電力電子技術(shù)(王兆安第五版)課后習(xí)題全部答案

電力電子技術(shù)

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(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(dǎo)電結(jié)構(gòu)，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(dǎo)體材料即本征半導(dǎo)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(dǎo)通的條件是什么？

答：使晶閘管導(dǎo)通的條件是：晶閘管承受正向陽(yáng)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(dǎo)通的條件是什么？怎樣才能使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷？

答：維持晶閘管導(dǎo)通的條件是使晶閘管的電流大于能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流，即維持電

流。要使晶閘由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)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(dǎo)通的晶閘管關(guān)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3,

試計(jì)算各波形的電流平均值Idl、Id2、Id3與電流有效值11、b、ho

[T/C

——「Imsin(")=—(——+1)?0.27171m

解：a）212

([msinM2d(卬。=+0.47671m

2V42)

1Imv2

—LImsinujtd(wt)=——(——+1)=0.54341m

b)[(i2=4i22

J/￡(Imsin5)2d(wf)=m

?0.6741Im

-pImd(")=—Im

加二2小。4

nni

J——f2Im2=-Im

J

I3=V2^?2

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

這時(shí)，相應(yīng)的電流最大值1ml、1m2、33各為多少？

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

工----------7329.35

a)Imi04767A,Idi?0.2717Imi?89.48A

?--—?232.90A,

如=0.5434乙-126.56A

b)Im20.6741

"3=78.5

Id3=4m3

c)Im3=2I=314

2-6GTO和普通晶閘管同為PNPN結(jié)構(gòu),為什么GTO能夠自關(guān)斷,而普通晶閘管不能?

答：GTO和普通晶闡管同為PNPN結(jié)構(gòu)，由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成兩個(gè)晶體管VI、V2,

分別具有共基極電流增益M和。2,由普通晶闡管的分析可得，a>a2=l是器件臨界導(dǎo)通的條

件。al+a2>l兩個(gè)等效晶體管過飽和而導(dǎo)通；⑶+。2Vl不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。

GTO之所以能夠自行關(guān)斷，而普通晶閘管不能，是因?yàn)镚TO與普通晶閘管在設(shè)計(jì)和工藝方

面有以下幾點(diǎn)不同：1)GTO在設(shè)計(jì)時(shí)較大，這樣晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷;

2)GTO導(dǎo)通時(shí)al+a2的更接近于1,普通晶閘管al+a2N1.5,而GTO則為⑶+*a1.05,GTO

的飽和程度不深，接近于臨界飽和，這樣為門極控制關(guān)斷提供了有利條件；3)多元集成

結(jié)構(gòu)使每個(gè)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(dǎo)電結(jié)構(gòu)，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(dǎo)體材料即本征半導(dǎo)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(jié)構(gòu)和開關(guān)特性上的相似與不同之處

IGBT比電力MOSFET在背面多一個(gè)P型層，IGBT開關(guān)速度小，開關(guān)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(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小。開關(guān)速度低于電力

MOSFETo電力MOSFET開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好。所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路

簡(jiǎn)單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題。

IGBT驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)是:驅(qū)動(dòng)電路具有較小的輸出電阻，IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，IGBT

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

小的輸入電阻，驅(qū)動(dòng)功率小且電路簡(jiǎn)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(guān)斷晶閘管，電力晶閘管，電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管，絕緣柵雙極晶體管。

3-1.單相半波可控整流電路對(duì)電感負(fù)載供電，L=20mH,U2=100V,求當(dāng)a=0?和60?時(shí)

的負(fù)載電流Id,并畫出ud與id波形。

解：a=0?時(shí)，在電源電壓〃2的正半周期晶閘管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電感L儲(chǔ)能，在晶閘管開始導(dǎo)

通時(shí)刻，負(fù)載電流為零。在電源電壓心的負(fù)半周期，負(fù)載電感L釋放能量，晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通。

