电力电子技术
课程学习指导书
(配套教材：机械工业出版社《电力电子技术》)
李丽 编
西南科技大学网络教育学院
二○○五年六月
西南科技大学网络教育学院版权所有
http://www.swust.net.cn
电力电子技术课程学习指导
前言部分
一、课程教学目的和课程性质
电力电子技术是自动化专业的一门应用性较强的专业基础课，是必修课。本课程的任务是使学生获得电力电子器件的必要知识，掌握由这些器件组成的各种可控整流和逆变电路，以及将其用于电力拖动、变频和逆变等电力控制的技能。通过对若干交变电路的工作原理、电磁现象、运行特点的分析与介绍，使学生掌握常用电力电子变流电路的设计、计算、控制及实验方法，熟悉变流装置的技术指标以及为这些指标所采取的新途径、新方法。
二、课程的基本内容与要求
1、电力电子器件
掌握不可控、半控、全控电力电子元器件的工作原理及额定电压和额定电流两个重要参数。熟悉电力电子器件的驱动、保护以及其串并联使用。
2、整流电路
掌握可控整流的基本概念和结合各种负载全面分析整流电路的各种特性、波形的方法，这是各种可控整流电路的基础。熟练掌握单相半波、单相桥式以及三相半波、三相桥式全控整流电路的工作原理、波形分析、基本数量关系等。熟练掌握逆变电路的工作特点，产生逆变工作状态的应有条件等物理概念。理解锯齿波同步触发电路的工作原理，移相要求，同步信号选择原则等。
3、交流调压电路和直流斩波电路
掌握交流调压电路和直流斩波电路的基本工作原理，波形分析。
4、无源逆变电路
掌握各种无源逆变电路的换相方式，工作原理。
5、PWM控制技术
掌握PWM型逆变电路工作原理（特别是SPWM的含义），控制方法。
三、本课程与其他课程的关系
前修课程：《电路》、《电子技术》
后继课程：《电力拖动自动控制系统》
并行课程：（配套的实验课与本课程同时进行）
四、教学方法建议
1、 每章需要加讲典型例题,并布置一定数量的习题，让学生在课外完成，加深对该课程
的理解与掌握；
2、 同时开设的《电力电子实验课》，实验内容应与教学进度一致。
五、考核方式
考试
六、选用教材及主要参考书
1、教材
王兆安、黄俊（西安交通大学）主编，《电力电子技术》（第四版），机械工业出版社，2001.6。面向21世纪课程教材，普通高等教育“九五”国家重点教材。
2、参考书，
《现代电力电子技术基础》 赵良炳等 清华大学出版社 1995年
《电力电子技术》 郭世明等 西南交通大学出版社 2002年
《电力电子器件及其应用》 李序葆等 机械工业出版社 1996年
学习方法
课程特点及学习注意
《电力电子技术》是一专用基础课，课程的实践性很强，只有在学习中密切联系实际，加强实验,注意物理概念,才能真正掌握有关概念.
掌握课程的内容要有波形分析、习题、实验能力的培训等各环节的相互配合才能解决。每个环节都很重要和不可缺少。
学习《电力电子技术》，需具备先修课程《物理学》、《电路分析》、《电子学》》等知识，并进行系统的学习。
由于作者思路不同，叙述详略不同，举例不同，学生可同时阅读参考几本书进行学习是比较好的方法，这样可以开拓思路、加深理解，对难点的理解特别有效。
阅读学习指导书
学习指导书根据课本内容将学习内容划分与课本同步分为6个学习单元。在每个单元中，既有重点内容讲述，也有补充典型例题讲解。
阅读教材
各章教材最好能先阅读两遍，即粗读和细读。
每一章开始学习时，先阅读学习指导书的内容提要，对该章将要讨论的问题有初步印象，而后结合学习方法指导，第一遍通读教科书，努力对所研究的每一个问题均能分别建立起整体概念，即对于问题的性质和提法，分析问题的理论根据和关键所在，力求能有清晰的概念，对分析问题的细节以及对结论的理解如不能深透，可不勉强，留待第二遍细读时解决。
第二遍细读时努力做到深透理解各章节内容的基本原理、重要规则和分析问题的方法，各章节之间的联系等。在第一遍通读时未搞懂的问题这次要搞懂，必要时复习一下与先修课程有关部分的内容。
第二遍细读后，根据学习指导书中所列该章内容提要和学习方法指导，检查一遍是否对该章主要内容已能清楚掌握，如个别地方尚有疑问，需针对这部分再学习。不能搞懂的内容，应及时在电话讨论或书信中请教师答疑。
应该指出，学习时间较少时，某些部分可不学习，因此必须根据学习进度表规定的内容进行自学，以免贪多而消化不良，这点请学生注意。被删除的内容不要求阅读，以便集中精力掌握最基本的内容。自学进度表所指定的内容，是共同的，大家都必须努力完成，力求掌握得更好。对于自学有余力或因工作需要，部分学员往往希望阅读较多的内容，学员可量力而行或根据工作的需要，选读其中一部分或全部。这些内容，不列为对学员的共同要求，因此每次面授或辅导时均不涉及，但自学中如有疑难，可提请个别答疑。
作笔记
为了使自己容易记住和掌握所学内容，以及培养独立工作能力和便于复习，在阅读教材的同时，最好能作简要的笔记。笔记的详简程度根据自己的忙闲而定，一般不必太详细，以免花去过多时间而影响深入学习。笔记的内容和写法也因人而异，一般地说，对每节讨论的问题的重要概念，分析问题的主要方法步骤，简明的论证，以及必要的图，重要的公式结论和阅读后的心得体会等要能清晰、有条理且较整洁的记下来。
作笔记时可随手记下阅读中所发生的问题，以便用书面或口头向教师提出，请求答疑。 观看教学录相：授课光盘
西南科技大学制作了18学时的《电力电子技术》教学实录课程，可供教学中观看。 观看教学录相，对学生建立基本概念、解决学习中的难点是非常有帮助的。
学习内容与学时安排
绪论：
考核知识点：无。
阅读课本P1-7页，了解以下几个内容。
一、 电力电子的定义：
国际电器和电子工程师学会（IEEE）的电力电子学会将电力电子技术表述为：有效的使用电力半导体器件，应用电路和设计理论及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术。它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。
几个概念理解：
1． 电力电子技术与信息电子技术的不同应用：信息电子技术主要用于信息处理；电力电子技
术主要用于电力变换。变流技术：使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。包括
电力电子器件、电路、装置以及其控制。3．变流装置（变换器）：按功能可分为以下几种类型。整流器——固定的AC变为可调的DC；
逆变器——固定的DC变为可调的AC；
斩波器——固定的DC变为可调的DC；
交流调压器——固定的AC变为可调的AC （幅值可调）；
周波变流器——固定的AC变为可调的（频率和幅值可调）
4． 电力学、电子学、电力电子技术以及控制理论之间的关系：
电力电子学(Power Electronics)这一名称是在60年代出
现的。1974年，美国的W。Newell用图0-1的倒三角形对电力
电子学进行了描述，认为电力电子学是由电力学、电子学和控制
理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。
二、电力电子技术的性质特点
1、 是电力学、电子学和控制理论三大电气工程技术领域交叉学
科。
2、 器件、变流拓扑、控制技术为其三大支柱。
三、电力电子技术的发展1、传统的电力电子技术以晶闸管（SCR）为核心，其派生器件快速SCR、导通SCR（RTC）、双向SCR（TRIAC）、不对称SCR（ASCR）形成一个大家族。
2、现代电力电子技术是以高频化、全控型的功率器件为基础发展而形成的大家族。
器件特点以全控为主，现代电力电子技术在器件、电路及其控制技术方面与传统电力电子技术相比有以下特点:
集成化、模块化、复合化 高频化：几十千赫～几百千赫～几兆赫
全控化 电路弱电化、控制技术数字化 多功能化
四、电力电子技术的应用与展望电力电子技术应用于从发电厂设备至家用电器的所有电气工
程领域。
2、新应用: 能量储存设备 有源滤波器 超导磁浮铁道系统
电子化汽车 小型化开关电源 家用电器
第一章 电力电子器件 （Power Electronic Device） 1.1 概述 电力电子器件是电力电子电路的基础。因而掌握各种常用电力电子器件的特性和正确使用方法是我们学好电力电子技术的基础。 1.1.1 单元内容 该单元包括教材第一章的1-1~1-8节： 电力电子器件概述、半控型器件——晶闸管、典型全控型器件、电力电于器件的驱动、电力电子器件的保护、电力电子器件的串联和并联使用。 1.1.2 单元目标 1、 了解电力电子器件的概念、特点和分类。 2、 掌握不可控、半控、全控电力电子元器件的工作原理及额定电压和额定电流两个重要参数。理解各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择。4、 熟悉电力电子器件的驱动、保护以及其串并联使用。 1.1.3考核知识点 电力电子器件的额定参数及其选择
1.1.4 重点
本单元学习的重点章节是1-3和1-8节；重点内容是各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要参数等问题以及使用注意事项。
1.1.5 难点
本单元学习的难点在1-3和1-6节；难点内容晶闸管额定参数及选取和驱动电路。
1.2 学习指导
1.2.1 电力电子器件概述(课本第1节)
一、器件特征：电力半导体器件的基本特点是能以小信号输入控制很大的输出，放大倍数极
大。电力半导体器件的另一基本特点是工作于开关状态,正向压降低而反向漏电流小,从而在理论上保证了各类电力电子设备都具有节能性能。
1、在实际应用当中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。
2、尽管工作在开关状态，但是电力电子器件自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，因而为了保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上比较讲究散热设计．而且在其工作时一般都还需要安装散热器。
二、应用电力电子器件的系统组成如图1—1所示，电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。因此，从宏观的角度讲，电力电子电路也被称为电力电子系统。在主电路和控制电路连接的路径上，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离，而通过其他手段如光、磁等来传递信号；而且，主电路和控制电路中需附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常靠运行。
三、电力电子器件的分类按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为以下三类：
1、 半控型器件：这类器件主要是指晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件。器件
的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。
2、 全控型器件：可以由控制信号控制其关断，因此又称为自关断器件。这类器件
品种很多，目前员常用的是绝缘栅双极晶体管(IGBT)和电力场效应晶体管(简称
为电力MOSFET)，在处理兆瓦级大功率电能的场合，门极可关断晶闸管(GTO)应
用也较多。
3、 不可控器件：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件，因此也就不需要
驱动电路，这就是电力二极管(Power Diode)。这种器件只有两个端子，其基本
特性与信息电子电路中的二极管一样，器件的导通和关断完全是由其在主电路
中承受的电压和电流决定的。
1.2.2 电力二极管（Power Diode or Rectifier Diode-SR）(课本第二节)
一、结构与工作原理
电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都是以半导体PN结为基础的。电力二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的，图1-2示出了电力二极管的外形、结构和电气图形符号。从外形上看，电力二极管主要有螺旋型和平板型两种封装。
我们知道PN结有单向导电性，即当PN结外加正向电压时（正向偏置）为低阻抗；而当PN结外加反向电压时（反向偏置）为高阻抗；电力二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这个主要特征。
PN结中的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ。结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。
二、电力二极管的基本特性
1、静态特性
电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性。
2．动态特性
因为结电容的存在，电力二极管在零偏置(外加电压为零)、
正向偏置和反向偏置这三种状态之间转换的时候，必然经历一
个过渡过程。这过渡过程中，电压、电流随时间变化的特性，
就是电力二极管的动态特性。
图1-5a给出了电力二极管由正向偏置转换为反向偏置时其动态过程的波形。当原处于正向导通状态的电力二极管的外加电压突然从正向变为反向时，该电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流（IRP）出现，并伴随有明显的反向电压过冲（URP）。
图1-5b给出了电力二极管由零偏置转换为正向偏置时其动态过程的波形。在这一动态过程中，电力二极管的正向压降也会先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值(如2V)。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。
三、电力二极管的主要参数和主要类型
1、正向平均电流IF(AV)
指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度(简称壳温，用Tc表示)和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。在此电流下，因管子的正向压降引起的损耗造成的结温升高不会超过所允许的最高工作结温。这也是标称其额定电流的参数。可以看出，正向平均电流是按照电流的发热效应采定义的。通过对正弦半波电流的换算可知，正向平均电流IF(AV)对应的有效值为1．57IF(AV)。
2、正向压降UF
3、反向重复峰值电压URRM
4、最高工作结温TJM
四、电力二极管的主要类型
1）、普通二极管
2）快恢复二极管（FRD）
3）肖特基二极管（SBD）
1.2.3 半控型器件—晶闸管(SCR)(课本第三节，此为本章重点)
● 提要 从外形上分,晶闸管主要有螺栓型和平板型两种封装结构，均引出阳极A、阴
极K和门极(控制端)G。其内部有硅半导体材料做成的管芯，它是四层(PNPN)三端(A、K、G)器件，由它决定晶闸管的性能。晶闸管在工作过程中，它的阳极A和阴极K颗与电源或负载连接，组成晶闸管主电路；门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成控制电路。
● 阅读 15-21页(约2学时)
● 思考题与习题 42页，题1-1；1-2；1-3；1-4；
● 难点补充解释
一、工作原理：
可以用双晶体管模型来解释，如果外电路向门极
注入电流IG,则IG流人T2的基极,即产生集电极电流
IC2,它构成晶体管T1的基极电流,放大成集电极电流
IC1,又进一步增大V2的基极电流,形成强烈的正反馈,
最后T1和T2进入完全饱和状态，即晶闸管导通。
此时，撤掉IG，晶闸管由于内部已形成了强烈的正反
馈仍然维持导通。
要关断，必须去掉阳极所加的正电压，或给阳极加反压，或设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下。
二、晶闸管的开通、关断条件：
1、 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导通，即从
关断状态转变为导通状态必须同时具备正向阳极电压和正向门极电压两个条件；
2、 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；
3、 晶闸管导通情况下，只有仍有一定的正向阳极电压，无论门极电压如何，晶闸管仍然
保持导通，即晶闸管导通以后，门极失去控制作用。
4、 晶闸管导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。
三、晶闸管两个额定参数与选用:
1、 额定电压：通常取晶闸管的断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小
的数值，并按标准电压等级取整数，作为该器件的额定电压。而选用晶闸管的额定电压应为其正常工作峰值电压的2～3倍，作为安全裕量。
2、 额定电流：将晶闸管的通态平均电流按晶闸管标准电流系列取相应的电流等级，即称
为该晶闸管的额定电流。由于晶闸管的过载能力比一般电机、电器元件小，选用时，应使其通态平均电流（折算成正弦半波）的1.5～2倍。
四、波形系数Kf的定义以及1.57的由来
1）波形系数：任何一含有直流分量的电流波形,都有一个电流平均值 IT (一个周期内电流波形面积的平均值),也有一个电流的有效值IT,该电流有效值IT与电流平均值Id之比,则为该电流的波形系数。即：
Kf=IT （1-1） Id
说明:具有相同平均值IT而波形不同的电流,因波形系数不同而具有不同的有效值.
