電力電子技術(shù)經(jīng)驗(yàn)王兆安第五版課后習(xí)題全部參考答案

電力電子技術(shù)

2-1與信息電子電路中的二極管相比，電力二極管具有怎樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)才使得其具有

耐受高壓和大電流的能力？

答：1.電力二極管大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，使得硅片中通過電流的有效面積增大，顯

著提高了二極管的通流能力。

2.電力二極管在P區(qū)和N區(qū)之間多了一層低摻雜N區(qū)，也稱漂移區(qū)。低摻雜N區(qū)由于

摻雜濃度低而接近于無摻雜的純半導(dǎo)體材料即本征半導(dǎo)體，由于摻雜濃度低，低摻雜N區(qū)

就可以承受很高的電壓而不被擊穿。

2-2.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)。或：uAK>0且uGK>0。

2-3.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。要使晶閘由導(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。

2-4圖2-27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(jì)算各波形的電流平均值L、Id2、1與電流有效值11、12、I3o

—「Imsin(&)=—(—+1)?0.27171m

解：山『2山2兀2

楞眇^曬“⑼空/+耳。47671m

JL「V4

1"Im

—LImsin{Dtd(wt)=——(A-/2---Fl)=0.54341m

b)Id2=^422

J-+—?0.674Um

j；(Imsin初)2[(皿)=

2V4l7i

2-5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L、L、L各為

多少這時(shí)，相應(yīng)的電流最大值L、1必、小各為多少

解：額定電流Ir（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

工—-—?329.35

a)Iml0.4767A,L產(chǎn)0.27171“產(chǎn)89.48A

?------?232.90A,八"a"1”:久人

b)111120.6741Id2?0.5434/?,2?12656A

-/?,3=78.5

c)321=31434

2-6GT0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(gè)晶體管VI、V2,

分別具有共基極電流增益和。2,由普通晶闡管的分析可得，肉+。2=1是器件臨界導(dǎo)通

的條件。?1+?2>1兩個(gè)等效晶體管過飽和而導(dǎo)通；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?yàn)镚TO與普通晶閘管在設(shè)計(jì)和工

藝方面有以下幾點(diǎn)不同：DGTO在設(shè)計(jì)時(shí)較大，這樣晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)

斷;2)GTO導(dǎo)通時(shí)al+的更接近于1,普通晶閘管al+a2之L的而GTO則為al+a2癡.05,

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(gè)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。

2-7與信息電子電路中的二極管相比，電力二極管具有怎樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)才使得它具有耐

受高電壓電流的能力？

答1.電力二極管大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，使得硅片中通過電流的有效面積增大，顯著

提高了二極管的通流能力。

2.電力二極管在P區(qū)和N區(qū)之間多了一層低摻雜N區(qū)，也稱漂移區(qū)。低摻雜N區(qū)由于

摻雜濃度低而接近于無摻雜的純半導(dǎo)體材料即本征半導(dǎo)體，由于摻雜濃度低，低摻雜N區(qū)

就可以承受很高的電壓而不被擊穿。

2-8試分析IGBT和電力MOSFET在內(nèi)部結(jié)構(gòu)和開關(guān)特性上的相似與不同之處

IGBT比電力MOSFET在背面多一個(gè)P型層，IGBT開關(guān)速度小，開關(guān)損耗少具有耐脈沖

電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動，驅(qū)動功率小。開關(guān)速度低于

電力MOSFET。電力MOSFET開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好。所需驅(qū)動功率小且驅(qū)

動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題。

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。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。

2-11目前常用的全控型電力電子器件有哪些？

答：門極可關(guān)斷晶閘管，電力晶閘管，電力場效應(yīng)晶體管，絕緣柵雙極晶體管。

3-1.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)a=0?和60?

