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第一章电力电子器件 重点和难点： 一、电力二极管特性静态特性主要是指其伏安特性，而动态特性是由于结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向偏置和反向偏置者三种状态之间转换的时候，必然要要经历一个过渡过程，在这些过渡过程中，PN结的一些区域是需要一定的时间来调整其带电的状态，因而其电压电流特性不能用通常所说的伏安特性来描述，而是随时间变化的；电力二极管的正向平均电流是指其长期运行时，在指定的管壳温度和散热条件下其允许流过的最大公频正旋半波电流的平均值；电力二极管的正向压降是指在指定的温度下，流过某一指定的稳定正向电流时对应的正向压降。 二、晶闸管的工作原理参见教材P16，当对晶闸管施以正向电压且门极有电流注入则导通，当对其施以反相电压时晶闸管截止，而把正向电压改为反向电压或使的流过晶闸管的电流降低到接近与零的某一个数值时晶闸管关断。三、MOSFET、IGBT的工作原理1、电力MOSFET的工作原理 （1）截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。（2）导电：在栅源极间加正电压UGS,当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。2、IGBT的结构和工作原理（1）三端器件：栅极G、集电极C和发射极E（2）驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。 四、电力二极管工作原理电力二极管工作原理与信息电子电路中的二极管的工作原理时一样的，都是以半导体PN结为基础的，电力二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。例题一、如何用万用表判别普通晶闸管的极性？如何用万用表判别双向晶闸管的极性？答：1、选用R100档，当黑笔接某一电极，红笔依次碰触另外两个电极，若有一次阻值很小，另一次阻值很大，则黑笔接的是门极，在阻值小时红笔接的是阴极，在阻值大时红笔接的是阳极。2a、根据T2与G相距较近，正反向电阻仅为几十W，而T1-T2、T1-G为，选用R10档判断T1；2b、假设T2、G，用+、-方式判别、验证。例题二、如图1.1所示，阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为Im ，试计算各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3与电流有效值I1、I2、I3。图1.1解：a) Id1= I1= b) Id2=I2= c) Id3= I3=第二章整流电路 重点和难点：一、单相桥式全控整流电路波形分析及参数定量计算 1、带电阻负载的工作情况 （1）电路结构如图2.1所示图2.1（2）工作原理及波形分析如图2.2所示VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。 VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。 图2.2（3）数量关系 2、带阻感负载的工作情况（1）电路结构如图2.3所示图2.3（2）工作原理及波形分析如图2.4所示u2过零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。至t=+a 时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。 VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。图2.4（3）数量关系例题一、已知全波整流电路由一只晶闸管和一只二极管组成，U2=220伏， a=60，求：Ud表达式ud、id波形uVT、uVD波形解：波形如图2.5所示。图2.5例题二、具有中点二极管的单相半控桥式整流电路如图所示。求：a=90时的udUd表达式Udmax、UdminuVT1、uVD3波形解：设在a的期间，、未触发导通，电路正半周时，下面一组变压器二次电压工作，和导通；负半周时，上面一组变压器电压工作，和导通。当在某时刻触发、使之导通时，电路恢复为单桥相式半控整流电路，Ud的波形如图所示。