遼守工程技術大學電氣工程系

來源:電氣08-1鑫工作室linsin

《電力電3技術》期未復行敦

第1章緒論

1電力電子技術定義：是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術，是應用于電力領域的電子技術，主要用于電力

變換。

2電力變換的種類

(1)交流變直流AC-DC整流

(2)直流變交流DC-AC逆變

(3)直流變直流DC-DC一樣通過直流斬波電路實現

(4)交流變交流AC-AC一樣稱作交流電力控制

3電力電子技術分類：分為電力電子器件制造技術和變流技術。

第2章電力電子器件

1電力電子器件與主電路的關系

(1)主電路：指能夠直接承擔電能變換或控制任務的電路。

(2)電力電子器件：指應用于主電路中，能夠實現電能變換或控制的電子器件。

2電力電子器件一樣都工作于開關狀態，以減小本身損耗。

3電力電子系統基本組成與工作原理

(1)一樣由主電路、控制電路、檢測電路、驅動電路、保護電路等組成。

(2)檢測主電路中的信號并送入控制電路，根據這些信號并按照系統工作要求形成電力電子器件的工作信號。

(3)控制信號通過驅動電路去控制主電路中電力電子器件的導通或關斷。

(4)同時，在主電路和控制電路中附加一些保護電路，以保證系統正常可靠運行。

4電力電子器件的分類

根據控制信號所控制的程度分類

(1)半控型器件：通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷的電力電子器件。如SCR晶閘管。

(2)全控型器件：通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷的電力電子器件。如GTO、GTR、MOSFET和IGBT。

(3)不可控器件：不能用控制信號來控制其通斷的電力電子器件。如電力二極管。

根據驅動信號的性質分類

(1)電流型器件：通過從控制端注入或抽出電流的方式來實現導通或關斷的電力電子器件。如SCR、GTO、GTR。

(2)電壓型器件：通過在控制端和公共端之間施加一定電壓信號的方式來實現導通或關斷的電力電子器件。如MOSFET、

IGBT。

根據器件內部載流子參與導電的情形分類

(1)單極型器件：內部由一種載流子參與導電的器件。如MOSFET。

(2)雙極型器件：由電子和空穴兩種載流子參數導電的器件。如SCR、GTO、GTR。

(3)復合型器件：有單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件。如IGBT。

5半控型器件一晶閘管SCR

晶閘管的結構與工作原理

晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號

a)外形b)結構0電氣圖形符號

晶閘管的雙晶體管模型

A

a)b)

將器件N1、P2半導體取傾斜截面，則晶閘管變成V1-PNP和V2-NPN兩個晶體管。

晶閘管的導通工作原理

(1)當AK間加正向電壓晶閘管不能導通，主要是中間存在反向PN結。

(2)當GK間加正向電壓EG，NPN晶體管基極存在驅動電流/G，NPN晶體管導通，產生集電極電流人？。

(3)集電極電流構成PNP的基極驅動電流，PNP導通，進一步放大產生PNP集電極電流幾一

(4)與/G構成NPN的驅動電流，連續上述過程，形成強烈的負反饋，這樣NPN和PNP兩個晶體管完全飽和，晶閘

管導通。

2.3.1.4.3晶閘管是半控型器件的原因

(1)晶閘管導通后撤掉外部門極電流/G，但是NPN基極仍舊存在電流，由PNP集電極電流供給，電流已經形成強烈

正反饋，因此晶閘管連續堅持導通。

(2)因此，晶閘管的門極電流只能觸發控制其導通而不能控制其關斷。

2.3.1.4.4晶閘管的關斷工作原理

滿足下面條件，晶閘管才能關斷：

(1)去掉AK間正向電壓；

(2)AK間加反向電壓；

(3)設法使流過晶閘管的電流降低到接近于零的某一數值以下。

2.3.2.1.1晶閘管正常工作時的靜態特性

(1)當晶閘管承擔反向電壓時，不論門極是否有觸發電流，晶閘管都不會導通。

(2)當晶閘管承擔正向電壓時，僅在門極有觸發電流的情形下晶閘管才能導通。

(3)晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸發電流是否還存在，晶閘管都保持導通。

(4)若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下。

2.4.1.1GTO的結構

(1)GTO與普通晶閘管的相同點：是PNPN四層半導體結構，外部引出陽極、陰極和門極。

(2)GTO與普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集成器件，其內部包含數十個甚至數百個供陽極的小GTO元,

