電力電子技術(shù)課后習(xí)題答案

電子電力課后習(xí)題答案（王兆安第五版）

機(jī)械工業(yè)出版社

第一章電力電子器件

1.1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：晶閘管承受正相陽極電壓，并在門極施加觸發(fā)電流（脈沖）。

或者UAK>0且UCK>0

1.2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?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。

1.3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均為

L,試計算各波形的電流平均值品、晨2、Id3與電流有效值L、【2、I3o

—rImsin(<yr)=—(―+1)?0.2717Im

解：a)I『2萬號2兀2

QmsinM2d(卬

Il=

—flmsinGTr^Cwr)=—+1)=0.5434Im

b)*號22

V2Im[3八/r…

(ImsinM2d(wf)--------J—I------x0.6741Im

2\42)

i左i

3萬

1.4.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I”、幾、L各為多

少?這時，相應(yīng)的電流最大值％、L、%各為多少？

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

?329.35

a)0.4767A,Li?0.2717Li?89.48A

b)l/0^741"232-90AI/0.5434/“「126.56A

"3=78.5

==

c)Im32I314Id3=4

1.5.GTO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)成兩個晶體管VI、V2,分

別具有共基極電流增益3和。2,由普通晶闡管的分析可得，al+a2=l是器件臨界導(dǎo)通的條

件。al+a2>l兩個等效晶體管過飽和而導(dǎo)通；al+a2Vl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，是因為GTO與普通晶閘管在設(shè)計和工

藝方面有以下兒點(diǎn)不同：

DGTO在設(shè)計時。2較大，這樣晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷；

2)GT0導(dǎo)通時。1+。2的更接近于1,普通晶閘管al+a2?1.5,而GTO則為

M+a2=L05,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。

1.6.如何防止電力MOSFET因靜電感應(yīng)應(yīng)起的損壞？

答：電力MOSFET的柵極絕緣層很薄弱，容易被擊穿而損壞。MOSFET的輸入電容是低泄漏

電容，當(dāng)柵極開路時極易受靜電干擾而充上超過±20的擊穿電壓，所以為防止MOSFET因靜電

感應(yīng)而引起的損壞，應(yīng)注意以下兒點(diǎn)：

①一般在不用時將其三個電極短接；

②裝配時人體、工作臺、電烙鐵必須接地，測試時所有儀器外殼必須接地；

③電路中，柵、源極間常并聯(lián)齊納二極管以防止電壓過高；

④漏、源極間也要采取緩沖電路等措施吸收過電壓。

1.7.IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET的驅(qū)動電路各有什么特點(diǎn)？

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

IGBT的驅(qū)動多采用專用的混合集成驅(qū)動器。

GTR驅(qū)動電路的特點(diǎn)是：驅(qū)動電路提供的驅(qū)動電流有足夠陡的前沿，并有一定的過沖,

這樣可加速開通過程，減小開通損耗；關(guān)斷時，驅(qū)動電路能提供幅值足夠大的反向基極驅(qū)動電

流，并加反偏截止電壓，以加速關(guān)斷速度。

GTO驅(qū)動電路的特點(diǎn)是：GTO要求其驅(qū)動電路提供的驅(qū)動電流的前沿應(yīng)有足夠的幅值

和陡度，且一般需要在整個導(dǎo)通期間施加正門極電流，關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，幅值和陡度要

求更高，其驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路，關(guān)斷驅(qū)動電路和門極反偏電路三部分。

電力MOSFET驅(qū)動電路的特點(diǎn)：要求驅(qū)動電路具有較小的輸入電阻，驅(qū)動功率小且電

路簡單。

1.8.全控型器件的緩沖電路的主要作用是什么?試分析RCD緩沖電路中各元件的作用。

答:全控型器件緩沖電路的主要作用是抑制器件的內(nèi)因過電壓,du/dt或過電流和di/dt,,

減小器件的開關(guān)損耗。

RCD緩沖電路中，各元件的作用是：開通時，Cs經(jīng)Rs放電，Rs起到限制放電電流的

作用；關(guān)斷時，負(fù)載電流經(jīng)VDs從Cs分流，使du/dt減小，抑制過電壓。

1.9.試說明IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

解:對IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET的優(yōu)缺點(diǎn)的比較如下表:

器件優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)

IGBT開關(guān)速度高，開關(guān)損開關(guān)速度低于電力

耗小，具有耐脈沖電流沖MOSFET,電壓，電流容量

擊的能力，通態(tài)壓降較不及GTOo

低，輸入阻抗高，為電壓

驅(qū)動，驅(qū)動功率小。

GTR耐壓高，電流大，開開關(guān)速度低，為電流

關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，驅(qū)動，所需驅(qū)動功率大，

飽和壓降低。驅(qū)動電路復(fù)雜，存在二次

擊穿問題。

GTO電壓、電流容量大，電流關(guān)斷增益很小，

適用于大功率場合，具有關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流

電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能大，開關(guān)速度低，驅(qū)動功

力很強(qiáng)。率大，驅(qū)動電路復(fù)雜，開

關(guān)頻率低。

電力MOSFET開關(guān)速度快，輸入阻電流容量小，耐壓

抗高，熱穩(wěn)定性好，所需低，一般只適用于功率不

驅(qū)動功率小且驅(qū)動電路超過10kW的電力電子裝

簡單，工作頻率高，不存置。

在二次擊穿問題。

1.10什么是晶閘管的額定電流？

答：晶閘管的額定電流就是它的通態(tài)平均電流，國標(biāo)規(guī)定：是晶閘管在環(huán)境溫度為40℃

和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫所允許的最大工頻正弦半波電流的平均值。

1.11為什么要限制晶閘管斷電電壓上升律du/dt?

答：正向電壓在阻斷狀態(tài)下，反向結(jié)工相當(dāng)?shù)囊粋€電容加在晶閘管兩端電壓上升率過大,

就會有過大的充電電流，此電流流過工，起到觸發(fā)電流的作用，易使晶閘管誤觸發(fā)，所以要限

制du/dto

1.12.為什么要限制晶閘管導(dǎo)通電流上升率di/dt?

答：在晶閘管導(dǎo)通開始時刻，若電流上升過快，會有較大的電流集中在門集附近的小區(qū)域

內(nèi)，雖然平均電流沒有超過額定值，但在小的區(qū)域內(nèi)局部過熱而損壞了晶閘管，所以要限制通

態(tài)di/dto

1.13電力電子器件工作時產(chǎn)生過電壓的原因及防止措施有哪些？

答：產(chǎn)生原因：

1、由分閘、合閘產(chǎn)生的操作過電壓；

2、雷擊引起的雷擊過電壓；

3、晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管換相過程中產(chǎn)生的換相電壓。

措施：

壓敏電阻，交流側(cè)RC抑制電路，直流側(cè)RC控制電路，直流側(cè)RC抑制電路，變壓器屏蔽

層，避雷器，器件關(guān)斷過電壓RC抑制電路。

第2章整流電路

2..1.單相半波可控整流電路對電感負(fù)載供電，L=20Mh,U2=100V,求當(dāng)。=0°時和60。時

的負(fù)載電流Id,并畫出。與L波形。

解：a=0。時，在電源電壓U?的正半周期晶閘管導(dǎo)通時，負(fù)載電感L儲能，在晶閘管開始

導(dǎo)通時刻，負(fù)載電流為零。在電源電壓的負(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U?的一個周期中下列方程成立：

L^~=41U2sincot

dt

考慮到初始條件：當(dāng)初=°時3=0可解方程：

TV2U、

L=-------2(1—costat)

dcdL

.1都JiU兀八x,,、

I,-——--------(1—cos&rt)d(ct)t)

2萬成

=22.51(A)

CDL

Ud與L的波形如下圖:

當(dāng)a=60。時，在小的正半周期60八180。期間，晶閘管導(dǎo)通使電感L儲能，電感L儲藏

的能量在U,負(fù)半周期180。~300。期間釋放，因此在U2的一個周期中60。~300。期間，下列微分

方程成立：

L^-=\I1U2sincot

dt

考慮到初始條件：當(dāng)初=60°時id=0可解方程得：

國2/1、

id=dt2

其平均值為

—L-------(—cos=----------11.25(A)