、a=90时的ud如图2.6所示。、a=0时a=时图2.6例题三、单相桥式全控整流电路，大电感负载，试计算当时，输出电流电压的平均值。如负载端并接续流管，其中Ud、Id又为多少？并求流过晶闸管和续流管的电流平均值、有效值。解：接续流管 未接续流管： 例题四、某电阻负载要求0 24V直流电压，最大负载电流，如用220V交流直接供电与用变压器降压到60V供电，都采用单相半波相控整流电路，能否满足要求？试比较两种供电方案的晶闸管的导通角、额定电压、电流值、变压器二次侧的功率因数以及对电源要求的容量。解：220V 直供： 则导通角60V 直供： 则 例题五、某电阻负载，Rd=50，要求Ud在0600V可调，试用单相半波与单相全波二种整流电路，分别计算：晶闸管额定电压、电流值；连接负载的导线截面（导线允许电流密度j=6A/mm2）；负载电阻上消耗的最大的功率。解：单相半波当a=0时Udmax最大 考虑安全系数 负载电流负载电流有效值 取 30A SI/j=18.84/6=3.14mm2 P=I2Rd=18.84250=17.75KW单相全波 当=0时 晶闸管承受的最大反压 则UTe=2URM 负载电流 负载电流有效值 流过晶闸管的平均值 由于流过晶闸管的电流波形系数为 1.57 则 取20 SI/j=13.32/6=2.22mm2 P=I2Rd=13.32250=8.87KW例题六、阻感性负载，电感极大，电阻Rd=5，电路为具有续流二极管的单相半控桥电路，输入电压U2=220V，当控制角260时，求流过晶闸管平均电流值IdT有效值IT，流过续流二极管电流平均值IDd有效值ID。解： 整流平均电压Ud=0.9U2负载平均电流： Id=流过晶闸管电流平均值IdT= 电流有效值 IT=流过续流二极管电流平均值 IDd=有效值 IDd=例题七、单相半控桥式整流电路带电阻性负载，已知U1=220V，Rd=4，要求整流电路的直流输出电流Id在025A之间变化，求（1）变压器的电压比；（2）若导线允许电流密度J=5A，求连接负载导线的截面积；（3）若考虑晶闸管电压、电流取2倍裕量，选择晶闸管额定值；（4）忽略变压器励磁功率，求变压器的容量；（5）计算负载电阻Rd的功率；（6）计算a=0O电路的功率因素。解： （1分） 例题八、单相桥式半控整流电路接电阻性负载，要求输出整流电压0-100V连续可调，30V以上时要求负载电流达到20A。采用220V变压器降压供电，最小控制角amin=30，试求：（1）交流侧电流有效值及变压器容量；（2）选择晶闸管的型号。解：单相桥式半控整流电路接电阻性负载当控制角为最小时，对应的的整流输出电压为最大值当Ud=30V时，所对应的控制角a。当a=116时，要保证整流电路输出电流为20A，所需变压器一，二次侧电流有效值为最大，变压器二次侧电流有效为变压器一次侧 选择晶闸管时，也应以最大a角考虑，即a=116，流过晶闸管电流有效值晶闸管承受最大电压为Um=*119=168.3V例题九、单相桥式半控整流电路。由220V经变压器供电，负载为大电感性并接有续流二极管。要求输出整流电压2080V连续可调，最大负载电流为20A，最小控制角amin=30。试计算晶闸管、整流管、续流二极管的额定值以及变压器容量。解：（1）当输出电压Ud=80V时，对应的控制角为最小a min=30当输出电压Ud=20V时，对应控制角a为最大，其值为 考虑最严重的工作状态是在amin=30时。晶闸管电流有效值为：晶闸管通态平均电流IT (AV)为因为整流二极管电流波形与晶闸管一样，所以其电流有效值和通态平均电流与晶闸管相等。（2）考虑最严重的工作状态a max=122.3，续流二极管VD的有效值和通态平均电流考虑最严重的工作状态，在amin=30时，变压器二次侧电流有效值I2最大。例题十、单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1，L=，E=40V，U2=100V，LB=0.5mH，当=时，求Ud、Id与的数值。解:考虑LB时 解方程组得: cos()=0.4798 换相重叠角 例题十一、单相半波可控整流电路中，脉冲间隔= ( )，晶闸管最大导通角（ ），晶闸管承受的（ ），晶闸管可以承受的最大电压Udm=（ ），整流电压的脉动次数m=（ ）。答：2，U2，1 例题十二、单相桥式电路中脉冲间隔（ ），晶闸管最大导通（ ），晶闸管承受的最大电压Udm=( )，整流电压脉冲次数m=( )。