這些GTO元的陰極和門極在器件內部并聯在一起，正是這種特別結構才能實現門極關斷作用。

2.4.1.2GTO的靜態特性

(1)當GTO承擔反向電壓時，不論門極是否有觸發電流，晶閘管都不會導通。

(2)當GTO承擔正向電壓時，僅在門極有觸發電流的情形下晶閘管才能導通。

(3)GTO導通后，若門極施加反向驅動電流，則GTO關斷，也即可以通過門極電流控制GTO導通和關斷。

(4)通過AK間施加反向電壓同樣可以保證GTO關斷。

2.4.3電力場效應晶體管MOSFET

(1)電力MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它是電壓型器件。

(3)當UGS大于某一電壓值時,，柵極下P區表面的電子濃度將超過空穴濃度，從而使P型半導體反型成N型半導體,

形成反型層。

2.4.4絕緣柵雙極晶體管IGBT

(1)GTR和GTO是雙極型電流驅動器件，其優點是通流能力強，耐壓及耐電流等級高，但不足是開關速度低，所需驅動

功率大，驅動電路復雜。

(2)電力MOSFET是單極型電壓驅動器件，其優點是開關速度快、所需驅動功率小，驅動電路簡單。

(3)復合型器件：將上述兩者器件相互取長補短結合而成，綜合兩者優點。

(4)絕緣柵雙極晶體管IGBT是一種復合型器件，由GTR和MOSFET兩個器件復合而成，具有GTR和MOSFET兩者的

優點，具有良好的特性。

2.4.4.1IGBT的結構和工作原理

IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號

a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號

(1)IGBT是三端器件，具有柵極G、集電極C和發射極E。

(2)IGBT由MOSFET和GTR組合而成。

第3章整流電路

(1)整流電路定義：將交流電能變成直流電能供給直流用電設備的變流裝置。

3.1.1單相半波可控整流電路

(4)觸發角a：

從晶閘管開始承擔正向陽極電壓起，到施加觸發脈沖為止的電角度，稱為觸發角或控制角。

(7)幾個定義

①“半波”整流：改變觸發時刻，與和Q波形隨之改變，直流輸出電壓想為極性不變但瞬時值變化的脈動直流，其波形

只在“2正半周內顯現，因此稱“半波”整流。

②單相半波可控整流電路：如上半波整流，同時電路中采用了可控器件晶閘管，且交流輸入為單相，因此為單相半波可控

整流電路。

3.1.1.3電力電子電路的基本特點及分析方法

(1)電力電子器件為非線性特性，因此電力電子電路是非線性電路。

(2)電力電子器件通常工作于通態或斷態狀態，當忽略器件的開通過程和關斷過程時，可以將器件理想化，看作理想開關,

即通態時認為開關閉合，其阻抗為零；斷態時認為開關斷開，其阻抗為無窮大。

3.1.2單相橋式全控整流電路

3.1.2.1帶電阻負載的工作情形

(1)單相橋式全控整流電路帶電阻負載時的原理圖

①由4個晶閘管(VTi~VTQ組成單相橋式全控整流電路。

②VTi和VT4組成一對橋臂，VT2和VT3組成一對橋臂。

(2)單相橋式全控整流電路帶電阻負載時的波形圖

b)

飛亦，門、，

0

0

d)

0

①0~a：

?V「~VT4未觸發導通，出現斷態，貝id=。、?2=0。

.1

wW=M

?"VT]+〃”4=〃2，VTj=VT4y2°

②a??：

?在a角度時，給和VT4加觸發脈沖，此時a點電壓高于b點，VTi和VT4承擔正向電壓，因此可靠導通,

W

"VTi=VT4=0。

?電流從a點經VTi、R、VT4流回b點。

?〃d="2，，2="d，形狀與電壓相同。

③)?0r+a)：

?電源"2過零點，VTi和VT4承擔反向電壓而關斷，MvT,=?vr4=1?2(負半周)。

?同時，VT2和VT3未觸發導通，因此刈=0、[=0、，2=0。

④(乃+a)~2i：

?在(7+a)角度時，給VT2和VT.3加觸發脈沖，此時b點電壓高于a點，VT?和VT?承擔正向電壓，因此可靠導

通，Uy-p2="VT3=00

?VTi陽極為a點，陰極為b點；VT4陽極為a點，陰極為b點；因此“仃|=?2?

