王兆安第四版电力电子技术课后答案.docx

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王兆安第四版电力电子技术课后答案

王兆安第四版电力电子技术课

后答案（总51页）

-CAL-FENGHAI.-（YICAI）-CompanvOne1

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第1章电力电子器件

1.使晶闸管导通的条件是什么？

答:

使晶闸管导通的条件是:

晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）o或：

且Ugk>Oo

2.维持晶闸管导通的条件是什么怎样才能使晶闸管由导通变为关断答:

维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。

要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。

k=!

丄匚（仁sin型）'〃伽）=—«0.898A

2\22/r

4.上题中如果不考虑安全裕量，问100A的晶闸管能送出的平均电流厶’、£、&各为多少？

这时，相应的电流最大值岛、厶、心各为多少？

解：

额定电流/t（av）=100A的晶闸管，允许的电流有效值/=157A,由上题计算结果

知

a）

/血a—-一q329.35,

0.4767

0.2717岛®89.48

b）

/m2q—-—a232.90,

0.6741

沧〜0.5434人2®226.56

c）

1.3=2/=314,

Zi3=-/m3=78.5

4

5.GTO和普通晶闸管同为PNPN结构，为什么GTO能够自关断，而普通晶闸

管不能？

答:

GTO和普通晶闸管同为PNPN结构，由P’NP和NAN?

构成两个晶体管也、V2,分别具有共基极电流增益⑷和色，由普通晶闸管的分析可得，a1+a2=l是器件临界导通的条件。

«,+«2>1,两个等效晶体管过饱和而导通；4+6<1,不能维持饱和导通而关断。

GTO之所以能够自行关断，而普通晶闸管不能，是因为GTO与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同:

1）GTO在设计时色较大，这样晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断；

2）GTO导通时的e+6更接近于1,普通晶闸管^+«2>1.15,而GTO则为a,+^^1.05,GTO的饱和程度不深，接近于临界饱和，这样为门极控制关断提供了有利条件；

3）多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P2极区所谓的横向电阻很小，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。

6.如何防止电力MOSFET因静电感应应起的损坏？

答：

电力MOSFET的栅极绝缘层很薄弱，容易被击穿而损坏。

MOSFET的输入电容是低泄漏电容，当栅极开路时极易受静电干扰而充上超过±20的击穿电压，所以为防止MOSFET因静电感应而引起的损坏，应注意以下几点：

1一般在不用时将其三个电极短接；

2装配时人体、工作台、电烙铁必须接地，测试时所有仪器外壳必须接地；

3电路中，栅、源极间常并联齐纳二极管以防止电压过高

4漏、源极间也要采取缓冲电路等措施吸收过电压。

7.IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的驱动电路各有什么特点？

答:

IGBT驱动电路的特点是:

驱动电路具有较小的输出电阻，IGBT是电压驱动型器件，IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。

GTR驱动电路的特点是:

驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿，并有一定的过冲，这样可加速开通过程，减小开通损耗，关断时，驱动电路能提供幅值足够大的反向基极驱动电流，并加反偏截止电压，以加速关断速度。

GTO驱动电路的特点是:

GTO要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够的幅值和陡度，且一般需要在整个导通期间施加正门极电流，关断需施加负门极电流，幅值和陡度要求更高，其驱动电路通常包括开通驱动电路，关断驱动电路和门极反偏电路三部分。

电力MOSFET驱动电路的特点:

要求驱动电路具有较小的输入电阻，驱动功率小且电路简单。

8.全控型器件的缓冲电路的主要作用是什么？

试分析RCD缓冲电路中各元件的作用。

答:

全控型器件缓冲电路的主要作用是抑制器件的内因过电压，du/dt或过电流和d//dr,减小器件的开关损耗。

RCD缓冲电路中，各元件的作用是：

开通时，G经兄放电，&起到限制放电电流的作用；关断时，负载电流经Vd从G分流，使du/dt减小，抑制过电压。

9.试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。

解：

对IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的优缺点的比较如下表:

