電力電子變流技術(shù)課后答案第章

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E ，其極性應(yīng)與晶閘管的導(dǎo)電d電流方向一致。2. 變流電路輸出的直流平均電壓 U 的極性必須為負(fù)（相對于整流時(shí)定義的極性），以保d證與直流電源電勢 E 構(gòu)成同極性相連，且滿足 U 90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 =0時(shí)的情況。不是所有的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

2、極管的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(shí)為什么會產(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U 進(jìn)入正半周范圍，dU 的極性由負(fù)變正，與直流側(cè)直流電源電勢 E 形成順向串聯(lián)，造成短路事故（因逆變電路的dd內(nèi)阻 R 很?。?。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的最小值 min？選擇值時(shí)應(yīng)考慮哪些因素？min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。min最小逆變角 的選取要考慮三個(gè)因素，即min換相重疊角

3、 ；晶閘管關(guān)斷時(shí)間 t 對應(yīng)的電角度 ；off安全裕量角 。0故有 + +min0精選范本 .4-5在圖 4-2（c）中，當(dāng) 90時(shí),為什么必須 EU 才能正常逆變工作，E 與 U 間的dddd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dddd直流側(cè)的電源電勢 E 才能提供逆變能量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有源逆變。dE 與 U 間的差值由主電路所限制的電流的大小決定，即通過控制角 (逆變控制角 )的dd大小來確定。E=U 時(shí)，變流電路將處于等待狀態(tài)，EU 時(shí)，處于待逆變工作狀態(tài)。dddd4-6在圖 4-2 中，設(shè)交流電源變壓器二次電壓 U =2

4、80V，變流電路為單相全控橋式電2路，R=0.2 ,L=。試求當(dāng)電動機(jī)起重重物時(shí)，負(fù)載電流 I =200A 且反電勢 E =180V 時(shí)，變dd流電路的控制角 應(yīng)為何值？變流電路處于什么工作狀態(tài)？U EI d解：ddR則U =I R+E =2000.2+180=220（V）dddU 0.9U cosd2U220cos 0.873d0.9U 0.9 2802 29由于 E ，所以，變流電路處于整流工作狀態(tài)。dd4-7在題 4-6 所給電路條件下，設(shè)電動機(jī)降落重物時(shí)起制動作用的負(fù)載電流I =200A，與d電動機(jī)轉(zhuǎn)速對應(yīng)的反電勢 E 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d傳輸關(guān)系

5、。U EI d解：ddR則U =I R+E =2000.2180=140VdddU 0.9U cosd2U140cos 0.5556d0.9U 0.9 2802 124精選范本 .由于U E，則變流電路處于有源逆變工作狀態(tài)，電動機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行，2dd輸出的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出單相和三相全控橋式逆變電路當(dāng) =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=）。解：單相全控橋式的輸出電壓波形、晶閘管的電流波形、以及晶閘管V11 的端電壓波形參閱教材 P66 中的圖 4-2(c)。由于 L=，晶閘管的電流

6、波形可畫成 180的矩形波。晶閘管的導(dǎo)通角為 =180，此期間兩端電壓近似為零，關(guān)斷后的 角對應(yīng)期間承受反向電壓，之后的 角對應(yīng)期間承受正向電壓。三相全控橋式逆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 =45的一段。由于 L=，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 =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 u 120,轉(zhuǎn)而承受線電壓 u 120。其

7、中關(guān)斷后的ABAC 角對應(yīng)期間承受線電壓u 首先是反向電壓。AB逆變電路中，晶閘管在關(guān)斷后的 角對應(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 的三相橋式電路中，設(shè)交流電源線電壓有效值U =200V,L=，R=1.5。2l如要求電動機(jī)在制動過程中保持制動電流 I =10A 恒定不變，試問：當(dāng)電動機(jī)反電勢 E =dd200V 時(shí)，逆變角 應(yīng)為何值？當(dāng) E 降至于100V、50V、0V 時(shí)逆變角分別應(yīng)為何值？dU E解：IddRd當(dāng) E 200V 時(shí)，d則U =I R+E =101.5200=185VdddU 2.34U cos U 2.34 cos 1.35 cos