時(shí)的負(fù)載電流Id,并畫出ud與id波形。

解：a=0?時(shí)，在電源電壓s的正半周期晶閘管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電感￡儲能，在晶閘管

開始導(dǎo)通時(shí)刻，負(fù)載電流為零。在電源電壓&的負(fù)半周期，負(fù)載電感￡釋放能量，晶閘管

繼續(xù)導(dǎo)通。因此，在電源電壓上的一個(gè)周期里，以下方程均成立：L^=V2t/,sin^

dr

考慮到初始條件：當(dāng)a=0時(shí)人=0可解方程得：乙=也生(1-cosm)

coL

=也21=22.51(A)

coL

a與4的波形如下圖:

當(dāng)a=60°時(shí)，在函正半周期60?~180?期間晶閘管導(dǎo)通使電感/儲能，電感/儲藏的

能量在5負(fù)半周期180?~300?期間釋放，因此在幼一個(gè)周期中60?~300?期間以下微分方程

成立：

考慮初始條件：當(dāng)々=60?時(shí)&=0可解方程得：%=蟲三d-cos女)

coL2

其平均值為/d=—fj?4一cos")d(")=叁=11.25(A)

d2萬耳江2IcoL

此時(shí)必與人的波形如下圖：

3-2.圖3-L0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：①晶閘管承受的最大反向電壓為232；②當(dāng)負(fù)載是電阻或電感時(shí),

其輸出電壓和電流的波形與單相全控橋時(shí)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的問題。

因?yàn)閱蜗嗳煽卣麟娐纷儔浩鞫螠y繞組中，正負(fù)半周內(nèi)上下繞組內(nèi)電流的方向

相反，波形對稱，其一個(gè)周期內(nèi)的平均電流為零，故不會有直流磁化的問題。

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VTz為例。當(dāng)VL導(dǎo)通時(shí)，晶閘管VT?通過VL與2個(gè)變壓器二次繞組并聯(lián)，

所以VT2承受的最大電壓為2描2。

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)角冰目同時(shí)，對于電阻負(fù)載：

(0~a)期間無晶閘管導(dǎo)通，輸出電壓為0；(a~n)期間，單相全波電路中V3導(dǎo)通，

單相全控橋電路中V7、VT,導(dǎo)通，輸出電壓均與電源電壓泣相等；(n1+a)期間，均無

晶閘管導(dǎo)通，輸出電壓為0;(n+a~2n)期間，單相全波電路中VT?導(dǎo)通，單相全控橋電

路中VT?、VT3導(dǎo)通，輸出電壓等于？加2。

對于電感負(fù)載：(a~n+a)期間，單相全波電路中V1導(dǎo)通，單相全控橋電路中VI、

VT1導(dǎo)通，輸出電壓均與電源電壓泣相等；(m+a~2"+a)期間，單相全波電路中VT?

導(dǎo)通，單相全控橋電路中VT?、VT：,導(dǎo)通，輸出波形等于？陽。

可見，兩者的輸出電壓相同，加到同樣的負(fù)載上時(shí)，則輸出電流也相同。

3-3.單相橋式全控整流電路，U2=100V,負(fù)載中R=2C,L值極大，當(dāng)a=30。時(shí),

要求：①作出ud、id、和i2的波形；②求整流輸出平均電壓Ud、電流Id,變壓器二次電

流有效值12；③考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。

解：①心、心和?2的波形如下圖：

②輸出平均電壓〃、電流4,變壓器二次電流有效值4分別為

^=0.9^cosa=0.9X100Xcos30°=77.97(V)

4=〃/斤=77.97/2=38.99(A)

&=4=38.99(A)

③晶閘管承受的最大反向電壓為：V2^=100V2=141.4(V)

考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為：?=(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：4r=Z,/V2=27.57(A)

晶閘管的額定電流為：4=(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。

3-4.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：

3-5.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；

①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12；

②考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。

解：①4、W和芯的波形如下圖：

②整流輸出平均電壓〃、電流心變壓器二次側(cè)電流有效值上分別為

〃=0.9〃cosa=0.9X100Xcos300=77.97(A)

h={U-E)/R=(77.97-60)/2=9(A)

4=9(A)

