《电力电子技术》(科学出版社 程汉湘编著)习题答案.doc 95页

'2-1.一个开关器件的数据表的详细开关时间如下（对应图2.7(a)）所示固定感应开关的线性特性）：tri=100ns，tfv=50ns，trv=100ns，tfi=200ns。试计算当频率范围为25~100khz时的开关能量损失，并绘图。假设图2.7(a)的电路中Ud=300V，I0=4A。解：(1)先求出时的开关能量损失1)开关损耗：由：得：2)导通损耗：3)关断损耗：开关的平均能量损耗：开关损耗如图2-1(2)同理：当时：1)开关损耗：由：2)导通损耗：3)关断损耗： 开关的平均能量损耗：开关损耗如图2-2图2-1图2-22-2.在下图的开关电路中，有Ud=300V，fV=100kHz，R=75Ω。通态电流同上题。假定开关导通时间为上题中的tri与tfv之和。同样的，开关的关断时间为trv和tfi之和。假定开关电压、电流为线性特性，请画出开关电压、开关电流以及开关能量损耗与时间的函数关系波形，并与上题中的平均能量损耗相比较。解：开关能量损耗与时间的函数关系波形如下图：开通关断时间 通态电流可知开通过程能量损耗关断过程能量损耗总损耗对比：本题开关损耗与题2.1中的频率为100kHZ时完全相同。3-1.一个RLC串联电路，其R=11Ω，L=0.015H，C=70μF，外加电压为V试求电路中的电流和电路消耗的功率。解：当直流分量作用时，U=11V，由于电容相当于开路，故I(0)=0.当基波作用于电路时，电路的复阻抗当二次谐波作用时，电路的复阻抗 电源电压电路中的电流为电路消耗的功率3-2.已知一RLC串联电路的端口电压和电流为试求：（1）R,L,C的值；（2）（3）电路消耗的功率。解：利用叠加原理可以看出：w=314时，电压和电流是同相位，此时该电路处于串联谐振状态；因此有：此时，R=100/10=10；当3=942时，又可得另一个表达式，代入已知值后，可由下面的两个联立方程求解：求得L≈32mHC≈317设为该串联电路的阻抗角，则有： 所以：3-3.求下图所示波形的傅立叶级数的系数。解:由图可知:f(t)在一个周期内（w1T=2p）内的表达式为当-p,使得Ud为负值。5-8.单相桥式全控整流电路接电阻性负载，要求输出电压在0~100V连续可调，输出电压平均值为30V时，负载电流平均值达到20A。系统采用220V的交流电压通过降压变压器供电，且晶闸管的最小控制角amin=30°，（假设变压器为理想变压器）。试求：变压器二次侧电流有效值I2；考虑安全裕量，选择晶闸管电压、电流额定值；作出a=60°时，ud、id和变压器二次侧i2的波形。解：由得：∵∴则由上述计算结果得：∴取余量系数2，则：，故选额定电流为50A，额定电压为200V的晶闸管电。波形如图： 5-9.具有续流二极管的单相半波可控整流电路，带阻感性负载，电阻为5Ω，电感为0.2H，电源电压的有效值为220V，直流平均电流为10A，试计算晶闸管和续流二极管的电流有效值，并指出晶闸管的电压额定值（考虑电压2~3倍裕度）。解:根据题意,得ω=2πf=100πωL=2πfL=20π=62.8>>R=5Ω∴负载为感性负载，具有平波恒流作用，在接有续流二极管条件下，VDR持续导通，所以id连续。晶闸管电流有效值为：a=0º时，IVT=7.07Aa=30º时，IVT=6.45Aa=60º时，IVT=5.77A续流二极管电流有效值为：a=0º时，IVDR=10Aa=30º时，IVDR=9.57Aa=60º时，IVDR=9.13A晶闸管两端电压波形如图所示，其移相范围为180º，承受的最大正反向电压均为u2的峰值，即。晶闸管通常取正向峰值电压和反向峰值电压中较小的值作为晶闸管的额定电压，所以取 取晶闸管额定电压为800V。5-10三相半波可控整流电路的共阴极接法和共阳极接法，a、b两相的自然换相点是同一点吗？如果不是，它们在相位上差多少度？试做出共阳极接法的三相半波可控的整流电路在a=30°时的ud、iVT1、uVT1的波形。解:两种接法中,a,b两相自然换相点不是同一点,相位上相差1800共阴极和共阳极三相半波可控整流电路分别如图:共阳极接法的三相半波可控的整流电路在a=30°时的ud、iVT1、uVT1的波形如下: 5-11．