换相和换流
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电力电子技术题解实例与习题
1、什么是电力电子技术？它有几个组成部分？答：电力电子技术是依靠电力电子器件组成各种电力变换电路，实现电能的高效率转换与控制的一门学科，它包括电力电子器件、电力电子电路（变流电路）和控制技术三个组成部分。
2、电能变换电路有哪几种形式？各自的功能是什么？答：电能变换电路有四种形式：AC/DC变换电路、DC/AC变换电路、DC/DC变换电路、AC/AC变换电路。
①AC/DC变换电路：将交流电能转换为固定或可调的直流电能的电路。
②DC/AC变换电路：将直流电能转换为频率固定或可调的交流电能的电路。
③DC/DC变换电路：将一种直流电能转换为另一固定或可调电压的直流电能的电路。
④AC/AC变换电路：将固定大小和频率的交流电能转换为大小和频率均可调的交流电能的电路。
3、简述电力电子技术的主要应用领域。
答：电力电子技术广泛的应用于工业、交通、IT、通信、国防以及民用电器、新能源发电等领域。
如：电源、电气传动与控制、电力系统、新能源开发等领域。
四、简答题1、电力电子器件的特性表现在哪些方面？答：1）电力电子器件工作在开关状态，为的是减小本身的损耗。
2）电力电子器件因直接用在电力电路上，要承受高电压大电流。
3）电力电子器件需要弱电来控制，应有控制、驱动电路。
4）因耗散功率大，需有必要的散热措施。
2、怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：在实际电路中是采用阳极电压反向、减小阳极电压、或增大回路阻抗等方式，使阳极电流小于维持电流，晶闸管即关断。
3、在晶闸管的门极通入几十毫安的小电流可以控制阳极几十、几百安培的大流量的导通，它与晶体管用较小的基极电流控制较大的集电极电流有什么不同？晶闸管能不能像晶体管一样构成放大器？答：晶体管在共发射极接法时，基极电流I b可以控制较大的集电极电流Ic变化，起到了电流放大作用；而晶闸管在电路中只能由门极控制信号控制其通断，在电路中只起到一个开关作用，要关断还需要采取措施（如阳极加反向电压）。
晶闸管的三种换相方式 -回复
晶闸管的三种换相方式-回复晶闸管的三种换相方式是全波换相、半波换相和无火换相。
在下面的文章中，我将详细解释这三种换相方式的工作原理、优缺点以及应用。
1. 全波换相：全波换相是通过两个晶闸管交替导通实现的。
当一个晶闸管导通时，另一个晶闸管截止，从而实现了电流的单向流动。
换相电路如图所示。
全波换相电路的工作过程如下：首先，交流电源通过一个变压器提供给两个晶闸管，变压器将交流电压转换为所需的电压。
晶闸管的控制电压由触发器产生，触发器会根据输入信号的相位控制晶闸管的导通。
当输入信号与控制电压同相时，触发器将一个晶闸管导通，使电流通过该晶闸管，而另一个晶闸管则截止，电源的正半周电压将由该晶闸管输出。
当输入信号与控制电压反相时，触发器将另一个晶闸管导通，实现电流的反向流动，电源的负半周电压将由该晶闸管输出。
通过交替导通的方式，实现了交流电压向直流电压的转换。
全波换相的优点是换相时没有间断，电源电压的纹波较小，使得输出电压的稳定性较好。
然而，由于全波换相需要两个晶闸管，所以设备成本较高。
此外，全波换相的换相速度相对较慢，不适合高速交流电路的应用。
2. 半波换相：半波换相是通过一个晶闸管实现的。
与全波换相不同的是，半波换相只在一个半周的电压周期内导通。
半波换相电路的工作过程如下：与全波换相类似，半波换相电路也使用变压器将交流电压转换为所需的电压，并通过触发器控制晶闸管的导通。
当输入信号与控制电压同相时，触发器导通晶闸管，使电流通过。
由于控制信号是脉冲状的，晶闸管只能导通一小段时间，因此只有一个半周的交流电压能够通过晶闸管输出。
当信号反相时，晶闸管截止，电流通过外部电阻等支路绕过晶闸管。
半波换相的优点是设备成本较低，只需要一个晶闸管。
然而，半波换相的缺点是换相间断，导致输出电压的纹波较大，稳定性较差。
