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电力电子技术的定义: 使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术

电力电子电路是一种非线性电路
电力电子技术就是电力电子器件对电能进行变换和控制的技术
电力电子技术区别与信息电子技术的一个重要特征是电力电子器件总是工作在开关状态，而信息电子技术中的半导体器件工作在放大状态和开关状态
电力变换通常可分为四大类，即直流转直流、直流转交流、交流转直流、交流转交流
电力电子学是由电力技术、电子技术和控制技术三个学科交叉而形成的
电力电子器件组成的系统一般由主电路、控制电路和驱动电路三部分组成，由于电路中存在电压和电流的过冲，往往需要添加缓冲电路和保护电路
开关型电力电子变换器有两大类应用领域，开关型电力电子变换电源和开关型电力电子补偿控制器
在驱动电路与主电路的连接处，一般需要进行电气隔离。常用的手段有光隔离和磁隔离

电子电路器件的分类

按能够控制的程度

不控器件：不能用控制信号来控制其导通或关断的器件
半控器件：只能控制其导通无法控制其关断
全控器件：既可以控制其导通也可以控制其关断

按驱动信号的性质

电压驱动型器件
电流驱动型器件

电力晶体管没有摘抄

晶闸管的特点：

电流驱动型器件，双极型器件
脉冲触发型
只能控制其导通不能控制其关断

晶闸管的重要参数：

额定电压考虑2-3倍电压值
额定电流考虑1.5-2倍余量
擎住电流$I_L$：晶闸管刚转入通态并移除触发信号时维持导通所需最小电流
维持电流$I_H$：晶闸管维持导通所需最小电流

晶闸管导通与关断条件：

导通条件：晶闸管承受正向电压 + 门极有触发脉冲
关断条件：阳极电流降低到维持电流以下

晶闸管的应用：
高压输电和柔性交流输电

门极可关断晶闸管：

GTO导通时饱和程度不深，接近于临界饱和，控制关断比较容易，但代价是导通压降比较大
采用多元集成结构，不仅对关断有利，开通过程也比普通晶闸管更快
额定电流和普通晶闸管有所不同：普通晶闸管用的是通态平均电流来标定额定电流，GTO用的是“最大可关断样机电流”来标称额定电流。即：在规定条件下由门极控制的可关断的阳极电流的最大值
有电流关断增益，也就是“最大可关断阳极电流”和“门极负脉冲电流”的比值，一般为5
也就是最大1000A的晶闸管，关断它的门极脉冲负电流要有200A
GTO单管输出功率最大

电力场效应晶体管（MOSFET）

开关频率高、驱动功率小、驱动电路简单。
耐压、耐流能力都较差，适用于小功率。
电阻具有正温度系数，适合并联使用。

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

存在擎住效应
开关频率高，耐压耐流能力强，损耗相对较小
在中大功率场合应用最为广泛

整流电路

概念：AC – DC
分类：

按组成的器件：不可控半控全控
按电路结构：桥式零式电路
按交流输入相数：单相三相多相电路
按变压二次侧电流方向是单向还是双向：单拍双拍电路
整流输出电压在一个电源周期的波动次数：单脉波双脉波六脉波电路

单相桥式全控

电阻负载：

负载电压平均值：$U_d=\frac{1}{\pi}\int_{\alpha}^{\pi}\sqrt{2}U_2sin\omega td(\omega t)=\frac{2\sqrt{2}U_2}{\pi}\frac{1+cos\alpha}{2}$
负载电流平均值：$I_d=\frac{U_d}{R}$
晶闸管电流平均值：$I_{dT}=\frac{1}{2}I_d$
晶闸管电流有效值：$I_T=\sqrt{\frac{1}{2\pi}\int_\alpha^\pi (\frac{\sqrt{2}U_2}{R}sin\omega t)^2d(\omega t)}=\frac{U_2}{\sqrt{2}R}\sqrt{\frac{1}{2\pi}sin2\alpha +\frac{\pi -\alpha}{\pi}}$
负载电流有效值：$I=\sqrt{2}I_T$
晶闸管最大正压：$\frac{\sqrt{2}}{2}U_2$
晶闸管最大反压：$\sqrt{2}U_2$
晶闸管移相范围：$0\le\alpha\le180$