答：，U2，2例题十三、电阻性负载：单相桥式电路，脉冲移相范围=( )，电流开始断续时（ ）。答：单相桥式0，0。二、三相半波可控整流电路波形分析及参数定量计算 1、电阻负载 （1）电路结构如图2.7所示图2.7（2）工作原理及波形分析如图2.8所示a=0时的工作原理分析 变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量。晶闸管的电压波形，由3段组成。 图2.8（3）数量关系 a30时负载电流连续a30时负载电流断续2、阻感负载（1）电路结构如图2.9所示图2.9（2）工作原理及波形分析a30时：整流电压波形与电阻负载时相同。 a30时（如a=60时的波形如图2.10所示）。 u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，ud波形中出现负的部分。id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。 图2.10（3）数量关系三、三相桥式全控整流电路波形分析及参数定量计算1、电阻负载（1）电路结构如图2.11所示图2.11（2）工作原理及波形分析如图2.12所示当a60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续； 当a60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值；带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120 图2.12（3）数量关系a60时负载电流连续a60时负载电流断续2、阻感负载（1）电路结构（2）工作原理及波形分析a60时ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似。区别在于：得到的负载电流id波形不同。当电感足够大的时候，id的波形可近似为一条水平线。 a60时阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。电阻负载时，ud波形不会出现负的部分。阻感负载时，ud波形会出现负的部分。 带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90。（3）数量关系四、可控整流电路有源逆变的工作条件和工作原理产生逆变的条件（1）有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧平均电压。（2）晶闸管的控制角a/2，使Ud为负值。 五、踞齿波触发电路原理 同步信号为踞齿波触发电路大致需要以下几个步骤：a.脉冲形成环节；b.锯齿波的形成和脉冲移相环节；c.同步环节；d.双窄脉冲形成环节。例题一、如图为二相零式可控整流电路，直接由三相交流电源供电，试求:a=60时的ud波形Ud表达式晶闸管的移相范围Udmax、Udmin解：a120以及120a150时的ud波形如图所示。0a120时120a150时晶闸管的移相范围150a=0时Udmax=184.8伏a=150时Udmin=99伏例题二、如图所示的二相式可控整流电路，直接由三相电源供电，试求：（1）=90o时Ud的波形（2）推导Ud的计算公式（3）晶闸管的移相范围（4）Udmax、Udmin 解： （1） （2）移相范围03000 （3）a. 00a1500 b1500a3000 （4）当a=0时 当a=5p/3时 例题三、三相半波可控整流电路，电压极大，电阻Rd=2，U2=220V，当，求出接续流二极管和不接续流二极管两种电路结构下的整流电压，整流电流并选择晶闸管。解： 接续流二极管Ud=0.675 =0.675Id=IT= 晶闸管：IN （1.52）A UN（23）1000V不接续流二极管 Ud=1.17U2 Id= IT= 晶闸管：IN（1.52）42A UN（23）7501000V例题四、三相全控桥式整流电路， Ld=0.2H，Rd=4W，要求Ud从0220V之间变化。试求：不考虑控制角裕量时，整流变压器二次相电压。计算晶闸管电压、电流值，并选择晶闸管型号。（安全裕量取2倍）。变压器二次电流有效值I2。计算变压器二次侧容量S2。a=0时电路功率因数cosf。当触发脉冲距对应的二次侧相电压波形原点多少电角度时，Ud已为零。