電力電子技術(shù)-研究生(A卷)

1、一、填空題（每空1分，共15分）1、晶閘管導通的條件是 正向陽極電壓 、 正向門極觸發(fā)電流 。2、電子器件據(jù)其能被控制信號所控制的程度，可分為三大類: 不控型 、 半控型 、全控型 。3、擎住電流是指晶閘管剛從 斷態(tài) 轉(zhuǎn)入 通態(tài) , 移除觸發(fā)信號使元件保持導通所需最小陽極電流。4、絕緣柵晶體管(IGBT)是 GTR(或電力晶體管) 和 MOSFET(或功率場效應管或電力場效應管) 的復合型器件。5、根據(jù)無源逆變器直流輸入端接入濾波器的不同，可分為 電壓(或電壓源) 型逆變器和 電流(或電流源) 型逆變器,按電子開關(guān)的工作規(guī)律分，無源逆變器的基本類型為 1800導電型 和 1200導電型 。6、

2、將一個 不可控 直流電壓變換為 適合于負載要求的可控 直流電壓的技術(shù)稱為直流斬波技術(shù)。二、簡答題（每題5分，共30分）1、全控型器件的緩沖電路的主要作用是什么？試分析RCD緩沖電路各元件的作用？(1)抑制電力電子器件內(nèi)因過電壓，du/dt 或過電流和di/dt，減少器件的開關(guān)損耗。(2) C限制關(guān)斷時電壓的上升，R限制電流的大小。D利用單向?qū)щ娦? 關(guān)斷時起作用。2、簡述電壓型逆變器和電流型逆變器主電路中每一橋臂的結(jié)構(gòu),并分析二極管的作用。(1)電壓型逆變器每個橋臂由電子開關(guān)和一個反并聯(lián)的二極管組成，二極管起續(xù)流作用。 (2)電流型逆變器每個橋臂由電子開關(guān)串聯(lián)一個二極管組成，二極管確保每一個橋

3、臂的電流單方向流動。3、什么是逆變失??？ 如何防止逆變失??？(1)逆變運行時,一旦發(fā)生換流失敗,外接的直流電源就會通過晶閘管電路形成短路,或者使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變?yōu)轫樝虼?lián),由于逆變電路內(nèi)阻很小,形成很大的短路電流,稱為逆變失敗。(2)防止逆變失敗的方法: 采用精確可靠的觸發(fā)電路,使用性能良好的晶閘管,保證交流電流的質(zhì)量,留出充足的換向裕量角等。4、什么是IGBT掣住效應？它有什么危害？ (1)在額定集電極電流范圍內(nèi)，在NPN管的基極與發(fā)射極之間的體內(nèi)短路電阻Rs上的偏壓很小，對NPN管無影響。(2)如果集電極電流大到一定程度，Rs上壓降上升，相當于加一正偏電壓，使NPN管導通

4、，進而使NPN、PNP兩晶體管同時處于飽和狀態(tài)，造成寄生晶閘管開通IGBT柵極失去控制作用，這就是所謂的掣住效應。(3)IGBT一旦發(fā)生掣住效應，器件將失控，集電極電流將增大，早成過高的功耗，將導致器件損壞。另外，它還關(guān)系著IGBT的安全工作區(qū)的大小，在實際應用中是需要引以重視的問題。5、簡要說明鋸齒波垂直移相觸發(fā)電路中，控制電壓、偏移電壓各有什么作用？ (1)改變控制電壓就可以改變觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的時刻，達到移相的目的。(2)設置偏移電壓的目的是確定控制電壓的初始相位。6、簡述電力晶體管產(chǎn)生二次擊穿的原因。(1)當GTR的C、E極間施加的電壓高于晶體管的電壓的額定值時，GTR的電流雪崩式增加，呈

5、現(xiàn)負阻特性，即出現(xiàn)一次擊穿現(xiàn)象。(2)若GTR出現(xiàn)一次擊穿后繼續(xù)增大外加反向電壓uce，反向電流將繼續(xù)增大，元件將會吸收足夠的能量，其工作狀態(tài)將以極快的速度移向負阻區(qū)，形成二次擊穿，結(jié)果是在納秒或微秒時間內(nèi)器件永久性損壞。三、計算題（每題15分，共30分）1、單相橋式全控整流電路為阻感負載，變壓器次級電壓有效值為200V，。(1) 求輸出整流電壓與電流平均值，晶閘管電流平均值與有效值。(2) 繪制電路波形，。解：(1)輸出電壓的平均值為： =0.9×200×cos600=90 V輸出電流的平均值為: =4.5 A流過晶閘管的電流的平均值為： =2.25 A有效值為: =3.

