電力電子技術(shù)課后習題及解答

1、電力電子技術(shù)習題及解答第1 章 思考題與習題晶閘管的導通條件是什么 ? 導通后流過晶閘管的電流和負載上的電壓由什 么決定 ?答：晶閘管的導通條件是： 晶閘管陽極和陽極間施加正向電壓， 并在門極和陽 極間施加正向觸發(fā)電壓和電流（或脈沖） 。導通后流過晶閘管的電流由負載阻抗決定，負載上電壓由輸入陽極電壓UA 決晶閘管的關(guān)斷條件是什么 ? 如何實現(xiàn) ? 晶閘管處于阻斷狀態(tài)時其兩端的電 壓大小由什么決定 ?答：晶閘管的關(guān)斷條件是： 要使晶閘管由正向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽钄酄顟B(tài)， 可采 用陽極電壓反向使陽極電流I A減小，IA下降到維持電流IH以下時，晶閘管內(nèi)部建立的正反饋無法進行。進而實現(xiàn)晶閘管的關(guān)斷，其兩

2、端電壓大小由電源電壓Ua決定。溫度升高時，晶閘管的觸發(fā)電流、正反向漏電流、維持電流以及正向轉(zhuǎn)折電 壓和反向擊穿電壓如何變化？答：溫度升高時， 晶閘管的觸發(fā)電流隨溫度升高而減小， 正反向漏電流隨溫度 升高而增大，維持電流 I H會減小，正向轉(zhuǎn)折電壓和反向擊穿電壓隨溫度升高而減 小。晶閘管的非正常導通方式有哪幾種？答：非正常導通方式有：（1） lg=O,陽極電壓升高至相當高的數(shù)值；（1）陽極電壓上升率du/dt過高；（3）結(jié)溫過高。請簡述晶閘管的關(guān)斷時間定義。答：晶閘管從正向陽極電流下降為零到它恢復正向阻斷能力所需的這段時間稱 為關(guān)斷時間。即tq trr tgr。試說明晶閘管有哪些派生器件？答：快

3、速晶閘管、雙向晶閘管、逆導晶閘管、光控晶閘管等。請簡述光控晶閘管的有關(guān)特征。答：光控晶閘管是在普通晶閘管的門極區(qū)集成了一個光電二極管，在光的照射下，光電二極管電流增加， 此電流便可作為門極電觸發(fā)電流使晶閘管開通。主要用于高壓大功率場合。型號為KP100-3，維持電流lH=4mA的晶閘管，使用在圖題所示電路中是否合 理，為什么?（暫不考慮電壓電流裕量）tdm圖題答:（a）因為Ia(b)因為Ia100V50K 200V102mA I H，所以不合理。20A, KP100的電流額定值為100 A，裕量達5倍，太大了。150V1圖題中實線部分表示流過晶閘管的電流波形，其最大值均為(c)因為Ia150A

4、，大于額定值，所以不合理。Im,試計算各圖的電流平均值電流有效值和波形系數(shù)。1I解：圖(a) :It(av)=I m sin td ( t)=-2 o m12I m0 (Im Si n t) d( t)=-；r -02k血0耳2irr.|/C/C/C0z/3r Jn/32n Ti/j血0b/3:2 F3UlfJ,1 .n11Q亓in g刃4血0X!2 Xi：5j?/2Pd U d I d。相控整流電路帶大電感負載時，雖然Ud存在諧波，但電流是恒定的直流，故負載電阻艮上的Ud與Id的乘積等于負載有功功率。某電阻性負載要求 024V直流電壓，最大負載電流 ld=30A，如采用由220V交 流直接供

5、電和由變壓器降壓到60V供電的單相半波相控整流電路，是否兩種方案都 能滿足要求？試比較兩種供電方案的晶閘管的導通角、額定電壓、額定電流、電路的功率因數(shù)及對電源容量的要求。解：采用由220V交流直接供電當0時:Ud=99V由變壓器降壓到60V供電當 0時:U=27V因此，只要調(diào)節(jié)都可以滿足輸出024V直流電壓要求。(1)采用由220V交流直接供電時：1 cos U d 0.45U 2 - 2Ud=24V 時12118012159Ut、2U2311VIt2 2R Sin t d t84AUdId24300.8I T(AV)It1.57旦54A1.57622V 和 108A。電源提供有功功率Pi22

