《电力电子技术》学习指导

1《电力电子技术》学习指导书编写：徐立娟雷翔霄长沙民政职业技术学院2前言《电力电子设备的安装与调试》是高等职业技术院校电类和机类专业的一门非常重要的专业基础课。但学生在学习本课程的过程中，普遍反映该课程的练习题求解较困难。因此编此学习指导书，以帮助学生牢固掌握基础知识，同时提高分析问题和解决问题的能力。本指导书是与该课程教材配套的，共六个模块，包括调光灯、三相可控整流电源、开关电源、中频感应加热电源、变频器。每模块又由六部分组成：1．本模块学习目标与要求——对学生学习本模块所提出的要求，哪些知识要理解或掌握、哪些能分析计算、哪些会正确应用、哪些是一般了解，让学生在学习时能有的放矢。2．主要概念提示及难点释疑——概括本模块的主要概念、难点问题的解决、突出重点，便于学生了解和掌握本课题主要内容，帮助学生解释难点。3．学习方法——是对学生学习提出的学习意见。4．典型题解析——通过对本模块典型立体的分析、计算，给学生以结题的启示，引导和扩展解题的思路，培养和提高学生分析和解决问题的能力。5．自我检测题——巩固重点内容，突破疑难问题，加深对基本概念、基本电路的理解，有利于学生从中归纳总结分析和计算的思路、方法以及规律。6．自我检测题答案——给出答案，有利学生自学、自练和自查，提高对课程基本内容的掌握程度。编者2008年11月3目录模块一调光灯……………………………………………………………………………………4模块二三相整流电源…………………………………………………………………………34模块三开关电源………………………………………………………………………………51模块四中频感应加热电源……………………………………………………………………58模块五变频器…………………………………………………………………………………634模块一调光灯调光灯在日常生活中的应用非常广泛，本模块通过对调光灯电路相关的知识：晶闸管、双向晶闸管、单相半波可控整流电路、单相交流调压、单结晶体管触发电路等内容的介绍和分析。使学生能够理解电路的工作原理，掌握电路原理图的绘制、电路分析的方法和电路的基本调试技能。一、学习目标与要求1．认识普通晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管和单结晶体管器件。2．会选用和检测普通晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管和单结晶体管。3．能分析普通晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管和单结晶体管的工作原理。4．能分析单相半波整流电路和单结晶体管触发电路的工作原理。5．能了解触发电路与主电路电压同步的基本概念。6．学会调光灯电路的安装与调试技能。7．在小组合作实施项目过程中培养与人合作的精神。二、主要概念提示及难点释疑1．晶闸管导通、关断条件1）晶闸管导通条件：阳极加正向电压、门极加适当正向电压。注意：阳极加正向电压是指阳极电位高于阴极电位，阳极电位可以是正也可以是负。门极正向电压是指门极电位高于阴极电位。2）关断条件：流过晶闸管的阳极电流小于维持电流。可以通过降低晶闸管阳极－阴极间电压或增大主电路中的电阻。2．晶闸管主要参数1）额定电压：用等级表示，选用管子时额定电压常常时实际工作时可能承受的最大电压的2～3倍。2）额定电流注意：不同于通常电气元件以有效值来定义额定电流，而是以平均值来定义的。选择管子时要用有效值相等原则即流过晶闸管实际电流的有效值等于（小于更好）管子的额定电流有效值。53．单相半波可控整流电路工作原理及参数计算1）几个名词术语和概念控制角：控制角也叫触发角或触发延迟角，是指晶闸管从承受正向电压开始到触发脉冲出现之间的电角度。导通角θ：是指晶闸管在一周期内处于导通的电角度。移相：移相是指改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角的大小。