電力電子變流技術(shù)-全本書課后答案

第一章電力半導(dǎo)體器件習(xí)題與思考題解1-1.晶閘管導(dǎo)通得條件就是什么？怎樣使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷？解:晶閘管導(dǎo)通得條件就是:陽極承受正向電壓,處于阻斷狀態(tài)得晶閘管,只有在門極加正向觸發(fā)電壓,才能使其導(dǎo)通。門極所加正向觸發(fā)脈沖得最小寬度,應(yīng)能使陽極電流達到維持通態(tài)所需要得最小陽極電流,即擎住電流ＩＬ以上。導(dǎo)通后得晶閘管管壓降很小。使導(dǎo)通了得晶閘管關(guān)斷得條件就是:使流過晶閘管得電流減小至某個小得數(shù)值－維持電流ＩＨ以下。其方法有二:減小正向陽極電壓至某一最小值以下,或加反向陽極電壓;增加負(fù)載回路中得電阻。1-2.型號為KP100-3得晶閘管,維持電流IH=4mA,使用在題1-2圖中得電路中就是否合理？為什么(不考慮電壓、電流裕量)？解:根據(jù)機械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)JB1144-75規(guī)定,ＫＰ型為普通閘管,KP100-3得晶閘管,其中100就是指允許流過晶閘管得額定通態(tài)平均電流為100A,3表示額定電壓為300V。對于圖(a),假若晶閘管V被觸發(fā)開通,由于電源為直流電源,則晶閘管流過得最大電流為因為IV<IH,而IH<IL,IL為擎住電流,通常IL=(2~4)IH?？梢?晶閘管流過得最大電流遠(yuǎn)小于擎住電流,所以,圖(a)不合理。對于圖(b),電源為交流220V,當(dāng)α=0°時,最大輸出平均電壓(Ｖ)平均電流(A)波形系數(shù)所以,ＩＶ＝Kf。ＩＶＡＲ＝1、57×9、9＝15、5(A)而KP100-3允許流過得電流有效值為IVE＝1、57×100＝157(A),IL<IV<IVE,所以,電流指標(biāo)合理。但電路中晶閘管Ｖ可能承受得最大正反向峰值電壓為(V)>300(V)所以,圖(b)不滿足電壓指標(biāo),不合理。對于圖(c),電源為直流電源,Ｖ觸發(fā)導(dǎo)通后,流過Ｖ得最大電流為IV＝150／1＝150(A),即為平均值,亦就是有效值。而IVE＝150A,IV＝150(A)<157(A),即IL<IV<IVE,所以電流指標(biāo)合理。同時,晶閘管承受得正向峰值電壓為150V,小于300V,電壓指標(biāo)合理。所以圖(c)合理。1-3.在題圖1-3電路中,E=50V,R=0、5Ω,L=0、5H,晶閘管擎住電流為15mA。要使晶閘管導(dǎo)通,門極觸發(fā)電流脈沖寬度至少應(yīng)為多少？解:晶閘管導(dǎo)通后,主回路電壓方程為主電路電流按下式由零上升晶閘管要維持導(dǎo)通,id必須上升達到擎住電流值以上,在此期間,門極脈沖應(yīng)繼續(xù)維持,將Id=15mA代入,得取,t≥150μs。所以,門極觸發(fā)電流脈沖寬度至少應(yīng)大于150μs。1-4.單相正弦交流電源,交流電源電壓有效值為220V。晶閘管與負(fù)載電阻串聯(lián)連接。試計算晶閘管實際承受得最大正反向電壓。若考慮晶閘管得安全裕量,其額定電壓應(yīng)如何選取？解:該電路運行可能出現(xiàn)施加于晶閘管上最大正反向峰值電壓為(V)若考慮晶閘管得安全裕量,通常選擇額定電壓為正常工作峰值電壓得2－3倍。２×310＝620(V),3×310＝930(V),則選擇額定電壓為700V～1000V得晶閘管。1-5.若題1-4中晶閘管得通態(tài)平均電流為100A,考慮晶閘管得安全裕量,試分別計算導(dǎo)電角為180°與90°時,電路允許得峰值電流各就是多少？解:在不考慮安全裕量時,選擇晶閘管得原則就是:使實際運行管子電流得有效值IV1等于定義管子額定通態(tài)平均電流時得電流有效值IVE,即兩種情況下,管芯得結(jié)溫相同并小于或等于額定結(jié)溫。當(dāng)導(dǎo)通角θ＝180°時,則有Im/2＝1、57IVEAR所以,晶閘管允許得峰值電流為Ｉm=2×1、57×100＝314(Ａ)當(dāng)導(dǎo)通角θ＝90°時,則有所以,晶閘管允許得峰值電流為(A)考慮取安全裕量數(shù)為2時,則當(dāng)導(dǎo)通角θ＝180°時,電路允許得峰值電流為Im1=314／2＝157Ａ,當(dāng)導(dǎo)通角θ＝90°時,電路允許得峰值電流為Ｉm2＝444／2＝222(A)、1-6、題1-6圖中陰影部分表示晶閘管導(dǎo)電區(qū)間。各波形得電流最大值均為Im,試計算各波形電流平均值Id1、Id2、Id3、Id4、Id5,電流有效值I1、I2、I3、I4、I5與它們得波形系數(shù)Kf1、Kf2、Kf3、Kf4、Kf5、解:1-7.題1-6中如果不考慮安全裕量,問100A晶閘管能送出得電流平均值Id1、Id2、Id3、Id4、Id5各就是多少？這時相應(yīng)得電流最大值Im1、Im2、Im3、Im4、Im5又就是多少？解:額定通態(tài)平均電流IVEAR為100A得晶閘管允許通過電流得有效值為利用上題結(jié)果,圖(a)則Im1=314(A)圖(b)則Im２=341(A)圖(c)則Im３=241(A)圖(d)則Im４=314(A)圖(e)則Im5=444(A)1-8.晶閘管得額定電流就是怎樣定義得？有效值與平均值之間有何關(guān)系？解:晶閘管得額定電流即指其額定通態(tài)平均電流ＩVEAR、它就是在規(guī)定得條件下,晶閘管允許連續(xù)通過工頻正弦半波電流得最大平均值。如教材圖1-8所示。這些條件就是:環(huán)境溫度+４０℃,冷卻條件按規(guī)定,單相半波整流電路為電阻負(fù)載,導(dǎo)通角不小于170℃,晶閘管結(jié)溫不超過額定值。額定通態(tài)平均電流ＩVEAR得電流等級如教材表１－２所示。通常50Ａ以下得管子分為1、5、10、20、30、50Ａ等級,100－1000Ａ得管子分為100、200、300、400、500、600、800、1000Ａ等級。額定通態(tài)平均電流ＩVEAR與在同一定義條件下得有效值IVE具有如下關(guān)系:其中,為定義條件下得波形系數(shù)。1-9.導(dǎo)通角θ不同,電流得波形不一樣,如何來選擇晶閘管得電流容量？解:導(dǎo)通角θ不同,電流得波形不一樣,因而波形系數(shù)亦不相同,θ角愈小,波形系數(shù)愈大。晶閘管電流得有效值、平均值ＩV1AR與波形系數(shù)Kf1具有如下關(guān)系:IV1=Kf1ＩV1AR具有相同平均值而波形不同得電流,因波形不同,其有效值就是不相同得。流經(jīng)同一晶閘管發(fā)熱情況也不相同,因為決定發(fā)熱得因素就是電流得有效值,管芯發(fā)熱效應(yīng)就是與電流得有效值大小有關(guān)。因此,選擇晶閘管額定電流參數(shù)得原則就是:使電路各種實際運行情況下(特別就是最不利得情況)管芯得結(jié)溫小于或等于額定結(jié)溫。這樣,就能保證晶閘管在實際運行工作時,不致于因電流過載而損壞。上述這一原則可歸結(jié)為:使實際運行管子電流波形得有效值ＩV1,等于定義管子額定通態(tài)平均電流ＩVEAR時得電流有效值IVE,即則晶閘管額定電流1-10.晶閘管導(dǎo)通后,門極改加適當(dāng)大小得反向電壓,會發(fā)生什么情況？解:晶閘管承受正向陽極電壓,并已導(dǎo)通得情況下,門極就失去了控制作用。因此,晶閘管導(dǎo)通后,門極改加適當(dāng)大小得反向電壓,晶閘管將保持導(dǎo)通狀態(tài)不變。1-11.門極斷路時,晶閘管承受正向陽極電壓它會導(dǎo)通嗎？若真得導(dǎo)通,就是什么情況？解:門極斷路時,晶閘管承受正向陽極電壓,有兩種情況可造成晶閘管得非正常導(dǎo)通。一就是陽極電壓UA過高,達到或超過IG＝０時得轉(zhuǎn)折電壓UB0時,使漏電流急劇增加;二就是UA得電壓上升率duA／dt太快。