《电力电子技术》习题答案(第五版).doc 58页

'目录目录...............................................................................................................................................1第1章绪论.................................................................................................................................1第2章电力电子器件...............................................................................................................1第3章整流电路.......................................................................................................................5第4章逆变电路.....................................................................................................................21第5章直流-直流变流电路....................................................................................................24第6章交流-交流变流电路....................................................................................................31第7章PWM控制技术...........................................................................................................36第8章软开关技术...................................................................................................................40第9章电力电子器件应用的共性问题...................................................................................41第10章电力电子技术的应用.................................................................................................41 第2章1.使晶闸管导通的条件是什么？电力电子器件答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或：uAK>0且uGK>0。2.维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。3.图1-43中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为Im，试计算各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3与电流有效值I1、I2、I3。0pp2p0pp5p2p0p2p4a)4b)42c)图1-43图1-43晶闸管导电波形解：a)Id1=1òppwwImsintd(t)=Im(2+1)»0.2717Im1πòpp4wt2wtπIm=223+1»0.4767ImI1=2p4(Imsin)d()42p1òppwwIm(2+)»0.5434Imb)Id2=πI2=pòpp4Imsintd(t)=πw2w2Im213+11(Imsint)d(t)=4p242p»0.6741Im 1ò02Imd(wt)=1Imc)Id3=π41pò022w1ImI3=2pImd(t)=2 4.上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶闸管能送出的平均电流Id1、Id2、Id3各为多少？这时，相应的电流最大值Im1、Im2、Im3各为多少?解：额定电流IT(AV)=100A的晶闸管，允许的电流有效值I=157A，由上题计算结果知a)Im1»I»329.35，0.4767Id1»0.2717Im1»89.48b)Im2»0.6741I»232.90,Id2»0.5434Im2»126.56c)Im3=2I=314,Id3=41Im3=78.5能？5.GTO和普通晶闸管同为PNPN结构，为什么GTO能够自关断，而普通晶闸管不答：GTO和普通晶闸管同为PNPN结构，由P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2,分别具有共基极电流增益a1和a2，由普通晶闸管的分析可得，a1+a2=1是器件临界导通的条件。