《電力電子技術(shù)》復(fù)習(xí)資料

電力電子技術(shù)第五版復(fù)習(xí)資料

第1章緒論

1電力電子技術(shù)定義：是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)，是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，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一般通過直流斬波電路實現(xiàn)

(4)交流變交流AC-AC一般稱作交流電力控制

3電力電子技術(shù)分類：分為電力電子器件制造技術(shù)和變流技術(shù)。

第2章電力電子器件

1電力電子器件與主電路的關(guān)系

(1)主電路：指能夠直接承擔(dān)電能變換或控制任務(wù)的電路。

(2)電力電子器件：指應(yīng)用于主電路中，能夠?qū)崿F(xiàn)電能變換或控制的電子器件。

2電力電子器件一般都工作于開關(guān)狀態(tài)，以減小本身損耗。

3電力電子系統(tǒng)基本組成與工作原理

(1)一般由主電路、控制電路、檢測電路、驅(qū)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(jù)這些信號并按照系統(tǒng)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(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或關(guān)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(tǒng)正?？煽窟\行。

4電力電子器件的分類

根據(jù)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(dǎo)通而不能控制其關(guān)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(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷的電力電子器件。如GT0、GTR、

MOSFET和IGBT0

(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(jù)驅(qū)動信號的性質(zhì)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(xiàn)導(dǎo)通或關(guān)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(xiàn)導(dǎo)通或關(guān)斷的電力電子器件。

如MOSFET、IGBT。

根據(jù)器件內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電的情況分類

(1)單極型器件：內(nèi)部由一種載流子參與導(dǎo)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(shù)導(dǎo)電的器件。如SCR、GT0、GTRo

(3)復(fù)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—晶閘管SCR

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號

a）外形b）結(jié)構(gòu)C）電氣圖形符號

晶閘管的雙晶體管模型

將器件Nl、P2半導(dǎo)體取傾斜截面，則晶閘管變成Vl-PNP和V2-NPN兩個晶體管。

晶閘管的導(dǎo)通工作原理

（1）當(dāng)AK間加正向電壓Ezl,晶閘管不能導(dǎo)通，主要是中間存在反向PN結(jié)。

（2）當(dāng)GK間加正向電壓EG，NPN晶體管基極存在驅(qū)動電流/G，NPN晶體管導(dǎo)通，產(chǎn)生集電極電流（2。

（3）集電極電流〃2構(gòu)成PNP的基極驅(qū)動電流，PNP導(dǎo)通，進一步放大產(chǎn)生PNP集電極電流/"。

（4）Q與b構(gòu)成NPN的驅(qū)動電流，繼續(xù)上述過程，形成強烈的負(fù)反饋，這樣NPN和PNP兩個晶體管完全

飽和，晶閘管導(dǎo)通。

2.3.1.4.3晶閘管是半控型器件的原因

（1）晶閘管導(dǎo)通后撤掉外部門極電流必，但是NPN基極仍然存在電流，由PNP集電極電流Q供給，電流

已經(jīng)形成強烈正反饋，因此晶閘管繼續(xù)維持導(dǎo)通。

（2）因此，晶閘管的門極電流只能觸發(fā)控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。

2.3.1.4.4晶閘管的關(guān)斷工作原理

滿足下面條件，晶閘管才能關(guān)斷：

（1）去掉AK間正向電壓；

（2）AK間加反向電壓；

（3）設(shè)法使流過晶閘管的電流降低到接近于零的某一數(shù)值以下。

2.3.2.1.1晶閘管正常工作時的靜態(tài)特性

（1）當(dāng)晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。

（2）當(dāng)晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導(dǎo)通。

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

（4）若要使己導(dǎo)通的晶閘管關(guān)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(shù)值以下。

2.4.1.1GTO的結(jié)構(gòu)

（I）GTO與普通晶閘管的相同點：是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，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(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個供陽極的

小GTO元，這些GTO元的陰極和門極在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起，正是這種特殊結(jié)構(gòu)才能實現(xiàn)門極關(guān)斷作用。

2.4.1.2GTO的靜態(tài)特性

（1）當(dāng)GTO承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。

(2)當(dāng)GTO承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能導(dǎo)通。

(3)GTO導(dǎo)通后，若門極施加反向驅(qū)動電流，則GTO關(guān)斷，也即可以通過門極電流控制GTO導(dǎo)通和關(guān)斷。

(4)通過AK間施加反向電壓同樣可以保證GTO關(guān)斷。

2.4.3電力場效應(yīng)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(dāng)UGS大于某一電壓值t?時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，從而使P型半導(dǎo)體反型成

N型半導(dǎo)體，形成反型層。

2.4.4絕緣柵雙極晶體管IGBT

(I)GTR和GTo是雙極型電流驅(qū)動器件，其優(yōu)點是通流能力強，耐壓及耐電流等級高，但不足是開關(guān)速度

低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。

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

(3)復(fù)合型器件：將上述兩者器件相互取長補短結(jié)合而成，綜合兩者優(yōu)點。

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

兩者的優(yōu)點，具有良好的特性。

2.4.4.1IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

C

b)C)

IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號

a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡化等效電路C)電氣圖形符號

(I)IGBT是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)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(shè)備的變流裝置。

3.1.1單相半波可控整流電路

(4)觸發(fā)角c：

從晶閘管開始承受正向陽極電壓起，到施加觸發(fā)脈沖為止的電角度，稱為觸發(fā)角或控制角。

(7)幾個定義

①“半波”整流：改變觸發(fā)時刻，"d和Q波形隨之改變，直流輸出電壓%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(nèi)出現(xiàn)，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(tài)或斷態(tài)狀態(tài)，當(dāng)忽略器件的開通過程和關(guān)斷過程時，可以將器件理想化，

看作理想開關(guān)，即通態(tài)時認(rèn)為開關(guān)閉合，其阻抗為零；斷態(tài)時認(rèn)為開關(guān)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(fù)載的工作情況

(1)單相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載時的原理圖

①由4個晶閘管(VTl~VTQ組成單相橋式全控整流電路。

②VTl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(fù)載時的波形圖

b)0

①

:一2上

≠*

b

①0~α:

?VT|~VT4未觸發(fā)導(dǎo)通，呈現(xiàn)斷態(tài)，則"d=0、id=0、i2=0。

W=W,

?MVT1÷VT42〃VT]=UvT4=；〃2。

②a~乃：

?在α角度時，給VTl和VT4加觸發(fā)脈沖，此時a點電壓高于b點，VTi和VT4承受正向電壓，因此

可4B導(dǎo)通，"VT]=wvT4=0。

?電流從a點經(jīng)VTi、R、VT4流回b點。

?"d=〃2，2=2，形狀與電壓相同。

③乃~(萬+a)：

?電源"2過零點，VTl和VT4承受反向電壓而關(guān)斷，"vτ|="VΓ4=g"2(負(fù)半周)。

?同時，VT2和VT3未觸發(fā)導(dǎo)通，因此〃d=0、Q=0、2=0。

④(π+a)~2π：

?在(乃+α)角度時，給VT2和VT3加觸發(fā)脈沖，此時b點電壓高于a點，VT2和VT3承受正向電壓，

因此UT靠導(dǎo)通，UVT?)="VT3=0。

?VTl陽極為a點，陰極為b點；VT4陽極為a點，陰極為b點；因此"vη一，f="2。

?電流從b點經(jīng)VT3、R、VT2流回b點。

?〃d=-"2，％=-'d。

(3)全波整流

在交流電源的正負(fù)半周都有整流輸出電流流過負(fù)載，因此該電路為全波整流。

(4)直流輸出電壓平均值

〃1f^rτ.,..2V∑U2l+cosαl+cosα

Ud=—IV2Urj2SlnCotd(COt)=-----------------------=0.9(/2------------

乃Jaπ22

(5)負(fù)載直流電流平均值

Ud2V∑U2l+cosαU2l+cosα

ClR欣2R2

(6)晶閘管參數(shù)計算

①承受最大正向電壓：；(回2)

②承受最大反向電壓：√2t∕2

③觸發(fā)角的移相范圍：e=0時，Ud=O?902；α=180°時，Ud=0。因此移相范圍為180°。

④晶閘管電流平均值：VT1、VT4與VT2、VT3輪流導(dǎo)電，因此晶閘管電流平均值只有輸出直流電流平均值

山ππr1,21+CoSa

的一半，即∕dvτ=j/d=0?45亍一-—

2AZ

3.1.2.2帶阻感負(fù)載的工作情況

(1)單相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載時的原理圖

(2)單相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載時的波形圖

?分析時，假設(shè)電路已經(jīng)工作于穩(wěn)態(tài)下。

?假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流不能突變，使負(fù)載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線。

①a?乃：

?在α角度時，給VTl和VT4加觸發(fā)脈沖，此時a點電壓高于b點，VT)和VT4承受正向電壓，因此

可罪導(dǎo)通，Wyp=WvT4=OO

?電流從a點經(jīng)VT∣、L、R、VT4流回b點，“d="2。

?itl為一水平線，ivT1.4='d=i2。

?VT2和VT3為斷態(tài)，ivT23=°

②萬~(左+a)：

?雖然二次電壓"2己經(jīng)過零點變負(fù)，但因大電感的存在使VTl和VT4持續(xù)導(dǎo)通。

z=,=Z,f

?"VT]="VT4=°,"d=—VT14d2VT2J=θ°

③(τ+α)~2zr:

?在(乃+a)角度時，給VT2和VT3加觸發(fā)脈沖，此時b點電壓高于a點，VT2和VT3承受正向電壓，

因此可靠導(dǎo)通，"VT,="VT3=O。

?由于VT2和VT3的導(dǎo)通，使VTt和VT4承受反向電壓而關(guān)斷ivT].4=0。VTl陽極為a點，陰極為b

點；VT4陽極為a點，陰極為b點；因此"VR]4="2。

?電流從b點經(jīng)VT3、L、R、VT2流回b點，"d=-〃2。

，

?id為一水平線，∕vτ2,3='d=-G。

④1π~(2π+a)：

?雖然二次電壓"2已經(jīng)過零點變正，但因大電感的存在使VT2和VT3持續(xù)導(dǎo)通。

w=i/,z-,=0

?MVT2=MVT3=θ>vτ1-42"d=-"2，vτ23='d=?>'vτ∣.4°

(3)直流輸出電壓平均值

1∣?%+α廠、2√2(∕2

Ud=一72U2smωtd(ωt)=----------cosa=0.9U2cosα

(4)觸發(fā)角的移相范圍

a=0時，Ud=O-902；a=90。時，Ud=O。因此移相范圍為90°。

(5)晶閘管承受電壓：正向：√2t∕2:反向：√2t∕2

3.1.2.3帶反電動勢負(fù)載時的工作情況

(1)單相橋式全控整流電路帶反電動勢負(fù)載時的原理圖

①當(dāng)負(fù)載為蓄電池、直流電動機的電樞(忽略其中的電感)等時，負(fù)載可看成一個直流電壓源，即反電動勢

負(fù)載。正常情況下，負(fù)載電壓"d最低為電動勢E。

②負(fù)載側(cè)只有“2瞬時值的絕對值大于反電動勢，即1"2Ae時，才有晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能。

(2)單相橋式全控整流電路帶反電動勢負(fù)載時的波形圖

①α~(α+6)：

?在0角度時，給V?和VT4加觸發(fā)脈沖，此時1"21>e，說明VT］和VT4承受正向電壓，因此可靠

導(dǎo)通，〃d=〃2，'d=*1二與

②(α+0)~(T+a)：

?在(α+6)角度時，々YE,說明VTl和VT4已經(jīng)開始承受反向電壓關(guān)斷。

?同時.，由于VT2和VT3還未觸發(fā)導(dǎo)通，因此"d=E，id=0。

③(π+a)~{π+a+θ)：

?此過程為VT2和VT3導(dǎo)通階段，由于是橋式全控整流，因此負(fù)載電壓與電流同前一階段，與=-"2,

〃d-E

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(fù)載

(1)三相半波可控整流電路帶電阻負(fù)載時的原理圖

①變壓器一次側(cè)接成三角形，防止3次諧波流入電網(wǎng)。

②變壓器二次側(cè)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(fù)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、VDz和VD3表示。

?工作過程分析基礎(chǔ)：三個二極管對應(yīng)的相電壓中哪一個的值最大，則該相所對應(yīng)的二極管導(dǎo)通，并使另

兩相的二極管承受反壓關(guān)斷，輸出整流電壓即為該相的相電壓。

①("|~以2：a相電壓最高，則VDl導(dǎo)通，VDz和VD3反壓關(guān)斷，價=""。

②ωt~ωt:相電壓最高，則導(dǎo)通，和反壓關(guān)斷=i。

23bVD2VD3VDl，y1?

③Mτl~cot^：b相電壓最局，則VDz導(dǎo)通，VD3和VDl反壓關(guān)斷，與="匕。

④按照上述過程如此循環(huán)導(dǎo)通，每個二極管導(dǎo)通120。。

⑤自然換向點：在相電壓的交點萌I、?2、函3處，出現(xiàn)二極管換相，即電流由一個二極管向另一個二極管

轉(zhuǎn)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(fù)載時的波形圖(α=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(fā)導(dǎo)通的最早時刻(即開始承受

正向電壓)，該時刻為各晶閘管觸發(fā)角α的起點，即a=0。。

①fyf[~%:

相電壓最高，開始承受正壓，在嗎時刻觸發(fā)導(dǎo)通，而和反壓關(guān)斷。

?aVTI"vη=0,VT2VT3

ww,z

?d=α>vτ∣=d-—0

(2)C承9~函3:

?b相電壓最高，VT2開始承受正壓，在d2時刻觸發(fā)導(dǎo)通，"VT2=O,而VT3和VTl反壓關(guān)斷。

?"d="b，^VT[=O，VT1承受a點-b點間電壓，即"VT]="ab。

③叫~"4:

?C相電壓最高，VT3開始承受正壓，在函3時刻觸發(fā)導(dǎo)通，"VT3=°,而VTl和VT2反壓關(guān)斷。

承受點點間電壓，即。

?Wj=Mc,∕yy∣=O,VTia-C"vτ∣="ac

(4)三相半波可控整流電路帶電阻負(fù)載時的波形圖(a=30。)