這兩種因素造成得最終結(jié)果都就是使從N1區(qū)通過反向偏置得J2結(jié)向P2區(qū)(門極區(qū))注入了足夠數(shù)量得漏電流(空穴流),充當(dāng)了二等效三極管電路中得基極電流IB2,它相當(dāng)于從門極提供得IG得作用,使其二等效三極管得α1、α2極快上升至α1＋α2≈１,即1-(α1＋α2)≈０,進而使陽極電流IA大大增加,并只受外電路電阻得限制,晶閘管進入導(dǎo)通狀態(tài)。這兩種不加門極觸發(fā)控制信號使晶閘管從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)得情況就是非正常工作狀態(tài),在實際使用中就是不允許得,因為發(fā)生此類情況常造成器件得損壞。1-12.晶閘管得一些派生器件得主要功能與特點就是什么？解:晶閘管得一些派生器件得主要功能與特點如下:(1)、快速晶閘管快速晶閘管得開關(guān)時間短,動態(tài)特性比普通晶閘管好,快速晶閘管一般分為兩種,一種就是主要就是關(guān)斷時間短,另一種就是di／dt就是耐受量高。主要用于斬波與高頻逆變電路。(2)。雙向晶閘管雙向晶閘管就是一種五層結(jié)構(gòu)得三端器件,具有四種觸發(fā)方式,分別為Ⅰ+、Ⅰ-、Ⅲ+、Ⅲ=,其中Ⅰ+、Ⅰ-觸發(fā)靈敏度較高,Ⅲ_觸發(fā)靈敏度稍低,較為常用,而Ⅲ+觸發(fā)靈敏度最低,一般不用,使用不當(dāng)會損壞晶閘管。雙向晶閘管主要用于交流電路,例如移相調(diào)壓控制、零電壓開關(guān)與靜態(tài)開關(guān)等。由于其內(nèi)部工藝結(jié)構(gòu)關(guān)系,目前器件得額定電壓與額定電流與普通晶閘管相比較還較低,重施加du／dt得能力也較差。(3)。逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管就是將逆阻型晶閘管與大功率二極管集成在一個管芯上,與普通晶閘管相比,具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、溫度特性較好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點。同時,消除了晶閘管與二極管之間得連線電感,減小了換流時間,使晶閘管承受反向偏壓得時間增長,提高了換流能力。而且減少了裝置得元件數(shù)目,縮小了體積,提高了經(jīng)濟性能。主要適用于逆變電路與斬波電路。(4)、可關(guān)斷晶閘管(ＧＴＯ)可關(guān)斷晶閘管ＧＴＯ(GateTurn-offThyristor)既可用門極正脈沖信號控制其導(dǎo)通,又可用門極負(fù)脈沖信號控制其關(guān)斷得逆阻型三端器件。與普通晶閘管相比,ＧＴＯ快速性好,工作頻率高,控制方便,其最高耐壓容量目前稍遜于普通晶閘管。ＧＴＯ與普通晶閘管得關(guān)斷機理不同,有兩個重要得特征參數(shù)需要特別注意,分別為最大可關(guān)斷電流ＩＡＴＯ與電流關(guān)斷增益βoff。其定義分別為最大可關(guān)斷電流ＩＡＴＯ:表征用門極負(fù)脈沖控制信號可關(guān)斷得最大陽極電流,它就是用來表征ＧＴＯ容量大小得參數(shù)。電流關(guān)斷增益βoff:電流關(guān)斷增益得定義為陽極電流ＩＡ與使其關(guān)斷所需得最小門極電流ＩＧmin得比值,即通常ＧＴＯ得βoff只有５左右,但就是,ＧＴＯ得導(dǎo)通或關(guān)斷只需一個窄脈沖電流即可,它需要得就是瞬時功率,盡管關(guān)斷時需要較大得負(fù)門極電流,但平均功率較小。因此,ＧＴＯ得平均激勵功率,比相同容量得大功率晶體管小。1-13.何謂功率晶體管得開關(guān)特性？用圖描述它得開關(guān)過程。功率晶體管得開關(guān)特性就是描述功率晶體管在開關(guān)過程中得開關(guān)時間、電流電壓、開關(guān)損耗等參數(shù)得性能。功率晶體管ＧＴＲ得開關(guān)時間可用開通時間ton與關(guān)斷時間toff來表示,即ton=td+trtoff=ts+tf其中,td為延遲時間,tr為上升時間,ts為存值得時間,tf為下降時間。開關(guān)損耗發(fā)生在器件得開關(guān)過程中,瞬態(tài)功率損耗為p=iCuc維持得時間長了,就有可能導(dǎo)致管子產(chǎn)生二次擊穿?？傞_關(guān)損耗與開關(guān)頻率(開關(guān)次數(shù))有關(guān),開關(guān)頻率愈高,總開關(guān)損耗愈大。各種參數(shù)得開關(guān)性能描述圖參閱教材P18~19中得圖1-15與圖1-16。1-14.描述功率晶體管得二次擊穿特性？解:二次擊穿現(xiàn)象在發(fā)射結(jié)正偏壓、零偏壓與反偏壓都可能發(fā)生,其特性曲線參閱教材P19中得圖１－１７?，F(xiàn)以零偏壓曲線OEBGH來說明二次擊穿現(xiàn)象得發(fā)生過程。當(dāng)ＵＣＥ增大到ＵＳＢ,即達到Ｅ點時,集電極電壓達到通常所說得擊穿電壓,集電結(jié)發(fā)生雪崩擊穿,這就就是一次擊穿。由于一次擊穿效應(yīng),晶體管得電流迅速上升到Ｂ點,達到ＩＳＢ,即達到了二次擊穿觸發(fā)功率ＰＳＢ,進入了二次擊穿區(qū)。但并不立即產(chǎn)生二次擊穿,而需要一個觸發(fā)時間來積累觸發(fā)能量臨界值,一旦達到這個臨界值,管壓突然從Ｂ點ＵＳＢ減小到Ｇ點得低電壓區(qū)(10～15V),同時電流急劇增大。如果沒有適當(dāng)?shù)帽Ｗo措施,電流將繼續(xù)沿ＧＨ曲線增大到Ｈ點,造成管子得永久性損壞。這種從高電壓小電流向低電壓大電流躍變得現(xiàn)象,稱為晶體管得二次擊穿。二次擊穿觸發(fā)時間τ,對于不同類型得二次擊穿,時間得長短相差很大,短得幾乎就是瞬時得,晶體管得狀態(tài)不能穩(wěn)定在Ｂ～Ｇ區(qū)域內(nèi),而且Ｇ點就是不可逆得,即使電路得保護措施可使晶體管回到觸發(fā)前得狀態(tài),但二次擊穿已在管子內(nèi)部留下了損害傷痕,性能變壞,重復(fù)幾次仍然使管子永久性失效。1-5.為什么功率晶體管在開關(guān)瞬變過程中容易被擊穿？可采取什么措施防止？解:在電路開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬變過程中,電路將產(chǎn)生過高得電壓或電流,有可能達到二次擊穿觸發(fā)功率ＰＳＢ＝ＩＳＢ.ＵＳＢ,進而達到二次擊穿臨界觸發(fā)能量ＥＳＢ＝ＰＳＢτ＝ＩＳＢＵＳＢτ,產(chǎn)生二次擊穿。采用錯開關(guān)期間瞬變電流與電壓最大值相位得緩沖吸收保護電路,減小開關(guān)期間得瞬時功率,就是破壞二次擊穿產(chǎn)生得條件,抑制二次擊穿得有效措施。1-16.功率晶體管反偏安全工作區(qū)很大,如何應(yīng)用？解:在實際應(yīng)用中,功率晶體管基極回路采用足夠得反向偏置電壓,或者在若關(guān)斷功率晶體管時,驅(qū)動電路產(chǎn)生負(fù)脈沖關(guān)斷電壓,使晶閘管工作在反向偏置工作區(qū),來提高管子得電壓承受能力。1-17.絕緣柵雙極型功率晶體管(IGBT)有何突出得優(yōu)點？解:絕緣柵雙極型功率晶體管(IGBT)就是兼?zhèn)涔β蕡鲂?yīng)管MOSFET得柵極電壓激勵、高速開關(guān)特性與GTR得大電流低導(dǎo)通電阻特性于一體得復(fù)合型器件。1-18.MOS柵控晶閘管(MCT)有何突出得優(yōu)點？解:MOS柵控晶閘管(MCT)就是將MOSFET得高輸入阻抗、低驅(qū)動功率與快速得開關(guān)特性與晶閘管得高電壓大電流特性結(jié)合在一起得新型復(fù)合器件。1-19.功率集成電路PIC得基本結(jié)構(gòu)組成如何？