因此，在電源電壓〃2的一個(gè)周期里，以下方程均成立：心四=同,sin初

dr

考慮到初始條件：當(dāng)?f=0時(shí)id=0可解方程得：乙=也支(1-cos創(chuàng))

coL

=立2=22.51(A)

coL

團(tuán)與id的波形如下圖：

當(dāng)a=60。時(shí)，在〃2正半周期60??180?期間晶閘管導(dǎo)通使電感L儲(chǔ)能，電感L儲(chǔ)藏的能量在

〃2負(fù)半周期180?~300?期間釋放，因此在墳一個(gè)周期中60?~300?期間以下微分方程成立：

考慮初始條件：當(dāng)〃=60?時(shí)力=0可解方程得：乙=幽氣!-3初)

coL2

其平均值為4=(1/—^.(g-cos3)d(w)=夜&=11.25(A)

此時(shí)w與id的波形如下圖：

3-2.圖3/0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當(dāng)負(fù)載是電阻或電感時(shí)，其輸出電

壓和電流的波形與單相全控橋時(shí)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?yàn)閱蜗嗳煽卣麟娐纷儔浩鞫螠y(cè)繞組中，正負(fù)半周內(nèi)上下繞組內(nèi)電流的方向相反，

波形對(duì)稱，其一個(gè)周期內(nèi)的平均電流為零，故不會(huì)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(dāng)VTi導(dǎo)通時(shí)，晶閘管VT2通過VTi與2個(gè)變壓器二次繞組并聯(lián)，

所以VT2承受的最大電壓為2亞q。

②當(dāng)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(shí)，對(duì)于電阻負(fù)載：(Ma)

期間無晶閘管導(dǎo)通，輸出電壓為0；(ay)期間，單相全波電路中VTi導(dǎo)通，單相全控橋電路中

VTHVT4導(dǎo)通，輸出電壓均與電源可壓”2相等；(TiF+a)期間，均無晶閘管導(dǎo)通，輸出電壓為

0；(兀+a?2兀)期間，單相全波電路中VT2導(dǎo)通，單相全控橋電路中VT?、VT3導(dǎo)通，輸出電壓等

于？？"2。

對(duì)于電感負(fù)載：(a?兀+a)期間，單相全波電路中VTi導(dǎo)通，單相全控橋電路中VTi、VT4

導(dǎo)通，輸出電壓均與電源電壓相等；(兀+a?2?i+a)期間，單相全波電路中VT2導(dǎo)通，單相

全控橋電路中VT2、VT3導(dǎo)通，輸出波形等于?？

可見，兩者的輸出電壓相同，加到同樣的負(fù)載上時(shí)，則輸出電流也相同。

3-3.單相橋式全控整流電路，U2=100V,負(fù)載中R=2O,L值極大，當(dāng)a=30。時(shí)，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、力、和i2的波形如下圖：

②輸出平均電壓口、電流/d,變壓器二次電流有效值上分別為

Ud=0.9Uicosa=0.9xl00xcos30°=77.97(V)

Zd=t/d//?=77.97/2=38.99(A)

h=Id=38.99(A)

③晶閘管承受的最大反向電壓為：V2100V2=141.4(V)

考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為：UN=(2~3)x141.4=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=AA/I=27.57(A)

品閘管的額定電流為：人=(1.5-2)乂27.5〃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(fù)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(diǎn)：承受電壓為正即導(dǎo)通。因此，二極管承受的電壓不會(huì)出現(xiàn)正的部

分。在電路中器件均不導(dǎo)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(fù)載中R=2Q,L值極大，反電勢(shì)E=60V,當(dāng)?=30?

