电力电子变换和控制技术(第二版)(陈坚)第6章

电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）第6 章交流-交流变换器6交流-交流变换器6.0 引言6.1 晶闸管交流电压控制器的类型6.2 单相交流电压控制器6.3 三相全波交流电压控制器*6.4 变压器抽头电压控制器*6.5 晶闸管相控交流/交流直接变频器*6.6 矩阵式交流/交流变频器6.7 本章小结本章主要讲述交流-交流变流电路把一种形式的交流电变成另一种形式交流电的电路交流电压控制器频率不变，仅改变电压大小交流调压电路相位控制交流调功电路通断控制变频器实现频率变换亦可改变电压大小交交变频直接交直交变频间接⏹采用晶闸管作开关器件时，依靠交流电源瞬时值过零及反向来关断晶闸管。

晶闸管开关器件的开通则可采用移相控制，改变控制角调控变换器输出电压的大小。

⏹单相电压控制器常用于小功率单相电动机、照明和电加热控制，三相交流-交流电压控制器的输出是三相恒频变压交流电源，通常给三相交流异步电动机供电，实现异步电动机的变压调速，或作为异步电动机的启动器使用。

6.0 引言6.1 晶闸管交流电压控制器的类型6.1.1 单相全控6.1.2 带中线星形联结6.1.3 无中线的三相连接6.1.4 三角形联结的控制器si tV v s s ωsin 2=Roi +-ov 1T 4T （a ）单相全控通态时：)()(t v t v S O =断态时：)(=t v O 两个反并联开关器件负载电压、负载功率的大小由控制角a 确定6.1.1 单相全控si V1T 4T 3T 6T 5T 2T （b ）带中线星形联接90=a 时，中线电流约等于相电流三个单相交流电压控制器可组合成带中线的三相交流电压控制器缺点中线电流大6.1.2 带中线星形联结si 'V （c ）无中线的三相联接输入电流中没有3次及3的倍数次谐波电流6.1.3 无中线的三相连接Nv ANv BNv CNi Ai Bi CBACZ LZ LT1T4T6T3Z LT2T5(d) Δ联接的交流电压控制器只适用于允许断开6根出线端子的三角形负载6.1.4 三角形联结的交流电压控制器6.2 单相交流电压控制器6.2.1 电阻负载6.2.2 电阻、电感性负载*6.2.3 PWM交流电压控制器利用傅立叶级数可求出基波及各次谐波。

第六章谐振开关电路与电力公害抑制1.开关器件有几种功率损耗?答: 开通损耗、关断损耗、通态损耗、断态损耗；还有驱动损耗。

2.谐振开关工作的特点是什么?答: 谐振开关电路在开关过程引入谐振过程，使器件在开通前电压先下降到0，或在关断前电流先降到0，这样就可以消除开关过程中的电压电流重叠，使器件的开关损耗降到很小，因而也可以提高电力电子器件的开关频率，提高装置的效率，减小装置的体积。

3.试分析谐振开关电路的优缺点。

答: 谐振开关技术可以使器件的开关损耗降到很小，因而也可以提高电力电子器件的开关频率，提高装置的效率，减小装置的体积。

但也带来一些负面影响：谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电流有效值很大，电路中存在大量的无功功率的交换，造成电路道通损耗加大；谐振周期随输入电压，负载变化而改变，因此电路只能采用脉冲频率调制方式来控制。

4.何谓软开关模式和硬开关模式?答:采用准谐振技术的零电压开关电路和零电流开关电路，这种技术被称为软开关技术。

谐振开关技术是以谐振辅助换流方式来解决开关损耗问题的，提高了器件的开关频率，减小了装置的体积，提高了效率。

谐振开关模式也称为软开关模式。

非谐振开关模式也称为硬开关模式。

5.简述零电流开关谐振电路的工作原理。

答: 零电流开关谐振电路中，谐振电容r C 与二极管VD 并联，而谐振电感r L 与开关管串联。

在0T 时刻以前，开关管VT 处于关断状态，输出滤波电感f L 与二极管VD 构成续流通道，流过负载电流0I 。

谐振电感r L 中的电感为0，谐振电容r C 电压也为0。

零电流开关谐振电路工作原理见书中214页6. 简述零电压开关谐振电路的工作原理。

答：零电压开关谐振电路工作原理见书中215页。

7.软开关PWM 的含义是什么？答：在逆变器和直流输入电源之间加入谐振电路，当谐振电路工作时，逆变器的端电压在零和直流输入电源电压之间振荡，从而实现逆变器上开关管的零电压关断。

