中南大学电力电子技术题例图文.docx

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中南大学电力电子技术题例图文

复习题

1、使晶闸管导通的条件是什么?

2、维持晶闸管导通的条件是什么?

3、试说明IGBT/GTR/GTO/电力MOSFET各自的优缺点。

4下列电力电子器件属于电压驱动型器件是（

A.SCR

B.GTR

C.IGBT

D.GTO

5.下列电力电子器件中,属于电流控制的全控型器件是（。

A.SCR

B.GTR

C.电力MOSFET

D.IGBT

6在电力开关管的驱动电路中,一般采用的电气隔离技术是________和

________。

7电力开关管由于承受过电流、过电压的能力差,所以其控制电路必须设有

_____和_____保护电路

8.晶闸管可能导通的条件是（。

A.阳极加正向电压,门极有正向脉冲

B.阳极加正向电压,门极有负向脉冲

C.阳极加反向电压,门极有正向脉冲

D.阳极加反向电压,门极有负向脉冲

9.若晶闸管允许的电流有效值是157A,则其额定电流为_______________A。

（不考虑电流安全裕量

复习题

1什么是触发角?

2.设变压器二次侧相电压有效值为U2。

单相半控桥式有续流二极管整流电路输出电压平均值为（,单相半波电路电路输出电压平均值为（。

3、三相半波可控整流电路中的三个晶闸管的触发脉冲相位按相序依次互差

________度

4.三相半波可控整流电路,带电阻性负载,晶闸管可能承受的最大正向电压为（,设U2为变压器二次侧相电压有效值。

5.三相全控桥式整流电路中同一相上、下两只晶闸管触发脉冲相位差为（。

A.60°

B.90°

C.120°

D.180°

6.三相不可控桥式整流电路,在一个电源周期中,输出电压脉动数为（次。

A.2

B.3

C.5

D.6

7.输入整流变压器存在直流磁化的有:

（

A.单相双半波整流电路

B.三相半波整流电路C.三相桥式有源逆变电路D.三相桥式整流电路

8.考虑变压器漏感对整流电路的影响,在电流换相过程中,换相的两个晶闸管同时_________,同时会导致整流输出电压平均值_____________。

9.单相桥式全控整流电路,带电阻性负载,如果有一个晶闸管不能导通,此时整流电压波形如何?

如果有一晶闸管短路,则电路会出现什么现象?

并分析原因。

10、单相半控桥式整流电路,带续流二极管,对阻感负载供电（图1,电感极大,交流电源电压为u2=220V,电阻R=4Ω,控制角α=60°,试回答:

•（1计算整流输出平均电压Ud和晶闸管电流的有效值IvT1;

•（2按裕量系数2确定晶闸管的额定电流。

1、试述降压型斩波电路的工作原理,如果电路中Ud=100V,求输出电压值?

2、Boost变换器为什么不宜在占空比接近1的情况下工作?

3、在图所示的降压斩波电路中,已知E=120V,L值极大,R=5Ω,EM=30V,采用脉宽调制控制方式,当T=40us,ton=25us时,求:

（1计算输出电压平均值U0、输出电流平均值I0。

（2分别画出IGBT开通和关断时的等效电路。

•分析下图所示的升压斩波电路的工作原理,若已知E=110V,L和C极大,R=20Ω,采用脉宽调制控制方式,当T=60μs,ton=40μs时,试计算输出电压平均值U0和输出电流平均值I0。

•升压斩波电路

1、在题图所示的单相半波整流电路中,R=10Ω,L=50mH,E=100V,Rr=1Ω,u=（1002sinωtV,f=50Hz,当纯电阻负载,纯电感与电阻串联负载以及反电动势负载三种情况下,试计算:

①直流输出电压的平均值Ud。

②直流输出电流的平均值Id。

③加在二极管上的反向峰值电压。

答:

题图电阻性负载时输出波形如上图a所示。

Ud=

⎰

221sinωtd（ωt=

⨯100V=45A

Id=

Ud=1045A

=4.5AURV=2⨯100V=141.4V

题图感性负载时输出波形如上图b所示。

二极管一导通,下面电压方程式成立。

dit

+Rid=2Usinωt当ωt=0时,id=0则

id=Imsin（ωt-Φ+ImsinvΦeLRt

其中

Im=

2（2LRUω+

⎪⎭

⎫

⎝⎛=RLarctgωφ

图b中在三种时间常数时电流波形曲线β角随

（tRω的减小而增大。

负载为纯电感

时,

1/（0lim=->-LtRReωω2

（limπω=>-RLarctgR

id=

（tL

ωωcos12-β变为2π,即ππω4,2=t,...时,0=di,即二极管在此时刻才截止。

（（AL

UtdtLU

Ud92cos122120

==-=

⎰

ωωωωπ

π0=RvU题图c反电动势负载时输出波形如图c所示。

设二极管导通时的角度为α1,截止时的角度为β1,则

⎪⎭

⎫

⎝⎛=UE2arcsin1α

1β=⎪⎭

⎫

⎝⎛UE2arcsin=π—1α

πβπ

≤≤12

Ud=E+

（

（=-⨯⎰tdEtωωπ

βαsin1002211

（=-⨯-

⎪⎭

⎫

⎝⎛--1111coscos2100221αβππαβE

106.8V

dI=

（

（=-⨯⎰

tdEtRr

ωωπ

βαsin100212111

（AEURdr

8.61

VUEURV4.2412=+=

2、晶闸管单相半波可控整流,设交流电压有效值为U,频率为f,负载为电感性负载,延迟角为α,如图所示。

绘出输出电压du的波形以及输出电流di的波形,并求出du及di来。

答:

晶闸管在延迟角α处导通后下面电压方程式成立。

tURidt

diIdd

ωsin2=+如果电流的初相位为α,则

di=Imsin（（（

（

ttRme

Itωαωϕαω----Φ-sin

其中

（

22tRUImω+=

⎪⎭

⎫

⎝⎛=Rtarctgωϕ

当α=ϕ时,di成为正弦半波电流。

（（βαπ

ωωπ

βα

coscos2sin221-==

⎰

UttdUUd

（tdiId

dωπ

βα⎰

或

UId

3、单相半波可控整流,电感性负载接有续流二极管,如图所示。

求此时直流电压平均值dU及直流电流的平均值dI,并绘出输出电压du及电流di的波形,若ωL>>R时,波形又如何?

答:

当晶闸管VT导通时

tURidt

did

ωsin2=+当二极管VD导通时

0=+dt

Ridt

diL

设ωt=α时,晶闸管的初始电流为oI,则

（（（

（

LtRoLtRmmde

ItIiωϕωωαωϕαϕω----+---=sinsinπω≤≤t0

其中

（

2LRUImω+=

⎪⎭

⎫

⎝⎛=RLarctgωϕ如果πω=t时所求出的二极管电流的初始值为1I,则

（（

（

LRoLRmme

IIIωαπωαπϕαϕ----+--=sinsin1

在απωπ+≤≤2t期间的di值为1I,则

（

ttRde

Iiωπω--=11

απω+=2t可求出晶闸管电流的初始值,即

（

（（

（

（（

（

]sin[sin12LRmLRLRoe

Iωαπωπωαπϕαϕ---+----=

du和di的关系为dt

ddRiddi

Lu+=

（（（tdRitddtdiL

tduUddddωπ

ωπ

πα

⎰⎰⎰++++=

22221

2121

当晶闸管导通时,tUudωsin2=,当二极管导通时,0=du。

（（απ

ωωπ

πα

cos122sin221

⎰

ttdUud

因为

（（（

==⎰⎰++diiddiLtddtdiL

ddαπα

πα

απ

ωωπ

22221

（（（02]2[2=-=

-+ooddIIL

iiLπ

ωααππω故

（RItdRiUdddωπ

απα

⎰

221

输出电流的平均值与L无关系。

可写作

UId

（

]1[101LRde

IIIiωαπ+--=-=∆

当Lω>>R时,则（

（

1=+-LRe

ωαπ

0≈∆di

这样,我们就可以把电流看作一条直线来计算了。

4、某一电热负载,要求直流电压60V,电流30A,采用单相半波可控整流电路,直接由220V电网供电,计算晶闸管的导通角及电流有效值。

答:

⎪⎭

⎫

⎝⎛+=2cos145.02αUUd

VUd60=VU2202=

21.01220

45.060

2cos=-⨯⨯=

o78=α

导通角

ooo10278180=-=θ

电压有效值

VUU4.12322sin412

=-+=π

απαπ

Ω=Ω==

230

ddIUR

AARUI7.612

4.123===

即电流有效值为61.7A

5、某电阻负载要求0~24V直流电压,最大负载电流dI=30A,如果用220V交流直接供电与用变压器降压到60V供电,都采用单相半波可控整流电路,是否都满足要求?

