電力電子技術(shù)課后答案精簡版

1、電力電子技術(shù)第五版 機(jī)械工業(yè)出版社課后習(xí)題答案第二章電力電子器件1. 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：晶閘管承受正向陽極電壓，并在門極 施加觸發(fā)電流(脈沖)?；颍篣AK>0且Ugk>0。2. 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 為關(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。要使晶閘管由導(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。3. 圖1-43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

2、均為Im,試計(jì)算各波形的電流平均值Id1、Id2、Id3 與電流有效值丨1、I2、I3。解: a)b)c)圖1-43晶閘管導(dǎo)電波形Id1= .二1 msin td(，t) = $1) ： 02717 Im2冗 42冗2I1= 1 1(imS in t)2dC .t)=專0.4767 Im、242- 4I d2 = ! . I m sin -td ( -t) = ( 1 ) :' 0.54341 n 7n 2m J- +2- 41 1Id3= .0 ImdC t)=-2冗04I2 = 1 .-(ImSin t)2d( t) = 2106741I mIm02lm2d(t) = 1 Im4.

3、 上題中如果不考慮安全裕量，問100A的晶閘管能送出的平均 電流Id1、Id2、Id3各為多少？這時(shí)，相應(yīng)的電流最大值 Im1、Im2、Im3各為多少解：額定電流I T(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a)b)c)I mi329.350.4767I m2 -232.90,0.6741Im3=2 I = 314,Idi 02717 I mi ' 89.48I d2 0.5434 I m2 126.56Id3= I I m3=78.54第3章整流電路3.單相橋式全控整流電路，U2= 100V，負(fù)載中R= 2Q, L值極大,當(dāng)a = 30°

4、;時(shí)，要求：作出ud、id、和i2的波形； 求整流輸出平均電壓 Ud、電流Id，變壓器二次電流有效值I2 ； 考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。 解：Ud、id、和i2的波形如下圖：輸出平均電壓Ud、電流Id,變壓器二次電流有效值 J分別為Ud= 0.9 U2 cosa = 0.9X 100X COS30 = 77.97 (V)Id= Ud / R= 77.97/ 2= 38.99 (A)I2= Id = 38.99 (A)晶閘管承受的最大反向電壓為：后 U2 = 100V2 = 141.4 (V)考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為：UN=( 23)X 141.4= 283424 (

5、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：Ivt = Id/ wS = 27.57 (A)晶閘管的額定電流為：In =( 1.52)X 27.57/ 1.57= 2635 (A) 具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。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E=60V，當(dāng)=30時(shí)，要求： 作出Ud、id和i2的波形； 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I 2；考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。解：Ud、id和i2的波形如下圖： 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 分別為Ud =

6、 09 U2 cosa= 0.9X 100x cos30 = 77.97(A)Id = (Ud E)/R= (77.97 60)/2= 9(A)I2= Id = 9(A) 晶閘管承受的最大反向電壓為：V2 U2= 100桓=141.4 (V)流過每個(gè)晶閘管的電流的有效值為：IVT = I d / 運(yùn)=6.36 (A)故晶閘管的額定電壓為：Un= (23)x 141.4= 283424 (V)晶閘管的額定電流為：IN= (1.52)x 6.36/ 1.57= 68 (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。6.晶閘管串聯(lián)的單相半控橋(橋中VTVT2為晶閘管)，電路 如圖2-

7、11所示，U2=100V，電阻電感負(fù)載，R=2 Q, 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、"、iD的波形。解：Ud、id、ivT、i。的波形如下圖：負(fù)載電壓的平均值為：Ud - 2U2Sin td( t) =0.9U2 1 C°S(=67.5 (V)兀；2負(fù)載電流的平均值為:Id= Ud / R= 67.52/ 2= 33.75 (A)流過晶閘管VTVT2的電流有效值為：Ivt = 3 Id = 19.49 (A)流過二極管VD3、VD4的電流有效值為:Ivd = y- Id = 27.56 (A)11.三相半波可控整流電路，U2=100V