《电力电子技术》课程教学大纲课程类别：专业基础课程性质：必修英文名称：Power Electronic Technology总学时：64讲授学时：48 实验学时：16学分：3.5先修课程：电路原理、模拟电子技术、数字电子技术适用专业：自动化开课单位：信息工程学院自动化教研室一、课程简介《电力电子技术》是电气工程及其自动化专业、自动化专业本科生的一门专业基础课，是一门理论与应用相结合，实践性很强的课程。

它包括电力电子器件、电力电子变流技术以及以微电子技术和计算机为代表的控制技术三大组成部分。

本课程的目的和任务是使学生熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法；掌握各种电力电子电路的结构、工作原理、控制方法、设计计算方法及实验技能；熟悉各种电力电子装置的应用范围及技术经济指标，培养学生的分析问题和解决问题的能力，为《运动控制》等后续课程以及从事与电气工程有关的技术工作和科学研究打下一定的基础。

二、教学内容及基本要求0 绪论（2学时）教学内容：0.1电力电子技术的定义0.2电力电子技术的发展历史(自学)0.3电力电子技术的内涵及其相关工业0.4电力电子技术所研究的基本问题0.5电力电子技术的主要内容0.6本课程的学习方法及考核方法教学要求：1.理解电力电子技术的定义，电力电子技术所研究的基本问题。

2.了解电力电子学科的发展历史、电力电子技术的内涵及其相关工业、电力电子技术的主要内容以本课程的学习方法及考核方法。

授课方式：讲授+自学第一章：电力电子器件（10 学时）教学内容：1.1电力电子器件概述1.2不可控器件——电力二极管1.3半控型器件——晶闸管1.4典型全控型器件1.5其他新型电力电子器件1.6电力电子器件的驱动1.7电力电子器件的保护1.8电力电子器件的串联和并联使用教学要求：1.掌握各种电力电子器件的基本特性、应用场合和使用方法。

2.理解各种全控型器件、半控型器件的工作原理和主要参数选择依据.3.了解典型触发、驱动和缓冲电路的组成、工作原理和特点。

《电力电子装置与系统》课程简介课程编号：06054936课程名称：电力电子装置与系统/ power electronics equipment and system学分：2学..时：32适用专业：电气工程及其自动化本科专业建议修读学期：7开课单位：电气与信息工程学院电气工程系先修课程：模拟电子数字电子自动控制原理电力电子技术考核方式与成绩评定标准：课程考核采用百分制。

课程考核成绩采用平时成绩+期终考试成绩相结合的方式，平时成绩占课程考核成绩的30%,平时成绩考核采用考勤、作业、课堂提问、实验和报告相结合的方式；期终成绩考核采用闭卷考试方式，期终考试成绩占课程考核成绩的70%。

教材与主要参考书目：《电力电子装置及系统》，杨荫福主编，清华大学出版社，2006《电力电子学一电力电子变换和控制技术》，陈坚主编，高等教育出版社，2002《电力电子技术》（第5版），王兆安主编，机械工业出版社，2009《开关电源设计》，王志强等译，电子工业出版社，2010内容概述：中文：本课程是电气工程及其自动化专业的专业选修课。

本课程主要内容包括功率器件、高频开关电源、逆变电源、谐振电源及无功补偿系统等常用电力电子装置方面的内容。

叙述了各种电力电子装置的工作原理，并结合实例给出了各种常用电力电子装置的设计思想及相应的控制原理框图。

通过本课程的学习，要求学生掌握各类常用电力电子装置及系统的结构及工作原理，掌握电力电子装置的设计方法，并能够运用所学知识进行常用电力电子装置的初步设计，同时，培养学生运用综合知识的能力和解决工程实际问题的能力。