三相半波可控整流电路带大电感性负载，a=60°，R＝2W，U2＝220V，试计算负载电流Id，并按裕量系数2确定晶闸管的额定电流和电压。解：根据三相半波可控整流电路可知对于晶闸管：最大反向电压最大正向电压晶闸管通常取正向峰值电压和反向峰值电压中较小的值作为晶闸管的额定电压，所以取U=2×539V=1078V作为额定电压，可满足安全性。负载为大电感，id近似为直线：取晶闸管额定电流I=130A 5-12．Us=100V，带阻感性负载，R＝5Ω，Ld=∞，当a=60°，试求：出ud、id和iVT1的波形；计算整流输出电压的平均值Ud、电流Id，以及流过晶闸管电流的平均值IdVT和有效值IVT；求电源侧的功率因数；估算晶闸管的电压、电流额定值。解：（1）根据三相半波可控整流电路可知整流输出电压平均值整流输出电流平均值（2）晶闸管电流的平均值晶闸管电流的有效值(3)将电流波形分解为傅里叶级数（以a相为例）： 基波的有效值为：基波因数：功率因数：电源侧功率因数为0.185。（4）由于负载电流连续，晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次侧线电压峰值电压额定值取1.5倍裕量:U=1.5×245V=367.5V所以，晶闸管电压额定值取370V。电流IVT=Id=11.7A电流额定值也取1.5倍裕量I=1.5×11.7A=17.55A所以，晶闸管电流额定值取18A。5-13．单相全控桥整流电路，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，EM=40V，Us=100V，LB=0.5mH，求当a=60°时Ud，Id，和的值，并画出整流电压ud的波形。解：考虑LB时有：解方程组得：又因为：即得出： 换流重叠角：最后，做出整流电压波形如下：5-14.三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，Us=100V，R=1Ω，Ld=∞，Ls=1mH，求当a=30°，EM=50V时，Ud，Id，和g的值，并画出整流电压ud与iVT1和iVT2的波形。解：考虑LB时有：解方程组得：又因为：即得出：换流重叠角：最后，做出整流电压波形如下： 5-15．三相桥式全控整流电路，反向电动势阻感负载，R=1Ω，Ld=∞，Us=220V，E=200V，a=60°，当Ls分别为0和1mH的情况下，求出相应的Ud，Id，在后者的情况下求的值，并分别作出ud与iVT的波形。解：（1）当LB=0时：(2)当LB=1mH时解方程组得：又因为：Ud和IVT波形如下： 5-16试计算第10题中变压器二次侧电流i2的5、7次谐波分量的有效值I25、I27。解:变压器二次侧电流即线电流,也就是晶闸管通过的电流,如题下图所示二次侧电流取：i2=iVT1而∴谐波有效值:∴其中, 计算得5-17.晶闸管整流电路的功率因数是怎样定义的？它与哪些因素有关？答：晶闸管整流电路的功率因数λ定义为有功功率P和视在功率S的比值设正弦波电压有效值为U，畸变电流有效值为I,基波电流有效值及与电压的相位差分别为和。这时有功功率为，功率因数为式中，,即基波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波因素，而称为位移因素或基波功率因数。可见，功率因素由基波电流相移和电流波形畸变这两个因素共同决定。5-18.三相晶闸管整流电路接至10.5kV交流系统。已知10kV母线的短路容量为150MVA，整流电路直流侧电流Id＝400A，触发角=15°，不计重叠角，试求：移相功率因数cosj1、整流电路的功率因数；整流侧直流电压Ud；有功功率、无功功率和交流侧基波电流有效值；截至23次的各谐波电流的大小和总谐波畸变率。5-19.单相交－交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路有什么不同？