试比较两

种供电方案的晶闸管的导通角,额定电压,电流值,电源与变压器二侧的功率因数,以及对电源容量的要求。

答:

采用220V电源直接供电α=0时,VUUd9945.020==采用60V电源供电、VUUd2745.020==

所以只要适当调节控制角α,均能满足最大整流电压为24V的要求。

下面我们分析以下两种情况的利弊。

先计算用220V交流电源直接供电的情况。

cos145.02

+=UUdVU2202=

VUd24=

515.0cos-=α

α=o

121

θ=o

59121180=-

查图示曲线,波形系数8.2==d

fIIK,要求晶闸管额定有效值1.57（dfVATIKI≥

即（AAIVAT5.5357

.130

8.2=⨯≥

VUUTm31122=≥

考虑安全欲度,晶闸管至少应选KP100-4

查图示曲线,cosϕ=0.302

要求电源视在功率S=22IU=（220308.2⨯⨯=18.48KV∙A

如采用降压到60V供电

cos145.02

+=UUdVU602=

VUd24=

α=39o

14139180=-=θ

查图示曲线,波形系数77.1=fK

（AAIVAT8.3357

.130

77.1=⨯≥

（

VVUUTm4.8460222=⨯=

≥

所以选KP50-2型的晶闸管也就可以了。

S=（AKVVAIU∙=⨯⨯=18.33077.16022

这样,增加了整流变压器后,使延迟角减小了,选择的晶闸管的额定电压、额定电流都减小了,要求的电源容量也减小了。

由此可以看出,应当尽量使晶闸管电路工作在小延迟角状态。

6、有一转差离合器的励磁绕组,其直流电阻为45Ω,希望在0~90V范围内可调,采用单相半波可控整流电路,由电网直接供电,电源电压为220V,试选择晶闸管和二极管。

答:

如图所示在大电感负载情况下,必须接续流二极管,,电路才能正常运行。

如

dU=90VdI=

=2A

dU=V

⎪⎭

⎫⎝⎛

+⨯2cos122045.0α

α=35o

oooT14535180=-=θ

AAIIo

doT

T23.12360

145360=⨯==θ

（8.057

.1=≥

AVTII若不考虑电压、电流欲量,选KP1-4型晶闸管即可。

流过二极管VD电流有效值Do

oDII360360θ-==0.773⨯2A=1.55A

若不考虑电压、电流欲量,选ZP2-4行整流二极管即可。

7、图为同步发电机单相半波自励电路,原先运行正常,突然发电机电压很低,经检查,晶闸管触发电路以及熔断器FU均正常,试问是何原因?

答:

是续流二极管断开所致。

因为发电机励磁线圈为大电感负载,所以晶闸管导通角为θ=2π-2α,dU始终为零或零电压很低。

8、单相半波可控整流电路,如门极不加触发脉冲;晶闸管内部电极短开,试分析上述三种情况晶闸管两端（Tu和负载两端（du波形。

答:

晶闸管门极不加触发脉冲,即晶闸管呈阻断状态,可视作开路,所以Tu和du波形如图a所示。

①晶闸管内部短路,显然晶闸管两端电压为零,此时Tu和du波形如图b所示。

②晶闸管内部断开,Tu和du波形如图c所示。

9、某单相可控整流电路给电阻性负载供电和给反电动势负载蓄电池充电,在流过负载电流平均值相同的条件下,哪一种负载的晶闸管额定电流应选大一点?

为什么?