解:功率集成電路PIC至少包含一個半導(dǎo)體功率器件與一個獨立功能電路得單片集成電路,PIC分為兩大類:一類就是高壓集成電路HVIC,它就是高耐壓功率電子器件與控制電路得單片集成;另一類就是智能功率集成電路SPIC(SmartPower-IC),它就是功率電子開關(guān)器件與控制電路、保護電路、故障監(jiān)測電路以及傳感器等電路得多種功能電路得集成。第二章單相可控整流電路習(xí)題與思考題解2-1.什么就是整流？它就是利用半導(dǎo)體二極管與晶閘管得哪些特性來實現(xiàn)得？解:整流電路就是一種AC／DC變換電路,即將交流電能變換為直流電能得電路,它就是利用半導(dǎo)體二極管得單向?qū)щ娦耘c晶閘管就是半控型器件得特性來實現(xiàn)得。2-2.某一電熱裝置(電阻性負(fù)載),要求直流平均電壓為75V,電流為20A,采用單相半波可控整流電路直接從220V交流電網(wǎng)供電。計算晶閘管得控制角α、導(dǎo)通角θ、負(fù)載電流有效值,并選擇晶閘管。解:(1)整流輸出平均電壓Ｕd===cosα=則控制角α≈60°導(dǎo)通角θ=π-α=120°(2)、負(fù)載電流平均值Id==20(A)則R＝Ud／Id＝75／20=3、75Ω負(fù)載電流有效值I,即為晶閘管電流有效值IV1,所以I=IV1==＝37、6(A)(3)、當(dāng)不考慮安全裕量時IV1=kfeIVEAR=1、57IVEAR則晶閘管通態(tài)平均電流IVEAR=IV1/1、57=37、4/1、57=23、9(A)晶閘管可能承受得最大正反向電壓為(V)所以,可選擇額定通態(tài)平均電流為30A、額定電壓為400V得晶閘管。按裕量系數(shù)2,可選擇額定通態(tài)平均電流為50A、額定電壓為700V得晶閘管。2-3.帶有續(xù)流二極管得單相半波可控整流電路,大電感負(fù)載保證電流連續(xù)。試證明輸出整流電壓平均值,并畫出控制角為α?xí)r得輸出整流電壓ud、晶閘管承受電壓uV1得波形。解:Ｕd===控制角為α?xí)r得輸出整流電壓ud、晶閘管承受電壓uV1得波形參閱教材P31中得圖2-3(b)、(c)、(d)與(h)。2-4.將單相半波可控整流電路中電阻負(fù)載與電感性負(fù)載得工作原理作個比較,找出差別,并畫出電阻負(fù)載輸出電壓ud、電流id與晶閘管電壓uV1波形;寫出Ud、Id計算公式。解:電阻性負(fù)載電路輸出電流id與輸出電壓ud相位相同,波形相似。晶閘管導(dǎo)通區(qū)間從α至π,導(dǎo)通角θ＝π－α。ud波形從α至變壓器二次電壓正變負(fù)得過零點。電感性負(fù)載電路由于電感得儲能作用,輸出電流id與輸出電壓ud相位不相同,電流id滯后于電壓ud。而且,電流id不能隨電壓ud突變。晶閘管導(dǎo)通區(qū)間從α開始并超過π過零點,導(dǎo)通角θ>π－α。ud波形從α開始至變壓器二次電壓正變負(fù)得過零點后,進入負(fù)半周。導(dǎo)通角θ得大小,與負(fù)載電感值L有關(guān),L越大,儲能越多,θ亦越大,ud波形進入變壓器二次電壓負(fù)半周得部分亦越多,輸出電壓得平均值Ud亦下降得越多。當(dāng)負(fù)載為大電感負(fù)載時,Ud近似等于零,此時輸出平均電流Id亦很小。電阻負(fù)載輸出電壓ud、電流id與晶閘管電壓uV1波形參閱教材Ｐ27中得圖2-1。電阻負(fù)載Ud、Id計算公式如下:(1)整流輸出平均電壓Ｕd===(2)、負(fù)載電流平均值Id=2-5.單相半波大電感負(fù)載可控整流電路中,帶續(xù)流二極管與不帶續(xù)流二管在輸出電壓ud與電流id、晶閘管電壓uV1與電流iV1、續(xù)流二極管電壓uV2與電流iV2波形上有何區(qū)別。寫出帶續(xù)流二極管時ud、id、iV1、iV2得平均值與有效值計算公式。解:不帶續(xù)流二管時,當(dāng)負(fù)載為大電感負(fù)載時,輸出電壓ud波形與橫坐標(biāo)所圍得正負(fù)面積相等,Ud近似等于零,此時輸出平均電流Id亦很小。輸出電壓ud與電流id、晶閘管電壓uV1與電流iV1得波形參閱教材P30中得圖2-2。其中,iV1得波形與id得波形相同。帶續(xù)流二極管時,由于續(xù)流二極管得作用,晶閘管從α開始導(dǎo)通,至變壓器二次電壓正變負(fù)得過零點時,由于電感應(yīng)電動勢得作用使續(xù)流二級管導(dǎo)通,晶閘管被迫關(guān)斷,所以,晶閘管導(dǎo)通區(qū)間從α至π,導(dǎo)通角θ＝π－α。由于負(fù)載為大電感負(fù)載,所以負(fù)載電流id脈動很小,近似為一平行橫坐標(biāo)得直線,晶閘管電流iV1、續(xù)流二極管電流iV2近似為正向矩形波,導(dǎo)通角分別為θ＝π－α與θ＝π＋α。輸出電壓ud與電流id、晶閘管電壓uV1與電流iV1、續(xù)流二極管電壓uV2與電流iV2波形參閱教材P31中得圖2-3。帶續(xù)流二極管時ud、id、iV1、iV2得平均值與有效值計算公式如下:(１)輸出電壓得平均值Ud為Ud=0、45U2(２)輸出電壓得有效值值U為U==(３)輸出電流得平均值Id為(４)輸出電流得有效值值I為I＝(５)晶閘管得平均電流IV1AR為IV1AR=(６)晶閘管電流得有效值IV1為IV1=(７)續(xù)流二極管得平均電流IV2AR為IV2AR=(８)續(xù)流二極管電流得有效值IV2為IV2=2-6.有一單相橋式全控整流電路,負(fù)載為電阻性,要求α=30°時,Ud=80V,Id=7A。計算整流變壓器得副邊電流I2,按照上述工作條件選擇晶閘管。解:Id=Ud／R,則R=Ud／Id=80／70=1、14ΩUd=0、9U2×(1+cosα)／2則U2=95V＝＝82、12(A)(A)IVEAR=IV1／kfe=58／1、57≈37(A)考慮裕量系數(shù)2,２×37＝74(A)(V)選額定電流100A、額定電壓300V得晶閘管。2-7.單相全控橋式整流電路接大電感負(fù)載,已知U2=100V,R=10Ω,α=45°。(1)負(fù)載端不接續(xù)流二極管V4,計算輸出整流電壓、電流平均值及晶閘管電流有效值。(2)負(fù)載端接續(xù)流二極管V4,計算輸出整流電壓、電流平均值及晶閘管、續(xù)流二級管電流有效值。畫出ud、id、iV11、iV4及變壓器次級電流i2得波形。解:(1)負(fù)載端不接續(xù)流二極管V4時輸出電壓平均值為＝0、9×100×0、707≈63、7(V)輸出直流電流平均值為(A)晶閘管電流得有效值為=≈4、5(A)(2)負(fù)載端接續(xù)流二極管V4時輸出電壓平均值(V)輸出直流電流平均值為(A)晶閘管與整流二極管電流得有效值IV1、IV2為(A)續(xù)流二極管電流得有效值IV4為=(A)變壓器二次電流得有效值I2為(A)接續(xù)流二極管時得ud、id、iV11、iV4及變壓器次級電流i2得波形參閱教材Ｐ41中得圖2-8。2-8.單相橋式半控整流電路接電阻性負(fù)載,要求輸出整流電壓0～100V連續(xù)可調(diào),30V以上時要求負(fù)載電流能達到20A。當(dāng)(1)采用220V交流電網(wǎng)直接供電;2)采用變壓器降壓供電,最小控制角αmin=30°,試分析比較二種供電方式下晶閘管得導(dǎo)通角與電流有效值、交流側(cè)電流有效值及電源容量。解:(1)采用220V交流電網(wǎng)直接供電時當(dāng)輸出平均電壓Ｕd為100V時則當(dāng)輸出平均電壓Ud為30V時則導(dǎo)通角θ＝π－α,所以晶閘管導(dǎo)通角θ＝90°～46°。要求在此導(dǎo)通角范圍之間,均能輸出20A負(fù)載電流,故應(yīng)在最小θ即最大αmax時,計算晶閘管電流有效值與變壓器二次電流有效值。Id=20A,則晶閘管平均電流IV1AR＝Id／2=10A當(dāng)α＝134°=134π／180=0、7444π時波形系數(shù)為晶閘管電流得有效值為(Ａ)交流側(cè)電流得有效值為(Ａ)交流電源容量為2)采用變壓器降壓供電時Ud=0、9U2當(dāng)αmin=30°時,輸出電壓為100V,則變壓器二次電壓為(V)當(dāng)Ud=30V時得最大控制角αmax為αmax≈116°晶閘管導(dǎo)通角θ＝π－α,則θ＝150°～64°要求在此導(dǎo)通角范圍之間,均能輸出20A負(fù)載電流,故應(yīng)在最小θ即最大αmax時,計算晶閘管電流有效值與變壓器二次電流有效值。