定義：用時刻為自然換向點后30°,萌2和碗3時刻依次間距120°。

①ωt?~3]+90°）；

?a相電壓最高，VTl已經(jīng)承受正壓，但在碗1時刻（即α=30°）時開始觸發(fā)導(dǎo)通，"vr]=0,而VT2和VT3

反壓關(guān)斷。

?"d=〃■，"VT]="d=N。

②（以]+90°）~cot2：

?雖然已到a相和b相的自然換向點，b相電壓高于a相電壓，VT2已經(jīng)開始承受正壓，但是VT2沒有門極

觸發(fā)脈沖，因此VT2保持關(guān)斷。

?這樣，原來已經(jīng)導(dǎo)通的VTl仍然承受正向電壓（"a>0）而持續(xù)導(dǎo)通，"vη=0,，，d="〃，S=id=芋。

③碗2~叫：

?b相電壓最高，VT2已經(jīng)承受正壓，萌2時刻（即a=30°）時開始觸發(fā)導(dǎo)通VT2,wvr2=0,這樣VTl開

始承受反壓而關(guān)斷。

,,

?〃d="bvτ∣=O，VTl承受a點-b點間電壓，即Mypl="ab。

④叫~a4:

?C相電壓最高，VT3已經(jīng)承受正壓，萌3時刻（即α=30°）時開始觸發(fā)導(dǎo)通VT3,"VT3=O,這樣VT2開

始承受反壓而關(guān)斷。

?Mj=Wc,Zyy1=O,VT∣承受a點-C點間電壓，即Hyyl=?aco

（5）三相半波可控整流電路帶電阻負(fù)載時的波形圖（a=60。）

定義：M時刻為目然換I可點后60°,萌2和以3時刻依次間距120°。

①碗I~（M+90°）：

?a相電壓最高，VTI在嗎時刻（即α=60°）時開始觸發(fā)導(dǎo)通，即使過了自然換向點，但因VT2未導(dǎo)通及

而使持續(xù)導(dǎo)通，而和反壓關(guān)斷。

Ha>0,VTl"vη=0,VT2VT3

?"d=“a，5]=%=/°

o

②（<υη+90）~ωt2:

?a相電壓過零變負(fù)（"a<0），而使VTl承受反壓關(guān)斷，而VT2（未觸發(fā)導(dǎo)通）和VT3仍為關(guān)斷。

?ZVTl=〃=0，Xd=Oo

③萌2~叫及叫~?4期間情況分別為VT2和VT3導(dǎo)通過程，與上述相同。

（6）三相半波可控整流電路帶電阻負(fù)載不同觸發(fā)角工作時的情況總結(jié)

①當(dāng)α<30°時，負(fù)載電流處于連續(xù)狀態(tài)，各相導(dǎo)電120°。

②當(dāng)a=30。時，負(fù)載電流處于連續(xù)和斷續(xù)的臨界狀態(tài)，各相仍導(dǎo)電120。。

③當(dāng)α>30°時，負(fù)載電流處于斷續(xù)狀態(tài)，直到a=1500時，整流輸出電壓為零。

④結(jié)合上述分析，三相半波可控整流電路帶電阻負(fù)載時α角的移相范圍為150°,其中經(jīng)歷了負(fù)載電流連續(xù)和

斷續(xù)的工作過程。

（7）數(shù)值計算

①e≤30°時，整流電壓平均值（負(fù)載電流連續(xù)）：

?Ud=-----6J2U2Sinωtd（ωt）=~----UCoSa=1.17。2CoSa

2萬2

36

?當(dāng)α=0°時，Ud最大，Ud=I」7。2。

②α>3O°時，整流電壓平均值(負(fù)載電流斷續(xù))：

?Ud=—^―LV2(∕2sinωfj(<υf)=^^?(72[l+cos(-+α)]=0.675t∕9∏+cos(-+α)]

2J—+α2乃66

一萬6

3

?當(dāng)α=150°時，Ud最小，4=0。

③負(fù)載電流平均值：

∕d=-?o

④晶閘管承受的最大反向電壓：

為變壓器二次側(cè)線電壓的峰值，

URM=√2x√3t∕2=√6t∕2=2.4502

⑤晶閘管承受的最大正向電壓：

如相，二次側(cè)相電壓與晶閘管正向電壓之和為負(fù)載整流輸出電壓由于最小為因此晶閘管

aaUcl，Ud0，

最大正向電壓UFM=同2。

2.2.1.2阻感負(fù)載

(1)三相半波可控整流電路帶阻感負(fù)載時的原理圖

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

②當(dāng)aM30°時，整流電壓波形與電阻負(fù)載時相同，因為兩種負(fù)載情況下，負(fù)載電流均連續(xù)。

(2)三相半波可控整流電路帶阻感負(fù)載時的波形圖(a=60。)

定義：&|時刻為自然換向點后60°,α2和日3時刻依次間距120°。

①<"∣~"2:

?VTl承受正壓并觸發(fā)導(dǎo)通，過自然換向點后a相電壓仍大于O,VTl仍持續(xù)導(dǎo)通。

?a相過零點后，由于電感的存在，阻止電流下降，因而VTl仍持續(xù)導(dǎo)通。

wd="a，'a='d=∕<i，?=?=θ,MVT∣=°。

(2),"2?歟3*

?當(dāng)萌2時?亥I」，b相電壓最高，同時觸發(fā)導(dǎo)通，則VT2導(dǎo)通，這樣VTl承受反壓關(guān)斷，由VT2向負(fù)載供電。