此外，由于只有一个半周的电压能够通过晶闸管输出，所以输出功率较低。
3. 无火换相：无火换相是一种无电阻换相方式，通过控制晶闸管的触发角来实现电压的换相。
电力电子技术复习题四到九章知识点
第四章课后题：1、无源逆变和有源逆变电路有什么不同？答：与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。
当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有缘逆变。
当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。
2、换流方式有哪几种？各有什么特点？答：器件换流:利用全控型器件的自关断能力进行换流称为器件换流。
电网换流:由电网提供换流电压称为电网换流。
负载换流:由负载提供换流电压称为负载换流。
凡是负载电流的相位超前于负载电压的场合,都可以实现负载换流.当负载为电容性负载时,就可实现负载换流。
3、什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各有什么特点？电压型逆变电路：直流侧是电压源或直流侧并联一个大电容。
特点:①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。
②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。
③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。
电流型逆变电路：直流侧是电流源或直流侧串联一个大电感。
特点：①直流侧串联大电感，相当于电流源。
直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。
②电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。
而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。
③当交流侧为阻抗负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。
因为反馈无功能量时直流电流并不方向，因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。
4、电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？答：1）在电压型逆变电路中，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，当输出交流电压和电流的极性相同时，电流经电路中可控开关器件流通，而当输出电压电流极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。
换流器的工作原理
2.2 单桥整流器的工作原理
2.2.1 换相过程
交流系统三相等值电势
交流系统每相 等值电感
图2-2 单桥整流器的等值电路图
如果以系统等值电动势 eca 的矢量作为基准， 则电源相电动势的瞬时值为
ea eoa eb eob ec eoc 2 E sin t 30 3 2 E sin t 90 3 2 E sin t 150 3
此时，阀5、6、1都导通了，等值电路如图 2-5所示。
图2-5 阀5和阀1换相时的等值电路
在分析换流器各组阀导通状态转换过程时， 一个基本原则是：在导通或关断瞬间，通过 电感的电流是连续的，不会突变。
在等值电路中有：
di5 di1 Lr Lr ea ec (2-3) dt dt 由于ea ec ，所以 ir 的方向是从a点流向c点，因此： i1 ir i5 I d ir (2-4)
所以
A 3 2 U E cos cos 3 2
Ud 0 cos cos Vd 0 sin sin (2-21) 2 2 2