Id=20A,則晶閘管平均電流IV1AR＝Id／2=10A當(dāng)α＝116°=116π／180=0、6444π時波形系數(shù)為晶閘管電流得有效值(Ａ)變壓器二次電流得有效值(Ａ)變壓器二次容量可見,在可控整流電路輸出較低電壓時,采用變壓器供電有利于降低所用晶閘管得額定電流與額定電壓,以及交流電源得容量。因為采用變壓器供電可使可控整流電路在較小控制角α與較低得變壓器二次電壓下運行。2-9.單相橋式半控整流電路,由220V經(jīng)變壓器供電,負(fù)載為大電感性并接有續(xù)流二極管。要求輸出整流電壓20～80V連續(xù)可調(diào),最大負(fù)載電流為20A,最小控制角αmin＝30°。試計算晶閘管、整流管、續(xù)流二極管得電流平均值、有效值以及變壓器容量。解:1、在最小控制角αmin與最大整流輸出電壓時,計算變壓器二次電壓U2(V)2、在最小整流輸出電壓時計算出最大控制角αmax當(dāng)Ud=20V時得最大控制角αmax為則αmax=122°3、在最不利得條件下,計算各器件得電流有效值與變壓器二次有效值I2,因為晶閘管、整流管、續(xù)流二極管電流有效值涉及管芯得發(fā)熱與合理選擇器件得電流額定容量。變壓器二次電流I2涉及變壓器容量得選擇,這些量得計算必須以電路運行中得最大值為基礎(chǔ),以保證器件與設(shè)備得安全運行。晶閘管與整流二極管電流得平均值IV!AR、IV2AR與有效值IV1、IV2其最大值出現(xiàn)在αmin=30°時,所以ＡＡ續(xù)流二極管電流得平均值IV4AR與有效值IV4其最大值出現(xiàn)在αmax=122°時,所以ＡA變壓器二次電流得有效值I2其最大值出現(xiàn)在αmin=30°時,所以則變壓器二次容量2-10.單相橋式全控整流電路與單相橋式半控整流電路接大電感負(fù)載,負(fù)載兩端并接續(xù)流二極管得作用就是什么？兩者得作用就是否相同？解:單相橋式全控整流電路大電感負(fù)載整流輸出平均電壓為其負(fù)載兩端并接續(xù)流二極管就是為了使交流電源電壓進入負(fù)半周時,由續(xù)流二極管續(xù)流,使晶閘管關(guān)斷,提高整流輸出電壓得平均值。整流輸出平均電壓為單相橋式半控整流電路接大電感負(fù)載,負(fù)載兩端并接續(xù)流二極管得作用就是為了避免失控現(xiàn)象得發(fā)生,保證整流電路得安全運行。整流輸出平均電壓亦為2-11.單相可控整流電路供電給電阻負(fù)載或蓄電池充電(反電勢負(fù)載),在控制角α相同,負(fù)載電流平均值相等得條件下,哪一種負(fù)載晶閘管得額定電流值大一些？為什么？解:反電動勢負(fù)載電路中晶閘管得額定電流大一些。因為當(dāng)控制角為α?xí)r,電阻性負(fù)載時,晶閘管得導(dǎo)通角θ＝π-α。而反電動勢式負(fù)載時,當(dāng)α小于不導(dǎo)電角δ時,θ＝π-2δ;當(dāng)α大于不導(dǎo)電角δ時,晶閘管得導(dǎo)通角θ＝π-α-δ。所以,反電動勢負(fù)載時得波形系數(shù)Kf1大于電阻性負(fù)載時得波形系數(shù)Kf2。當(dāng)負(fù)載電流平均值相等得條件下,反電動勢負(fù)載時得晶閘管電流得有效值大于電阻性負(fù)載時得晶閘管電流得有效值。因此,反電動勢負(fù)載晶閘管得額定電流大一些。2-12.直流電動機負(fù)載得特點及其等效電路如何？串接平波電抗器得意義何在？解:直流電動機反電動勢負(fù)載,其等效電路為一直流反電動勢與電阻串聯(lián)。由于反電勢得作用,晶閘管得導(dǎo)通角變小,負(fù)載電流將出現(xiàn)斷續(xù),通常反電勢負(fù)載得內(nèi)阻又很小,所以輸出同樣得平均電流,峰值電流很大,因而電流得有效值大,要求電源得容量亦大。對于直流電動機負(fù)載,將使其機械特性變軟,整流換相時產(chǎn)生火花。為使負(fù)載電流連續(xù),克服上述缺點,常在反電勢負(fù)載得整流輸出端串聯(lián)平波電抗器,其目得就是利用電感得儲能作用來平衡電流得脈動與延長晶閘管得導(dǎo)通時間。2-13.串平波電抗器電動機負(fù)載與大電感負(fù)載在單相全控橋整流電路中,輸出電壓波形一樣嗎？為什么？電動機得反電動勢Ed不起作用嗎？解:在理想得情況下,二種電路輸出電壓得波形就是一樣得。因為平波電抗器電感量得選擇原則就是:在最小得負(fù)載電流Idmin(低速輕載情況下)時,保證負(fù)載電流連續(xù),即晶閘管導(dǎo)電角θ=180°。這就是在最不利情況下,為保證電流連續(xù)選擇得電感L值,當(dāng)負(fù)載電流大于Idmin時,L得儲能增多,電流就不會不連續(xù)。當(dāng)負(fù)載電流連續(xù)時,其輸出電壓得波形與大電感負(fù)載電路相同電動機得反電動勢Ed不就是不起作用,串平波電抗器得反電勢負(fù)載電流連續(xù)時,晶閘管導(dǎo)通角θ=180°,波形與大電感負(fù)載時相同,輸出電壓Ud交流分量幾乎全部降落在電抗器上,反電勢負(fù)載(例如直流電動機)上得電壓脈動很小,負(fù)載電流id波形基本平直,可以近似瞧成為平行于橫坐標(biāo)得直線,晶閘管電流波形為180°得矩形波。所以,各種參數(shù)之間得數(shù)量關(guān)系,也與大電感負(fù)載時相同。只就是由于反電勢得作用,負(fù)載電流得平均值為Id=(Ud-E)/R,2-14.對單相大電感性負(fù)載可控整流電路,畫圖說明全控橋與半控橋輸出電壓ud、晶閘管電流iV1與變壓器二次電流i2波形得差別。半控橋加續(xù)流二極管與其不加續(xù)流二極管時又有何差別？解:單相全控橋大電感性負(fù)載可控整流電路,輸出電壓ud、晶閘管電流iV1與變壓器二次電流i2波形如教材P37中得圖2-6(d)、(f)、(g)、(h)所示。晶閘管導(dǎo)電角為θ=π,對應(yīng)橋臂對管輪流導(dǎo)通與關(guān)斷,電流iV1波形為為180°得正向矩形波。變壓器二次電流i2波形為正負(fù)180°得矩形波。當(dāng)α>0°時,輸出電壓ud波形將進入交流電源得負(fù)半周。半控橋加接續(xù)流二極管V4后,輸出電壓ud與變壓器二次電流i2得波形與不接續(xù)流二極管V4時相同,如教材P41中得圖2-8(d)、(j)所示。而晶閘管與整流二極管得導(dǎo)電角為θ=π-α。圖2-8(f)與圖2-8(i)波形上有斜線得部分不再存在,這部分得導(dǎo)電功能由續(xù)流二極管V4來代替,如教材圖2-8(l)所示。不加續(xù)流二極管時,晶閘管得導(dǎo)通角與整流二極管得導(dǎo)電角為θ=π,但圖2-8(f)與圖2-8(i)波形上有斜線得部分對應(yīng)得α期間,為同一橋臂得晶閘管與整流二極管續(xù)流期間。半控橋不加續(xù)流二極管與加接續(xù)流二極管兩種情況得輸出電壓ud波形就是相同得,在α角對應(yīng)得區(qū)間,輸出電壓ud為零。變壓器二次電流i2波形為正負(fù)π-α得矩形波,在α角對應(yīng)得區(qū)間,由于就是續(xù)流期間,變壓器二次電流i2為零。但接續(xù)流二極管電路,在續(xù)流期間,晶閘管與整流二極管全部關(guān)斷。第三章可控整流電路習(xí)題與思考題解3-1.分別畫出三相半波可控整流電路電阻負(fù)載與大電感負(fù)載在α為60°、90°得輸出電壓與晶閘管電壓、電流、變壓器二次電流i2得波形圖。晶閘管導(dǎo)通角各為多少？輸出電壓各為多少？解:(1)電阻性負(fù)載α=60°時,輸出電壓與晶閘管電壓、電流波形參閱教材P48中得圖3-4,其中晶閘管電流波形可在圖3-4(c)中讀出,變壓器二次相電流i2得波形圖與相對應(yīng)相得晶閘管電流波形相同。