電力電子變流技術(shù)課后第4章

1、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(jìn)行逆變工作？解：逆變電路必須同時(shí)具備下述兩個(gè)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的直流電源電勢(shì)Ed,其極性應(yīng)與晶閘管的導(dǎo)電電流方向一致。2.變流電路輸出的直流平均電壓Ud的極性必須為負(fù)（相對(duì)于整流時(shí)定義的極性），以保證與直流電源電勢(shì)Ed構(gòu)成同極性相連，且滿足Ud90的情況。單相橋式（二極管）整流電路是ACDC變換電路，是單純的整流電路，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a=0時(shí)的情況。不是所有的整流電路都可以用來(lái)作為逆變電路。例如，單相、三相半控橋式變流電路，帶續(xù)流二極管的變流電路都只能工作

2、于整流狀態(tài)，不能用來(lái)作為逆變電路。4-3逆變電路工作時(shí)為什么會(huì)產(chǎn)生短路事故？解：變流器工作在逆變狀態(tài)時(shí)，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(shí)，都有可能發(fā)生換相失敗，將使變流器輸出的直流電壓Ud進(jìn)入正半周范圍,Ud的極性由負(fù)變正，與直流側(cè)直流電源電勢(shì)Ed形成順向串聯(lián)，造成短路事故（因逆變電路的內(nèi)阻R很?。＿@種情況稱為逆變失敗。或稱為逆變顛覆。4-4.為什么要限制逆變角的最小值min?選擇min值時(shí)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，必須限制逆變角的最小值Bmin。最小逆變角min的選取要考慮三個(gè)因素，即換相重疊角丫；晶閘管關(guān)斷時(shí)間toff對(duì)應(yīng)的電角

3、度B；安全裕量角00。故有BminY+S+Oo4-5.在圖4-2 (c)中，當(dāng)a 90時(shí)，為什么必須 日U才能正常逆變工作，日與U間的差值由何因素決定。如果 E=U和E90 ,必須EU時(shí)，才能滿足逆變工作條件。只有當(dāng)EU時(shí)，變流電路直流側(cè)的電源電勢(shì) Ed才能提供逆變能量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有源逆變。日與U間的差值由主電路所限制的電流的大小決定，即通過(guò)控制角a(逆變控制角3 )的大小來(lái)確定。EfU時(shí)，變流電路將處于等待狀態(tài)，EdUd時(shí)，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=0.2Q ,l=8。試求當(dāng)電動(dòng)機(jī)起重重物時(shí)，負(fù)載電流Id=

4、200A且反電勢(shì)Ed=180V時(shí)，變流電路的控制角a應(yīng)為何值？變流電路處于什么工作狀態(tài)?解:,UdEddRUd=IdR+Ed=200 X 0.2+180=220(V)U d 0.9U 2 cosUd cos 0.9U22200.8730.9 28029由于aEd,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(dòng)機(jī)降落重物時(shí)起制動(dòng)作用的負(fù)載電流Id=200A,與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的反電勢(shì)Ed為180V,試求此時(shí)的變流器控制角應(yīng)為何值？并分析其能量傳輸關(guān)系。解:則Ud= IdR+Ed=200 X 0.2 180= 140VUd0.9U2coscosUd 1400.9U20.9

5、2800.5556124由于一，UdEd,則變流電路處于有源逆變工作狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行,2輸出的直流電能通過(guò)變流器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔芊此徒o電網(wǎng)。4-8.試?yán)L出單相和三相全控橋式逆變電路當(dāng)3=45。時(shí)的輸出電壓波形、晶閘管的電流波形、以及晶閘管V11的端電壓波形，并分析晶閘管承受電壓的情況(設(shè)L=8)。解：?jiǎn)蜗嗳貥蚴降妮敵鲭妷翰ㄐ巍⒕чl管的電流波形、以及晶閘管V11的端電壓波形參閱教材P66中的圖4-2(c)。由于L=8,晶閘管的電流波形可畫成180的矩形波。晶閘管的導(dǎo)通角為0=180。，此期間兩端電壓近似為零，關(guān)斷后的B角對(duì)應(yīng)期間承受反向電壓，之后的a角對(duì)應(yīng)期間承受正向電壓。三相全控橋式逆