解：当a=0时Udmax=220V流过晶闸管的电流平均值流过晶闸管的电流有效值 取50A最大反向电压为 取500V 选择KP50-5 当触发脉冲距对应的二次侧相电压波形原点120电角度时，Ud为零。例题五、某晶闸管可逆供电装置为三相半波接线，变压器二次相电压有效值为230V，R=0.3W，电动机从220V、20A稳定的电动状态下进行发电机再生制动，要求制动初始电流为40A，试求初始逆变角b应多大？解： b=41.40 例题六、三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，U2=100V，R=1，LB=lmH，求当=时、E=50V时Ud、Id、的值。解：考虑LB时 解方程组得: cos()=0.752 换相重叠角 例题七、三相全控桥式整流电路，整流变压器为/Y-7 连接，触发电路为NPN型锯齿波移相（电路要求工作在整流和逆变状态），考虑锯齿波起始端的非线性，留出600裕量。此外，同步变压器TS二次电压Us经阻容滤波后为Us再接到触发电路， Us滞后 Us 300 ，试求：（1）要求锯齿波底宽多少？（2）同步信号USA 与对应晶闸管阳极电压UA 的相位关系；（3）画出矢量图、确定同步变压器的钟点数。解：（1）踞齿波底宽2400（2）信号USA 滞后对应晶闸管阳极电压UA 1500，同步信号USA 滞后对应晶闸管阳极电压UA 1200（3）共阴极组：/Y-11、共阳极组：/Y-5例题八、三相全控桥式整流电路，整流变压器为Y/Y-6 连接，触发电路为PNP型锯齿波移相（电路要求工作在整流和逆变状态），考虑锯齿波终止端的非线性，留出600裕量。此外，同步变压器TS二次电压Us经阻容滤波后为Us再接到触发电路，Us滞后Us300 ，试求：（1）要求锯齿波底宽多少？（2）同步信号USA 与对应晶闸管阳极电压UA 的相位关系；（3）画出矢量图、确定同步变压器的钟点数。解： （1）踞齿波底宽2400（2）信号USA 滞后对应晶闸管阳极电压UA 300，同步信号USA 与对应晶闸管阳极电压UA 同相（3）共阴极组：Y/Y-6、共阳极组：Y/Y-12例题九、三相半波可控整流电路对直流电动机供电，当，理想空载转速n0=1000rpm，在时，理想空载转速n01=( )； 时，理想空载转速n02=( )，n03=( )。答：1000rpm，866rpm，500rpm例题十一、三相三线制交流调压电路，电阻负载，开通角（ ）；其中当电路处于三个晶闸管导通和两个晶闸管导通交替状态的时，（ ），每个晶闸管导通时间（ ）；当电路处于任一时刻都是两个晶闸管导通时（ ），晶闸管的导通时间（ ）；当电路处于两个晶闸管导通的和无晶闸管导通的交替状态时（ ），晶闸管的导通时间（ ）答案：；，；，；，2例题十二、三相桥式可控整流电路中的（ ），（ ），Udm=( )，m=( )。答：，6例题十三、三相半波电路脉冲移相范围（ ），电流开始断续时（ ）；三相桥式电路脉冲移相范围（ ），电流开始断续时（ ）。答：三相半波0，；三相桥式0，。第三章直流斩波电路 重点和难点： buck、boost斩波电路拓扑结构、工作原理以及电压、电流数量关系，直流斩波电路的功能是将直流电变为另一固定或可调电压的直流电，也称为直流直流变换器。直流斩波电路的种类很多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、CUK斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，下面将主要介绍降压斩波电路（Buck Chopper）和升压斩波电路（Boost Chopper）电路、工作原理和电压电流数量关系。 例题一、降压斩波电路，如图所示，VT的开关周期是T=s，导通时间，E=100V，L=50mH，R=1，求：负载U0, I0 ，流过UT和VD的电流IdT 、IdD ；输入功率和负载功率Pi 、PR。解：X= XRUd= Id=IdT=IdD=Pi=PR=UdIa=33.333.3=1.11KW例题二、直流斩波器带电阻性负载，已知导通比a=1/4，fCH=125Hz，E=100V，R=1W，试求：（1）输出电压的平均值Ud和有效值U；（2）电源输出功率P和电阻消耗功率PR；（3）斩波效率PR/P。解： 例题三、已知如图所示的DC-DC变换器，如要求输出电压为24V，负载电阻R=0.4W，晶体管和二极管通态压降分别为1.2V，占空比D0.5，匝比n=N2/N1=0.5，求：平均输入电流；效率；晶体管平均电流、晶体管峰值电流、晶体管有效电流；晶体管承受的峰值电压。