時(shí)，要求：作出nd、id和i2的波形；

①求整流輸出平均電壓Ud、電流Id,變壓器二次側(cè)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〃d、Zd和力的波形如下圖：

②整流輸出平均電壓■、電流/d，變壓器二次側(cè)電流有效值12分別為

Ud=0.9U2cosa=0.9x100xcos30°=77.97(A)

Id=(Ud-E)/R=(77.97-60)/2=9(A)

h=h=9(A)

③晶閘管承受的最大反向電壓為：V2C/2=100V2=141.4(V)

流過每個(gè)晶閘管的電流的有效值為：/vT=/d/收=6.36(A)

故晶閘管的額定電壓為：UN=(2~3)X141.4=283~424(V)

晶閘管的額定電流為：，N=(1.5?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VTKVT2為晶閘管)，電路如圖2-11所示，U2=100V,

電阻電感負(fù)載，R-2C,L值很大，當(dāng)?=60?時(shí)求流過器件電流的有效值，并作出ud、id、iVT>

iD的波形。

解：Md、id、Mr、ID的波形如下圖：

負(fù)載電壓的平均值為：4圓2sin?d(H)=0.9U2=67.5(V)

7C3Z

負(fù)載電流的平均值為：/d=UW?=67.52Z2=33.75(A)

流過晶閘管VTi、VT2的電流有效值為：/VT=g/d=19.49(A)

流過二極管VD3、VD4的電流有效值為：/vD=g/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?yán)L出在電阻性負(fù)載和電感性負(fù)

載下整流電壓ud的波形。

解：假設(shè)a=0。，當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，如的波形如下：

當(dāng)負(fù)載為電感時(shí)，w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(dòng)勢(shì)相同，其分段布置及其矢量如圖2?60所示，此時(shí)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(huì)被直流磁化。原因如下：變壓器二次繞組在一個(gè)周期內(nèi)：當(dāng)a?對(duì)應(yīng)的

晶閘管導(dǎo)通時(shí)，ai的電流向下流，C2的電流向上流；當(dāng)C|b2對(duì)應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通時(shí)，ci的電流向下

流，b2的電流向上流；當(dāng)b】a2對(duì)應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通時(shí)，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(shí)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(huì)被直流磁化。

3-9.三相半波整流電路的共陰極接法與共陽(yáng)極接法，a、b兩相的自然換相點(diǎn)是同一點(diǎn)嗎？

如果不是，它們?cè)谙辔簧喜疃嗌俣龋?/p>

答：三相半波整流電路的共陰極接法與共陽(yáng)極接法，a、b兩相之間換相的的自然換相點(diǎn)不是

同一點(diǎn)。它們?cè)谙辔簧舷嗖?80%

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(yáng)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(yáng)極組的觸發(fā)脈沖對(duì)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(fù)載，R=5Q,L值極大，當(dāng)?二60?

時(shí)，要求：畫出nd、id和iVTl的波形；計(jì)算Ud、Id、IdT和IVT。

解：①〃d、id和iVTl的波形如下圖:(Ot

②Ud、Id、/dT和/VT分別如下Ud=1.17Scos?=1.17xl00xcos600=58.5(V)

Ai=UM<=58.5/5=lL7(A)

/dVT=Zd6=11.73=3.9(A)

7VT=Z/V3=6.755(A)

3-12.在三相橋式全控整流電路中，電阻負(fù)載，如果有一個(gè)晶閘管不能導(dǎo)通，此時(shí)的整流電

壓nd波形如何？如果有一個(gè)晶閘管被擊穿而短路，其他晶閘管受什么影響？

答：假設(shè)VT1不能導(dǎo)通，整流電壓ud波形如下：

假設(shè)被擊穿而短路，則當(dāng)晶閘管VT3或VT5導(dǎo)通時(shí)，將發(fā)生電源相間短路，使得VT3、

VT5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(fù)載，R=5C,L值極大，當(dāng)?二60?