[=2%與o)L22twL

此時IL與"的波形如下圖：

2.2圖1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：

晶閘管承受的最大反向電壓為2后Ik

當(dāng)負(fù)載是電阻或電感時，其輸出電壓和電流的波形與單相全控橋時相同。

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問題。因為單

相全波可控整流電路變壓器二次側(cè)繞組中，在正負(fù)半周上下繞組中的電流方向相反，波形對稱,

其一個周期內(nèi)的平均電流為零，故不存在直流磁化的問題。

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)VT1導(dǎo)通時，晶閘管VT2通過VT1與2個變壓器二次繞組并

聯(lián)，所以VT2承受的最大電壓為2拒口。

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，對于電阻負(fù)載：

（0~。）期間無晶閘管導(dǎo)通，輸出電壓為0；（。~萬）期間，單相全波電路中VT1導(dǎo)通，單相全控

橋電路中VT1、VT4導(dǎo)通，輸出電壓均與電源電壓員相等；（萬~萬+。）期間均無晶閘管導(dǎo)通，

輸出電壓為0;（乃+a~2萬）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，輸出電壓等于一小。

對于電感負(fù)載：（a'+a）期間，單相全波電路中VT1導(dǎo)通，單相全控橋電路中VT1、

VT4導(dǎo)通，輸出電壓均與電源電壓U2相等；（乃+a~2萬+。）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-U2。

可見，兩者的輸出電壓相同，加到同樣的負(fù)載上時，則輸出電流也相同。

2.3.單相橋式全控整流電路，U2=100V,負(fù)載中R=20。，L值極大，當(dāng)a=30。時，要求:

①作出必、I、和L的波形；

②求整流輸出平均電壓小、電流I”變壓器二次電流有效值

③考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。

解：①5、1八和I?的波形如下圖：

Ud=0.9U2cos?=0.9X100Xcos30°=77.97(V)

Id=Ud/R=77.97/2=38.99(A)

I2=Id=38.99(A)

③晶閘管承受的最大反向電壓為：

V2U2=100V2=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：

IVT=Id/V2=27.57(A)

晶閘管的額定電流為：

IN=(1.5~2)X27.57/1.57=26^35(A)

具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。

2.4.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：

2.5.單相橋式全控整流電路，U2=100V,負(fù)載R=20Q,L值極大，反電勢E=60V,當(dāng)a=30。

時，要求：

①作出也、L和L的波形；；

②求整流輸出平均電壓小、電流口，變壓器二次側(cè)電流有效值I2；

③考慮安全裕量,確定晶閘管的額定電壓和額定電流。

解：①1、L和L的波形如下圖：

②整流輸出平均電壓Ud、電流Id、變壓器二次測電流有效值I分別為:

Ud=0.9U2cos?=0.9X100Xcos30°=77.97(V)

Id=(Ud—E)/R=(77.97一60)/2=9(A)

L=Id=9(A)

③晶閘管承受的最大反向電壓為：

V2U2=10072=141.4(V)

流過每個晶閘管的電流有效值為：

IVT=Id/V2=6.36(A)

故晶閘管的額定電壓為：

%=(2~3)X141.4=283~424(V)

晶閘管的額定電流為：

L=(l.5~2)X6.36/1.57=6~8(A)

晶閘管額定電壓和電流的具體敢值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。

2.6.晶閘管串聯(lián)的單相半控橋(橋中VT1、VT2為晶閘管)，電路如圖2所示，UklOOV電

阻電感負(fù)載,，R=20,L值很大，當(dāng)。=60。時求流過器件電流的有效值，并作出小、1八1小

L的波形。

解：必、L、卜、L)的波形如下圖：

1r廠l+cos(§)

-L叵U,sincotd(①t)=0.9U2-----------=67.59(V)

Uk乃與一2

負(fù)載電流的平均值為

Id=Ud/R=67.52/2=33.75(A)

流過晶閘管VT1、VT2的電流有效值為

=

IVT=V319.49(A)