解：（1） （2） 所求效率为（3）晶体管平均电流为晶体管峰值电流为Ii30A晶体管有效值电流为例题四、升压式DC-DC变换器电路如图所示，输入电压为27V10%，输出电压为45，输出功率为750，效率为95%，若等效电阻为R=0.05W。求最大占空比；如要求输出60V是否可能？为什么？解：输入电流的平均值为当Ui取最小值时，D为最大值（2）如果要求输出电压60V，此时占空比D为理论上说明电路是可以输出60V电压。第四章交流电力控制电路和交交变频电路重点和难点：一、单相交流调压电路工作原理交流调压电路把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流电力。这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便的调节输出电压的有效值，这种电路就称为交流调压电路。交流调压电路分为单相交流调压电路和三相交流调压电路，其中单相交流调压电路是基础，下面简要介绍单相交流调压电路的工作原理，根据负载的情况分为：1、电阻负载2、组感负载 二、单相交交变频电路的构成 本节所讲的交交变频电路采用的是晶闸管，这种电路也称为周波变流器，交交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路。由于没有中间直流环节，因此属于直接变频电路。单相交交变频电路由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，和直流电机可逆调速用的四象限变流电路完全相同。例题一、单相交流调压电阻负载，移相角=( )，电阻感负载，移相范围（ ）。答：0，例题二、单相交流调压，阻感负载，UF=220V，L=5.5mH,，R=1，求：移相角？最大负载电流有效值I=？最大输出功率Pmax=？功率因数Cos=？解：（1） 所以 （2）时， 电流连续，电流最大 I=（3） P=例题三、什么是过零触发？某单相反并联调功电路，采用过零触发。U2=220V，负载电阻R=1W，在设定的周期TC内，控制晶闸管导通0.3S、断开0.2S，试计算送到电阻负载上的电压、功率与晶闸管一直导通时送出的功率。解：过零触发是在设定的时间间隔内，改变晶闸管导通的周波数来实现电压或功率的控制。 电源直通 第五章逆变电路 重点和难点： 一、逆变电路的基本工作、换流方式 将直流电转变成交流电称为逆变，其基本工作原理如教材P132,换流方式有四种分别为（1）器件换流（2）电网换流（3）负载换流（4）强迫换流。 电流型逆变电路是指直流电源为电流源的逆变电路，实际中理想直流电源并不多见，一般是在逆变电路直流侧中串联一个大电感，其工作原理分单相和三相分别来描述。 二、多重逆变电路和多电平逆变电路 多重逆变电路是指将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，来得到较为理想的接近正弦波的波形，从电路的合成方式来看，多重逆变电路有串联多重和并联多重两种方式。串联多重是将几个电路的输出串联起来，电压型逆变电路多用串联多重方式；并联多重是将几个逆变电路的输出并联起来，电流型逆变电路多用并联多重方式。多电平逆变电路是指能使逆变电路的相电压输出多个电平，目的是其波形更接近正弦波波形。例题一、单相桥式电流型并联谐振式逆变电路，如图512，逆变器输出功率P=100KW，逆变频率f=1000HZ，直流电压Ud=500V，电流Id=250A, 电流变化率di/dt=200A/s, = 0.8；请选择晶闸管VT，晶闸管可以触发引前时间t解：（1）晶闸管的选择负载电压有效值U0=则UT（23） 取UT=2000VI0=IT=(1.5-2) 取IT=250A(2) 换流时间 承受反压时间 = 则：触发引前时间 12.5100112.5例题二、三相电压型逆变电路基本电路的工作方式是（ ）导电方式，输出的交流电压波形为（ ），线电压宽度为（ ）其幅值为（ ）；相电压宽度为（ ），幅值为（ ），相电压宽度为（ ），其幅值为（ ）。答：，矩形，Ud , ,例题三、三相电流型逆变电路基本电路的工作方式是（ ）导电方式，输出交流电流波形为（ ），电流宽度为（ ），其基波有效值为（ ）。答：，矩形，0.78Id例题四、什么是电压换流，电流换流，纵向换流，横向换流？答：电