2）如图1.2.1的正弦半波,是用来定义晶闸管额定电流的电流波形,其波形系数可按以下方法求得. t
图1.2.1闸管的通态平均电流
设该正弦波峰值电流为Im,由平均值的定义,其通态平均电流为:
1Id=2π⎰π
0Imsinωtd（ωt）=Im
π (1-2)
根据有效值的定义,其有效值为:
ImIT== (1-3) 2
所以,正弦半波电流的波形系数是:
Kf=ITπ==1.57 (1-4) Id2
3)由于晶闸管的额定电流是用正弦半波电流的平均值来定义的,所以非正弦波电流选择晶闸管时需要进行折算.(根据有效值相等发热相同的原理).即:
1.57I'
T（AV）
=KfIdI'
T（AV）=KfId1.57 (1-5)
考虑安全裕量,选择晶闸管时,其通态平均电流应为:
KfId (1-6) IT（AV）=（1.5~21.57
例题1-1
已知：图1.2.2中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形,波形的电流最大值为Im,试计算该波形的电流平均值Id1和电流有效值I1以及其波形系数.
it
Im
0 π 3ωt π 2π
图1.2.2晶闸管导电波形
解:电流平均值为:
电流有效值:
I=1
2πId1=12π⎰ππImsinωtd(ωt)=0.24Im ⎰ππ(Imsinωt)2d(ωt)=0.46Im
波形系数:
Kf=0.46Im=1.92 0.24Im
例题1-2:
在例题1-1中,若取安全裕量为2,问额定电流为100A的晶闸管,其允许通过的电流平均值是多少?这时,相应的电流最大值是多少?
解:100A的晶闸管允许通过的电流平均值为:
Id1=1.57⨯100=41(A) 2⨯1.92
Id141==171(A) 0.240.24电流最大值为: Im=
四、晶闸管的主要类型
1、 快速晶闸管
2、 双向晶闸管
3、 逆导晶闸管
4、 光控晶闸管
1.2.4 典型全控型器件(课本第四节)
电力晶体管GTR（Giant Transistor）
门极可关断晶闸管GTO （Gate-Turn-off Thyristor) 场效应晶体管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）
绝缘栅双极性晶体管IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor） 集成门极换流晶闸管IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor） 其他新型电力电子器件：
MOS控制晶闸管MCT 静电感应晶体管SIT 静电感应晶闸管SITH
功率集成电路（PIC）代表电力电子发展的一个方向。
按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电酌情况，属于单极型电力电子器件的有电力MOSFET和SIT等；属于双极型电力电子器件的有电力二极管、晶闸管、GT0、GTR和SITH等；属于复合型电力电子器件的有IGBD和MCT等。二其中，单极型器件和复合型器件基本都是电压驱动型器件，而双极型器件中除SITH为电压驱动型外．其余均为电流驱动型器件。电压驱动型器件的共同特点是：输人阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。电流驱动型器件的共同特点是：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大，驱动电路也比较复杂。
1.2.5 电力电子器件的串联和并联使用(课本第八节)
串联: 当晶闸管的额定电压小于实际要求时，可以用两个以上同型号器件相串联。为达到静态均压，首先应选用参数和特性尽量一致的器件，此外可以采用电阻均压,如图1-41a所示.由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压问题称为动态不均压问题,为达到动态均压，同样首先应选择动态参数和特性尽量一致的器件，另外，还可以用RC并联支路作动态均压，如图1—41b所示。
并联: 大功率晶闸管装置中，常用多个器件并联来承担较大的电流。当晶间管并联时就会分别因静态和动态特性参数的差异而存在电流分配不均匀的问题。均流的首要措施是挑选特性参数尽量一致的器件。此外，还可以采用均流电抗器。同样，采用门极强脉冲触发也有助于动态均流。
串并联:当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。
1.3小结
现在你已经完成了第1单元的学习，请试着作一个单元小结。下面的要点可能会对你有所帮助∶
1. 应用电力电子技术器件的系统组成 2. 电力电子器件的分类
3. 电力二极管的工作原理以及分类
4. 晶闸管的结构,工作原理,导通条件,工作特性以及参数 5. 典型全控型晶闸管的基本特性
6. 晶闸管触发电路
7. 电力电子器件的保护和串并联使用
第二章 整流电路（Rectifier）
2.1 概述
整流电路(Rectifier)是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，各具特色。从各种角度对整流电路进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路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、三相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。
2.1.1 单元内容
该单元包括教材第二章的2-1，2-2，2-3，2-5，2-6， 2-7，2-9节。 2-1节∶叙述单相可控整流电路。 2-2节∶分析三相桥式全控整流电路。
2-3节∶介绍变压器漏感对整流电路的影响。 2-5节：整流电路的谐波和功率因数分析基础。 2-6节：介绍大功率可控整流电路。
2-7节：整流电路的有源逆变工作状态分析 2-9节：相控电路的驱动控制
2.1.2 单元目标
通过本单元内容的学习，你将能够∶
● 掌握电力电子电路作为分段线性电路进行分析的基本思想。
● 掌握可控整流电路的原理分析与计算、各种负载对整流电路工作情况的影响。 ● 熟悉变压器漏感对整流电路的影响。 ● 熟悉大功率整流的特点。
● 掌握产生有源逆变的条件以及工作分析。 ● 熟悉锯齿波移相触发电路的原理。
2.1.3考核知识点
1、 掌握可控整流电路的原理分析与计算、各种负载对整流电路工作情况的影响。 2、 理解变压器漏感对整流电路的影响。
3、 了解整流电路的谐波(harmonics)和功率因数。
4、 理解可控整流电路的有源逆变工作状态，重点掌握产生有源逆变的条件 5、 了解锯齿波移相触发电路的原理
2.1.4 重点
本单元学习的重点内容是2-1、2-2、2-3、2-4、2-7节；重点概念是整流、逆变、有源逆变、谐波、相控。
2.1.5 难点
本单元学习的难点内容是2-1、2-2、2-7节；单相全控桥式整流电路的原理与计算、三相
全控桥式整流电路的原理分析与计算、各种负载对整流电路工作情况的影响。
2.2 学习指导
2.2.1 单相可控整流电路(第1节)
● 提示：单相可控整流电路的交流侧接单相电源，本节讲述几种典型的单相可控整流
电路，包括其工作原理、定量计算等，并重点讲述不同负载对电路工作的影响。 ● 阅读 43-51页(约3学时) ● 难点补充解释
一、单相半波可控整流电路
1、 回忆单相半波不可控整流电路：
输出电压平均值为：
1
Ud=
2π
⎰
π
2U2sinωtd（ωt）=0.45U2
2、 单相半波可控整流带电阻负载的工作情况（如电阻加热炉、电解、电镀负载）：
根据晶闸管导通的两个基本条件，图2-1整流电路输出电压波形为图2-1d）所示。 直流输出电压平均值为：
1
Ud=
2π
⎰α
π
2U2sinωtd（ωt）=
2U21+cosα
（2-1） 1+cosα）=0.45U2
2π2
其中 α：触发延时角，也称出发角或控制角。
θ ：导通角，θ=π-α。
由公式（2-1）可见，随α↑，Ud↓，移相范围为180º。调节α角，即可控制Ud的大小，这种通过控制触发脉冲的相位角来控制直流输出电压大小的方式称为相控方式。 Id=
UdU1+cosα
（2-2） =0.452
RR2
整流输出电压有效值为： U=
21ππ-αsin2α2U2sinωt）d（ωt）=U2+ （2-3） 2πα2π4π
⎰
流过晶闸管的电流有效值为： IVT=I2=
U2
R
π-αsin2α
（2-4） +
2π4π
晶闸管承受的最大电压为：
UFM=URM=2U2 （2-5） 根据功率因数的定义，有：
s= coϕ
UI2Pπ-αsin2α
==+ QU2I22π4π
可见，功率因数cosϕ是控制角α的函数。当α=0 时，cosϕ最大为0.707
3、 单相半波可控整流带电感负载的工作情况（生产实践中，大多数的负载为阻感负载，如各种电机的励磁绕组、电磁铁线圈等。若ωL》R，称为电感负载，例如电机的励磁绕组）：
分析整流电路带阻感负载工作情况的关键是：电感对电流变化有抗拒作用，所以流过电感的电流不能突变。工作波形见图2-2所示。为解决当ϕ较大时，平均值Ud较小的矛盾，在整流电路的负载两端并联一个续流二极管，这样，Ud 中不再出现负的部分。
若L足够大，ωL》R，即负载为电感负载，在VT关断期间，VDR可持续导通，使id连续，且id波形接近一条水平线，如图2-4f所示。
单相半波可控整流电路的特点是简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁心直流磁化。为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的容量。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念。
二、单相桥式全控整流电路（重点内容）
1、 带电阻负载的工作情况
在单相桥式全控整流电路中，晶闸管vTl和vT4组成一对桥臀，vT2和vf3组成另一对桥臂。注意：晶闸管vTl和VT2的工作状态应该是互异的，VT3和VT4也同理。 基本数据分析：
（2-6）
α的移相范围为180。
电流平均值：流过晶闸管的电流平均值： IdVT=
U1+cosα1
（2-7） Id=0.452
2R2
流过晶闸管的电流有效值： IVT=
U22R
1π-α
（2-8） sin2α+
2ππ
输出电流有效值：
I=I2=
U2
R
1π-αsin2α+2ππ
（2-9）
2． 阻感负载的工作情况
负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线，其波形如图2-6b所示。
基本数据分析：
Ud=0.9U2cosα=0,Ud0=0.9U2
（2-10）
α=90 ，Ud=0
α的移相范围为90º。
晶阐管导通角θ与α无关，均为180º。其电流波形如图2-6b所示，平均值和有效值
11
分别为：IdVT=Id和IVT=Id=0.707Id。变压器二次电流为正负各180º的矩形波。
22 3．带反电动势负载时的工作情况
当忽略主电路各部分的电感，只有在u2瞬时值的绝对值大于反电动势即u2>E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。波形如图2-7b所示。
三、单相桥式半控整流电路
在单相桥式全控整流电路中，每一个导电回路中有1个晶闸管和1个二极管。如图2-10所示，为避免可能发生的失控现象，实用中需加续流二极管VDR。
2.2.2三相可控整流电路
● 提示：三相可控整流电路的交流侧接三相电源，本节讲述几种典型的三相可控整流
电路，包括其工作原理、定量计算等，并重点讲述不同负载对电路工作的影响。 ● 阅读 51-59页(约3学时) ● 难点补充解释
一、三相半波可控整流电路
特点：三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，采用共阴极接法。输出波形如图2-13所示。概念：自然换相点。 1、带电阻负载：
基本数量关系：
三相半波可控整流电路阻性负载，电流波形有连续和断续之分，故整流输出电压平均值Ud也不相同。见公式（2-18）、（2-19）。α的移相范围为150º。
2、阻感负载：
假设L值极大，整流电流连续且波形基本为水平线。 基本数量关系：
Ud=1.17U2cosωt （2-11）
I2=IVT=
1Id （2-12）
IVT（AV）=
IVT
=0.368Id （2-14） 1.57
UFM=URM=U2=2.45U2 （2-15）
三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。
二、三相桥式全控整流电路（重点内容）
目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图2-17所示，习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管(VT1、VT3、VT5)称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管(VT4、VT6、VT2)称为共阳极组。按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6。 1、带电阻负载：
特点见书55页。输出波形见图2-19、2-20、2-21。 基本数量关系：
电流连续时（α《60 ），Ud=2.34U2oscα （2-16）
π电流断续时（α>60 ），Ud=2.34U2[1+cos(+α)] （2-17）
3
α的移相范围是120˚。
IdVT=
IVT=
1
Id 3
12I2
2、带感性负载
当α≤60 时，波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，区别在于负载电流波形不同。当电感足够大时，可近似为一水平线。如图2-23、2-24。
基本数量关系：
Ud=2.34U2cosα （2-18）
α移相范围为90˚。
Id=2.34IdVT=
U2
cosα （2-19） R
1Id 3
IVT=
11Id=I2 32
2.2.3变压器漏感对整流电路的影响
实际上变压器绕组总有漏感，该漏感可用一个集中的电感LB表示，并将其折算到变压器二
次侧,因此换相过程不能瞬间完成，而是会持续一段时间。漏感对整流电路的影响为: 1)出现换相重叠角γ ,整流输出电压平均值Ud降低.