6、r8420.85644.8W電源提供視在功率SU2I28422018.58kVA電源側(cè)功率因數(shù)PFP0.305S(2)采用變壓器降壓到60V供電:取2倍安全裕量，晶閘管的額定電壓、額定電流分別為Ud=24V 時Ud0.45U21 cos39 ,18039141UT . 2U 284.4VIT .210p2sin t2dt 心Ud24300.8I T(AV)It1.5751.381.5732.7A(3)畫出電阻性負載a =60時晶閘管兩端的電壓ut波形，說明該電路晶閘管取2倍安全裕量，晶閘管的額定電壓、額定電流分別為和。變壓器二次側(cè)有功功率P I22R 51.382 0.82112W變壓器二次側(cè)

7、視在功率S U2I260 51.383.08kVAP電源側(cè)功率因數(shù)PF0.68S某電阻性負載，Rd=50Q ,要求Ud在0600V可調(diào)，試用單相半波和單相全控橋兩種整流電路來供給，分別計算:(1)晶閘管額定電壓、電流值;(2)連接負載的導線截面積(導線允許電流密度j=6A / mrr);負載電阻上消耗的最大功率。解：(1)單相半波0時,U2Ud0.456000.451333V , IdUdRd60012A50晶閘管額定電流為I t(av)112(A)1.57晶閘管承受最大電壓為U RM .2U 2 =1885V取2倍安全裕量，晶閘管的額定電壓、額定電流分別為4000V 和 30A。所選導線截面

8、積為IJ18863.13mm2負載電阻上最大功率PrIt217.7kW時，U2么空667V ,0.90.9IdUdR6005012A負載電流有效值1.11Id13.3A(K晶閘管的額定電流為T(AV)It1.576(A)晶閘管承受最大電壓為U rm.2U 2 =1885V取2倍安全裕量，晶閘管的額定電壓、額定電流分別為4000V 和 20A。所選導線截面積為13362.22mm2負載電阻上最大功率PR12R 8.9kW整流變壓器二次側(cè)中間抽頭的雙半波相控整流電路如圖題所示。(1) 說明整流變壓器有無直流磁化問題？(2) 分別畫出電阻性負載和大電感負載在a =60。時的輸出電壓 Ud、電流id的

9、波形，比較與單相全控橋式整流電路是否相同。若已知U2=220V,分別計算其輸出直流電壓值Ud。承受的最大反向電壓為多少解：(1)因為在一個周期內(nèi)變壓器磁通增量為零，所以沒有直流磁化。(2)其波形如下圖所示，與單相全控橋式整流電路相同。電阻性負載:Udcos200.9 220 (1 cos60 )2148.5V感性負載：Ud 0.9U2cos 99V 其波形如下圖所示，晶閘管承受的最大反向電壓為2 一 2U 2帶電阻性負載三相半波相控整流電路，如觸發(fā)脈沖左移到自然換流點之前15處，分析電路工作情況，畫出觸發(fā)脈沖寬度分別為10和20時負載兩端的電壓U d波形。解：三相半波相控整流電路觸發(fā)脈沖的的最

10、早觸發(fā)時刻在自然換流點，如觸發(fā)脈沖左移到自然換流點之前15處，觸發(fā)脈沖寬度為10時，不能觸發(fā)晶閘管，Ud=O。觸發(fā)脈沖寬度為15時，能觸發(fā)晶閘管，其波形圖相當于a =0時的波形。三相半波相控整流電路帶大電感負載，Rd=10Q,相電壓有效值U2=220V。求a =45時負載直流電壓 Ud、流過晶閘管的平均電流 I dT和有效電流It,畫出Ud、i T2、UT3的波形。解：Ud1 T2/3 6因為：U 2220V ,2U2 sin td( t) U 2 cos45Ud=U 2 COS45 =182VUdRd182V1018.2A1IdT Id -Id 6.1A23It13Id10.5AUd、i T

11、2、UT3波形圖如下所示:1C(1圖題X盤2t31U H 在圖題所示電路中，當a =60時，畫出下列故障情況下的Ud波形。解：這三種情況下的波形圖如下所示:*2I I屮熔斷器仆U熔斷。熔斷器2FU熔斷。熔斷器2FU 3FU同時熔斷。iru(b)a(c)現(xiàn)有單相半波、單相橋式、三相半波三種整流電路帶電阻性負載，負載電流Id都是40A，問流過與晶閘管串聯(lián)的熔斷器的平均電流、有效電流各為多大？解：設(shè) 0單相半波：I dT=| d=40AIt 1.57 IdT 62.8A(K單相橋式:28.3A1三相半波：ldT= |d =3當o0時U d= 2U2=Ud/o30時ItU2 1 (2Rd 23予0s2