a1+a2＞1，两个等效晶体管过饱和而导通；a1+a2＜1，不能维持饱和导通而关断。GTO之所以能够自行关断，而普通晶闸管不能，是因为GTO与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同：1)GTO在设计时a2较大，这样晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断；2)GTO导通时的a1+a2更接近于1，普通晶闸管a1+a³21.15，而GTO则为a1+a2»1.05，GTO的饱和程度不深，接近于临界饱和，这样为门极控制关断提供了有利条件；3)多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P2极区所谓的横向电阻很小，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。6.如何防止电力MOSFET因静电感应应起的损坏？答：电力MOSFET的栅极绝缘层很薄弱，容易被击穿而损坏。MOSFET的输入电容是低泄漏电容，当栅极开路时极易受静电干扰而充上超过±20的击穿电压，所以为防止MOSFET因静电感应而引起的损坏，应注意以下几点：①一般在不用时将其三个电极短接；②装配时人体、工作台、电烙铁必须接地，测试时所有仪器外壳必须接地；③电路中，栅、源极间常并联齐纳二极管以防止电压过高④漏、源极间也要采取缓冲电路等措施吸收过电压。 7.IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的驱动电路各有什么特点？2 答：IGBT驱动电路的特点是：驱动电路具有较小的输出电阻，IGBT是电压驱动型器件，IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。GTR驱动电路的特点是：驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿，并有一定的过冲，这样可加速开通过程，减小开通损耗，关断时，驱动电路能提供幅值足够大的反向基极驱动电流，并加反偏截止电压，以加速关断速度。GTO驱动电路的特点是：GTO要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够的幅值和陡度，且一般需要在整个导通期间施加正门极电流，关断需施加负门极电流，幅值和陡度要求更高，其驱动电路通常包括开通驱动电路，关断驱动电路和门极反偏电路三部分。电力MOSFET驱动电路的特点：要求驱动电路具有较小的输入电阻，驱动功率小且电路简单。8.全控型器件的缓冲电路的主要作用是什么？试分析RCD缓冲电路中各元件的作用。答：全控型器件缓冲电路的主要作用是抑制器件的内因过电压，du/dt或过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。RCD缓冲电路中，各元件的作用是：开通时，Cs经Rs放电，Rs起到限制放电电流的作用；关断时，负载电流经VDs从Cs分流，使du/dt减小，抑制过电压。9.试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。解：对IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的优缺点的比较如下表：器件IGBTGTRGTO电力MOSFET优点开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在3 缺点开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTO开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 二次击穿问题4 第3章整流电路1.单相半波可控整流电路对电感负载供电，L＝20mH，U2＝100V，求当＝0°和60°时的负载电流Id，并画出ud与id波形。解：＝0°时，在电源电压u2的正半周期晶闸管导通时，负载电感L储能，在晶闸管开始导通时刻，负载电流为零。在电源电压u2的负半周期，负载电感L释放能量，晶闸管继续导通。因此，在电源电压u2的一个周期里，以下方程均成立：Ldid=2U2sinwtdt考虑到初始条件：当wt＝0时id＝0可解方程得：U22(1-cos)id=wLwt=12pòU-wwIdp2=22(1cost)d(t)wLU22=22.51(A)wLud与id的波形如下图：u20ud0id0ppp2p2p2pwtwtwt当＝60°时，在u2正半周期60°~180°期间晶闸管导通使电感L储能，电感L储藏的 能量在u2负半周期180°~300°期间释放，因此在u2一个周期中60°~300°期间以下微分方程成立：Ldid=2U2sinwtdt考虑初始条件：当wt＝60°时id＝0可解方程得：5 其平均值为5p13idU=1U22(wL12-wtcos)2U2=11.25(A)I=òp22(-coswtwt)d()=dp23wL22wL此时ud与id的波形如下图：u20audid++++wtwtwt2．图2-9为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，问该变压器还有直流磁化问题吗？试说明：①晶闸管承受的最大反向电压为2其输出电压和电流的波形与单相全控桥时相同。