電力電子技術教案

電力電子技術教案 應用電子技術教研室 電力電子技術教案 第1講: 緒論 1 什么是電力電子技術 2 電力電子技術發展概況 3 電力電子技術的應用 4 課程內容、任務及要求 第1章 電力電子器件 1.1 電力電子器件概述 講述電力電子器件的特征、發展以及分類 1.2 電力二極管 1.PN結與電力二極管的工作原理 電力二極管的基本特征 重點掌握動態特性的關斷特性和開通特性 電力二極管的主要參數 快速恢復二極管 第2講: 1.3 晶閘管 1.晶閘管的結構與工作原理 PNPN四層三端結構 重點掌握晶閘管的開通、關斷條件 2.晶閘管的基本特征 靜態特性和門極伏安特性,重點掌握動態特性的開通和關斷過程 3.晶閘管的主要參數 電壓定額 電流定額 選取SCR電流額定值時,依有效值相等的原則選取 動態參數 di/dt , dv/dt 門極參數 4.晶閘管的派生器件 第3講: 1.4 典型全控型器件 門極可關斷晶閘管GTO 重點掌握與普通晶閘管設計的不同――全控型器件 動態特性注意關端過程的儲存時間 最大可關端陽極電流 電流關斷增益 2.電力晶體管GTR 采用達林頓接法――大容量 二次擊穿問題 電力場效應晶體管MOSFET 用柵極電壓來控制漏極電流 垂直導電機制 體內反并聯二極管 柵源電壓大于20V將導致絕緣層擊穿,并聯15V穩壓管保護 絕緣柵雙極晶體管IGBT 體內寄生PNP晶體管帶來電導調制機制 擎住效應(動態、靜態) 1.6 電力電子器件的驅動 分為電流型和電壓型器件的驅動 晶閘管觸發電路的要求 電力MOSFET的驅動電路 1.7 電力電子器件的保護 過電壓保護 過電流保護 緩沖電路(吸收電路) 第4講: 第2章 整流電路 本章強調波形分析方法 2.1 單相可控整流電路 2.1.1 單相半波可控整流電路 存在直流磁化問題,很少應用 阻性負載 電路工作原理與工作波形 數量關系(Ud、Id、IVT) 阻感負載 理解關鍵:電感對電流變化有抗拒作用 電路工作原理與工作波形 電路特點 帶續流二極管時工作情況 2.1.2 單相橋式全控整流電路 阻性負載 阻感性負載 反電動勢負載 電路特點 注意停止導電角概念 2.1.3 單相全波可控整流電路 注意與單相橋式全控整流電路的不同點 2.1.4 單相橋式半控整流電路 帶續流二極管工作,否則會發生失控現象,相當于單相半波不可控電路 第5講: 2.2 三相可控整流電路 2.2.1 三相半波可控整流電路 存在直流磁化問題,輸出電壓波形一周期脈動3次 阻性負載 (1)原理分析與工作波形 注意自然換向點,=30o (2)數量關系 移相范圍150o,>30o,輸出電壓、電流斷續 阻感負載 原理分析與工作波形 由于存在電感,使輸出電流連續,輸出電壓出現負值 數量關系 移相范圍90o 第6講: 2.2.2 三相橋式全控整流電路 不存在直流磁化問題,輸出電壓波形一周期脈動6次 特別注意:輸出電壓在線電壓波形上 注意管子排列序號 自然換向點在線電壓60o處 阻性負載 (1)=0o、=30o、=60o工作波形 (2)同時導通的2個晶閘管均有觸發脈沖 寬脈沖觸發 雙窄脈沖觸發 (3)重要分析結論 (4)數量關系 阻感負載 (1)原理分析與工作波形 由于存在電感,使輸出電流連續,輸出電壓出現負值 (2)數量關系 移相范圍90o 第7講: 2.3 變壓器漏抗對整流電路的影響 換向重疊現象 換向壓降 換向重疊角的計算 2.5 整流電路的諧波和功率因數 2.5.1 諧波和無功功率分析基礎 諧波分析的基礎 功率因數的基本概念 2.5.2 帶阻感負載時可控整流電路交流側諧波和功率因數分析 講述單相橋式 第8講: 2.5.3 整流輸出電壓和電流的諧波分析 結論:含有m的倍數次諧波 隨諧波次數增加,諧波幅值下降 增加m,可使諧波含量減少 2.6 大功率可控整流電路 2.6.1 帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路 電路形式 平衡電抗器的作用及電路工作原理 輸出電壓波形及其平均值 關于平衡電抗器數值的選取 結論 第9講: 整流電路的有源逆變工作狀態 2.7.1 逆變的概念 什么是逆變?