器件

优点

缺点

IGBT

开关速度高.开关损耗小.具有耐脉冲电流冲击的能力.通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小

开关速度低于电力MOSFET,电

压，电流容量不及GTO

GTR

耐压高.电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低

开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问題

GTO

电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应.其通流能力很强

电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低

电力

MOSFET

开关速度快，输入阻抗高.热穩定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题

电流容虽小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置

第2章整流电路

1.单相半波可控整流电路对电感负载供电，L=20mH,r2=100V,求当a=0。

和60。

时的负载电流/d,并画出“d与id波形。

解：

a=0。

时，在电源电压“2的正半周期晶闸管导通时，负载电感I储能，在晶闸管开始导通时刻，负载电流为零。

在电源电压“2的负半周期，负载电感L释放能量，晶闸管继续导通。

因此，在电源电压“2的一个周期里，以下方程均成立：

考虑到初始条件：

当血=0时id=0可解方程得:

=、二':

=22.51（A）

Md与id的波形如下图:

当a=60°时，在M2正半周期60。

-180。

期间晶闸管导通使电感乙储能，电感I储藏的能量在“2负半周期180。

〜300。

期间释放，因此在“2—个周期中60。

~300。

期间以下微分方程成立:

厶妝=、伍/sind

■

考虑初始条件:

当〃=60。

时id=0可解方程得:

・运SJ八

仃=一（--cos^yr）COL2

其平均值为

人=f-j?

返★G-cos曲）d（曲）=+#=ll・25（A）

2/rcoL22®L

此时“d与id的波形如下图:

2・图2・9为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电雪，问该变压器还有直流磁化问题吗？

试说明：

①晶闸管承受的最大反向电压为2yf2U2;②当负载是电阻或电感时，其输出电压和电流的波形与单相全控桥时相同。

答:

具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，该变压器没有直流磁化的问题。

因为单相全波可控整流电路变压器二次测绕组中，正负半周内上下绕组内电流的方向相反，波形对称，其一个周期内的平均电流为零，故不会有直流磁化的问题。

以下分析晶闸管承受最大反向电压及输出电压和电流波形的情况。

1以晶闸管VT2为例。

当VT1导通时，晶闸管VT2通过VT1与2个变压器二次绕组并联，所以VT2承受的最大电压为2^U10

2当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角Q相同时，对于电阻

负载：

（0-a）期间无晶闸管导通，输出电压为o；）期间，单相全波电路

中VT1导通，单相全控桥电路中VT1、VT4导通，输出电压均与电源电压“2相等；（兀~;r+a）期间，均无晶闸管导通，输出电压为0;（兀+a~2兀

）期间，单相全波电路中VT2导通，单相全控桥电路中VT2、VT3导通，输出电压等于-"2。

对于电感负载：

（a〜兀+a）期间，单相全波电路中VT1导通，单相全控桥电路中VT1、VT4导通，输出电压均与电源电压“2相等；（龙+a~27T+a）期间，单相全波电路中VT2导通，单相全控桥电路中VT2、VT3导通，输出波形等于

可见，两者的输出电压相同，加到同样的负载上时，则输出电流也相同。

3•单相桥式全控整流电路，t/2=100V,负载中R=2Q,L值极大，当a=30*时，要求：

①作出“d、id、和“的波形；

2求整流输出平均电压S、电流人，变压器二次电流有效值力；

3考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。

解：

①“d、id、和"的波形如下图:

2输出平均电压S、电流人，变压器二次电流有效值力分别为

Ud=0.9Uicosa=0.9xl00xcos30°=77.97（V）

Id=Ud/R=77.97/2=38.99（A）

l2=Id=38.99（A）

3晶闸管承受够大反向电些为:

5=10071=141.4（V）

考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为:

Un=（2-3）xl41.4=283-424（V）

具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。

流过晶闸管的电流有效值为:

AT=7d/、伍=27.57（A）

晶闸管的额定电流为:

/n=（1.5-2）X27.57/1.57=26-35（A）

具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。

4•单相桥式半控整流电路，电阻性负载，画出整流二极管在一周内承受的电压波形。

解：

注意到二极管的特点：

承受电压为正即导通。

因此，二极管承受的电压不会出现正的部分。

在电路中器件均不导通的阶段，交流电源电压由晶闸管平衡。

整流二极管在一周内承受的电压波形如下:

aVD2

kf、

“VIM

;厂\

厂\

0

v7

5•单相桥式全控整流电路，t/2=100V,负载中R=2Q,E值极大，反电势E=60V,当0=30。

时，要求:

1作出“d、id和力的波形；

2求整流输出平均电压矶、电流/d,变压器二次侧电流有效值？

2；

3考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。

解:

①“d、id和,2的波形如下图:

2整流输出平均电压UK电流变压器二次侧电流有效值分别为

Ud=0.9U1cosa=0.9xl00xcos30°=77.97（A）

Id=（t/d一E）/R=（77.97一60）/2=9（A）

l2=Id=9（A）

3晶闸管承受的最大反向电压为:

、伍的二100迈=141.4（V）

流过每个晶闸管的电流的有效值为:

Zvt=Id/、伍=6.36（A）

故晶闸管的额定电压为:

Un=（2-3）x141.4=283-424（V）

晶闸管的额定电流为:

/N=（1.5-2）x636/1.57=6-8（A）

晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。

6•晶闸管串联的单相半控桥（桥中VT1、VT2为晶闸管），电路如图2・11所示，t/2=100V,电阻电感负载，7?

=2Q,L值很大，当0=60。

时求流过器件电流的有效值,并作出“d、id、Wt、iD的波形。

解：

“d、认iVT、iD的波形如下图:

负载电压的平均值为：

/=丄|^/2[/2sin^d（

TC2

负载电流的平均值为:

Id=Ud/R=67.52/2=33.75（A）

流过晶闸管VTi、VT2的电流有效电为:

；VT=/d=19.49（A）

流过二极管VD3、VD4的电流有效值为:

Zvd=J|=27-56（A）

7•在三相半波整流电路中，如果a相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流电压“d的波形。

解：

假设a=0。

，当负载为电阻时，“d的波形如下：

当负载为电感时，“d的波形如下：

8•三相半波整流电路，可以将整流变压器的二次绕组分为两段成为曲折接法，每段的电动势相同，其分段布置及其矢量如图2・60所示，此时线圈的绕组增加了一些，铜的用料约增加10%,问变压器铁心是否被直流磁化，为什么？

图2.60变压器二次绕组的曲折接法及其矢量图

答:

变压器铁心不会被直流磁化。

原因如下:

变压器二次绕组在一个周期内:

当aic2对应的晶闸管导通时，ai的电流向下流，C2的电流向上流；当Clb2对应的晶闸管导通时，ci的电流向下流，b2的电流向上流；当bia2对应的晶闸管导通时，bi的电流向下流，血的电流向上流；就变压器的一次绕组而言，每一周期中有两段时间（各为120。

）由电流流过，流过的电流大小相等而方向相反，故一周期内流过的电流平均值为零，所以变压器铁心不会被直流磁化。

9•三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，asb两相的自然换相点是同一点吗如果不是，它们在相位上差多少度

答：

三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a、b两相之间换相的的自然换相点不是同一点。

它们在相位上相差180。

。

10•有两组三相半波可控整流电路，一组是共阴极接法，一组是共阳极接法，如果它们的触发角都是7那末共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲对同一相来说，例如都是a相，在相位上差多少度？

答:

相差180%

11•三相半波可控整流电路，^2=100V,带电阻电感负载，R=5Qt厶值极大，当*60。

时，要求:

1画出wdxid和ivti的波形；

2计算Ud、/dx7dT和/VTo

解：

①“d、id和/VT1的波形如下图:

②Ud、Id、/dT和/VT分别如下

rd=1.17r2cosa=1.17xl00xcos60°=58.5（V）

7d=rd/R=58.5/5=11.7（A）

/dVT=Zd/3=11.7/3=3.9（A）

At=/d/V3=6.755（A）

12•在三相桥式全控整流电路中，电阻负载，如果有一个晶闸管不能导通，此时的整流电压Md波形如何如果有一个晶闸管被击穿而短路，其他晶闸管受什么影响答：

假设VT1不能导通，整流电压Md波形如下：

假设VTi被击穿而短路，则当晶闸管VT3或VT5导通时，将发生电源相间短路，使得VT3、VT5也可能分别被击穿。

13•三相桥式全控整流电路，t/2=100V,带电阻电感负载，R=5Q.I值极大，当0=60。

时，要求:

1画出Wdsid和IVT1的波形；

2计算Ud.Ids7dT和7VT。

解:

®Wdxid和IVTl的波形如下:

②％Id.fdT和人T分别如下

Ua=2.34U2COSQ二2.34X100XCOS600=117（V）

Zd=rd//?

=117/5=23.4（A）

/i）VT=Zd/3=23.4/3=7.8（A）

/v-T=/d/73=23.4/V3=13.51（A）

14•单相全控桥，反电动势阻感负载，7?

=1Q,"8,E=40V,r2=100V,LB=0.5mH,当*60。

时求S、/d与了的数值，并画出整流电压“d的波形。

解：

考虑Lb时，有：

Ud=0.9t/2cosa-△Ud

△S二2XBld/n

/d=（S-E）/R

解方程组得:

Ua=（^7?

0.9i/2COsa+2XBF）/（?

t/?

+2Xb）=44.55（V）

△L/d=0・455（V）

Zd=4.55（A）

又丫

cosa—cos（a+y）-y/2IdXB/Ui

即得出

cos（60°+/）=0.4798

换流重叠角

/=61・33°-60°=1・33°

最后，作出整流电压Ui的波形如下：

15•三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，i/2=100V,R=lQtL=oo,LB=lmH,求当s30。

时、E=50V时S、Id.，的值并作出“d与ivri和和T2的波形。

解：

考虑Lb时，有：

Ud=1.17t/2COSa一△Ud

△如3畑/2兀

/d=（S-E）/R

解方程组得:

Ua=（tiR1.17i/2Cosa+3XBF）/（2;fR+3Xb）=94.63（V）

△Ud=6・7（V）/d=44.63（A）

又丫

cos。

-cos（a+/）=2/dXB/yj6Ui

即得出

cos（30°+/）=0.752

换流重叠角

y=41.28°-30°=11.28°

“d、i、Tl和：

VT2的波形如下:

16•三相桥式不可控整流电路，阻感负载，R=5Q,L=oo,t/2=220V,Xb=0.3Q,求Ud、Zds/VDXD和y的值并作出“d、i、D和「2的波形。

解:

三相桥式不可控整流电路相当于三相桥式可控整流电路a=0°时的情况。

Ud=2.34U2COSa一△Ud

△Ud=3XB/d/7t

Wdx“DI和，2a的波形如下:

17•三相全控桥，反电动势阻感负载，E=200V,/?

=1Q,L=oo,t/2=220V,o=60。

，当①山匸0和@LB=lmH情况下分别求Ud、/d的值，后者还应求了并分别作出"d与汀的波形。

解：

①当3=0时：

Ud=2.34U2COSa=2.34x220xcos60°=257.4（V）

Zd=（Ua-E）/R=（257.4-200）/1=57.4（A）

②当Lb=lmH时

Ud=2.34U2COSa-△Ud

△S=3XB/d/n

/d=（l/d-E）/R

解方程组得:

Ud=（2.34UiRcosa+3XbE）/（ttR+3Xb）=244.15（V）

Zd=44.15（A）

△t/d=13・25（V）

又Tcosa—cos（a+/）=2XbAi/Ui

cos（60°+/）=0.4485

7=63.35°—60°=3・35°

WdxZvTl和7vT2的波形如下:

18・单相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有哪些次数的谐波其中幅值最大的是哪一次变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波其中主要的是哪几次答：

单相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有汰T、2、3…）次谐波，其中幅值最大的是2次谐波。