2U2；②当负载是电阻或电感时，答：具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，该变压器没有直流磁化的问题。因为单相全波可控整流电路变压器二次测绕组中，正负半周内上下绕组内电流的方向相反，波形对称，其一个周期内的平均电流为零，故不会有直流磁化的问题。以下分析晶闸管承受最大反向电压及输出电压和电流波形的情况。①以晶闸管VT2为例。当VT1导通时，晶闸管VT2通过VT1与2个变压器二次绕组并联，所以VT2承受的最大电压为22U2。②当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角a相同时，对于电阻负载：（0~）期间无晶闸管导通，输出电压为0；（~π）期间，单相全波电路中VT1导通，单相全控桥电路中VT1、VT4导通，输出电压均与电源电压u2相等；(π~π＋)期间，均无晶闸管导通，输出电压为0；(π＋~2π)期间，单相全波电路中VT2导通，单相全 控桥电路中VT2、VT3导通，输出电压等于-u2。对于电感负载：（~π＋）期间，单相全波电路中VT1导通，单相全控桥电路中VT1、VT4导通，输出电压均与电源电压u2相等；（π＋~2π＋）期间，单相全波电路中VT2导通，单相全控桥电路中VT2、VT3导通，输出波形等于-u2。6 可见，两者的输出电压相同，加到同样的负载上时，则输出电流也相同。3．单相桥式全控整流电路，U2＝100V，负载中R＝2，L值极大，当＝30°时，要求：①作出ud、id、和i2的波形；②求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2；③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：①ud、id、和i2的波形如下图：u2OudOidOi2OaappIdIdwtwtwtwt②输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2分别为Ud＝0.9U2cos＝0.9³100³cos30°＝77.97（V）Id＝Ud/R＝77.97/2＝38.99（A）I2＝Id＝38.99（A）③晶闸管承受的最大反向电压为：2U2＝1002＝141.4（V）考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：UN＝（2~3）³141.4＝283~424（V）具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。流过晶闸管的电流有效值为：IVT＝Id∕2＝27.57（A）晶闸管的额定电流为：IN＝（1.5~2）³27.57∕1.57＝26~35（A）具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。4．单相桥式半控整流电路，电阻性负载，画出整流二极管在一周内承受的电压波形。解：注意到二极管的特点：承受电压为正即导通。因此，二极管承受的电压不会出现正的部分。在电路中器件均不导通的阶段，交流电源电压由晶闸管平衡。7 整流二极管在一周内承受的电压波形如下：u20uVD20uVD40p2pwtwtwt5．单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=2Ω，L值极大，反电势E=60V，当a=30°时，要求：①作出ud、id和i2的波形；②求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2；③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：①ud、id和i2的波形如下图：u2OudOidOi2OaappIdIdIdwtwtwtwt②整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2分别为Ud＝0.9U2cos＝0.9³100³cos30°＝77.97(A)Id＝(Ud－E)/R＝(77.97－60)/2＝9(A)I2＝Id＝9(A)③晶闸管承受的最大反向电压为：2U2＝1002＝141.4（V）流过每个晶闸管的电流的有效值为：IVT＝Id∕2＝6.36（A）故晶闸管的额定电压为：8 UN＝(2~3)³141.4＝283~424（V）晶闸管的额定电流为：IN＝(1.5~2)³6.36∕1.57＝6~8（A）晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。6.晶闸管串联的单相半控桥（桥中VT1、VT2为晶闸管），电路如图2-11所示，U2=100V，电阻电感负载，R=2Ω，L值很大，当a=60°时求流过器件电流的有效值，并作出ud、id、iVT、iD的波形。解：ud、id、iVT、iD的波形如下图：u2pO2pwtudOidiVT1OOIdIdwtwtwt负载电压的平均值为：1piVD2Op+aIdwt1+cos(p/3)U=òp2U2sinwtd(wt)=0.9U＝67.5（V）dp322负载电流的平均值为：Id＝Ud∕R＝67.52∕2＝33.75（A）流过晶闸管VT1、VT2的电流有效值为：IVT＝1Id＝19.49（A）3流过二极管VD3、VD4的电流有效值为：2IVD＝Id＝27.56（A）37.在三相半波整流电路中，如果a相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流电压ud的波形。