2)整流电路的工作状态增多.
总的来说,变压器漏感的作用，利：限制短路电流，使电流变化相对缓和，对 di/dt 和 du/dt 值的限制有利。弊：使电网波形畸变，加大干扰；使功率因数降低。
2.2.4整流电路的谐波(harmonics)和功率因数（课本第五小节）
1、 许多电力电子装置要消耗无功功率(reactive)，会对公用电网带来不利影响：
1)无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。 2)无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。 3)使线路压降增大，冲击性无功负载还会使电压剧烈波动。 2、电力电子装置还会产生谐波，对公用电网产生危害，包括：
1)谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低效率，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。
2)谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏。 3)谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大。
4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确。 5)谐波会对邻近的通信系统产生干扰。
2.2.5整流电路的有源逆变工作状态(课本第七小节)
1.概念：逆变、有源逆变、无源逆变
把直流电转变成交流电，这种对应于整流的逆向过程，定义为逆变(Invertion)。把直流电逆变成交流电的电路称为逆变电路。当交流侧和电网连结时，这种逆变电路称为有源逆变电路。如果变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，称为无源逆变。
2.产生有源逆变的条件:
1)要有直流电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流电路直流侧的平均电压。
2)要求晶闸管的控制角α＞π，使Ud为负值。 注意：实现有源逆变，只能采用全控电路。
2.2.6 例题讲解
例题2-1：
单相半波可控整流电路，电阻性负载，不经整流变压器直接与220V交流电源相接，要求输出的直流平均电压为85V，最大输出直流平均电流为20A，求此电路中的
。 α，R，U，I2，IVT，cosϕ，并选择晶闸管（考虑2倍裕量）解：1）已知Ud=85V，根据Ud=0.45U2(
cosα=
1+cosα
)，可计算触发角： 2
2Ud2⨯85
-1=-1=0.717,α=44 ；
0.45U20.45⨯220
Ud85
==4.25(Ω)； Id20
2）由Ud=85V，Id=20A，可计算负载电阻：R= 3）计算整流输出电压有效值：U=U2
π-αsin2α
+=148.7(V)； 2π4π
U148.7
==35(A)； R4.25
4）计算流过变压器二次侧绕组电流有效值：I2=
5）计算流过晶闸管的电流有效值和平均值：IVT=I2=35， （A）
IdVT=Id=20； （A） 6）计算功率因数：cosϕ= 7）计算晶闸管定额：
IVTAV=2⨯
IT35
=2⨯=44.6(A)，应选择额定电流为50A的晶闸管； 1.571.57
PUI2U148.7
====0.676； SU2I2U2220
UFM=URM=2⨯2U2=622(V)，应选择额定电压为700V左右的晶闸管。
例题2-2：
单相全控桥式整流电路（如课本图2-6），负载中R=3Ω，L值极大，当α=45 U2=100V，时，求：Ud，Id，I2考虑2倍安全裕量，确定晶闸管的额定电流和额定电压。 解：
1） 2） 3）
整流输出平均电压：Ud=0.9U2cosα=0.9⨯100⨯cos45 =63.63(V) 整流输出平均电流：Id=
Ud63.63
==21.21(A) R3
2π
变压器二次侧电流有效值：
I2=
1
[2π
⎰
π
(Id)2d(ωt)+
⎰π
(-Id)2d(ωt)]=Id=21.21(A)
4）确定定额：
流过晶闸管的电流有效值IVT=
12Id=
21.212
=15(A)，
考虑2倍裕量，晶闸管额定电流为IVTAV=2⨯
IVT
=19.1(A)； 1.57
晶闸管承受的最大反向电压为2U2=141，考虑2倍裕量时为282V。 （V）
例题2-3：
单相半控桥有续流二极管的整流电路，阻感负载（如课本图2-10）。U2=220V，R=4Ω，L值极大，晶闸管触发角α=60 ，求流过器件的电流平均值和有效值。 解：
1+cosα
1） 整流输出电压平均值：Ud=0.9U2()=148.5(V)；
2
2） 负载电流平均值：Id=
Ud
=37.13(A)； R
3） 流过晶闸管和整流二极管的电流平均值：
IdVT=IdD=
π-α
Id=12.38(A)， 2π
π-α
Id=21.44(A)； 2π
有效值为：IVT=ID=
4） 流过续流二极管的电流平均值为：IdDR=
有效值为：IDR=
α
Id=12.38(A)， πR
Id=21.44(A)；
例2-4：
三相半波可控整流电路，阻感负载（如课本图2-11、2-16）。已知整流变压器二次侧绕组电压U2=200V，R=2Ω，L值极大。α=60 ，求Ud，Id以及晶闸管的额定值。 解：
Ud=1.17U2cosα=1.17⨯200⨯cos60 =117(V)；
Id=
Ud
=58.5(A)； R
1Id=33.75(A)，
流过晶闸管电流有效值：IVT=
考虑2倍裕量，
晶闸管的额定电流为：IVTAV=2⨯
IVT33.75
=2⨯=43(A)； 1.571.57
额定电压为：URM=2⨯U2=2⨯2.45⨯200=980(V)；
可选择型号为KP50-10的晶闸管，其通态平均电流为50A，正向重复峰值电压为10级。
例2-5：
三相桥式全控整流电路，阻感负载。已知：求：当α=30 U2=100V,R=5Ω,L的值极大。时，画出相电压ud1和ud2，输出电压ud以及电流id，ia的波形。并计算输出Ud,Id,IVT，I2的值。 解：
波形如图：
计算：
Ud=2.34U2cosα=2.34⨯100⨯cos30 =202.64V
Id=
Ud
=40.5A R
电力电子技术学习指导书
IVT=I2=
3
Id=23.4A 3
2
Id=33.05A 3
2.2.6 习题及思考题(课本第97-99页)
思考题:7;9;12;26;30; 习题:3;6;11;13;
第三章 直流斩波电路（DC Chopper）
3.1概述
直流斩波电路(DC Chopper)的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流—直流变换器(DC/DC Converter)。直流斩波电路的种类较多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩被电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是员基本的电路。为本章重点内容。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩被电路，利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。
3.1.1单元内容
3.1 基本斩波电路
3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路
3.1.2 单元目标
1、 掌握降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理与输出公式。 2、 理解斩波电路可有的三种控制方式。
3.1.3考核知识点
1、降压斩波电路和升压斩波电路的基本工作原理与输出公式 2、斩波电路的三种控制方式
3.1.4 重点
本单元学习的重点章节是3-1；重点内容是降压斩波电路和升压斩波电路的基本工作原理与输出公式分析。
3.1.5 难点
本单元学习的难点在3-2；难点内容复合斩波电路和多相多重斩波电路分析（不要求）.
