西安交大电力电子技术王安忆课后作业解析.docx

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西安交大电力电子技术王安忆课后作业解析

2-1与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结构特点才使得其具有耐受高压和大电流的能力？

答：

1.电力二极管大都采用垂直导电结构，使得硅片中通过电流的有效面积增大，显著提高了二极管的通流能力。

2.电力二极管在P区和N区之间多了一层低掺杂N区，也称漂移区。

低掺杂N区由于掺杂浓度低而接近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导体，由于掺杂浓度低，低掺杂N区就可以承受很高的电压而不被击穿。

2-6GTO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和普通晶阐管同为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

和

，由普通晶阐管的分析可得，

是器件临界导通的条件。

两个等效晶体管过饱和而导通；

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：

l）GTO在设计时

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l，普通晶闸管

，而GTO则为

，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。

2-8试分析IGBT和电力MOSFET在内部结构和开关特性上的相似与不同之处.

IGBT比电力MOSFET在背面多一个P型层，IGBT开关速度小，开关损耗少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。

电力MOSFET开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好。

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。

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。

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。

3-1.单相半波可控整流电路对电感负载供电，L＝20mH，U2＝100V，求当α＝0和60时的负载电流Id，并画出ud与id波形。

解：

α＝0°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，在晶闸管开始导通时刻，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：

考虑到初始条件：

当ωt＝0时id＝0可解方程得：

=

=22.51（A）

ud与id的波形如下图：

当α＝60°时，在u2正半周期60°~180°期间晶闸管导通使电感L储能，电感L储藏的能量在u2负半周期180°~300°期间释放，因此在u2一个周期中60°~300°期间以下微分方程成立：

考虑初始条件：

当ωt＝60°时id＝0可解方程得：

其平均值为

=

=11.25（A）

此时ud与id的波形如下图：

3-2．图3-10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

；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

。

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。

3-3．单相桥式全控整流电路，U2＝100V，负载中R＝2Ω，L值极大，当α＝30°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输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2分别为

Ud＝0.9U2cosα＝0.9×100×cos30°＝77.97（V）

Id＝Ud/R＝77.97/2＝38.99（A）

I2＝Id＝38.99（A）

③晶闸管承受的最大反向电压为：

U2＝100

＝141.4（V）

考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：

UN＝（2~3）×141.4＝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：

IVT＝Id∕

＝27.57（A）

晶闸管的额定电流为：

IN＝（1.5~2）×27.57∕1.57＝26~35（A）

具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。

3-4．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：

3-5．单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=2Ω，L值极大，反电势E=60V，当α=30°时，要求：

作出ud、id和i2的波形；

1求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2；

2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I2分别为

Ud＝0.9U2cosα＝0.9×100×cos30°＝77.97（A）

Id＝（Ud－E）/R＝（77.97－60）/2＝9（A）

I2＝Id＝9（A）

③晶闸管承受的最大反向电压为：

U2＝100

＝141.4（V）

流过每个晶闸管的电流的有效值为：

IVT＝Id∕

＝6.36（A）

故晶闸管的额定电压为：

UN＝（2~3）×141.4＝283~424（V）

晶闸管的额定电流为：

IN＝（1.5~2）×6.36∕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。

3-6.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，U2=100V，电阻电感负载，R=2Ω，L值很大，当α=60°时求流过器件电流的有效值，并作出ud、id、iVT、iD的波形。

解：

ud、id、iVT、iD的波形如下图：

负载电压的平均值为：

＝67.5（V）

负载电流的平均值为：

Id＝Ud∕R＝67.52∕2＝33.75（A）

流过晶闸管VT1、VT2的电流有效值为：

IVT＝

Id＝19.49（A）

流过二极管VD3、VD4的电流有效值为：

IVD＝

Id＝27.56（A）

3-7.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

，当负载为电阻时，ud的波形如下：

当负载为电感时，ud的波形如下：

3-11．三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=60°时，要求：

画出ud、id和iVT1的波形；计算Ud、Id、IdT和IVT。

解：

①ud、id和iVT1的波形如下图：

②Ud、Id、IdT和IVT分别如下Ud＝1.17U2cosα＝1.17×100×cos60°＝58.5（V）

Id＝Ud∕R＝58.5∕5＝11.7（A）

IdVT＝Id∕3＝11.7∕3＝3.9（A）

IVT＝Id∕

＝6.755（A）

3-12．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ud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VT1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。

3-13．三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α=60°时，要求：

1画出ud、id和iVT1的波形；

2计算Ud、Id、IdT和IVT。

解：

①ud、id和iVT1的波形如下：

②Ud、Id、IdT和IVT分别如下

Ud＝2.34U2cosα＝2.34×100×cos60°＝117（V）

Id＝Ud∕R＝117∕5＝23.4（A）

IDVT＝Id∕3＝23.4∕3＝7.8（A）

IVT＝Id∕

＝23.4∕

＝13.51（A）

3-18．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……）次即奇次谐波，其中主要的有3次、5次谐波。

3-19．三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=1、2、3……）次的谐波，其中主要的是5、7次谐波。

4-l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。

4-2换流方式各有那儿种？

各有什么特点？

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追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。

4-3什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持点是：

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。

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。

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，直流测电惑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。