解：假设a=0°，当负载为电阻时，ud的波形如下： 9 uduaubucOuduaubucwtOawt当负载为电感时，ud的波形如下：uduaubucOuduaubucOwtwt8．三相半波整流电路，可以将整流变压器的二次绕组分为两段成为曲折接法，每段的电动势相同，其分段布置及其矢量如图2-60所示，此时线圈的绕组增加了一些，铜的用料约增加10%，问变压器铁心是否被直流磁化，为什么？ABCCNnBNAa1b1c1c1c2a2b2c2a2图2-60nb1a1b2图2-60变压器二次绕组的曲折接法及其矢量图答：变压器铁心不会被直流磁化。原因如下：变压器二次绕组在一个周期内：当a1c2对应的晶闸管导通时，a1的电流向下流，c2的电流向上流；当c1b2对应的晶闸管导通时，c1的电流向下流，b2的电流向上流；当b1a2对应的晶闸管导通时，b1的电流向下流，a2的电流向上流；就变压器的一次绕组而言，每一周期中有两段时间（各为120°）由电流流过，流过的电流大小相等而方向相反，故一周10 期内流过的电流平均值为零，所以变压器铁心不会被直流磁化。9．三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，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？答：三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a、b两相之间换相的的自然换相点不是同一点。它们在相位上相差180°。10．有两组三相半波可控整流电路，一组是共阴极接法，一组是共阳极接法，如果它们的触发角都是a，那末共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲对同一相来说，例如都是a相，在相位上差多少度？答：相差180°u12290X11．三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5Ω，L值极大，当a=60°时，要求：①画出ud、id和iVT1的波形；②计算Ud、Id、IdT和IVT。解：①ud、id和iVT1的波形如下图：u2a=30°OaubucwtuduaubucOiVT1OidOawtwtwt②Ud、Id、IdT和IVT分别如下Ud＝1.17U2cosa＝1.17³100³cos60°u65309X58.5（V）Id＝Ud∕R＝58.5∕5＝11.7（A）IdVT＝Id∕3＝11.7∕3＝3.9（A）IVT＝Id∕3＝6.755（A）12．在三相桥式全控整流电路中，电阻负载，如果有一个晶闸管不能导通，此时的整11 流电压ud波形如何？如果有一个晶闸管被击穿而短路，其他晶闸管受什么影响？答：假设VT1不能导通，整流电压ud波形如下：udOwt假设VT1被击穿而短路，则当晶闸管VT3或VT5导通时，将发生电源相间短路，使得VT3、VT5也可能分别被击穿。13．三相桥式全控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5Ω，L值极大，当a=60°时，要求：①画出ud、id和iVT1的波形；②计算Ud、Id、IdT和IVT。解：①ud、id和iVT1的波形如下：a=60°u2Ouawt1ubucwtⅠⅡⅢⅣⅤⅥuduabuacubcubaucaucbuabuacOidOiVTwtwt1O②Ud、Id、IdT和IVT分别如下wtUd＝2.34U2cosa＝2.34³100³cos60°u65309X117（V）Id＝Ud∕R＝117∕5＝23.4（A）IDVT＝Id∕3＝23.4∕3＝7.8（A）IVT＝Id∕3＝23.4∕3＝13.51（A）12 14．单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，E=40V，U2=100V，LB=0.5mH，当a=60°时求Ud、Id与g的数值，并画出整流电压ud的波形。解：考虑LB时，有：Ud＝0.9U2cos－ΔUdΔUd＝2XBId∕πId＝（Ud－E）∕R解方程组得：Ud＝（πR0.9U2cosα＋2XBE）∕（πR＋2XB）＝44.55（V）ΔUd＝0.455（V）Id＝4.55（A）又∵cosa－cos(a+g)＝2IdXB∕U2即得出cos(60°+g)=0.4798换流重叠角g＝61.33°-60°=1.33°最后，作出整流电压Ud的波形如下：u2OugwtdOawt15．三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，U2=100V，R=1Ω，L=∞，LB=1mH，求当a=30°时、E=50V时Ud、Id、g的值并作出ud与iVT1和iVT2的波形。解：考虑LB时，有：Ud＝1.17U2cos－ΔUdΔUd＝3XBId∕2πId＝（Ud－E）∕R解方程组得：Ud＝（πR1.17U2cosα＋3XBE）∕（2πR＋3XB）＝94.63（V）ΔUd＝6.7（V）Id＝44.63（A）又∵ 13 即得出cosa－cos(a+g)＝2IdXB∕6U2换流重叠角ud、iVT1和iVT2的波形如下：cos(30°+g)=0.752g＝41.28°-30°=11.28°u2OuaubucudOiVT1auaubucIdwtOgiVT2OgIdwtwt16．三相桥式不可控整流电路，阻感负载，R=5Ω，L=∞，U2=220V，XB=0.3Ω，求Ud、Id、IVD、I2和g的值并作出ud、iVD和i2的波形。