6、變電路的輸出電壓波形、晶閘管的電流波形、以及晶閘管V11的端電壓波形參閱教材P74中的圖4-5的中間3=45的一段。由于L=oo,晶閘管的電流波形可在該導(dǎo)通期間畫成120。的矩形波。晶閘管的導(dǎo)通角為0=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的線電壓各120。例如，A相共陰極組晶閘管V11,導(dǎo)通的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Uac120o其中關(guān)斷后的3角對(duì)應(yīng)期間承受線電壓UAB首先是反向電壓。逆變電路中，晶閘管在關(guān)斷后的角對(duì)應(yīng)期間承受的是反向電壓，其余絕大部分時(shí)間均承受正向電壓。4-9.在圖4-5的三相橋式

7、電路中，設(shè)交流電源線電壓有效值U2i=200V,L=8,R=1.5Qo如要求電動(dòng)機(jī)在制動(dòng)過(guò)程中保持制動(dòng)電流Id=10A恒定不變，試問(wèn)：當(dāng)電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)Ed=200V時(shí)，逆變角應(yīng)為何值？當(dāng)Ed降至于100V、50V、0V時(shí)逆變角分別應(yīng)為何值？解:IdUdEdR當(dāng) Ed=- 200V 時(shí),則Ud=IdR+Ed=10 X 1.5 200= 185VUd 2.34U2 cos2.34U 2 cos 1.35U2LcoscosU1-1.35U2L1851.35 2000.685247當(dāng)Ed=-100V時(shí),Ud=IdR+Ed=10X1.5100=85V當(dāng) Ed= 50V 時(shí),Ud 2.34U 2 cos2.

8、34U 2 cos1.35U 2L coscosUd851.35U2L1.35 2000.314872Ud=IdR+Ed=10X1.550=35VUdcos2.34U 2 cos Ud2.34U 2 cos351.35U 2L cos1.35U2L1.35 2000.129683當(dāng)Ed逐漸下降至0V時(shí)，電路電流Id亦將下降為0A,因而Ud=0V,則3=90,此時(shí)電流電路輸出電壓的正負(fù)面積相等。4-10.試列舉三種產(chǎn)生逆變失敗的情況，并說(shuō)出應(yīng)注意哪些安全保護(hù)措施。解：1.產(chǎn)生逆變失敗的情況主要有以下幾個(gè)方面：(1)觸發(fā)電路工作不可靠觸發(fā)電路不能及時(shí)、準(zhǔn)確地為各晶閘管提供脈沖，如丟失脈沖或脈沖延遲

9、等，均能導(dǎo)致?lián)Q相失常或換相失敗，參閱教材P72中的圖4-4(b)和(c)。脈沖延遲即使不出現(xiàn)圖4-4(c)的嚴(yán)重情況，也將使逆變角3過(guò)小，導(dǎo)致?lián)Q相時(shí)間不足，產(chǎn)生逆變失敗。所謂換相時(shí)間，即是需被關(guān)斷的晶閘管承受反壓的時(shí)間，即逆變角3區(qū)間所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，如果這個(gè)時(shí)間短了，晶閘管承受的反壓時(shí)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(jì)電路時(shí)參數(shù)選擇不當(dāng)，以致出現(xiàn)晶閘管該阻斷時(shí)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，交流電源的突然停電或缺相，由于直流電勢(shì)Ed的存在，原來(lái)導(dǎo)通的晶閘管仍會(huì)導(dǎo)通，但此時(shí)變流電路交流側(cè)已失去

10、了同直流電勢(shì)極性相反的交流電壓，直流電勢(shì)將通過(guò)晶閘管短路，或原來(lái)導(dǎo)通的晶閘管使Ud進(jìn)入導(dǎo)通相的正半周(缺相時(shí))極性變正，造成逆變失敗。2.逆變失敗將造成嚴(yán)重的后果，應(yīng)采取的安全保護(hù)措施如下:(1)正確選擇晶閘管參數(shù)和緩沖保護(hù)電路(2)正確設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的觸發(fā)電路例如具有不丟脈沖，最小逆變角Bmin限制、抗干擾能力強(qiáng)等性能。(3)設(shè)置完善的系統(tǒng)保護(hù)裝置例如能對(duì)系統(tǒng)過(guò)流、過(guò)壓、交流電源缺相、欠壓、斷電等故障及時(shí)檢測(cè)，并采取相應(yīng)的保護(hù)操作。4-11.換流重疊角的產(chǎn)生給逆變電路帶來(lái)哪些不利影響？解：由于變壓器漏感和線路電感等因素的影響，晶閘管的換流(換相)不能瞬時(shí)完成，均需一定的時(shí)間即換相重疊角丫所對(duì)應(yīng)

