電力電子技術(王兆安第五版)課后習題全部答案

電力電子技術

2-1與信息電子電路中的二極管相比，電力二極管具有怎樣的結構特點才使得其具有耐受高

壓和大電流的能力？

答：1.電力二極管大都采用垂直導電結構，使得硅片中通過電流的有效面積增大，顯著提高

了二極管的通流能力。

2.電力二極管在P區(qū)和N區(qū)之間多了一層低摻雜N區(qū)，也稱漂移區(qū)。低摻雜N區(qū)由于摻雜

濃度低而接近于無摻雜的純半導體材料即本征半導體，由于摻雜濃度低，低摻雜N區(qū)就可以承

受很高的電壓而不被擊穿。

2-2.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：uAK>0且uGK>0。

2-3.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(shù)值以下，即降到維持電流以下，便可使導通的晶閘管關斷。

2-4圖2-27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1，

試計算各波形的電流平均值Idl、Id2、Id3與電流有效值h、12、ho

—f：Imsin(&)=—(—+1)?0.27171m

解：a)Idi=2萬7242

(ImsinG7/)2^(w/)=g

0.47671m

I/?

\msinGJtd(wt)=——(——+1)=0.54341m

b)22

—Elmd(m)=—Im

c)Id3=2乃4

J——「Im2d(碗)=—Im

JO

I3=\2TT2

2?5上題中如果不考慮安全裕量向100A的晶闡管能送出的平均電流3、3、3各為多少?

這時，相應的電流最大值。1、1m2、Ln3各為多少？

解：額定電流IT（AV）二100A的晶閘管，允許的電流有效值I=157A,由上題計算結果知

---?329.35

a)lm,0.4767A,Idi?0.2717Imi-89.48A

b)0^41"23290A0.5434/,?2?126.56A

=78.5

c)Im3=2I=3143=4

2-6GTO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和普通晶闡管同為PNPN結構，由P1N1P2和N1P2N2構成兩個晶體管VI、V2,

分別具有共基極電流增益al和22,由普通晶闡管的分析可得，al+a2=l是器件臨界導通的條

件。al+a2>l兩個等效晶體管過飽和而導通；al+a2<l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a2較大，這樣晶體管V2控制靈敏，易于GTO關斷;

2)GTO導通時al+a2的更接近于1,普通晶閘管al+a2N1.5,而GTO則為al+a2zl.O5,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。

2-7與信息電子電路中的二極管相比，電力二極管具有怎樣的結構特點才使得它具有耐受高

電壓電流的能力？

答1.電力二極管大都采用垂直導電結構，使得硅片中通過電流的有效面積增大，顯著提高了

二極管的通流能力。

2.電力二極管在P區(qū)和N區(qū)之間多了一層低摻雜N區(qū)，也稱漂移區(qū)。低摻雜N區(qū)由于摻雜

濃度低而接近于無摻雜的純半導體材料即本征半導體，由于摻雜濃度低，低摻雜N區(qū)就可以承

受很高的電壓而不被擊穿。

2-8試分析IGBT和電力MOSFET在內(nèi)部結構和開關特性上的相似與不同之處

IGBT比電力MOSFET在背面多一個P型層，IGBT開關速度小，開關損耗少具有耐脈沖電

流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動，驅(qū)動功率小。開關速度低于電力

MOSFET?電力MOSFET開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好。所需驅(qū)動功率小且驅(qū)動電路

簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題。

IGBT驅(qū)動電路的特點是:驅(qū)動電路具有較小的輸出電阻，IGBT是電壓驅(qū)動型器件，IGBT

的驅(qū)動多采用專用的混合集成驅(qū)動器。電力MOSFET驅(qū)動電路的特點：要求驅(qū)動電路具有較

小的輸入電阻，驅(qū)動功率小且電路簡單。

2-11目前常用的全控型電力電子器件有哪些？

答：門極可關斷晶閘管，電力晶閘管，電力場效應晶體管，絕緣柵雙極晶體管。

3-1.單相半波可控整流電路對電感負載供電，L=20mH,U2=100V,求當a=0。和60。時

的負載電流Id,并畫出ud與id波形。

解：a=0。時，在電源電壓“2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"2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“2的一個周期里，以下方程均成立：L^=^2U2sincy?

dz

考慮到初始條件：當/=0時方=0可解方程得：id=?6(l-cos&)

coL

2

2萬」°coL

42U

2=22.51(A)

COL

〃d與id的波形如下圖:

當a=60。時，在“2正半周期60。~180。期間晶閘管導通使電感L儲能，電感L儲藏的能量在

“2負半周期180。~300。期間釋放，因此在“2一個周期中60。~300。期間以下微分方程成立：

=后％sin.