解：三相桥式不可控整流电路相当于三相桥式可控整流电路＝0°时的情况。Ud＝2.34U2cos－ΔUdΔUd＝3XBId∕πId＝Ud∕R解方程组得：Ud＝2.34U2cosα∕（1＋3XB/πR）＝486.9（V）Id＝97.38（A）又∵cosa－cos(a+g)＝2IdXB∕6U2即得出cosg=0.89214 换流重叠角g＝26.93°二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为IVD＝Id∕3＝97.38∕3＝32.46（A）2I2a＝Id＝79.51（A）ud、iVD1和i2a的波形如下：u2Owt1uaub3ucwtudOiVD1Oi2aOⅠⅡⅢⅣⅤⅥuabuacubcubaucaucbuabuacIdIdwtwtwt17．三相全控桥，反电动势阻感负载，E=200V，R=1Ω，L=∞，U2=220V，a=60°，当①LB=0和②LB=1mH情况下分别求Ud、Id的值，后者还应求g并分别作出ud与iT的波形。解：①当LB＝0时：Ud＝2.34U2cos＝2.34³220³cos60°＝257.4（V）Id＝（Ud－E）∕R＝（257.4－200）∕1＝57.4（A）②当LB＝1mH时Ud＝2.34U2cos－ΔUdΔUd＝3XBId∕πId＝（Ud－E）∕R解方程组得：Ud＝（2.34πU2Rcos＋3XBE）∕（πR＋3XB）＝244.15（V）Id＝44.15（A）ΔUd＝13.25（V）15 又∵cosa－cos(a+g)＝2XBId∕6U2cos(60°+g)＝0.4485γ＝63.35°－60°＝3.35°ud、IVT1和IVT2的波形如下：u2OuaubucwtudOiVT1OiVT2OⅠⅡⅢⅣⅤⅥuabuacubcubaucaucbuabuacIdIdwtwtwt18．单相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有哪些次数的谐波？其中幅值最大的是哪一次？变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波？其中主要的是哪几次？答：单相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有2k（k=1、2、3…）次谐波，其中幅值最大的是2次谐波。变压器二次侧电流中含有2k＋1（k＝1、2、3……）次即奇次谐波，其中主要的有3次、5次谐波。19．三相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有哪些次数的谐波？其中幅值最大的是哪一次？变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波？其中主要的是哪几次？答：三相桥式全控整流电路的整流输出电压中含有6k（k＝1、2、3……）次的谐波，其中幅值最大的是6次谐波。变压器二次侧电流中含有6k±1(k=1、2、3……)次的谐波，其中主要的是5、7次谐波。20．试计算第3题中i2的3、5、7次谐波分量的有效值I23、I25、I27。解：在第3题中已知电路为单相全控桥，其输出电流平均值为16 于是可得：Id＝38.99（A）I23＝22Id∕3π＝22³38.99∕3π＝11.7（A）I25＝22Id∕5π＝22³38.99∕5π＝7.02（A）I27＝22Id∕7π＝22³38.99∕7π＝5.01（A）21．试计算第13题中i2的5、7次谐波分量的有效值I25、I27。解：第13题中，电路为三相桥式全控整流电路，且已知Id＝23.4（A）由此可计算出5次和7次谐波分量的有效值为：I25＝6Id∕5π＝6³23.4∕5π＝3.65（A）I27＝6Id∕7π＝6³23.4∕7π＝2.61（A）22．试分别计算第3题和第13题电路的输入功率因数。解：①第3题中基波电流的有效值为：I1＝22Id∕π＝22³38.99∕π＝35.1（A）基波因数为n＝I1∕I＝I1∕Id＝35.1∕38.99＝0.9电路的输入功率因数为：l＝ncosa＝0.9cos30°u65309X0.78②第13题中基波电流的有效值：I1＝6Id∕π＝6³23.39∕π＝18.243（A）基波因数为n＝I1∕I＝I1∕Id＝0.955电路的输入功率因数为：l＝ncosa＝0.955cos60°u65309X0.4823．带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有何主要异同？答：带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有以下异同点：①三相桥式电路是两组三相半波电路串联，而双反星形电路是两组三相半波电路并联，且后者需要用平衡电抗器；②当变压器二次电压有效值U2相等时，双反星形电路的整流电压平均值Ud是三相桥式电路的1/2，而整流电流平均值Id是三相桥式电路的2倍。17 ③在两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系是一样的，整流电压ud和整流电流id的波形形状一样。24．整流电路多重化的主要目的是什么？答：整流电路多重化的目的主要包括两个方面，一是可以使装置总体的功率容量大，二是能够减少整流装置所产生的谐波和无功功率对电网的干扰。25．12脉波、24脉波整流电路的整流输出电压和交流输入电流中各含哪些次数的谐波？