答:

在流过负载电流平均值相同的条件下,反电动势负载时晶闸管额定电流应选大一些。

因为反电动势负载时,晶闸管导通的条件除了门极需要触发外,还必须瞬时阳极电压au大于发电动势E值,所以导通角θ比电阻负载小时。

因此,在平均电流值相同时,反电动势负载的电流波形系数fK比电阻负载时大,所以晶闸管的额定电流应选大一些。

10、某电阻负载的单相桥式半控整流电路,若其中一只晶闸管的阳极、阴极之间被烧断,试画出整流二极管、晶闸管和负载电阻两端的电压波形。

11、图为一种简单的舞台调光线路,求:

①根据du、gu波形分析电路调光工作原理。

②说明RP、VD及开关Q的作用。

③本电路晶闸管最小导通角?

min=θ

答:

①根据晶闸管工作原理分析,波形gu是正弦波,但半波被VD截去,当它的瞬时值超过晶闸管门极触发电压GTU时,晶闸管因承受正向阳极电压而导通,随着电位器阻值的变化,gu幅值变化,晶闸管导通的时刻也在发生改变,达到调光的目的,

②开关Q打开时,可以调光;开关Q闭合时晶闸管VT不导通,灯不亮。

用RP调节延迟角α亦即调节输出电压,控制灯光亮暗。

③当RP阻值增大时,gu幅值减小,控制角α增大,当RP增大到某一值,对应的g

u电压最大值等于门极触发电压GTU时,α最大,θ最小,由图分析,可得出2minπθ=。

VD的作用是保护门极。

当Q闭合时,也有极微弱的电流流过灯泡,但灯不会亮,原因是RP一般为几百千欧,所以Q闭合,可以认为灯不亮。

12、某电阻负载R=50Ω,要求输出电压在0~600V可调,试用单相半波与单相全波两种供电,分别计算:

①晶闸管额定电压、电流值。

②负载电阻上消耗的最大功率。

答:

单相半波,当α=0o

时VVUUd133345

.060045.02===AAId1250

600==

流过晶闸管电流有效值AIIdT9.1857.1=⨯=

晶闸管承受的最大反向电压VUURM1885222=≥

晶闸管的额定电压至少应大于2000V晶闸管的额定电流至少应使（AIITVAT1257

.1=≥

`电阻消耗功率PR=KWRIT7.172=

负载电流有效值AIId3.1311.1==

晶闸管承受的最大反向电压VUURM188522≥晶闸管承受的额定电流（AIIIddTAVT62

1==≥所以,晶闸管的额定电压至少应大于2000V,晶闸管的额定电流至少应大于6A。

13、

某一电感负载要求直流电压范围是15~60V,电压最高时电流是10A,采用具有续流二极管的单相桥式半控电路,从220V电源经变压器供电,考虑最小控制角аmin=25°,计算晶闸管、整流管和续流二极管的电流有效植以及变压器一次、二次额定电流值。

答:

当Ud=60V,аmin=25°时

U2=（（

VVUd7025cos19.0602cos19.02=︒+⨯=+αIdT=

AId3.42=-παπIT=AId6.62=-π

απ二极管的电流与晶闸管的电流相同。

当Ud=15V时

cosα=

5238.012

9.02-=-UUdα=121°IdT=AAId4.06153601211802=⨯︒︒-︒=-παπI1=AAId15.23601211802=⨯︒

︒-︒=-παπ流过续流二极管的电流IdD=

AAId7.1615180121=⨯︒︒=παID=

AId2=πα变压器I2AIT3.92==U1=220VU2=70V

I1=

12UUI2=2.95A

14、单相桥式半控整流电路,接有续流二极管,对直流电动机电枢供电,主回路平波电抗器的电感量足够大,电源电压为220V,延迟角为60°,此时,负载电流为30A,计算晶闸管、整流管和续流二极管的电流平均值和有效值,交流电源的电流有效值、容量及功率因数。

答:

当Id=30A,α=60°时

IdT=AAId1030360601802=⨯︒

︒-︒=-παπIT=AId3.172=-π

απ整流管的电流与晶闸管的电流相同。

IdD=AAId103018060=⨯︒︒=

πα

ID=AId3.17=π

α交流电源电流I2=2IT=24.5A

交流电源容量S=I2U2=5.4KV.A

co89.02sin21=-+=π

απαπϕ

15、如图所示,晶闸管的电流延迟角为60°,试画出晶闸管两端承受的电压波形,整流管和续流二极管每周期各导电多少度?