将式（2-11）代入上式可得换相压降：
图2-8 换相角 的大小和换流器工作过程中 同时导通的桥阀数的关系
2.2.2 整流器的直流电压和换相压降
1.整流器工作在滞后角 0 和换相角 0 的情况
六脉动
vd eba
图2-9 整流器工作在 0, 0 情况下的电压波形
整流器的直流电压 Vd在一周之中是由六段相同的正弦曲线 段组成的，求其平均值时，只要取其中的一段计算。 假定基准纵轴Y-Y位于 t 30处，则曲线 eba 的纵坐标可 用 2 E cos 表示。在 从 6 到 6 间隔内，这段 曲线下的面积为：
电力电子技术——无源逆变电路及PWM控制技术(01-03)
• 单相半桥逆变电路 1．电路的拓扑形式（现多用全控器件）。
2．开关管的控制方式、输出电压波形及输出交流 电压有效值如何改变。
1)180°方波控制（两开关管互补通断），输出电 压为正负对称180°方波，幅度为Ud / 2 ，通过 改变DC侧Ud来调节输出交流电压有效值大小。
+Ud/2
t
-Ud/2
ia
+ ua
~
ub ~
~ uc
—
+
ua
—
实质上，该三相交流电源可以视作三相反电势
负载，考虑将电流ia的参考方向取反，如相量图中 虚线所示，则该“负载”电流比电压超前，相当
于容性负载，这正是有源逆变电路的SCR不需要 强迫换流的根本原因，实质上是利用了容性负载
换流。
在无源逆变电路中，
ua
三相负载通常是感性负
di
iA
>0
dt
uA
t2
t1
di dt <0
(4) 换流方式：强迫换 流（另加辅助换流电 路：串联二极管和换 流电容）。随着全控 型器件的不断进步， 晶闸管逆变电路的应 用已越来越少，但串 联二极管式晶闸管逆 变电路仍应用较多。 这种电路主要用于中 大功率交流电动机调 速系统。
(5) 串联二极管式晶闸管逆变器的换流原理
•强迫换流
设置附加的换流电路，给欲关 断的晶闸管强迫施加反向电压或 反向电流的换流方式称为强迫换 流 （ Forced Commutation ） 。 通常利用附加电容上所储存的能 量来实现。也称为电容换流。
➢直接耦合式强迫换流：由换流 电路内电容直接提供换流电压的 方式。在晶闸管处于通态时，预 先给电容C按图中所示极性充电。 如果合上开关S，就可以使晶闸 管被施加反向电压而关断。
2．开关管的控制方式、输出电压波形及输出交流 电压有效值如何改变。
1)180°方波控制（两开关管互补通断），输出电 压为正负对称180°方波，幅度为Ud / 2 ，通过 改变DC侧Ud来调节输出交流电压有效值大小。
+Ud/2
t
-Ud/2
ia
+ ua
~
ub ~
~ uc
—
+
ua
—
实质上，该三相交流电源可以视作三相反电势
负载，考虑将电流ia的参考方向取反，如相量图中 虚线所示，则该“负载”电流比电压超前，相当
于容性负载，这正是有源逆变电路的SCR不需要 强迫换流的根本原因，实质上是利用了容性负载
换流。
在无源逆变电路中，
ua
三相负载通常是感性负
di
iA
>0
dt
uA
t2
t1
di dt <0
(4) 换流方式：强迫换 流（另加辅助换流电 路：串联二极管和换 流电容）。随着全控 型器件的不断进步， 晶闸管逆变电路的应 用已越来越少，但串 联二极管式晶闸管逆 变电路仍应用较多。 这种电路主要用于中 大功率交流电动机调 速系统。
(5) 串联二极管式晶闸管逆变器的换流原理
•强迫换流
设置附加的换流电路，给欲关 断的晶闸管强迫施加反向电压或 反向电流的换流方式称为强迫换 流 （ Forced Commutation ） 。 通常利用附加电容上所储存的能 量来实现。也称为电容换流。
➢直接耦合式强迫换流：由换流 电路内电容直接提供换流电压的 方式。在晶闸管处于通态时，预 先给电容C按图中所示极性充电。 如果合上开关S，就可以使晶闸 管被施加反向电压而关断。
换流方式
uo S 4
s1 s4 闭合
逆变电路及其波形举例 图5-1
t0 ~ t1 之间：S1、S4 通，uo 和 io 均为正 t1 时刻断开 S1、S4 ，闭合 S2、S3 ；uo 变负，但 io 不能立刻反向， 负载电感中储存的能量向电源反馈，io 逐渐减小；