考慮初始條件：當/=60。時id=O可解方程得：。=交4（'-COSM）

a）L2

其平均值為/d=—F婦5己-cos創(chuàng)）d（cy/）=乂以=11.25（A）

2%與coL22coL

此時劭與id的波形如下圖：

3-2.圖3-10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：①晶閘管承受的最大反向電壓為2&S；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(nèi)上下繞組內(nèi)電流的方向相反，

波形對稱，其一個周期內(nèi)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。

①以晶閘管VT2為例。當VTi導通時，晶閘管VT2通過VT］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同2。

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)角相同時，對于電阻負載：（0?a）

期間無晶閘管導通，輸出電壓為0；（a?兀）期間，單相全波電路中V「導通，單相全控橋電路中

3

VTi、VT4導通，輸出電壓均與電源電壓"2相等；(TTF+a)期間，均無晶閘管導通，輸出電壓為

0；(兀+a?2兀)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42。

對于電感負載：(a~7i+a)期間，單相全波電路中V「導通，單相全控橋電路中VTi、VT4

導通，輸出電壓均與電源電壓“2相等；(兀+a?2兀+。)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U2o

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。

3-3.單相橋式全控整流電路，U2=100V,負載中R=2。，L值極大，當a=30。時，要求:

①作出ud、id、和i2的波形；②求整流輸出平均電壓Ud、電流Id,變壓器二次電流有效值12；

③考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。

解：①如、心、和12的波形如下圖：

②輸出平均電壓1、電流出變壓器二次電流有效值/2分別為

S=0.9U2cosa=0.9xl00xcos30°=77.97(V)

/d=Ud/R=77.97/2=38.99(A)

I2=la=38.99(A)

③晶閘管承受的最大反向電壓為：V2t/2=100V2=141.4(V)

考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為：UN=(2~3)xl41.4=283~424(V)

具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。

流過晶閘管的電流有效值為：/VT=//V2=27.57(A)

晶閘管的額定電流為：/N=(1.5-2)X27.57/1.57=26-35(A)

具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。

3-4.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(nèi)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(nèi)承受的電壓波形如下：

3-5.單相橋式全控整流電路，U2=100V,負載中R=2S1,L值極大，反電勢E=60V,當=30°

時，要求：作出ud、id和i2的波形；

4

①求整流輸出平均電壓Ud、電流Id,變壓器二次側電流有效值12；

②考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。

解：①“八id和心的波形如下圖：

②整流輸出平均電壓Ud、電流/d，變壓器二次側電流有效值，2分別為

t/d=0.9U2cosa=0.9xl00xcos30°=77.97(A)

Id=(t/d-E)//?=(77.97-60)/2=9(A)

，2=/d=9(A)

③晶閘管承受的最大反向電壓為：V2(/2=100V2=141.4(V)

流過每個晶閘管的電流的有效值為：/vT=/d/V2=6.36(A)

故晶閘管的額定電壓為：UN=(2~3)xl41.4=283~424(V)

晶閘管的額定電流為：/N=(L5?2)x6.364.57=6~8(A)

晶閘管額定電壓和電流的具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。

3-6.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=2Q,L值很大，當=60。時求流過器件電流的有效值，并作出ud、id、iVT、

iD的波形。

解：曲、小ivT、后的波形如下圖：

1+cos/3

負載電壓的平均值為：Ud=，￡同2sincotd(cot)=0.9U2^)=67.5(V)

7T32

負載電流的平均值為：/d=^=67.52^=33.75(A)

流過晶閘管V「、VT2的電流有效值為：/vT=^1/d=19.49(A)

流過二極管VD3、VD4的電流有效值為：/vD=J"/d=27.56(A)