6、2 A (2)電路波形如圖2、三相半波可控整流電路為阻感負載，若變壓器次級相電壓有效值為100V， ，。(1 )計算輸出整流電壓與電流平均值。(2) 選擇晶閘管電壓與電流定額。(3) 繪制電路波形，。解：(1)輸出整流電壓為：=58.5V 電流平均值=11.7A。(2)在電路工作過程中，晶閘管承受的正、反向電壓的最大值為=245V考慮安全裕量，=V 流過晶閘管的電流的有效值為=6.8A 則晶閘管的電流定額為=A可以選用KP10-8型晶閘管。(3)波形如圖。四、論述題（10分）試述實現(xiàn)有源逆變的條件，并說明有源逆變與無源逆變的異同。實現(xiàn)有源逆變的條件可歸納如下：(1)負載側(cè)要有一個提供直流電能的

7、直流電動勢，電動勢極性對晶閘管而言為正向電壓，在整流回路交流電源電壓為負期間，提供使晶閘管維持導通的條件。(2)交流裝置必須工作在區(qū)間，使變流器輸出電壓極性為負，才能將直流功率逆變?yōu)榻涣鞴β史此碗娋W(wǎng)。(3)為了保證交流裝置回路中的電流連續(xù)，逆變電路中一定要串聯(lián)大電抗。有源逆變是把工作在逆變狀態(tài)的變流器的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電反送到電網(wǎng)去。而無源逆變是把變流器的交流側(cè)不與電網(wǎng)連接，而直接接到負載，把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可調(diào)頻率的交流電供給負載。五、分析題（15分）畫出升壓式直流斬波器的電路拓撲，若電子開關(guān)采用全控型器件，(1) 推導電路的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系。(

8、2) 說明電子開關(guān)的控制方式。(3) 說明電路的優(yōu)缺點。電路拓撲如圖所示：(1)當電子開關(guān)S導通時，假設其導通時間為DT，電感充電，二極管關(guān)斷，可以得到等效電路為:有下面關(guān)系，。當電子開關(guān)S關(guān)斷時，其時間為（1-D）T，電感放電，二極管導通，可以得到等效電路為:有下面關(guān)系，。由于在一個電子開關(guān)周期內(nèi)，電感兩端的電壓的平均值為0，因此可以得到，。(2)電子開關(guān)采用脈沖寬度調(diào)制控制（即PWM）方式，可以采用定頻調(diào)寬方式，也可以采用定寬調(diào)頻，還可以采用調(diào)寬調(diào)頻方式。(3)本電路的優(yōu)點是輸入電流波動較??；缺點是輸出電流波動較大，只能實現(xiàn)電壓的升高。一、填空題（每空1分，共15分）1、維持電流是指室溫和

9、門極斷開時,元件維持通態(tài)所必需的 最小陽極 電流。2、全控型開關(guān)器件：GTR，IGBT，MOSFET中屬于電流型驅(qū)動的開關(guān)管有 GTR 屬于電壓型驅(qū)動的開關(guān)管有 MOSFET 、 IGBT 。3、有源逆變是將 直流電(直流電能) 轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)同頻率的 交流電(交流電能) 的過程。4、無源逆變是將 直流電(直流電能) 轉(zhuǎn)化為負載所需要的 不同頻率和電壓值的交流電(任意頻率和電壓值的交流電能) 。5、斬波電路電力電子開關(guān)的控制方式主要有 定頻調(diào)寬 、 定寬調(diào)頻 和 調(diào)頻調(diào)寬 。6、對三相橋式整流電路,要保證晶閘管同時導通可采用以下兩種觸發(fā)方式: 寬脈沖 或 雙窄脈沖 觸發(fā)脈沖。7、將一個 不可控

