電力電子答案

第1章 電力電子器件1. 使晶閘管導通的條件是什么？答：使晶閘管導通的條件是：晶閘管承受正向陽極電壓，并在門極施加觸發(fā)電流（脈沖）。或：uAK0且uGK0。2. 維持晶閘管導通的條件是什么？怎樣才能使晶閘管由導通變?yōu)殛P斷？答：維持晶閘管導通的條件是使晶閘管的電流大于能保持晶閘管導通的最小電流，即維持電流。要使晶閘管由導通變?yōu)殛P斷，可利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下，即降到維持電流以下，便可使導通的晶閘管關斷。3. 圖1-43中陰影部分為晶閘管處于通態(tài)區(qū)間的電流波形，各波形的電流最大值均為Im，試計算各波形的電流平均值Id1、Id2、Id3與電流有效值I1、I2、I3。圖1-43 晶閘管導電波形解：a) Id1=()0.2717 ImI1=0.4767 Imb) Id2 =()0.5434 ImI2 =0.6741Ic) Id3= ImI3 = Im4. 上題中如果不考慮安全裕量,問100A的晶閘管能送出的平均電流Id1、Id2、Id3各為多少？這時，相應的電流最大值Im1、Im2、Im3各為多少?解：額定電流I T(AV) =100A的晶閘管，允許的電流有效值I =157A，由上題計算結果知a) Im1329.35，Id10.2717 Im189.48b) Im2232.90,Id20.5434 Im2126.56c) Im3=2 I = 314,Id3= Im3=78.55. GTO和普通晶閘管同為PNPN結構，為什么GTO能夠自關斷，而普通晶閘管不能？答：GTO和普通晶閘管同為PNPN結構，由P1N1P2和N1P2N2構成兩個晶體管V1、V2,分別具有共基極電流增益和，由普通晶閘管的分析可得，+=1是器件臨界導通的條件。+1，兩個等效晶體管過飽和而導通；+1，不能維持飽和導通而關斷。GTO之所以能夠自行關斷，而普通晶閘管不能，是因為GTO與普通晶閘管在設計和工藝方面有以下幾點不同：1) GTO在設計時較大，這樣晶體管V2控制靈敏，易于GTO關斷；2) GTO導通時的+更接近于1，普通晶閘管+1.15，而GTO則為+1.05，GTO的飽和程度不深，接近于臨界飽和，這樣為門極控制關斷提供了有利條件；3) 多元集成結構使每個GTO元陰極面積很小，門極和陰極間的距離大為縮短，使得P2極區(qū)所謂的橫向電阻很小，從而使從門極抽出較大的電流成為可能。6. 如何防止電力MOSFET因靜電感應應起的損壞？答：電力MOSFET的柵極絕緣層很薄弱，容易被擊穿而損壞。MOSFET的輸入電容是低泄漏電容，當柵極開路時極易受靜電干擾而充上超過20的擊穿電壓，所以為防止MOSFET因靜電感應而引起的損壞，應注意以下幾點： 一般在不用時將其三個電極短接； 裝配時人體、工作臺、電烙鐵必須接地，測試時所有儀器外殼必須接地； 電路中，柵、源極間常并聯(lián)齊納二極管以防止電壓過高 漏、源極間也要采取緩沖電路等措施吸收過電壓。7. IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET的驅動電路各有什么特點？答：IGBT驅動電路的特點是：驅動電路具有較小的輸出電阻，IGBT是電壓驅動型器件，IGBT的驅動多采用專用的混合集成驅動器。GTR驅動電路的特點是：驅動電路提供的驅動電流有足夠陡的前沿，并有一定的過沖，這樣可加速開通過程，減小開通損耗，關斷時，驅動電路能提供幅值足夠大的反向基極驅動電流，并加反偏截止電壓，以加速關斷速度。GTO驅動電路的特點是：GTO要求其驅動電路提供的驅動電流的前沿應有足夠的幅值和陡度，且一般需要在整個導通期間施加正門極電流，關斷需施加負門極電流，幅值和陡度要求更高，其驅動電路通常包括開通驅動電路，關斷驅動電路和門極反偏電路三部分。電力MOSFET驅動電路的特點：要求驅動電路具有較小的輸入電阻，驅動功率小且電路簡單。8. 全控型器件的緩沖電路的主要作用是什么？試分析RCD緩沖電路中各元件的作用。答：全控型器件緩沖電路的主要作用是抑制器件的內因過電壓，du/dt或過電流和di/dt，減小器件的開關損耗。