3-7.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&=0°,當負載為電阻時，曲的波形如下：

5

當負載為電感時，〃d的波形如下:

3-8.三相半波整流電路，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(nèi)：當aiC2對應的

晶閘管導通時，a1的電流向下流，C2的電流向上流；當cib2對應的晶閘管導通時，ci的電流向下

流，b2的電流向上流；當b【a2對應的晶閘管導通時，bi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(nèi)流過的電流平均值為零，所以變壓器鐵心不會被直流磁化。

3-9.三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%

3-10.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，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%

3.11.三相半波可控整流電路，U2=100V,帶電阻電感負載，R=5Q,L值極大，當=60。

時，要求：畫出ud、id和iVTl的波形；計算Ud、Id、IdT和IVT。

6

解：①劭、山和ivTi的波形如下圖：

②Ud、H4IT和/VT分別如下Ud=l」7U2cos=1.17xl00xcos60°=58.5(V)

41=。卷=58.5/5=11.7(A)

/dvr=/<r3=11.7/3=3.9(A)

7VT=7/V3=6.755(A)

3-12.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V「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、

VTs也可能分別被擊穿。

3-13.三相橋式全控整流電路，U2=100V,帶電阻電感負載，R=5Q,L值極大，當

時，要求：

①畫出ud、id和iVTl的波形；

②計算Ud、Id、IdT和IVT。

解:①如、id和ivri的波形如下：

②Ud、/d、，dT和，VT分別如下

7

Ud=2.34U2cos=2.34xl00xcos60°=117(V)

^=^=117^=23.4(A)

/DVT=/Z3=23.43=7.8(A)

/VT=7/V3=23.4/V3=13.51(A)

3-14.單相全控橋，反電動勢阻感負載，R=l。，L=oo,E=40V,U2=100V,LB=0.5mH,

當40。時求Ud、Id與的數(shù)值，并畫出整流電壓ud的波形。

解：考慮LB時，有：

a=0.9eicosa—△Ud

△Ud=2XB/族

Id=(U「E)/R

解方程組得：

Ud=(兀R0.9U2COS(Z+2XBE)/(TIR+2XB)=44.55(V)

△Ud=0.455(V)

/d=4.55(A)

又

cosa—cos(a+/)=V2/dXB/l/2

即得出

cos(60°+/)=0.4798

換流重疊角

=61.3360-1.33,

最后，作出整流電壓彷的波形如下：

3-15.三相半波可控整流電路，反電動勢阻感負載，U2=100V,R=l。，L=8,LB=lmH,

求當=3T時、E=50V時Ud、Id、的值并作出ud與iVTl和iVT2的波形。

解：考慮LB時，有：

Ud=L17eicosa—△Ud

△Ud=3XB/Qr

4i=(ULE)/R

解方程組得：

Ud=(兀H1.17t/2cosa+3XB￡)/(2TTR+3XB)=94.63(V)

△1=6.7(V)

/d=44.63(A)

又,:

cosa—cos(a+y)=2/dXB/V6

即得出

cos(30°+/)=0.752

換流重疊角

=41.28°30°=11.28°

8

“d、，VT1和，VT2的波形如下:

3-16.三相橋式不可控整流電路，阻感負載，R=5C,L=oo,U2=220V,XB=0.3。，求Ud、

Id、IVD、12和的值并作出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a=0。時的情

況。

Ud=2.34U2Cosa—AUd

△Ud=3XB/1A

41=。拄

解方程組得：

Ud=2.34U2COsW(1+3XB/兀R)=486.9(V)

4,=97.38(A)

又,:

cosa—cos(a+/)=2IdXK/4bU2

即得出

cos/=0.892

換流重疊角

=26.93°

二極管電流和變壓器二次測電流的有效值分別為

=97.3必=32.46(A

凡=J

|Zd=79.51(A)

〃d、ivDI和i2a的波形如下：

9

3-17.三相全控橋，反電動勢阻感負載，E=200V,R=1C,L=o),U2=220V,=60。，當①

LB=0和②LB=lmH情況下分別求Ud、Id的值，后者還應求并分別作出ud與iT的波形。

解：①當LB=0時：

Ud=2.34Scosa=2.34x220xcos6()o=257.4(V)