③晶閘管承受的最大反向電壓為：V2100V2=141.4(V)

流過每個(gè)晶閘管的電流的有效值為：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：4=(L5~2)X6.36/L57=6~8(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。

3-6.晶閘管串聯(lián)的單相半控橋(橋中VT1、VT2為晶閘管)，電路如圖2-11所示,U2=100V,

電阻電感負(fù)載，R=2C,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、

iVT、iD的波形。

解：4、Zi、九、九的波形如下圖：

儂(

負(fù)載電壓的平均值為：&='展后。2sinmd(◎f)=0.9。,1+4/3)=67.5(v)

712

負(fù)載電流的平均值為：￡產(chǎn)〃/A=67.52/2=33.75(A)

流過晶閘管V3、VT?的電流有效值為：/VT=^Itl=19.49(A)

流過二極管VD：,、VDI的電流有效值為：/=44=27.56(A)

3-7.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)a=0。，當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，幼的波形如下：

當(dāng)負(fù)載為電感時(shí)，&的波形如下:

3-8.三相半波整流電路，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2-60所示，此時(shí)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2-60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(gè)周期內(nèi)：當(dāng)a。

對應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通時(shí)，出的電流向下流，C2的電流向上流；當(dāng)cb對應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通時(shí)，c,

的電流向下流，兒的電流向上流；當(dāng)b包對應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通時(shí)，b的電流向下流，a2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(shí)間（各為120?）由電流流過，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。

3-9.三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°o

3-10.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?，那末共陰極組的觸發(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°。

3-11.三相半波可控整流電路，U2=100V,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iVTl的波形；計(jì)算Ud、Id、IdT和IVT。

O?i?cat

?i

解：①為、入和的波形如下圖：訓(xùn)

②舞4、〃和&T分別如下4=L17〃COS?=1.17X100Xcos60°=58.5(V)

Zl=?/R=58.5/5=11.7(A)

端=4/3=11.7/3=3.9(A)

I^=UV3=6.755(A)

3-12.在三相橋式全控整流電路中，電阻負(fù)載，如果有一個(gè)晶閘管不能導(dǎo)通，此時(shí)的

整流電壓ud波形如何？如果有一個(gè)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ud波形如下：

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

VTs也可能分別被擊穿。

3-13.三相橋式全控整流電路，U2=100V,帶電阻電感負(fù)載，R=5Q,L值極大，當(dāng)?=60?

時(shí)，要求:

①畫出ud、id和iVTl的波形;

②計(jì)算Ud、Id、IdT和IVT。

解：①及、人和Im的波形如下：

②〃、4、%和4分別如下

UA=2.34^COS?=2.34X100XCOS60°=117(V)

￡=〃/A=117/5=23.4(A)

7m=4/3=23.4/3=7.8(A)

幾=4/6=23.4/6=13.51(A)

3-14.單相全控橋,反電動勢阻感負(fù)載，R=1Q,L=8,E=40V,U2=100V,LB=O.5mH,

當(dāng)?=60?時(shí)求Ud、Id與??的數(shù)值，并畫出整流電壓ud的波形。

解:考慮及時(shí)，有：

U產(chǎn)0.9&cosa—△〃

△a=2"7"n

I產(chǎn)(〃一￡)/R

解方程組得：

UA=(n/iQ.9〃cos。+2%夕)/(n/?+2不)=44.55(V)

△〃=0.455(V)

7d=4.55(A)

又???

cosa—cos(cr+/)=V2/dXB/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4的波形如下：

3-15.三相半波可控整流電路，反電動勢阻感負(fù)載，U2=100V,R=1C,L=8,LB=lmH,

求當(dāng)?=30?時(shí)、E=50V時(shí)Ud、Id、？?的值并作出ud與iVTl和iVT2的波形。

解：考慮4時(shí)，有：

UA—\.17/^cosa一△〃|

△“=3去4/2女

IA=(〃一￡>/R

解方程組得：

UA=(17〃cosa+3%￡)/(2m〃+3不)=94.63(V)