流過二極管VD3、VD4的電流有效值為

Ivo=V3=27.56(A)

2.7.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)。=0°,當(dāng)負(fù)載為電阻時，叫的波形如下：

2.8.三相半波整流電路，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

電動勢相同，其分段布置及其矢量如圖所示，此時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：變壓器鐵心不會被直流磁化。原因如下：

變壓器二次繞組在一個周期內(nèi)，當(dāng)a&對應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通時，ai的電流向下流，C3的電流

向上流；當(dāng)cb對應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通時，G的電流向下流，bz的電流向上流；當(dāng)b?對應(yīng)的晶閘

管導(dǎo)通時，E的電流向下流，％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

時間（各為120。）有電流流過，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被直流磁化。

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

如果不是，它們在相位上差多少度？

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

不是同一點(diǎn)。它們在相位上相差180。。

2.10.有兩組三相半波可控整流電路，一組是共陰極接法，一組是共陽極接法，如果它們

的觸發(fā)角都是a,那么共陰極組的觸發(fā)脈沖與共陽極組的觸發(fā)脈沖對同一相來說，例如都是a

相，在相位上差多少度？

答：相差180。0

2.11.三相半波可控整流電路，U2=100V,帶電阻電感負(fù)載，R=50。，L值極大，當(dāng)a=60。

時，要求：

①畫出Ud、Id和Ln的波形；

②計算Ud、Id、IdT和q。

解：①Ud、L和Im的波形如下圖:

Ud=l.17U2COS?=1.17X100XCOS60°=58.5(V)

L=Ud/R=58.5/5=11.7(A)

Idvr=Id/3=ll.7/3=3.9(A)

IVT=L/百=6.755(A)

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

壓也波形如何？如果有一個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，整流電壓波形如下：

假設(shè)VT1被擊穿而短路，則當(dāng)晶閘管VT3或VT5導(dǎo)通時，將發(fā)生電源相間短路，使得VT3、

VT5也可能分別被擊穿。

2.13.三相橋式全控整流電路，U2=100V,帶電阻電感負(fù)載R=50C,L值極大，當(dāng)a=60。

時，要求:

①畫出11八L和Ln的波形

②計算Ud、Id、LT和IVT

Ud=2.34U2COS?=2.34X100XCOS60°=117(V)

Id=Ud/R=l17/5=23.4(A)

IM=Id/3=23.4/3=7.8(A)

IVT=L/百=23.4/6=13.51(A)

2.14.單相全控橋，反電動勢阻感負(fù)載，R=l。，L=8,E=40V,U2=100V,LB=0.5Mh,當(dāng)a=60。

時，求LUL與/的數(shù)值，并畫出整流電壓小的波形。

解：考慮LB時，有

Ud=0.9U2cosa_A&

△Ud=2X|jId/兀

I?=(U?-E)/R

由方程組得

Ud=(兀Rx0.9(72cosa+2XRE)/(成+2X^)=44.55(V)

\Ud=0.455(7)

Id=4.55(A)

又,:

cosa-cos(a+y)=42IdXB/U2

cos(600+/)=0.4798

換相重疊角7=61.33。-60。=1.33。

2.15.三相半波可控整流電路，反電動勢阻感負(fù)載，U2=100V,R=1Q,LB=lmH,求當(dāng)。=30。

時、E=50V時0、1八7的值并作出Ud與Ivn和Im的波形。

解：考慮LB時，有：

Ud=l.17U2cosa-AQ

△Ud=3XisId/27t

Id=(Ud-E)/R

解方程組得：

Ud=(成x1.17U2COSQ+3XBE)/(2兀R+3XB)=94.63(V)

△口=6.7(V)

L=44.63(A)

又因為：

cosa-cos(a+/)=2IdXe/46U2

即得出

cos(30。+/)=0.752

換相重疊角

/=41.28°-30°=11.28°

Ud與IvTl和IvT2的波形如下:

2.16.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？其中主要的是哪兒次？

答：單相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有2K(K=l、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2K+1(K=I、2,3……)次即奇次諧波，其中主