為什么要逆變? 直流發電機——電動機系統電能的流轉 有源逆變產生的條件及逆變工作原理 2.7.2 三相有源逆變電路 自然換相點同整流一樣,只是在負半周 >90o,輸出電壓為負值,工作于逆變狀態 三相半波逆變工作原理 三相橋式逆變工作原理 從自然換相點向左數角度,畫輸出電壓波形 第10講: 2.7.3 逆變失敗及最小逆變角限制 何為逆變失敗?原因? 脈沖丟失、脈沖延遲 晶閘管發生故障 交流電源異常 換向裕量角不足 最小逆變角的限制 2.8 晶閘管直流電動機系統 2.8.1 工作于整流狀態時 負載電流連續時電動機的機械特性 負載電流斷續時電動機的機械特性 2.8.2 工作于逆變狀態時 負載電流連續時電動機的機械特性 負載電流斷續時電動機的機械特性 第11講: 2.8.3 直流可逆電力拖動系統 兩組變流器的反并聯可逆電路 每組變流器都有2種工作狀態——整流和逆變 正反兩組有4種工作狀態——電動機4象限運行 2.9 相控電路的驅動控制 2.9.1 同步信號為鋸齒波的觸發電路 同步環節 鋸齒波形成環節 移相控制環節 第12講: 脈沖形成與放大環節 強觸發與隔離輸出環節 雙窄脈沖形成環節 脈沖封鎖環節 2.9.3 觸發電路的定相 同步電壓滯后于主電路電壓180 o,即滿足晶閘管對同步的要求 確定整流變壓器和同步變壓器的接法,即可選定每一晶閘管的同步信號 第13講: 第3章 直流斬波電路 3.1 基本斬波電路 3.1.1 降壓斬波電路 電路拓撲 工作原理分析 三種控制方式 電路解析,注意使電流連續的最小電感值 3.1.2 升壓斬波電路 電路拓撲 工作原理分析 升壓斬波電路的典型應用 3.1.3 升降壓斬波電路和CuK斬波電路 此兩種電路輸出與輸入電壓極性相反 Boost-Buck電路 穩態時,電感電壓在一周期的平均值為零 CUK斬波電路 穩態時,電容電流在一周期的平均值為零 第14講: 3.2 復合斬波電路和多相多重斬波電路 3.2.1 電流可逆斬波電路 1.V1和VD1構成降壓斬波器 2.V2和VD2構成升壓斬波器 3.兩斬波器交替工作 3.2.2 橋式可逆斬波電路 視為兩個電流可逆斬波電路的組合 3.2.3 多相多重斬波電路 注意相數和重數的概念 習題課:講解第1、2章作業 第15講:實驗1 第16講:實驗2 第17講:實驗3 第18講: 第4章 交流電力控制和交交變頻電路 4.1交流調壓電路 4.1.1 單相交流調壓電路 阻性負載 阻感負載 負載電流分解為穩態分量和暫態分量,得出結論: 時,;時, 斬控式交流調壓電路 4.1.2 三相交流調壓電路 相當于3個單相交流調壓電路的組合 6只晶閘管觸發順序,脈沖間隔60o 畫o時a相負載電壓波形 第19講: 4.2 其它交流電力控制電路 4.2.1 交流調功電路 4.2.2 交流電力電子開關 4.3 交交變頻電路 4.3.1 單相交交變頻電路 電路構成和基本工作原理 整流與逆變工作狀態 由i0決定哪組晶閘管工作 由io和u0方向決定整流或逆變 第20講: 輸出正弦波電壓的調制方法 注意余弦交點法求交點法的基本公式 輸入輸出特性 輸出上限頻率 輸入功率因數 4.3.2 三相交交變頻電路 三相交交變頻電路的主電路聯結方式 公共交流母線進線方式 輸出星形聯結方式 輸入輸出特性 輸出上限頻率和輸出電壓諧波 輸入電流諧波 輸入功率因數 第21講: 逆變電路 5.1 換流方式 5.1.1 逆變電路的基本工作原理 5.1.2 換流方式分類 器件換流 電網換流 負載換流 強迫換流 5.2 電壓型逆變電路 注意電路特點 5.2.1 單相電壓型逆變電路 半橋逆變電路 第22講: 2.