答：12脉波电路整流电路的交流输入电流中含有11次、13次、23次、25次等即12k±1、（k=1，2，3²²²）次谐波，整流输出电压中含有12、24等即12k（k=1，2，3²²²u65289X次谐波。24脉波整流电路的交流输入电流中含有23次、25次、47次、49次等，即24k±1（k=1，2，3²²²）次谐波，整流输出电压中含有24、48等即24k（k=1，2，3²²²u65289X次谐波。26．使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么？答：条件有二：①直流侧要有电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流电路直流侧的平均电压；②要求晶闸管的控制角>π/2，使Ud为负值。27．三相全控桥变流器，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，U2=220V，LB=1mH，当EM=-400V，b=60°时求Ud、Id与g的值，此时送回电网的有功功率是多少？解：由题意可列出如下3个等式：Ud＝2.34U2cos(π-β)－ΔUdΔUd＝3XBId∕πId＝（Ud－EM）∕R三式联立求解，得Ud＝[2.34πU2Rcos(π-β)＋3XBEM]∕(πR＋3XB)＝－290.3（V）Id＝109.7（A）由下式可计算换流重叠角：cosa－cos(a+g)＝2XBId∕6U2＝0.1279cos(120°+g)＝-0.6279γ＝128.90°－120°＝8.90°18 送回电网的有功功率为|2=400³109.7-109.72³109.7³1=31.85(W)P=EMId|-IdR28．单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，U2=100V，L=0.5mH，当EM=-99V，b=60°时求Ud、Id和g的值。解：由题意可列出如下3个等式：Ud＝0.9U2cos(π-)－ΔUdΔUd＝2XBId∕πId＝（Ud－EM）∕R三式联立求解，得Ud＝[πR0.9U2cos(π-)＋2XBEM]∕（πR＋2XB）＝－49.91（V）Id＝49.09（A）又∵cosa－cos(a+g)＝2IdXB∕U2=0.2181即得出cos(120°+g)=-0.7181换流重叠角g＝135.9°-120°=15.9°29．什么是逆变失败？如何防止逆变失败？答：逆变运行时，一旦发生换流失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变为顺向串联，由于逆变电路内阻很小，形成很大的短路电流，称为逆变失败或逆变颠覆。防止逆变失败的方法有：采用精确可靠的触发电路，使用性能良好的晶闸管，保证交流电源的质量，留出充足的换向裕量角β等。30．单相桥式全控整流电路、三相桥式全控整流电路中，当负载分别为电阻负载或电感负载时，要求的晶闸管移相范围分别是多少？答：单相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，要求的晶闸管移相范围是0~180°，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是0~90°。三相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，要求的晶闸管移相范围是0~120°，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是0~90°。31．三相全控桥，电动机负载，要求可逆，整流变压器的接法是D，y-5，采用NPN19 锯齿波触发器，并附有滞后30°的R-C滤波器，决定晶闸管的同步电压和同步变压器的联结形式。解：整流变压器接法如下图所示ABCabc以a相为例，ua的120°对应于=90°，此时Ud=0，处于整流和逆变的临界点。该点与锯齿波的中点重合，即对应于同步信号的300°，所以同步信号滞后ua180°u65292X又因为R-C滤波已使同步信号滞后30°u65292X所以同步信号只要再滞后150°u23601X可以了。满足上述关系的同步电压相量图及同步变压器联结形式如下两幅图所示。bC-sbscAsa-sa-scsbcBaABCsasbsc-sa-sb-sc各晶闸管的同步电压选取如下表：晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6同步电压-usbusa-usc20usb-usausc 第4章逆变电路1．无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？答：两种电路的不同主要是：有源逆变电路的交流侧接电网，即交流侧接有电源。而无源逆变电路的交流侧直接和负载联接。2．换流方式各有那几种？各有什么特点？答：换流方式有4种：器件换流：利用全控器件的自关断能力进行换流。全控型器件采用此换流方式。电网换流：由电网提供换流电压，只要把负的电网电压加在欲换流的器件上即可。负载换流：由负载提供换流电压，当负载为电容性负载即负载电流超前于负载电压时，可实现负载换流。强迫换流：设置附加换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压换流称为强迫换流。通常是利用附加电容上的能量实现，也称电容换流。