《电力电子技术》自学指导大纲

《电力电子技术》自学指导大纲课程性质•《电力电子技术》是一门跨学科的、利用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》由三部分内容组成。

–电力电子器件–电力电子电路–电力电子系统及其控制主要任务培养学生：•了解电力电子技术的发展动向和应用领域。

•了解与熟悉常用的电力电子器件的工作机理、电气特性和主要参数。

•理解和掌握基本的电力电子电路的工作原理、电路结构、波形的原理、电气性能、分析方法和参数计算，并能进行初步的设计。

•对电力电子电路具有一定的实验和调试能力。

课程教学内容•绪论•第一章电力电子器件的原理与特性•第二章相控整流电路•第三章直流斩波器•第四章交流调压电路和交交变频电路•第五章无源逆变电路•第六章电力电子器件的门（栅）极控制电路第一章电力电子器件的原理与特性（讲课4学时）•了解电力电子器件的发展、分类与应用，理解和掌握晶闸管(SCR)、可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR或BJT)、电力场效应晶体管(电力MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)等常用的电力电子器件的工作机理、电气特性和主要参数。

•重点：各种电力电子器件原理、性能上的不同点，各自应用的场合。

•作业：教材第43页习题1.3、1.4、1.5、1.6、1.8。

第二章相控整流电路（讲课12学时，实验6学时）•理解和掌握单相桥式、三相半波、三相桥式等整流电路的电路结构、工作原理、波形的道理、电气性能、分析方法和参数计算。

理解和掌握单相、三相有源逆变电路的工作原理，有源逆变的应用和整流电路的功率因数及其改善的方法•重点：波形分析和基本电量计算的方法、有源逆变的条件和有源逆变失败的原因。

•难点：不同负载对工况的影响和整流器交流侧电抗对整流电路的影响。

•作业：教材第121页习题2.3、2.5、2.7、2.8、2.11、2.12、2.14、2.15、2.16、2.17、2.18、2.20、2.21、2.22、2.23。

第三章直流斩波器（讲课6学时，实验2学时）•了解直流斩波器的工作原理及控制方式，掌握直流斩波器的基本电路、波形分析及电路参数计算，掌握多相多重型斩波电路、多象限斩波电路。

•重点：掌握各种斩波电路的波形分析及工作原理。

•作业：教材第156页习题3.1、3.3、3.4、3.5、3.6。

第四章交流调压电路和交交变频电路（讲课6学时）•掌握交流调压器的基本类型、用途和电路，简要分析单、三相交流调压电路，理解和掌握交流斩波调压的原理与基本性能，掌握交－交变频电路（周波变换器）的原理及电路，分析其优缺点。

•重点：交－交变频电路（周波变流器）的原理及电路。

•作业：教材第173页习题4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6。

第五章无源逆变电路（讲课8学时，实验2学时）•掌握无源逆变电路的概念、原理及分类，重点掌握三相桥式逆变电路的原理与参数，了解新器件（IGBT）构成的三相逆变电路及三点式逆变电路及器件容量的选择方法、原则，一般了解SCR及IGBT谐振式逆变电路和电流型逆变电路，掌握逆变电路的调压、脉宽调制和谐波消除方法，掌握电力电子器件的缓冲电路。

•重点：三相桥式逆变电路的原理与参数、脉宽调制和谐波消除方法。

•作业：教材第225页习题5.1、5.2、5.3、5.6、5.8、5.9、5.11、5.12、5.14、5.15、5.17、5.18。

第六章电力电子器件的门（栅）极控制电路（讲课2学时）•掌握晶闸管对触发电路的要求，了解GTO、IGBT、MOSFET等器件对触发电路的要求。

•重点：掌握IGBT触发电路。

•作业：教材第257页习题6.1、6.2、6.5、6.8、6.9。

本课程与其他课程的联系•本课程的先修课程为：电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、电机学。

•想更加深入了解电力电子器件的半导体物理原理的学生可选修电力电子器件。

•本课程为学习电传动控制基础、电力电子装置及控制、高频电力电子技术等课程奠定了基础。

所涉及到的理论•微电子技术–模拟电路–脉冲与数字电路–计算机应用•电路理论•电力系统理论•自动控制原理与系统•电机学及电机拖动考试方式与成绩评定•平时作业： 10％•期中考试： 20％•实验： 10％•期末考试： 60％参考书目•半导体变流技术（第三版）–黄俊机械工业出版社•电力电子技术（第一版）–周明宝机械工业出版社•现代电力电子技术（第一版）–张立科学出版社•电力电子技术习题集（第一版）–叶斌中国铁道出版社《电力电子技术》自学指导书绪论第一章电力电子器件的原理与特性第二章相控整流电路第三章直流斩波器（注：以上教学内容已在课堂讲授，并进行了复习和总结，后期自学过程中应进一步复习、归纳，结合例题及作业题加深对所学知识的理解和掌握。

）第四章交流调压电路和交交变频电路要求及重点要求：掌握交流调压器的基本类型、用途和电路，简要分析单、三相交流调压电路，理解和掌握交流斩波调压的原理与基本性能，掌握交－交变频电路的原理及电路，分析其优缺点。