耍的有3次、5次諧波。

2.17.三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6K(K=l、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6K+1(K=1、2、3……)次的諧波，其中主要的

是5、7次諧波。

2.18.試計算第2.3題中L的3、5、7次諧波分量的有效值I.125,127

解：在第3題中己知電路為單相全控橋，其輸出電流平均值為

L=38.99(A)

于是可得：

[23=2后..萬=2亞X38.99/3萬=11.7(A)

[25=2后〃/54=2/X38.99/5%=7.02(A)

0=2而d/7乃=2&乂38.99/7%=5.01(A)

2.19.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)：

①三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U2相等時，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L是三相橋式電路的2倍。

③在兩種電路中，晶閘營的導(dǎo)通及觸發(fā)脈沖的分配關(guān)系是一樣的，整流電壓U”和整

流電流L的波形形狀一樣。

2.20.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。

2.21.十二脈波、二十四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

12K±1a=1,2,3....)次諧波，整流輸出電壓中含有12、24等即12K(K=l,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土1(K=1,2,3...)

次諧波，整流輸出電壓中含有24、48等即24K流=1,2,3...)次諧波。

2.22.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；

71

a>—

②要求晶閘管的控制角2使口為負(fù)值。

2.23.什么是逆變失敗？如何防止逆變失敗？

答：逆變運(yùn)行時，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勢變?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。

防止逆變夫敗的方法有：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尸等。

2.24.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，要求的晶閘管移相范圍分別是多少？

答：單相橋式全控整流電路，當(dāng)負(fù)載為電阻負(fù)載時;要求的晶閘管移相范圍是0~180。，

當(dāng)負(fù)載為電感負(fù)載時，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，要求的晶閘管移相范圍是0~120。，當(dāng)負(fù)

載為電感負(fù)載時，要求的晶閘管移相范圍是0~90。。

2.25.三相全控橋，電動機(jī)負(fù)載，要求可逆運(yùn)行，整流變壓器的接法是D/Y-5,采用NPN

鋸齒波觸發(fā)器，并附有滯后30°的R-C濾波器，決定晶閘管的同步電壓和同步變壓器的聯(lián)結(jié)

形式。

答：（1）考慮踞齒波底寬240°；

（2）信號Us.與對應(yīng)晶閘管陽極電壓UA同相，同步信號IL超前對應(yīng)晶閘管陽極電壓U30

（3）共陰極組：Y/Y-4、共陽極組:Y/Y-10

第3章直流斬波電路

1.簡述圖3Ta所示的降壓斬波電路工作原理。

答：降壓斬波器的原理是：在一個控制周期中，讓V導(dǎo)通一段時間空。，由電源E向L、

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

供電，Uo=0o?個周期內(nèi)的平均電壓尻*="。.物輸出電壓小于電源電壓，起到降壓的作用。

2.在圖3Ta所示的降壓斬波電路中，已知E=200V,R=10Q,L值微大，E=30V,T=50u

s,ton=20us,計算輸出電壓平均值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

輸出電流平均值為

：「M80-30

UE=5(A)

10

3.在圖3-la所示的降壓斬波電路中，E=100V,L=lmH,R=0.5Q,=10V,采用脈寬

調(diào)制控制方式，＞20us,當(dāng)孰=5NS時，計算輸出電壓平均值0。，輸出電流平均值,。，計算

輸出電流的最大和最小值瞬時值并判斷負(fù)載電流是否連續(xù)。當(dāng)*=3PS時，重新進(jìn)行上述計算。

解：由題目已知條件可得：

Eli%=（U（）-E）"o獷

A0.001

=0.002

R-0.5

當(dāng)心=5〃s時，有

^=1=0.01

T

次=立=0.0025

r

由于

arpi^0.0025i

e—I_e—1

=0.249>

p?0.01im

—1e—1

所以輸出電流連續(xù)。

4.簡述圖3-2a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，電源E向電感L充電,

充電電流基本恒定為人，同時電容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)的時間為口，此階段電感L上積蓄的能量為E/“，"。當(dāng)V處于斷態(tài)