晶闸管电路不能采用器件换流，根据电路形式的不同采用电网换流、负载换流和强迫换流3种方式。3．什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各有什么特点。答：按照逆变电路直流测电源性质分类，直流侧是电压源的逆变电路称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的逆变电路称为电流型逆变电路电压型逆变电路的主要特点是：①直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。②由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。电流型逆变电路的主要特点是：①直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。②电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。21 ③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。4．电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？答：在电压型逆变电路中，当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。当输出交流电压和电流的极性相同时，电流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压电流极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。在电流型逆变电路中，直流电流极性是一定的，无功能量由直流侧电感来缓冲。当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时，电流并不反向，依然经电路中的可控开关器件流通，因此不需要并联反馈二极管。5.三相桥式电压型逆变电路，180°u23548X电方式，d=100V。试求输出相电压的基波幅值UUN1m和有效值UUN1、输出线电压的基波幅值UUV1m和有效值UUV1、输出线电压中5次谐波的有效值UUV5。解：输出相电压的基波幅值为2UUUN1m=pd=0.637Ud=63.7(V)输出相电压基波有效值为：UUN1输出线电压的基波幅值为=UUN1m=20.45Ud=45(V)UUV1m23U=pd=1.1Ud=110(V)输出线电压基波的有效值为UUV1=UUV1m=26pUd=0.78Ud=78(V)输出线电压中五次谐波uUV5的表达式为：23Udw其有效值为：uUV5=5pUsin5tU=23d=15.59(V)UV552p6．并联谐振式逆变电路利用负载电压进行换相，为保证换相应满足什么条件？ 答：假设在t时刻触发VT2、VT3使其导通，负载电压uo就通过VT2、VT3施加在VT1、22 VT4上，使其承受反向电压关断，电流从VT1、VT4向VT2、VT3转移，触发VT2、VT3时刻t必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。7．串联二极管式电流型逆变电路中，二极管的作用是什么？试分析换流过程。答：二极管的主要作用，一是为换流电容器充电提供通道，并使换流电容的电压能够得以保持，为晶闸管换流做好准备；二是使换流电容的电压能够施加到换流过程中刚刚关断的晶闸管上，使晶闸管在关断之后能够承受一定时间的反向电压，确保晶闸管可靠关断，从而确保晶闸管换流成功。以VT1和VT3之间的换流为例，串联二极管式电流型逆变电路的换流过程可简述如下：给VT3施加触发脉冲，由于换流电容C13电压的作用，使VT3导通，而VT1被施以反向电压而关断。直流电流Id从VT1换到VT3上，C13通过VD1、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电，如图5-16b所示。因放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段。在C13电压uC13下降到零之前，VT1一直承受反压，只要反压时间大于晶闸管关断时间tq，就能保证可靠关断。uC13降到零之后在U相负载电感的作用下，开始对C13反向充电。如忽略负载中电阻的压降，则在uC13=0时刻后，二极管VD3受到正向偏置而导通，开始流过电流，两个二极管同时导通，进入二极管换流阶段，如图5-16c所示。随着C13充电电压不断增高，充电电流逐渐减小，到某一时刻充电电流减到零，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束。之后，进入VT2、VT3稳定导通阶段，电流路径如图5-16d所示。8．逆变电路多重化的目的是什么？如何实现？串联多重和并联多重逆变电路各用于什么场合？答：逆变电路多重化的目的之一是使总体上装置的功率等级提高，二是可以改善输出电压的波形。因为无论是电压型逆变电路输出的矩形电压波，还是电流型逆变电路输出的矩形电流波，都含有较多谐波，对负载有不利影响，采用多重逆变电路，可以把几个矩形波组合起来获得接近正弦波的波形。逆变电路多重化就是把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。组合方式有串联多重和并联多重两种方式。串联多重是把几个逆变电路的输出串联起来，并联多重是把几个逆变电路的输出并联起来。