电力电子技术 习题答案.docx

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电力电子技术习题答案

《电力电子技术》习题及思考题解答参考

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）

或：

uAK>0且uGK>0。

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吉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。

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P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益α1和α2，由普通晶闸管的分析可得，α1+α2=1是器件临界导通的条件。

α1+α2>1，两个等效晶体管过饱和而导通；α1+α2<1，不能维持导通而关断。

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α2较大，这样晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断；

2）GTO导通时的更接近于1，普通晶闸管α1+α≧1.15，而GTO则为α1+α=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；

⑧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，和电力MOSFET的驱动电路个有什么特点？

答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di／dt，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，Cs经Rs放电，Rs起到限制放电电流的作用：

关断时，负载电流经VDs向Cs分流，使du／dt，减小，抑制过电压。

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=20Ma,U2=100V,QIU求当a=00时和600时的负载电流Id，并画出ud与id波形。

解：

a=00时，在电源电压u2的正半周期晶闸管导通时，负载电感L储能，在晶闸管导通时刻，负载电流为零。

在电源电压u2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u2的一个周期里，以下方程均成立：

当α=600时，在u2正半周期600～1800期间晶闸管导通使电感L储能，电感L储能的能量在u2正半周期1800～3000期间释放，因此在u2正半周期600～3000期间以下微分方程成立：

2．图2—9为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，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2√2U2；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VTl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√2U2。

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α相同时，对于电阻负载：

（0∽α）期间无晶闸管导通，输出电压为0：

（α∽π）期间，单相全波电路中VTl导通，单相全控桥电路中VT1、VT4导通，输出电压均与电源电压u2相等；（π∽π+α）期间，均无晶闸管导通，输出电压为0；（π+α∽2π）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-u2。

对于电感负载：

（α∽π+α）期间，单相全波电路中VTl导通，单相全控桥电路中VT1、VT4导通，输出电压均与电源电压u2相等：

（π+α∽2π+α）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—u2。

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，U2=IOOV，负载中R=2Ω，L值极大，当α=300时，要求：

①作出ud、id和i2的波形；

②求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2；

③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。

解：

①ud、小和I．2的波形如下图：

②输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值u2分别为

5．单相桥式全控整流电路，U2=IOOV，负载中R=2Ω，L值极大，反电动势E=60V，当300时，要求：

①作出ud、id和i2的波形

②求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2；

③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。

解：

①ud、id和i2的波形如下图

②整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值如下:

③晶闸管承受的最大反向电压为：

流过每个晶闸管的电流的有效值为：

故晶闸管的额定电压为：

晶闸管的额定电流为：

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VTI、VT2为晶闸管），电路如图2-11所示，U2=100V，电阻电感负载，R=2Ω，L值很大，当α=600时求流过器件电流的有效值，并作出ud、id和iVT、iVD的波形。

解：

ud、id和iVT、iVD的波形如下图：

负载电压的平均值为：

负载电流的平均值为：

流过晶闸管VTl、VT2的电流有效值为：

流过二极管VD3、VD4的电流有：

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ud的波形。

解：

假设α=00，当负载为电阻时，ud的波形如下：

负载为电感时，ud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％，

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a1c2对应的晶闸管导通时，a1的电流向下流，c2的电流向上流；当c1b2对应的晶闸管导通时，c1的电流向下流，b2的电流向上流；当b1a2对应的晶闸管导通时，b1的电流向下流，a2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1200）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，故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，a、b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α，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，U2=100V，带电阻电感负载，R=5Ω，L值极大，当α=600时，要求：

①画出ud、id和iTV的波形

②计算Ud、Id、IdVT和IVT。

解：

①ud、id和iTV的波形如下图：

②Ud、Id、IdVT和IVT分别如下：

12．在三相桥式全控整流电路中，电阻性负载，如果有一个晶闸管不能导通，此时的整流电压ud的波形如何?

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ud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，U2=100V，带电阻电感负载，R=5Ω，L值极大，当a=600时，要求：

①画出ud、id和iTV的波形

②计算Ud、Id、IdVT和IVT。

解：

①ud、id和iTV的波形如下

②Ud、Id、IdVT和IVT分别如下

14．单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，E=40V，U2=100V，Lm=0.5mH，当a=600时，求Ud、Id与Υ的数值,并画出整流电压ud的波形。

解：

考虑Lm时，有：

最后，画出整流电压Ud的波形如下：

15．三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，U2=100V，R=1Ω，L=∞，

Lm=1mH，求当a=300，E=50V时Ud、Id与Υ的数值,求并作出整流电压ud与iVT1和iVT2的波形。

解：

①ud、iVT1和iVT2的波形如下：

考虑Lm时，有：

解方程组，得：

又∵

即得出

换相重叠角

ud、iVT1和iVT2的波形如下：

17．三相全控桥，反电动势阻感负载，E=200V，R=1Ω，L=∞，Lm=1mH，U2=220V，a=600，当①LB=0和②LB=lmH情况下分别求Ud、Id值,后者还应求Υ，并分别作出ud与iVT的波形。

解：

①当LB=0时：

②当LB=lmH时：

解方程组得：

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2k（k=1、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±1（k=1、2、3…）次谐波即奇次谐波，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6k（k=1、2、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6k±1（k=-I、2、3……）次的谐波，其中主要的是5、7次谐波。

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U2相等时，双反星形电路的整流电压平均值Ud是三相桥式电路的1／2，而整流电流平均值／d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ud和整流电流屯的波形形状一样。