8、，帶電阻電感負(fù)載，R=5Q, L值極大，當(dāng)=60時(shí)，要求： 畫出Ud、id和ivT1的波形； 計(jì)算 Ud、Id、IdT 和 IVT。 解：Ud、id和ivTi的波形如下圖：Ud、Id、IdT和I VT分別如下Ud= 1.17U2COS： = 1.17X 100XCOS60 = 58.5 (V)Id= Ud/ R = 58.5/5= 11.7 (A)IdVT = Id/ 3 = 11.7/3= 3.9 (A)IVT = Id / 3 = 6.755 (A)13.三相橋式全控整流電路，U2=100V，帶電阻電感負(fù)載，R=5 Q, L值極大，當(dāng)=60時(shí)，要求： 畫出、id和iVT1的波形； 計(jì)算 U

9、d、Id、IdT 和 IvT。 解：訕、id和ivT1的波形如下：Ud、Id、IdT和I VT分別如下Ud= 234U2COS = 2.34X 100Xcos6(° = 117 (V)Id= Ud/ R= 117/ 5= 23.4 (A)I dvt = Id/ 3= 23.4/ 3= 7.8 (A)IVT = I d / 3 = 23.4/ 3 = 13.51 (A)14.單相全控橋，反電動(dòng)勢阻感負(fù)載， R=1Q, L=, E=40V, U2=100V, Lb=0.5mH，當(dāng)=60 :時(shí)求Ud、Id與二的數(shù)值，并畫出整 流電壓Ud的波形。解：考慮Lb時(shí)，有：Ud= 0.9U2COSa

10、A Ud Ud= 2XbI d /nId=( Ud E)/ R解方程組得：Ud=(n R 0.96cos況 + 2XBE)/(n R+ 2Xb) = 44.55 (V) Ud = 0.455 (V)Id= 4.55 (A )又Tcos： cos(=') = 2 IqXb / U2即得出cos(60) =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：15. 三相半波可控整流電路，反電動(dòng)勢阻感負(fù)載，U2=100V , R=1Q, L=, LB=1mH，求當(dāng)=30 時(shí)、E=50V 時(shí) Ud、Id、的值 并作

11、出Ud與ivT1和iVT2的波形。解：考慮Lb時(shí)，有：Ud = 1.17U2COSa Ud Ud= 3XbI d / 2 nId=( 5 E)/ R解方程組得：Ud=(n R 1.176COS況 + 3XbE)/( 2n R+ 3Xb)= 94.63 (V) Ud = 6.7 (V) Id = 44.63 (A)又Tcost cos(-：i b "') = 2 Id Xb / '.6 U2即得出cos(30)=0.752換流重疊角? = 41.28° ? 30° =11.28°ud、iVT1和iVT2的波形如下：16. 三相橋式不可控整流

12、電路，阻感負(fù)載，R=5Q, L= U2=220V , Xb=0.3Q, 求 Ud、Id、Ivd、I2 和二的值并作出 、加和 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 = 2.34U2COSa Ud Ud= 3XbI d /nId= Ud/R解方程組得：Ud= 2.346cos況 /(1 + 3XB/n R)= 486.9 ( V)Id = 97.38 (A)又COS二COS(_：i'') = 2 Id XB /、6 U2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

13、Ivd = Id / 3= 97.38/ 3= 32.46(A)2a =ld= 79.51 (A)Ud、iVD1和i2a的波形如下：17.三相全控橋，反電動(dòng)勢阻感負(fù)載， E=200V, R=1Q, L=乂, U2=220V, =60 :，當(dāng)Lb=0和LB=1mH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：當(dāng)Lb = 0時(shí)：Ud= 2.34U2cosa= 2.34X 220x cos60 = 257.4 (V)ld =( Ud E)/ R=( 257.4 200)/ 1 = 57.4 ( A)當(dāng)Lb = 1mH時(shí)Ud = 2.34U2COSa Ud Ud= 3X