串联多重逆变电路多用于电压型逆变电路的多重化。并联多重逆变电路多用于电流型逆变电路得多重化。23 第5章直流-直流变流电路1．简述图5-1a所示的降压斩波电路工作原理。答：降压斩波器的原理是：在一个控制周期中，让V导通一段时间ton，由电源E向L、R、M供电，在此期间，uo＝E。然后使V关断一段时间toff，此时电感L通过二极管VD向Rt和M供电，uo＝0。一个周期内的平均电压Uo＝起到降压的作用。onon+offtt´E。输出电压小于电源电压，2．在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10，L值极大，EM=30V，T=50μs,ton=20μs,计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为tUo=onE=20´200=80(V)输出电流平均值为T50Io=Uo-EM=80-30=5(A)R103．在图5-1a所示的降压斩波电路中，E=100V，L=1mH，R=0.5，EM=10V，采用脉宽调制控制方式，T=20μs，当ton=5μs时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io，计算输出电流的最大和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续。当ton=3μs时，重新进行上述计算。解：由题目已知条件可得：m=EME=10100=0.1当ton=5μs时，有τ=L=R0.001=0.0020.5Tρ=t=0.01ar=tont=0.002524 由于所以输出电流连续。此时输出平均电压为ear-1er-1=e0.0025-1e0.01-1=0.249>mtUo=onE=100´5=25(V)输出平均电流为Io=TUo-EMR=2025-100.5=30(A)输出电流的最大和最小值瞬时值分别为æ1-e-aröEæ1-e-0.0025ö100Imax=ççr-m÷÷=çç-0.1÷÷=30.19(A)è1-e-øRè1-e-0.01ø0.5æear-1Imin=ççröE-m÷÷æ=ççe0.0025-1-ö1000.1÷÷=29.81(A)èe-1øRèe0.01-1ø0.5当ton=3μs时，采用同样的方法可以得出：ρ=0.0015由于ar-0.015-er1=e1=0.149>m所以输出电流仍然连续。e-1e0.01-1此时输出电压、电流的平均值以及输出电流最大、最小瞬时值分别为：tUo=onE=100´3=15(V)T20Io=Uo-EM=15-10=10(A)R0.5æ1-eImax=çç-0.0015-ö1000.1÷÷=10.13(A)è1-e-0.01ø0.5Imin=æe0.0015-1-ö1000.1=9.873(A) èççe0.01-1ø÷÷0.54．简述图5-2a所示升压斩波电路的基本工作原理。答：假设电路中电感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，因C值很大，基本保持输出电压为恒值Uo。设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为25EI1ton。 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处于断态的时间为toff，则在此期间电感L释放的能量为(Uo-E)I1toff。当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即：EI1ton=(Uo-E)I1toff化简得：=+=TUttEonoffEotofftoff式中的T/toff³1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。5．在图5-2a所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当T=40μs，ton=25μs时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。解：输出电压平均值为：TUo=E=40´50=133.3(V)输出电流平均值为：toffUo-4025133.3Io=R=20=6.667(A)6．试分别简述升降压斩波电路和Cuk斩波电路的基本原理，并比较其异同点。答：升降压斩波电路的基本原理：当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其贮存能量，此时电流为i1，方向如图3-4中所示。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中贮存的能量向负载释放，电流为i2，方向如图3-4所示。可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反。稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即Tòut=0Ld0当V处于通态期间，uL=E；而当V处于断态期间，uL=-uo。于是：E×ton=U×tooff所以输出电压为：Uo=tonEt=-onEa=-aE toffTton1改变导通比a，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0