答：单相交交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路的组成是相同的，均由两组反并联的可控整流电路组成。但两者的功率和工作方式不同。 单相交交变频电路是将交流电变成不同频率的交流电，通常用于交流电动机传动，两组可控整流电路在输出交流电压一个周期里，交替工作各半个周期，从而输出交流电。而直流电动机传动用的反并联可控整流电路是将交流电变为直流电，两组可控整流电路中哪一组工作并没有像交交变频电路那样的固定交替关系，而是由电动机工作状态的需要决定。5-20.如何控制交－交变频器的正反组晶闸管，才能获得按正弦规律变化的平均电压？答：下图是单相交交变频电路的基本原理图和输出电压波形。单相交交变频电路原理图和输出电压波形电路由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成。和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同。变流器P和N都是相控整流电路，P组工作时，负载电流为正，N组工作时，负载电流为负。让两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。改变两组变流器的切换频率,就可以改变输出频率。改变变流电路工作时的控制角,就可以改变交流输出电压的幅值。为了使输出电压的波形接近正弦披.可以按正弦规律对角进行调制。如上图波形所示,可在半个周期内让正组变流器P的角按正弦规律从逐渐减小到或某个值,然后再逐渐增大到。这样,每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零逐渐增至最高,再逐渐减低到零.如圈中虚线所示。另外半个周期可对变流器N进行同样的控制。5-21.三相交—交变频电路有哪两种接线方式？它们有什么区别？答：三相交交变频电路主要有两种接线方式,即公共交流母线进线方式和输出星形联结方式。 1.公共交流母线进线方式下图是公共交流母线进线方式的三相交交变频电路简图。它由三组彼此独立的、输出电压相位相互错开的单相交交变额电路构成,它们的电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。因为电源进线端公用,所以三组单相交交变频电路的输出端必须隔离。为此,交流电动机的三个绕组必须拆开,共引出六根线。这种电路主要用于中等容量的交流调速系统。公共交流母线进线三相交交变频电路（简图）2.输出星形联结方式下图是输出星形联结方式的三相交交变频电路原理图。其中a为简阁,b为详圈。三组单相交交变频电路的输出端是星形联接。电动机的三个绕组也是星形联结,电动机中性点不和变频器中性点接在一起.电动机只引出三根线即可。因为三组单相交交变频电路的输出联接在一起,其电源进线就必须隔离,因此三组单相交交变频器分别用三个变压器供电。输出星形联接方式三相交交变频电路 a)简图b）详图5-21.双向整流电路的局部环流工作方式和自然环流工作方式各有何优缺点？答：两个反并联的整流电路是不能同时工作的，若一个整流电路处于整流输出状态，另一个整流电路处于逆变工作状态，但两整流电路之间存在有限流电抗器，如图a)图所示，则称该系统为局部环流系统。在局部环流驱动方式下，可以将两组整流电路的直流输出电压平均值控制为完全相同，但这并不能说明这两个整流电路的瞬时输出电压Uda1和Uda2在任何瞬间都相等。正是由于它们瞬时值的不相等就会产生两个整流电路之间的环流，该环流通过环流电抗器可以得到有效地抑制。若完全没有环流限制器件存在，则称该系统为自由环流系统，如图a)图所示。在自由环流系统工作方式下，一定要特别注意环流短路，这在控制中是非常重要的。在这种工作方式下，电流换向的等待时间要比局部环流工作方式下电流换向的等待时间要长些。关于这方面的研究，现已经能够做到电流自适应控制，这种控制能够使自然环流系统电流换向的动态过程得到有效改善，它可以做到与局部环流系统的动态过程没有什么区别。也正是由于计算机控制技术的发展，才能使得自然环流系统得到实际应用。两个反并联连接的整流电路a)环流限制驱动电路b)自由环流驱动电路 表A%cedia5-22.高压直流输电系统的谐波特点是什么?