14、bI d /nld=( Ud E)/ R解方程組得:Ud=( 2.34 n U2R cosu+ 3XbE)/5 R+ 3Xb) = 244.15 (V)Id = 44.15 (A) Ud = 13.25 (V)又T cos： cosp " :) = 2XbId/U2cos(60 ) = 0.4485Y= 63.35° 60°= 3.35°Ud、l VT1和IvT2的波形如下：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

15、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； 當(dāng)變壓器二次電壓有效值 U2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Id是三相橋 式電路的2倍。 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ud和整流電流id的波形形狀一樣。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 對電網(wǎng)的干擾。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

16、整流電路的交流輸入電流中含有11次、13次、23次、25次等即12k?1、( k=1, 2, 3 )次諧波，整流輸出電壓中含 有12、24等即12k (k=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24k 1 (k=1, 2, 3 -)次諧波，整流輸出電壓中含有 24、48 等即 24k (k=1, 2, 3 )次諧波。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： 直流側(cè)要有電動(dòng)勢，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； 要求晶閘管的控制角a >n /2，使Ud為負(fù)值。27. 三相

17、全控橋變流器，反電動(dòng)勢阻感負(fù)載，R=1Q, L=, 6=220V, LB=1mH，當(dāng) Em= - 400V, =60:時(shí)求 5、Id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= 2.34U2cos(% ?B) Ud Ud= 3XBI d /n Id=( Ud Em) / R 三式聯(lián)立求解，得Ud= 234n U2R cosn * ) + 3XbEm/ (n R+ 3Xb)= 2903 (V )Id = 109.7 (A)由下式可計(jì)算換流重疊角：cos。 cos® + 了)= 2XBld/ 后U2 = 0.1279cos(120)= ：06279Y =

18、 128.90 120： = 8 90：送回電網(wǎng)的有功功率為p=IEMid |-i2r =400x 1097-109.hx 1097X 1=31.85(W)28.單相全控橋，反電動(dòng)勢阻感負(fù)載，R=1Q, L=s, U2=100V,L=0 5mH，當(dāng) Em= - 99V， =60 :時(shí)求 Ud、Id 和二的值。解：由題意可列出如下3個(gè)等式：Ud= 0.9U2COsn - B ) Ud Ud= 2XbI d /n Id=( Ud Em ) / R 三式聯(lián)立求解，得Ud= n R 0.9U2COS(% - B ) + 2XbEm/(% R+ 2Xb)= 49.91 (V) Id = 49.09 (A

19、)又Tcos: cosC：；'*) = . 2 I dXB / U2=0.2181即得出cos(120) = - 0.7181換流重疊角? = 135.9° ? 120° =15.9°29.什么是逆變失敗？如何防止逆變失敗？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)勢變 為順向串聯(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B等第5章 直流-直流變流電

20、路2.在圖5-1a所示的降壓斬波電路中，已知 E=200V, R=10Q, L值極大，Em=30V , T=50 s, t°n=20u s,計(jì)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(fù)載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為U 如丘=匹倒0 =80(V)T50輸出電流平均值為Io = UoREM = 801030 =5（A）5 .在圖5-2a所示的升壓斬波電路中，已知 E=50V, L值和C值極 大，R=20 Q,采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng) T=40a s, ton=25 s時(shí)， 計(jì)算輸出電壓平均值U。，輸出電流平均值I。解：輸出電壓平均值為：Uo =二 e 二50=1

21、33.3(V)toff40 - 25輸出電流平均值為：I o = u=133：3=6.667(A)R 206. 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(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 h，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?？梢?，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uL對時(shí)間的積分為零， 即當(dāng)V處于通態(tài)期間，Ul = E;而當(dāng)V

22、處于斷態(tài)期間，Ul = - u。 于是：所以輸出電壓為：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)0v：vl/2時(shí)為降壓，當(dāng)1/2：1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)，ELi V回路和R L2CV回路分別流過電流。當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)，E Li CVD 回路和RL2VD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 5-5b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Uc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Ub=0, A點(diǎn)電壓Ua= - uc；相反，當(dāng)S合到A

