电力电子期末复习材料.docx

根据通态平均电流/F （“）的定义，当电流的峰值为人时

有效值与平均值的比值称为波形系数Kf K 厂宀諾“?57

^F （AV ） 2

例如，对于一只额定电流/F （AV ）二100A 的电力二极

管, 允许通过的电流有效值为157A

例：通过电力二极管的实际波形如右

图，求此波形的电流平均值Id,电流 有

效值la,波形系数Kf 。当不考虑安 全裕

量时，求选择二极管的定额电流

；Ip sin cotd(ol)-

2兀 2.22 _ 4 _ 2^- A/ 如果选用电流定额为100A 的电力二极管

■ 么实际允许的平均电流是多少？

hfAV)= 7

V

根据电流有效值相等的原则计算规

定波形下通过的平均电流

(厶『sin

dX )2rf(dr)=

F (仍一 K f 1.57 3.58

已知：图中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电 流波形，波形的电流最大值为/加试计算该波形的 电流平均值4和电流有效值"以及其波形系数。

5

I m

sin a )td (6)t) = 0.24/w 2兀

电流有效值:

波形系数:

(/ zw sin d@t) - 0.46? 0A6I m

0?2% = 1.92

上题中，若取安全裕量为2,问额定电流为100A 的晶闸

管,其允许通过的电流平均值是多少？这时,相应的电流最

大值是多少?

解:100 A 的晶闸管允许通过的电流平均值为:

1.57x100 2x1.92

=41(A) 解:电流平均值为:

Id\= 1 1 =

电流最大值为:

0.24

41

024

=171(A)

把-个晶闸管与灯泡串联,加上交流电氐如图

1?37所示

问:

(1)开关S 闭合前疝泡亮不亮？不亮

(3)开关S 闭合-段时间后再打开，断开开关后灯泡亮不亮？原因是什么?

?与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎 样的结构特

点才使得它具有耐高电压和大电流的能力。

答：

?电力二极管的垂直导电结构使得硅片中通过电流的有 效面积增大，可以显著提高二极管的通流能力。

?电力二极管在P 区和N 区之间多了一层低掺杂N 区，也 称为漂移区。因此，电力二极管的结构也称为P 亠N 结 构。由于掺杂浓底低，低掺杂浓度就可以承受很高的 电压而不致被击穿，因此低掺杂N 区越厚，电方二极 管能够承受的反向电压就越高。 ?使晶闸管导通的条件是什么？

答：

?使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极 电压，(2)开关S 闭合后疝泡亮不

亮？亮 不亮

并在门极施加触发电流(脉冲)。或：".▲/。且”GK>° °

=邑(1—) coL

?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。

?单相半波可控整流电路对电感负载供电，L = 20mH, t/2=100V,求当a=Q°和60。时的负载 电流厶，并画出心与心波形。

?解：a=Q°时，在电源电压“2的正半周期晶闸 管导通时，负载电感工储能，在晶闸管开始导 通时刻，负载电流为零。在电源电压“2的负半 周期，负载电感L 释放能量，晶闸管继鎂导通。 因此，在电源电压“2的一个周期里，以下方程 均成立：

L —- = sin cot

dt 「

?考虑到初始条件：当曲=0时可解方程得:

?当a =60。时，在"2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480。~300。期间释放，因此在U2— 个周期中60。~300。期间以下微分方程成立：

L =迈sin cot

dt 亠

?考虑初始条件：当wt=GQ°时dd=O 可解方程得:

? 亦/1 八

Zd =— (--cos^O (1 一 cos cot)d(cot)

4iu 2 coL

=22.51(A) "d 与心的波形如下图:

CDL 2

?其平均值为

* - cos 曲）d （曲）

= =11.25（A ）

IcoL

?此时％与id 的波形如下图:

?单相桥式全控整流电路，E = 100V,负载忙 =2H,

厶值人= ?②求整流输出平均电压$、电流厶，变压器二次电 流有效值爲；

?③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电

d

R

极大，当a = 30。时，要求：详?①画出4、i&、和2：的波形；

流。

?解：①4、石、和￡的波形如下图:

②输出平均电压4、电流厶，变压器二次电流有效I值爲分别为

4=0.9 % cosa=0. 9xl00xcos30° = 77. 97 (V)