▲
t2 时刻：io 降为零，之后 io 才反向并增大；
逆变概念
★ 逆变电路的分类
● ● ●
按换流方式分； 按输出相数分； 按直流电源性质分；
★ 逆变电路的应用
●
蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载
供电时，需要逆变电路；
●
交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源 等电力电子装置的核心部分都是逆变电路；
5.1
5.1.1
● ● ● ● ●
引
逆变概念
言
★ 逆变是整流逆向变流过程，是将直流电变换成交流电
●
有源逆变：交流侧接电网，输出频率与电网频率相同；
无源逆变：交流侧接负载，输出频率可以改变；
●
★ 逆变与变频
●
变频电路分为 交交变频 和 交直交变频两种；
●
交直交变频：由 AC→DC 变换和 DC→AC 变换两部分组成，
后一部分就是无源逆变；
3．负载换流
●
● ●
由负载提供 换流电压 称为负载换流（Load Commutation）；
负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流； 负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流；
4．强迫换流
利用 换流电路内 电容和电感 耦合提供换流电压或换流电流；
三．基本负载换流的逆变电路
图5-4
S
第四章 电流型自换流变换器1
第4章电流型自换相与线性换相变流器4.1 电流型变流器的基本概念电流型变流器的特点在于它的直流侧电流的方向保持在一个方向，若要改变功率输送的方向，只能通过改变直流电压的极性来实现，这与电压型变流器改变功率传输方向的调整方式是不同的。
在电压型变流器中，直流电压的极性始终保持不变，只有通过直流电流的反向才能改变输送功率的方向。
图4-1的电路结构表明了电流型变流器和电压型变流器之间的区别。
图4-1 电压型和电流型变流器的概念a) 电压型变流器b) 电流型变流器图4-1a所示为电压型变流器，图中的变流器部分用一个方框表示，方框内部的开关阀是可关断器件与反并联二极管结构；但在图4-1b中，电流型变流器的开关阀方框中只有一个简单符号，它并不表明任何特别的器件。
这是因为在电流型变流器中只要用二极管、普通晶闸管或其它可关断器件就可完成相应的功能，而在电压型变流器中就必须用具有反向关断能力的器件才能完成相应的任务。
原则上讲，电流型变流器主要有以下3种类型（图4-2）：1．二极管变流器如图4-2a所示，它可以很方便地将交流电压转换为直流电压，通过交流系统的电网电压实现从一个开关阀到另一个开关阀的直流换相。
显然，二极管线性换相变流器由于不能进行任何控制，所以只能将交流侧有功功率传送到直流侧，还会消耗交流侧的部分无功功率。
图4.2 电流型变流器的类型a)二极管变流器b)晶闸管线性换相变流器c)自换相变流器2．晶闸管线性换相变流器如图4-2b所示，由于普通晶闸管只能控制它的导通，而不能控制它的关断，所以它也只能利用交流系统的电网电压来实现从一个开关阀到另一个开关阀的换相；还能够传送和控制任一方向的有功功率，但在此过程中仍需消耗交流侧的无功功率，也不能向交流系统提供无功功率。
3．自换相变流器图4-2c为电流型自换相变流器的结构图，它的开关阀由自关断器件构成，如GTO、MCT、IGCT、IGBT等。
在自换相变流器中，器件的换相是根据器件的自关断控制和交流侧电容器来实现开关阀的转换，从而达到换相的目的。
第二章换流器理论2——换相叠弧整流及逆变
换相开始时，ωt=α：i3=0
I sd [cos sin (t )] 2
恒定分量 滞后于换相 电压90°的 正弦分量
Id
V1 V3
3Em C cos 2Lc
2012-09-12
ea eb
ia
i1 ib i3
8
i5
i1
αμ
i3
（二） 叠弧现象对电流的影响