?電流從b點經VT?、R、VT2流回b點。

*"d=-"2，=Td。

(3)全波整流

在交流電源的正負半周都有整流輸出電流流過負載，因此該電路為全波整流。

（4）直流輸出電壓平均值

2y/2U21+cosa

t/d=—f41U2sincotd(cot)=

九Ja7T2

(5)負載直流電流平均值

/Ud2技/21+cosa八八力1+cosa

-----------=0.9----------

°R=成-=---------2--R2

（6）晶閘管參數運算

①承擔最大正向電壓：g（同2）

②承擔最大反向電壓：72472

③觸發角的移相范疇：a=0時，Ud=0.W2：a=180°時，Ud=0,因此移相范疇為180°。

④晶閘管電流平均值：V「、VT4與VT2、VT3輪番導電，因此晶閘管電流平均值只有輸出直流電流平均值的一半，即

/dVT=；/d=0-45U2l+cosa

R2

3.1.2.2帶阻感負載的工作情形

（1）單相橋式全控整流電路帶阻感負載時的原理圖

（2）單相橋式全控整流電路帶阻感負載時的波形圖

?分析時，假設電路已經工作于穩態下。

?假設負載電感很大，負載電流不能突變，使負載電流連id續且波形近似為一水平線。

①a?兀：

?在a角度時，給和VT4加觸發脈沖，此時a點電壓高于b點，VTi和V。承擔正向電壓，因此可靠導通,

=M

"VT]VT4=0°

?電流從a點經VTi、L、R、VT4流回b點，ud=H2?

?id為一水平線，，VT],4='d=2。

?VT?和VT.3為斷態，，曜3=°

②兀~（,71+a）：

?雖然二次電壓W2已經過零點變負，但因大電感的存在使V1和VT4連續導通。

=0

*"VT]="VT4=0，"d="2，51.4='d=2，'vr2,3°

③（7t+a）~In：

?在（萬+a）角度時，給VT?和VT3加觸發脈沖，此時b點電壓高于a點，VT?和VT3承擔正向電壓，因此可靠導

通，"VT2="VT3=O。

?由于VT2和VT3的導通，使VTi和VT4承擔反向電壓而關斷ivT14=0。V]陽極為a點，陰極為b點；VT《陽

極為a點，陰極為b點；因此“匕M="？。

?電流從b點經VT3、L、R、VT2流回b點，ud=-u2?

?id為一水平線，，VT2.3=〃=-?2?

④2萬~（2萬+0）：

?雖然二次電壓“2已經過零點變正，但因大電感的存在使VT?和VT3連續導通。

Z=-zZ

*"VT2="VT3=°，"VT].4="2，"d=-"2，VT2,3=2>VT14=?

（3）直流輸出電壓平均值

]產+ai—2y[2U2

Ud=-V2t/sincotd\cot）=----^cosa=0.9%cosa

乃Ja271

（4）觸發角的移相范疇

a=0時，（7d=0.9t/2；a=90°時，t/d=0?因此移相范疇為90°。

（5）晶閘管承擔電壓：正向：回2；反向：島2

3.1.2.3帶反電動勢負載時的工作情形

（1）單相橋式全控整流電路帶反電動勢負載時的原理圖

R

■E

①當負載為蓄電池、直流電動機的電樞（忽略其中的電感）等時，負載可看成一個直流電壓源，即反電動勢負載。正常情

形下，負載電壓與最低為電動勢E。

②負載側只有“2瞬時值的絕對值大于反電動勢，即,2|>E時，才有晶閘管承擔正電壓，有導通的可能。

(2)單相橋式全控整流電路帶反電動勢負載時的波形圖

①

._〃d一七

=°

R

②(a+6)~("+a)：

?在(a+6)角度時，U2〈E,說明VT］和VT4已經開始承擔反向電壓關斷。

?同時，由于VT2和VT3還未觸發導通，因此刈=石，

③(4+a)~(4+。+6)：

?此過程為VT2和VT?導通階段，由于是橋式全控整流，因此負載電壓與電流同前一階段，ud=-u2,。=與"

R

3.2三相可控整流電路

3.2.1三相半波可控整流電路

3.2.1.1電阻負載

(1)三相半波可控整流電路帶電阻負載時的原理圖

①變壓器一次側接成三角形，防止3次諧波流入電網。

②變壓器二次側接成星形，以得到零線。

③三個晶閘管分別接入a、b、c三相電源，其所有陰極連接在一起，為共陰極接法。

(2)三相半波不可控整流電路帶電阻負載時的波形圖

?將上面原理圖中的三個晶閘管換成不可控二極管，分別采用VDi、VD?和VD3表示。

?工作過程分析基礎：三個二極管對應的相電壓中哪一個的值最大，則該相所對應的二極管導通，并使另兩相的二極管

承擔反壓關斷，輸出整流電壓即為該相的相電壓。

①d]~函2：a相電壓最高，則VD|導通，VD?和VD?反壓關斷，=ua?