10、直流電壓變換為 適合于負載要求的可控 直流電壓的技術(shù)稱為直流斬波技術(shù)。二、簡答題（每題5分，共35分）1、為什么必須限制晶閘管的通態(tài)電流臨界上升率(di/dt)? （6 分）(1) 晶閘管在開通過程中，剛開始導通時是從門極附近的微小區(qū)域開始的，爾后才逐漸擴展到整個結(jié)面。 （2.5 分）(2) 如果電流上升得太快，熱量來不及散發(fā)，容易在門極附近形成熱點集中，燒壞晶閘管，因此應當限制晶閘管的通態(tài)電流臨界上升率。 （2.5 分）2、什么是IGBT掣住效應？它有什么危害？ （6 分）(1) 在額定集電極電流范圍內(nèi)，在NPN管的基極與發(fā)射極之間的體內(nèi)短路電阻Rs上的偏壓很小，對NPN管無影響。（1 分）

11、(2) 如果集電極電流大到一定程度，Rs上壓降上升，相當于加一正偏電壓，使NPN管導通，進而使NPN、PNP兩晶體管同時處于飽和狀態(tài)，造成寄生晶閘管開通IGBT柵極失去控制作用，這就是所謂的掣住效應。（2 分）(3) IGBT一旦發(fā)生掣住效應，器件將失控，集電極電流將增大，早成過高的功耗，將導致器件損壞。另外，它還關(guān)系著IGBT的安全工作區(qū)的大小，在實際應用中是需要引以重視的問題。 （2 分）3、簡述電力晶體管產(chǎn)生二次擊穿的原因。（5 分）(1) 當GTR的C、E極間施加的電壓高于晶體管的電壓的額定值時，GTR的電流雪崩式增加，呈現(xiàn)負阻特性，即出現(xiàn)一次擊穿現(xiàn)象。（2 分）(2) 若GTR出現(xiàn)一

12、次擊穿后繼續(xù)增大外加反向電壓uce，反向電流將繼續(xù)增大，元件將會吸收足夠的能量，其工作狀態(tài)將以極快的速度移向負阻區(qū)，形成二次擊穿，結(jié)果是在納秒或微秒時間內(nèi)器件永久性損壞。（3 分）4、什么是逆變失??？ 如何防止逆變失敗？ （6 分）(1) 逆變運行時,一旦發(fā)生換流失敗,外接的直流電源就會通過晶閘管電路形成短路,或者使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變?yōu)轫樝虼?lián),由于逆變電路內(nèi)阻很小,形成很大的短路電流,稱為逆變失敗。（2 分）(2) 防止逆變失敗的方法: 采用精確可靠的觸發(fā)電路,使用性能良好的晶閘管,保證交流電流的質(zhì)量,留出充足的換向裕量角等。（3 分）5、根據(jù)逆變器直流輸入端接入濾波器的不同

13、,無源逆變器的基本類型是什么？各有何特點？（5分）(1) 根據(jù)逆變器直流輸入端接入濾波器的不同,無源逆變器的基本類型可以分為電壓型逆變器和電流型逆變器。 （1 分）(2) 電壓型逆變器中間直流環(huán)節(jié)為一大電容，逆變器輸入側(cè)近似為電壓源；（2 分）(3) 電流型逆變器中間直流環(huán)節(jié)為一大電感，逆變器輸入側(cè)近似為電流源。（2 分）6、解釋單相半控橋式電路的自然續(xù)流現(xiàn)象和失控現(xiàn)象，怎樣避免？ （5 分）(1) 在單相半控橋式電路帶阻感性負載時，由于晶閘管是可控導通，而二極管是自然換相的，會出現(xiàn)在電源電壓改變方向時，晶閘管由于電感儲能繼續(xù)導通，同一相的二極管自然導通，形成負載自然續(xù)流的現(xiàn)象。(2.5 分)

14、（2） 失控現(xiàn)象是指在運行中，采用切除觸發(fā)脈沖的方式使主電路阻斷時，橋式半控整流電路可以發(fā)生原導通的1只晶閘管維持導通，2只二極管正負半周交替導通的異?，F(xiàn)象。可以通過在負載兩端反并聯(lián)一個續(xù)流二極管來消除自然續(xù)流現(xiàn)象，避免失控現(xiàn)象的發(fā)生。(2.5 分)7、電力電子電路的基本類型有哪幾種？各自實現(xiàn)什么電能變換? （5 分）(1) 整流器(或交流(AC)/直流(DC)整流電路)：是用于將交流電能變換為直流電能的變換器。(1分)(2) 逆變器(或直流(DC) /交流(AC)逆變電路)：是用于將直流電能變換為交流電能的變換器。 (1分)(3) 斬波器(或直流(DC)/直流(DC)電壓變換電路)：是用于將

