第7章 电力电子变流装置的控制和保护电路

《电力电子装置及控制》课程教学大纲Power Electronic Devices and Control课程编号：2000151适用专业：电气工程及其自动化学时数：48 学分数：3执笔者：叶斌编写日期：2002.5一、课程的性质和目的课程性质：《电力电子装置及控制》是电气工程及其自动化专业的专业课、必修课，主要内容为电力电子实用技术和典型电力电子装置的控制技术。

主要任务1．使学生了解电力电子技术在国民经济中的重大作用以及电力电子技术的发展现状，扩大学生视野，启发学生创新思维；2．在先修课“电力电子器件”和“电力电子技术”课程的基础上，进一步介绍大功率变流电路的结构、工作原理、功能指标，理解大功率电力电子实用装置的构成、基本电量的计算方法和所有装置需解决的共同技术问题；3．介绍几类电力电子实用装置，使学生掌握其工作原理、运行特性、以及依据装置所服务的实际负载特点所采用的控制手段，培养学生面向生产、面向实际、面向工程的实际运用能力。

4．本门课是在学生学习过多门技术基础课的基础上开设的，它涵盖知识的内容多，面广，难度大，实用性强，能培养学生融会贯通知识、提高综合应用知识解决实际问题的能力。

二、课程教学内容第一章整流装置（6学时）内容：介绍大功率整流电路的典型结构和控制方式；整流装置的功能指标、改善功率因数的措施；电力电子装置的谐波及其抑制、快速静止无功补偿装置的基本原则。

学习要求及重点：掌握大功率整流的典型电路结构，技术性能，功能指标、抑制谐波以及提高功率因数的措施。

作业本章作业4~6题，内容：大功率多相整流基本电量计算2题；多重化整流电路的谐波分析计算2题；功率因数的计算1题；静止无功补尝装置原理分析1题。

第二章逆变装置（6学时）内容：重点介绍逆变器输出谐波的抑制及波形的改善、三点式逆变电路工作原理、谐振直流环节逆变器以及DC/AC变换技术的应用。

学习要求及重点：重点掌握谐波的抑制、SPWM波调制技术、三电平逆变器和谐振直流环节逆变器的工作原理，以及DC/AC变换技术的应用。

绪论一、电力电子技术包括以下三个方面：•电力电子元器件•电力电子变流技术二、变流技术按其功能可分为：•整流器：把交流电变为固定的或可调的直流电。

•逆变器：把固定直流电变成固定或可调的交流电。

•斩波器：把固定的电压变成可调的直流电压。

•交流调压器：把固定交流电压变成可调的交流电压。

•周流变流器：把固定的交流电压和频率变为可调的交流电压和频率。

三、电力电子技术的应用：直流电机调速，交流电机调速，UPS，开关电源，功率因数校正，高压直流输电，照明电源—电子镇流器，新能源并网技术。

四、电力电子器件的分类：•按照器件能够被控制的程度分：半控型：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断，如晶闸管。

全控型：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件，如MOSFET、IGBT。

不可控：不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路，如二极管。

•按照驱动信号的性质：电流驱动型和电压驱动型。

•按照驱动信号的波形：脉冲触发型、电平控制器。

•按载流子参与导电的情况：单极型器件、双极型器件、复合型器件。

第一章晶闸管一、晶闸管的工作特性：1.当晶闸管承受反向阳极电压时，不论门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。

2.当晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才能导通，正向阳极电压和正向门极电压两者缺一不可。

3.晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极电压是正还是负，晶闸管保持导通，故导通的控制信号只须正向脉冲电压称之为触发脉冲即可。

4.要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压，或者给阳极加反压，或者降低正向阳极电压，使通过晶闸管的电流降低到一定数值以下。

5.当门极未加触发电压时，晶闸管具有正向阻断能力，它是一般二极管不具备的。

二、电流、电压的平均值、有效值的计算：1、周期：[0 , ]2、积分函数3、有效积分区间: [0 , ]4、平均值的计算：5、有效值的计算：6、波形系数：K f=I/I d >1第二章单相整流一、整流电路及其分类：1、按组成的器件分为：可控、不可控、全控2、按电路结构分：桥式、零式3、按交流输入相数分：单相、三相4、按变压器二次侧电流的方向是单向还是双向分：单拍电路、双拍电路二、单相整流电路：1、电路结构：2、引入概念：触发角：VT开始承受正向压降至门极脉冲信号到来时的电角度。

第7章 思考题与习题7.1高频化的意义是什么？为什么提高开关频率可以减小滤波器和变压器的体积和重量？答：高频化可以减小滤波器的参数，减小变压器的体积从而使装置小型化、轻型化； 提高开关频率，可以减小滤波器的电感和电容的参数，减小滤波器的体积和重量；当变压器输入正弦波时，fNBS U 44.4 ，频率升高时，可以减小N 和S 的参数，从而减小变压器各绕组的匝数和铁心的尺寸，使变压器的体积减小，重量减轻，。