掌握三相周波变流器的有环流运行。

重点：交－交变频电路（周波变流器）的原理及电路。

4.1交流调压器的类型、用途和电路–交流调压器的调压方式：–通断控制–相位控制–斩波控制–交流调压的应用：–调温的工频加热和感应加热–灯光调节–泵及风机的感应电动机调速–变压器的初级调压单相调压器的基本电路：A.反并联电路B.混合反并联电路C.二极管桥式电路D.混合桥式电路三相调压器的基本电路：A.反并联电路B.混合反并联电路C.∆形负载内接反并联电路D.Y形负载内接反并联电路E. Y形负载内接4.2单相交流调压电路的分析–以反并联交流调压电路为例–电阻负载–交流电压有效值U R–负载的电流有效值–功率因数–晶闸管的电流平均值–晶闸管的电流有效值I及通态平均电流I T–交流调压器R负载时的参数与α关系–电感性负载a.电路b.电压与电流波形c. 负载电流表达式–感性负载电流i L的两个分量i L1、i L2–电流表达式d. 控制角α、功率因数角ϕ与导通角的关系–单相交流调压器α>ϕ时的θ = f (α、ϕ) 曲线e. 几种典型情况：(1) ϕ = 0︒(2) ϕ不等于0︒、α>ϕ、θ < 180︒(3) α = ϕ(4) α<ϕ–感性负载时晶闸管电流和负载电流的有效值–晶闸管电流有效值：式中I* ---晶闸管的标幺电流有效值–晶闸管电流有效值–晶闸管标幺电流有效值I*与α、ϕ的关系4.3三相交流调压电路的分析–分析举例电路–三相交流调压器正常工作的基本条件–在三相电路中至少有一相正向晶闸管与另一相反向晶闸管同时导通。

–为了保证电路起始工作时两个晶闸管能同时导通，并且在感性负载和控制角较大时，也能使不同相的正、反两个晶闸管同时导通，要求采用宽脉冲，或者双窄触发脉冲电路。

–各触发信号应与相应的交流电源电压相序一致，并且与电压同步。

–三相交流调压电路在电阻负载下的波形与参数–波形（见图）–输出电压有效值Ua–电阻负载三相调压电路输出电压(a) 晶闸管反并联电路(b) 晶闸管与二极管反并联电路–三相交流调压电路在感性负载下的工况–三相交流调压电路的I*与α、ϕ的关系–感性负载（ϕ= 45︒）下三相调压电路的电流波形4.4交流斩波调压电路–交流斩波调压的原理与基本性能–原理图–交流斩波电路输出电压(a) 电阻负载(b) 感性负载(d) 改善cosϕ的斩波调压交流斩波调压电路GTR交流斩波器、GTO交流斩波器、用GTR构成的三相交流斩波器4．5交－交变频电路概述–交流变换的目的：–调节电压、频率、相位–形式：–交－直－交变频器（整流器＋逆变器）–交－交变频器（直接变频器）–整流电路：U d > 0 或U d < 0 ，I d > 0–三相半波整流电路：U d = 1.17 U2 cosα–交交变频器：–α在0 至π之间变化，输出交流电压–正、负两组整流器反并联，输出交流电流–输出电压、电流波形图：–三相零式交交变频器：–应用领域：–大功率、低速交流传动（轧钢机、矿井提升机、造纸、冶炼等）–分类：–单相、三相–桥式、零式–有环流、无环流–高频( f0 > f i )、低频( f0 < f i )4．6三相交－交变频器–三相输入、三相输出－－应用普遍–常用零式及桥式交－交变频器比较：元件整流脉波输出谐波功率个数形式数电压含量等级零式－－18支半波少低较高中等桥式－－36支全波多高较低大–三相输出各差120°，基本原理相同。

–i0 > 0－－正组工作，U P = U d = 1.17U2cosαP ,0 < αP < π，U P可正可负。

–i0 < 0－－负组工作，U N = - U d = - 1.17U2cosαN平均值U N = U P，αN = π - αP。

–输出瞬时值u N≠u P，∆u = u P–u N。

–∆u 在正、负组间产生环流，采用电抗器限制。

–有环流运行方式：–目的：使正、负组输出电流平滑过渡。

–特点：正、负组同时工作，采用环流电抗器抑制组间环流。

–优点：正、负组自动切换，输出电流连续、平滑、无死区，系统动态性能高，稳定性好–缺点：增加电抗器，成本高，损耗大。

–无环流运行方式：–目的：取消电抗器，降低成本及损耗。

–特点：i0 > 0 时正组工作，封锁负组，i0 < 0 时负组工作，封锁正组。

–优点：无组间环流，成本低，损耗小。

–缺点：需要检测电流过零点，控制复杂，控制失败时，造成组间电源短路，输出电流存在死区，波形畸变。

–交－交变频器输出电压：–输出电压峰值：–输出电压有效值：–电压降系数：–改变αmin，可调节输出电压U0。

–αmin = 0 时，ε= 1 ，U0 = U0max = 0.83 U2。

–交－交变频器控制方法：–余弦交点法：给定输出曲线与一余弦曲线相交，在交点处产生各晶闸管的触发脉冲。

–改变给定曲线的频率和幅值，可控制输出电压的频率和大小。

–交－交变频器输出频率：f0 / f i = 1/2 时，半周期内有6 脉波，谐波大f0 / f i = 1/3 时，半周期内有9 脉波，谐波较小f0 / f i = 1/6 时，半周期内有18 脉波，谐波小–为了减小谐波含量，降低负载转矩脉动，应保证f0/f i <1/3，即f0<16.7 Hz 。

–交－交变频器的功率因数：–整流电路：cosϕ = cosα–交－交变频器：因为0 < α < π，所以cosϕ < cosαmin ，cosϕ = f ( ε , cosψ ) ，cosψ－负载功率因数。

–输入侧总功率因数：–交－交变频器的优点：–无中间直流环节，损耗小，效率高。