I d=l/d /R=71. 97/2=38. 99 (A)

I2=I d =38.99 (A)

③晶闸管承受的最大反向电压为:

仏=100 = 141. 4 (V)

考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：

%= (2~3) x 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：

1^=1/41=21. 57 (A)

晶闸管的额定电流为：

召=(1?5~2) x27. 5^1. 57=26^35 (A)

具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。

?在三相半波整流电路中，如果a相的触发艇潘｝消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载「嚨流电压叫的波形。设触发角为0。。

?解：当负载为电阻时，％的波形如下：

?当负载为电感时，知的波形如下:

?三相桥式全控整流电路，L^2=100V,带电阻电感负载，/?=5￡2, ￡值极大，当—60。时，要求:

①画出“d、'd和‘VT1的波形；

②计算久、厶、G和人T。

②4、厶、厶T和/VT分别如下

t/d=2.34Z72cosa=2.34xl00xcos60° = 117 (V)

Z d = L7d//? = 117/5 = 23.4 (A)

/DVT=Z d /3=23.4 /3=7.8 (A)

1、戶訂观=23.4/ 73 =13-51 (A)

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a>n/2,使匕为负值。

② 整流输出平均电压4、 仿分别为

Ud=0?9 U 2 cosa=0.9 X100

Xcos30°=77.97(V)

l d =(L/d -E)/R=(77.97-

60)/2=9(A)

/2=/d =9(A)

③ 晶闸管承受的最大反向

电压为：

V2U 2=100 72=141.4

(V)

流过每个晶闸管的电流的有

效值为：

lvr=ld/42 =6.36 (A)

故晶闸管的额定电压为：

U N ={2^3) X141.4=283-424 (V)誌

晶闸管的赢定电流为: 年 _______ /N =(4?5~2)X6?36/4?57=6~8 (AfT> —— 晶闸管额定电压和电流的具体数宿听

1 “ 按晶闸管产品系列参数选取。Y 抹、J 一八、5 ~XT ■例：单相桥式全控整流电路，M 2=100V,负载中R=2^t ；；；

?-9 "八诅DG 的

波形图

电流心变压器二次侧电流有城置y

例：三相桥式不可控整流电路，阻感负载，R=5Q, L=?>, U 2=220V, X B =0.3 Q,求4、爲、仏、$和啲值并作出如的波形。

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。

S=2?34Scosa- AU d

AU d =3X B l d /n l d =U d /R

解方程组得：

S=2?344cosa/ (1 + 3X e /^?) =486.9 (V) /^= 97.38 (A)

又；? cosa — cos(a + /) =2 U 2

即得出 cos / =0.892

换流重叠角/=26.93O

二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为

lvD='d / 3 =97.38 / 3 =33.46 (A) 山=夙=79?54 (A)

Ud 、人/07和^2a 的波形如F 图所亦。

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。全控型器件釆用此换流方式。

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。

换流方式各有那几种？各有什么特点？

?在降压斩波电路中，已知B=200V, /?=10 丄值极大，F M=50V , T=40/zs, t on=20/zsW 输出电压平均值U。，输出电流平均值厶。

解：由于￡值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为

U=爭=

输出电流平均栓为

1=

O ----------

R

?在升压斩波电路中，己知毕50V, 0值和彈极大，用25Q,釆用脉宽调制控制方式，当匹50 {1 St =20 // s 时，计僚焉出电庄平均值Z7。，输出电洗平均值厶。

解：输出电压平均值

为：

U = T =

50

°---- E

'off

输出电流平均值为：

=3. 33 (A)

25

■例5/在图5?1a所示的降压斩波电路中，已知E=200V, RHOQ, L 塞留奋就莘譌f T=50PS.心=20声,计算输出电压平均值U。，

解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为

20x200 =ioo(v7)

40

100-50

---------- =5(A)

10

X50=83.3(V)

50-20

80-30 10二5⑷

输出电流平均值为■例5-2在图5-la所示的降压斩波电路中，E=100V,

L=lmH, R=0.5Q, E,=10V,采用脉宽调制控制方式，T=20咛当匕=5“时，计

算输岀电压平均值匕，输岀电流平均值打，计算输岀电流的最大和最小

值瞬时值并判断负载电流是否连续。

解：由题目已知条件可得=

加=鱼=竺=0.1

E 100

L 0.001 n如

T = — = ----- = 0.002

R 0.5

当匕=5“时，有

T

p = —= 0.01

r

矽=0.0025

?电流连续时

此时输岀平均电压为

_ =奢=警=25(7)

