电力电子技术答案第五版(全)

电子电力课后习 第一章 电力电子器件 1.1 使晶闸管导通的条件是什么？ 答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正相阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或者UAK >0且UGK>0 1.2 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。 1.3 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。 解：a)              Id1= I1= b)                Id2= I2= c)                  Id3= I3= 1.4.上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶阐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 A,      Id1 0.2717Im1 89.48A b)          Im2       Id2     c)        Im3=2I=314                  Id3=                                                   1.5.GTO和普通晶闸管同为PNPN结构,为什么GTO能够自关断,而普通晶闸管不能? 答：GTO和普通晶阐管同为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 和 ，由普通晶阐管的分析可得， 是器件临界导通的条件。 两个等效晶体管过饱和而导通； 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与普通晶闸管在和工艺方面有以下几点不同： l)GTO在设计时 较大，这样晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断； 2)GTO导通时 的更接近于l，普通晶闸管 ，而GTO则为 ，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。 1.6.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。 1.7.IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的驱动电路各有什么特点? 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。 1.8.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。 1.9.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： 器件 优点 缺点 IGBT 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。 开关速度低于电力MOSFET，电压,电流容量不及GTO 。 GTR 耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低。 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。 GTO 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。 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。 电力MOSFET 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，不存在二次击穿问题。 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。       1.10什么是晶闸管的额定电流？ 答：晶闸管的额定电流就是它的通态平均电流，国标规定：是晶闸管在环境温度为40℃和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温所允许的最大工频正弦半波电流的平均值。 1.11为什么要限制晶闸管断电电压上升律du/dt? 答：正向电压在阻断状态下，反向结J2相当的一个电容加在晶闸管两端电压上升率过大，就会有过大的充电电流，此电流流过J3，起到触发电流的作用，易使晶闸管误触发，所以要限制du/dt。 1.12．为什么要限制晶闸管导通电流上升率di/dt? 答：在晶闸管导通开始时刻，若电流上升过快，会有较大的电流集中在门集附近的小区域内，虽然平均电流没有超过额定值，但在小的区域内局部过热而损坏了晶闸管，所以要限制通态di/dt。 1.13电力电子器件工作时产生过电压的原因及防止措施有哪些？ 答：产生原因： 1、由分闸、合闸产生的操作过电压； 2、雷击引起的雷击过电压； 3、晶闸管或与全控型器件反并联的续流二极管换相过程中产生的换相电压。 措施： 压敏电阻，交流侧RC抑制电路，直流侧RC控制电路，直流侧RC抑制电路，变压器屏蔽层，避雷器，器件关断过电压RC抑制电路。 第2章  整流电路 2..1.单相半波可控整流电路对电感负载供电，L=20Mh，U2=100V，求当 时和 时的负载电流Id，并画出Ud与Id波形。 解： 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的一个周期中下列方程成立： 考虑到初始条件：当 时id=0可解方程： Ud与Id的波形如下图： 当a= 时，在U2的正半周期 ~ 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 ~ 期间释放，因此在U2的一个周期中 ~ 期间，下列微分方程成立： 考虑到初始条件：当 时id=0可解方程得： id= 其平均值为 Id= 此时Ud与id的波形如下图： 2. 2图1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: 晶闸管承受的最大反向电压为2 U2; 当负载是电阻或电感时，其输出电压和电流的波形与单相全控桥时相同。 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问题。因为单相全波可控整流电路变压器二次侧绕组中，在正负半周上下绕组中的电流方向相反，波形对称，其一个周期内的平均电流为零，故不存在直流磁化的问题。 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2 U2。 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 相同时，对于电阻负载：(O~ )期间无晶闸管导通，输出电压为0；( ~ )期间,单相全波电路中VT1导通，单相全控桥电路中VTl、VT4导通，输出电压均与电源电压U2相等；( ~ )期间均无晶闸管导通，输出电压为0；( ~2 )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： ( ~ )期间，单相全波电路中VTl导通，单相全控桥电路中VTl、VT4导通，输出电压均与电源电压U2相等； ( ~2 )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。 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。 2.3.单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=20 ，L值极大，当 = 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： ②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 =0.9×100×cos ＝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： U2=100 =141.4(V)                        - 考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为： UN=(2~3)×141.4=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/ =27.57(A)        晶闸管的额定电流为： IN=(1.5~2)×27.57/1.57=26~35(A) 具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。 2.4.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。整流二极管在一周内承受的电压波形如下： 2.5.单相桥式全控整流电路，U2 =100V，负载R=20 ，L值极大，反电势E=60V，当 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： ②整流输出平均电压Ud、电流Id、变压器二次测电流有效值I分别为： Ud=0.9U2cos =O.9×100×cos =77.97(V) Id=(Ud一E)/R=(77.97一60)/2=9(A) I2=Id=9(A) ③晶闸管承受的最大反向电压为： U2=100 =141.4(V) 流过每个晶闸管的电流有效值为： IVT=Id/ =6.36(A) 故晶闸管的额定电压为： UN=(2~3)×141.4=283~424(V) 晶闸管的额定电流为： IN=(1.5~2)×6.36/1.57=6~8(A) 晶闸管额定电压和电流的具体敢值可按晶闸管产品系列参数选取。 2.6.晶闸管串联的单相半控桥(桥中VT1、VT2为晶闸管)，电路如图2所示，U2=100V电阻电感负载,，R=20，L值很大，当 = 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： 负载电压的平均值为 Ud= 负载电流的平均值为 Id=Ud/R=67.52/2=33.75(A) 流过晶闸管VTl、VT2的电流有效值为 IVT= 19.49(A) 流过二极管VD3、VD4的电流有效值为 IVD= =27.56(A) 2.7.