電力電子技術(shù)課后習(xí)題及解答

1、電力電子技術(shù)習(xí)題及解答第1 章 思考題與習(xí)題晶閘管的導(dǎo)通條件是什么 ? 導(dǎo)通后流過晶閘管的電流和負(fù)載上的電壓由什 么決定 ?答：晶閘管的導(dǎo)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(dǎo)通后流過晶閘管的電流由負(fù)載阻抗決定，負(fù)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(shí)現(xiàn) ? 晶閘管處于阻斷狀態(tài)時(shí)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(shí)，晶閘管內(nèi)部建立的正反饋無法進(jìn)行。進(jìn)而實(shí)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(shí)，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(shí)， 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(huì)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(dǎo)通方式有哪幾種？答：非正常導(dǎo)通方式有：（1） lg=O,陽極電壓升高至相當(dāng)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(shí)間定義。答：晶閘管從正向陽極電流下降為零到它恢復(fù)正向阻斷能力所需的這段時(shí)間稱 為關(guān)斷時(shí)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(dǎo)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(gè)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?yàn)镮a(b)因?yàn)镮a100V50K 200V102mA I H，所以不合理。20A, KP100的電流額定值為100 A，裕量達(dá)5倍，太大了。150V1圖題中實(shí)線部分表示流過晶閘管的電流波形，其最大值均為(c)因?yàn)镮a150A

4、，大于額定值，所以不合理。Im,試計(jì)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(fù)載時(shí)，雖然Ud存在諧波，但電流是恒定的直流，故負(fù)載電阻艮上的Ud與Id的乘積等于負(fù)載有功功率。某電阻性負(fù)載要求 024V直流電壓，最大負(fù)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(dǎo)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(dāng)0時(shí):Ud=99V由變壓器降壓到60V供電當(dāng) 0時(shí):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(shí)：1 cos U d 0.45U 2 - 2Ud=24V 時(shí)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(shí)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(fù)載a =60時(shí)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(fù)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(jì)算:(1)晶閘管額定電壓、電流值;(2)連接負(fù)載的導(dǎo)線截面積(導(dǎo)線允許電流密度j=6A / mrr);負(fù)載電阻上消耗的最大功率。解：(1)單相半波0時(shí),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(dǎo)線截面

8、積為IJ18863.13mm2負(fù)載電阻上最大功率PrIt217.7kW時(shí)，U2么空667V ,0.90.9IdUdR6005012A負(fù)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(dǎo)線截面積為13362.22mm2負(fù)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(fù)載和大電感負(fù)載在a =60。時(shí)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(jì)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?yàn)樵谝粋€(gè)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(fù)載:Udcos200.9 220 (1 cos60 )2148.5V感性負(fù)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(fù)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(diǎn)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(shí)負(fù)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(shí)刻在自然換流點(diǎn)，如觸發(fā)脈沖左移到自然換流點(diǎn)之前15處，觸發(fā)脈沖寬度為10時(shí)，不能觸發(fā)晶閘管，Ud=O。觸發(fā)脈沖寬度為15時(shí)，能觸發(fā)晶閘管，其波形圖相當(dāng)于a =0時(shí)的波形。三相半波相控整流電路帶大電感負(fù)載，Rd=10Q,相電壓有效值U2=220V。求a =45時(shí)負(fù)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?yàn)椋篣 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(dāng)a =60時(shí)，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(shí)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(fù)載，負(fù)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(dāng)o0時(shí)U d= 2U2=Ud/o30時(shí)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(fù)載，負(fù)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(shí)，整流變壓器二次線電壓。(2)計(jì)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?yàn)閡=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?yàn)镮d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(huì)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(dòng)機(jī)負(fù)載并串入足夠大的電抗器，相電壓有效值U2=220V,電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流為 40A,負(fù)載回路總電阻為 Q,求當(dāng)a =60時(shí)流過晶閘管的電流平均值與有效值、電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)負(fù)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(fù)載電流為150A，求:(1)由于漏抗引起的換相壓降；該壓降所對應(yīng)整流裝置的等效內(nèi)阻及a =0時(shí)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(hù)，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(hù)，而不能用高電壓、高電流的 晶閘管代替，因?yàn)樵陔姼行载?fù)載裝置中， 晶閘管在開關(guān)斷過程中， 可能會(huì)出現(xiàn)過沖 陽極電壓，此時(shí)極易損壞晶閘管。 當(dāng)未采取過電流保護(hù)， 而電路過載或短路時(shí)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(dòng)勢，其極性必須與晶閘管的導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)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(jī)的可逆調(diào)速，繞線型異步電動(dòng)機(jī)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(fù)載，將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流供給負(fù)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(shí)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(dǎo)致逆變失敗。第3章思考題與習(xí)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(diǎn)： 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(diǎn)：Buck電路在T關(guān)斷時(shí)，只有電感 L儲(chǔ)存的能量提供給負(fù)載，實(shí)現(xiàn)降 壓變換，且輸入電流是脈動(dòng)的。而Boost電路在T處于通態(tài)時(shí)，電源 Ud向電感L充電，同時(shí)電容 C集結(jié)的能量提供給負(fù)載，而在T處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，由 L與電源E同時(shí)向負(fù)載提供能量，從而實(shí)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(bǔ)充能量，輸出電流脈動(dòng)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(diǎn)？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(jī)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(jī)的再生制動(dòng)。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(dāng)開關(guān)管 T導(dǎo)通時(shí)，它在高頻變壓器初級繞組中儲(chǔ)存能量，同時(shí)將能量傳遞到次級繞組，根據(jù)變壓器對應(yīng)端的感應(yīng)電壓極性，二極管D導(dǎo)通，此時(shí)D2反向截止，把能量儲(chǔ)存到電感L中，同時(shí)提供負(fù)載電流|O ;當(dāng)開關(guān)管T截止時(shí)，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(dǎo)通（而此時(shí)D反向截止），儲(chǔ)存在電感中的能量繼續(xù)提供電流給負(fù)載。變換器的輸出電壓為：Uo N1DU dNi1反激變換器:當(dāng)開關(guān)管 T導(dǎo)通，輸入電壓 Ud便加到變壓器TR初級Ni上，變壓器儲(chǔ)存能量。根據(jù)變壓器對應(yīng)端的極性，可得次級N2中的感應(yīng)電動(dòng)勢為下正上負(fù),二極管D截止，次級Nk中沒有電流流過。當(dāng)T截止時(shí)，N2中的感應(yīng)電動(dòng)勢極性上正 下負(fù)，二極管D導(dǎo)通。在T導(dǎo)通期間儲(chǔ)存在變壓器中的能量便通過二極管D向負(fù)載釋放。在工作的過程中，變壓器起儲(chǔ)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(dāng)Ugl和Ug4為高電平，Ug2和Ug3為低電平，開關(guān)管 T

21、1和T4導(dǎo)通，T2和T3關(guān) 斷時(shí)，變壓器建立磁化電流并向負(fù)載傳遞能量；當(dāng) Ug1和Ug4為低電平，Ug2和Ug3為 高電平，開關(guān)管 T2和T3導(dǎo)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(fù)載傳遞能量，這時(shí)磁芯工作在B H回線的另一側(cè)。在 、T4導(dǎo)通期間(或T2和T3導(dǎo)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(gè)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