7.2何谓软开关和硬开关？怎样才能实现完全无损耗的软件关过程？答：如果开关器件在其端电压不为零时开通则称为硬件通，在其电流不为零时关断则称为硬关断。

硬开通、硬关断统称为硬开关。

在硬开关过程中，开关器件在较高电压下承载有较大电流，故产生很大的开关损耗。

如果在电力电子变换电路中采取一些措施，如改变电路结构和控制策略，使开关器件被施加驱动信号而开通过程中其端电压为零，这种开通称为零电压开通；若使开关器件撤除其驱动信号后的关断过程中其承载的电流为零，这种关断称为零电流关断。

零电压开通和零电流关断是最理想的软开关，其开关过程中无开关损耗。

如果开关器件在开通过程中端电压很小，在关断过程中其电流也很小，这种开关过程的功率损耗不大，称之为软开关。

7.3零开关，即零电压开通和零电流关断的含义是什么？答：使开关开通前的两端电压为零，则开关导通过程中就不会产生损耗和噪声，这种开通方式为零电压开通；而使开关关断时其电流为零，也不会产生损耗和噪声，称为零电流关断。

7.4试分析图题7.4两个电路在工作原理上的差别，并指出它们的异同点。

图题7.4答：相同点：都是零电压开关准谐振电路。

不同点：（a ）图在（b ）图软开关的电容上串了一个电阻，7.5软开关电路可以分为哪几类？其典型拓扑分别是什么样的？各有什么特点？答：准谐振变换电路、零开关PWM 变换电路和零转换PWM 变换电路。

见教材“7.1 , 7.2”7.6准谐振变换器与多谐振变换器的区别是什么？答：准谐振变换电路分为零电压开关准谐振变换电路（ZVS QRC ）与零电流开关准谐振变换电路（ZCS QRC ）。

目录第1章绪论 (1)1.1 什么是整流电路 (1)1.2 整流电路的发展与应用 (1)1.3 本设计的简介 (1)第二章总体设计方案介绍 (2)2.1总的设计方案 (2)2.2 单相桥式全控整流电路主电路设计 (3)2.3保护电路的设计 (5)2.4触发电路的设计 (9)第三章整流电路的参数计算与元件选取 (12)3.1 整流电路参数计算 (12)3.2 元件选取 (13)第四章设计总结 (15)4.1设计总结 (15)第五章心得体会 (16)参考文献 (17)第1章绪论1.1 什么是整流电路整流电路（rectifying circuit）把交流电能转换为直流电能的电路。

大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。

它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。

整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。

20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。

滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。

变压器设置与否视具体情况而定。

变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。

可以从各种角度对整流电路进行分类，主要的分类方法有：按组成的期间可分为不可控，半控，全控三种；按电路的结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向还是双向，又可分为单拍电路和双拍电路.1.2 整流电路的发展与应用电力电子器件的发展对电力电子的发展起着决定性的作用，因此不管是整流器还是电力电子技术的发展都是以电力电子器件的发展为纲的，1947年美国贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一次革命；1957年美国通用公司研制了第一个晶闸管，标志着电力电子技术的诞生；70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展，把电力电子技术推上一个全新的阶段；80年代后期，以绝缘极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起，成为了现代电力电子技术的主导器件。

目录第 1章电力电子器件第 2章整流电路第 3章直流斩波电路第 4章交流电力控制电路和交交变频电路第 5章逆变电路第 6章 PWM控制技术第 7章软开关技术第 8章组合变流电路π π π第 1 章 电力电子器件1. 使晶闸管导通的条件是什么？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。

或：u AK >0 且 u GK >0。

2. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持 电流。

要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降 到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。

3. 图 1-43 中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 I m ，试计算各波形的电流平均值 I d1、I d2、I d3 与电流有效值 I 1、I 2、I 3。

π π 4a)12π 0 ππ 5π 2π 0π 2π44 2b)c)图 1-43 晶闸管导电波形I m 2解：a)I d1= 2 1 赲υλ0πI m sin ω td ( ω t ) = ( +1 ) 猏υλ0 0.2717 I m 42 22 I m3 1 I 1= 赲υλ0π ( 2 π 4b)I d2 = 1 赲υλ0ππ 41I m sin ω t ) d ( ω t ) = + 猏υλ0 0.4767 I m 2 4 2πI m 2I msin ω td ( ω t ) = ( + 1 ) 猏υλ0 0.5434 I m π 22 2I m3 1 I 2 =π 赲υλ0π( I m sin ω t ) d ( ωt ) = + 猏υλ0 0.6741I 4 24 2π πc)I d3= 1 21赲υλ002 I md ( ωt ) =π2 1 I m 4 1 I3 =赲υλ002 I md (ωt ) = I m 2 π2多少？这时，相应的电流最大值 I m1、I m2、I m3 各为多少?解：额定电流 I T(AV) =100A 的晶闸管，允许的电流有效值 I =157A ，由上题计算结果知a) b) II m1 ? 猏υλ0329.35，0 4767II m2 ? 猏υλ0 232.90,0 6741I d1 猏υλ0 0.2717 I m1 猏υλ0 89.48 I d2 猏υλ0 0.5434 I m2 猏υλ0 126.56 1 c) I m3=2 I = 314, I d3= I m3=78.545. GTO 和普通晶闸管同为 PNPN 结构，为什么 GTO 能够自关断，而普通晶闸管不能？ 答：GTO 和普通晶闸管同为 PNPN 结构，由 P 1N 1P 2 和 N 1P 2N 2 构成两个晶体管 V 1、V 2,分 别具有共基极电流增益 α 和 α ，由普通晶闸管的分析可得， α + α =1 是器件临界导通 12的条件。