時(shí)，要求：

①畫出nd、id和iVTl的波形；

②計(jì)算Ud、Id、IdT和IVT。

解：①M(fèi)d、Zd和iVTl的波形如下:

②Ud、Id、/dT和，VT分別如下

Ud=2.34U2cos?=2.34X100xcos60°=117(V)

/d=LW=1175=23.4(A)

/DVI=/M=23A3=7.8(A)

7vT=Zd/V3=23.4/V3=13.51(A)

3-14.單相全控橋，反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載，R=lft,L=8,E=40V,U2=100V,LB=0.5mH,

當(dāng)?二60?時(shí)求Ud、Id與??的數(shù)值，并畫出整流電壓ud的波形。

解：考慮品時(shí)，有：

Ud=0.9U2Cosa-AUd

AUd=2XB，d4c

Id=CUd-E)/R

解方程組得：

Ud=(兀R0.9SCOS(X+2XBE)/(兀R+2XB)=44.55(V)

△Ud=0.455(V)

7d=4.55(A)

又「

cosa—cosQ+y)=V2I6X3/Ui

即得出

cos^50°+/)=0.4798

換流重疊角

?=61.33°?60°=1.33°

最后，作出整流電壓Ud的波形如下：

3-15,三相半波可控整流電路，反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載，U2=100V,R=1Q,L=oo,LB=lmH,

求當(dāng)?=30?時(shí)、E=50V時(shí)Ud、Id、？?的值并作出ud與iVTl和iVT2的波形。

解：考慮LB時(shí)，有：

Ud=1.17Scosa-AUd

AUd=3XB/旌兀

Id=CUd-E)/R

解方程組得：

Ud=(兀R1.17SCOS(X+3XBE)/(2兀R+3XB)=94.63(V)

△Ud=6.7(V)

Zd=44.63(A)

又?:

cosa—cosQ+/)=2IdXB/V6Ui

即得出

cos(30°+/)=0.752

換流重疊角

?=41.28°?30°=11.28°

〃d、ivTl和ZVT2的波形如下：

3-16.三相橋式不可控整流電路，阻感負(fù)載，R=5Q,L=oo,U2=220V,XB=0.3Q,求Ud、

Id、WD、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(dāng)于三相橋式可控整流電路a=0。時(shí)的情

況。

Ud=2.34Scosa-AUd

A(7d=3XB/d/it

解方程組得：

Ud=2.34ScosW(1+3XB"R)=486.9(V)

/d=97.38(A)

又???

cosa—cosQ+/)=2IdXB/V6S

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(cè)電流的有效值分別為

ZVD=/(F3=97.383=32.46(A)

/2a—/d—79.51(A)

Ud、ivDl和i2a的波形如下：

3-17.三相全控橋，反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載，E=200V,R=1Q,L』o,U2=220V,?=60?,當(dāng)①

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

解：①當(dāng)LB=0時(shí)：

5=2.34t/2cosa=2.34x220xcos600=257.4(V)

Id=CUd-E)/R=(257.4-200)/1=57.4(A)

②當(dāng)W=lmH時(shí)

Ud=2.34Scosa-AS

AUd=3XB/加

Id=(C/d-E)/R

解方程組得：

Ua=(2.347tU2/?cosa+3XBE)/(兀R+3XB)=244.15(V)

7d=44.15(A)

△Ud=13.25(V)

又丁cosa—cosQ+y)=2XBWN6UI

cos(60°+/)=0.4485

63.35°-60°=3.35°

〃d、/VTI和/VT2的波形如下：

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(cè)電流中含有哪些次數(shù)的諧波？其中主要的是哪幾次？

答：?jiǎn)蜗鄻蚴饺卣麟娐?，其整流輸出電壓中含?%(上1、2、3...)次諧波，其中幅值

最大的是2次諧波。變壓器二次側(cè)電流中含有藻+1(2=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(cè)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62(4=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(cè)電流中含有分?1(仁1、2、3……)次的諧波，其中主要的是5、

7次諧波。

3-20.試計(jì)算第3題中i2的3、5、7次諧波分量的有效值123、125、127。

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

Zd=38.99(A)

于是可得：

/23=2正/山兀=271x38.99671=11.7(A)

[25=2后/心兀=2后乂38.9筑兀=7.02(A)