M

?αc∣="b，'b='d='d，'a='c=。，VT∣="ab。

③ωt^~6JQ:

?工作過程與上述相同。

"d=MC,'c='d=^d,'a~?=。，MVT∣=U

(3)三相半波可控整流電路帶阻感負(fù)載不同觸發(fā)角工作時的情況總結(jié)

①阻感負(fù)載狀態(tài)下，由于大電感的存在，使負(fù)載電流始終處于連續(xù)狀態(tài)，各相導(dǎo)電120。。

②當(dāng)α>30。時，負(fù)載電壓〃d波形將出現(xiàn)負(fù)的部分，并隨著觸發(fā)角的增大，使負(fù)的部分增多。

③當(dāng)α=90°時，負(fù)載電壓eq波形中正負(fù)面積相等，〃d平均值為0。

④結(jié)合上述分析，三相半波可控整流電路帶阻感負(fù)載時α角的移相范圍為90°。

(4)數(shù)值計算

①整流電壓平均值(負(fù)載電流始終連續(xù))：［/d=1.17t∕2cosa0

②晶閘管承受的最大正反向電壓：

為變壓器二次側(cè)線電壓的峰值，UFM=URM=√2×√3t/2=瘋/2=2.45力

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:

負(fù)

載

(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(VI、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(VT4、VT6、VT2)稱為共陽極組，處于橋臂下端。

(4)晶閘管的導(dǎo)通順序：VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6O

3.2.2.1帶電阻負(fù)載時的工作情況(a=0。)

(1)基本說明

①自然換向點仍為a、b、C相的交點。

②將叫時刻（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、［I、III、IV、V、

VL

（2）波形圖分析

①階段I：

?a相電壓最大，b相電壓最小，觸發(fā)導(dǎo)通VTl（事實上，VT6己經(jīng)導(dǎo)通）

"abn

Md="ab，^VTM

1='VT1=°。

②階段II：

相電壓最大，相電壓最小，觸發(fā)導(dǎo)通

?aCVT2,則VT（,承受反壓（Hcb<0）而關(guān)斷,VT1持續(xù)導(dǎo)通。

■z^ac八

?〃d=%，vτ∣=—，wvτι=0o

③階段III：

相電壓最大，相電壓最小，觸發(fā)導(dǎo)通

?bCVT3,則VTl承受反壓（Mab<0）而關(guān)斷，VT2持續(xù)導(dǎo)通。

."be

?"d="be，,VT=,M=Hab。

1VT1

④階段IV:

?b相電壓最大，a相電壓最小，觸發(fā)導(dǎo)通VT4,則VT2承受反壓（"ac<0）而關(guān)斷，VT3持續(xù)導(dǎo)通。

zwwo

?〃d=〃ba，VT1=?VT1=ab

⑤階段V：

?C相電壓最大，a相電壓最小，觸發(fā)導(dǎo)通VT5,則VT3承受反壓（"bc<0）而關(guān)斷，VT4持續(xù)導(dǎo)通。

⑥階段VI：

?C相電壓最大，b相電壓最小，觸發(fā)導(dǎo)通VT6,則VT4承受反壓（"ba?0）而關(guān)斷，VT5持續(xù)導(dǎo)通。

(3)總結(jié)

①對于共陰極組的3個晶閘管來說，陽極所接交流電壓值最高的一個導(dǎo)通；對于共陽極組的3個晶閘管來說,

陰極所接交流電壓值最低的一個導(dǎo)通。

②每個時刻均需2個晶閘管同時導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路，其中1個晶閘管是共陰極組的，1個是共陽

極組的，且不能為同1相的晶閘管。

③對觸發(fā)脈沖的要求：6個晶閘管的脈沖按VTl-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。。

④共陰極組VTi、VT3、VT5的脈沖依次差120°,共陽極組VT2、VT4、VT6的脈沖依次差120°。

⑤同一相的上下兩個橋臂，即VTl與VT4,VT3與VT6,VT5與VT2，脈沖相差180°。

⑥整流輸出電壓"d一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈沖整流電路。

3.2.2.2帶電阻負(fù)載時的工作情況(α=30°)

(1)基本說明

①自然換向點仍為a、b、C相的交點。

②"|時刻為a相30。觸發(fā)角位置，將該時刻后的一個電源周期360。分成6段，每段電角度為60°,分別為I、

II、III、IV、V、VL

(2)波形圖分析

①階段I：

?a相電壓最大，b相電壓最小，觸發(fā)導(dǎo)通VTl（事實上，VT6已經(jīng)導(dǎo)通）

?當(dāng)過b、C相交點后，雖然b電壓高于C相電壓，但是由于未觸發(fā)導(dǎo)通VT2,且a相電壓仍高于b相，因

此整個階段I中，VTI和VT6持續(xù)導(dǎo)通。

Ml

?〃d=?ab，VT1=θ''a=d=~°

②階段II：

?分析過程同階段I,VTI和VT2持續(xù)導(dǎo)通。

?"d=“ac，"VT]=O，%=Q=貸。

③階段III：

?分析過程同階段I,VT2和VT3持續(xù)導(dǎo)通。

?"d="bc，"VT|="ab，，a=。。

④階段IV：

?分析過程同階段I,VT3和VT4持續(xù)導(dǎo)通。

M--

?"d=Uba，VT1="ab，％=?=-。

⑤階段V：

?分析過程同階段I,VT4和VTs持續(xù)導(dǎo)通。

."ca

ww,

?"d="ca'VT1=ac

⑥階段VI：

?分析過程同階段I,VT5和VT6持續(xù)導(dǎo)通。

?Nd="cb，wVT∣="ac，％=°。

（3）總結(jié)