Id=(t/d-E)/R=(257.4-200)4=57.4(A)

②當LB=lmH時

Ud=2.34U2cosa-AUd

△Ud=3XB/柒

4i=(ULE)/R

解方程組得：

Ud=(2.3471(727?cosa+3XB￡)/(TTR+3XB)=244.15(V)

/d=44.15(A)

△Ud=13.25(V)

又cosa-cos(ar+/)=2XB/</V6U2

cos(60°+/)=0.4485

y=63.35o-60°=3.35°

“d、/VTI和，VT2的波形如下：

o

3-18.單相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有哪些次數(shù)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(shù)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(k1、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"+1(%=1、2、3……)次即奇次諧波，其中主

要的有3次、5次諧波。

3-19.三相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有哪些次數(shù)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(shù)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6%(%=1、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6狂1(火=1、2、3……)次的諧波，其中主要的是5、

7次諧波。

3-20.試計算第3題中i2的3、5、7次諧波分量的有效值123、125、127o

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

/d=38.99(A)

于是可得：

，23=2行/心兀=271x38.99/3元=11.7(A)

/25=2V27^71=2V2x38.99^71=7.02(A)

，27=2痣//7兀=2后x38.9附無=5.01(A)

3-21.試計算第13題中i2的5、7次諧波分量的有效值125、127.

解：第13題中，電路為三相橋式全控整流電路，且已知

/d=23.4(A)

由此可計算出5次和7次諧波分量的有效值為：

/25=V6iy5n=V6X23.45TI=3.65(A)

；27=V6//7TI=V6X23.47TT=2.61(A)

3-22試分別計算第3題和第13題電路的輸入功率因數(shù)。

解：①第3題中基波電流的有效值為：

/i=2V2/yk=2V2x38.9SHr=35.1(A)

基波因數(shù)為

=/〃=/〃d=35.1/38.99=0.9

電路的輸入功率因數(shù)為：

=cosa=0.9cos30°=0.78

②第13題中基波電流的有效值：

7,=V6/yjr=V6X23.3S^I=18.243(A)

基波因數(shù)為

=/〃=/〃d=Q955

電路的輸入功率因數(shù)為：

=cosa=0.955cos60°=0.48

3-23.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：

①三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；

②當變壓器二次電壓有效值。2相等時，雙反星形電路的整流電壓平均值”是三相橋式電路

的1/2,而整流電流平均值人是三相橋式電路的2倍。

③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〃d和整流電流

id的波形形狀一樣。

3-24.整流電路多重化的主要目的是什么？

11

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(chǎn)生的諧波和無功功率對電網(wǎng)的干擾。

3-25.12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(shù)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12狂1、(攵=1,

2,3…)次諧波，整流輸出電壓中含有12、24等即12左(上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24任1(左=1,2,

3…)次諧波，整流輸出電壓中含有24、48等即2飄31,2,3…)次諧波。

3-26.使變流器工作于有源逆變狀態(tài)的條件是什么？

答：條件有二：①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；②要求晶閘管的控制角心兀/2,使彷為負值。

3-27.三相全控橋變流器，反電動勢阻感負載，R=1Q,L=s,S=220V,LB=lmH,當EM=-400V,

=60。時求S、Id與的值，此時送回電網(wǎng)的有功功率是多少？

解：由題意可列出如下3個等式：

1=2.34。2￡心(“

△Ud=3XB/族

Id=(Ud—EM)/R

三式聯(lián)立求解，得

Ud=[2.34兀UzRcoNil⑼+3XBEM}UR+3XB)=-290.3(V)

/d=109.7(A)

由下式可計算換流重疊角：

cosa—cos(a+/)=2XBW娓t/2=01279

cos(120°+y)=0.6279

y=128.90°-120°=8.90°

送回電網(wǎng)的有功功率為

2

P=|E,w/J-/j/?=400xl09.7-109.7xl09.7xl=31.85(W)

3-28.單相全控橋，反電動勢阻感負載，R=ldL=8,S=100V,L=0.5mH,當EM=-99V,

=60。時求為、，d和的值。

解：由題意可列出如下3個等式：

Ud=0.9U2cos(兀-0)一

△Ud=2XB/1A

k=(U「EM)/R

三式聯(lián)立求解，得

Ud=[兀R0.9U2cos(兀-P)+2XBEMy(TTR+2XB)=-49.91(V)