α=90°時,可參照上述波形,將控制角α移至90°處開始即可,晶閘管仍導(dǎo)通至相電壓正變負(fù)得過零點處。由于α>30°時,ud波形斷續(xù),每相晶閘管導(dǎo)電期間為α至本相得正變負(fù)過零點,故有晶閘管導(dǎo)通角為θ＝π-α-30°整流輸出電壓平均值當(dāng)α=60°時,θ=90°,Ｕd=0、675U2。當(dāng)α=90°時,θ=60°,Ｕd=0、675U2[1-0、5]=0、3375U2。(2)大電感負(fù)載α=60°時,輸出電壓與晶閘管電壓、電流波形參閱教材P49中得圖3-5,變壓器二次相電流i2得波形圖與相對應(yīng)相得晶閘管電流波形相同。α=90°時,可參照上述波形,將控制角α移至90°處開始即可,但晶閘管導(dǎo)通角仍為θ＝120°。由于大電感負(fù)載電流連續(xù),則晶閘管導(dǎo)通角為θ＝120°整流輸出平均電壓為當(dāng)α=60°時,θ=120°,Ｕd=1、17U2cos60°=0、585U2。當(dāng)α=90°時,θ=120°,Ｕd=1、17U2cos90°=03-2.三相半波可控整流電路向大電感性負(fù)載供電,已知U2=220V、R=11、7Ω。計算α=60°時負(fù)載電流id、晶閘管電流iV1、變壓器副邊電流i2得平均值、有效值與晶閘管上最大可能正向阻斷電壓值。改為電阻負(fù)載,重復(fù)上述計算。解:(1)大電感負(fù)載整流輸出平均電壓為(V)負(fù)載電流平均值為(Ａ)負(fù)載電流有效值為(Ａ)晶閘管電流得平均值為(A)晶閘管電流得有效值為(Ａ)變壓器二次電流平均值為(A)變壓器二次電流有效值為(Ａ)三相半波可控整流電路可能出現(xiàn)得最大正向阻斷電壓為(V)當(dāng)α=60°時得實際正向阻斷電壓為(V)(2)電阻性負(fù)載由于α>30°時,Ud波形斷續(xù),每相晶閘管導(dǎo)電期間為α至本相得正變負(fù)過零點,故有整流輸出電壓平均值(V)負(fù)載電流平均值為(Ａ)負(fù)載電流有效值為≈16、3(A)晶閘管電流得平均值為(A)晶閘管電流得有效值為≈9、4(A)變壓器二次電流平均值為(A)變壓器二次電流有效值為(Ａ)由于α>30°,負(fù)載電流出現(xiàn)斷續(xù),所以,電路可能出現(xiàn)得最大正向阻斷電壓為(V)3-3.某電解裝置系電阻性負(fù)載,要求輸出電壓Ud=220V,輸出電流Id=400A,采用經(jīng)整流變壓器得三相半波可控整流電路,電源就是三相380V得交流電網(wǎng),考慮αmin=30°,估算此時整流變壓器得次級容量S2,并與α=0°時得次級容量S20作比較,然后加以說明。最后選擇晶閘管。解:由于α≤30°,整流輸出平均電壓則(1)、當(dāng)α=αmin=30°時,＝(V)(Ω)變壓器二次相電流有效值為=(A)則S2=3U2I2=3×217、1×250、3=163020、4(VA)≈163(KVA)(2)、當(dāng)α＝0°時,(V)則(A)則S20=3U20I20=3×188×234、6=132314、4(VA)≈132、3(KVA)從上可見,S2>s20。說明可控整流電路得設(shè)計,應(yīng)盡量使其在較小得控制角α下運行。這樣,在輸出同樣大小負(fù)載電流時,使整流晶閘管電流與變壓器二次電流、電壓得有效值較小,可降低器件與變壓器得額定容量。由于晶閘管電流得有效值IV1=I2=250、3A當(dāng)不考慮安全裕量時IVEAR=IV1／1、57=250、3／1、57=159、4(A)晶閘管承受得最高電壓峰值為(V)按裕量系數(shù)22×159、4=318、8(A)2×531、8=1063、6(V)選擇額定通態(tài)平均電流為400A,額定電壓為1200V得晶閘管。3-4.在三相半波可控整流電路中,如果控制脈沖出現(xiàn)在自然換相點以前,可能出現(xiàn)什么情況,能否換相？畫出波形圖分析說明。解:出現(xiàn)在換相點之前得觸發(fā)脈沖,不能完成晶閘管得換相。電阻負(fù)載波形圖參閱教材P47中得圖3-3(b)、(c)、(d)與P48中得圖3-3(a)、(b)、(c),當(dāng)觸發(fā)B相晶閘管V12得觸發(fā)脈沖2出現(xiàn)在自然換相點S之前時,則B相晶閘管V12承受反向電壓不能導(dǎo)通,A相晶閘管V1１將繼續(xù)導(dǎo)通至該相相電壓過零點,id波形中得iV12及其與之對應(yīng)部分得輸出電壓ud波形均為零。大電感負(fù)載得波形參閱教材P49中得圖3-5(b)、(d),當(dāng)觸發(fā)B相晶閘管V12得觸發(fā)脈沖出現(xiàn)在自然換相點S之前時,則B相晶閘管V12承受反向電壓不能導(dǎo)通,不能完成換相,此期間iV12得波形為零。而A相晶閘管V1１將繼續(xù)導(dǎo)通至該相相電壓過零點,并進入負(fù)半周,直到c相晶閘管V13得觸發(fā)脈沖到來,V13被觸發(fā)導(dǎo)通為止。與之對應(yīng)部分得輸出電壓ud波形進入交流電源得負(fù)半周,正半周得波頭不再存在。3-5.在有交流電感時得三相半波可控整流電路(如圖3-7(a)所示):換流期間交流電抗上得壓降有什么規(guī)律？(2)換流期間輸出點得電壓呈現(xiàn)什么規(guī)律？(3)以一對元件換流為例來說明上述規(guī)律。(4)以交流一相為例寫出換流壓降得表達式。(5)分別描述α=30°與60°時整流輸出電壓波形圖。(6)寫出交流電抗對輸出電壓平均值影響得表達式。解:(1)、換流期間交流電抗上得壓降為參與換流(換相)得二相得線電壓得1／2。換流期間輸出點得電壓瞬時值為參與換流(換相)得二相相電壓之與得1／2。(3)、以A相得晶閘管V11向B相得晶閘管V12換流為例,換流期間輸出點得電壓瞬時值為:(4)、以A相得晶閘管V11向B相得晶閘管V12換流為例,換流期間交流電抗上得壓降,即換流壓降為:(5)、α=30°時整流輸出電壓波形,參閱教材P51中得圖3-7(b),α=60°時整流輸出電壓波形參照教材P51中得圖3-7(b),移至α=60°起始即可,但波形延至每相晶閘管導(dǎo)通角為θ＝120°+γ。其中,γ為換相重疊角。(6)、換流期間交流電抗上得壓降,即換流壓降得影響將使輸出電壓平均值下降,輸出平均電壓將為3-6.在三相橋式整流電路中,為什么三相電壓得六個交點就就是對應(yīng)橋臂得自然換流點？并說明各交點所對應(yīng)得換流元件都有哪些？解:三相橋式整流電路中,每只二級管承受得就是相鄰二相得線電壓,承受正向電壓時導(dǎo)通,反向電壓時截止。三相電壓得六個交點就是其各線電壓得過零點,就是二級管承受正反向電壓得分界點,所以,就是對應(yīng)橋臂得自然換流點。參閱教材P55中得圖3-9(a)、(b),相電壓正半周得交點分別就是共陰極組二極管得自然換相點,即R就是V25→V21,S就是V21→V23,T就是V23→Ｖ25得自然換流點;相電壓負(fù)半周得交點分別就是共陽極組二極管得自然換相點,即U就是V26→V22,V就是V22→V24,W就是V24→V26得自然換流點。3-7.根據(jù)圖3-9(a)所示三相不控橋式整流電路說明:在U點就是哪兩個元件換流？(2)每一個元件得導(dǎo)通角為多少？(3)輸出電壓ud得平均值為多少？(4)畫出元件V22得電壓波形,并說明元件得反峰電壓為多少？解:(1)、U點就是V26→V22換流。(2)、每一個元件得導(dǎo)通角為θ＝120°。(3)、輸出電壓ud得平均值為(4)、V22得電壓波形參閱教材P55中得圖3-9(e),將波形依次后移60°,即將R點起始得波形移至Ｕ點起畫即可。V22從Ｕ點起始導(dǎo)通120°,端電壓為０;之后依次分別承受線電壓uAC與uＢC各120°。元件得反峰電壓為,即線電壓得峰值。3-8.在理想得三相全控橋式整流電路中,當(dāng)控制角α=0°、α=30°時,回答下列各問:(1)各換流點分別為哪些元件換流？(2)各元件得觸發(fā)脈沖相位及波形？