浙大电子电力技术课程常见问题解答

1电子电力技术课程常见问题解答概论：1.什么是电力电子技术？电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如SCR、MOSFET、IGBT等）对电能进行变换和控制的技术，电力电子器件工作在“开关”状态。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同，电力电子技术主要用于电力变换。2.电力电子技术主要包含哪些内容？电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术（AC-DC、AC-AC、DC-AC、DC-DC等）两个分支。电力电子器件制造技术主要是以半导体物理学、微电子学等学科为基础，采用一定工艺制造电力电子器件；变流技术主要是根据电子学的理论基础、电力电子器件的特点和电能转换的要求，利用电力电子器件和常规器件搭建电路，以实现电能转换的目的。3.电力电子技术有何作用？(1)优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。(2)改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。(3)电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化。2(4)电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化。4.电力电子技术有哪些应用？(1)电力电子技术与电机控制相结合，利用电力电子装置驱动电机，实现电机高性能控制，广泛应用在工业传动系统、电气化铁路、电动汽车、家用电器、航空、航海等。(2)电力电子技术能够实现对电能的变换，因而成为电力系统不可缺少的部分。电力电子装置广泛应用在高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿等各个方面。(3)制作电源。利用电力电子技术将工频市电变换为各种需求的电能，以满足电脑、手机等各种电子装置的需求。(4)除以上几种之外，电力电子技术还应用在航天飞行器、不间断电源（UPS）、新能源等众多领域。5.如何学好电力电子技术？学好电力电子技术，可以从以下两个方面入手：(1)了解并掌握电力电子器件的特点、功能和控制方法。这是学习电力电子技术、分析电路的基础。(2)理解四种变流技术的功能作用。在学习每种变流技术时，有很多电路拓扑能够实现变流功能，应该在理解电路实现功能的基础上，注意分析电路的工作过程和原理，培养电路分析的能力。第1章：功率半导体器件1.常见电力电子器件有哪些？各有何特点？3常见的电力电子器件主要有大功率二极管：大功率二极管允许电流单向流通，不能控制电流通断。是不可控器件。晶闸管（SCR）：也称可控硅，价格便宜，工作可靠，能承受很大电压电流，电流单向流通，但只能控制其开通，无法控制其关断，只能依靠反向电压使其自然关断，属半控型器件。大功率晶体管（GTR）：可控制其开通、关断，是全控型器件，电流容量较大，但存在二次击穿现象，可靠性稍差。功率场效应晶体管（MOSFET）：电压全控型器件，开关速度高，运行稳定可靠，电流容量低，应用很广。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）：MOSFET和GTR的复合器件，集中了二者的优点：开关速度快，电流电压容量大，是最常用的全控型器件。2.如何控制电力电子器件开通关断？对于不同的器件，有不同的驱动电路控制其开通关断。有些驱动电路很复杂，为了便于使用，很多电子器件生产厂家将电力电子器件的驱动电路集成在一块芯片里，形成驱动芯片。甚至可以将电力电子器件及其驱动电路和过电压、过电流检测功能电路集成在一块芯片上，形成经常用到的“智能功率模块”——IPM。3.什么是功率半导体器件？与模拟电路中普通半导体器件有何区别？功率半导体器件即电力电子器件，是主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面的大功率电子器件。与模拟电路中普通半导体器件相比，有以下两点不同：大功率。功率半导体器件能够承受很高的电压和电流，一般都需要安装散热器。4工作状态不同。模拟电路中普通半导体器件工作在线性放大状态，而功率半导体器件则工作在开关状态。4.什么是电流控制型开关器件？什么是电压控制型开关器件？各有何特点？电流控制型器件：通过在控制端注入或抽出电流来实现开通或关断的器件。其特点是开通时压降低，损耗小，但工作频率低，驱动功率大，驱动电路复杂。电压控制型器件：通过在控制端和另一公共端之间加入一定的电压信号来控制开通或关断的器件。其特点是驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。第2章：功率半导体器件的驱动与保护1.SCR的驱动脉冲有什么要求？(1)触发脉冲要有一定的功率和宽度。功率半导体器件开通与关断并不是瞬时完成的，有一个动态的过程，触发脉冲应有一定的宽度，脉冲前沿要陡，以保证器件可靠开通或关断。(2)在驱动并联器件时，触发脉冲应具有很高的强度，以保证并联器件同时导通。(3)触发脉冲应保持与电源电压的同步，保证在功率器件承受正向电压时输出触发脉冲使器件导通。(4)隔离输出方式和抗干扰能力。驱动电路常采用独立电源供电，应注意其与主电路的隔离，以避免主电路对触发脉冲的干扰。2.为何要对功率半导体器件（以SCR为例）进行保护？(1)在变流装置拉、合闸和器件关断等经常性操作中电磁过程可能引起过电压。过电流而损坏器件。例如SCR的关断过电压。(2)电网中，雷击等偶然原因会产生过电压而损坏器件。