△%=6.7(V)

7d=44.63(A)

又,:

cosa—cos(a+/)=2/dXB/遙乙

即得出

cos(30°+/)=0.752

換流重疊角

?=41.28°?30°=11.28°

出、，vn和，VT2的波形如F：

3-16.三相橋式不可控整流電路，阻感負(fù)載，R=5Q,L=8,U2=220V,XB=0.3Q,求

Ud、Id、IVD、12和??的值并作出ud、iVD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。

UA=2.34dCOSa—A〃

△僅=3%4/n

mR

解方程組得:

UA=2.34^COSa/(1+3%/nA)=486.9(V)

7d=97.38(A)

又,:

cosa—cos(a+/)=2/dXB/展區(qū)

即得出

cosy=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

九=4/3=97.38/3=32.46(A)

乙=怖入=79.51(A)

為、九?和?的波形如下:

3-17.三相全控橋，反電動勢阻感負(fù)載，E=200V,R=1Q,L=?>,U2=220V,?=60?,當(dāng)

①LB=0和②LB=lmH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：①當(dāng)￡B=0時(shí)：

?=2.34^cosa=2.34X220Xcos60°=257.4(V)

IA=(〃一￡)IR=(257.4-200)/1=57.4(A)

②當(dāng)ZB=ImH時(shí)

4=2.344cosa—A4

△a=3%//n

7d=(〃一￡)/R

解方程組得：

UA=(2.34Ji"Tfcosa+3%￡)/(n7?+3&)=244.15(V)

7d=44.15(A)

△4=13.25(V)

又Vcosa-cos(a+/)=/V6U2

cos(60°+/)=0.4485

7=63.35°-60°=3.35°

4、7m和的波形如下:

3-18.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？其中主要的是哪幾次?

答：單相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有24(公1、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2A+1(A=l、2、3……)次即奇次

諧波，其中主要的有3次、5次諧波。

3-19.三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6A(4=1、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6依10=1、2、3……)次的諧波，

其中主要的是5、7次諧波。

3-20.試計(jì)算第3題中i2的3、5、7次諧波分量的有效值123、125、127。

解：在第3題中已知電路為單相全控橋，其輸出電流平均值為

4=38.99(A)

于是可得：

^3=2V27d/3n=2A/2X38.99/3n=11.7(A)

^5=272Ta/5n=2^/2X38.99/5n=7.02(A)

3=2&7d/7況=2&X38.99/7"=5.01(A)

3-21.試計(jì)算第13題中i2的5、7次諧波分量的有效值125、127。

解：第13題中，電路為三相橋式全控整流電路，且已知

4=23.4(A)

由此可計(jì)算出5次和7次諧波分量的有效值為:

心=遙4/5”=痛X23.4/5n=3.65(A)

j^7=V6Zi/7n=V6X23.4/7n=2.61(A)

3-22試分別計(jì)算第3題和第13題電路的輸入功率因數(shù)。

解：①第3題中基波電流的有效值為：

7)=2后4/“=20X38.99/n=35.1(A)

基波因數(shù)為

勺7,//=7,/4=35.1/38.99=0.9

電路的輸入功率因數(shù)為：

?=2cosa=0.9cos30°=0.78

②第13題中基波電流的有效值：

瓜LJn=V6X23.39/n=18.243(A)

基波因數(shù)為

955

電路的輸入功率因數(shù)為:

?=7cosa=0.955cos60°=0.48

3-23.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

盧?

