i0按指数曲

线下降。

L、C作用：滤波减少负载上的谐波电压。

ωL>>1/ωC

（2）数量关系

电流连续时

负载电压平均值：U0=t on

t on+t off E=t on

T

E=αE

t on为V通的时间 t off为V断的时间α为占空比负载电流平均值：I0=U0?E M

R

输入电流平均值：I1=αI0

（3）控制方式

①T不变，变t on——脉冲宽度调制

②t on不变，变T——频率调制

③t on和T都可调——混合型

（4）从开关电路稳态条件分析电路

电流纹波?I L=V s?V0

Lf s

D M=D=V0/V s=T on/T s

电压纹波?V0=V0max?V0min=?Q

C =(1?D)V0

8LCf2

电容C在一个开关周期内的充、放电电荷为：?Q=?I L

8f

临界负载电流I OB=I L=1

2

?I L若要电感电流连续则I O≥I OB

例题：

2.升压斩波电路

（1）工作过程：假设L和C值很大

V通，电源E向电感L充电，电流恒定I1,电容C

向负载R供电，输出电压U0恒定。

V断，电源E和电感L同时向电容C充电，并向

负载提供能量。（一般用PWM控制，不能空载运

行，占空比不

能接近1）