5(3)变流装置内部击穿或短路，触发电路故障或外部负载短路等问题可能引发过电流而损坏器件，甚至引发火灾。(4)过大的电流上升率会损坏器件，过大的电压上升率则会造成晶闸管误导通，因此也需要进行保护。第3章：交流-直流（AC-DC）变换1.常见整流电路有哪些？全控整流与不控整流各有何特点？常见整流电路：单相半波可控整流电路、单相桥式可控整流电路、单相桥式半控整流电路、三相半波可控整流电路、三相桥式可控整流电路。、全控整流电路可以通过控制触发角来控制整流得到的电压或电流，但其交流侧电压电流畸变严重，谐波含量大，造成谐波污染；而不控整流电路虽不能控制整流得到的电压或电流，但其交流侧电压电流波形很好，无谐波，无驱动电路，控制简单。2.多重化整流电路有什么作用？整流装置功率很大时，所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随之加大，采用多重化整流电路可以用来减轻干扰。输出电压波头数越多，电压谐波次数越高，谐波幅值越小，因此大功率的整流装置采用多相整流电路利于减轻谐波干扰。第4章：直流-直流（DC-DC）变换1.DC-DC电路有何用途？DC-DC电路起到直流电升、降压，极性变换，阻抗变换等作用。2.DC-DC电路有哪些类型？可分为无变压器隔离的Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk等电路，有变压器隔离的正激式、反激式、桥式隔离变换电路。6第5章：直流-交流（DC-AC）变换1.什么是逆变？根据逆变后交流电能的使用方式，逆变分为几类？将直流电变为交流电的过程称为逆变，它是交流电变成直流电的逆过程。根据逆变后交流电能的使用方式，逆变分为两类：将直流电逆变成电网频率的恒频交流电并输送给电网，再通过电网供给负载的称为有源逆变；逆变后交流电直接供给负载的称为无源逆变。2.逆变与变频有何关系？有源逆变是将直流电变换为电网频率的恒频交流电；无源逆变根据负载的不同可以输出不同频率的交流电，无源逆变仅仅是变频的一部分。变频分为两种形式：一种是先将交流电整流成直流电，再逆变成另一种特性的交流电，称为交—直—交变频，逆变是交—直—交变频中“直—交”部分；另一种是将一种交流电直接变换成另一种交流电，称为交—交变频，即交流变换技术。3.根据直流输入储能元件的不同，逆变电路分为哪几类？有何特点？分为两类：(1)电压源型逆变器：采用电容作为储能元件，使逆变器直流侧电压基本保持不变，有电压源特性，其输出电压波形接近矩形，电流与负载有关。直流电压方向无法变化，功率回馈只能通过改变电流方向来实现，因此需反并联续流二极管为电流提供反向通路。电压源逆变器浪涌过电压低，电流保护困难，主电路结构相对复杂，适合于稳频稳压电源、不可逆电力拖动系统、多台电机协同调速和快速性要求不高的场合。7(2)电流源逆变器：采用电感作为储能元件，使逆变器直流侧电流基本不变，有电流源特性，其输出电流波形为矩形，电压波形与负载有关。直流侧电流无法反向，功率回馈可通过改变电压方向来实现，无需反并联二极管，电路简单；大电感滤波，抗电流冲击能力强，电流保护容易，适合频繁加减速的单机可逆拖动系统。第6章：交流-交流（AC-AC）变换1.交—交变换与交—直—交变换相比，有何优势和缺点？省去了直流环节，提升了变换效率；可利用电网电压自然换流，无强迫换流装置，简化了电路，提升换流能力；但晶闸管交—交变频电路输入、输出特性差，输出交流频率只能低于输入频率，调频范围小，器件数量多，适合于大功率低速交流电机拖动系统。交—直—交变频方式虽然经过两次变换，效率低，但其器件数量少，输出频率基本无限制，调频范围大，输入输出特性也较好。2.交流调压电路和交流调功电路有什么区别？各适合于何种负载？交流调压电路是在交流电源的每个周期对输出电压波形进行控制。而交流调功电路是将负载与交流电源接通几个波，再断开几个周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。交流调压电路广泛用于灯光控制(如调光台灯和舞台灯光控制)及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。在供用电系统中，还常用于对无功功率的连续调节。此外，在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。如采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联;同样，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联。这都是十分不合理的。采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都8不太大也不太小，在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。交流调功电路常用于电炉温度这样时间常数很大的控制对象。由于控制对象的时间常数大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁控制。第7章：谐振软开关技术1.什么是软开关技术？软开关技术有何作用？软开关技术是指利用谐振原理，使电路中使开关器件中的电流或电压按正弦或准正弦规律变化。当电流或电压自然过零时,使器件开关，从而减少开关损耗。功率器件大多在开关过程中电流电压均不为零，从而引起开关损耗。这是一种“硬”开关的过程。开关频率越大，损耗越大，发热严重，电磁干扰增强，出现电磁兼容问题，严重妨碍了变流电路的高频化，降低了效率。为了解决以上问题，提出了“软”开关技术：利用谐振原理，使器件在其电压或电流为零时开关，从而降低了开关损耗，为变流电路高频化创造了条件。