①與α=0。時相比，晶閘管起始導(dǎo)通時刻推遲了30°,組成〃d的每一段線電壓因此推遲30°，〃d平均值降低。

②VTl處于通態(tài)的120。期間,變壓器二次側(cè)a相電流ia>0,波形與同時段的"d波形相同。Vh處于通態(tài)的120。

期間，%波形與同時段的"d波形相同，但為負(fù)值。

3.2.2.3帶電阻負(fù)載時的工作情況（α=60。）

（1）波形圖分析

①階段I：

?a相電壓最大，C相電壓最小，通過以往經(jīng)驗知道VT6己經(jīng)導(dǎo)通，此時觸發(fā)導(dǎo)通VT"不觸發(fā)VT2,則整

個階段1中，VTI和VT6持續(xù)導(dǎo)通。

w

"d=Uab，VT1=O。

②階段II：

?b相電壓最大，C相電壓最小，此時觸發(fā)導(dǎo)通VT2,則VT6承受電壓“cb<0而關(guān)斷，而a相電壓仍比C相

大，因此VTI和VT2持續(xù)導(dǎo)通。

?"d="ac，wVT∣=°。

③階段III：

?分析過程同階段H,VT2和VT3持續(xù)導(dǎo)通。

w

?〃d="bc，VT1="ab。

④階段M

?分析過程同階段H,VT3和VT4持續(xù)導(dǎo)通。

〃d="ba，〃VT]="ab°

⑤階段V:

?分析過程同階段H,VT4和VT5持續(xù)導(dǎo)通。

?"d="ca，〃VT]="ac。

⑥階段VI：

?分析過程同階段H,VT5和VT6持續(xù)導(dǎo)通。

?"d="cb，MVTJ=wac。

(2)總結(jié)

①與α=30"時相比，晶閘管起始導(dǎo)通時刻繼續(xù)向后推遲30°,〃d平均值繼續(xù)降低，并出現(xiàn)了為零的點。

②當(dāng)a460。時，，J波形均連續(xù)，對于電阻負(fù)載，I波形與"d波形的形狀一樣，保持連續(xù)。

3.2.2.4帶電阻負(fù)載時的工作情況(a=90。)

(1)a260。時整流電路觸發(fā)脈沖要求

①a260°時，負(fù)載電流將出現(xiàn)斷續(xù)狀態(tài)，這樣為確保電路的正常工作，需保證同時導(dǎo)通的2個晶閘管均有觸

發(fā)脈沖。

②方法一：采用寬脈沖觸發(fā)，即觸發(fā)脈沖的寬度大于60°,一般取80。~100。。

③方法二：采用雙脈沖觸發(fā)，即在觸發(fā)某個晶閘管的同時，給序號緊前的一個晶閘管補發(fā)脈沖。即用兩個窄

脈沖代替寬脈沖，兩個窄脈沖的前沿相差60",脈寬一般為20。~30。。

(2)波形圖分析

NNNNNN

①階段I：

?前半段內(nèi)，"a>Wb>"c,通過以往經(jīng)驗知道VT6己經(jīng)導(dǎo)通，此時觸發(fā)導(dǎo)通VTi,不觸發(fā)VT2，則VTl和

VT6導(dǎo)通。"d=“ab，id=iγτ?=ia=半。

?后半段內(nèi)，"l,>"a>%，出現(xiàn)a、b相交點,則過交點后VT6和VTl承受反壓關(guān)斷?！╠=0，，d=/=?a=0。

②階段II:

?前半段內(nèi)，"b>"a>"c,此時觸發(fā)導(dǎo)通VT2,同時采用寬脈沖或雙脈沖方式觸發(fā)VTl導(dǎo)通。，J="ac，

,,."d

d=vτ1=L=N。

=,

?后半段內(nèi)，uh>uc>Ua,出現(xiàn)a、C相交點,則過交點后VTI和VT2承受反壓關(guān)斷。Wd=0,/d=∕'vτ∣a=θ。

③階段III：

?前半段內(nèi)，VT2和VT3持續(xù)導(dǎo)通。"d=“bc，"=半，ivη=ia=0。

?后半段內(nèi)，wd=0,zc∣=z'vτ1=Za=Oo

④階段IV：

?前半段內(nèi)，VT3和VT4持續(xù)導(dǎo)通。Hd=?a.∕d=-4=?y>/VT1=0?