11、的時(shí)間。如果逆變角3丫，將使換相不能完成，造成逆變失敗。4-12.單相全控橋反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載,R=1Q , L=巴U2=100V,當(dāng) Ed= 99V, 3=60時(shí)，求Ud、Id的數(shù)值。解:Ud 0.9U2 cos0.9U 2 cos0.9 100 cos6045(V)Ed45 9954 (A)4-13.三相半波變流電路，反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載,L= , U2=100V ,當(dāng) Ed=-150V,30時(shí)，求Ud、Id的數(shù)值。解:Ud 1.17U 2 cos1.17U 2 cos1.17100 cos30 101(v) Ud EdI d RUd EdR257.4 4001142.6 (A)10115049

12、(A)14-14.三相全控橋式變流電路，反電動(dòng)勢(shì)阻感負(fù)載，R=1Q,L=oo,u2=220V,當(dāng)Ed=400V,3=60。時(shí)，求Ud、Id的數(shù)值。此時(shí)送回電網(wǎng)的平均功率為多少？解：Ud2.34U2cos2.347U2cos2.34220cos60257.4(V)由于L=8,輸出電流有效值(忽略諧波)I =I d網(wǎng)惻有功功率為PdI2RIdEd=142.621142.640036705.24（w）36.7（KW）送回電網(wǎng)的平均功率為36.7（KW）4-15.三相橋式變流電路，已知U2l=230V,反電勢(shì)阻感負(fù)載，主回路R=0.8Q,L=oo,假定電流連續(xù)且平滑，當(dāng)EF-290V,3=30。時(shí)，計(jì)

13、算輸出電流平均值、輸出電流有效值（忽略諧波）、晶閘管的電流平均值和有效值。解：Ud 2.34U2 cos2.34U2 cos1.35U2L cos1.35 230 cos30269(V)輸出電流平均值IdUdEdR2690.829026 (A)輸出電流有效值I.IdINId26(A)n1晶閘管的電流平均值為11IV1AR7d268.67(A)33晶閘管電流有效值為IV1Id15(A)4-16.試敘述反并聯(lián)（雙重）變流電路的四象限運(yùn)行條件。解：反并聯(lián)（雙重）變流電路參閱教材P69中的圖4-3（a）。其四象限運(yùn)行條件如下：第一象限，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)作電動(dòng)運(yùn)行，變流器1工作在整流狀態(tài)，a1兀/2,Ed兀/

14、2,EdUd2。此時(shí)Ud2Ed的極性均為上正下負(fù)，電動(dòng)機(jī)供出電能，經(jīng)變流器2回饋給電網(wǎng)。第三象限，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)作電動(dòng)運(yùn)行，變流器時(shí)， Ud2、 Ed 的極性均為上負(fù)下正，電網(wǎng)經(jīng)變流器電壓和電流方向均與第一象限運(yùn)行時(shí)相反。第四象限，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)作發(fā)電運(yùn)行，變流器2工作在整流狀態(tài)，a2兀/2,Ed兀/2,EdUdi,此時(shí)，Ud1、Ed的極性均為上負(fù)下正，電動(dòng)機(jī)供出電能，經(jīng)變流器1回饋給電網(wǎng)。流過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流與第二象限工作時(shí)相反。可見(jiàn)，由反并聯(lián)（雙重）變流電路控制的可逆系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)從電動(dòng)運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電制動(dòng)運(yùn)行，由于電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向不變，故電動(dòng)機(jī)電勢(shì)Ed的方向不變，相應(yīng)工作于整流和逆變狀態(tài)的變流器不能在

15、同一組全控橋內(nèi)實(shí)現(xiàn)。具體地說(shuō)，由一組橋整流，電網(wǎng)供出能量使電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，逆變必須通過(guò)反并聯(lián)的另一組橋來(lái)實(shí)現(xiàn)，將電動(dòng)機(jī)作發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行產(chǎn)生的直流電能回饋給電網(wǎng)。4-17試指出晶閘管相控變流器的主要特征。解：幾種典型晶閘管相控變流器的主要特征如下：接續(xù)流二極管的單相半波可控變流電路一一脈動(dòng)頻率為fs;可工作于第一象限接續(xù)流二極管的單相半控橋式變流電路一一脈動(dòng)頻率為2fs；可工作于第一象限單相全控橋式變流電路一一脈動(dòng)頻率為2fs；可工作于第一象限和第四象限單相反并聯(lián)（雙重）全控橋式變流電路一一脈動(dòng)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(dòng)頻率為3fs；可和第四象限接續(xù)流二極