8、 Ud222LU185cos 0.6852d1.35U1.35 2002L 47當(dāng) E 100V 時(shí)，d精選范本 .則U =I R+E =101.5100=85VdddU 2.34U cos U 2.34 cos 1.35 cos Ud222LU85cos 0.3148d1.35U1.35 2002L 72當(dāng) E 50V 時(shí)，d則U =I R+E =101.550=35VdddU 2.34U cos U 2.34 cos 1.35 cos Ud222LU35cos 0.1296d1.35U1.35 2002L 83當(dāng) E 逐漸下降至 0V 時(shí)，電路電流 I 亦將下降為 0A，因而 U 0V，則

9、=90，此時(shí)ddd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 過小，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 區(qū)間所對應(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

10、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E 的存在，原來導(dǎo)d通的晶閘管仍會導(dǎo)通，但此時(shí)變流電路交流側(cè)已失去了同直流電勢極性相反的交流電壓，直流電勢將通過晶閘管短路，或原來導(dǎo)通的晶閘管使u 進(jìn)入導(dǎo)通相的正半周（缺相時(shí)）極性變d正，造成逆變失敗。精選范本 .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(3)設(shè)置完善的系統(tǒng)保護(hù)裝置限制、抗

11、干擾能力強(qiáng)等性能。min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(shí)檢測，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 所對應(yīng)的時(shí)間。如果逆變角 ，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=1 ，L=，U =100V，當(dāng) E =99V，2d=60時(shí)，求 U 、I 的數(shù)值。ddU 0.9U cos U 0.9 cos 0.9 100 cos 60 45解：(V)d22U E 45 99I 54(A)ddR1d4-13三相半

12、波變流電路，反電動勢阻感負(fù)載，R=1 ，L=，U =100V，當(dāng) E =2d150V， =30時(shí)，求 U 、I 的數(shù)值。dd解：U 1.17U cos 1.17 cos 1.17 100 cos 30U 101(V)d22U E101150I 49 (A)ddR1d4-14三相全控橋式變流電路，反電動勢阻感負(fù)載，R=1 ，L=，U =220V，當(dāng) E =2d400V， =60時(shí)，求 U 、I 的數(shù)值。此時(shí)送回電網(wǎng)的平均功率為多少？dd解：U 2.34U cos 2.347 cos 2.34 220 cos 60U 257.4(V)d22U E 257.4 400I 142.6 (A)ddR1d

13、由于 L=，輸出電流有效值（忽略諧波）精選范本 .I =Id網(wǎng)惻有功功率為 P I R I E 142.62 1142.6 400 36705.24(W)-2d=ddd36.7(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 U =230V，反電勢阻感負(fù)載，主回路 R =0.8 ，L=，2L假定電流連續(xù)且平滑，當(dāng) E =-290V，=30時(shí)，計(jì)算輸出電流平均值、輸出電流有效值d（忽略諧波）、晶閘管的電流平均值和有效值。解：U 2.34U cos 2.34U cos 1.35U cosd222L 1.35 230cos 30 269(V )輸出電流平均值U E 269

14、 290I d 26(A)ddR0.8輸出電流有效值I I I I 262d2N（）dn1晶閘管的電流平均值為11I I 26 8.67（）33V1ARd晶閘管電流有效值為1I V1I 15(A)d34-16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，電動機(jī)正轉(zhuǎn)作電動運(yùn)行，變流器1 工作在整流狀態(tài)， /2，E /2，E U 。此2dd2時(shí) U E 的極性均為上正下負(fù)，電動機(jī)供出電能，經(jīng)變流器2 回饋給電網(wǎng)。、d2d精選范本 .第三象限，電動機(jī)反轉(zhuǎn)作電動運(yùn)行，變流器2 工作在整流狀態(tài)， /2，E