输岀平均电流为

输岀电流的最大和最小值瞬时值分别为

〔1—?、\

-m E _厂日0025 R _<1--0.01 U1 e

max

—= 30.19U)

0.5

(宀1 )E[严25_] \

------ m--- F Fi ------ 0.1

e" _ 1R I e001 -1 )

min

罟= 29.81⑷

〒E E M@

由于护_]_严

5_]

所以输岀电流连续。

= 0?249>〃?

电流断续的条件为

T^L/R p=T!r

严一1 m >

e p-l

m-EJE 屮= (T、

? 1

匕

=ap

R

R

■例5?3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=20Q,采用脉宽调制控制方式，当 T=40d r°』25//s 时，计算输出电压平均值4,输出电 流平均值/。。

解：输出电压平均值为:

■为什么升压斩波电路能使输出电压高于电 源电压？

■答：升压斩波电路之所以能使输出电压高 于电源电压，关键有两个原因：一是L 储 能之后具有使电压泵升的作用，二是电容 C 可将输出电压保持住。

■交流调压电路与交流调功电路在控制上有 何区别？各运用于什么样的负载？

■交流调压电路与交流调功电路的电路形式 完全相同，只是控制方式不同。

■?交流调压电路在每个交流电源半周期都对输出 电压波形进行控制

?交流调功电路将负载与交流电源接通几个整周 波，再断开几个整周波，通过改变接通用波数 与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均 功率。

■ ■ ? . ? ■ ■■■■ ■ ■ ■ ? ■ ■ ■

■适用场合：

■?交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯 和舞台灯光控制）及异步电动机的软起动，也 用于异步电动机调速。在供用电系统中，这种 电路还常用于对无功功率的连续调节。此外， 在高电压小电流或低电压大电流直流电源中， 也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。

*交流调功电路电路常用于电炉的温度控制O ■简述电压型逆变电路的主要特点。

输出电流平均值为:

U 。 133.3

~T~ 20 =6.667( J) u° =

■答：电压型逆变电路特点为：

*1）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流例电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。

*2）由于直流电压源的钳位作用，交流例输出电压波形为矩形波.并且与负兹阻抗角无关。而交流例输出电流波形和

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。

■简述电流型逆变电路的主要特点。

■答：电流型逆变电路特点为：

*1）直流例串联有大电感，相当于电流源。直流例电流基本无脉动，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。

?3）当交流例为阻感负载时需要提供无功功率.直流侧电感扭嫁神1无动能量彳勺祜用。因另反馈免功能量时直流

电流并不反向，因此不必象电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。

■额定电流为10A的晶闸管能否承受长期通过15A 的直流负载电流而不过热？为什么？

答：

■（1）额定电流为10A的晶闸管能够承受长期通过15A的直流负载电流而不过热。

■（2）因为晶闸管的额定电流是定义的：在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。这就意味着晶闸管可以通过任意波形、有效值为1.57的电流，其发热温升正好是

允许值，而恒定直流电的平均值与有效值相等，故额定电流为10A的晶闸管通过15.7A的直流负载电流，其发热温升正好是允许值。

I T 二 =24.25(/) ■单相全波与单相全控桥的区别？ 答： * (1)单相全波中变压器结构较复杂，材料的 V 肖 o

* (2)单相全波只用2个晶闸管，比单相全控 桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个； * (3)单相全波中晶闸管承受的最大电压是单 相全控桥的2倍。

* (4)单相全波导电回路只含1个晶闸管，比 单相桥少1个，因而管压降也少1个。

■图1所示的单相桥式整流电路中，?二220、 触发角Q = 30°，负载为阻感负载，电感L 的 值极大,R = 5G°

■ 1、计算输出电压"d 、输岀电流id 的平均 值及功率因数；

I 2、计算晶闸管的电流有效值。

J

VT3

N^T2

1.

U d =0.9-L 72 ?cos^ = 0.9x220xcos3(F = 171.4 7(r )

/ ? I 2 U 2 220

VT1 U d 171.47 亍

一 ~5-

=34.29(/)