?后半段內(nèi)，〃d=0，,d=zVTj="a=Oo

⑤階段V：

?前半段內(nèi)，VT4和VT5持續(xù)導(dǎo)通。"d=〃ca，，d=Ta=黃，5=0。

?后半段內(nèi)，〃d=0，id=ivη=ia=0。

⑥階段VI：

?前半段內(nèi)，VT5和VT6持續(xù)導(dǎo)通。"d=〃cb，id=半，％τ∣=ia=0。

?后半段內(nèi)，MtI=0,∕tj=ZVTI=za=Oo

(3)總結(jié)

①當(dāng)α260°時，負(fù)載電流將出現(xiàn)斷續(xù)狀態(tài)。

②當(dāng)α=1200時，整流輸出電壓“d波形全為零，因此帶電阻負(fù)載時的三相橋式全控整流電路a角的移相范圍

是120。。

3.2.2.7三相橋式全控整流電路的定量分析

(1)帶電阻負(fù)載時的平均值

①特點：α460。時，整流輸出電壓連續(xù)；6()。<α<120。時，整流輸出電壓斷續(xù)。

②整流電壓平均值計算公式：以“d所處的線電壓波形為背景，周期為?。

2;T

1:.....f^α/-

a≤60°：Ud=—3√6f∕9sinωtd(ωt)=2.34t∕2cosα

3^3

60o<α<120o:Ud=^u2sinωtd(ωt)=2.34i∕[1+cos(-+α)J

乃J—+α32

-3

3

③輸出電流平均值計算公式：Id=*。

3.7整流電路的有源逆變工作狀態(tài)

3.7.1逆變的概念

3.7.1.1什么是逆變？為什么要逆變？

(1)逆變定義：生產(chǎn)實踐中，存在著與整流過程相反的要求，即要求把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，這種對應(yīng)于整

流的逆向過程，定義為逆變。

(3)逆變電路定義：把直流電逆變成交流電的電路。

(4)有源逆變電路：將交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)時的逆變電路，實質(zhì)是整流電路形式。

(5)無源逆變電路：將交流側(cè)不與電網(wǎng)連結(jié)，而直接接到負(fù)載的電路，即把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可調(diào)頻

率的交流電供給負(fù)載的電路。

(6)有源逆變電路的工作狀態(tài)：只要滿足一定條件，可控整流電路即可以工作于整流狀態(tài)，也可以工作于逆

變狀態(tài)。

3.7.1.3逆變產(chǎn)生的條件

(1)單相全波電路(相當(dāng)發(fā)電機)-電動機系統(tǒng)

(2)單相全波電路(整流狀態(tài))-電動機(電動狀態(tài))系統(tǒng)

①電動機處于電動運行狀態(tài)，全波電路處于整流工作狀態(tài)(0<α<]),直流輸出電壓Uct>0,而且Ud>EM，

Ud-EM

才能輸出電樞電流/d

質(zhì)

②能量流向：交流電網(wǎng)輸出電功率，電動機輸入電功率。

(3)單相全波電路(有源逆變狀態(tài))-電動機(發(fā)電回饋制動)系統(tǒng)

①電動機處于發(fā)電回饋制動運行狀態(tài)，由于晶閘管單向?qū)щ娦?，電路?nèi)/d的方向依然不變。

②這樣，要保證電動機有電動運行變成發(fā)電回饋制動運行，必須改變EM的極性，同時直流輸出電壓Ud也改

變極性（Ud<0，?!?<α<z）。

③此時，必須保證IEMI>∣Ud∣,幾二迎二"，才能把電能從直流側(cè)送到交流側(cè)，實現(xiàn)逆變。

④能量流向：電動機輸出電功率，交流電網(wǎng)吸收電功率。

⑤全波電路有源逆變工作狀態(tài)下，為什么晶閘管觸發(fā)角處眨?。5仍能導(dǎo)通運行?

答：主要由于全波電路有外接直流電動勢EM的存在且廬M∣>∣Ud∣，這是電動機處于發(fā)電回饋制動狀態(tài)時得到

的，這樣能夠保證系統(tǒng)得到很大的續(xù)流，即使晶閘管的陽極電位大部分處于交流電壓為負(fù)的半周期，但是仍能

承受正向電壓而導(dǎo)通。

（4）有源逆變產(chǎn)生的條件

①變流電路外側(cè)要有直流電動勢，其極性必須和晶閘管的導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)大于變流電路直流側(cè)的平均

電壓。

②要求晶閘管的控制觸發(fā)角α>],使Ud為負(fù)值。

第4章逆變電路

（1）逆變定義：將直流電能變成交流電能。

（2）有源逆變：逆變電路的交流輸出側(cè)接在電網(wǎng)上。

（3）無源逆變：逆變電路的交流輸出側(cè)直接和負(fù)載相連。

4.2電壓型逆變電路

（1）逆變電路分類：根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)可以分為電壓（源）型逆變電路和電流（源）型逆變電路。