3.2.1 学习指导
基本斩波电路
一、降压斩波电路（Buck Chopper）
原理图如图所示：
V为全控型器件，图中为IGBT。负载为直流电动机（也可带动蓄电池负载）。
1、当L的值较大时，设电流连续，工作波形如图所示：
在t=0时刻，驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压u0=E，负载电流i0按指数曲线上升。
在t=t1时刻，控制V关断，二极管VD导通续流，负载电压近似为零，负载电流呈指数规律下降。
串联电感L可使电流连续且脉动小。
至一个周期结束，再驱动V导通，重复上一周期过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图b）所示。负载电压平均值为：
U0=tontE=onE=αEton+toffT
（3-1）
ton——为V处于通态时的时间；
toff——为V处于断态时的时间；
T——为开关时间；
简称占空比 或导通比。 α——为导通占空比，
由此可知，输出到负载的电压平均
值u0最大为E，若减小占空比α，则u0
随之减小。因此将该电路称为降压斩波
电路。
2、 当负载中L的值较小，若负载中L
值较小，则在V关断后，到了t2时刻，
如图c）所示，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。由波形可见，负载电压u0平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。
二、斩波电路三种控制方式：
1)保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation 缩写为PWM)或脉冲调宽型。
2)保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。
3) ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。
三、升压斩波电路（Boost Chopper）
原理图和工作波形如图所示：
分析升压斩波电路的工作原理时，首先
假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。
当V处于通态时，电源E向电感L充电，
充
电电流基本恒定为I1同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，基本保持输出电压u0为恒值，记为U0。设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为EI1ton。当V处于断态时E和L共同向电容C充电，并向负载及提供能量。设V处于断态的时间
（U0-E）I1toff。当电路工作于稳态时，一个周期为toff，则在此期间电感上释放的能量为
（U0-E）I1toff 化简得： T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即： EI1ton=
ton+toff
toffTtoff11E （3-2） 1-αU0=E=E=βE=
由于T/toff≥1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容c可将输出电压保持住。
3.2.2 例题指导
例3-1：
在图3-1a所示的降压斩波电路中，已知E=100V，R=5Ω，L值极大，EM=20V。采用脉宽调制控制方式，当T=50us,ton=15us时，计算输出电压平均值U0、输出电流平均值I0。
解：U0=ton15E=⨯100=30(V) T50
I0=
例3-2： U0-EM30-20==2(A) R5
在图3-2a所示升压斩波电路中，E=100V,R=10Ω，L值和C值极大，采用脉宽调制控制方式，当T=30us,ton=10us时，计算输出电压平均值U0和输出电流平均值I0。 解：U0=T
t0ffE=T30E=⨯100=150(V) T-ton30-10
I0=U0150==15(A) R10
3.3 习题与思考题(课本111页)
3.3.1 思考题:1; 4;
电力电子技术学习指导书 3.3.2 习题:2; 5; 第四章 交流电力控制电路 4.1概述 本章讲述的是交流—交流变流电路，即把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。在进行交流—交流变流时，可以改变相关的电压、电流、频率和相数等。 4.1.1单元内容 4.1 单相交流调压电路 4.2 交流调功电路 4.1.2 单元目标 理解交流调压电路和交流调功在控制上的区别以及不同的负载应用。 4.1.3考核知识点 交流调压电路和交流调功在控制上的不同。 什么是TCR？什么是TSC？
4．2学习指导
一、交流调压电路
1、交流电力控制电路： 把两个晶问管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控
制就可以控制交流电力。这种电路不改变交流电的
频率，称为交流电力控制电路。
2、 交流调压电路：在交流电力控制电路中，在每半个
周波内通过对晶闸管开通相位的控制（如图4-2
所示），可以方便地调节输出电压的有效值，这种
电路称为交流调压电路。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，这种电路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。
3、 交流调功电路：在交流电力电路中，以交流电的周
期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断
态周期数的比，可以方便地调节输出功率的平均值，
这种电路称为交流调功电路。这种电路常用于电炉
的温度控制。
注意：交流调压电路与交流调功电路的电路形式完全相同，只是控制方式不同。交流调功电路不是在每个交流电源周期都对输出电压波形进行控制，而是将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周波（如图4-13所示），通过改变接通用波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。 4、 晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor--TSC）: 基本原理如图所示，实际上是一种断续可调的动态无功补偿器，一般把电容器分成几组，如图4—15b所示。这样，可以根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量。 5、 晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor--TCR）: 其电路如图
4
—11所示。图中的电
抗器中所含电阻很小，可以近似看成纯电感负载，因此
α的移相范围为90︒~180︒。通过对α角的控制，可以连
续调节流过电抗器的电流，从而调节电路从电网中吸收
的无功功率。
4．3 习题与思考题
课本第131页：3、4
第五章 逆变电路
5.1概述
与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、于电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。
5.1.1单元内容
5.1 换流方式
5.2 电压型逆变电路
5.3 电流型逆变电路
5.1.2 单元目标
1、理解无源逆变电路和有源逆变电路
2、换流的概念及分类
3、电压型逆变电路和电流型逆变电路
5.1.3考核知识点
1、 源逆变电路和有源逆变电路异同?
2、换流分类及各自特点? 3、电压型逆变电路和电流型逆变电路有何区别?
5．2学习指导
一、换流方式
1、 逆变电路工作过程中，在某时刻出现了电流一个开关器件到另一个开关器件的转移，
电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，换流也常被称为换相。换流方式可分为以下几种：器件换流、电网换流、负载换流和强迫换流。
2、 器件换流：利用全控型器件的自关断能力进行换流称为器件换流。在采用IGBT、电力
MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的电路中，其换流方式即为器件换流。
3、 电网换流：由电网提供换流电压称为电网换流。在换流时，只要把负的电网电压施加
在败关断的品闸管上即可使其关断。这种换流方式不需要器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加任何元件，但是不适用于没有交流电网的无源逆变电路。
4、 负载换流：由负载提供换流电压称为负载换流。凡是负裁电流的相位超前于负载电压
的场合，都可以实现负载换流。当负载为电容性负载时，即可实现负载换流。另外，当负载为同步电动机时，由于可以控制励磁电流使负载呈现为容性，因而也可以实现负载换流。
5、 强迫换流：设置附加的换流电路，给欲关断的品闸管强迫施加反向电压或反向电流的
换沥方式称为强迫换流。强迫换流通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。
二、电压型逆变电路特点：
1) 直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流例电压基本无脉动，直
流回路呈现低阻抗。
2) 由于直流电压源的钳位作用，交流例输出电压波形为矩形波．并且与负兹阻抗角
无关。而交流例输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。
3) 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。
三、电流型逆变电路特点：
1) 直流例串联有大电感，相当于电流源。直流例电流基本无脉动，直流回路呈现高
阻抗。
2) 电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩
形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况
的不同而不同。
3) 当交流例为阻感负载时需要提供无功功率．直流侧电感起缓冲无功能量的作用。
因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样要给开
关器件反并联二极管。
5．3 习题和思考题
课本第149页：1、2、3、4
第六章 PWM控制技术
6.1概述 PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术。 6.1.1单元内容 6.1 PWM控制的基本原理 6.2 PWM逆变电路及其控制方法 6.1.2 单元目标 1、理解SPWM的基本原理 2、单极性SPWM控制方式和双极性SPWM控制方式 6.1.3考核知识点 1、SPWM的基本原理 2、单极性SPWM和双极性SPWM有什么区别？
6．2学习指导
一、概念：
1、 面积等效原理：冲量（指窄脉冲的面积）相等而形状不同的窄脉冲加在有惯性的环节上，
其效果（指输出响应）基本相同。
2、 脉冲宽度调制（PWM）：用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的电压或电流
波形。
3、 正弦脉宽调制（SPWM）：用恒幅不等宽的一系列脉冲来代替一个正弦波。
4、 单极性PWM控制方式：在SPWM中，信号波ur的半个周期内三角波载波只在正极性或负极
性一种极性范围内变化，所得到的PWM波形也只在单个极性范围变化的控制方式称为单极
性PWM控制方式。
5、 双极性PWM控制方式：在SPWM中，信号波ur的半个周期内三角波载波不是只在正极性或
负极性一种极性范围内变化，而是有正有负，所得到的PWM波形也是有正有负，这种控制方式称为单极性PWM控制方式。
二、SPWM的基本原理
如图所示，把图6—3a的正弦半波分成N等份，就
可以把正弦半波看成是由N个被此相连的脉冲序列所
组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 ／N，但幅值
不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的
幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数
量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点
和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的
正弦波部分面积（冲量）相等，就得到图6—3b所示的
脉冲序列。这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的幅值
相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM(Sinusoidal PWM)波形。而要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。
6．3 习题与思考题
课本第169页：1、3。
课程评估
在课程结束后，请你对课程、教材、指导书、教师等质量和服务情况提供信息反馈，
这会有助于我们改进以后的教学。反馈意见E-MAIL地址： [email protected]。
□ 附录：
附录A：《电力电子技术》习题集
附录B：说明
附录A《电力电子技术》习题集
一、填空
1、正弦半波电流的波形系数K=I为：（ ） Id
2、单相桥式全控整流电路带电阻负载，变压器二次绕组输出电压为u2，则整流电压平均值为：（ ）。
3、单相桥式全控整流电路带阻感负载，变压器二次绕组输出电压为U2，则整流电压连续时的平均值为：（ ）。
4、单相桥式半控整流电路大电感负载，加续流二极管的目的是：（ ）。
5、三相桥式全控整流电路，带电阻负载时，α角的移相范围是：（ ）。
6、当晶闸管的额定电流小于实际要求时，可以用两个以上同型号的器件相并联，并联需要解决的问题是：（ ）。
7、三桥式全控整流电路，电阻性负载，如果有一只晶闸管不能导通，则输出的电压波形为：（ ）。
8、实现有源逆变的条件是：（ ）。
9、晶闸管导通以后，其电流取决于（ ）。
10、晶闸管的门极作用是（ ）。
11、变压器漏抗对整流有影响，它使输出电压Ud（ ）。
12、单相半波可控整流电路，带大电感负载，加续流二极管的目的是：（ ）。
13、三相桥式全控整流电路，带阻感负载时，α角的移相范围是：（ ）。
14、当晶闸管的额定电压小于实际要求时，可以用两个以上同型号的器件相串联，串联需要解决的问题是：（ ）。
15、随着电力电子的应用日益广泛，由此带来谐波和无功问题，问题有（ ）。
16、电力电子器件在实际工作中应用中，一般是由（ ）和以电力电子器件为核心的（ ）组成的一个系统。
17、按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为（ ）型器件、（ ）控型）器件和（ ）器件。
18、电力二极管可分为（ ）二极管、（ ）二极管和（ ）二极管。
19、从外型上看，电力二极管主要有（ ）型和（ ）型两种封装。引出（ ）A和（ ）K。
20、从外型上看，晶闸管主要有（ ）和（ ）型两种封装。均引出（ ）A、（ ）K和（ ）G三个连接端。
21、晶闸管的派生器件包括有（ ）、（ ）晶闸管和（ ）晶闸管以及（ ）晶闸管。
22、写出下列典型全控型器件的英文缩写（中文名称）门极可关断晶闸管（ ）、电力晶体管（ ）、电力场效应晶体管（ ）、绝缘栅双极晶体管（ ）。
23、电力电子器件的保护一般包括（ ）保护、（ ）保护、（ ）保护和（ ）保护。
24、电力电子装备中可能发生的内因过电压包括（ ）电压和（ ）电压。
25、PWM波形的生成方法包括（ ）法和（ ）法以及（ ）法。
26、PWM跟踪控制法中，常用的有（ ）比较方式和（ ）比较方式。
二、判断正误：
1、电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都是以半导体PN结为基础的。
2、当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。
3、当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下，晶闸管才能导通。
4、晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，无论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。
5、IGBT的开关速度高，开关损耗大。
6、电力MOSFET的通态电阻具有负的温度系数，并联使用时具有电流自动均衡的能力，易于串联使用。
7、三相桥式整流电路中，每个时刻需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中，1个晶闸管是共阳极组的，一个晶闸管是共阴极组的，且不能为同一相的晶闸管。
8、三相桥式整流电路中，对触发脉冲的要求为：6个晶闸管按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的顺序，相位依次差60︒；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差180︒，共阳极组VT4、VT6、VT2依次差180︒；同一相的上、下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2脉冲相差120︒。
9、三相桥式整流电路，整流输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，因此，该电路又称为6脉波整流电路。
10、各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域的应用，由此带来谐波和无功因数问题：1）无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。2）无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。3）使线路压降增大，冲击性无功负载还会使电压剧烈波动。4）谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电以及用电设备的效率，大量的3次谐波流国中线会使线路过热甚至发生火灾。5）谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热等。6）谐波会引起电网中局部的
并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，甚至引起严重事故。7）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确。8）谐波会对邻近的通信设备系统产生干扰。
三、问答题：
1、 画出升压直流斩波电路（Boost Chopper）的电路图，并简述其工作原理。
2、 交流调压电路与交流调功电路在控制上有何区别？各运用于什么样的负载？
4、画出降压式直流斩波电路（Buck Chopper）的电路原理图，并简述其工作原理。
5、无源逆变电路有哪四种换流方式？简述各个方式的特点。
6、简述单极性SPWM调制法控制的基本原理和指导思想。
7、简述电压型逆变电路的主要特点。
8、简述电流型逆变电路的主要特点。
9、分析单相逆变电路的基本工作原理。
四、计算以及波形分析
略（见说明）
附录B：
说明：对于计算以及波形分析的习题集，分别按章节内容以典型例题的形式，加讲在学习指导书的例题指导中。大家把每章节中的重点、难点分析和例题指导结合起来加深理解，在这里，就不再重复。
电力电子技术
课程学习指导书
(配套教材：机械工业出版社《电力电子技术》)
李丽 编
西南科技大学网络教育学院
二○○五年六月
西南科技大学网络教育学院版权所有
http://www.swust.net.cn
电力电子技术课程学习指导
前言部分
一、课程教学目的和课程性质
电力电子技术是自动化专业的一门应用性较强的专业基础课，是必修课。本课程的任务是使学生获得电力电子器件的必要知识，掌握由这些器件组成的各种可控整流和逆变电路，以及将其用于电力拖动、变频和逆变等电力控制的技能。通过对若干交变电路的工作原理、电磁现象、运行特点的分析与介绍，使学生掌握常用电力电子变流电路的设计、计算、控制及实验方法，熟悉变流装置的技术指标以及为这些指标所采取的新途径、新方法。
二、课程的基本内容与要求
1、电力电子器件
掌握不可控、半控、全控电力电子元器件的工作原理及额定电压和额定电流两个重要参数。熟悉电力电子器件的驱动、保护以及其串并联使用。
2、整流电路
掌握可控整流的基本概念和结合各种负载全面分析整流电路的各种特性、波形的方法，这是各种可控整流电路的基础。熟练掌握单相半波、单相桥式以及三相半波、三相桥式全控整流电路的工作原理、波形分析、基本数量关系等。熟练掌握逆变电路的工作特点，产生逆变工作状态的应有条件等物理概念。理解锯齿波同步触发电路的工作原理，移相要求，同步信号选择原则等。
3、交流调压电路和直流斩波电路
掌握交流调压电路和直流斩波电路的基本工作原理，波形分析。
4、无源逆变电路
掌握各种无源逆变电路的换相方式，工作原理。
5、PWM控制技术
掌握PWM型逆变电路工作原理（特别是SPWM的含义），控制方法。
三、本课程与其他课程的关系
前修课程：《电路》、《电子技术》
后继课程：《电力拖动自动控制系统》
并行课程：（配套的实验课与本课程同时进行）
四、教学方法建议
1、 每章需要加讲典型例题,并布置一定数量的习题，让学生在课外完成，加深对该课程
的理解与掌握；
2、 同时开设的《电力电子实验课》，实验内容应与教学进度一致。
五、考核方式
考试
六、选用教材及主要参考书
1、教材
王兆安、黄俊（西安交通大学）主编，《电力电子技术》（第四版），机械工业出版社，2001.6。面向21世纪课程教材，普通高等教育“九五”国家重点教材。
2、参考书，
《现代电力电子技术基础》 赵良炳等 清华大学出版社 1995年
《电力电子技术》 郭世明等 西南交通大学出版社 2002年
《电力电子器件及其应用》 李序葆等 机械工业出版社 1996年
学习方法
课程特点及学习注意
《电力电子技术》是一专用基础课，课程的实践性很强，只有在学习中密切联系实际，加强实验,注意物理概念,才能真正掌握有关概念.