②叫~叫：b相電壓最高，則VDz導通，VD.：和VDi反壓關斷，

③%-?J：b相電壓最高，則VD2導通，VDs和VDi反壓關斷，〃d="b。

④按照上述過程如此循環導通，每個二極管導通120°。

⑤自然換向點：在相電壓的交點3|、由2、詡3處，顯現二極管換相，即電流由一個二極管向另一個二極管轉移，這些交

點為自然換向點。

（3）三相半波可控整流電路帶電阻負載時的波形圖（a=0。）

自然換向點：對于三相半波可控整流電路而言，自然換向點是各相晶閘管能觸發導通的最早時刻（即開始承擔正向電壓）,

該時刻為各晶閘管觸發角a的起點，即a=0°。

①M~aX2:

?a相電壓最高，VI開始承擔正壓，在31時刻觸發導通，"匕1=0,而VT2和VT3反壓關斷。

=T

??d="a，,VT]

dR

②Ci^2?"3*

?b相電壓最高，VT?開始承擔正壓，在時刻觸發導通，"VT2=0，而VT3和VT|反壓關斷。

?〃d=〃b，VTi承擔a點-b點間電壓，即〃vT]=〃ab。

COt3?*

?c相電壓最高，VT3開始承擔正壓，在由3時刻觸發導通，外2=0,而VTi和VT2反壓關斷。

?"d="c，，VT]=0，VT1承擔a點?c點間電壓，即〃vTi=〃ac。

（4）三相半波可控整流電路帶電阻負載時的波形圖（a=30。）

定義：切?時刻為自然換向點后30°,32和由3時刻依次間距120°。

①幽㈣+90°）；

?a相電壓最高，V「已經承擔正壓，但在的時刻（即a=30°）時開始觸發導通，"町=0,而VT?和VT3反壓關斷。

*"d=ua＞zVTi='d=R。

②（的+90。）-叫:

?雖然己到a相和b相的自然換向點，b相電壓高于a相電壓，VT?己經開始承擔正壓，但是VT?沒有門極觸發脈沖，

因此VT2保持關斷。

?這樣，原先已經導通的V1仍舊承擔正向電壓（/＞。）而連續導通，“VT|=0，"d="“，ivT1=1=￡。

（3）COt2?&3*

?b相電壓最高，VT?已經承擔正壓，&2時刻（即。=30°）時開始觸發導通VT2,=0＞這樣VTi開始承擔反壓

而關斷。

?=?b,ZVT,=0'VTi承擔a點-b點間電壓，即"v"="ab。

④cotj~ax4：

?c相電壓最高，VTs已經承擔正壓，電3時刻（即。=3。°）時開始觸發導通VT3，?^3=0,這樣VT?開始承擔反壓

而關斷。

?〃d=〃c，，VT]=°，VT|承擔a點-C點間電壓，即"vT|="ac。

（5）三相半波可控整流電路帶電阻負載時的波形圖（a=60°）

①3tl~（碗]+90°）：

?a相電壓最高，VTi在時刻（即a=60°）時開始觸發導通，即使過了自然換向點，但因VT2未導通及%>。，而

使連續導通，“vT|=0,而VT2和VT3反壓關斷。

②?+90°）~3t2：

?a相電壓過零變負（均<0）,而使V1承擔反壓關斷，而VT?（未觸發導通）和VT3仍為關斷。

?，?vT]=〃=0，"d=0。

③~及萌3~函4期間情形分別為VT2和VT3導通過程，與上述相同。

（6）三相半波可控整流電路帶電阻負載不同觸發角工作時的情形總結

①當a<30°時，負載電流處于連續狀態，各相導電120°。

②當a=30°時.，負載電流處于連續和斷續的臨界狀態，各相仍導電120°。

③當a>30°時;負載電流處于斷續狀態，直到a=150°時，整流輸出電壓為零。

④結合上述分析，三相半波可控整流電路帶電阻負載時a角的移相范疇為150°,其中經歷了負載電流連續和斷續的工作

過程。

（7）數值運算

①aV30°時，整流電壓平均值（負載電流連續）：

?Ud=—!—^心sin2cosa=1.17。2cosa

2萬

3。

當a=0"時，4最大，t/d=1.17t/2?