i6
i2
i4
i3 I sd (cos - cost )
3Em 2Lc
Id arccos(cos ) I sd 2Lc I d arccos(cos ) 3E m
可得，换相角：
1）Id或Lc增大； 2）Em或α减小 换相角μ增大。
I sd
换相角μ影响因素： Id、Lc、Em和α
11
2012-09-12
（四）换相叠弧对输出直流电压的影响
（四）换相叠弧对输出直流电压的影响
所以，在有换相叠弧及触发延迟的情况下，输出 直流电压的平均值为： 3Lc Vd Vd 0 cos U d Vd 0 cos Id Vd 0 cos Rc I d 其中，Rc 3Lc 3 X c
高压直流输电技术 （二.2）
High Voltage Direct Current Transmission Technology
西安交通大学高压教研室 汲胜昌 2012年 9月~ 11月
2012-09-12
1
第二章 换流器理论及其特性方程
2012-09-12
2
2.3.2 包括换相叠弧的换流电路分析（即Lc≠0）
i1 i2 i3 i4 i5 i6
I sd [cos sin (t )] 2
恒定分量 滞后于换相 电压90°的 正弦分量
Id
V1 V3
3Em C cos 2Lc
2012-09-12
ea eb
ia
i1 ib i3
8
i5
i1
αμ
i3
（二） 叠弧现象对电流的影响
i6
i2
i4
i3 I sd (cos - cost )
3Em 2Lc
Id arccos(cos ) I sd 2Lc I d arccos(cos ) 3E m
可得，换相角：
1）Id或Lc增大； 2）Em或α减小 换相角μ增大。
I sd
换相角μ影响因素： Id、Lc、Em和α
11
2012-09-12
（四）换相叠弧对输出直流电压的影响
（四）换相叠弧对输出直流电压的影响
所以，在有换相叠弧及触发延迟的情况下，输出 直流电压的平均值为： 3Lc Vd Vd 0 cos U d Vd 0 cos Id Vd 0 cos Rc I d 其中，Rc 3Lc 3 X c
高压直流输电技术 （二.2）
High Voltage Direct Current Transmission Technology
西安交通大学高压教研室 汲胜昌 2012年 9月~ 11月
2012-09-12
1
第二章 换流器理论及其特性方程
2012-09-12
2
2.3.2 包括换相叠弧的换流电路分析（即Lc≠0）
i1 i2 i3 i4 i5 i6
第7章第1讲 电力变流器换相方式
小结：
• 无源逆变器的概念
• 几种电力变流器的换相方式 • 单相无源逆变电路的工作原理 • 电压型单相全桥逆变电路工作原理
＋
VT1
VD1 i0
VD2
VT2
E
VT3
－
负载 VD3 VD4 VT4
图7-4 电压型无源逆变电路
2. 电压型单相全桥逆变电路工作原理
＋
uo
VT1 VD1 i0 负载 VT3 VD3 VD4 VT4 VD2 VT2
E
io
－
图示为电压型单相全桥逆变电路 io ，其中全控型开关器件VT1、VT4 同时通、断；T3、T2同时通、断 。VT1（VT4）与VT2（VT3）的驱 动信号互补，即VT1、VT4有驱动 io 信号时，VT2、VT3无驱动信号， 反之亦然。VT1、VT4 和VT2、VT3 周期性地改变通、断状态，周期T 2 弧度 对应
为保证电路正常工作，T1和T2两个开关管不应同时 处于通态，T4、T3两管不应同时处于通态，否则将出 现直流侧短路。实际应用中为避免上、下开关管直通 ，每个开关管的开通信号应略为滞后于另一开关管的 关断信号，即“先断后通”。同一桥臂上、下两管T1 、T2或T3、T4关断信号与开通信号之间的间隔时间称 为死区时间，在死区时间中，T1、T2或T3、T4均无驱 动信号。 图 (a)中逆变电路的输出通常要接LC滤波器，滤波 器LC滤除逆变电路输出电压中的高次谐波而使负载电 压接近正弦波。
2. 根据电路结构的不同
三.电压型无源逆变电路
1.