；27=2VIZ/7TT=2V2x38.99^7t=5.01(A)

3-21.試計(jì)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(jì)算出5次和7次諧波分量的有效值為：

〃5=w/心兀=而X23.4/5兀=3.65(A)

/27=#//7兀=癡'23.仞兀=2.61(A)

3-22試分別計(jì)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：

人=2衣的=271x38.9耿=35.1(A)

基波因數(shù)為

?=/〃=/4=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：

A=V6Zd4=V6X23.3S^I=18.243(A)

基波因數(shù)為

?=M=Zv7d=0.955

電路的輸入功率因數(shù)為：

?=?cosar=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(diǎn)：

。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(dāng)變壓器二次電壓有效值S相等時(shí)，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/d是三相橋式電路的2倍。

③在兩種電路中，晶閘管的導(dǎo)通及觸發(fā)脈沖的分配關(guān)系是一樣的，整流電壓力和整流電流

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？

答：整流電路多重化的目的主要包括兩個(gè)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(duì)電網(wǎng)的干擾。

分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依1、(仁1,

2.3…)次諧波.整流輸出電壓中含有12、24等即12%(依，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依1(上1,2,

3…)次諧波，整流輸出電壓中含有24、48等即2軟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(cè)要有電動(dòng)勢(shì)，其極性須和晶閘管的導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)大于變流

電路直流側(cè)的平均電壓；②要求晶閘管的控制角aR/2,使Ud為負(fù)值。

3-27.三相全控橋變流器，反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載，R=mfL=oo,L/2=220V,LB=lmH,當(dāng)

EM=-400V,?=60?時(shí)求小、/d與？?的值，此時(shí)送回電網(wǎng)的有功功率是多少？

解：由題意可列出如下3個(gè)等式：

Ud=2.34Scos(7U?用一AM

AUd=3XB/(^

I(i=(Ud—EM)/R

三式聯(lián)立求解，得

Ud=[2.34兀SRCOS(TC?夕)+3XBEMR兀R+3XB)=-290.3(V)

7d=109.7(A)

由下式可計(jì)算換流重疊角：

cosa—cos(cz+y)=2XB/"遙S=0.1279

8s(120。+y)=?0.6279

了=128.90?-120?=8.90?

送回電網(wǎng)的有功功率為

2

P=\EMId\-l}R=400x109.7-109.7X109.7x1=31.85(W)

3-28.單相全控橋，反電動(dòng)勢(shì)限感負(fù)載，R=mfL=oo,^2=100V,L=0.5mH,當(dāng)EM=-99V,

二60?時(shí)求以、/d和？?的值。

解：由題意可列出如下3個(gè)等式：

Ud=0.9ScosS-B)-AUd

AULZXBI血

I(i=(U(i-EM)/R

三式聯(lián)立求解，得

Ud=WR0.9U2Cos(7T-p)+2XBEM]/(兀R+2XB)=-49.91(V)

/d=49.09(A)

又???

cosa—cos(a+/)=V2/dXB/U2=0.2181

即得出

cos(120°+/)=-0.7181

換流重疊角

?=135.9°?120°=15.9°

3-29.什么是逆變失??？如何防止逆變失?。?/p>

答：逆變運(yùn)行時(shí)，一旦發(fā)生換流失敗，外接的直流電源就會(huì)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(dòng)勢(shì)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。

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￡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(dāng)負(fù)載分別為電阻負(fù)載或電感負(fù)

載時(shí)，要求的晶閘管移相范圍分別是多少？

答：?jiǎn)蜗鄻蚴饺卣麟娐罚?dāng)負(fù)載為電阻負(fù)載時(shí)，要求的晶閘管移相范圍是。?180?,當(dāng)

負(fù)載為電感負(fù)載時(shí)，要求的晶閘管移相范圍是0~90?。

三相橋式全控整流電路，當(dāng)負(fù)載為電阻負(fù)載時(shí)，要求的晶閘管移相范圍是()~120?,當(dāng)