掌握课程的内容要有波形分析、习题、实验能力的培训等各环节的相互配合才能解决。每个环节都很重要和不可缺少。
学习《电力电子技术》，需具备先修课程《物理学》、《电路分析》、《电子学》》等知识，并进行系统的学习。
由于作者思路不同，叙述详略不同，举例不同，学生可同时阅读参考几本书进行学习是比较好的方法，这样可以开拓思路、加深理解，对难点的理解特别有效。
阅读学习指导书
学习指导书根据课本内容将学习内容划分与课本同步分为6个学习单元。在每个单元中，既有重点内容讲述，也有补充典型例题讲解。
阅读教材
各章教材最好能先阅读两遍，即粗读和细读。
每一章开始学习时，先阅读学习指导书的内容提要，对该章将要讨论的问题有初步印象，而后结合学习方法指导，第一遍通读教科书，努力对所研究的每一个问题均能分别建立起整体概念，即对于问题的性质和提法，分析问题的理论根据和关键所在，力求能有清晰的概念，对分析问题的细节以及对结论的理解如不能深透，可不勉强，留待第二遍细读时解决。
第二遍细读时努力做到深透理解各章节内容的基本原理、重要规则和分析问题的方法，各章节之间的联系等。在第一遍通读时未搞懂的问题这次要搞懂，必要时复习一下与先修课程有关部分的内容。
第二遍细读后，根据学习指导书中所列该章内容提要和学习方法指导，检查一遍是否对该章主要内容已能清楚掌握，如个别地方尚有疑问，需针对这部分再学习。不能搞懂的内容，应及时在电话讨论或书信中请教师答疑。
应该指出，学习时间较少时，某些部分可不学习，因此必须根据学习进度表规定的内容进行自学，以免贪多而消化不良，这点请学生注意。被删除的内容不要求阅读，以便集中精力掌握最基本的内容。自学进度表所指定的内容，是共同的，大家都必须努力完成，力求掌握得更好。对于自学有余力或因工作需要，部分学员往往希望阅读较多的内容，学员可量力而行或根据工作的需要，选读其中一部分或全部。这些内容，不列为对学员的共同要求，因此每次面授或辅导时均不涉及，但自学中如有疑难，可提请个别答疑。
作笔记
为了使自己容易记住和掌握所学内容，以及培养独立工作能力和便于复习，在阅读教材的同时，最好能作简要的笔记。笔记的详简程度根据自己的忙闲而定，一般不必太详细，以免花去过多时间而影响深入学习。笔记的内容和写法也因人而异，一般地说，对每节讨论的问题的重要概念，分析问题的主要方法步骤，简明的论证，以及必要的图，重要的公式结论和阅读后的心得体会等要能清晰、有条理且较整洁的记下来。
作笔记时可随手记下阅读中所发生的问题，以便用书面或口头向教师提出，请求答疑。 观看教学录相：授课光盘
西南科技大学制作了18学时的《电力电子技术》教学实录课程，可供教学中观看。 观看教学录相，对学生建立基本概念、解决学习中的难点是非常有帮助的。
学习内容与学时安排
绪论：
考核知识点：无。
阅读课本P1-7页，了解以下几个内容。
一、 电力电子的定义：
国际电器和电子工程师学会（IEEE）的电力电子学会将电力电子技术表述为：有效的使用电力半导体器件，应用电路和设计理论及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术。它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。
几个概念理解：
1． 电力电子技术与信息电子技术的不同应用：信息电子技术主要用于信息处理；电力电子技
术主要用于电力变换。变流技术：使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。包括
电力电子器件、电路、装置以及其控制。3．变流装置（变换器）：按功能可分为以下几种类型。整流器——固定的AC变为可调的DC；
逆变器——固定的DC变为可调的AC；
斩波器——固定的DC变为可调的DC；
交流调压器——固定的AC变为可调的AC （幅值可调）；
周波变流器——固定的AC变为可调的（频率和幅值可调）
4． 电力学、电子学、电力电子技术以及控制理论之间的关系：
电力电子学(Power Electronics)这一名称是在60年代出
现的。1974年，美国的W。Newell用图0-1的倒三角形对电力
电子学进行了描述，认为电力电子学是由电力学、电子学和控制
理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。
二、电力电子技术的性质特点
1、 是电力学、电子学和控制理论三大电气工程技术领域交叉学
科。
2、 器件、变流拓扑、控制技术为其三大支柱。
三、电力电子技术的发展1、传统的电力电子技术以晶闸管（SCR）为核心，其派生器件快速SCR、导通SCR（RTC）、双向SCR（TRIAC）、不对称SCR（ASCR）形成一个大家族。
2、现代电力电子技术是以高频化、全控型的功率器件为基础发展而形成的大家族。
器件特点以全控为主，现代电力电子技术在器件、电路及其控制技术方面与传统电力电子技术相比有以下特点:
集成化、模块化、复合化 高频化：几十千赫～几百千赫～几兆赫
全控化 电路弱电化、控制技术数字化 多功能化
四、电力电子技术的应用与展望电力电子技术应用于从发电厂设备至家用电器的所有电气工
程领域。
2、新应用: 能量储存设备 有源滤波器 超导磁浮铁道系统
电子化汽车 小型化开关电源 家用电器
第一章 电力电子器件 （Power Electronic Device） 1.1 概述 电力电子器件是电力电子电路的基础。因而掌握各种常用电力电子器件的特性和正确使用方法是我们学好电力电子技术的基础。 1.1.1 单元内容 该单元包括教材第一章的1-1~1-8节： 电力电子器件概述、半控型器件——晶闸管、典型全控型器件、电力电于器件的驱动、电力电子器件的保护、电力电子器件的串联和并联使用。 1.1.2 单元目标 1、 了解电力电子器件的概念、特点和分类。 2、 掌握不可控、半控、全控电力电子元器件的工作原理及额定电压和额定电流两个重要参数。理解各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择。4、 熟悉电力电子器件的驱动、保护以及其串并联使用。 1.1.3考核知识点 电力电子器件的额定参数及其选择
1.1.4 重点
本单元学习的重点章节是1-3和1-8节；重点内容是各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要参数等问题以及使用注意事项。
1.1.5 难点
本单元学习的难点在1-3和1-6节；难点内容晶闸管额定参数及选取和驱动电路。
1.2 学习指导
1.2.1 电力电子器件概述(课本第1节)
一、器件特征：电力半导体器件的基本特点是能以小信号输入控制很大的输出，放大倍数极
大。电力半导体器件的另一基本特点是工作于开关状态,正向压降低而反向漏电流小,从而在理论上保证了各类电力电子设备都具有节能性能。
1、在实际应用当中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。
2、尽管工作在开关状态，但是电力电子器件自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，因而为了保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上比较讲究散热设计．而且在其工作时一般都还需要安装散热器。
二、应用电力电子器件的系统组成如图1—1所示，电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。因此，从宏观的角度讲，电力电子电路也被称为电力电子系统。在主电路和控制电路连接的路径上，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离，而通过其他手段如光、磁等来传递信号；而且，主电路和控制电路中需附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常靠运行。
三、电力电子器件的分类按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为以下三类：
1、 半控型器件：这类器件主要是指晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件。器件
的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。
2、 全控型器件：可以由控制信号控制其关断，因此又称为自关断器件。这类器件
品种很多，目前员常用的是绝缘栅双极晶体管(IGBT)和电力场效应晶体管(简称
为电力MOSFET)，在处理兆瓦级大功率电能的场合，门极可关断晶闸管(GTO)应
用也较多。
3、 不可控器件：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件，因此也就不需要
驱动电路，这就是电力二极管(Power Diode)。这种器件只有两个端子，其基本
特性与信息电子电路中的二极管一样，器件的导通和关断完全是由其在主电路
中承受的电压和电流决定的。
1.2.2 电力二极管（Power Diode or Rectifier Diode-SR）(课本第二节)
一、结构与工作原理
电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都是以半导体PN结为基础的。电力二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的，图1-2示出了电力二极管的外形、结构和电气图形符号。从外形上看，电力二极管主要有螺旋型和平板型两种封装。
我们知道PN结有单向导电性，即当PN结外加正向电压时（正向偏置）为低阻抗；而当PN结外加反向电压时（反向偏置）为高阻抗；电力二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这个主要特征。
PN结中的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ。结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。
二、电力二极管的基本特性
1、静态特性
电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性。
2．动态特性
因为结电容的存在，电力二极管在零偏置(外加电压为零)、
正向偏置和反向偏置这三种状态之间转换的时候，必然经历一
个过渡过程。这过渡过程中，电压、电流随时间变化的特性，
就是电力二极管的动态特性。
图1-5a给出了电力二极管由正向偏置转换为反向偏置时其动态过程的波形。当原处于正向导通状态的电力二极管的外加电压突然从正向变为反向时，该电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流（IRP）出现，并伴随有明显的反向电压过冲（URP）。
图1-5b给出了电力二极管由零偏置转换为正向偏置时其动态过程的波形。在这一动态过程中，电力二极管的正向压降也会先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值(如2V)。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。
三、电力二极管的主要参数和主要类型
1、正向平均电流IF(AV)
指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度(简称壳温，用Tc表示)和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。在此电流下，因管子的正向压降引起的损耗造成的结温升高不会超过所允许的最高工作结温。这也是标称其额定电流的参数。可以看出，正向平均电流是按照电流的发热效应采定义的。通过对正弦半波电流的换算可知，正向平均电流IF(AV)对应的有效值为1．57IF(AV)。
2、正向压降UF
3、反向重复峰值电压URRM
4、最高工作结温TJM
四、电力二极管的主要类型
1）、普通二极管
2）快恢复二极管（FRD）
3）肖特基二极管（SBD）
1.2.3 半控型器件—晶闸管(SCR)(课本第三节，此为本章重点)
● 提要 从外形上分,晶闸管主要有螺栓型和平板型两种封装结构，均引出阳极A、阴
极K和门极(控制端)G。其内部有硅半导体材料做成的管芯，它是四层(PNPN)三端(A、K、G)器件，由它决定晶闸管的性能。晶闸管在工作过程中，它的阳极A和阴极K颗与电源或负载连接，组成晶闸管主电路；门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成控制电路。
● 阅读 15-21页(约2学时)
● 思考题与习题 42页，题1-1；1-2；1-3；1-4；
● 难点补充解释
一、工作原理：
可以用双晶体管模型来解释，如果外电路向门极
注入电流IG,则IG流人T2的基极,即产生集电极电流
IC2,它构成晶体管T1的基极电流,放大成集电极电流
IC1,又进一步增大V2的基极电流,形成强烈的正反馈,
最后T1和T2进入完全饱和状态，即晶闸管导通。
此时，撤掉IG，晶闸管由于内部已形成了强烈的正反
馈仍然维持导通。
要关断，必须去掉阳极所加的正电压，或给阳极加反压，或设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下。
二、晶闸管的开通、关断条件：
1、 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导通，即从
关断状态转变为导通状态必须同时具备正向阳极电压和正向门极电压两个条件；
2、 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；
3、 晶闸管导通情况下，只有仍有一定的正向阳极电压，无论门极电压如何，晶闸管仍然
保持导通，即晶闸管导通以后，门极失去控制作用。
4、 晶闸管导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。
三、晶闸管两个额定参数与选用:
1、 额定电压：通常取晶闸管的断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小
的数值，并按标准电压等级取整数，作为该器件的额定电压。而选用晶闸管的额定电压应为其正常工作峰值电压的2～3倍，作为安全裕量。
2、 额定电流：将晶闸管的通态平均电流按晶闸管标准电流系列取相应的电流等级，即称
为该晶闸管的额定电流。由于晶闸管的过载能力比一般电机、电器元件小，选用时，应使其通态平均电流（折算成正弦半波）的1.5～2倍。
四、波形系数Kf的定义以及1.57的由来
1）波形系数：任何一含有直流分量的电流波形,都有一个电流平均值 IT (一个周期内电流波形面积的平均值),也有一个电流的有效值IT,该电流有效值IT与电流平均值Id之比,则为该电流的波形系数。即：
Kf=IT （1-1） Id
说明:具有相同平均值IT而波形不同的电流,因波形系数不同而具有不同的有效值.