其特点是:(1)直流侧电源并联大电容，可以看作是一个输出电压恒定基本 无脉动的电压源。 (2)输出交流电压近似为矩形波。输出电流因负载阻抗不同而不 同。 (3)阻感负载时需要提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈 的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。
12脉动换流器工作原理
12脉动换流器工作原理
12脉动换流器的工作原理与6脉动换流器的工作原理相同,是利用交流系统两相短路来进行换相。
具体来说，它通过将三相交流电转换成直流电，然后逆变成三相交流电，实现换流的目的。
在12脉动换流器中，每个桥臂由一-个或多个整流器/逆变器组成。
当某个桥臂上的整流器工作时，该桥臂上的二二极管处于正向导通状态，而逆变器则处于反向截止状态。
此时，该桥臂的输出电压与电源电压相位相同。
当需要换流时，整流器停止工作，逆变器开始导通。
由于逆变器的输出电压与电源电压相位相反，因此该桥臂的输出电压也与电源电压相位相反。
这样，通过控制每个桥臂上的整流器/逆变器的状态，可以实现12脉动换流器的
换流过程。
需要注意的是，12脉动换流器在换流过程中会产生大量的谐波电流和电压。
因此，在设计和使用12脉动换流器时，需要考虑采取措施来抑制谐波电流和电压的影响。
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换相和换流
在电力系统中，换相和换流技术起着至关重要的作用。
它们在电力传输、变换和控制过程中，实现了电能的高效、稳定和可靠传输。
本文将对换相和换流技术进行详细介绍，包括其工作原理、应用领域以及在我国电力行业的发展现状。
一、换相技术
1.换相技术的定义及作用
换相技术是指在交流电力系统中，通过改变电压和电流的相位关系，实现电能的传输和变换。
在电力系统中，三相交流电是常见的电源和负载形式。
为了满足不同电压等级和功率需求的电力传输，需要对电压和电流进行适当的调整。
换相技术就是在这种背景下应运而生的。
2.换相技术的分类
根据换相过程中电压和电流相位关系的改变，换相技术可分为以下几种：（1）逆变换相：将直流电源转换为交流电源，如太阳能光伏发电、风力发电等；
（2）整流换相：将交流电源转换为直流电源，如电网中的整流器、充电桩等；
（3）相位调整换相：通过调整电压和电流的相位差，实现电能的传输和变换，如变压器、电容器等。
3.换相技术在我国电力行业的发展现状
近年来，我国换相技术在新能源、电力电子、电动汽车等领域得到了广泛应用。
随着电力电子设备的不断发展和优化，换相技术在电力系统的稳定性和
可靠性方面取得了显著成果。
此外，我国还加大了换相设备的研究和制造力度，提高了国内换相技术的整体水平。
二、换流技术
1.换流技术的定义及作用
换流技术是指在直流电力系统中，通过改变电压和电流的幅值和相位关系，实现电能的传输和变换。
换流技术在直流电力系统中具有重要作用，它可以实现远距离、高压、大容量的电力传输，满足日益增长的电力需求。
2.换流技术的分类
根据换流过程中电压和电流幅值和相位关系的改变，换流技术可分为以下几种：
（1）电压源换流：通过改变电压源的幅值和相位，实现电能的传输，如电压源变换器等；
（2）电流源换流：通过改变电流源的幅值和相位，实现电能的传输，如电流源变换器等；
（3）电压电流源混合换流：通过改变电压和电流源的幅值和相位，实现电能的传输，如混合型变换器等。
3.换流技术在我国电力行业的发展现状
我国换流技术在特高压直流输电、柔性直流输电等领域取得了世界领先水平。
随着我国电力系统的不断扩展和优化，换流技术在电力传输、新能源接入等方面得到了广泛应用。
此外，我国还加大了换流设备的研究和制造力度，提高了国内换流技术的整体水平。
综上所述，换相和换流技术在电力系统中发挥着重要作用。
在我国电力行业的发展过程中，换相和换流技术得到了广泛应用和持续优化，为我国电力事业的繁荣做出了巨大贡献。
随着新能源、电力电子等领域的不断创新，换相和换流技术在未来电力系统中仍具有广阔的发展空间。