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 = ，当负载为电阻时，Ud的波形如下： 当负载为电感时，Ud的波形如下： 2.8.三相半波整流电路，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? 图 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，al的电流向下流，c3的电流向上流；当clb2对应的晶闸管导通时，cl的电流向下流，b2的电流向上流；当bla2对应的晶闸管导通时，bl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 )有电流流过，流过的电流大小相等而方向相反，故一周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。 2.9.三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 。 2.10.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 ，那么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 。 2.ll.三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=50 ，L值极大，当 ＝ 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： ②Ud、Id、IdT和IVT分别如下 Ud=1.17U2cos =1.17×100×cos =58.5(V) Id＝Ud/R=58.5/5=11.7(A) IdVT=Id/3=11.7/3=3.9(A) IVT=Id/ =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VTl不能导通，整流电压波形如下： 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。 2.13.三相桥式全控整流电路，U2 =100V，带电阻电感负载R=50 ，L值极大，当 = 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： ②Ud、Id、IdT和IVT分别如下 Ud=2.34U2cos =2.34×100×cos =117(V) Id=Ud/R=117/5=23.4(A) IDVT =Id/3=23.4/3=7.8(A) IVT=Id/ =23.4/ =13.51(A) 2.14.单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1 ，L= ，E=40V，U2=100V，LB=0.5Mh，当 = 时，求Ud、Id与 的数值，并画出整流电压Ud的波形。 解： 考虑LB时，有 Ud=0.9U2cos -Δud    Δud=2XBId/     Id＝(Ud-E)/R 由方程组得 Id=4.55（A） 又∵  换相重叠角 整流电压Ud的波形 2.15.三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，U2=100V，R=1 ，LB=lmH，求当 = 时、E=50V时Ud、Id、 的值并作出Ud与IVT1和IVT2的波形。 解：考虑LB时，有： Ud=1.17U2cos -Δud Δud=3XBId/2 Id＝(Ud-E)/R                          解方程组得： Ud＝ △Ud=6.7(V) Id=44.63(A) 又因为： 即得出 cos( ＋ )=0.752 换相重叠角 = Ud与IVTl和IVT2的波形如下: 2.16.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？其中主要的是哪儿次？ 答：单相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有2K (K=l、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+l(K=Ⅰ、2,3……)次即奇次谐波，其中主要的有3次、5次谐波。 2.17.三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=l、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+l(K=l、2、3……)次的谐波，其中主要的是5、7次谐波。 2.18.试计算第2.3题中I2的3、5、7次谐波分量的有效值I23,I25,I27 解：在第3题中己知电路为单相全控桥，其输出电流平均值为 Id=38.99 (A) 于是可得： I23= ×38.99/3 =11.7(A) I25= ×38.99/5 =7.02(A) I37= ×38.99/7 =5.01(A) 2.19.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。 ③在两种电路中，晶闸营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。 2.20.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。 2.21.十二脉波、二十四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ll次、13次、23次、25次等即12K l(K=1,2,3....)次谐波，整流输出电压中含有12、24等即12K(K=1,2,3...)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=l, 2,3...)次谐波，整流输出电压中含有24、48等即24K(K=1,2,3...)次谐波。 2.22.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 使Ud为负值。 2.23.什么是逆变失败？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。 防止逆变夫败的方法有：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 等。 2.24.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~ ，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是0~ 。 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~ ，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是0~ 。 2.25.三相全控桥，电动机负载，要求可逆运行，整流变压器的接法是D/Y-5，采用NPN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。 答：（1）考虑踞齿波底宽240°； （2）信号US’A与对应晶闸管阳极电压UA 同相，同步信号USA 超前对应晶闸管阳极电压UA 30° （3）共阴极组：Y/Y-4、共阳极组：Y/Y-10 第3章  直流斩波电路 1．简述图3-la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 。，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 ，此时电感L通过二极管VD向R和M供电，Uo=0。一个周期内的平均电压 输出电压小于电源电压,起到降压的作用。 2．在图3-1a所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10Ω，L值微大，E=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 输出电流平均值为 3．在图3-la所示的降压斩波电路中，E=100V，L=lmH，R=0．5Ω， =10V，采用脉宽调制控制方式，T=20μs，当 =5μs时，计算输出电压平均值 ，输出电流平均值 ，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 =3μs时，重新进行上述计算。 解：由题目已知条件可得： 当 时，有 由于 所以输出电流连续。 4．简述图3-2a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 ,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 。设V处于通态的时间为 ，此阶段电感L上积蓄的能量为E 。当V处于断态时E和己共同向电容C充电并向负载R提供能量。设V处于断态的时间为 ，则在此期间电感L释放的能量为 ；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： 化简得： 式中的T／ 1，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3-2a所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极大，R=20Ω，采用脉宽调制控制方式，当T=40μs， =25μs时，计算输出电压平均值 ，输出电流平均值 。 解：输出电压平均值为： 输出电流平均值为： 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 ，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 对时间的积分为零，即 当V处于通态期间， =E：而当V处于断态期间 。于是： 改变导通比 ，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0<