12、 )人.T 3)23.5A1.17 232三相全控橋式整流電路帶大電感負載，負載電阻Rd=4Q，要求 Ud 從 0220V 之間變化。試求:(1) 不考慮控制角裕量時，整流變壓器二次線電壓。(2)計算晶閘管電壓、電流值，如電壓、電流取2倍裕量，選擇晶閘管型號。解:( 1)因為u=2 cos ;不考慮控制角裕量,U294V2.34U213U2168.2V(2)晶閘管承受最大電壓為6U 2 230.3V取2倍的裕量,Urm=1晶閘管承受的平均電流為I dT=- I d3又因為Id詈乎55A所以I dT=，取2倍的裕量I dTmax=(A)選擇KP50- 5的晶閘管。單結(jié)晶體管觸發(fā)電路中，作為Ubb

13、的削波穩(wěn)壓管Dw兩端如并接濾波電容， 電路能否正常工作？如穩(wěn)壓管損壞斷開，電路又會出現(xiàn)什么情況？答：在穩(wěn)壓管 Dw兩端如并接濾波電容后，電路能否正常工作。如穩(wěn)壓管損壞斷開，單結(jié)晶體管上峰值電壓太高，不利于單結(jié)晶體管工作。三相半波相控整流電路帶電動機負載并串入足夠大的電抗器，相電壓有效值U2=220V,電動機負載電流為 40A,負載回路總電阻為 Q,求當a =60時流過晶閘管的電流平均值與有效值、電動機的反電勢。1解：電流平均值為：ldT=I d=40/3=3電流有效值為：Itd.30.511Id23A設(shè)電動機的反電勢為丘，則回路方程為:UdEdId%而Ud1562U2 si ntd( t) 1

14、.17U2cos128.7V2/3 6所以Ed128.7400.2120.7V三相全控橋電路帶串聯(lián) Ld的電動機負載，已知變壓器二次電壓為100V,變壓器每相繞組折合到二次側(cè)的漏感Li為100卩H,負載電流為150A，求:(1)由于漏抗引起的換相壓降；該壓降所對應整流裝置的等效內(nèi)阻及a =0時的換相重疊角。6解: (1) U3 250 100 101501 5V2 2(2)COS 1 (COS 2 Jd )V6U2COS 1 (150 100 10100150)11等效內(nèi)阻r1.5V150A0.01晶閘管裝置中不采用過電壓、過電流保護，選用較高電壓和電流等級的晶閘 管行不行？答：晶閘管裝置中必

15、須采用過電壓、過電流保護，而不能用高電壓、高電流的 晶閘管代替，因為在電感性負載裝置中， 晶閘管在開關(guān)斷過程中， 可能會出現(xiàn)過沖 陽極電壓，此時極易損壞晶閘管。 當未采取過電流保護， 而電路過載或短路時更易 損壞晶閘管。什么是有源逆變？有源逆變的條件是什么？有源逆變有何作用？答：如果將逆變電路交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流電，反送到電網(wǎng)上去稱為有源逆變。有源逆變的條件：（1）一定要有直流電動勢，其極性必須與晶閘管的導通方向一致，其值應稍大于變流器直流側(cè)的平均電壓；（2） 變流器必須工作在的區(qū)域內(nèi)使 u0。2有源逆變的作用：它可用于直流電機的可逆調(diào)速，繞線型異步電動機的串級調(diào)速

16、，高壓電流輸電 太陽能發(fā)電等方面。無源逆變電路和有源逆變電路有何區(qū)別？答：有源逆變電路是把逆變電路的交流側(cè)接到電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流反送到電網(wǎng)去。 無源逆變電路的交流側(cè)直接接到負載，將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流供給負載。有源逆變最小逆變角受哪些因素限制？為什么？答：最小有源逆變角受晶閘管的關(guān)斷時間tq折合的電角度 、換相重疊角 以及安全裕量角的限制。如果不能滿足這些因素的要求的話，將導致逆變失敗。第3章思考題與習題開關(guān)器件的開關(guān)損耗大小同哪些因素有關(guān)？答：開關(guān)損耗與開關(guān)的頻率和變換電路的形態(tài)性能等因素有關(guān)。試比較Buck電路和Boost電路的異同。答；相同點： Buck