/d=49.09(A)

又,:

=

cosa—cos(a+/)=V2/(1XB/t/20.2181

即得出

cos(120°+y)=-0.7181

換流重疊角

=135.90120°=15.9°

3-29.什么是逆變失?。咳绾畏乐鼓孀兪?？

答：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，稱為逆變失敗或逆變顛覆。

12

防止逆變失敗的方法有：采用精確可靠的觸發(fā)電路，使用性能良好的晶閘管，保證交流電源

的質(zhì)量，留出充足的換向裕量角尸等。

3-30.單相橋式全控整流電路、三相橋式全控整流電路中，當負載分別為電阻負載或電感負

載時，要求的晶閘管移相范圍分別是多少？

答：單相橋式全控整流電路，當負載為電阻負載時，要求的晶閘管移相范圍是0~180。，當

負載為電感負載時，要求的晶閘管移相范圍是0~90。。

三相橋式全控整流電路，當負載為電阻負載時，要求的晶閘管移相范圍是0~120。，當

負載為電感負載時，要求的晶閘管移相范圍是0~90。。

4-1無源逆變電路和有源逆變電路有何不同？

答：兩種電路的不同主要是：有源逆變電路的交流側接電網(wǎng)即交流側接有電源。而無源逆變

電路的交流側直接和負載聯(lián)接。

4-2換流方式各有那兒種？各有什么特點？

答：換流方式有4種：器件換流：利用全控器件的自關斷能力進行換流。全控型器件采

用此換流方式。電網(wǎng)換流：由電網(wǎng)提供換流電壓，只要把負的電網(wǎng)電壓加在欲換流的器件上

即可。負載換流：由負載提供換流電壓，當負載為電容性負載即負載電流超前于負載電壓時，

可實現(xiàn)負載換流。

強迫換流：設置附加換流電路，給欲關斷的晶閘管強追施加反向電壓換流稱為強迫換流。

通常是利用附加電容上的能量實現(xiàn)，也稱電容換流。

晶閘管電路不能采用器件換流，根據(jù)電路形式的不同采用電網(wǎng)換流、負載換流和強迫換

流3種方式。

4-3什么是電壓型逆變電路？什么是電流型逆變電路？二者各有什么特點？

答：按照逆變電路直流測電源性質(zhì)分類，直流側是電壓源的稱為逆變電路稱為電壓型逆變電

路，直流側是電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路電壓型逆變電路的主要持點是：

①直流側為電壓源或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)

低阻抗。②由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。

而交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。③當交流側為阻感負載時需要提供

無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，

逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。

電流型逆變電路的主要特點是：①直流側串聯(lián)有大電感，相當于電流源。直流側電流基

本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。②電路中開關器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此

交流側輸出電流為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電壓波形和相位則因負載阻抗

情況的不同而不同。③當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流測電惑起緩沖無功能量的

作用。因為反饋無功能量時直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開關器件反

并聯(lián)二極管。

4-4電壓型逆變電路中反饋二極管的作用是什么？為什么電流型逆變電路中沒有反饋二極

管？

在電壓型逆變電路中，當交流側為阻感負載時需要提供無功功率,直流側電容起緩沖無功能

量的作用。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。

當輸出交流電壓和電流的極性相同時，電流經(jīng)電路中的可控開關器件流通，而當輸出電壓電流極

性相反時，由反饋二極管提供電流通道。

4-5三相橋式電壓型逆變電路，180。導電方式，Ud=100V。試求輸出相電壓的基波幅值UuNim

和有效值UUNI、輸出線電壓的基波幅值Uuvim和有效值Uuvi、輸出線電壓中5次諧波的有效值

UuV5。

2U,

壯以”,=j=0637U4=63.7M

解：冗

UUNlm

UUN1=0.45U“=45(V)