阻感负载：

负载电压平均值：$U_d=\frac{1}{\pi}\int_{\alpha}^{\pi +\alpha}\sqrt{2}U_2sin\omega td(\omega t)=\frac{2\sqrt{2}U_2}{\pi}cos\alpha$
负载电流平均值：$I_d=\frac{U_d}{R}$
晶闸管电流平均值：$I_{dT}=\frac{1}{2}I_d$
晶闸管电流有效值：$I_T=\frac{1}{\sqrt{2}}I_d$
负载电流有效值：$I_2=I_d$
晶闸管最大正压：$\sqrt{2}U_2$
晶闸管最大反压：$\sqrt{2}U_2$
晶闸管移相范围：$0\le\alpha\le90$

反电势负载：
//TODO

单相全波可控电路

电阻负载：

单相桥式半控整流电路

注意：下面两个是二极管
电阻负载与单相桥式全控完全一致

三相半波可控整流电路

三相整流电路的自然换相点：相电压交点

一次侧要进行三角形连接：防止三次谐波
二次侧要进行星形连接：得到零线用来接负载

三个晶闸管轮流导通 120°
变压器二次侧有直流分量

晶闸管最大电压：$\sqrt{3} * \sqrt{2} U_2$

三相桥式全控整流电路

晶闸管触发方式：宽脉冲 / 双脉冲

负载电压平均值(电阻负载小于60°；阻感负载)：$\frac{1}{\pi / 3}\int_{\frac{\pi}{3}+\alpha}^{\frac{2\pi}{3}+\alpha}\sqrt{6}U_2sin\omega td(\omega t)=2.34U_2cos\alpha$
负载电压平均值(电阻负载大于60°)：$U_d=\frac{3}{\pi}\int_{\frac{\pi}{3}+\alpha}^\pi \sqrt{6}U_2sin\omega td(\omega t)=2.34U_2[1+cos(\frac{\pi}{3}+\alpha)]$
阻感负载时变压器二次电流平均值：$I_2=\sqrt{\frac{2}{3}}I_d=0.816I_d$
晶闸管电流平均值：$I_T=\frac{1}{3}I_d$
晶闸管电流有效值：$I_{VT}=\frac{1}{\sqrt{3}}I_d$
晶闸管最大正反压：$U_{FM}=U_{RM}=\sqrt{2}*\sqrt{3}U_2=\sqrt{6}U_2=2.45U_2$

大电容滤波的不控整流电路

交-直-交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合大都采用不控整流电路

最常用的是单相桥式和三相桥式两种接法

空载时电压：$\sqrt{2}U_2$
满载时电压：$0.9U_2$

逆变电路

(1) 概念: DC-AC

(2) 分类
* 按交流侧是否有电网, 分为有源逆变和无源逆变
* 按直流侧电源的性质, 分为电压型逆变电路和电流型逆变电路
* 按输出交流电压的相数, 分为单相逆变电路、三相逆变电路和多相逆变电路

(3) 逆变电路的换流方式
* 器件换流: 利用全控型器件的自关断能力进行换流 (MOSFET、IGBT、GTO)
* 电网换流: 电网提供换流关断电压, 器件不需要有自关断能力 (SCR, 用于有源逆变)
* 负载换流: 由容性负载提供换流关断电压, 器件不需要有自关断能力 (负载电流超前电压)
* 强迫换流: 利用附加的换流电路, 施加反向电压迫使晶闸管关断 (附加电容等)

其中：

器件换流和强迫换流属于自换流
电网换流和负载换流属于外部换流

(4) 控制方式
* 180°方波
* SPWM

冲量等效定理：冲量（变量对时间的积分）相等而形状不同的窄脉冲作用在具有惯性的环节时，其效果基本相同

电压型单相半桥逆变电路

电压只有$1/2V_d$

电压型单相全桥逆变电路

双极性SPWM

三角波载波的频率等于开关管动作的频率

♦ 载波比N——很大！且越大越趋近窄脉冲 $N=f_c/f_r$

注意
①调制波频率不能超过载波的幅值
②载波频率fc应该比调制波频率fr高很多（才能满足冲量等效定理）。
③最后输出电压的谐波成分和N有很大的关系

同步调制: 载波比N不变，调制波改了频率，载波频率随之更改
异步调制: 载波比N会变化，调制波改了频率，载波频率还不变
分段同步调制: 变化多，载波频率大一些。变化小，载波频率小一些，减轻控制器压力

♦ 调制比M 小于1 零点几直流电压利用率 $m=V_{rm}/V_{cm}$

采样方式：

自然采样法
规则采样法
- 对称规则采样法：载波波峰采样/载波波谷采样
- 不对称规则采样法：波峰波谷都采样

单极倍频SPWM

同样的开关频率实现了两倍开关频率下的效果

三相电压型逆变电路

直流直流变换电路

(1) 概念: DC-DC ✓

(2) 分类
* ✓ 按隔离与否可分为非隔离DC/DC变换器和隔离型DC/DC变换器。
* ✓ 按输入输出电压关系可分为降压变换器、升压变换器、升降压变换器

降压斩波电路（Buck变换器）

电感电流连续模式(CCM)
电感电流临界连续模式(BCM)
电感电流断流模式(DCM)