(3)各元件得導(dǎo)通角為多少？(4)同一相得兩個元件得觸發(fā)信號在相位上有何關(guān)系？(5)輸出電壓ud得波形及表達式。解:(1)、當(dāng)控制角α=0°時,各晶閘管得觸發(fā)脈沖發(fā)自各自得自然換相點,即R就是V25→V21,S就是V21→V23,T就是V23→V25得換流點;U就是V26→V22,V就是V22→V24,W就是V24→V26得換流點。當(dāng)控制角α=30°時,各晶閘管得觸發(fā)脈沖依次相對各自得自然換相點后移30°,以上各管得換流從此位置開始。(2)、按V11、V12、V13、V14、V15、V16順序,單脈沖觸發(fā)時,每隔６0°依次為每一晶閘管發(fā)一個觸發(fā)脈沖。雙脈沖觸發(fā)時,按V11—V12、V12—V13、V13－V14、V14－V15、V15－V16、V16－V11順序,每隔６0°依次為相鄰一對晶閘管同時各發(fā)一個觸發(fā)脈沖。當(dāng)控制角α=0°時得觸發(fā)脈沖波形及相位參閱教材P57中得圖3-11(d)與(c)。當(dāng)控制角α=30°時,各晶閘管得觸發(fā)脈沖依次相對上圖后移30°即可。(3)、各晶閘管得導(dǎo)通角為θ＝120°。(4)、同一相得兩個晶閘管得觸發(fā)信號在相位上相差180°。(5)、輸出電壓ud得波形當(dāng)控制角α=0°時,參閱教材P55中得圖3-9(c)。輸出電壓ud得表達式當(dāng)控制角α=60°時,參閱教材P58中得圖3-12(b),須將α=30°得波形依次后移30°,變換成α=60°得波形。輸出電壓ud得表達式3-9三相全控橋式整流電路,L=0、2H,Rd=4Ω。要求Ud在0--220V之間變化。試求(1)、整流變壓器次級相電壓U2;(2)、計算晶閘管電壓、電流值,如果電壓、電流按裕量系數(shù)2計算,選擇晶閘管;(3)變壓器次級電流有效值I2;(4)計算整流變壓器次級容量S2。解:(Ω),而Rd=4(Ω),所以,ωL>>Rd,按大電感負(fù)載情況計算,三相全控橋式整流電路,相當(dāng)于最小控制角αmin=0°計算、整流變壓器次級相電壓U2Ud=2、34U2,,則U2=220／2、34≈94(V)(2)、計算晶閘管電壓、電流值,如果電壓、電流按裕量系數(shù)2計算,選擇晶閘管晶閘管承受得最大峰電壓為(V)按裕量系數(shù)2計算,則U=230、25×2=460、5(V),選額定電壓500V晶閘管。(A)(A)(A)則Ａ按裕量系數(shù)2計算,則20、2×2=40、4(A),選額定通態(tài)平均電流為50A得晶閘管。(3)、計算變壓器次級電流有效值I2(A)(4)、計算整流變壓器次級容量S2S2=3U2I2=3×94×44、9=12661、8(VA)≈12、66(KVA)3-10.三相橋式大電感性負(fù)載全控整流電路,變壓器副邊線電壓380V、負(fù)載電阻11、7Ω、α=60°。畫出ud、id、iV1、i2波形;計算輸出電壓ud、負(fù)載電流id、晶閘管電流iV1、變壓器副邊電流i2得平均值、有效值。解:ud、id、iV1、i2波形參閱教材P58中得圖3-12,須將α=30°得波形依次后移30°,變換成α=60°得波形。輸出電壓平均值(V)輸出電壓有效值U==＝≈291(v)負(fù)載電流平均值(A)負(fù)載電流有效值Ｉde=Ｉd=22(A)晶閘管電流平均值(A)晶閘管電流得效值(A)變壓器二次電流平均值I2AR=0(A)變壓器二次電流有效值3-11.龍門刨床,其工作臺由60kW、220V、305A得直流電動機拖動。由三相橋式全控整流電路供電。整流變壓器初、次級線電壓分別為380V與220V。要求起動電流限制在500A。當(dāng)負(fù)載電流降至10A時,電流仍保持連續(xù)。計算控制角理論上最小值αmin及晶閘管得額定值。解:則α≈42、2°,即理論上得最小αmin≈42、2°啟動時最大負(fù)載電流Idmax=500A,此時晶閘管電流得有效值(A)則Ａ晶閘管承受得最大正反向峰電壓為,即為線電壓得峰值,為(Ｖ)按裕量系數(shù)22×183、9=387、8(A)2×311=622(V)選擇額定通態(tài)平均電流為400A,額定電壓為700V得晶閘管。3-12.三相全控橋式整流器得單脈沖觸發(fā)方式得脈沖寬度為什么要大于60°？解:三相全控式整流橋電路,必須有一個共陰極組得與另一個共陽極組得二個不同相得晶閘管同時導(dǎo)通,才能形成通過負(fù)載得導(dǎo)電回路。為了保證全控橋在初始工作合閘(啟動工作)時能形成電流回路,或者由于電流斷續(xù)后能再次導(dǎo)通,必須對兩組中應(yīng)導(dǎo)通得兩個晶閘管同時加有觸發(fā)脈沖。單脈沖觸發(fā)方式又稱寬脈沖觸發(fā)方式,要求脈沖寬度大于60°,小于120°,通常取90°左右。這種方法實質(zhì)上就是用一個寬脈沖來代替兩個相隔60°得窄脈沖,即在按規(guī)定觸發(fā)時刻給某一個晶閘管加觸發(fā)脈沖時,前一號晶閘管觸發(fā)脈沖還未消失,如教材P57中得圖3-11(d)所示。這就保證了兩組晶閘管中,各有一個管子同時加有觸發(fā)脈沖,使電路在啟動,電流連續(xù)或斷續(xù)得工況下,都能正常工作。第四章有源逆變電路習(xí)題與思考題解4-1.逆變電路必須具備什么條件才能進行逆變工作？解:逆變電路必須同時具備下述兩個條件才能產(chǎn)生有源逆變:1變流電路直流側(cè)應(yīng)具有能提供逆變能量得直流電源電勢Ed,其極性應(yīng)與晶閘管得導(dǎo)電電流方向一致。2、變流電路輸出得直流平均電壓Ud得極性必須為負(fù)(相對于整流時定義得極性),以保證與直流電源電勢Ed構(gòu)成同極性相連,且滿足Ud<Ed。4-2單相全控橋式逆變電路與單相橋式(二極管)整流電路有何差別？就是否所有得整流電路都可以用來作為逆變電路？解:單相全控橋式逆變電路就是DC／AC變換電路,就是單相全控橋式變流電路工作于逆變狀態(tài),其負(fù)載為反電動勢負(fù)載,控制角為α>90°得情況。單相橋式(二極管)整流電路就是AC／DC變換電路,就是單純得整流電路,相當(dāng)于單相全控橋式變流電路工作于整流狀態(tài),控制角α=0°時得情況。不就是所有得整流電路都可以用來作為逆變電路。例如,單相、三相半控橋式變流電路,帶續(xù)流二極管得變流電路都只能工作于整流狀態(tài),不能用來作為逆變電路。4-3.逆變電路工作時為什么會產(chǎn)生短路事故？解:變流器工作在逆變狀態(tài)時,如果因丟失脈沖、移相角超出范圍、甚至突發(fā)電源缺相或斷相等情況時,都有可能發(fā)生換相失敗,將使變流器輸出得直流電壓Ud進入正半周范圍,Ud得極性由負(fù)變正,與直流側(cè)直流電源電勢Ed形成順向串聯(lián),造成短路事故(因逆變電路得內(nèi)阻R很小)。這種情況稱為逆變失敗?；蚍Q為逆變顛覆。4-4.為什么要限制逆變角得最小值βmin？選擇βmin值時應(yīng)考慮哪些因素？解:為了避免逆變電路發(fā)生逆變失敗,所以,必須限制逆變角得最小值βmin。最小逆變角βmin得選取要考慮三個因素,即換相重疊角γ;晶閘管關(guān)斷時間toff對應(yīng)得電角度δ;安全裕量角θ0。故有βmin≥γ+δ+θ04-5.在圖4-2(c)中,當(dāng)α>90°時,為什么必須Ed>Ud才能正常逆變工作,Ed與Ud間得差值由何因素決定。如果Ed=Ud與Ed<Ud則有何結(jié)果？解:因為當(dāng)α>90°,必須Ed>Ud時,才能滿足逆變工作條件。只有當(dāng)Ed>Ud時,變流電路直流側(cè)得電源電勢Ed才能提供逆變能量,進而實現(xiàn)有源逆變。Ed與Ud間得差值由主電路所限制得電流得大小決定,即通過控制角α(逆變控制角β)得大小來確定。Ed=Ud時,變流電路將處于等待狀態(tài),Ed<Ud時,處于待逆變工作狀態(tài)。4-6.在圖4-2中,設(shè)交流電源變壓器二次電壓U2=280V,變流電路為單相全控橋式電路,R=0、2Ω,L=∞。