時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)的時間為％r,則在此期間電

感L釋放的能量為（Uo-E）/15；當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積蓄的能量與釋

放的能量相等，即：

E，=（U「E）I%

化簡得：

rr"offrT

UQ=-----xE=-E

式中的輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。

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=20Q,采用脈寬

調(diào)制控制方式，當(dāng)T=40“s,%=25iis時，計算輸出電壓平均值0。，輸出電流平均值/。。

解：輸出電壓平均值為：

40

x50=133.3(V)

40-25

輸出電流平均值為:

U133.3

o=6.667(A)

~R~2Q

6.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，電源E經(jīng)V向電感L供電使

其貯存能量，此時電流為'；，方向如圖。3-4中所示。同時，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，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓4對時間的積分為零，即

[uLdt=0

當(dāng)V處于通態(tài)期間，%=E：而當(dāng)V處于斷態(tài)期間&=一旬。于是：

E-tim=U0-toff

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)0<a〈1/2時為

降壓，當(dāng)1/2〈夕<1時為升壓，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，E—4—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，后一4一C-回路和R-4-VD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《的脈動足夠小時;當(dāng)開關(guān)S合到B點(diǎn)時，B點(diǎn)電壓4=0,A

*（J。

點(diǎn)電壓相反，當(dāng)s合到A點(diǎn)時，％=°Mo因此，B點(diǎn)電壓向的平

U=-U

均值為BTc（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=UB=3U,UA=-^UCR

T。另一方面，A點(diǎn)的電壓平均值為T。，且右的電壓平均值為零，按圖

uQ=—uc

3—5b中輸出電壓Uo的極性，有T'。于是可得出輸出電壓Uo與電源電壓E的關(guān)系:

tta

U“=4E=-^—E=——E

toffT-ton1-a

兩個電路實現(xiàn)的功能是一致的，均可方便的實現(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)其輸入輸出關(guān)系。

解:Sepic電路的原理圖如下：

在V導(dǎo)通口期間，

Us

左V關(guān)斷?期間

I，1]=E—UQ_

UL2=一〃0

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

取所+(E-"o-=0

“Cl*=0

由以上兩式即可得出

Ua=^E

%

Zeta電路的原理圖如下:

在V導(dǎo)通著期間

為=E

uL2^E-ucl-u0

在V關(guān)斷力期間

UL\=k

42=io

當(dāng)電路工作穩(wěn)定時，電感4、4的電壓平均值為零，則下面的式子成立

Et。"+uc\tof/=。

(￡-w0-uC])ton-uotnff=0

由以上兩式即可得出

Un=^E

8.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，由電源向直流電動機(jī)供電，電

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

電能反饋到電源，使電動機(jī)作再生制動運(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：

乂導(dǎo)通，電源向負(fù)載供電:

匕關(guān)斷，VD,續(xù)流:

%也導(dǎo)通，L上蓄能:

%關(guān)斷，/2導(dǎo)通，向電源回饋能量

9.對于圖3-8所示的橋式可逆斬波電路，若需使電動機(jī)工作于反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，試分析此

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

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

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，電源向M供電，使其反轉(zhuǎn)電動，電流路徑如下圖：

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

10.多相多重斬波電路有何優(yōu)點(diǎn)？

答：多相多重斬波電路因在電源與負(fù)載間接入了多個結(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)載電流的脈動次數(shù)增加、脈動幅度減小，對輸入和輸出電流濾波更容易，濾

波電感減小。

此外，多相多重斬波電路還具有備用功能，各斬波單元之間互為備用，總體可靠性提

高。

第4章交流電力控制電路和交交變頻電路

4.1一臺調(diào)光臺燈由單相交流調(diào)壓電路供電，設(shè)該臺燈可看作電阻負(fù)載，在1=0。時輸出

功率為最大值，試求功率為最大輸出功率的80%、50%時的開通角。。

解：a=0。時的輸出電壓最大，為

2t/isin(vr)=Ux

兀《

Uotnax—

此時負(fù)載電流最大，為

Uomax

1。曲=RR

因此最大輸出功率為

Pmax-UomxIomax

輸出功率為最大輸出功率的80%時，有:

Pmax—Uomaxlomax—R

止匕時

Uo=J0.8Ui

又由

sin2an-a

---------+---------

Uo=U1V27r兀

解得

a=60.54°

同理，輸出功率為最大輸出功率的50%時，有:

Uo=?