移相范围：移相范围是指一个周期内触发脉冲的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。2）分析工作原理、绘制输出电压ud波形时要抓住晶闸管什么时候导通、什么时候关断这个关键。3）电感性负载时，理解输出负电压的原因。关键是理解电感储存、释放能量的性质。4）参数计算时要根据输出波形，应用电工基础中平均值、有效值的概念来推导计算公式。5）续流二极管的作用：使负载不出现负电压，提高输出电压。4．单结晶体管触发电路1）单结晶体管的伏安特性图1－1单结晶体管伏安特性（a）单结晶体管实验电路（b）单结晶体管伏安特性（c）特性曲线族2）单结晶体管的张驰振荡电路6（a）（b）图1－2单结晶体管张驰振荡电路电路图和波形图（a）电路图（b）波形图3）单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路如图1－3所示。由同步电路和脉冲移相与形成两部分组成的。图1－3单结晶体管触发电路4．双向晶闸管的触发方式双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式：1）Ⅰ+触发方式主极T1为正，T2为负；门极电压G为正，T2为负。2）Ⅰ-触发方式主极T1为正，T2为负；门极电压G为负，T2为正。3）Ⅲ+触发方式主极T1为负，T2为正；门极电压G为正，T2为负。4）Ⅲ-触发方式主极T1为负，T2为正；门极电压G为负，T2为正。5．双向晶闸管的参数1）双向晶闸管额定通态电流不同于普通晶闸管的额定通态电流。前者用交流有效值标定，后者用正弦半波平均值标定，选择晶闸管时不能混淆。例如双向晶闸管额定通态电流为7100A，若用两个反并联的普通晶闸管代替，按有效相等的原则，得210057.1)(AVTI，所以，AIAVT45257.1100)(。因此一个100A的双向晶闸管与两个45A反并联的普通晶闸管等效。2）在选择双向晶闸管的额定通态电流时，要考虑到电动机的启动电流的影响，在交流开关的主电流中串入空心电抗器，可抑制换向电压上网率，降低对双向晶闸管换向能力的要求。6．交流调压电路（1）单相交流调压电路电感性负载时，要用宽脉冲触发晶闸管，否则在＜（负载功率因数角）时，会使一个晶闸管不能导通，负载波形只有半周，出现很大的直流分量，电路不能正常工作。（2）单相交流调压电路电阻性负载时，移相范围是=0°~180°，而电感性负载时，移相范围是=~180°（3）交流功率调节容量较大时，应采用三相交流调压。三相交流调压电路接线方式及性能特点见教材。（4）交流调压可以采用移相触发也可以采用过零触发来实现。过零触发就是在电压为零附近触发晶闸管导通，在设定的周期内改变晶闸管导通的频率树来实现交流调压或调功率。7．单相桥式全控整流电路1）电路使用了四个晶闸管，触发电路需发出在相位上相差180°的两组触发脉冲。2）电阻性负载时，在电源电压正负半周内，两组晶闸管VT1、VT4和VT2、VT3轮流导通向负载供电，使得输出电压波形为单相半波电路输出电压波形的两倍。单相全控桥式整流电路带电阻性负载电路参数的计算：①．输出电压平均值的计算公式：2cos19.0)(sin2122UttdUUd②．负载电流平均值的计算公式：2cos19.02ddddRURUI8③．输出电压的有效值的计算公式：2sin21)()sin2(1222UtdtUU④．负载电流有效值的计算公式：2sin212dRUI⑤．流过每只晶闸管的电流的平均值的计算公式：2cos145.0212dddTRUII⑥．流过每只晶闸管的电流的有效值的计算公式：IRUtdtRUIddT2122sin41)()sin2(21222⑦．晶闸管可能承受的最大电压为：22UUTM3）电感性负载时，如电感足够大，输出电压波形出现负值。α＜90°时，电流连续，Ud=0~0.9U2；α＞90°时，电流断续，Ud≈0。4）单相全控桥式整流电路带电感性负载电路参数的计算：①．输出电压平均值的计算公式：cos9.02UUd②．负载电流平均值的计算公式：cos9.02ddddRURUI③．流过一只晶闸管的电流的平均值和有效值的计算公式：ddTII21dTII21④．