RCD緩沖電路中，各元件的作用是：開通時，Cs經Rs放電，Rs起到限制放電電流的作用；關斷時，負載電流經VDs從Cs分流，使du/dt減小，抑制過電壓。9. 試說明IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET各自的優(yōu)缺點。解：對IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET的優(yōu)缺點的比較如下表：器 件優(yōu) 點缺 點IGBT開關速度高，開關損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅動，驅動功率小開關速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及GTOGTR耐壓高，電流大，開關特性好，通流能力強，飽和壓降低開關速度低，為電流驅動，所需驅動功率大，驅動電路復雜，存在二次擊穿問題GTO電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導調制效應，其通流能力很強電流關斷增益很小，關斷時門極負脈沖電流大，開關速度低，驅動功率大，驅動電路復雜，開關頻率低電 力MOSFET開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小且驅動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置第2章 整流電路 1. 單相半波可控整流電路對電感負載供電，L20mH，U2100V，求當0和60時的負載電流Id，并畫出ud與id波形。解：0時，在電源電壓u2的正半周期晶閘管導通時，負載電感L儲能，在晶閘管開始導通時刻，負載電流為零。在電源電壓u2的負半周期，負載電感L釋放能量，晶閘管繼續(xù)導通。因此，在電源電壓u2的一個周期里，以下方程均成立： 考慮到初始條件：當wt0時id0可解方程得：=22.51(A) ud與id的波形如下圖： 當60時，在u2正半周期60180期間晶閘管導通使電感L儲能，電感L儲藏的能量在u2負半周期180300期間釋放，因此在u2一個周期中60300期間以下微分方程成立： 考慮初始條件：當wt60時id0可解方程得：其平均值為=11.25(A) 此時ud與id的波形如下圖： 2圖2-9為具有變壓器中心抽頭的單相全波可控整流電路，問該變壓器還有直流磁化問題嗎？試說明：晶閘管承受的最大反向電壓為2；當負載是電阻或電感時，其輸出電壓和電流的波形與單相全控橋時相同。答：具有變壓器中心抽頭的單相全波可控整流電路，該變壓器沒有直流磁化的問題。因為單相全波可控整流電路變壓器二次測繞組中，正負半周內上下繞組內電流的方向相反，波形對稱，其一個周期內的平均電流為零，故不會有直流磁化的問題。以下分析晶閘管承受最大反向電壓及輸出電壓和電流波形的情況。 以晶閘管VT2為例。當VT1導通時，晶閘管VT2通過VT1與2個變壓器二次繞組并聯(lián)，所以VT2承受的最大電壓為2。 當單相全波整流電路與單相全控橋式整流電路的觸發(fā)角a 相同時，對于電阻負載：（0）期間無晶閘管導通，輸出電壓為0；（）期間，單相全波電路中VT1導通，單相全控橋電路中VT1、VT4導通，輸出電壓均與電源電壓u2相等；()期間，均無晶閘管導通，輸出電壓為0；( 2)期間，單相全波電路中VT2導通，單相全控橋電路中VT2、VT3導通，輸出電壓等于- u2。對于電感負載：（ ）期間，單相全波電路中VT1導通，單相全控橋電路中VT1、VT4導通，輸出電壓均與電源電壓u2相等；（ 2）期間，單相全波電路中VT2導通，單相全控橋電路中VT2、VT3導通，輸出波形等于- u2。可見，兩者的輸出電壓相同，加到同樣的負載上時，則輸出電流也相同。 3單相橋式全控整流電路，U2100V，負載中R2，L值極大，當30時，要求：作出ud、id、和i2的波形； 求整流輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓器二次電流有效值I2； 考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。