又由

sin2aTI-a

---------+---------

Uo=uVInn

a=90。

4.2一單相交流調(diào)壓器，電源為工頻220V,阻感串聯(lián)作為負(fù)載，其中R=0.5Q,L=2mHo試

求：①開通角a的變化范圍；②負(fù)載電流的最大有效值；③最大輸出功率及此時電源側(cè)的功

率因數(shù)；④當(dāng)a=n/2時，晶閘管電流有效值、晶閘管導(dǎo)通角和電源側(cè)功率因數(shù)。

a)L2^x50x2xl0-3

(P=arctan——=arctan=D1Q

解：⑴R0.5

所以51.5°<?<180°

（2）a=8時，電流連續(xù)，電流最大且導(dǎo)通角。=兀

u、=u。

____2_2_0__

274A

[=ZJo.5?+(2^-x50x2xl0-3)2

⑶p=U。/。=220x274=60.3KW

__o_7t

a--

(4)由公式sin(a+e一°)=sin(a—e)etan^當(dāng)2時

_9

cos(^~(p)=es”°cos夕

對上式9求導(dǎo)

1--

-sin(9一①)=---------etan8cos(p

tan夕

則由sin2(6—°)+cos2(6一夕)=1得

*1

e.。(1+——)cos>-l

tan(p

0=-tannintan0=136°

sin6cos(2a+。+8)1人、

---------------------------=123(A)

cos。

UIU[o~~sin2a-sin(2a+29)八-

cosA=-OO=—o―=1---------------------------------=0.66

UJoU}\717t

4.3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)載與交流電源接通兒個波，再斷開兒個周波，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）及異步電動機(jī)的軟起

動，也用于異步電動機(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)計制造。

交流調(diào)功電路常用于電爐溫度這樣時間常數(shù)很大的控制對象。由于控制對象的時間常

數(shù)大，沒有必要對交流電源的每個周期進(jìn)行頻繁控制。

4.4.什么是TCR,什么是TSC?它們的基本原理是什么？各有何特點(diǎn)？

答：TCR是晶閘管控制電抗器。TSC是晶閘管投切電容器。

二者的基本原理如下：

TCR是利用電抗器來吸收電網(wǎng)中的無功功率（或提供感性的無功功率），通過對晶

閘管開通角角&的控制，可以連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器的電流，從而調(diào)節(jié)TCR從電網(wǎng)中吸收的無功

功率的大小。

TSC則是利用晶閘管來控制用于補(bǔ)償無功功率的電容器的投入和切除來向電網(wǎng)提供

無功功率（提供容性的無功功率）。

二者的特點(diǎn)是：

TCR只能提供感性的無功功率，但無功功率的大小是連續(xù)的。實際應(yīng)用中往往配以

固定電容器（FC）,就可以在從容性到感性的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率。

TSC提供容性的無功功率，符合大多數(shù)無功功率補(bǔ)償?shù)男枰?。其提供的無功功率不能連續(xù)

調(diào)節(jié)但在實用中只要分組合理，就可以達(dá)到比較理想的動態(tài)補(bǔ)償效果。

4.5單相交交變頻電路和直流電動機(jī)傳動用的反并聯(lián)可控整流電路有什么不同？

答：單相交交變頻電路和直流電動機(jī)傳動用的反并聯(lián)可控整流電路的電路組成是相同的，

均由兩組反并聯(lián)的可控整流電路組成。但兩者的功能和工作方式不同。

單相交交變頻電路是將交流電變成不同頻率的交流電，通常用于交流電動機(jī)傳動，兩組可

控整流電路在輸出交流電壓一個周期里，交替工作各半個周期，從而輸出交流電。

而直流電動機(jī)傳動用的反并聯(lián)可控整流電路是將交流電變?yōu)橹绷麟?，兩組可控整流路中哪

丁組工作并沒有像交交變頻電路那樣的固定交替關(guān)系，而是由電動機(jī)工作狀態(tài)的需要決定。

4.6.交交變頻電路的最高輸出頻率是多少?制約輸出頻率提高的因素是什么？

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，最高輸出頻率不應(yīng)高于電網(wǎng)頻率的