（2）電壓（源）型逆變電路VSI：直流側(cè)為電壓源。

（3）電流（源）型逆變電路CSI：直流側(cè)為電流源。

（4）電壓型逆變電路舉例：

①直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。

②由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流

波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。

③當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時，需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。

④圖中逆變橋各臂都并聯(lián)反饋二極管，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道。

4.2.1單相電壓型逆變電路

4.2.1.1半橋逆變電路

(1)電路原理圖

①由兩個橋臂組成，其中每個橋臂均包含一個可控器件和一個反并聯(lián)二極管。

②直流輸入側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的連接點為直流電源的中點。

③負(fù)載連接在直流電源中點和兩個橋臂連接點之間。

(2)柵極驅(qū)動信號

①開關(guān)器件Vl和V2的柵極信號在一個周期內(nèi)半周正偏，半周反偏，且二者互補。

②0~，2：Vl柵極高電平，V2柵極低電平。

③t2~t4:V2柵極高電平，Vl柵極低電平。

④t4~t6:Vl柵極高電平，V2柵極低電平。

(3)電壓與電流波形圖

①0~，2：Vl柵極高電平，V2柵極低電平，因此Vl為通態(tài)，V2為斷態(tài)，則負(fù)載電壓"o=Um=Ud/2。

②，2時刻：Vl開始關(guān)斷，但感性負(fù)載中的電流i。不能立即改變方向，于是VD2導(dǎo)通續(xù)流(稱為續(xù)流二極管),

則負(fù)載電壓"o=T/m=-?l/2。直到，3時刻i。降為零時，VD2截止，V2開始導(dǎo)通，負(fù)載電壓仍為

"o=-Unl=-Ud/2，，0反向。

③其他時刻同理。

(4)有功功率與無功功率

①當(dāng)Vl或V2為通態(tài)時，負(fù)載電流與電壓同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量。

②當(dāng)VDl或VD?為通態(tài)時，負(fù)載電流與電壓反向，則負(fù)載電感中儲存的能量向直流側(cè)反饋，即負(fù)載電感將

其吸收的無功能量反饋回直流側(cè)，反饋回的能量暫時儲存在直流側(cè)電容中，直流側(cè)電容器起著緩沖這種無功能

量的作用。

(5)應(yīng)用說明

①上述電路中開關(guān)器件若為晶閘管，則需要使用強迫換流電路。

②半橋逆變電路優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，使用器件少，但缺點是輸出交流電壓幅值僅為Uci/2,且直流側(cè)需要兩個

電容器串聯(lián)。

③半橋逆變電路常使用在幾千瓦以下的小功率逆變電源中。

4.2.2三相電壓型逆變電路

4.2.2.1三相電壓型橋式逆變電路

(1)電路圖

①開關(guān)器件為IGBT。

②直流側(cè)由兩個電容器組成，電壓中點為N，。

③直流電壓為%，因此"+"電壓為4/2,"一”電壓為-Ud/2。

④負(fù)載側(cè)中點為N。

(2)工作方式(180°導(dǎo)電方式)

①每個橋臂(上或下)的導(dǎo)電角度為180。，同一相上下兩個橋臂交替導(dǎo)電,各相開始導(dǎo)電的角度依次相差120。。

O0~60°60o~120o120o~180o180o~240o240o~300°300o~360°

ViViViV4V4V4

V6V6V3V3V3V6

V5V2V2V2V5V5

②任一瞬間，將有三個橋臂同時導(dǎo)通，可能是上面一個橋臂下面兩個橋臂，也可能是上面兩個橋臂下面一個

橋臂同時導(dǎo)通。

③每一次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行，即縱向換流。

(3)負(fù)載線電壓波形

①針對U相，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時，"u!√=Ud/2,當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時，"u(√=-Ud/2,因此"UN，是幅值為4/2

的矩形波，V、W兩相的情況與U相類似。

②"UN，'"VN，、^WN,相位依次相差120°o

UUV=UUN-UVN

③負(fù)載線電壓公式：UVW=UVN，-UWN，，幅值為Ud的矩形波，相位依次相差120。。

UWU=UWN'-UUN'

(4)負(fù)載相電壓及中點電壓波形

UUN=U(JN，-UNN'

①負(fù)載相電壓公式：，UVN=UVN，-UNN，

UWN=UWN'-UNN'

其中，,為負(fù)載中點與直流電源中點之間的電壓。

UNNNN，

②上式中，通過求解,才能得出負(fù)載相電壓

UNN

將上式相力口:UUN+UVN+UWN=UUN，+UVN+UWbr-3Ufq^r

貝N，+UWN)

U:U^=§(UUK+UV+Uwbr)-§(UUN+UvN

考慮負(fù)載側(cè)為三相對稱負(fù)載，即UUN+UVN+UWN=。

因此：

UNN，=；(υ8,+UVN+UWbr)

③中點電壓UNN，的波形：矩形波，頻率為UUN，的3倍，幅值為UUN，的1/3倍，即Ud/6。