晶闸管可能承受的最大电压为：22UUTM98．单相桥式半控整流电路1）电路是用两只二极管代替了单相桥式全控整流电路种的两只晶闸管，只能用于整流而不能用于逆变。2）大电感负载时存在自然续流和失控现象3）单相全控桥式整流电路带电阻性负载电路参数的计算：①．输出电压平均值的计算公式：2cos19.02UUd的移相范围是0°～180°。②．负载电流平均值的计算公式：2cos19.02ddddRURUI③．流过一只晶闸管和整流二极管的电流的平均值和有效值的计算公式：ddDdTIII21IIT21④．晶闸管可能承受的最大电压为：22UUTM4）加了续流二极管后，单相全控桥式整流电路带电感性负载电路参数的计算如下：①．输出电压平均值的计算公式：2cos19.02UUd的移相范围是0°～180°。②．负载电流平均值的计算公式：2cos19.02ddddRURUI③．流过一只晶闸管和整流二极管的电流的平均值和有效值的计算公式：ddDdTIII2dDTIII210④．流过续流二极管的电流的平均值和有效值分别为：dddDRIII22dDRII⑤．晶闸管可能承受的最大电压为：22UUTM三、学习方法1．对比法：双向晶闸管的学习与普通晶闸管对比，找出他们的异同；移相触发与过零触发比较，找出各自优缺点。电阻性负载和电感性负载以及电感性负载接续流二极管的电路对比分析。2．波形分析法：波形分析法是整流电路以及触发电路的工作原理分析最有效的方法，读者要学会利用波形分析来分析电路工作原理。3．讨论分析法：读者要学习与他人讨论分析问题，并了解其他读者的学习方法和学习收获，提高学习效率。4．分析计算法：电路中各电量的计算要通过工作原理分析来推导。5．理论联系实际法：将理论波形和实际波形联系起来，对照分析。四、典型题解析例1－1晶闸管导通的条件是什么？导通后流过晶闸管的电流由什么决定？晶闸管的关断条件是什么？如何实现？晶闸管导通与阻断时其两端电压各为多少？解：晶闸管导通的条件是：晶闸管阳极和阴极之间加正向阳极电压。门极和阴极之间加适当的正向阳极电压。导通后流过晶闸管的电流由主电路电源电压和负载大小决定。晶闸管的关断条件是：阳极电流小于维持电流。关断晶闸管可以通过降低晶闸管阳极－阴极间电压或增大主电路中的电阻。晶闸管导通时两端电压为通态平均电压（管压降），阻断时两端电压由主电路电源电压决定。例1－2调试图1－4所示晶闸管电路，在断开负载Rd测量输出电压Ud是否可调时，11发现电压表读数不正常，接上Rd后一切正常，请分析为什么？图1－4例1－2图解：当S断开时，由于电压表内阻很大，即使晶闸管门极加触发信号，此时流过晶闸管阳极电流仍小于擎住电流，晶闸管无法导通，电流表上显示的读数只是管子漏电流形成的电阻与电压表内阻的分压值，所以此读数不准。在S合上以后，Rd介入电路，晶闸管能正常导通，电压表的读数才能正确显示。例1－3画出图1－5所示电路电阻Rd上的电压波形。图1－5习题1－3图解：例1－4说明晶闸管型号KP100-8E代表的意义。解：KP100-8E表示额定电流100A、额定电压8级（800V、通态平均电压组别E（0.7＜UT≤0.8）普通晶闸管。例1－5晶闸管的额定电流和其他电气设备的额定电流有什么不同？解：由于整流设备的输出端所接负载常用平均电流来衡量其性能，所以晶闸管额定电流12的标定与其他电器设备不同，采用的是平均电流，而不是有效值，又称为通态平均电流。所谓通态平均电流是指在环境温度为40℃和规定的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170°电阻性负载电路中，当不超过额定结温且稳定时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。例1－6型号为KP100－3、维持电流IH＝3mA的晶闸管，使用在图1－6所示的三个电路中是否合理？为什么（不考虑电压、电流裕量）？图1－6例1－6图解：（a）图的目的是巩固维持电流和擎住电流概念，擎住电流一般为维持电流的数倍。本题给定晶闸管的维持电