$V_O=DV_S$ D为占空比
$U_L=\frac{L}{T_s}[i_L(T_s)-i_L(0)]=\frac{L}{T_s}\Delta i_L$
$I_C=\frac{C}{T_s}[u_C(T_s)-u_C(0)]=\frac{C}{T_s}\Delta u_C$

升压斩波电路（Boost变换器）

$U_L=\frac{U_i t_{on}-(U_o-U_i)t_{off}}{T_s}$
$\frac{U_o}{U_i}=\frac{1}{1-D}$

两象限变换器

Buck_Boost变换器

$U_L=\frac{U_i t_{on}+U_o t_{off}}{T_s}$
$\frac{U_o}{U_i} = \frac{D}{1-D}$

Cuk斩波电路

$\frac{U_o}{U_i} = \frac{D}{1-D}$

Cuk斩波电路不能空载！！！
负载电流很小时，电路中的电感电流将不连续，电压比的公式不再满足式$\frac{U_o}{U_i} = \frac{D}{1-D}$ ，输出电压 $|U_o| > D U_i / (1-D)$，且负载电流越小，$|U_o|$ 越高。输出空载时，$|U_o| \to \infty$，故 Cuk 斩波电路也不应空载，否则会产生很高的电压造成电路中元器件的损坏。

各种不同的非隔离型电路的比较

电路	特点	电压比公式	开关和二极管承受的最高电压	应用领域
降压	只能降压不能升压，输出与输入同极性，输入电流脉动大，输出电流脉动小，结构简单	$U_o / U_i = D$	$U_{MS} = U_i$ $U_{MD} = U_i$	各种降压型开关稳压器
升压	只能升压不能降压，输出与输入同极性，输入电流脉动小，输出电流脉动大，不能空载工作，结构简单	$U_o / U_i = \frac{1}{1-D}$	$U_{MS} = U_o$ $U_{MD} = U_o$	升压型开关稳压器、升压型功率因数校正电路（PFC）
升降压	能降压能升压，输出与输入极性相反，输入输出电压脉动大，不能空载工作，结构简单	$U_o / U_i = -\frac{D}{1-D}$	$U_{MS} = U_i + \lvert U_o \rvert$ $U_{MD} = U_i + \lvert U_o \rvert$	反向型开关稳压器
Cuk	能降压能升压，输出与输入极性相反，输入输出电压脉动小，不能空载工作，结构复杂	$U_o / U_i = -\frac{D}{1-D}$	$U_{MS} = U_{CI}$ $U_{MD} = U_{CI}$	对输入输出纹波要求高的反相型开关稳压器

单相交流电压控制器

负载电压有效值 $V_o=\sqrt{\frac{1}{\pi}\int_\alpha^\pi (\sqrt{2}V_s sin\omega t)^2d(\omega t)}=V_s\sqrt{\frac{1}{2\pi}sin2\alpha+\frac{\pi – \alpha}{\pi}}$
负载电流有效值/电源电流有效值：$I_o=I_S=V_o/R$
晶闸管电流有效值：$I_T=\sqrt{\frac{1}{2\pi}\int_\alpha^\pi(\frac{\sqrt{2}V_s sin\omega t}{R})^2}d(\omega t)=\frac{V_s}{R}\sqrt{\frac{1}{4\pi}sin2\alpha +\frac{\pi-\alpha}{2\pi}}$
电源功率因数：$PF=\frac{P}{S}=\frac{V_oI_o}{V_sI_s}=\frac{V_o}{V_s}=\sqrt{\frac{1}{2\pi}sin2\alpha+\frac{\pi -\alpha}{\pi}}$

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例题

简答题

简述晶闸管导通条件与关断条件
晶闸管导通与关断条件：
– 导通条件：晶闸管承受正向电压 + 门极有触发脉冲
– 关断条件：阳极电流降低到维持电流以下

电力电子技术中常见的负载有哪些？各有什么特点？
电阻负载：电压和电流的波形形状完全一致，没有相位差。
阻感负载：电流滞后于电压，存在相位差。
反电动势负载：负载本身像一个直流电压源，其极性对整流电路输出而言是反向的。

什么是PWM控制？
PWM（脉宽调制）控制是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行按需调整，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。