英文：This course is a professional elective course in electrical engineering and automation. The main contents of this course include power devices, high-frequency switching power supply, inverter power supply, resonant power supply and reactive power compensation system and other commonly used power electronic devices. In addition,it describes the working principle of various power electronic devices, and gives the design ideas of various commonly used power electronic devices and the corresponding control block diagram. Through the study of this course, students are required to master the structure and working principle of various types of commonly used power electronic devices and systems, master the design method of power electronic devices, and be able to use the knowledge to carry on the preliminary design of commonly used power electronic devices, The ability to use comprehensive knowledge and the ability to solve practical problems.《电力电子装置与系统》教学大纲课程编号：06054936课程名称：电力电子装置与系统/ power electronics equipment and system学分：2学..时：32建议修读学期：7一、课程性质、目的与任务本课程是电气工程及其自动化专业的专业选修课，主要内容包括功率器件、高频开关电源、逆变电源等常用的电力电子装置与系统，介绍了常用电力电子装置的工作原理及其共性问题，并结合实例给出了电力电子装置的设计思想及相应的控制策略。

《电力电子与能源变换》课程教学大纲课程编号：081050211课程名称：电力电子与能源变换英文名称：Power Electronics and power converter课程类型：专业课课程要求：选修学时/学分：4龄（讲课学时：44实验学时：4上机学时：0）适用专业：自动化一、课程性质与任务电力电子与能源变换是自动化（电力电子）专业一门重要的专业方向选修课，限选。

目的和任务：使学生理解开关型电力电了变换基本原理及控制方法；理解开关型电力电子变换器的基本特性；掌握常用电力电子器件的特性和使用方法；熟悉电力电子变换器中的辅助元器件和系统；掌握谐振开关型变换器原理、分析设计方法及应用；了解典型多级复合型电力电子变换器的结构、工作原理、控制方法；了解多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用：了解电力电子开关型电力补偿、控制器。

着重学生在电力电子应用技术方面应具备的基本设计方法和基本技能的训练，使学生具有进一步研究学习电力电了技术的能力，为今后从事电力电子装置的研制和开发打下良好的专业基础。

二、课程与其他课程的联系本课程是在学习过电路基础、模拟电子技术、数字电子技术、电力电子技术等有关学科基础课程后设置的专业课。

在具有良好的学科基础上，着重培养学生在电力电子应用技术方面应具备的基本设计方法和基本技能。

并行开设的相关课程有变频器原理与应用，为后续相关课程电力电子建模与仿真和生产实习等教学环节打好基础。

三、课程教学目标1. 使学生理解开关型电力电子变换基本原理及控制方法；理解开关型电力电子变换器的基本特性；掌握常用电力电子器件的特性和使用方法：熟悉电力电子变换器中的辅助元器件和系统；能够识别完成电力电子变换器设计任务面临的电力电子器件等各种制约条件，并得出可接受的指标。

（支撑毕业能力要求 3.3）掌握谐振开关型变换器原理、分析设计方法及应用；能够对于谐振开关型变换器模型进行正确的推理，并能够给出解。

（支撑毕业能力要求13）2. 学习了解典型多级复合型电力电子变换器的结构、工作原理、控制方法；了解多级开关电路组合型电力电子变换电源的应用；了解电力电子开关型电力补偿、控制器。

第6章交流-交流变换技术z交流-交流变换电路把一种形式的交流电变成为另一种形式交流电的电路，在进行交流-交流变换时，可以改变电压或电流的幅值、频率和相数等,如航空电源、交流电机调速等应用场合。