2）如图1.2.1的正弦半波,是用来定义晶闸管额定电流的电流波形,其波形系数可按以下方法求得. t
图1.2.1闸管的通态平均电流
设该正弦波峰值电流为Im,由平均值的定义,其通态平均电流为:
1Id=2π⎰π
0Imsinωtd（ωt）=Im
π (1-2)
根据有效值的定义,其有效值为:
ImIT== (1-3) 2
所以,正弦半波电流的波形系数是:
Kf=ITπ==1.57 (1-4) Id2
3)由于晶闸管的额定电流是用正弦半波电流的平均值来定义的,所以非正弦波电流选择晶闸管时需要进行折算.(根据有效值相等发热相同的原理).即:
1.57I'
T（AV）
=KfIdI'
T（AV）=KfId1.57 (1-5)
考虑安全裕量,选择晶闸管时,其通态平均电流应为:
KfId (1-6) IT（AV）=（1.5~21.57
例题1-1
已知：图1.2.2中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形,波形的电流最大值为Im,试计算该波形的电流平均值Id1和电流有效值I1以及其波形系数.
it
Im
0 π 3ωt π 2π
图1.2.2晶闸管导电波形
解:电流平均值为:
电流有效值:
I=1
2πId1=12π⎰ππImsinωtd(ωt)=0.24Im ⎰ππ(Imsinωt)2d(ωt)=0.46Im
波形系数:
Kf=0.46Im=1.92 0.24Im
例题1-2:
在例题1-1中,若取安全裕量为2,问额定电流为100A的晶闸管,其允许通过的电流平均值是多少?这时,相应的电流最大值是多少?
解:100A的晶闸管允许通过的电流平均值为:
Id1=1.57⨯100=41(A) 2⨯1.92
Id141==171(A) 0.240.24电流最大值为: Im=
四、晶闸管的主要类型
1、 快速晶闸管
2、 双向晶闸管
3、 逆导晶闸管
4、 光控晶闸管
1.2.4 典型全控型器件(课本第四节)
电力晶体管GTR（Giant Transistor）
门极可关断晶闸管GTO （Gate-Turn-off Thyristor) 场效应晶体管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）
绝缘栅双极性晶体管IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor） 集成门极换流晶闸管IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor） 其他新型电力电子器件：
MOS控制晶闸管MCT 静电感应晶体管SIT 静电感应晶闸管SITH
功率集成电路（PIC）代表电力电子发展的一个方向。
按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电酌情况，属于单极型电力电子器件的有电力MOSFET和SIT等；属于双极型电力电子器件的有电力二极管、晶闸管、GT0、GTR和SITH等；属于复合型电力电子器件的有IGBD和MCT等。二其中，单极型器件和复合型器件基本都是电压驱动型器件，而双极型器件中除SITH为电压驱动型外．其余均为电流驱动型器件。电压驱动型器件的共同特点是：输人阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。电流驱动型器件的共同特点是：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大，驱动电路也比较复杂。
1.2.5 电力电子器件的串联和并联使用(课本第八节)
串联: 当晶闸管的额定电压小于实际要求时，可以用两个以上同型号器件相串联。为达到静态均压，首先应选用参数和特性尽量一致的器件，此外可以采用电阻均压,如图1-41a所示.由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压问题称为动态不均压问题,为达到动态均压，同样首先应选择动态参数和特性尽量一致的器件，另外，还可以用RC并联支路作动态均压，如图1—41b所示。
并联: 大功率晶闸管装置中，常用多个器件并联来承担较大的电流。当晶间管并联时就会分别因静态和动态特性参数的差异而存在电流分配不均匀的问题。均流的首要措施是挑选特性参数尽量一致的器件。此外，还可以采用均流电抗器。同样，采用门极强脉冲触发也有助于动态均流。
串并联:当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。
1.3小结
现在你已经完成了第1单元的学习，请试着作一个单元小结。下面的要点可能会对你有所帮助∶
1. 应用电力电子技术器件的系统组成 2. 电力电子器件的分类
3. 电力二极管的工作原理以及分类
4. 晶闸管的结构,工作原理,导通条件,工作特性以及参数 5. 典型全控型晶闸管的基本特性
6. 晶闸管触发电路
7. 电力电子器件的保护和串并联使用
第二章 整流电路（Rectifier）
2.1 概述
整流电路(Rectifier)是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，各具特色。从各种角度对整流电路进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路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、三相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。
2.1.1 单元内容
该单元包括教材第二章的2-1，2-2，2-3，2-5，2-6， 2-7，2-9节。 2-1节∶叙述单相可控整流电路。 2-2节∶分析三相桥式全控整流电路。
2-3节∶介绍变压器漏感对整流电路的影响。 2-5节：整流电路的谐波和功率因数分析基础。 2-6节：介绍大功率可控整流电路。
2-7节：整流电路的有源逆变工作状态分析 2-9节：相控电路的驱动控制
2.1.2 单元目标
通过本单元内容的学习，你将能够∶
● 掌握电力电子电路作为分段线性电路进行分析的基本思想。
● 掌握可控整流电路的原理分析与计算、各种负载对整流电路工作情况的影响。 ● 熟悉变压器漏感对整流电路的影响。 ● 熟悉大功率整流的特点。
● 掌握产生有源逆变的条件以及工作分析。 ● 熟悉锯齿波移相触发电路的原理。
2.1.3考核知识点
1、 掌握可控整流电路的原理分析与计算、各种负载对整流电路工作情况的影响。 2、 理解变压器漏感对整流电路的影响。
3、 了解整流电路的谐波(harmonics)和功率因数。
4、 理解可控整流电路的有源逆变工作状态，重点掌握产生有源逆变的条件 5、 了解锯齿波移相触发电路的原理
2.1.4 重点
本单元学习的重点内容是2-1、2-2、2-3、2-4、2-7节；重点概念是整流、逆变、有源逆变、谐波、相控。
2.1.5 难点
本单元学习的难点内容是2-1、2-2、2-7节；单相全控桥式整流电路的原理与计算、三相
全控桥式整流电路的原理分析与计算、各种负载对整流电路工作情况的影响。
2.2 学习指导
2.2.1 单相可控整流电路(第1节)
● 提示：单相可控整流电路的交流侧接单相电源，本节讲述几种典型的单相可控整流
电路，包括其工作原理、定量计算等，并重点讲述不同负载对电路工作的影响。 ● 阅读 43-51页(约3学时) ● 难点补充解释
一、单相半波可控整流电路
1、 回忆单相半波不可控整流电路：
输出电压平均值为：
1
Ud=
2π
⎰
π
2U2sinωtd（ωt）=0.45U2
2、 单相半波可控整流带电阻负载的工作情况（如电阻加热炉、电解、电镀负载）：
根据晶闸管导通的两个基本条件，图2-1整流电路输出电压波形为图2-1d）所示。 直流输出电压平均值为：
1
Ud=
2π
⎰α
π
2U2sinωtd（ωt）=
2U21+cosα
（2-1） 1+cosα）=0.45U2
2π2
其中 α：触发延时角，也称出发角或控制角。
θ ：导通角，θ=π-α。
由公式（2-1）可见，随α↑，Ud↓，移相范围为180º。调节α角，即可控制Ud的大小，这种通过控制触发脉冲的相位角来控制直流输出电压大小的方式称为相控方式。 Id=
UdU1+cosα
（2-2） =0.452
RR2
整流输出电压有效值为： U=
21ππ-αsin2α2U2sinωt）d（ωt）=U2+ （2-3） 2πα2π4π
⎰
流过晶闸管的电流有效值为： IVT=I2=
U2
R
π-αsin2α
（2-4） +
2π4π
晶闸管承受的最大电压为：
UFM=URM=2U2 （2-5） 根据功率因数的定义，有：
s= coϕ
UI2Pπ-αsin2α
==+ QU2I22π4π
可见，功率因数cosϕ是控制角α的函数。当α=0 时，cosϕ最大为0.707
3、 单相半波可控整流带电感负载的工作情况（生产实践中，大多数的负载为阻感负载，如各种电机的励磁绕组、电磁铁线圈等。若ωL》R，称为电感负载，例如电机的励磁绕组）：
分析整流电路带阻感负载工作情况的关键是：电感对电流变化有抗拒作用，所以流过电感的电流不能突变。工作波形见图2-2所示。为解决当ϕ较大时，平均值Ud较小的矛盾，在整流电路的负载两端并联一个续流二极管，这样，Ud 中不再出现负的部分。
若L足够大，ωL》R，即负载为电感负载，在VT关断期间，VDR可持续导通，使id连续，且id波形接近一条水平线，如图2-4f所示。
单相半波可控整流电路的特点是简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁心直流磁化。为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备的容量。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念。
二、单相桥式全控整流电路（重点内容）
1、 带电阻负载的工作情况
在单相桥式全控整流电路中，晶闸管vTl和vT4组成一对桥臀，vT2和vf3组成另一对桥臂。注意：晶闸管vTl和VT2的工作状态应该是互异的，VT3和VT4也同理。 基本数据分析：
（2-6）
α的移相范围为180。
电流平均值：流过晶闸管的电流平均值： IdVT=
U1+cosα1
（2-7） Id=0.452
2R2
流过晶闸管的电流有效值： IVT=
U22R
1π-α
（2-8） sin2α+
2ππ
输出电流有效值：
I=I2=
U2
R
1π-αsin2α+2ππ
（2-9）
2． 阻感负载的工作情况
负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线，其波形如图2-6b所示。
基本数据分析：
Ud=0.9U2cosα=0,Ud0=0.9U2
（2-10）
α=90 ，Ud=0
α的移相范围为90º。
晶阐管导通角θ与α无关，均为180º。其电流波形如图2-6b所示，平均值和有效值
11
分别为：IdVT=Id和IVT=Id=0.707Id。变压器二次电流为正负各180º的矩形波。
22 3．带反电动势负载时的工作情况
当忽略主电路各部分的电感，只有在u2瞬时值的绝对值大于反电动势即u2>E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。波形如图2-7b所示。
三、单相桥式半控整流电路
在单相桥式全控整流电路中，每一个导电回路中有1个晶闸管和1个二极管。如图2-10所示，为避免可能发生的失控现象，实用中需加续流二极管VDR。
2.2.2三相可控整流电路
● 提示：三相可控整流电路的交流侧接三相电源，本节讲述几种典型的三相可控整流
电路，包括其工作原理、定量计算等，并重点讲述不同负载对电路工作的影响。 ● 阅读 51-59页(约3学时) ● 难点补充解释
一、三相半波可控整流电路
特点：三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，采用共阴极接法。输出波形如图2-13所示。概念：自然换相点。 1、带电阻负载：
基本数量关系：
三相半波可控整流电路阻性负载，电流波形有连续和断续之分，故整流输出电压平均值Ud也不相同。见公式（2-18）、（2-19）。α的移相范围为150º。
2、阻感负载：
假设L值极大，整流电流连续且波形基本为水平线。 基本数量关系：
Ud=1.17U2cosωt （2-11）
I2=IVT=
1Id （2-12）
IVT（AV）=
IVT
=0.368Id （2-14） 1.57
UFM=URM=U2=2.45U2 （2-15）
三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。
二、三相桥式全控整流电路（重点内容）
目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图2-17所示，习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管(VT1、VT3、VT5)称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管(VT4、VT6、VT2)称为共阳极组。按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6。 1、带电阻负载：
特点见书55页。输出波形见图2-19、2-20、2-21。 基本数量关系：
电流连续时（α《60 ），Ud=2.34U2oscα （2-16）
π电流断续时（α>60 ），Ud=2.34U2[1+cos(+α)] （2-17）
3
α的移相范围是120˚。
IdVT=
IVT=
1
Id 3
12I2
2、带感性负载
当α≤60 时，波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，区别在于负载电流波形不同。当电感足够大时，可近似为一水平线。如图2-23、2-24。
基本数量关系：
Ud=2.34U2cosα （2-18）
α移相范围为90˚。
Id=2.34IdVT=
U2
cosα （2-19） R
1Id 3
IVT=
11Id=I2 32
2.2.3变压器漏感对整流电路的影响
实际上变压器绕组总有漏感，该漏感可用一个集中的电感LB表示，并将其折算到变压器二
次侧,因此换相过程不能瞬间完成，而是会持续一段时间。漏感对整流电路的影响为: 1)出现换相重叠角γ ,整流输出电压平均值Ud降低.