15、直流電壓變換為可調(diào)的或穩(wěn)定的直流電壓的變換器。(1分)(4) 交流調(diào)壓器(或交流(AC)/交流(AC)電壓變換電路)：是用于將交流電源電壓變換為可調(diào)的或穩(wěn)定的交流電壓的變換器。周波變換器(或交流(AC)/交流(AC)電壓和/或頻率變換電路)：是用于將一定頻率和電壓的交流電能變換為頻率、電壓 (2分)三、計算題（每題15分，共30分）1、一阻感負載，電源電壓有效值為220V，采用單相橋式全控整流電路，最小控制角為，要求調(diào)壓范圍為20V50V，電壓最高時，電流。（1）選擇整流變壓器和晶閘管元件定額。（2）繪制控制角時的電路波形，。解：最小控制角對應于輸出電壓的最大值，所以有， =64.15V, （

16、3分）I2=Id （1分）在電路工作過程中，晶閘管承受的正、反向電壓的最大值為=90.72V，考慮安全裕量，=V。（2分）流過晶閘管的電流的有效值為=7.07A， 則晶閘管的電流定額為=A。（3分）（2分）（2分）（2分）2、三相橋式全控整流電路為阻感負載，若變壓器次級相電壓有效值為250V， ，。（1）計算輸出整流電壓與電流平均值。（2）求晶閘管電流的平均值與有效值。（3）繪制電路波形，。解：三相橋式全控整流電路為阻感負載，若變壓器次級相電壓有效值為250V，。（1）計算輸出整流電壓與電流平均值。（2）求晶閘管電流的平均值與有效值。（3）繪制電路波形，。（1）輸出整流電壓為：=292.5V，

17、電流平均值=14.6A。（5分）（2）流過晶閘管的電流的平均值為：=4.9A,有效值為=8.4A。（4分）（3）波形如圖。（4分）四、分析題（每題10分，共20分）1、畫出降壓式直流斬波器的電路拓撲，若電子開關(guān)采用全控型器件，（1） 推導電路的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系。（2） 說明電路的優(yōu)缺點。答：電路拓撲如圖所示。降壓式直流斬波器的電路拓撲為，（3分）（1）工作原理：當電子開關(guān)S導通時，二極管VD截止，電感儲存能量，電源向負載供電；設電子開關(guān)S導通的時間為Ton，其占空比為D=Ton/T.等效電路為：有下面關(guān)系，+Vout （2分）當電子開關(guān)S截止時，二極管VD導通，電感釋放能量，向負載供電

18、。等效電路為： 有下面關(guān)系，VL =Vout （2分）根據(jù)電感兩端的電壓在一個周期內(nèi)的平均值為0，列寫電路方程可以得到輸入/輸出之間的關(guān)系為：Vout=DVin. （1分）（3）本電路的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，輸出側(cè)的電流是連續(xù)的。本電路的缺點是：輸入側(cè)的電流是斷續(xù)的，只能實現(xiàn)降壓式變換。（2分）2、畫出三相橋式電壓型逆變器的主電路拓撲，若電子開關(guān)均采用全控型器件,采用180o導電型，（1） 說明逆變電路的換流順序。（2） 說明逆變電路開關(guān)管的導通順序（每60o區(qū)間的導通管號）。答：電壓逆變器結(jié)構(gòu)如下圖。 電路拓撲如上圖。（4分）（1） 導電型逆變電路，每個開關(guān)管在每個周期中導通。換相在同一橋臂的上

19、、下兩個開關(guān)管之間進行。在任意時刻，有三個不同相的開關(guān)導通。換流順序為每一次在同一橋臂的VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2，每對管各自間隔換相一次。（3分）（2） 每60o區(qū)間的導通管號為VT5、VT6、VT1VT6、VT1、VT2VT1、VT2、VT3VT2、VT3、VT4VT3、VT4、VT5VT4、VT5、VT6VT5、VT6、VT1。（3分）一、問答題（每題5分，共40分）1、根據(jù)開關(guān)特性，電力電子器件可以劃分為哪幾類？說明其特點，并舉例說明。根據(jù)開關(guān)特性，電力電子器件可以劃分為不控型器件，如功率二極管，導通和關(guān)斷均不可控（1分）；半控型器件，如普通晶閘管及其派生器件，導通