試求當(dāng)電動機起重重物時,負(fù)載電流Id=200A且反電勢Ed=180V時,變流電路得控制角α應(yīng)為何值？變流電路處于什么工作狀態(tài)？解:則Ud=IdR+Ed=200×0、2+180=220(V)由于α<90°,Ud>Ed,所以,變流電路處于整流工作狀態(tài)。4-7.在題4-6所給電路條件下,設(shè)電動機降落重物時起制動作用得負(fù)載電流Id=200A,與電動機轉(zhuǎn)速對應(yīng)得反電勢Ed為－180V,試求此時得變流器控制角應(yīng)為何值？并分析其能量傳輸關(guān)系。解:則Ud=IdR+Ed=200×0、2－180=－140V由于,,則變流電路處于有源逆變工作狀態(tài),電動機處于發(fā)電運行,輸出得直流電能通過變流器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔芊此徒o電網(wǎng)。4-8.試?yán)L出單相與三相全控橋式逆變電路當(dāng)β=45°時得輸出電壓波形、晶閘管得電流波形、以及晶閘管V11得端電壓波形,并分析晶閘管承受電壓得情況(設(shè)L=∞)。解:單相全控橋式得輸出電壓波形、晶閘管得電流波形、以及晶閘管V11得端電壓波形參閱教材P66中得圖4-2(c)。由于L=∞,晶閘管得電流波形可畫成180°得矩形波。晶閘管得導(dǎo)通角為θ=180°,此期間兩端電壓近似為零,關(guān)斷后得β角對應(yīng)期間承受反向電壓,之后得α角對應(yīng)期間承受正向電壓。三相全控橋式逆變電路得輸出電壓波形、晶閘管得電流波形、以及晶閘管V11得端電壓波形參閱教材P74中得圖4-5得中間β=45°得一段。由于L=∞,晶閘管得電流波形可在該導(dǎo)通期間畫成120°得矩形波。晶閘管得導(dǎo)通角為θ=120°,此期間兩端電壓近似為零,關(guān)斷后本相晶閘管按相序分別承受與相鄰二相得線電壓各120°。例如,A相共陰極組晶閘管V11,導(dǎo)通得120°期間,兩端電壓近似為零,關(guān)斷后首先承受線電壓uAB120°,轉(zhuǎn)而承受線電壓uAC120°。其中關(guān)斷后得β角對應(yīng)期間承受線電壓uAB首先就是反向電壓。逆變電路中,晶閘管在關(guān)斷后得β角對應(yīng)期間承受得就是反向電壓,其余絕大部分時間均承受正向電壓。4-9.在圖4-5得三相橋式電路中,設(shè)交流電源線電壓有效值U2l=200V,L=∞,R=1、5Ω。如要求電動機在制動過程中保持制動電流Id=10A恒定不變,試問:當(dāng)電動機反電勢Ed=－200V時,逆變角β應(yīng)為何值？當(dāng)Ed降至于－100V、－50V、0V時逆變角分別應(yīng)為何值？解:當(dāng)Ed＝－200V時,則Ud=IdR+Ed=10×1、5－200=－185V當(dāng)Ed＝－100V時,則Ud=IdR+Ed=10×1、5－100=－85V當(dāng)Ed＝－50V時,則Ud=IdR+Ed=10×1、5－50=－35V當(dāng)Ed逐漸下降至0V時,電路電流Id亦將下降為0A,因而Ud＝0V,則β=90°,此時電流電路輸出電壓得正負(fù)面積相等。4-10.試列舉三種產(chǎn)生逆變失敗得情況,并說出應(yīng)注意哪些安全保護措施。解:1、產(chǎn)生逆變失敗得情況主要有以下幾個方面:(1)觸發(fā)電路工作不可靠觸發(fā)電路不能及時、準(zhǔn)確地為各晶閘管提供脈沖,如丟失脈沖或脈沖延遲等,均能導(dǎo)致?lián)Q相失常或換相失敗,參閱教材P72中得圖4-4(b)與(c)。脈沖延遲即使不出現(xiàn)圖4-4(c)得嚴(yán)重情況,也將使逆變角β過小,導(dǎo)致?lián)Q相時間不足,產(chǎn)生逆變失敗。所謂換相時間,即就是需被關(guān)斷得晶閘管承受反壓得時間,即逆變角β區(qū)間所對應(yīng)得時間,如果這個時間短了,晶閘管承受得反壓時間不夠,不能恢復(fù)正向阻斷能力而造成逆變失敗。(2)晶閘管出現(xiàn)故障晶閘管性能不合格,或設(shè)計電路時參數(shù)選擇不當(dāng),以致出現(xiàn)晶閘管該阻斷時不能阻斷,該導(dǎo)通不能導(dǎo)通,均將導(dǎo)致逆變失敗。(3)交流電源失常在有源逆變工作狀態(tài)下,交流電源得突然停電或缺相,由于直流電勢Ed得存在,原來導(dǎo)通得晶閘管仍會導(dǎo)通,但此時變流電路交流側(cè)已失去了同直流電勢極性相反得交流電壓,直流電勢將通過晶閘管短路,或原來導(dǎo)通得晶閘管使ud進入導(dǎo)通相得正半周(缺相時)極性變正,造成逆變失敗。2、逆變失敗將造成嚴(yán)重得后果,應(yīng)采取得安全保護措施如下:(1)正確選擇晶閘管參數(shù)與緩沖保護電路(2)正確設(shè)計穩(wěn)定可靠得觸發(fā)電路例如具有不丟脈沖,最小逆變角βmin限制、抗干擾能力強等性能。(3)設(shè)置完善得系統(tǒng)保護裝置例如能對系統(tǒng)過流、過壓、交流電源缺相、欠壓、斷電等故障及時檢測,并采取相應(yīng)得保護操作。4-11.換流重疊角得產(chǎn)生給逆變電路帶來哪些不利影響？解:由于變壓器漏感與線路電感等因素得影響,晶閘管得換流(換相)不能瞬時完成,均需一定得時間即換相重疊角γ所對應(yīng)得時間。如果逆變角β<γ,將使換相不能完成,造成逆變失敗。4-12.單相全控橋反電動勢阻感負(fù)載,R=1Ω,L=∞,U2=100V,當(dāng)Ed=－99V,β=60°時,求Ud、Id得數(shù)值。解:(V)(A)4-13.三相半波變流電路,反電動勢阻感負(fù)載,R=1Ω,L=∞,U2=100V,當(dāng)Ed=－150V,β=30°時,求Ud、Id得數(shù)值。解:(V)(A)4-14.三相全控橋式變流電路,反電動勢阻感負(fù)載,R=1Ω,L=∞,U2=220V,當(dāng)Ed=－400V,β=60°時,求Ud、Id得數(shù)值。此時送回電網(wǎng)得平均功率為多少？解:(V)(A)由于L=∞,輸出電流有效值(忽略諧波)I=Id網(wǎng)惻有功功率為=(W)≈-36、7(KW)送回電網(wǎng)得平均功率為36、7(KW)4-15.三相橋式變流電路,已知U2L=230V,反電勢阻感負(fù)載,主回路R=0、8Ω,L=∞,假定電流連續(xù)且平滑,當(dāng)Ed=-290V,β=30°時,計算輸出電流平均值、輸出電流有效值(忽略諧波)、晶閘管得電流平均值與有效值。解:輸出電流平均值(A)輸出電流有效值(Ａ)晶閘管得電流平均值為(Ａ)晶閘管電流有效值為(A)4-16.試敘述反并聯(lián)(雙重)變流電路得四象限運行條件。解:反并聯(lián)(雙重)變流電路參閱教材P69中得圖4-3(a)。其四象限運行條件如下:第一象限,電動機正轉(zhuǎn)作電動運行,變流器1工作在整流狀態(tài),α1<π/2,Ed<Ud1。此時Ud1、Ed得極性均為上正下負(fù),電網(wǎng)經(jīng)變流器1供出電能,電動機吸收電能。第二象限,電動機正轉(zhuǎn)作發(fā)電運行,變流器2工作在逆變狀態(tài),α2>π/2,Ed>Ud2。此時Ud2、Ed得極性均為上正下負(fù),電動機供出電能,經(jīng)變流器2回饋給電網(wǎng)。第三象限,電動機反轉(zhuǎn)作電動運行,變流器2工作在整流狀態(tài),α2<π/2,Ed<Ud2。此時,Ud2、Ed得極性均為上負(fù)下正,電網(wǎng)經(jīng)變流器2供出電能,電動機吸收電能,電動機兩端電壓與電流方向均與第一象限運行時相反。第四象限,電動機反轉(zhuǎn)作發(fā)電運行,變流器1工作在逆變狀態(tài)α1>π/2,Ed>Ud1,此時,Ud1、Ed得極性均為上負(fù)下正,電動機供出電能,經(jīng)變流器1回饋給電網(wǎng)。流過電動機得電流與第二象限工作時相反?？梢?