13

7t

Uuv.=0泮=逅/=0.784=78M

J2n

U3曾=/=lS6M

并聯(lián)諧振式逆變電路利用負載電源進行變換

4-6.并聯(lián)諧振式逆變電路利用負載電壓進行換相，為保證換相應滿足什么條件？

答;假設在t時刻觸發(fā)VT2、VT3使其導通，負載電壓u。就通過VT2、VT3施加在VT1、VT4

上，使其承受反向電壓關斷,電流從VT1、VT4向VT2、VT3轉移觸發(fā)VT2、VT3時刻/必須在u。過

零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。

4-7串聯(lián)二極管式電流型逆變電路中，二極管的作用是什么?試分析換流過程。

答:二極管的主要作用，一是為換流電容器充電提供通道，并使換流電容的電壓能夠得以保持,

為晶閘管換流做好準備;二是使換流電容的電壓能夠施加到換流過程中剛剛關斷的晶閘管上，使晶

閘管在關斷之后能夠承受一定時間的反向電壓，確保晶閘管可靠關斷，從而確保晶閘管換流成功。

以VT1和VT3之間的換流為例,串聯(lián)二極管式電流型逆變電路的換流過程可簡述如下：

給VT3施加觸發(fā)脈沖，由于換流電容C13電壓的作用，使VT3導通而VT1被施以反向電壓而

關斷。直流電流Id從VT1換到VT3上,C13通過VD1、U相負載、W相負載、VD2、VT2、直流

電源和VT3放電，如圖5-16b所示。因放電電流恒為/d,故稱恒流放電階段。在C13電壓Ucl3下降

到零之前,VT1一直承受反壓，只要反壓時間大于晶閘管關斷時間rq,就能保證可靠關斷。

Ucl3降到零之后在U相負載電感的作用下，開始對C13反向充電。如忽略負載沖電阻的壓降,

則在Ucl3=0時刻后，二極管VD3受到正向偏置而導通，開始流過電流，兩個二極管同時導通,進入二

極管換流階段，如圖5-16c所示。隨著C13充電電壓不斷增高，充電電流逐漸減小，到某一時刻充電電

流減到零,VD1承受反壓而關斷，二極管換流階段結束。之后，進入VT2、VT3穩(wěn)定導逗階段，電流路

徑如圖5-16d所示。

4-8.逆變電路多重化的目的是什么？如何實現(xiàn)？串聯(lián)多重和并聯(lián)多重逆變電路備用于什么場

合？答:逆變電路多重化的目的之一是使總體上裝置的功率等級提高，二是可以改善輸出電壓的

波形。因為無論是電壓型逆變電路輸出的矩形電壓波，還是電流型逆變電路輸出的矩形電流波，都

含有較多諧波，對負載有不利影響，采用多重逆變電路，可以把幾個矩形波組合起來獲得接近正弦

波的波形。

逆變電路多重化就是把若干個逆變電路的輸出按一定的相位差組合起來，使它們所含的某

些主要諧波分量相互抵消，就可以得到較為接近正弦波的波形。組合方式有串聯(lián)多重和并聯(lián)多重

兩種方式。串聯(lián)多重是把幾個逆變電路的輸出串聯(lián)起來，并聯(lián)多重是把幾個逆變電路的輸出并聯(lián)

起來。

串聯(lián)多重逆變電路多用于電壓型逆變電路的多重化。

并聯(lián)多重逆變電路多用于電流型逆變電路的多重化。

在電流型逆變電路中，直流電流極性是一定的，無功能量由直流側電感來緩沖。當需要從交流

側向直流側反饋無功能量時，電流并不反向,依然經(jīng)電路中的可控開關器件流通，因此不需要并聯(lián)

反饋二極管。

5-1簡述圖5-la所示的降壓斬波電路工作原理。

答:降壓斬波器的原理是：在一個控制周期中，讓V導通一段時間%。，由電源E向L、R、

M供電，在此期間，Uo=Eo然后使V關斷一段時間％',此時電感L通過二極管VD向R和M

供電，Uo=0o一個周期內(nèi)的平均電壓哂輸出電壓小于電源電壓，起到降壓的作用。

5-2.在圖5-la所示的降壓斬波電路中，已知E=200V,R=10。，L值微大，E=30V,T=50jts,

ton=20gs,計算輸出電壓平均值U。，輸出電流平均值I。。

解：由于L值極大，故負載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為

14

U=—=20x20()

°T50

輸出電流平均值為

°R1()