智慧树知到《电力电子技术》章节测试答案第一章单元测试1、电力电子技术中，电力变换电路包含（）变换。

A:AC/DCB:DC/DCC:DC/ACD:AC/AC正确答案：AC/DC,DC/DC,DC/AC,AC/AC2、（）年，电子管出现，从而开创了电子技术之先河。

A:1904B:1914C:1905D:1915正确答案：19043、1957年，美国通用电气公司研制出第一个( )，因电气性能和控制性能优越，其应用范围迅速扩大。

A:晶闸管B:GTOC:GTRD:IGBT正确答案：晶闸管4、一般认为，电力电子学的诞生是以( )的发明为标志。

A:IGBTB:晶闸管C:GTRD:GTO正确答案：晶闸管5、电力电子技术的发展趋势( )A:向容量更大和更小的两个方向发展B:向集成化方向发展C:向智能化方向发展正确答案：向容量更大和更小的两个方向发展,向集成化方向发展,向智能化方向发展6、电力电子器件按照驱动信号分类，可分为（）A:电流驱动型B:电压驱动型C:混合型正确答案：电流驱动型,电压驱动型7、电力电子器件按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为( )。

A:单极型器件B:双极型器件C:复合型器件正确答案：单极型器件,双极型器件,复合型器件8、电力电子器件按照其控制器通断的能力分为（）器件。

A:半控型B:全控型C:不控型正确答案：半控型,全控型,不控型9、电力电子器件组成的系统，一般由（）组成。

A:控制电路B:驱动电路C:电力电子器件D:保护电路正确答案：控制电路,驱动电路,电力电子器件,保护电路第二章单元测试1、晶闸管稳定导通的条件（）A:晶闸管阳极电流大于晶闸管的擎住电流B:晶闸管阳极电流小于晶闸管的擎住电流C:晶闸管阳极电流大于晶闸管的维持电流D:晶闸管阳极电流小于晶闸管的维持电流正确答案：晶闸管阳极电流大于晶闸管的擎住电流2、已经导通的晶闸管的可被关断的条件是流过晶闸管的电流（）A:减小至维持电流以下B:减小至擎住电流以下C:减小至门极触发电流以下D:减小至5A以下正确答案：减小至维持电流以下3、为限制功率晶体管的饱和深度，减少存储时间，桓流驱动电路经常采用（）A:du/dt抑制电路B:抗饱和电路C:di/dt抑制电路D:吸收电路正确答案：抗饱和电路4、IGBT是一个复合型的器件，它是（）A:GTR驱动的MOSFETB:MOSFET驱动的GTRC:MOSFET驱动的晶闸管D:MOSFET驱动的GTO正确答案：MOSFET驱动的GTR5、晶闸管触发电路中，若改变（）的大小，则输出脉冲产生相位移动，达到移相控制的目的。

4-4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？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,电流经电路中的可控开关器件流通，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。

4-8.逆变电路多重化的目的是什么?如何实现?串联多重和并联多重逆变电路备用于什么场合?答:逆变电路多重化的目的之一是使总体上装置的功率等级提高,二是可以改善输出电压的波形。

因为无论是电压型逆变电路输出的矩形电压波,还是电流型逆变电路输出的矩形电流波,都含有较多谐波,对负载有不利影响,采用多重逆变电路,可以把几个矩形波组合起来获得接近正弦波的波形。

逆变电路多重化就是把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,就可以得到较为接近正弦波的波形。

组合方式有串联多重和并联多重两种方式。

串联多重是把几个逆变电路的输出串联起来,并联多重是把几个逆变电路的输出并联起来。

串联多重逆变电路多用于电压型逆变电路的多重化。

并联多重逆变电路多用于电流型逆变电路的多重化。

在电流型逆变电路中,直流电流极性是一定的,无功能量由直流侧电感来缓冲。

当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时,电流并不反向,依然经电路中的可控开关器件流通,因此不需要并联反馈二极管。

5-1简述图5-la 所示的降压斩波电路工作原理。

答：降压斩波器的原理是：在一个控制周期中，让V 导通一段时间on t 。

，由电源E 向L 、R 、M 供电，在此期间，Uo=E 。

然后使V 关断一段时间off t ，此时电感L 通过二极管VD 向R 和M 供电，Uo=0。

一个周期内的平均电压0on offE t U t ⋅=⋅输出电压小于电源电压,起到降压的作用。

5-2．在图5-1a 所示的降压斩波电路中，已知E=200V ，R=10Ω，L 值微大，E=30V ，T=50μs ，ton=20μs ，计算输出电压平均值U o ，输出电流平均值I o 。