4-4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？

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。

4-6.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t时刻触发VT2、VT3使其导通,负载电压u。

就通过VT2、VT3施加在VTl、VT4上,使其承受反向电压关断,电流从VTl、VT4向VT2、VT3转移触发VT2、VT3时刻/必须在u。

过零前并留有足够的裕量,才能使换流顺利完成。

5-1简述图5-la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

。

，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

，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。

5-4．简述图5-2a所示升压斩波电路的基本工作原理。

答：

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

同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，基本保持输出电压为恒值

。

设V处于通态的时间为

，此阶段电感L上积蓄的能量为E

。

当V处于断态时E和己共同向电容C充电并向负载R提供能量。

设V处于断态的时间为

，则在此期间电感L释放的能量为

；当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即：

化简得：

式中的T／

1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。

5-5．在图3-2a所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极大，R=20Ω，采用脉宽调制控制方式，当T=40μs，

=25μs时，计算输出电压平均值

，输出电流平均值

。

解：

输出电压平均值为：

输出电流平均值为：

5-8．分析图5-7a所示的电流可逆斩波电路，并结合图3-7b的波形，绘制出各个阶段电流流通的路径并标明电流方向。

解：

电流可逆斩波电路中，Vl和VDl构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第l象限：

V2和

构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于第2象限。

图3-7b中，各阶段器件导通情况及电流路径等如下：

导通，电源向负载供电：

关断，VD，续流：

也导通，L上蓄能:

关断，

导通，向电源回馈能量

5-9对于图5-8所示的桥式可逆斩波电路，若需使电动机工作于反转电动状态，试分析此时电路的工作情况，并绘制相应的电流流通路径图，同时标明电流流向。

解：

需使电动机工作于反转电动状态时，由V3和VD3构成的降压斩波电路工作，此时需要V2保持导通，与V3和VD3构成的降压斩波电路相配合。

当V3导通时，电源向M供电，使其反转电动，电流路径如下图：

当V3关断时，负载通过VD3续流，电流路径如下图：

6-3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。

6-4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因素。

6-5交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，低频输出时的特性接近正弦波。

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、鼓风机、球磨机等场合。

6-6.三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，因为电动机中性点和变频器中中性点在一起；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。

6-7在三相交交变频电路中，采用梯形波输出控制的好处是什么？

为什么？

答：

在三相交交变频电路中采用梯形波控制的好处是可以改善输入功率因数。

因为梯形波的主要谐波成分是三次谐波，在线电压中，三次谐波相互抵消，结果线电压仍为正弦波。

在这种控制方式中，因为桥式电路能够较长时间工作在高输出电压区域（对应梯形波的平顶区），

角较小，因此输入功率因数可提高15%左右。

7-1试说明PWM控制的基本原理。

答：

PWM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）。

在采样控制理论中有一条重要的结论：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。

效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。

上述原理称为面积等效原理

以正弦PWM控制为例。

把正弦半波分成N等份，就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。

这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。

如果把上述脉冲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PWM波形。

各PWM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。

可见，所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。

7-5什么是异步调制？

什么是同步调制？

两者各有何特点？

分段同步调制有什么优点？

答：

载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。

在异步调制方式中，通常保持载波频率fc固定不变，因而当信号波频率fr变化时，载波比N是变化的。

异步调制的主要特点是：

在信号波的半个周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。

这样，当信号波频率较低时，载波比N较大，一周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称产生的不利影响都较小，PWM波形接近正弦波。

而当信号波频率增高时，载波比N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大，有时信号波的微小变化还会产生PWM脉冲的跳动。

这就使得输出PWM波和正弦波的差异变大。

对于三相PWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。

载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。

同步调制的主要特点是：

在同步调制方式中，信号波频率变化时载波比N不变，信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。

当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的载波频率fc也很低。

fc过低时由调制带来的谐波不易滤除。

当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声。

当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc会过高，使开关器件难以承受。

此外，同步调制方式比异步调制方式复杂一些。

分段同步调制是把逆变电路的输出频率划分为若干段，每个频段的载波比一定，不同频段采用不同的载波比。

其优点主要是，在高频段采用较低的载波比，使载波频率不致过高，可限制在功率器件允许的范围内。

而在低频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。

7-6．什么是SPWM波形的规则化采样法？

和自然采样法比规则采样法有什么优点？

答：

规则采样法是一种在采用微机实现时实用的PWM波形生成方法。

规则采样法是在自然采样法的基础上得出的。

规则采样法的基本思路是：

取三角波载波两个正峰值之间为一个采样周期。

使每个PWM脉冲的中点和三角波一周期的中点（即负峰点）重合，在三角波的负峰时刻对正弦信号波采样而得到正弦波的值，用幅值与该正弦波值相等的一条水平直线近似代替正弦信号波，用该直线与三角波载波的交点代替正弦波与载波的交点，即可得出控制功率开关器件通断的时刻。

7-8如何提高PWM逆变电路的直流电压利用率？

答：

采用梯形波控制方式，即用梯形波作为调制信号，可以有效地提高直流电压的利用率。

对于三相PWM逆变电路，还可以采用线电压控制方式，即在相电压调制信号中叠加3的倍数次谐波及直流分量等，同样可以有效地提高直流电压利用率。