23、點(diǎn)時(shí)，Ub= Uc, Ua=0。因此，B點(diǎn)電壓Ub的平均值為Ub =T.Uc （Uc 為電容電壓Uc的平均值），又因電感Li的電壓平均值為零，所以 E=Ub=¥uc。另一方面，A點(diǎn)的電壓平均值為Ua=半U(xiǎn)c，且L2 的電壓平均值為零，按圖5-5b中輸出電壓U。的極性，有Uo-Uc。 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，有利于對輸入、輸出進(jìn)行濾波。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

24、輸出關(guān)系。解：Sepic電路的原理圖如下：Sepic斬波電路在V導(dǎo)通ton期間，Uli=EUl2= Uci在V關(guān)斷t off期間Uli = E：Uo :UciUl2=:Uo當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感 Li、L2的電壓平均值均為零，則下 面的式子成立E t on + （ E：Uo：Uci） t off =0Uci t on ' Uo t off =0由以上兩式即可得出uo二如 EtoffZeta電路的原理圖如下：在V導(dǎo)通ton期間，Uli二 EUl2= E：Uci：Uo在V關(guān)斷t off期間Uli =UciUL2=:Uo當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感 Li、L2的電壓平均值均為零，則下 面的式子

25、成立E t on + UC1 t off =0(E . Uo . Uci) t on . Uo t off =0由以上兩式即可得出uo二如 Etoff8. 分析圖3-7a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VDi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VD2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)殡娔芊答伒诫娫矗?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：V導(dǎo)通，電源向負(fù)載供電：V i關(guān)斷，VD續(xù)流：V 2導(dǎo)

26、通，L上蓄能：V 2關(guān)斷，VD導(dǎo)通，向電源回饋能量第6章交流-交流變流電路3.交流調(diào)壓電路和交流調(diào)功電路有什么區(qū)別？二者各運(yùn)用于什 么樣的負(fù)載？為什么？ 答：交流調(diào)壓電路和交流調(diào)功電路的電路形式完全相同，二者的區(qū) 別在于控制方式不同。交流調(diào)壓電路是在交流電源的每個(gè)周期對輸出電壓波形進(jìn)行控 制。而交流調(diào)功電路是將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)周波，再斷開幾 個(gè)周波，通過改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消 耗的平均功率。交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制(如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制) 及異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)，也用于異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。在供用電系統(tǒng)中， 還常用于對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。此外，在高電壓小電流或低電

27、壓 大電流直流電源中，也常采用交流調(diào)壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。 如采用晶閘管相控整流電路，高電壓小電流可控直流電源就需要很 多晶閘管串聯(lián)；同樣，低電壓大電流直流電源需要很多晶閘管并聯(lián)。這都是十分不合理的。采用交流調(diào)壓電路在變壓器一次側(cè)調(diào)壓，其 電壓電流值都不太大也不太小，在變壓器二次側(cè)只要用二極管整流 就可以了。這樣的電路體積小、成本低、易于設(shè)計(jì)制造。交流調(diào)功電路常用于電爐溫度這樣時(shí)間常數(shù)很大的控制對象。由于控制對象的時(shí)間常數(shù)大，沒有必要對交流電源的每個(gè)周期進(jìn)行頻 繁控制。6.交交變頻電路的最咼輸出頻率是多少？制約輸出頻率提咼的因 素是什么？答：一般來講，構(gòu)成交交變頻電路的兩組變流電路的脈波數(shù)越多， 最高輸出頻率就越高。當(dāng)交交變頻電路中采用常用的6脈波三相橋式整流電路時(shí)，最高輸出頻率不應(yīng)高于電網(wǎng)頻率的 1/31/2。當(dāng)電網(wǎng) 頻率為50Hz時(shí)，交交變頻電路輸出的上限頻率為 20Hz左右。當(dāng)輸出頻率增高時(shí)，輸出電壓一周期所包含的電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴(yán)重，電壓波形畸變和由此引起的電流波形畸變以及 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是限制輸出頻率提高的主要因素。7.交交變頻電路的主要特點(diǎn)和不足是什么？其主要用途是什么