并计算各器件定额,已知电源电压是220V,负载是电感性负载,其中电阻是5Ω。

答:

当α=60º时

晶闸管导通角θT=2（π-α=

34π整流二极管的导通角παπθ321=

-=VD续流二极管的导通角παθ3

22==VD

29.0UUd=V5.1482

cos1=+αAARUIdd7.295

5.148===AIIdTT3.242==π

θ（AVTI≥

AIT5.1557.1=AIIdVDVD1.17211==π

θ（1AVVDI≥

AIVD9.1057.11=1.172==dVDVDIIπ

θ（AVVDI≥

AIVD9.1057.1=2max=UUV3112=

若不考虑裕量,可以选KP20-4晶闸管。

晶闸管两端电压波形如图中斜线部分所示,由图可知晶闸管不承受反向电压。

16、单相桥式全控整流电路,对直流电动机供电,主回路中平波电抗器的电感量足够大,要求电动机在额定转速往下调速,调速范围是1:

10,系恒转矩调速。

试问调速范围与晶闸管容量有关系吗?

调速范围与移相范围的关系又如何?

答:

电动机的转矩正比于电枢电流,T=CTφId电动机转速正比于电枢电动势,n=E/（Ceφ。

当转速往下调时,E就减小,而Ud=E+IddR,即Ud减小,α增大。

现恒转矩调速,αIId=不变。

当α增大时,I/Iα增大,晶闸管的容量要加大,即选晶闸管时应从电动机最低速度来考虑。

当忽略电枢电阻时,Ud≈E。

若接续流二极管时,则转速与α关系如下:

n=φ

eC1φααeCUUcos1（45.02cos19.022+=+⨯

若不接续流二极管时,则转速与α关系如下:

αeCUncos9.02=

17、蓄电池充电,如图所示,U2有效值为36V,整流输出Ud=0.9×36V=32.4V。

接充电蓄电池5只（30V,熔体熔断,增加到7只（42V,熔体还是熔断,这是什么原因?

答:

VVUUm5136414.122=⨯==

而mU（Im=-∑RE/,虽然E=42v（7只。

但只要∑R很小时,mI还是比较大,足以烧断熔体。

18、单相半控桥式全控整流电路,电阻负载Rd=4Ω,要求Id在0~25A之间变化。

求:

①变压器电压比。

②如果导线电流密度,计算连接负载的导线截面积。

③不考虑安全裕量,计算晶闸管的电流、电压定额。

④忽略变压器励磁功率,变压器应选多大容量。

⑤计算负载电阻Rd的功率.

⑥计算电路的功率因数。

答:

①

VUUV

VRUddax1119

.0100425（I2mmax===⨯=⨯=变压器电压比2111

220==K②A

AIId8.272511.111.1=⨯==mmJIS9.6==2

③（AVTI≥

AIIT5.1257.12/57.12==

VUUon15722==

若不考虑裕量,可选KP-2型晶闸管。

④变压器容量KVAIUS1.322==

⑤电阻Rd功率KWRIPdRd1.32==

⑥cosα=12sin21=-+π

απαπ（α=0º

19、图为具有中点二极管的单相半控桥式整流电路,求:

①绘出α=45°时Ud=的波形。

②导出Ud=f（a的关系式。

③求出Ud的最大值Umax和最小值Umin.

答:

①设在α的期间,1VT、2VT未触发导通,电路早正半周时,下面一组变压器二次电压2U工作,3VD和2VD导通;负半周时,上面一组变压器电压2U工作,3VD和1VD导通。

当在某时刻触发1VD、2VD使之导通时,电路恢复为单桥相式半控整流电路,Ud的波形如图所示。

②Ud=21ddUU+

其中,Ud1是VD3导通时的平均电压,Ud2是半控桥的平均电压。

（（απωωπα

cos12sin212

201-==⎰UttdUUd

cos1（2

2（sin221222απωωππα-==⎰UttdUUd

cos3（222απ+=

UUd

③当α=0°时2max24UUUddπ=

当α=π时2min2

2UUUddπ==

20、

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