負(fù)載為電感負(fù)載時(shí)，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(cè)接電網(wǎng)即交流側(cè)接有電源。而無源逆變

電路的交流側(cè)直接和負(fù)載聯(lián)接。

主2換流方式各有那兒種？各有什么特點(diǎn)？

答：換流方式有4種：器件換流：利用全控器件的自關(guān)斷能力進(jìn)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(fù)的電網(wǎng)電壓加在欲換流的器件上

即可。負(fù)載換流：由負(fù)載提供換流電壓，當(dāng)負(fù)載為電容性負(fù)載即負(fù)載電流超前于負(fù)載電壓時(shí),

可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。

強(qiáng)迫換流：設(shè)置附加換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)追施加反向電壓換流稱為強(qiáng)迫換流。

通常是利用附加電容上的能量實(shí)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(fù)載換流和強(qiáng)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(diǎn)？

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

路，直流側(cè)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(diǎn)是：

①直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，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(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。

而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。③當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供

無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)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(diǎn)是：①直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當(dāng)于電流源。直流側(cè)電流基

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

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

情況的不同而不同。③當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流測(cè)電惑起緩沖無功能量的

作用。因?yàn)榉答仧o功能量時(shí)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(guān)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？

一在電壓型逆變電路中，當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率,直流側(cè)電容起緩沖無功能

量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)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(dāng)輸日交流電壓和電流的極性相同時(shí)，電流經(jīng)電路中的可控開關(guān)器件流通，而當(dāng)輸出電壓電流極

性相反時(shí)，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,180o導(dǎo)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。

21/

5—=0.637^(/=63.7(V)

解：)

并聯(lián)諾標(biāo)式逆交電路利用仇轂電源進(jìn)行變渙

生6.并聯(lián)諧振式逆變電路利用負(fù)載電壓進(jìn)行換相，為保證換相應(yīng)滿足什么條件？

答;假設(shè)在I時(shí)刻觸發(fā)VT2、VT3使其導(dǎo)通，負(fù)載電壓Uo就通過VT2、VT3施加在VT1、VT4

上，使其承受反向電壓關(guān)斷,電流從VT1、VT4向VT2、VT3轉(zhuǎn)移觸發(fā)VT2、VT3時(shí)亥”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,

為晶間管換流做好準(zhǔn)備;二是使換流電容的電壓能夠施加到換流過程中剛剛關(guān)斷的晶閘管上，使晶

閘管在關(guān)斷之后能夠承受一定時(shí)間的反向電壓，確保晶閘管可靠關(guān)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(jiǎn)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(dǎo)通而VT1被施以反向電壓而

關(guān)斷。直流電流Id從VT1換到VT3上,C13通過VD1、U相負(fù)載、W相負(fù)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(shí)間大于晶閘管關(guān)斷時(shí)間rq,就能保證可靠關(guān)斷。

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

則在Ucl3=0時(shí)刻后，二極管VD3受到正向偏置而導(dǎo)通，開始流過電流，兩個(gè)二極管同時(shí)導(dǎo)通,進(jìn)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(shí)刻充電電

流減到零,VD1承受反壓而關(guān)斷，二極管換流階段結(jié)束。之后，進(jìn)入VT2、VT3穩(wěn)定導(dǎo)逗階段，電流路

徑如圖5-16d所示。

.逆變電路多重化的H的是什么？如何實(shí)現(xiàn)？串聯(lián)多重和并聯(lián)多重逆變電路備用于什么場(chǎng)

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(jí)提高，二是可以改善輸出電壓的

波形。因?yàn)闊o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(duì)負(fù)載有不利影響，采用多重逆變電路，可以把兒個(gè)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(gè)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(gè)逆變電路的輸出串聯(lián)起來，并聯(lián)多重是把幾個(gè)逆變電路的輸出并聯(lián)