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區(qū)相等時(shí)，雙反星形電路的整流電壓平均值〃是三相橋式

電路的1/2,而整流電流平均值人是三相橋式電路的2倍。

③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4和整流

電流力的波形形狀一樣。

3-24.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。

3-25.12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脈波電路整流電路的交流輸入電流中含有11次、13次、23次、25次等即12A?K

(A=l,2,3???)次諧波，整流輸出電壓中含有12、24等即12A(A=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24A?1(A=l,

2,3???)次諧波，整流輸出電壓中含有24、48等即244(依1,2,3???)次諧波。

3-26.使變流器工作于有源逆變狀態(tài)的條件是什么？

答：條件有二：①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；②要求晶閘管的控制角a>n/2,使“為負(fù)值。

3-27.三相全控橋變流器，反電動勢阻感負(fù)載，廬1Q,￡=8,〃=220V,當(dāng)

期-400V,々60?時(shí)求〃、7d與？冊值，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：

"=2.344cos("？￡)—A”

IA=(〃一8)/R

三式聯(lián)立求解，得

〃=[2.34“〃左。5(“？￡)+3是團(tuán)/(“A+3%)=—290.3(V)

7d=109.7(A)

由下式可計(jì)算換流重疊角：

cosa—cos(?+/)=2XZi/后〃=0.1279

cos(120°+/)=?0.6279

7=128.90?-120?=8,90?

送回電網(wǎng)的有功功率為

Z^IE^ZJ-ZjZ?=400X109.7-109.72X109.7X1=31.85(W)

3-28.單相全控橋，反電動勢阻感負(fù)載，廬1Q,￡=8,區(qū)=100V,Z=0.5mH,當(dāng)其=-99V,

=60?時(shí)求〃、4和？御值。

解：由題意可列出如下3個(gè)等式：

〃=0.9〃cos(n-B)一△〃

=2X4/n

4=(〃一區(qū))/R

三式聯(lián)立求解，得

”=OA0.9Wcos(n-B)+2/蜀/(mA+2%)=-49.91(V)

4=49.09(A)

又；

cosa—cos(a+y)=V2/dXB/〃=0.2181

即得出

cos(120°+/)=-0.7181

換流重疊角

4135.9°?120°=15.9°

3-29.什么是逆變失?。咳绾畏乐鼓孀兪?

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￡等。

3-30.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(shí)，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(shí)，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(shí)，要求的晶閘管移相范圍是0^90?o

三相橋式全控整流電路，當(dāng)負(fù)載為電阻負(fù)載時(shí)，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(shí)，要求的晶閘管移相范圍是0~90?。

4-1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。

4-2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(shí)，可實(shí)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(shí)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

流3種方式。

4-3什么是電壓型逆變電路？什么是電流型逆變電路？二者各有什么特點(diǎn)？

答：按照逆變電路直流測電源性質(zhì)分類，直流側(cè)是電壓源的稱為逆變電路稱為電壓型

逆變電路，直流側(cè)是電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路電壓型逆變電路的主要持點(diǎn)是:

①直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回

路呈現(xiàn)低阻抗。②由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)

載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。③當(dāng)交流側(cè)

為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直

流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。

電流型逆變電路的主要特點(diǎn)是：①直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當(dāng)于電流源。直流側(cè)電流

基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。②電路中開關(guān)器件的作用僅是改變直流電流的流通路

徑，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相

位則因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。③當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流測

電惑起緩沖無功能量的作用。因?yàn)榉答仧o功能量時(shí)直流電流并不反向，因此不必像電壓型

逆變電路那樣要給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。

4-4電壓型逆變電路中反饋二極管的作用是什么？為什么電流型逆變電路中沒有反饋

二極管？

在電壓型逆變電路中，當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率,直流側(cè)電容起緩沖無

功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道,逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋

二極管。當(dāng)輸出交流電壓和電流的極性相同時(shí)，電流經(jīng)電路中的可控開關(guān)器件流通，而當(dāng)輸

出電壓電流極性相反時(shí)，由反饋二極管提供電流通道。

4-5三相橋式電壓型逆變電路，180o導(dǎo)電方式，Ud=100Vo試求輸出相電壓的基波幅值

U.和有效值U則、輸出線電壓的基波幅值8加和有效值Uun、輸出線電壓中5次諧波的有效

值Uuvso

2U,

到Ugm=j=0.631Ud=63.7（y）

解：兀

并聯(lián)諧振式逆變電略利用負(fù)載電源進(jìn)行變換

4-6.并聯(lián)諧振式逆變電路利用負(fù)載電壓進(jìn)行換相,為保證換相應(yīng)滿足什么條件

答;假設(shè)在t時(shí)刻觸發(fā)VT2、VT3使其導(dǎo)通，負(fù)載電壓u。就通過VT2、VT3施加在VT1、

VT4上，使其承受反向電壓關(guān)斷，電流從VT1、VT4向VT2、VT3轉(zhuǎn)移觸發(fā)VT2、VT3時(shí)刻/必須

在u。過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。

4-7串聯(lián)二極管式電流型逆變電路中，二極管的作用是什么試分析換流過程。

答:二極管的主要作用，一是為換流電容器充電提供通道,并使換流電容的電壓能夠得

以保持，為晶閘管換流做好準(zhǔn)備;二是使換流電容的電壓能夠施加到換流過程中剛剛關(guān)斷的

晶閘管上，使晶閘管在關(guān)斷之后能夠承受一定時(shí)間的反向電壓，確保晶閘管可靠關(guān)斷，從而

確保晶閘管換流成功。

以VT1和VT3之間的換流為例，串聯(lián)二極管式電流型逆變電路的換流過程可簡述如下：

給VT3施加觸發(fā)脈沖，由于換流電容C13電壓的作用，使VT3導(dǎo)通而VT1被施以反向電

壓而關(guān)斷。直流電流Id從VT1換到VT3上,C13通過VD1、U相負(fù)載、W相負(fù)載、VD2、VT2、

直流電源和VT3放電，如圖5T6b所示。因放電電流恒為/d,故稱恒流放電階段。在C13電壓

Ucl3下降到零之前,VT1一直承受反壓,只要反壓時(shí)間大于晶閘管關(guān)斷時(shí)間rq,就能保證可

靠關(guān)斷。

Ucl3降到零之后在U相負(fù)載電感的作用下,開始對C13反向充電。如忽略負(fù)載沖電阻的

壓降,則在Ucl3=0時(shí)刻后,二極管VD3受到正向偏置而導(dǎo)通,開始流過電流,兩個(gè)二極管同時(shí)

導(dǎo)通,進(jìn)入二極管換流階段,如圖5T6c所示。隨著C13充電電壓不斷增高,充電電流逐漸減

小,到某一時(shí)刻充電電流減到零,VD1承受反壓而關(guān)斷,二極管換流階段結(jié)束。之后,進(jìn)入

VT2、VT3穩(wěn)定導(dǎo)逗階段，電流路徑如圖5-I6d所示。

4-8.逆變電路多重化的目的是什么如何實(shí)現(xiàn)串聯(lián)多重和并聯(lián)多重逆變電路備用于什么

場合答:逆變電路多重化的目的之一是使總體上裝置的功率等級提高，二是可以改善輸出電

壓的波形。因?yàn)闊o論是電壓型逆變電路輸出的矩形電壓波,還是電流型逆變電路輸出的矩形

電流波，都含有較多諧波,對負(fù)載有不利影響,采用多重逆變電路,可以把幾個(gè)矩形波組合起

來獲得接近正弦波的波形。

逆變電路多重化就是把若干個(gè)逆變電路的輸出按一定的相位差組合起來，使它們所含

的某些主要諧波分量相互抵消，就可以得到較為接近正弦波的波形。組合方式有串聯(lián)多重和

并聯(lián)多重兩種方式。串聯(lián)多重是把幾個(gè)逆變電路的輸出串聯(lián)起來,并聯(lián)多重是把幾個(gè)逆變電

路的輸出并聯(lián)起來。

串聯(lián)多重逆變電路多用于電壓型逆變電路的多重化。

并聯(lián)多重逆變電路多用于電流型逆變電路的多重化。

在電流型逆變電路中，直流電流極性是一定的,無功能量由直流側(cè)電感來緩沖。當(dāng)需要

從交流側(cè)向直流側(cè)反饋無功能量時(shí)，電流并不反向,依然經(jīng)電路中的可控開關(guān)器件流通,因

此不需要并聯(lián)反饋二極管。

5-1簡述圖5-la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(gè)控制周期中，讓V導(dǎo)通一段時(shí)間%。，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(shí)間加；此時(shí)電感L通過二極管VD向