②a>30°時，整流電壓平均值(負載電流斷續)：

?Ud=—拒。2sin(Dtd(a)t)=-U2[1+cos(-+a)]=0.675(/,fl+cos(-+a)]

2J—+a2萬66

-716

3

?當a=150°時，Ud最小，Ud=0。

③負載電流平均值：l=—O

dR

④晶閘管承擔的最大反向電壓：

為變壓器二次側線電壓的峰值，URM=邑園2=癇2=2.45%

⑤晶閘管承擔的最大正向電壓：

如a相，二次側a相電壓與晶閘管正向電壓之和為負載整流輸出電壓Ud，由于Ud最小為°，因此晶閘管最大正向電

壓UFM=商2。

2.2.1.2阻感負載

(1)三相半波可控整流電路帶阻感負載時的原理圖

①當阻感負載中的電感值很大時,整流獲得的電流Q波形基本是平直的，即流過晶閘管的電流接近矩形波。

②當a430°時，整流電壓波形與電阻負載時相同，因為兩種負載情形下，負載電流均連續。

(2)三相半波可控整流電路帶阻感負載時的波形圖(a=60°)

定義：函|時刻為自然換向點后60",32和初3時刻依次間距120°。

①M~0?2:

?V?承擔正壓并觸發導通，過自然換向點后a相電壓仍大于0,V1仍連續導通。

?a相過零點后，由于電感的存在，阻止電流下降，因而V1仍連續導通。

?ud=Ma'%=[=/<!，=，c=。，MVT|=。。

（2）~萌3*

?當時刻，b相電壓最高，同時觸發導通，則VT2導通，這樣VT|承擔反壓關斷，由VT2向負載供電。

?ud=Mb''b=zd=，d，za='c=。，"VT]=Mab°

③~Mt:

?工作過程與上述相同。

?"d="c，zc='d=，d，za=，b=。，MVT|="ac"

（3）三相半波可控整流電路帶阻感負載不同觸發角工作時的情形總結

①阻感負載狀態下，由于大電感的存在，使負載電流始終處于連續狀態，各相導電120°。

②當a>30"時，負載電壓與波形將顯現負的部分，并隨著觸發角的增大，使負的部分增多。

③當a=90°時，負載電壓勾波形中正負面積相等，價平均值為0。

④結合上述分析，三相半波可控整流電路帶阻感負載時a角的移相范疇為90°。

（4）數值運算

①整流電壓平均值（負載電流始終連續）：Ud=1/7U2cosa。

②晶閘管承擔的最大正反向電壓：

為變壓器二次側線電壓的峰值，UFM=URM=五乂?2=瓶2=2.45。2

3.2.2三相橋式全控整流電路

三相橋式全控整流電路原理圖:

（1）由6只晶閘管組成，形成三個橋臂，其中每個橋臂連接一相電源。

（2）陰極連接在一起的3只晶閘管（VTi、VT3、VT5）稱為共陰極組，處于橋臂上端。

（3）陽極連接在一起的3只晶閘管（VT」、VT6、VT2）稱為共陽極組，處于橋臂下端。

（4）晶閘管的導通順序：V?、VT2SVT?VT4、VT5,VT6?

3.2.2.1帶電阻負載時的工作情形（a=0°）

（1）基本說明

①自然換向點仍為a、b、c相的交點。

②將。”時刻（自然換向點）后的一個電源周期分成6段，每段電角度為60°,分別為I、II、山、IV、V、VI。

（2）波形圖分析

①階段I：

?a相電壓最大，b相電壓最小，觸發導通V1（事實上，VT6己經導通）

"d="ab，zVTj'"VT[=°。

②階段H:

?a相電壓最大，c相電壓最小，觸發導通VTz，則VT6承擔反壓（<0）而關斷，V「連續導通。

?"ac八

?〃d="ac，zVTjy〃VTi=0。

③階段HI：

?b相電壓最大，c相電壓最小，觸發導通VT3，則VTi承擔反壓(Mab<0)而關斷,VT2連續導通。

._"be

?〃d=〃bc，，VT]=W，"VT|=〃ab。

④階段IV：

?b相電壓最大，a相電壓最小，觸發導通VT4,則VT2承擔反壓(wac<0)而關斷,VT?連續導通。

._"ba_

?wd=Mba?zVTj=?"VT]=〃ab。

⑤階段V：

?c相電壓最大，a相電壓最小，觸發導通VT5，則VT3承擔反壓(wbc<0)而關斷,VTq連續導通。

.u

?"d="ca'’VT|ca'"VTi=Mac°

⑥階段VI：

?c相電壓最大，b相電壓最小，觸發導通VT6，則VT4承擔反壓（Mba<0）而關斷,VT5連續導通。

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