答：高压直流输电系统的谐波可以分为特征谐波和非特征谐波。交流侧谐波中不含有2次谐波及其所有的偶次谐波。交流系统所产生的谐波是运行条件的函数。增大时，谐波分量减小，这在较高次谐波分量上更明显。直流侧谐波中只含有偶次谐波。这些有效谐波电压的幅值在的运行范围内的变化很大。重叠角对谐波的幅值也有很大的影响。 5-24.高压直流输电系统的优缺点是什么？答：高压直流输电有以下优点：（1）直流输电架空线路只需正负两极导线，塔架结构简单，线路造价低，损耗小；（2）直流电缆线路输送容量大，造价低，损耗小，不易老化，寿命长，且输送距离不受限制；（3）直流输电不存在交流输电的稳定问题，有利于远距离大容量输送；（4）采用直流输电实现电力系统之间的非同步联网，可以不增加被联电网的短路容量；（5）直流输电输送的有功功率和换流器消耗的无功功率均可由控制系统进行控制，可利用这种快速可控性来改善交流系统的运行能力；（6）在直流电的作用下，只有电阻起作用，电感和电容均不起作用，直流输电采用大地为回路，直流电流则向电阻率低的大地深层流去，可很好的大地这个良导体；（7）直流输电可方便地进行分期建设和容量扩建，有利于发挥投资效益；（8）直流输电输送的有功及两端换流站消耗的无功均可用手动或自动方式进行快速控制，有利于电网的经济运行和现代化管理。高压直流输电同时也存在一些缺点：（1）直流输电换流站比交流变电所的设备多，结构复杂，造价高，损耗大，运行费用高，可靠性也较差；（2）换流器对交流侧来说，除了是一个负荷或电源以外，它还是一个谐波电流源；（3）晶闸管换流器在进行换流时需要消耗大量的无功功率，每个换流站均需装设无功补偿设备；（4）直流输电利用大地（或海水）为回路而带来的一些技术问题；（5）直流断路器由于没有电流过零点可以利用，灭弧问题难以解决，给制造带来困难。5-25.高压直流输电系统的滤波器如何设置？答： 换流器在交流侧和直流侧都产生谐波电压和电流。所以它需要交流谐波滤波器和平波电抗器。谐波对交流系统的侵入和谐振条件与交流电网的谐波阻抗有关，这种阻抗是很难确定的。由于电路的投切，系统运行条件的变化，这种阻抗也总是变化着。在滤波器设计时，要进行精细的研究以考虑各种不同的因素，包括可能的系统谐振条件。拼搏电抗器和它后面的直流系统其余部分对谐波电压来说，组成了一个分压器。一般的说，平波电抗值大时，直流滤波器可少用。然而平波电抗器的大小，受换流站设计的其它因素的影响。1、平波电抗器的大小对桥电流中的脉动具有决定性的影响；对高值平波电抗器脉动电流很小。2.、平波电抗器、滤波器和直流线路和合并起来对直流桥形成一个阻抗，它们的某些谐波电压可能产生谐振。3、平波电抗器的大小会对交流电压下降期发生换相失败的可能性和后续换相失败的可能性产生影响4、高值平波电抗器可在整流器附近限制故障电流。第六章6-1.升压斩波电路为什么能使输出电压高于电源电压？升压斩波电路图解:如上图所示，假设升压斩波电路中电感L值很大，电容C值也很大。当V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R供电，如图电流由上向下，因C值很大，基本保持输出电压为恒值U0。设V处于同态的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为EI1ton。当V处于断态时E和L共同向电容C充电并向负载R 提供能量。设V处于断态时间为toff，则在此期间电感L释放的能量约为(U0-E)I1toff。当电路工作稳态时，一个周期T中积蓄的能量与释放的能量相等，即：EI1ton=(U0-E)I1toff化简得：式中的，输出电压U0高于电源电压E，故称该电路为升压斩波电路。6-2一台运行在20kHz开关频率下的升降压换流器由理想元件构成，其中L＝0.05mH，输入电压Ud＝15V，输出电压Uo＝10V，可提供10W的输出功率，并且输出端电容足够大，试求其占空比。解:初始并不知道是工作在什么模式,所以不能确定采用哪个方程式.根据所给条件.输出电流I为:根据在连续模式时得到占空比D为D=0.4工作在电流临界连续状态时的负载电流Ib为由于输出电流I=1A