1/3~1/2。當(dāng)電網(wǎng)頻率為50Hz時，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，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機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。

4.7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？

答：交交變頻電路的主要特點(diǎn)是：

只用一次變流效率較高；可方便實現(xiàn)四象限工作，低頻輸出時的特性接近正弦波。

交交變頻電路的主要不足是：

接線復(fù)雜，如采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用36只晶閘管；受電網(wǎng)頻率和

變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低；輸出功率因數(shù)較低；輸入電流諧波含量大，頻譜復(fù)雜。

主要用途：500千瓦或1000千瓦以下的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路，如軋機(jī)主

傳動裝置、鼓風(fēng)機(jī)、球磨機(jī)等場合。

4.8,三相交交變頻電路有那兩種接線方式？它們有什么區(qū)別？

答：三相交交變頻電路有公共交流母線進(jìn)線方式和輸出星形聯(lián)結(jié)方式兩種接線方式。

兩種方式的主要區(qū)別在于：

公共交流母線進(jìn)線方式中，因為電源進(jìn)線端公用，所以三組單相交交變頻電路輸出端必須

隔離。為此，交流電動機(jī)三個繞組必須拆開，共引出六根線。

而在輸出星形聯(lián)結(jié)方式中，因為電動機(jī)中性點(diǎn)和變頻器中中性點(diǎn)在一起；電動機(jī)只引三根

線即可，但是因其三組單相交交變頻器的輸出聯(lián)在一起，其電源進(jìn)線必須隔離，因此三組單相

交交變頻器要分別用三個變壓器供電。

4.9.在三相交交變頻電路中，采用梯形波輸出控制的好處是什么？為什么？

答：在三相交交變頻電路中采用梯形波控制的好處是可以改善輸入功率因數(shù)。

因為梯形波的主要諧波成分是三次諧波，在線電壓中，三次諧波相互抵消，結(jié)果線電壓仍

為正弦波。在這種控制方式中，因為橋式電路能夠較長時間工作在高輸出電壓區(qū)域（對應(yīng)梯形

波的平頂區(qū)），。角較小，因此輸入功率因數(shù)可提高15%左右。

4.10..試述矩陣式變頻電路的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)。為什么說這種電路有較好的發(fā)展前

景？

答：矩陣式變頻電路的基本原理是：

對輸入的單相或三相交流電壓進(jìn)行斬波控制，使輸出成為正弦交流輸出。

矩陣式變頻電路的主要優(yōu)點(diǎn)是：輸出電壓為正弦波；輸出頻率不受電網(wǎng)頻率的限制；輸入

電流也可控制為正弦波且和電壓同相；功率因數(shù)為1,也可控制為需要的功率因數(shù)；能量可雙

向流動，適用于交流電動機(jī)的四象限運(yùn)行；不通過中間直流環(huán)節(jié)而直接實現(xiàn)變頻，效率較高。

矩陣式交交變頻電路的主要缺點(diǎn)是：所用的開關(guān)器件為18個，電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較

高，控制方法還不算成熟；輸出輸入最大電壓比只有0.866,用于交流電機(jī)調(diào)速時輸出電壓偏

低。

因為矩陣式變頻電路有十分良好的電氣性能，使輸出電壓和輸入電流均為正弦波，輸入功

率因數(shù)為1,且能量雙向流動，可實現(xiàn)四象限運(yùn)行；其次，和目前廣泛應(yīng)用的交直交變頻電路

相比，雖然多用了6個開關(guān)器件，卻省去直流側(cè)大電容，使體積減少，且容易實現(xiàn)集成化和功

率模塊化。隨著當(dāng)前器件制造技術(shù)的飛速進(jìn)步和計算機(jī)技術(shù)的日新月異，矩陣式變頻電路將有

很好的發(fā)展前景。

第5章逆變電路

5.1.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。

5.2.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,

可實現(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