起來O

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(cè)電感來緩沖。當(dāng)需要從交流

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

反饋二極管。

5-1簡(jiǎn)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(gè)控制周期中，讓V導(dǎo)通一段時(shí)間心。，由電源E向L、R、

M供電，在此期間，Uo=Eo然后使V關(guān)斷一段時(shí)間折，此時(shí)電感L通過二極管VD向R和M

供電，Uo=0o一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓〃二《,如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=10ft,L值微大，E=30V,T=50gs,

ton=20gs,計(jì)算輸出電壓平均值U0,輸出電流平均值I。。

解：由于L值極大，故負(fù)載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為

輸出電流平均值為

5-3.在圖5?Ia所示的降壓斬波電路中，E=1()()V,L=lmH,R=0.5Q,扁二10V,采用脈寬

調(diào)制控制方式，T=20ps,當(dāng)％=5即時(shí)，計(jì)算輸出電壓平均值“。，輸出電流平均值’。，計(jì)算輸出

電流的最大和最小值瞬時(shí)值并判斷負(fù)載電流是否連續(xù)。當(dāng)時(shí)，重新進(jìn)行上述計(jì)算。

解：由題目已知條件可得：

當(dāng)％=5川時(shí),有

由"f"

所以輸出電流連續(xù)。

5-4.簡(jiǎn)述圖5?2a所示升壓斬波電路的基本工作原理。

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

充電電流基本恒定為大同時(shí)電容C上的電壓向負(fù)載R供電，因C值很大，基本保持輸出電壓為

恒值設(shè)V處于通態(tài)的時(shí)間為%,此階段電感L上積蓄的能量為當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)E

和己共同向電容C充電并向負(fù)載R提供能量。設(shè)V處于斷態(tài)的時(shí)間為折，則在此期間電感L釋

放的能量為(4一初當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量

相等,即：

化簡(jiǎn)得：

式中的T/521,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=20O,采用脈

寬調(diào)制控制方式，當(dāng)T=40ps,心=25陵時(shí)，計(jì)算輸出電壓平均值外,輸出電流平均值

解：輸出電壓平均值為：

輸出電流平均值為：

5-6.試分別簡(jiǎn)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(diǎn)。

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

其貯存能量，此時(shí)電流為方向如圖。3-4中所示。同時(shí)，電容C維持輸出電壓基本恒定并向

負(fù)載R供電。此后，使V關(guān)斷，電感L中貯存的能量向負(fù)載釋放，電流為i2,方向如圖3-4所示。

可見，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓乙對(duì)時(shí)間的積分為零，即

當(dāng)V處于通態(tài)期間，勺二E：而當(dāng)V處于斷態(tài)期間々=一%。于是：

改變導(dǎo)通比輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)H/2時(shí)為降

壓，當(dāng)時(shí)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(dāng)V處于通態(tài)時(shí)，E—乙一V回路和R—4-c—V回路分別流過

電流。當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)，￡-4-0-?；芈泛蛥^(qū).&.丫》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(dāng)于開關(guān)S在A、B兩點(diǎn)之間交替切

換。

假設(shè)電容C很大使電容電壓〃，的脈動(dòng)足夠小時(shí)。當(dāng)開關(guān)S合到B點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)電壓“咤0,A

N

u=u

點(diǎn)電壓心=一"。；相反，當(dāng)S合到A點(diǎn)時(shí)，Bc,6=°Mo因此，B點(diǎn)電壓”8的平

uD=—

均值為T（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=U=^U

BCu=——U

。另一方面,A點(diǎn)的電壓平均值為AT,且右的電壓平均值為零，按圖3—5b

U0=①U.