解：ud、id、和i2的波形如下圖：輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓器二次電流有效值I2分別為Ud0.9 U2 cos0.9100cos3077.97（V）IdUd /R77.97/238.99（A）I2Id 38.99（A） 晶閘管承受的最大反向電壓為：U2100141.4（V）考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為：UN（23）141.4283424（V）具體數值可按晶閘管產品系列參數選取。流過晶閘管的電流有效值為：IVTId27.57（A）晶閘管的額定電流為：IN（1.52）27.571.572635（A）具體數值可按晶閘管產品系列參數選取。 4單相橋式半控整流電路，電阻性負載，畫出整流二極管在一周內承受的電壓波形。解：注意到二極管的特點：承受電壓為正即導通。因此，二極管承受的電壓不會出現(xiàn)正的部分。在電路中器件均不導通的階段，交流電源電壓由晶閘管平衡。 整流二極管在一周內承受的電壓波形如下： 5單相橋式全控整流電路，U2=100V，負載中R=2，L值極大，反電勢E=60V，當a=30時，要求： 作出ud、id和i2的波形； 求整流輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓器二次側電流有效值I2； 考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。解：ud、id和i2的波形如下圖： 整流輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓器二次側電流有效值I2分別為Ud0.9 U2 cos0.9100cos3077.97(A)Id (UdE)/R(77.9760)/29(A)I2Id 9(A) 晶閘管承受的最大反向電壓為：U2100141.4（V）流過每個晶閘管的電流的有效值為：IVTId 6.36（A）故晶閘管的額定電壓為：UN(23)141.4283424（V） 晶閘管的額定電流為：IN(1.52)6.361.5768（A）晶閘管額定電壓和電流的具體數值可按晶閘管產品系列參數選取。 6. 晶閘管串聯(lián)的單相半控橋（橋中VT1、VT2為晶閘管），電路如圖2-11所示，U2=100V，電阻電感負載，R=2，L值很大，當a=60時求流過器件電流的有效值，并作出ud、id、iVT、iD的波形。解：ud、id、iVT、iD的波形如下圖： 負載電壓的平均值為：67.5（V） 負載電流的平均值為：IdUdR67.52233.75（A） 流過晶閘管VT1、VT2的電流有效值為：IVTId19.49（A） 流過二極管VD3、VD4的電流有效值為：IVDId27.56（A）7. 在三相半波整流電路中，如果a相的觸發(fā)脈沖消失，試繪出在電阻性負載和電感性負載下整流電壓ud的波形。解：假設，當負載為電阻時，ud的波形如下： 當負載為電感時，ud的波形如下： 8三相半波整流電路，可以將整流變壓器的二次繞組分為兩段成為曲折接法，每段的電動勢相同，其分段布置及其矢量如圖2-60所示，此時線圈的繞組增加了一些，銅的用料約增加10%，問變壓器鐵心是否被直流磁化，為什么？圖2-60 變壓器二次繞組的曲折接法及其矢量圖答：變壓器鐵心不會被直流磁化。原因如下：變壓器二次繞組在一個周期內：當a1c2對應的晶閘管導通時，a1的電流向下流，c2的電流向上流；當c1b2對應的晶閘管導通時，c1的電流向下流，b2的電流向上流；當b1a2對應的晶閘管導通時，b1的電流向下流，a2的電流向上流；就變壓器的一次繞組而言，每一周期中有兩段時間（各為120）由電流流過，流過的電流大小相等而方向相反，故一周期內流過的電流平均值為零，所以變壓器鐵心不會被直流磁化。 9三相半波整流電路的共陰極接法與共陽極接法，a、b兩相的自然換相點是同一點嗎？如果不是，它們在相位上差多少度？答：三相半波整流電路的共陰極接法與共陽極接法，a、b兩相之間換相的的自然換相點不是同一點。它們在相位上相差180。 