全橋逆變電路 視為兩個半橋電路的組合 兩對橋臂交替180o導通 3.電壓型逆變電路輸出電壓的調節方式 調節直流側電壓 移相控制 PWM調壓控制方式 4.帶中間抽頭變壓器的逆變電路 5.2.2 三相橋式電壓型逆變電路 視為三個半橋組合而成,負載星形聯結 基本工作方式為180o導電方式 注意電路特點 簡單的定量分析 分析線電壓和相電壓的有效值、基波幅值和諧波 第23講: 5.3 電流型逆變電路 注意電路特點 5.3.1 單相電流型逆變電路 工作原理 重點理解換流過程、保證可靠換流的條件 換相時間、反壓時間、觸發引前角及相位超前角 定量分析 輸出電流 負載電壓有效值和直流電壓的關系 關于逆變工作頻率 他勵方式 自勵方式 第24講: 5.4 多重化逆變電路和多電平逆變電路 5.4.1 多重逆變電路 以二重單相電壓型逆變電路為例 5.4.2 多電平逆變電路 三電平逆變電路 通過二極管導通,把U(V、W)點電位箝位在輸入電壓中點電位 輸出波形接近正弦波,抑制諧波 第6章PWM控制技術 6.1 PWM控制的基本原理 PWM控制的理論支持 PWM波——脈沖列 第25講: 6.2 PWM逆變電路及其控制方法 6.2.1 計算法和調制法 計算法 調制法 調制信號 載波信號 控制原理 單極性控制 雙極性控制 三相橋式PWM逆變電路 第26講: 特定諧波消去法 目的是消除特定次諧波,尤其低次諧波 如果輸出電壓半周期開通、關斷各K次,則可消去K-1個頻率的特定諧波 6.2.2 異步調制和同步調制 載波比定義 異步調制 同步調制 基本同步調制 分段同步調制 6.2.3 規則采樣法 自然采樣法 規則采樣法 后者比前者計算量小得多,而二者效果接近 第27講:實驗4 第28講: 6.3 PWM跟蹤控制技術 屬于閉環控制 6.3.1 滯環比較方式 使用滯環邏輯控制器,控制精度高,實時控制 6.3.2 三角波比較方式 無一定的環寬,控制精度低 6.4 PWM整流電路及其控制方法 6.4.1 PWM整流電路的工作原理 單相PWM整流電路 單相全橋PWM整流電路 理解工作原理 結論:通過改變整流橋交流輸入端電壓的相位和幅值,使交流電流超前于交流電壓的相位為任意角度,可以實現 三相PWM整流電路 第29講: 6.4.2 PWM整流電路的控制方法 實現整流目標:=1的控制方法 間接電流控制 僅直流電壓環 計算功能用到電路參數,影響控制效果 直接電流控制 直流電壓閉環加交流電流閉環 響應速度快,穩定性好 軟開關技術 7.1 軟開關的基本概念 7.1.1 硬開關與軟開關 采用軟開關,使開通和關斷功率損耗為零 7.1.2 零電壓開關與零電流開關 7.2 軟開關電路的分類 準諧振電路 零開關PWM電路 零轉換PWM電路 三類電路的原理和拓撲結構 第30講: 7.3 典型的軟開關電路 7.3.1 零電壓開關準諧振電路 7.3.2 諧振直流環——適用于變頻器 7.3.3 移相全橋零電壓開關PWM電路 7.3.4 零電壓轉換PWM電路 組合變流電路 8.1 間接交流變流電路 8.1.1 間接交流變流電路原理 介紹8種電路結構 8.1.2 交直交變頻器 VVVF,適用于交流電動機變頻調速 8.1.3 CVCF電源 應用于UPS 第31講: 8.2 間接直流變流電路 應用于開關

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