电压型逆变电路的主要特点是什么？
直流侧为电压源或并联大电容：书中指出，直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。

输出电压为矩形波，与负载无关：由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。

需要反馈二极管：当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。

有源逆变产生的条件？
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Ud为负值。
两者必须同时具备才能实现有源逆变。
半控桥或有续流二极管的电路不能实现有源逆变，只能采用全控电路。

指出至少两种引起有源变失败的原因
（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，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相，使交流电源电压和直流电动势顺向串联，形成短路。
（2）换相的裕量角不足，引起换相失败（即逆变角β太小，小于换相重叠角γ，导致换相尚未结束就到达自然换相点，使应关断的晶闸管重新导通）。

分别说明什么是不可控型、半控型和全控型电力电子器件

不可控型器件：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件
半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件
全控型器件：通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件

什么是异步调制？什么是同步调制？分段同步调制有什么优点？
异步调制：（载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。在异步调制方式中，通常保持载波频率fc固定不变，因而当信号波频率fr变化时，载波比N是变化的。）
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称为同步调制。在基本同步调制方式中，信号波频率变化时载波比N不变，信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。）
分段同步调制的优点：（分段同步调制把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比N为恒定，不同频段的载波比不同。其优点是：在输出频率高的频段采用较低的载波比，以使载波频率不致过高，限制在功率开关器件允许的范围内；在输出频率低的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。这样克服了异步调制在低频时性能尚可、高频时性能变差，以及同步调制在低频时载波频率过低、高频时载波频率过高的缺点。）

电力电子器件过电压的产生原因有哪些？
一、外因过电压（主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因）

（1）操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，电网侧的操作过电压会由供电变压器电磁感应耦合，或由变压器绕组之间存在的分布电容静电感应耦合过来。）

（2）雷击过电压：由雷击引起的过电压。）

二、内因过电压（主要来自电力电子装置内部器件的开关过程）

（1）换相过电压：由于晶闸管或者与全控型器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，而当恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。）

（2）关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。）

试说明SPWM控制的基本原理。
通过控制逆变电路中开关器件的通断，产生一系列等幅不等宽、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，用这些脉冲序列来等效正弦波，从而得到接近正弦波的输出电压。

对于正弦脉冲宽度调制（SPWM），什么是调制信号？什么是载波信号？何谓调制比？

调制信号：（希望输出的波形，通常为正弦波）
载波信号：（接受调制的信号，通常采用等腰三角波）
调制比：（载波频率与调制信号频率之比，或调制度定义为调制信号幅值与载波幅值之比）

单相桥式全控整流电路带大电感负载时，为提高输出电压，一般采取什么措施？

（在负载两端并联续流二极管）

带直流电动机时，为防止整流输出电流断续，应采取什么措施？

（在直流侧串联平波电抗器）

填空题

为减少自身损耗，提高效率，电力电子器件一般都工作在 （开关） 状态。当器件的工作频率较高时， （开关） 损耗会成为主要的损耗。
电力电子器件在实际应用中，一般是由 （控制电路） 、 （驱动电路） 和以电力电子器件为核心的 （主电路） 组成一个系统。
电力变换通常可分为： （交流变直流） 、 （直流变交流） 、 （直流变直流） 和 （交流变交流） 。
从晶闸管的伏安特性曲线可知，晶闸管具有 （可控的单向导电性） 的特性。
三相半波可控整流电路电阻性负载时，电路的移相范围 （0°~150°） ；三相全控桥电阻性负载时，电路的移相范围 （0°~120°） ；三相半控桥电阻性负载时，电路的移相范围 （0°~180°） 。
三相桥式整流电路中，当控制角 $\alpha=30^\circ$ 时，则在对应的线电压波形上触发脉冲距波形原点为 （30°） 。
有源逆变器是将直流电能转换为交流电能馈送回 （电网） 的逆变电路。
有源逆变产生的条件之一是：变流电路输出的直流平均电压 $U_d$ 的极性必须保证与直流电源电势 $E_d$ 的极性成 （同极性） 相连，且满足 $|U_d|<|E_d|$ 。
目前电力半导体器件所采用的主要材料是 （硅） 。
三相半波整流电路有 （共阴极） 和 （共阳极） 两种接法。
三相桥式全控整流电路，电阻性负载，当控制角 （α≤60°） 时，电流连续。
在 PWM 控制电路中，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM 调制方式可分为 （异步） 调制和 （同步） 调制， （分段同步） 调制方法克服了以上二者的缺点。
电力电子器件按照能够被控制的程度可分为： （不可控型） 、 （半控型） 、 （全控型） 。