R和M供電，Uo=0o一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓哂輸出電壓小于電源電壓，起到降壓

的作用。

5-2.在圖5-la所示的降壓斬波電路中，已知E=200V,R=10Q,L值微大,E=30V,T=50us,

ton=20us,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

輸出電流平均值為

5-3.在圖5-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，T=20us,當(dāng)著=5Us時(shí)，計(jì)算輸出電壓平均值0。，輸出電流平均值A(chǔ)

計(jì)算輸出電流的最大和最小值瞬時(shí)值并判斷負(fù)載電流是否連續(xù)。當(dāng)*=3us時(shí)，重新進(jìn)行

上述計(jì)算。

解：由題目已知條件可得：

當(dāng)著=5少時(shí)，有

由于

所以輸出電流連續(xù)。

5-4.簡述圖5-2a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(shí)，電源E向電感L

充電，充電電流基本恒定為乙，同時(shí)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4。設(shè)v處于通態(tài)的時(shí)間為口，此階段電感L上積蓄的能量為當(dāng)

V處于斷態(tài)時(shí)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(shí)間為像，

則在此期間電感L釋放的能量為（0。一為4陵；當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中電感L

積蓄的能量與釋放的能量相等，即：

化簡得：

式中的T/^21,輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。

5-5.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=40us,空=25us時(shí)，計(jì)算輸出電壓平均值0。，輸出電流平均值

0

解：輸出電壓平均值為:

輸出電流平均值為：

5-6.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(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'；，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iz，方

向如圖3-4所示。可見，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兩端電壓即對時(shí)間的積分為零，即

當(dāng)V處于通態(tài)期間，4=E：而當(dāng)V處于斷態(tài)期間4=一”。。于是：

改變導(dǎo)通比a,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＜。。/2

時(shí)為降壓，當(dāng)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)，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(shí)，E—4-C—VD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(shí)。當(dāng)開關(guān)S合到B點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)電壓沏=0,

N

Uj+」Uq

A點(diǎn)電壓盯=—"c；相反，當(dāng)S合到A點(diǎn)時(shí)，=uc,N3。因此，B點(diǎn)電壓“8

u=—U

的平均值為BT'c（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

E=u二°第uU二%"u

以一"一T、另一方面，A點(diǎn)的電壓平均值為T"且4的電壓平均值為零,

Uo=^U,

按圖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:

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，且脈動很

小，有利于對輸入、輸出進(jìn)行濾波。

5-7.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)通心期間，U「E

左V關(guān)斷G期間

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

由以上兩式即可得出

Zeta電路的原理圖如下：

在V導(dǎo)通口期間

在V關(guān)斷褊期間

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

由以上兩式即可得出

5-8.分析圖5-7a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)殡娔芊答伒诫娫?，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：

匕導(dǎo)通，電源向負(fù)載供電：

匕關(guān)斷，VD,續(xù)流：

匕也導(dǎo)通，L上蓄能：

匕關(guān)斷，匕”導(dǎo)通，向電源回饋能量

5-9對于圖5-8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(shí)電路的工作情況，并繪制相應(yīng)的電流流通路徑圖，同時(shí)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(shí)，由V3和VD3構(gòu)成的降壓斬波電路工作，此時(shí)

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(shí)，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(shí)，負(fù)載通過VD3續(xù)流，電流路徑如下圖:

5-10.多相多重?cái)夭娐酚泻蝺?yōu)點(diǎn)

答：多相多重?cái)夭娐芬蛟陔娫磁c負(fù)載間接入了多個(gè)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?cái)夭娐愤€具有備用功能，各斬波單元之間互為備