16、管的三相半控橋式變流電路一一脈動(dòng)頻率為3fS；可工作于第一象限三相全控橋式變流電路脈動(dòng)頻率為6fs；可工作于第一象限和第四象限三相反并聯(lián)（雙重）全控橋式變流電路一一脈動(dòng)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?jiàn)，接續(xù)流二極管的變流電路只能工作于第一象限。4-18試根據(jù)高壓直流輸電的功率流向，指出中間直流環(huán)節(jié)兩側(cè)變流器的工作狀態(tài)。解：高壓直流輸電系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)參閱教材P79中的圖4-6（a）。變流器I和變流器n均可根據(jù)功率的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a,使變流器I工作于整流狀態(tài)，變流器H工作于有源逆變狀態(tài)，Udi和a的極性均為上正

17、下負(fù)，且滿足UdiUd2O若使功率從右向左傳輸，則變流器n整流，變流器I逆變，Udi和Ud2的極性均為上負(fù)下正，且滿足Udi90。將變流器U拉入有逆變工作狀態(tài)，勵(lì)磁繞組內(nèi)儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能通過(guò)工作于有源逆變狀態(tài)的變流器，經(jīng)TF以電能形式反饋回電網(wǎng)。4-20試述過(guò)電壓保護(hù)的兩種基本方法。解：常用的抑制過(guò)電壓的基本方法有二種，即用非線性元件限制過(guò)電壓的幅值；用儲(chǔ)能元件吸收可能產(chǎn)生過(guò)電壓的能量，并用電阻將其消耗。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要視電路的不同部位的需要采用不同的方法，同一部位也可同時(shí)采用二種方法。4-21試說(shuō)明交流側(cè)阻容過(guò)電壓保護(hù)和非線性元件過(guò)電壓保護(hù)電路的幾種接線形式。解：交流側(cè)阻容保護(hù)電路連接方式參閱教材

18、P81中的圖4-8。圖4-8(a)為單相接法，圖4-8(b)和圖4-8(c)分別為三相形和形連接方法，圖4-8(d)為整流式接法。交流側(cè)非線性元件過(guò)電壓保護(hù)電路，如壓敏電阻保護(hù)電路參閱教材P82中的圖4-10，接線方式與圖4-8(a)、(b)、(c)相同。其他非線性元件保護(hù)的連接方法也都與此類同。4-22試述直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)電路的連接方法。解：直流側(cè)的過(guò)電壓保護(hù)，同樣可采用阻容保護(hù)和非線性元件保護(hù)方法，其連接位置為變流裝置的直流側(cè)的快速開(kāi)關(guān)或熔斷器FU之前，參閱教材P82中的圖4-11。圖4-11中的P和M之間即為阻容或非線性保護(hù)元件所連接的位置，圖中所連接的保護(hù)元件是壓敏電阻。4-23.試說(shuō)

19、明晶閘管關(guān)斷過(guò)電壓RC保護(hù)電路的原理。解：晶閘管在關(guān)斷過(guò)程中，電流從最大值很快下降為0，將在變壓器的漏電感Lc上產(chǎn)生很大的過(guò)電壓Lc.div/dt,作用在晶閘管上。并聯(lián)在每只晶閘管上的RC回路可抑制晶閘管的關(guān)斷過(guò)電壓。當(dāng)晶閘管關(guān)斷過(guò)程中，變壓器電流可以通過(guò)RC續(xù)流，減小了div/dt，從而抑制了過(guò)電壓。電阻可以限制晶閘管再導(dǎo)通時(shí)，電容c向晶閘管放電的電流上升率，并阻尼可能產(chǎn)生的Lc振蕩。4-24用作過(guò)電流保護(hù)的三種常用電器是什么？其速度的快慢有何差別。解：可用作過(guò)電流保護(hù)的三種常用電器有快速熔斷器、快速開(kāi)關(guān)和過(guò)流繼電器?？焖偃蹟嗥髁鬟^(guò)的電流越大，其熔斷時(shí)間越短，當(dāng)流過(guò)短路電流時(shí)，其熔斷時(shí)間可達(dá)5ms（目前最快的可達(dá)1ms量級(jí)）。在額定電流下，工作時(shí)不熔斷，可長(zhǎng)期工作?？焖匍_(kāi)關(guān)的全分?jǐn)鄷r(shí)間為10ms，只用于直流電路。過(guò)流繼電器的動(dòng)作時(shí)間一般為幾百毫秒（ms），分為直流和交流兩種。4-25試述反饋控制過(guò)電流保護(hù)電路的原理及特點(diǎn)？解：反饋控制過(guò)流保護(hù)原理框參閱教材P83中的圖4-12。正常工作時(shí)，電壓比較器整定為輸出高電平，控制變流裝置工作于90的整流工作狀態(tài)。當(dāng)變流器發(fā)