中輸出電壓Uo的極性，有T0于是可得出輸出電壓Uo與電源電壓E的關(guān)系：

兩個(gè)電路實(shí)現(xiàn)的功能是一致的，均可方便的實(shí)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(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，其輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動(dòng)很小，有利于

對(duì)輸入、輸出進(jìn)行濾波。

5-7.試?yán)L制Speic斬波電路和Zeta斬波電路的原理圖，并推導(dǎo)其輸入輸出關(guān)系。

解：Sepic電路的原理圖如下：

在V導(dǎo)通以期間，ULI=E

左V關(guān)斷4?期間

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

由以上兩式即可得出

Zeta電路的原理圖如下：

在V導(dǎo)通心期間

在V關(guān)斷力期間

當(dāng)電路工作穩(wěn)定時(shí)，電感乙、%的電壓平均值為零，則下面的式子成立

由以上兩式即可得出

5-8.分析圖5?7a所示的電流可逆斬波電路，并結(jié)合圖3?7b的波形，繪制出各個(gè)階段電流

流通的路徑并標(biāo)明電流方向。

解：電流可逆斬波電路中，VI和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，由電源向直流電動(dòng)機(jī)供電，電動(dòng)

機(jī)為電動(dòng)運(yùn)行，工作于第1象限：V2和%2構(gòu)成升壓斬波電路，把直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?/p>

反饋到電源，使電動(dòng)機(jī)作再生制動(dòng)運(yùn)行，工作于第2象限。

圖3-7b中，各階段器件導(dǎo)通情況及電流路徑等如下：

耳導(dǎo)通，電源向負(fù)載供電：

可關(guān)斷，VD,續(xù)流：

匕也導(dǎo)通，L上蓄能：

匕關(guān)斷，力2導(dǎo)通，向電源回饋能量

5?9對(duì)于圖5?8所示的橋式可逆斬波電路，若需使電動(dòng)機(jī)工作于反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)，試分析此時(shí)

電路的工作情況，并繪制相應(yīng)的電流流通路徑圖，同時(shí)標(biāo)明電流流向。

解：需使電動(dòng)機(jī)工作于反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由V3和VD3構(gòu)成的降壓斬波電路工作，此時(shí)需要

V2保持導(dǎo)通，與V3和VD3構(gòu)成的降壓斬波電路相配合。

當(dāng)V3導(dǎo)通時(shí)，電源向M供電，使其反轉(zhuǎn)電動(dòng)，電流路徑如下圖：

當(dāng)V3關(guān)斷時(shí)，負(fù)載通過VD3續(xù)流，電流路徑如下圖：

5.10.多相多重?cái)夭娐酚泻蝺?yōu)點(diǎn)？

答：多相多重?cái)夭娐芬蛟陔娫?負(fù)載間接入了多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路，使得輸入電

源電流和輸出負(fù)載電流的脈動(dòng)次數(shù)增加、脈動(dòng)幅度減小，對(duì)輸入和輸出電流濾波更容易，濾波電

感減小。此外，多相多重?cái)夭娐愤€具有備用功能，各斬波單元之間互為備用，總體可靠性

提圖。

5-11.試分析正激電路和反激電路中的開關(guān)和整流二極管在工作時(shí)承受的最大電壓。

解：正激電路和反激電路中的開關(guān)和整流二極管在工作時(shí)承受最大電壓的情況如下表所示：

開關(guān)S整流二極管VD

正激電路(1+N1/N3)U1UPN2/N3

反激電路Ui+Uo*Nl/N3Ui*N2/Nl+Uo

5-12.試分析全橋、半橋和推挽電路中的開關(guān)和整流二極管在工作中承受的最大電壓，最大

電流和平均電流。

答：以下分析均以采用橋式整流電路為例。①全橋電路

最大電壓最大電流平均電流

開關(guān)SUiId*N2/NlId*N2/(2*Nl)

整流二極管Ui*N2/N1IdId/2

②半橋電路

最大電壓最大電流平均電流

開關(guān)SUiId*N2/NlId*N2/(2*Nl)

整流二極管Ni)U1*N2/(2*

IdId/2

③推挽電路(變壓器原邊總匝數(shù)為2Ni)

最大電壓最大電流平均電流

開關(guān)S