由反并聯(lián)(雙重)變流電路控制得可逆系統(tǒng)中,電動機從電動運行轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電制動運行,由于電動機得旋轉(zhuǎn)方向不變,故電動機電勢Ed得方向不變,相應(yīng)工作于整流與逆變狀態(tài)得變流器不能在同一組全控橋內(nèi)實現(xiàn)。具體地說,由一組橋整流,電網(wǎng)供出能量使電動機作電動運轉(zhuǎn),逆變必須通過反并聯(lián)得另一組橋來實現(xiàn),將電動機作發(fā)電制動運行產(chǎn)生得直流電能回饋給電網(wǎng)。4-17.試指出晶閘管相控變流器得主要特征。解:幾種典型晶閘管相控變流器得主要特征如下:接續(xù)流二極管得單相半波可控變流電路——脈動頻率為fS;可工作于第一象限接續(xù)流二極管得單相半控橋式變流電路——脈動頻率為2fS;可工作于第一象限單相全控橋式變流電路——脈動頻率為2fS;可工作于第一象限與第四象限單相反并聯(lián)(雙重)全控橋式變流電路——脈動頻率為2fS;可工作于第一、二、三、四象限三相半波可控變流電路脈動頻率為3fS;可與第四象限接續(xù)流二極管得三相半控橋式變流電路——脈動頻率為3fS;可工作于第一象限三相全控橋式變流電路脈動頻率為6fS;可工作于第一象限與第四象限三相反并聯(lián)(雙重)全控橋式變流電路——脈動頻率為6fS;可工作于第一、二、三、四象限其中,fS為交流電源頻率?？梢?接續(xù)流二極管得變流電路只能工作于第一象限。4-18.試根據(jù)高壓直流輸電得功率流向,指出中間直流環(huán)節(jié)兩側(cè)變流器得工作狀態(tài)。解:高壓直流輸電系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)參閱教材P79中得圖4-6(a)。變流器Ⅰ與變流器Ⅱ均可根據(jù)功率得流向工作在整流狀態(tài)或逆變狀態(tài)。若使功率從左向右傳輸,則調(diào)整控制角α,使變流器Ⅰ工作于整流狀態(tài),變流器Ⅱ工作于有源逆變狀態(tài),Ud1與Ud2得極性均為上正下負(fù),且滿足Ud1>Ud2。若使功率從右向左傳輸,則變流器Ⅱ整流,變流器Ⅰ逆變,Ud1與Ud2得極性均為上負(fù)下正,且滿足Ud1<Ud2。4-19.試說明大型同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)在“勵磁”與“滅磁”兩種工況下,變流器得工作狀態(tài)與能量流向。解:大型同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖參閱教材P79中得圖4-7。(1)勵磁運行時,勵磁變壓器TF接于母線,變流器工作于整流狀態(tài),系統(tǒng)母線提供得交流電能,通過變流器U整流,轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔?供給發(fā)電機勵磁繞組進行勵磁。(2)滅磁運行時,增大控制角α>90°將變流器U拉入有逆變工作狀態(tài),勵磁繞組內(nèi)儲存得磁場能通過工作于有源逆變狀態(tài)得變流器,經(jīng)TF以電能形式反饋回電網(wǎng)。4-20.試述過電壓保護得兩種基本方法。解:常用得抑制過電壓得基本方法有二種,即用非線性元件限制過電壓得幅值;用儲能元件吸收可能產(chǎn)生過電壓得能量,并用電阻將其消耗。實際應(yīng)用時,要視電路得不同部位得需要采用不同得方法,同一部位也可同時采用二種方法。4-21.試說明交流側(cè)阻容過電壓保護與非線性元件過電壓保護電路得幾種接線形式。解:交流側(cè)阻容保護電路連接方式參閱教材P81中得圖4-8。圖4-8(a)為單相接法,圖4-8(b)與圖4-8(c)分別為三相形與形連接方法,圖4-8(d)為整流式接法。交流側(cè)非線性元件過電壓保護電路,如壓敏電阻保護電路參閱教材P82中得圖4-10,接線方式與圖4-8(a)、(b)、(c)相同。其她非線性元件保護得連接方法也都與此類同。4-22.試述直流側(cè)過電壓保護電路得連接方法。解:直流側(cè)得過電壓保護,同樣可采用阻容保護與非線性元件保護方法,其連接位置為變流裝置得直流側(cè)得快速開關(guān)或熔斷器FU之前,參閱教材P82中得圖4-11。圖4-11中得P與M之間即為阻容或非線性保護元件所連接得位置,圖中所連接得保護元件就是壓敏電阻。4-23.試說明晶閘管關(guān)斷過電壓RC保護電路得原理。解:晶閘管在關(guān)斷過程中,電流從最大值很快下降為0,將在變壓器得漏電感Lc上產(chǎn)生很大得過電壓LC、div/dt,作用在晶閘管上。并聯(lián)在每只晶閘管上得RC回路可抑制晶閘管得關(guān)斷過電壓。當(dāng)晶閘管關(guān)斷過程中,變壓器電流可以通過RC續(xù)流,減小了div/dt,從而抑制了過電壓。電阻可以限制晶閘管再導(dǎo)通時,電容C向晶閘管放電得電流上升率,并阻尼可能產(chǎn)生得LC振蕩。4-24.用作過電流保護得三種常用電器就是什么？其速度得快慢有何差別。解:可用作過電流保護得三種常用電器有快速熔斷器、快速開關(guān)與過流繼電器?？焖偃蹟嗥髁鬟^得電流越大,其熔斷時間越短,當(dāng)流過短路電流時,其熔斷時間可達5ms(目前最快得可達1ms量級)。在額定電流下,工作時不熔斷,可長期工作?？焖匍_關(guān)得全分?jǐn)鄷r間為10ms,只用于直流電路。過流繼電器得動作時間一般為幾百毫秒(ms),分為直流與交流兩種。4-25.試述反饋控制過電流保護電路得原理及特點？解:反饋控制過流保護原理框參閱教材P83中得圖4-12。正常工作時,電壓比較器整定為輸出高電平,控制變流裝置工作于90得整流工作狀態(tài)。當(dāng)變流器發(fā)生短路時,來自電流互感器得過流信號,經(jīng)整流后,與過流整定值比較,使比較器輸出低電平,控制變流器裝置立即轉(zhuǎn)入>90得逆變工作狀態(tài)。由于突然增大,使變流器輸出電壓迅速降低,不僅控制了短路電流,還可將儲存在電感中得能量以電能得形式反饋給電網(wǎng)。當(dāng)能量釋放完畢,晶閘管得電流下降到維持電流以下自行關(guān)斷,且無觸點。所以,不存在快速熔斷器、快速開關(guān)與過流繼電器等保護電器那種分?jǐn)啻箅娏鲃幼鬟^程產(chǎn)生得過電壓現(xiàn)象。動作速度比上述任何一種過流保護電器都快。4-26.為什么說快速熔斷器用作晶閘管得最終過流保護手?jǐn)啾容^合適？解:因為晶閘管得過載能力受結(jié)溫限制,我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定風(fēng)冷器件得額定結(jié)溫為115C,水冷器件為100C。在規(guī)定得冷卻條件下,晶閘管通過2倍額定通態(tài)平均電流時,可耐受得時間為0、5S;通過3倍時,可耐受時間為60ms;通過6倍時,可耐受時間為20ms。所以可根據(jù)不同過載程度晶閘管得耐受能力,采取分級過電流保護措施?？焖偃蹟嗥髦杂米髯罱K保護手段比較合適,就是因為三種保護電器得動作時間各不相同,快速熔斷器得動作時間最短,速度最快。為了避免快熔得頻繁熔斷與更換,使快熔只在發(fā)生可能危及晶閘管得更大過流時才熔斷,起到最后得保護作用。。因此,在留有適當(dāng)?shù)迷Ａ窟x定了晶閘管及與其配合得快熔之后,將同時裝設(shè)得快速開關(guān)或過流繼電器得動作值整定得稍低一些(過流繼電器最低)。這樣,當(dāng)發(fā)生過流時,過流繼電器或快速開關(guān)會首先動作,雖然動作速度不如快熔,但只要整定電流不超過晶閘管過載耐受時間區(qū)段,就不會危害晶閘管,同樣也不會使快熔熔斷。第五章晶閘管變流器得觸發(fā)電路習(xí)題與思考題解5-1.晶體管主電路對觸發(fā)電路得要求就是什么？解:1、觸發(fā)信號應(yīng)具