2)整流电路的工作状态增多.
总的来说,变压器漏感的作用，利：限制短路电流，使电流变化相对缓和，对 di/dt 和 du/dt 值的限制有利。弊：使电网波形畸变，加大干扰；使功率因数降低。
2.2.4整流电路的谐波(harmonics)和功率因数（课本第五小节）
1、 许多电力电子装置要消耗无功功率(reactive)，会对公用电网带来不利影响：
1)无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。 2)无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。 3)使线路压降增大，冲击性无功负载还会使电压剧烈波动。 2、电力电子装置还会产生谐波，对公用电网产生危害，包括：
1)谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低效率，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。
2)谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏。 3)谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大。
4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确。 5)谐波会对邻近的通信系统产生干扰。
2.2.5整流电路的有源逆变工作状态(课本第七小节)
1.概念：逆变、有源逆变、无源逆变
把直流电转变成交流电，这种对应于整流的逆向过程，定义为逆变(Invertion)。把直流电逆变成交流电的电路称为逆变电路。当交流侧和电网连结时，这种逆变电路称为有源逆变电路。如果变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，称为无源逆变。
2.产生有源逆变的条件:
1)要有直流电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流电路直流侧的平均电压。
2)要求晶闸管的控制角α＞π，使Ud为负值。 注意：实现有源逆变，只能采用全控电路。
2.2.6 例题讲解
例题2-1：
单相半波可控整流电路，电阻性负载，不经整流变压器直接与220V交流电源相接，要求输出的直流平均电压为85V，最大输出直流平均电流为20A，求此电路中的
。 α，R，U，I2，IVT，cosϕ，并选择晶闸管（考虑2倍裕量）解：1）已知Ud=85V，根据Ud=0.45U2(
cosα=
1+cosα
)，可计算触发角： 2
2Ud2⨯85
-1=-1=0.717,α=44 ；
0.45U20.45⨯220
Ud85
==4.25(Ω)； Id20
2）由Ud=85V，Id=20A，可计算负载电阻：R= 3）计算整流输出电压有效值：U=U2
π-αsin2α
+=148.7(V)； 2π4π
U148.7
==35(A)； R4.25
4）计算流过变压器二次侧绕组电流有效值：I2=
5）计算流过晶闸管的电流有效值和平均值：IVT=I2=35， （A）
IdVT=Id=20； （A） 6）计算功率因数：cosϕ= 7）计算晶闸管定额：
IVTAV=2⨯
IT35
=2⨯=44.6(A)，应选择额定电流为50A的晶闸管； 1.571.57
PUI2U148.7
====0.676； SU2I2U2220
UFM=URM=2⨯2U2=622(V)，应选择额定电压为700V左右的晶闸管。
例题2-2：
单相全控桥式整流电路（如课本图2-6），负载中R=3Ω，L值极大，当α=45 U2=100V，时，求：Ud，Id，I2考虑2倍安全裕量，确定晶闸管的额定电流和额定电压。 解：
1） 2） 3）
整流输出平均电压：Ud=0.9U2cosα=0.9⨯100⨯cos45 =63.63(V) 整流输出平均电流：Id=
Ud63.63
==21.21(A) R3
2π
变压器二次侧电流有效值：
I2=
1
[2π
⎰
π
(Id)2d(ωt)+
⎰π
(-Id)2d(ωt)]=Id=21.21(A)
4）确定定额：
流过晶闸管的电流有效值IVT=
12Id=
21.212
=15(A)，
考虑2倍裕量，晶闸管额定电流为IVTAV=2⨯
IVT
=19.1(A)； 1.57
晶闸管承受的最大反向电压为2U2=141，考虑2倍裕量时为282V。 （V）
例题2-3：
单相半控桥有续流二极管的整流电路，阻感负载（如课本图2-10）。U2=220V，R=4Ω，L值极大，晶闸管触发角α=60 ，求流过器件的电流平均值和有效值。 解：
1+cosα
1） 整流输出电压平均值：Ud=0.9U2()=148.5(V)；
2
2） 负载电流平均值：Id=
Ud
=37.13(A)； R
3） 流过晶闸管和整流二极管的电流平均值：
IdVT=IdD=
π-α
Id=12.38(A)， 2π
π-α
Id=21.44(A)； 2π
有效值为：IVT=ID=
4） 流过续流二极管的电流平均值为：IdDR=
有效值为：IDR=
α
Id=12.38(A)， πR
Id=21.44(A)；
例2-4：
三相半波可控整流电路，阻感负载（如课本图2-11、2-16）。已知整流变压器二次侧绕组电压U2=200V，R=2Ω，L值极大。α=60 ，求Ud，Id以及晶闸管的额定值。 解：
Ud=1.17U2cosα=1.17⨯200⨯cos60 =117(V)；
Id=
Ud
=58.5(A)； R
1Id=33.75(A)，
流过晶闸管电流有效值：IVT=
考虑2倍裕量，
晶闸管的额定电流为：IVTAV=2⨯
IVT33.75
=2⨯=43(A)； 1.571.57
额定电压为：URM=2⨯U2=2⨯2.45⨯200=980(V)；
可选择型号为KP50-10的晶闸管，其通态平均电流为50A，正向重复峰值电压为10级。
例2-5：
三相桥式全控整流电路，阻感负载。已知：求：当α=30 U2=100V,R=5Ω,L的值极大。时，画出相电压ud1和ud2，输出电压ud以及电流id，ia的波形。并计算输出Ud,Id,IVT，I2的值。 解：
波形如图：
计算：
Ud=2.34U2cosα=2.34⨯100⨯cos30 =202.64V
Id=
Ud
=40.5A R
电力电子技术学习指导书
IVT=I2=
3
Id=23.4A 3
2
Id=33.05A 3
2.2.6 习题及思考题(课本第97-99页)
思考题:7;9;12;26;30; 习题:3;6;11;13;
第三章 直流斩波电路（DC Chopper）
3.1概述
直流斩波电路(DC Chopper)的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流—直流变换器(DC/DC Converter)。直流斩波电路的种类较多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩被电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中前两种是员基本的电路。为本章重点内容。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩被电路，利用相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多相多重斩波电路。
3.1.1单元内容
3.1 基本斩波电路
3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路
3.1.2 单元目标
1、 掌握降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理与输出公式。 2、 理解斩波电路可有的三种控制方式。
3.1.3考核知识点
1、降压斩波电路和升压斩波电路的基本工作原理与输出公式 2、斩波电路的三种控制方式
3.1.4 重点
本单元学习的重点章节是3-1；重点内容是降压斩波电路和升压斩波电路的基本工作原理与输出公式分析。
3.1.5 难点
本单元学习的难点在3-2；难点内容复合斩波电路和多相多重斩波电路分析（不要求）.