20、可以控制，而關(guān)斷不可以控制（2分）；全控型器件，如GTR,MOSFET,IGBT等，導通和關(guān)斷均可以控制。（2分）2、非正弦周期電量的平均值和有效值的定義是什么？分別用數(shù)學語言來說明。非正弦周期電量的平均值指其在一個周期內(nèi)的積分除以其周期，即其直流分量。用數(shù)學語言描述為：，等。（2分）非正弦周期電量的有效值指其方均根值，即瞬時值的平方在一個周期內(nèi)的積分除以其周期，然后再開平方。用數(shù)學語言描述為：，等。（3分）3、分別說明晶閘管的維持電流IH和掣住電流IL的定義。晶閘管的維持電流IH指維持晶閘管導通狀態(tài)所需要的最小的陽極電流；（3分）掣住電流IL指晶閘管剛由斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)，使晶閘管穩(wěn)定導通所需要的

21、最小陽極電流。（2分）4、為什么必須限制晶閘管的通態(tài)電流臨界上升率(di/dt)?晶閘管在開通過程中，剛開始導通時是從門極附近的微小區(qū)域開始的，爾后才逐漸擴展到整個結(jié)面。（2分）如果電流上升得太快，熱量來不及散發(fā)，容易在門極附近形成熱點集中，燒壞晶閘管，因此應當限制晶閘管的通態(tài)電流臨界上升率。（3分）5、MOSFET具有什么特點？具有開關(guān)速度快，溫度穩(wěn)定好，輸入阻抗高、驅(qū)動功率小，通態(tài)壓降大等特點。（3分）特別是其通態(tài)電阻具有正的溫度系數(shù)，有利于采用多元集成結(jié)構(gòu)和器件的并聯(lián)。（2分）6、半控整流電路、帶續(xù)流二極管的整流回路為什么不能實現(xiàn)有源逆變？這些電路不可能輸出負的電壓，（3分）也不允許在輸

22、出端接入與整流狀態(tài)相反極性的電動勢，不可能實現(xiàn)有源逆變工作狀態(tài)。（2分）7、變頻器的工作原理是什么？通過控制不同電力電子開關(guān)周期性的交替開關(guān)動作，負載可以得到交變的電壓、電流，（3分）而輸出電壓、電流的頻率由電子開關(guān)的切換周期確定。（2分）8、按電子開關(guān)的工作規(guī)律分，變頻器中逆變器的基本類型是什么？各有何特點？按電子開關(guān)的工作規(guī)律分，變頻器中逆變器可以分成導電型和導電型兩種類型。（2分）前者在任一時刻，逆變橋有三個電子開關(guān)導通，每一相一個，每個周期中每個開關(guān)導通；（2分）后者在任一時刻，逆變橋有兩個電子開關(guān)導通，上面的三個開關(guān)中有一個導通，下面的三個開關(guān)中有一個導通，每個周期中每個開關(guān)導通。（

23、1分）二、計算題（15分）一阻感負載，LR，電源電壓有效值為220V，采用單相橋式全控整流電路，最小控制角為，要求調(diào)壓范圍為50V80V，電壓最高時，電流。選擇整流變壓器和晶閘管元件定額。解：一阻感負載，LR，電源電壓有效值為220V，采用單相橋式全控整流電路，最小控制角為，要求調(diào)壓范圍為50V80V，電壓最高時，電流。選擇整流變壓器和晶閘管元件定額。最小控制角對應于輸出電壓的最大值，所以有，=102.64V,取為103V，因此整流變壓器的原副邊匝比約為11：5。（4分）在電路工作過程中，晶閘管承受的正、反向電壓的最大值為=145.15V，考慮安全裕量，=V。（4分）流過晶閘管的電流的有效值為=7.07A，則晶閘管的電流定額為=A。（4分）可以選用KP10-4型晶閘管。（3分）三、計算題（15分）三相半波可控整流電路為阻感負載，LR，若變壓器次級相電壓有效值為100V， ，。（1）計算輸出整流電壓與電流平均值。（2）選擇晶閘管電壓與電流定額。（3）繪制電路波形，。解：三相