5-3.在圖5癡所示的降壓斬波電路中，E=100V,L=lmH,R=0.5。，￡1w=10V,采用脈寬

調(diào)制控制方式，T=20|is,當孰=5|is時，計算輸出電壓平均值"。，輸出電流平均值/。，計算輸出

電流的最大和最小值瞬時值并判斷負載電流是否連續(xù)。當孰=3弊時，重新進行上述計算。

解：由題目已知條件可得：

E?“=(U「E川哂

/皆=。。。2

當a=53時，有

0=_=().01

T

即=?=0.0025

由'于

產(chǎn)_1,00025_i

-------=——=0.249>m

p

e-\e°3-l

所以輸出電流連續(xù)。

5-4.簡述圖5-2a所示升壓斬波電路的基本工作原理。

答：假設電路中電感L值很大，電容C值也很大。當V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電,

充電電流基本恒定為九同時電容C上的電壓向負載R供電，因C值很大，基本保持輸出電壓為

恒值U。。設V處于通態(tài)的時間為％,此階段電感L上積蓄的能量為E、％。當V處于斷態(tài)時E

和己共同向電容C充電并向負載R提供能量。設V處于斷態(tài)的時間為則在此期間電感L釋

放的能量為（0。一6/〃的；當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量

相等，即：

化簡得：

UoJ”1"XE=LE

%%

式中的T/0?1,輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。

5-5.在圖3-2a所示的升壓斬波電路中，已知E=50V,L值和C值極大，R=20Q,采用脈

15

寬調(diào)制控制方式，當T=40fis,&，=252時，計算輸出電壓平均值“。，輸出電流平均值/。。

解：輸出電壓平均值為：

T40

Uo=—E=--------x50=l33.3(V)

%40-25

輸出電流平均值為：

5-6.試分別簡述升降壓斬波電路和Cuk斬波電路的基本原理，并比較其異同點。

答：升降壓斬波電路的基本原理：當可控開關V處于通態(tài)時，電源E經(jīng)V向電感L供電使

其貯存能量，此時電流為i,方向如圖。34中所示。同時，電容C維持輸出電壓基本恒定并向

負載R供電。此后，使V關斷，電感L中貯存的能量向負載釋放，電流為i2,方向如圖34所示。

可見，負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反。

穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓勺對時間的積分為零，即

"力=0

當V處于通態(tài)期間，4=E：而當V處于斷態(tài)期間肛=一"。。于是：

改變導通比a,輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當0＜。＜1/2時為降

壓，當1/2＜夕＜1時為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。

Cuk斬波電路的基本原理：當V處于通態(tài)時，E—L＞—V回路和R—4一C—V回路分別流過

電流。當V處于斷態(tài)時，E一4一C-回路和R-4_VD回路分別流過電流。輸出電壓的極性與

電源電壓極性相反。該電路的等效電路如圖3-5b所示，相當于開關S在A、B兩點之間交替切

換。

假設電容C很大使電容電壓人的脈動足夠小時。當開關S合到B點時，B點電壓勺=0,A

Ui+N~U0

點電壓知=一%；相反，當S合到A點時，%=0%。因此，B點電壓心的平

均值為Tr(Uc為電容電壓“c的平均值)，又因電感L1的電壓平均值為零，所以

E=uU-

BT'。另一方面,A點的電壓平均值為"T'，且人的電壓平均值為零，按圖3-5b

UO=^UC

中輸出電壓Uo的極性，有T于是可得出輸出電壓Uo與電源電壓E的關系:

16

兩個電路實現(xiàn)的功能是一致的，均可方便的實現(xiàn)升降壓斬波。與升降壓斬波電路相比，Cuk

斬波電路有一個明顯的優(yōu)點，其輸入電源電流和輸出負載電流都是連續(xù)的，且脈動很小，有利于

對輸入、輸出進行濾波。

5-7.試繪制Speic斬波電路和Zeta斬波電路的原理圖，并推導其輸入輸出關系。

解：Sepic電路的原理圖如下：

THC'T-S-I——

%-7*

在V導通口期間，

左V關斷%，期間

當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，電感L、L的電壓平均值均為零，則下面的式子成立

%+(E-幻產(chǎn)。

MC1C?I=0

由以上兩式即可得出