¾间接交流-交流变换电路：¾直接交流-交流变换电路：¾交流调压电路：只改变输出交流电压、电流的幅值，而不改变频率的变换电路,如灯光调节亮度。

6.1间接交流-交流变换电路由两级变换电路构成，第一级AC/DC 变换电路将工频50Hz的交流电变换成脉动的直流电，再由第二级DC/AC变换电路将直流变换为所需幅值和频率的交流输出。

¾电流型交流－交流变换电路通常逆变电路的直流输入侧串联一个大电感量的直流电抗器，逆变电路的直流侧输入近视为电流源。

¾电压型交流－交流变换电路通常逆变电路的直流输入端并接一个大电容量的直流电容器，逆变电路的直流侧输入近视为电压源。

最小触发引前角：30≈γ（1）换相重叠角随电路结构和工作电流变化，取可达200～300触发引前角（换流电压过零的提前角）180δ=电流型交流-交流变换器可应用于直流输电系统电压型交流－交流变换电路电压型交流-交流变换电路工作在变压、变频方式时，广泛应用于交流电动机的变频调速装置；工作在恒频、恒压方式时，则广泛应用于逆变电源、UPS电源。

直流侧电容滤波的二极管整流电路，虽存在交流侧谐波和电磁兼容问题，但由于成本低而广泛应用在小功率电机调速中。

¾ 整流器采用三相PWM整流电路时，输入电流近似正弦波，且功率因数接近1，具有较高的电磁兼容性能。

¾ 具有单相功率因数校正功能的交流-交流变换电路，一般适合于小功率的应用场合。

VA 单相Boost APFC电路控制原理框图a u bu cu d cU ()vs H +−refu +−+−a ib i ci d i qi ()i H s 400Hz三相PWM高功率因数整流器零静差矢量控制功率主电路拓扑控制原理图输入端电压电流仿真波形图输入端电压电流实验波形图6.2直接交流-交流变换电路不通过中间直流环节，直接实现交流-交流变换功能的电路称为直接交流－交流变换电路。

答案 5.1 什么是半波整流、全波整流、半控整流、全控整流、相控整流、高频PWM整流?答：半波整流：整流器只在交流电源的半个周波输出整流电压，交流电源仅半个周期中有电流。

全波整流：整流器在交流电源的正、负半波都有直流电压输出，交流电源在正负半周期均有电流。

全控整流：指整流主电路中开关器件均为可控器件。

半控整流：指整流主电路中开关器件不全是可控器件，而有不控器件二极管。

相控整流：全控整流电路中的开关管为半控器件晶闸管，控制触发脉冲出现的时刻（即改变晶闸管的移相控制角的大小），从而控制负载的整流电压。

高频PWM整流：整流主电路中开关器件均为全控器件，采用高频PWM控制，即在一个电源周期内高频改变开关管的导通状况。

答案5.2 什么是电压纹波系数、脉动系数、基波电流数值因数、基波电流位移因数（基波功率因数）和整流输入功率因数？答：电压纹波系数RF：输出电压中全部交流谐波分量有效值V H与输出电压直流平均值V d 之比值，。

电压脉动系数S n：整流输出电压中最低次谐波幅值V nm与直流平均值V d之比Sn=Vnm/Vd基波电流数值因数：电流畸变因数也称基波电流数值因数，是基波电流有效值与总电流有效值之比，即基波电流位移因数DPF （基波功率因数）：输入电压与输入电流基波分量之间的相位角（位移角）的余弦，即整流输入功率因数PF ：答案5.3 三相桥式不控整流任何瞬间均有两个二极管导电，整流电压的瞬时值与三相交流相电压、线电压瞬时值有什么关系？答：共阴连接的三个二极管中，三相交流相电压瞬时值最正的那一相自然导通，把最正的相电压接到负载的一端；共阳连接的三个二极管中，三相交流相电压瞬时值最负的那一相自然导通，把最负的相电压接到负载的另一端。

因此，任何时刻负载得到的整流电压瞬时值是线电压的最大瞬时值。

答案 5.4 单相桥全控整流和单相桥半控整流特性有哪些区别？答：与单相全控桥相比，（1）在主电路上，半控整流少了两个晶闸管。