15、/2，E U ，此1dd1時(shí)，U 、E 的極性均為上負(fù)下正，電動機(jī)供出電能，經(jīng)變流器1 回饋給電網(wǎng)。流過電動機(jī)的d1d電流與第二象限工作時(shí)相反。可見，由反并聯(lián)（雙重）變流電路控制的可逆系統(tǒng)中，電動機(jī)從電動運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電制動運(yùn)行，由于電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向不變，故電動機(jī)電勢E 的方向不變，相應(yīng)工作于整流和逆變d狀態(tài)的變流器不能在同一組全控橋內(nèi)實(shí)現(xiàn)。具體地說，由一組橋整流，電網(wǎng)供出能量使電動機(jī)作電動運(yùn)轉(zhuǎn)，逆變必須通過反并聯(lián)的另一組橋來實(shí)現(xiàn)，將電動機(jī)作發(fā)電制動運(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

16、路脈動頻率為f ；可工作于第一象限S接續(xù)流二極管的單相半控橋式變流電路脈動頻率為2f ；可工作于第一象限S單相全控橋式變流電路脈動頻率為 2f ；可工作于第一象限和第四象限S單相反并聯(lián)（雙重）全控橋式變流電路脈動頻率為2f ；可工作于第一、二、三、S四象限三相半波可控變流電路脈動頻率為 3f ；可和第四象限S接續(xù)流二極管的三相半控橋式變流電路脈動頻率為3f ；可工作于第一象限S三相全控橋式變流電路脈動頻率為 6f ；可工作于第一象限和第四象限S三相反并聯(lián)（雙重）全控橋式變流電路脈動頻率為6f ；可工作于第一、二、三、S四象限其中，f 為交流電源頻率。S可見，接續(xù)流二極管的變流電路只能工作于第一

17、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）。變流器和變流器均可根據(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，使變流器工作于整流狀態(tài)，變流器工作于有源逆變狀態(tài)，Ud1和 U 的極性均為上正下負(fù)，且滿足 U U 。若使功率從右向左傳輸，則變流器整流，變流d2d1d2器逆變，U 和 U 的極性均為上負(fù)下正，且滿足 U 90將變流器 U 拉入有逆變工作狀態(tài)，勵(lì)磁繞組內(nèi)儲存的磁場能通過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試述過電壓保護(hù)的兩種基

18、本方法。解：常用的抑制過電壓的基本方法有二種，即用非線性元件限制過電壓的幅值；用儲能元件吸收可能產(chǎn)生過電壓的能量，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試說明交流側(cè)阻容過電壓保護(hù)和非線性元件過電壓保護(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

19、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)過電壓保護(hù)電路的連接方法。解：直流側(cè)的過電壓保護(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試說明晶閘管關(guān)斷過電壓 RC 保護(hù)電路的原理。解：晶閘管在關(guān)斷過程中，電流從最大值很快下降為0，將在變壓器的漏電感 L 上產(chǎn)生c很大的過電壓 L .di /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)Cv斷過電壓。當(dāng)晶閘

20、管關(guān)斷過程中，變壓器電流可以通過RC 續(xù)流，減小了 di /dt，從而抑制了v過電壓。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。精選范本 .解：可用作過電流保護(hù)的三種常用電器有快速熔斷器、快速開關(guān)和過流繼電器?？焖偃蹟嗥髁鬟^的電流越大，其熔斷時(shí)間越短，當(dāng)流過短路電流時(shí)，其熔斷時(shí)間可達(dá)5ms(目前最快的可達(dá) 1ms 量級)。在額定電流下，工作時(shí)不熔斷，可長期工作?？焖匍_關(guān)的全分?jǐn)鄷r(shí)間為 10ms，只用于直流電路。過流繼電器的動作時(shí)間一般為幾百毫秒(ms)，分為直流和交流兩種。4-25試述反饋控制過電流保護(hù)電路的原理及特點(diǎn)？解：反饋控制過流保護(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