10有兩組三相半波可控整流電路，一組是共陰極接法，一組是共陽極接法，如果它們的觸發(fā)角都是a，那末共陰極組的觸發(fā)脈沖與共陽極組的觸發(fā)脈沖對同一相來說，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電路，U2=100V，帶電阻電感負載，R=5，L值極大，當a=60時，要求： 畫出ud、id和iVT1的波形； 計算Ud、Id、IdT和IVT。解：ud、id和iVT1的波形如下圖： Ud、Id、IdT和IVT分別如下Ud1.17U2cosa1.17100cos6058.5（V）IdUdR58.5511.7（A）IdVTId311.733.9（A）IVTId6.755（A） 12在三相橋式全控整流電路中，電阻負載，如果有一個晶閘管不能導通，此時的整流電壓ud波形如何？如果有一個晶閘管被擊穿而短路，其他晶閘管受什么影響？答：假設VT1不能導通，整流電壓ud波形如下：假設VT1被擊穿而短路，則當晶閘管VT3或VT5導通時，將發(fā)生電源相間短路，使得VT3、VT5也可能分別被擊穿。 13三相橋式全控整流電路，U2=100V，帶電阻電感負載，R=5，L值極大，當a=60時，要求： 畫出ud、id和iVT1的波形； 計算Ud、Id、IdT和IVT。解：ud、id和iVT1的波形如下： Ud、Id、IdT和IVT分別如下Ud2.34U2cosa2.34100cos60117（V）IdUdR117523.4（A）IDVTId323.437.8（A）IVTId23.413.51（A） 14單相全控橋，反電動勢阻感負載，R=1，L=，E=40V，U2=100V，LB=0.5mH，當a=60時求Ud、Id與g 的數值，并畫出整流電壓ud的波形。解：考慮LB時，有：Ud0.9U2cosUdUd2XBIdId（UdE）R 解方程組得：Ud（R 0.9U2cos2XBE）（R2XB）44.55（V）Ud0.455（V）Id4.55（A）又U2 即得出=0.4798 換流重疊角g 61.33- 60=1.33 最后，作出整流電壓Ud的波形如下： 15三相半波可控整流電路，反電動勢阻感負載，U2=100V，R=1，L=，LB=1mH，求當a=30時、E=50V時Ud、Id、g 的值并作出ud與iVT1和iVT2的波形。 解：考慮LB時，有：Ud1.17U2cosUdUd3XBId2Id（UdE）R 解方程組得：Ud（R 1.17U2cos3XBE）（2R3XB）94.63（V）Ud6.7（V）Id44.63（A）又2U2 即得出=0.752 換流重疊角g 41.28- 30=11.28ud、iVT1和iVT2的波形如下： 16三相橋式不可控整流電路，阻感負載，R=5，L=，U2=220V，XB=0.3，求Ud、Id、IVD、I2和g 的值并作出ud、iVD和i2的波形。解：三相橋式不可控整流電路相當于三相橋式可控整流電路0時的情況。Ud2.34U2cosUdUd3XBIdIdUdR 解方程組得：Ud2.34U2cos（13XB/R）486.9（V）Id97.38（A）又2U2 即得出=0.892 換流重疊角g 26.93 二極管電流和變壓器二次測電流的有效值分別為IVDId397.38332.46（A）I2a Id79.51（A）ud、iVD1和i2a的波形如下：17三相全控橋，反電動勢阻感負載，E=200V，R=1，L=，U2=220V，a=60，當LB=0和LB=1mH情況下分別求Ud、Id的值，后者還應求g 并分別作出ud與iT的波形。解：當LB0時：Ud2.34U2cos2.34220cos60257.4（V）Id（UdE）R（257.4200）157.4（A）當LB1mH時Ud2.34U2cosUdUd3XBIdId（UdE）R解方程組得：Ud（2.34U2R cos3XBE）（R3XB）244.15（V）Id44.15（A）Ud13.25（V）又2XBIdU20.448563.35603.35ud、IVT1和IVT2的波形如下：18單相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有哪些次數的諧波？其中幅值最大的是哪一次？變壓器二次側電流中含有哪些次數的諧波？其中主要的是哪幾次？