27．三相全控桥变流器，反电动势阻感负载，R=IΩ，L=∞，U2=220V，LB=lmH，当EM=-400V，β=600时求Ud、Id与Υ的数值,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：

三式联立求解，得

由下式可计算换流重叠角：

送回电网的有功功率为

28．单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，U2=100V，LB=0.5mH，当EM=-99V，β=600时求Ud、Id与Υ的值。

解：

由题意可列出如下3个等式：

第3章直流斩波电路

1．简述图3-1a所示的降压斩波电路工作原理。

答：

降压斩波器的原理是：

在一个控制周期中，让V导通一段时间ton，由电源E向L、R、M供电，在此期间，uo=E。

然后使V关断一段时间toff，此时电感L通过二极管VD向R

和M供电，uo=0。

一个周期内的平均电压

。

输出电压小于电源电压，起到降压的作用。

3．在图3-1a所示的降压斩波电路中，E=100V，L=lmH，R=0．5Ω，EM=10V，采用脉宽调制控制方式，T=20μs，当ton=5μs时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值I0，计算输出电流的最大和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续。

当ton=3μs时，重新进行上述计算。

解：

由题目已知条件可得：

当ton=5μs时，有

第4章电力控制电路和变频电路

3．交流调压电路和交流调功电路有什么区别?

二者各运用于什么样的负载?

为什么？

答：

交流调压电路和交流调功电路的电路形式完全相同，二者的区别在于控制方式不同。

交流调压电路是在交流电源的每个周期对输出电压波形进行控制。

而交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周波，再断开几个周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。

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，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。

如采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联；同样，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联。

这都是十分不合理的。

采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都不太大也不太小，在变压器二次侧只要用二极管

整流就可以了。

这样的电路体积小、成本低，、易于设计制造。

交流调功电路常用于电炉温度这样时间常数很大的控制对象。

由于控制对象的时间常数大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁控制。

6．交交变频电路的最高输出频率是多少?

制约输出频率提高的因素是什么?

答：

一般来讲，构成交交变频电路的两组变流电路的脉波数越多，最高输出频率就越高。

当交交变频电路中采用常用的6脉波三相桥式整流电路时，最高输出频率不应高于电网频率的1／3-1／2。

当电网频率为50Hz时，交交变频电路输出的上限频率为20Hz左右。

当输出频率增高时，输出电压一周期所包含的电网电压段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变和由此引起的电流波形畸变以及电动机的转矩脉动是限制输出频率提高的主要原因。

7．交变频电路的主要特点和不足是什么?

其主要用途是什么?

答：

交交变频电路的主要特点是：

只用一次变流，效率较高；可方便实现四象限工作；低频输出肘的特性接近正弦波。

交交变频电路的主要不足是：

．

接线复杂，如采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管；受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；输出功率因数较低；输入电流谐波含量大，频谱复杂。

主要用途：

500千瓦或1000千瓦以下的大功率、低转速的交流调速电路，如轧机主传动装置，谷风机，磨球机等。

8．三相交交变频电路有那两种接线方式?

它们有什么区别?

答：

三相交交变频电路有公共交流母线进线方式和输出星形联结方式两种接线方式。

两种方式的主要区别在于：

公共交流母线进线方式中，因为电源进线端公用，所以三组单相交交变频电路输出端必须隔离。

为此，交流电动机三个绕组必须拆开，共引出六根线。

而在输出星形联结方式中，因为电动机中性点不和变频器中性点接在一起，电动机只引三根线即可，但是因其三组单相交交变频器的输出联在一起，其电源进线必须隔离，因此三组单相交交变频器要分别用三个变压器供电。

第5章逆变电路

1．无源逆变电路和有源逆变电路有何不同?

答：

两种电路的不同主要是：

有源逆变电路的交流侧接电网，即交流侧接有电源。

而无源逆变电路的交流侧直接和负载联接。

2．换流方式有哪几种?

各有什女特点?

答：

换流方式有4种：

器件换流：

利用全控器件的自关断能力进行换流。

全控型器件采用此换流方式。

电网换流：

由电网提供换流电压，只要把负的电网电压加在欲换流的器件上即可。

负载换流：

由负载提供换流电压，当负载为电容性负载即负载电流超前于负载电压时，可实现负载换流。

强迫换流：

设置附加换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压换流称为强迫换流。

通常是利用附加电容上的能量实现，也称电容换流。

晶闸管电路不能采用器件换流，根据电路形式的不同采用电网换流、负载换流和强迫换流3种方式。

3，什么是电压型逆变电路?

什么是电流型逆变电路?

二者各有什么特点。

答：

按照逆变电路直流测电源性质分类，直流侧是电压源的称为逆变电路称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的逆变电路称为电流型逆变电路·

电压型逆变电路的主要特点是：

①直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。

直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。

②由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。

而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。

⑧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。

电流型逆变电路的主要特点是：

·

①直流侧串联有大电感，相当于电流源。

直流侧电流基本无脉动，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当交流侧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。

·

4．电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么?

为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管?

答：

在电压型逆变电路中，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。

当输出交流电压和电流的极性相同时，电流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压电流极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。

在电流型逆变电路中，直流电流极性是一定的，无功能量由直流侧电感来缓冲。

当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时，电流并不反向，依然经电路中的可控开关器件流通，因此不需要并联反馈二极管。

6．并联谐振式逆变电路利用负载电压进行换相，为保证换相应满足什么条件?

答：

假设在t1时刻触发VT2、VT3使其导通，负载电压uo就通过VT2、VT3施加在VT1、VT4上，使其承受反向电压关断，电流从VT1、VT4向VT2、VT3转移，触发VT2、VT3时刻，必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。