3.2.1 学习指导
基本斩波电路
一、降压斩波电路（Buck Chopper）
原理图如图所示：
V为全控型器件，图中为IGBT。负载为直流电动机（也可带动蓄电池负载）。
1、当L的值较大时，设电流连续，工作波形如图所示：
在t=0时刻，驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压u0=E，负载电流i0按指数曲线上升。
在t=t1时刻，控制V关断，二极管VD导通续流，负载电压近似为零，负载电流呈指数规律下降。
串联电感L可使电流连续且脉动小。
至一个周期结束，再驱动V导通，重复上一周期过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图b）所示。负载电压平均值为：
U0=tontE=onE=αEton+toffT
（3-1）
ton——为V处于通态时的时间；
toff——为V处于断态时的时间；
T——为开关时间；
简称占空比 或导通比。 α——为导通占空比，
由此可知，输出到负载的电压平均
值u0最大为E，若减小占空比α，则u0
随之减小。因此将该电路称为降压斩波
电路。
2、 当负载中L的值较小，若负载中L
值较小，则在V关断后，到了t2时刻，
如图c）所示，负载电流已衰减至零，会出现负载电流断续的情况。由波形可见，负载电压u0平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。
二、斩波电路三种控制方式：
1)保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation 缩写为PWM)或脉冲调宽型。
2)保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型。
3) ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。
三、升压斩波电路（Boost Chopper）
原理图和工作波形如图所示：
分析升压斩波电路的工作原理时，首先
假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。
当V处于通态时，电源E向电感L充电，
充
电电流基本恒定为I1同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，基本保持输出电压u0为恒值，记为U0。设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为EI1ton。当V处于断态时E和L共同向电容C充电，并向负载及提供能量。设V处于断态的时间
（U0-E）I1toff。当电路工作于稳态时，一个周期为toff，则在此期间电感上释放的能量为
（U0-E）I1toff 化简得： T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即： EI1ton=
ton+toff
toffTtoff11E （3-2） 1-αU0=E=E=βE=
由于T/toff≥1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容c可将输出电压保持住。
3.2.2 例题指导
例3-1：
在图3-1a所示的降压斩波电路中，已知E=100V，R=5Ω，L值极大，EM=20V。采用脉宽调制控制方式，当T=50us,ton=15us时，计算输出电压平均值U0、输出电流平均值I0。
解：U0=ton15E=⨯100=30(V) T50
I0=
例3-2： U0-EM30-20==2(A) R5
在图3-2a所示升压斩波电路中，E=100V,R=10Ω，L值和C值极大，采用脉宽调制控制方式，当T=30us,ton=10us时，计算输出电压平均值U0和输出电流平均值I0。 解：U0=T
t0ffE=T30E=⨯100=150(V) T-ton30-10
I0=U0150==15(A) R10
3.3 习题与思考题(课本111页)
3.3.1 思考题:1; 4;
电力电子技术学习指导书 3.3.2 习题:2; 5; 第四章 交流电力控制电路 4.1概述 本章讲述的是交流—交流变流电路，即把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。在进行交流—交流变流时，可以改变相关的电压、电流、频率和相数等。 4.1.1单元内容 4.1 单相交流调压电路 4.2 交流调功电路 4.1.2 单元目标 理解交流调压电路和交流调功在控制上的区别以及不同的负载应用。 4.1.3考核知识点 交流调压电路和交流调功在控制上的不同。 什么是TCR？什么是TSC？
4．2学习指导
一、交流调压电路
1、交流电力控制电路： 把两个晶问管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控
制就可以控制交流电力。这种电路不改变交流电的
频率，称为交流电力控制电路。
2、 交流调压电路：在交流电力控制电路中，在每半个
周波内通过对晶闸管开通相位的控制（如图4-2
所示），可以方便地调节输出电压的有效值，这种
电路称为交流调压电路。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，这种电路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。
3、 交流调功电路：在交流电力电路中，以交流电的周
期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断
态周期数的比，可以方便地调节输出功率的平均值，
这种电路称为交流调功电路。这种电路常用于电炉
的温度控制。
注意：交流调压电路与交流调功电路的电路形式完全相同，只是控制方式不同。交流调功电路不是在每个交流电源周期都对输出电压波形进行控制，而是将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周波（如图4-13所示），通过改变接通用波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。 4、 晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor--TSC）: 基本原理如图所示，实际上是一种断续可调的动态无功补偿器，一般把电容器分成几组，如图4—15b所示。这样，可以根据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量。 5、 晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor--TCR）: 其电路如图
4
—11所示。图中的电
抗器中所含电阻很小，可以近似看成纯电感负载，因此
α的移相范围为90︒~180︒。通过对α角的控制，可以连
续调节流过电抗器的电流，从而调节电路从电网中吸收
的无功功率。
4．3 习题与思考题
课本第131页：3、4
第五章 逆变电路
5.1概述
与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、于电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。
5.1.1单元内容
5.1 换流方式
5.2 电压型逆变电路
5.3 电流型逆变电路
5.1.2 单元目标
1、理解无源逆变电路和有源逆变电路
2、换流的概念及分类
3、电压型逆变电路和电流型逆变电路
5.1.3考核知识点
1、 源逆变电路和有源逆变电路异同?
2、换流分类及各自特点? 3、电压型逆变电路和电流型逆变电路有何区别?
5．2学习指导
一、换流方式
1、 逆变电路工作过程中，在某时刻出现了电流一个开关器件到另一个开关器件的转移，
电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，换流也常被称为换相。换流方式可分为以下几种：器件换流、电网换流、负载换流和强迫换流。
2、 器件换流：利用全控型器件的自关断能力进行换流称为器件换流。在采用IGBT、电力
MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的电路中，其换流方式即为器件换流。
3、 电网换流：由电网提供换流电压称为电网换流。在换流时，只要把负的电网电压施加
在败关断的品闸管上即可使其关断。这种换流方式不需要器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加任何元件，但是不适用于没有交流电网的无源逆变电路。
4、 负载换流：由负载提供换流电压称为负载换流。凡是负裁电流的相位超前于负载电压
的场合，都可以实现负载换流。当负载为电容性负载时，即可实现负载换流。另外，当负载为同步电动机时，由于可以控制励磁电流使负载呈现为容性，因而也可以实现负载换流。
5、 强迫换流：设置附加的换流电路，给欲关断的品闸管强迫施加反向电压或反向电流的
换沥方式称为强迫换流。强迫换流通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。
二、电压型逆变电路特点：
1) 直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流例电压基本无脉动，直
流回路呈现低阻抗。
2) 由于直流电压源的钳位作用，交流例输出电压波形为矩形波．并且与负兹阻抗角
无关。而交流例输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。
3) 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。
三、电流型逆变电路特点：
1) 直流例串联有大电感，相当于电流源。直流例电流基本无脉动，直流回路呈现高
阻抗。
2) 电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩
形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况
的不同而不同。
3) 当交流例为阻感负载时需要提供无功功率．直流侧电感起缓冲无功能量的作用。
因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样要给开
关器件反并联二极管。
5．3 习题和思考题
课本第149页：1、2、3、4
第六章 PWM控制技术
6.1概述 PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术。 6.1.1单元内容 6.1 PWM控制的基本原理 6.2 PWM逆变电路及其控制方法 6.1.2 单元目标 1、理解SPWM的基本原理 2、单极性SPWM控制方式和双极性SPWM控制方式 6.1.3考核知识点 1、SPWM的基本原理 2、单极性SPWM和双极性SPWM有什么区别？
6．2学习指导
一、概念：
1、 面积等效原理：冲量（指窄脉冲的面积）相等而形状不同的窄脉冲加在有惯性的环节上，
其效果（指输出响应）基本相同。
2、 脉冲宽度调制（PWM）：用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的电压或电流
波形。
3、 正弦脉宽调制（SPWM）：用恒幅不等宽的一系列脉冲来代替一个正弦波。
4、 单极性PWM控制方式：在SPWM中，信号波ur的半个周期内三角波载波只在正极性或负极
性一种极性范围内变化，所得到的PWM波形也只在单个极性范围变化的控制方式称为单极
性PWM控制方式。
5、 双极性PWM控制方式：在SPWM中，信号波ur的半个周期内三角波载波不是只在正极性或
负极性一种极性范围内变化，而是有正有负，所得到的PWM波形也是有正有负，这种控制方式称为单极性PWM控制方式。
二、SPWM的基本原理
如图所示，把图6—3a的正弦半波分成N等份，就
可以把正弦半波看成是由N个被此相连的脉冲序列所
组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 ／N，但幅值
不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的
幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数
量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点
和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的
正弦波部分面积（冲量）相等，就得到图6—3b所示的
脉冲序列。这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的幅值
相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM(Sinusoidal PWM)波形。而要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。
6．3 习题与思考题
课本第169页：1、3。
课程评估
在课程结束后，请你对课程、教材、指导书、教师等质量和服务情况提供信息反馈，
这会有助于我们改进以后的教学。反馈意见E-MAIL地址： [email protected]。
□ 附录：
附录A：《电力电子技术》习题集
附录B：说明
附录A《电力电子技术》习题集
一、填空
1、正弦半波电流的波形系数K=I为：（ ） Id
2、单相桥式全控整流电路带电阻负载，变压器二次绕组输出电压为u2，则整流电压平均值为：（ ）。
3、单相桥式全控整流电路带阻感负载，变压器二次绕组输出电压为U2，则整流电压连续时的平均值为：（ ）。
4、单相桥式半控整流电路大电感负载，加续流二极管的目的是：（ ）。
5、三相桥式全控整流电路，带电阻负载时，α角的移相范围是：（ ）。
6、当晶闸管的额定电流小于实际要求时，可以用两个以上同型号的器件相并联，并联需要解决的问题是：（ ）。
7、三桥式全控整流电路，电阻性负载，如果有一只晶闸管不能导通，则输出的电压波形为：（ ）。
8、实现有源逆变的条件是：（ ）。
9、晶闸管导通以后，其电流取决于（ ）。
10、晶闸管的门极作用是（ ）。
11、变压器漏抗对整流有影响，它使输出电压Ud（ ）。
12、单相半波可控整流电路，带大电感负载，加续流二极管的目的是：（ ）。
13、三相桥式全控整流电路，带阻感负载时，α角的移相范围是：（ ）。
14、当晶闸管的额定电压小于实际要求时，可以用两个以上同型号的器件相串联，串联需要解决的问题是：（ ）。
15、随着电力电子的应用日益广泛，由此带来谐波和无功问题，问题有（ ）。
16、电力电子器件在实际工作中应用中，一般是由（ ）和以电力电子器件为核心的（ ）组成的一个系统。
17、按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为（ ）型器件、（ ）控型）器件和（ ）器件。
18、电力二极管可分为（ ）二极管、（ ）二极管和（ ）二极管。
19、从外型上看，电力二极管主要有（ ）型和（ ）型两种封装。引出（ ）A和（ ）K。
20、从外型上看，晶闸管主要有（ ）和（ ）型两种封装。均引出（ ）A、（ ）K和（ ）G三个连接端。
21、晶闸管的派生器件包括有（ ）、（ ）晶闸管和（ ）晶闸管以及（ ）晶闸管。
22、写出下列典型全控型器件的英文缩写（中文名称）门极可关断晶闸管（ ）、电力晶体管（ ）、电力场效应晶体管（ ）、绝缘栅双极晶体管（ ）。
23、电力电子器件的保护一般包括（ ）保护、（ ）保护、（ ）保护和（ ）保护。
24、电力电子装备中可能发生的内因过电压包括（ ）电压和（ ）电压。
25、PWM波形的生成方法包括（ ）法和（ ）法以及（ ）法。
26、PWM跟踪控制法中，常用的有（ ）比较方式和（ ）比较方式。
二、判断正误：
1、电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都是以半导体PN结为基础的。
2、当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。
3、当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下，晶闸管才能导通。
4、晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，无论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。
5、IGBT的开关速度高，开关损耗大。
6、电力MOSFET的通态电阻具有负的温度系数，并联使用时具有电流自动均衡的能力，易于串联使用。
7、三相桥式整流电路中，每个时刻需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中，1个晶闸管是共阳极组的，一个晶闸管是共阴极组的，且不能为同一相的晶闸管。
8、三相桥式整流电路中，对触发脉冲的要求为：6个晶闸管按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的顺序，相位依次差60︒；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差180︒，共阳极组VT4、VT6、VT2依次差180︒；同一相的上、下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2脉冲相差120︒。
9、三相桥式整流电路，整流输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，因此，该电路又称为6脉波整流电路。
10、各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域的应用，由此带来谐波和无功因数问题：1）无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。2）无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。3）使线路压降增大，冲击性无功负载还会使电压剧烈波动。4）谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电以及用电设备的效率，大量的3次谐波流国中线会使线路过热甚至发生火灾。5）谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热等。6）谐波会引起电网中局部的
并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，甚至引起严重事故。7）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确。8）谐波会对邻近的通信设备系统产生干扰。
三、问答题：
1、 画出升压直流斩波电路（Boost Chopper）的电路图，并简述其工作原理。
2、 交流调压电路与交流调功电路在控制上有何区别？各运用于什么样的负载？
4、画出降压式直流斩波电路（Buck Chopper）的电路原理图，并简述其工作原理。
5、无源逆变电路有哪四种换流方式？简述各个方式的特点。
6、简述单极性SPWM调制法控制的基本原理和指导思想。
7、简述电压型逆变电路的主要特点。
8、简述电流型逆变电路的主要特点。
9、分析单相逆变电路的基本工作原理。
四、计算以及波形分析
略（见说明）
附录B：
说明：对于计算以及波形分析的习题集，分别按章节内容以典型例题的形式，加讲在学习指导书的例题指导中。大家把每章节中的重点、难点分析和例题指导结合起来加深理解，在这里，就不再重复。