变压器二次侧电流中含有2k+l（k=l、2、3……）次即奇次谐波，其中主要的有3次、5次谐波。

19・三相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有哪些次数的谐波其中幅值最大的是哪一次变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波其中主要的是哪几次答：

三相桥式全控整流电路的整流输出电压中含有6Ay2、3……）次的谐波，其中幅值最大的是6次谐波。

变压器二次侧电流中含有6妊1（心1、2、3……）次的谐波，其中主要的是5、7次谐波。

20•试计算第3题中,2的3、5、7次谐波分量的有效值？

23、血5、/27o

解：

在第3题中已知电路为单相全控桥，其输出电流平均值为

Id=38.99（A）

于是可得:

/23=2V2Zd/3^=2迈x38.99/3^=11.7（A）

115=2<2Aj/5兀二2运X38.99/5龙=7.02（A）

111=14216/171：

=2^x38.99/7^=5.01（A）

21.试计算第13题中力的5、7次谐波分量的有效值/25、727o解：

第13题中，电路为三相桥式全控整流电路，且已知

Zd=23.4（A）

由此可计算出5次和7次［片波分量的有效值为:

115=/d/5n=x23.4/5n=3.65（A）

In=Id/7n=v'6x23.4/7n=2.61（A）

22・试分别计算第3题和第13题电路的输入功率因数。

解：

①第3题中基波电流呼效值为:

71=2<2Id/n=22x38.99/n=35.1（A）基波因数为

v=Zi//=Zi//d=35.1/38.99=0.9

电路的输入功率因数为:

2=vcosa=0.9cos30°=0.78

②第13题中基波电彎有效值：

71=x/6/d/n=愿X23.39/n=18.243（A）

基波因数为

v=Zi//=Zi//d=0.955

电路的输入功率因数为:

2=vcosa=0.955cos60°=0.48

23.带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有何主要异同？

答:

带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有以下异同点：

1三相桥式电路是两组三相半波电路串联，而双反星形电路是两组三相半波电路并联，且后者需要用平衡电抗器；

2当变压器二次电压有效值5相等时，双反星形电路的整流电压平均值S是三相桥式电路的1/2,而整流电流平均值2d是三相桥式电路的2倍。

3在两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系是一样的，整流电压“d和整流电流id的波形形状一样。

24•整流电路多重化的主要目的是什么？

答:

整流电路多重化的目的主要包括两个方面，一是可以使装置总体的功率容量大，二是能够减少整流装置所产生的谐波和无功功率对电网的干扰。

25・12脉波、24脉波整流电路的整流输出电压和交流输入电流中各含哪些次数的谐波？

答：

12脉波电路整流电路的交流输入电流中含有11次、13次、23次、25次等即1弘土1、U=l,2,3…）次谐波，整流输出电压中含有12、24等即12k（^=1,2,3•）次谐波。

24脉波整流电路的交流输入电流中含有23次、25次、47次、49次等，即

24k±l（k=l92,3…）次谐波，整流输出电压中含有24、48等即2必（^=1,2,3…）次谐波。

26•使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么？

答:

条件有二:

1直流侧要有电动势，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a>n/2t使S为负值。

27•三相全控桥变流器，反电动势阻感负载，7?

=1Q,"8,r2=220V,LB=lmH,当Em=-400V,0=60。

时求S、人与了的值，此时送回电网的有功功率是多少？

解：

由题意可列出如下3个等式：

Ua=2.34U2Cos（n-0）一△t/d

三式联立求解，得

△Ud=3XB/d/H

/d=（Ud-EM）/R

Ud=[2.3471UiRcos（n—0）+3XbEm]/（〃/?

+3Xb）=一290.3（V）

/d=109.7（A）

由下式可计算换流重叠角:

cosa—cos（a+/）=2Xb/

cos（120°+/）=-0.6279

丫=128.90°一120°=&90。

送回电网的有功功率为

P=IEmldI-/;/?

=400X109.7-109.72X109.7X1=31.85（W）

28•单相全控桥，反电动势阻感负载，7?

=1Q,L=oo,r2=100V,L=0.5m