答：單相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有2k（k=1、2、3）次諧波，其中幅值最大的是2次諧波。變壓器二次側電流中含有2k1（k1、2、3）次即奇次諧波，其中主要的有3次、5次諧波。19三相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有哪些次數的諧波？其中幅值最大的是哪一次？變壓器二次側電流中含有哪些次數的諧波？其中主要的是哪幾次？答：三相橋式全控整流電路的整流輸出電壓中含有6k（k1、2、3）次的諧波，其中幅值最大的是6次諧波。變壓器二次側電流中含有6k1(k=1、2、3)次的諧波，其中主要的是5、7次諧波。20試計算第3題中i2的3、5、7次諧波分量的有效值I23、I25、I27。解：在第3題中已知電路為單相全控橋，其輸出電流平均值為Id38.99（A）于是可得：I232Id3238.99311.7（A）I252Id5238.9957.02（A）I272Id7238.9975.01（A）21試計算第13題中i2的5、7次諧波分量的有效值I25、I27。解：第13題中，電路為三相橋式全控整流電路，且已知Id23.4（A）由此可計算出5次和7次諧波分量的有效值為：I25Id523.453.65（A）I27Id723.472.61（A）22 試分別計算第3題和第13題電路的輸入功率因數。解：第3題中基波電流的有效值為：I12Id238.9935.1（A）基波因數為nI1II1Id35.138.990.9電路的輸入功率因數為：ln 0.9 cos300.78 第13題中基波電流的有效值：I1Id23.3918.243（A）基波因數為nI1II1Id0.955電路的輸入功率因數為：ln 0.955 cos600.4823帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路與三相橋式全控整流電路相比有何主要異同？答：帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路與三相橋式全控整流電路相比有以下異同點：三相橋式電路是兩組三相半波電路串聯(lián)，而雙反星形電路是兩組三相半波電路并聯(lián)，且后者需要用平衡電抗器；當變壓器二次電壓有效值U2相等時，雙反星形電路的整流電壓平均值Ud是三相橋式電路的1/2，而整流電流平均值Id是三相橋式電路的2倍。在兩種電路中，晶閘管的導通及觸發(fā)脈沖的分配關系是一樣的，整流電壓ud和整流電流id的波形形狀一樣。24整流電路多重化的主要目的是什么？答：整流電路多重化的目的主要包括兩個方面，一是可以使裝置總體的功率容量大，二是能夠減少整流裝置所產生的諧波和無功功率對電網的干擾。2512脈波、24脈波整流電路的整流輸出電壓和交流輸入電流中各含哪些次數的諧波？答：12脈波電路整流電路的交流輸入電流中含有11次、13次、23次、25次等即12k1、（k=1，2，3）次諧波，整流輸出電壓中含有12、24等即12k（k=1，2，3）次諧波。24脈波整流電路的交流輸入電流中含有23次、25次、47次、49次等，即24k1（k=1，2，3）次諧波，整流輸出電壓中含有24、48等即24k（k=1，2，3）次諧波。26使變流器工作于有源逆變狀態(tài)的條件是什么？答：條件有二：直流側要有電動勢，其極性須和晶閘管的導通方向一致，其值應大于變流電路直流側的平均電壓；要求晶閘管的控制角/2，使Ud為負值。27三相全控橋變流器，反電動勢阻感負載，R=1，L=，U2=220V，LB=1mH，當EM=-400V，b=60時求Ud、Id與g 的值，此時送回電網的有功功率是多少？解：由題意可列出如下3個等式：Ud2.34U2cos(-)UdUd3XBIdId（UdEM）R三式聯(lián)立求解，得Ud2.34U2R cos(-)3XBEM(R3XB)290.3（V）Id109.7（A） 由下式可計算換流重疊角：2XBIdU20.1279-0.6279128.901208.90送回電網的有功功率為P=400109.7-109.72109.71=31.85(W)28單相全控橋，反電動勢阻感負載，R=1，L=，