用，總體可靠性提高。

5-11.試分析正激電路和反激電路中的開關(guān)和整流二極管在工作時(shí)承受的最大電壓。

解：正激電路和反激電路中的開關(guān)和整流二極管在工作時(shí)承受最大電壓的情況如下表

所示：

開關(guān)S整流二極管VD

正激電路(1+N1/N3)U1U1*N2/N3

反激電路Ui+Uo*Nl/N3Ui*N2/Nl+Uo

5-12.試分析全橋、半橋和推挽電路中的開關(guān)和整流二極管在工作中承受的最大電壓,

最大電流和平均電流。

答：以下分析均以采用橋式整流電路為例。①全橋電路

最大電壓最大電流平均電流

開關(guān)SUiId*N2/NlId*N2/(2*Nl)

整流二極管Ui*N2/NlIdId/2

②半橋電路

最大電壓最大電流平均電流

開關(guān)SUiId*N2/NlId*N2/(2*Nl)

Ui*N2/(2*

整流二極管IdId/2

N1）

③推挽電路（變壓器原邊總匝數(shù)為2N）

最大電壓最大電流平均電流

開關(guān)S2*UiId*N2/NlId*N2/(2*N1)

整流二極管Ui*N2/NlIdId/2

5-13.全橋和半橋電路對驅(qū)動電路有什么要求

答：全橋電路需要四組驅(qū)動電路，由于有兩個(gè)管子的發(fā)射極連在一起，可共用一個(gè)電

源所以只需要三組電源；半橋電路需要兩組驅(qū)動電路，兩組電源。

5-14.試分析全橋整流電路和全波整流電路中二極管承受的最大電壓，最大電流和平

均電流。

解：兩種電路中二極管承受最大電壓：電流及平均電流的情況如下表所示：

最大電壓最大電流平均電流

全橋整流UmIdId/2

全波整流2UmIdId/2

5-15一臺輸出電壓為5V、輸出電流為20A的開關(guān)電源：

①如果用全橋整流電路，并采用快恢復(fù)二極管，其整流電路中二極管的總損耗是多

少？

②如果采用全波整流電路，采用快恢復(fù)二極管、肖特基二極管整流電路中二極管的總

損耗

是多少？如果采用同步整流電路，整流元件的總損耗是多少？

注：在計(jì)算中忽略開關(guān)損耗，典型元件參數(shù)見下表。

6-1一臺調(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。=0?時(shí)輸

出功率為最大值，試求功率為最大輸出功率的80%、50%時(shí)的開通角a。

解：a=0?時(shí)的輸出電壓最大，為

兀

2U?sincot)=U[

Uomax=V"。

此時(shí)負(fù)載電流最大，為

Homax

Io?,x=RR

因此最大輸出功率為

Pmax-UomaxIo<nax

輸出功率為最大輸出功率的80%時(shí)，有:

Ux2

Pmax-Uoinaxlociax-R

此時(shí)

U0=V(18t/i

又由

卜in2a+兀-a

Uo=U,V2K7t

解得

同理，輸出功率為最大輸出功率的50強(qiáng)時(shí)，有:

Uo=炳q

又由

卜in2a+兀-a

Uo=U,Y2萬re

6-2—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=2mH。

試求：①開通角？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(shí)電源側(cè)的

功率因數(shù)；④當(dāng)?=?/2時(shí)，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)。

coL2萬X50X2X10-3

(P=arctan——=arctan-L=3L3

解：⑴R0.5

所以51.5。＜。＜180。

(2)&時(shí)，電流連續(xù)，電流最大且導(dǎo)通角？=?

Uo___________220__________

=2744

ZJ0.52+(2>><50x2x10-3)2

⑶P=Uolo=UJO=220x274=60.3KW

0_7t

(4)由公式sin(a+〃一/)=sin(。一8)e血。當(dāng)“一2時(shí)

對上式?求導(dǎo)

則由sin?（。一。）+cos2（。一。）=1得

6-3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