17、電路和 Boost 電路多以主控型電力電子器件（如GTO，GTR，VDMOS口 IGBT等）作為開關(guān)器件，其開關(guān)頻率高，變換效率也高。不同點：Buck電路在T關(guān)斷時，只有電感 L儲存的能量提供給負載，實現(xiàn)降 壓變換，且輸入電流是脈動的。而Boost電路在T處于通態(tài)時，電源 Ud向電感L充電，同時電容 C集結(jié)的能量提供給負載，而在T處于關(guān)斷狀態(tài)時，由 L與電源E同時向負載提供能量，從而實現(xiàn)了升壓，在連續(xù)工作狀態(tài)下輸入電流是連續(xù)的。試簡述Buck-Boost電路同Cuk電路的異同。答：這兩種電路都有升降壓變換功能， 其輸出電壓與輸入電壓極性相反， 而且 兩種電路的輸入、輸出關(guān)系式完全相同， Buc

18、k-Boost 電路是在關(guān)斷期內(nèi)電感 L 給 濾波電容C補充能量，輸出電流脈動很大，而Cuk電路中接入了傳送能量的耦合電 容C,若使Ci足夠大，輸入輸出電流都是平滑的，有效的降低了紋波，降低了對 濾波電路的要求。試說明直流斬波器主要有哪幾種電路結(jié)構(gòu)？試分析它們各有什么特點？答：直流斬波電路主要有降壓斬波電路（E uck）,升壓斬波電路（E oost）, 升降壓斬波電路（E uck -B oost ）和庫克（C ook）斬波電路。降壓斬波電路是： 一種輸出電壓的平均值低于輸入直流電壓的變換電路。 它主 要用于直流穩(wěn)壓電源和直流直流電機的調(diào)速。升壓斬波電路是： 輸出電壓的平均值高于輸入電壓的變換電

19、路，它可用于直流穩(wěn)壓電源和直流電機的再生制動。升降壓變換電路是輸出電壓平均值可以大于或小于輸入直流電壓， 輸出電壓與 輸入電壓極性相反。 主要用于要求輸出與輸入電壓反向， 其值可大于或小于輸入電 壓的直流穩(wěn)壓電源。庫克電路也屬升降壓型直流變換電路， 但輸入端電流紋波小， 輸出直流電壓平 穩(wěn)，降低了對濾波器的要求。試分析反激式和正激式變換器的工作原理。答：正激變換器：當開關(guān)管 T導通時，它在高頻變壓器初級繞組中儲存能量，同時將能量傳遞到次級繞組，根據(jù)變壓器對應端的感應電壓極性，二極管D導通，此時D2反向截止，把能量儲存到電感L中，同時提供負載電流|O ;當開關(guān)管T截止時，變壓器次級繞組中的電壓極

20、性反轉(zhuǎn)過來，使得續(xù)流二極管D2導通（而此時D反向截止），儲存在電感中的能量繼續(xù)提供電流給負載。變換器的輸出電壓為：Uo N1DU dNi1反激變換器:當開關(guān)管 T導通，輸入電壓 Ud便加到變壓器TR初級Ni上，變壓器儲存能量。根據(jù)變壓器對應端的極性，可得次級N2中的感應電動勢為下正上負,二極管D截止，次級Nk中沒有電流流過。當T截止時，N2中的感應電動勢極性上正 下負，二極管D導通。在T導通期間儲存在變壓器中的能量便通過二極管D向負載釋放。在工作的過程中，變壓器起儲能電感的作用。輸出電壓為U。N2Ni試分析全橋式變換器的工作原理。答：當Ugl和Ug4為高電平，Ug2和Ug3為低電平，開關(guān)管 T

21、1和T4導通，T2和T3關(guān) 斷時，變壓器建立磁化電流并向負載傳遞能量；當 Ug1和Ug4為低電平，Ug2和Ug3為 高電平，開關(guān)管 T2和T3導通，T1和T4關(guān)斷，在此期間變壓器建立反向磁化電流， 也向負載傳遞能量，這時磁芯工作在B H回線的另一側(cè)。在 、T4導通期間(或T2和T3導通期間)，施加在初級繞組 NP上的電壓約等于輸入電壓Ud。與半橋電路相比，初級繞組上的電壓增加了一倍，而每個開關(guān)管的耐壓仍為輸入電壓。2有一開關(guān)頻率為 50kHz的Buck變換電路工作在電感電流連續(xù)的情況下，L=,輸入電壓Ud=15V,輸出電壓U0=10V(1)求占空比D的大小;求電感中電流的峰-峰值 I ;若允許輸出電壓的紋波厶U0/Uo=5% 求濾波電容 C的最小值。解:U。10Ud 150.667 IlU(UdU。)fL55D(1 D)fL15 彎響 1.333A50 103 0.05 10