电力电子技术作业解答

电力电子技术

作业解答

教材：《电力电子技术》，尹常永田卫华主编

第一章 电力电子器件

1-1晶闸管导通的条件是什么？导通后流过晶闸管的电流由哪些因素决定？ 答：晶闸管的导通条件是：（1）要有适当的正向阳极电压；（2）还有有适当的正向门极电压。

导通后流过晶闸管的电流由阳极所接电源和负载决定。

1-2维持晶闸管导通的条件是什么？怎样使晶闸管由导通变为关断？ 答：维持晶闸管导通的条件是：流过晶闸管的电流大于维持电流。

利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到维持电流以下，可使导通的晶闸管关断。

1-5某元件测得V U DRM 840=，V U RRM 980=，试确定此元件的额定电压是多少，属于哪个电压等级？

答：根据将DRM U 和RRM U 中的较小值按百位取整后作为该晶闸管的额定值，确定此元件的额定电压为800V ，属于8级。

1-11双向晶闸管有哪几种触发方式？常用的是哪几种？

答：双向晶闸管有Ⅰ+、Ⅰ-、Ⅲ+和Ⅲ-四种触发方式。 常用的是：（Ⅰ+、Ⅲ-）或（Ⅰ-、Ⅲ-）。

1-13 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：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2α较大，这样晶体管 V2控制灵敏，易于 GTO 关断；（2）GTO 导通时的

21αα+更接近于 1，普通晶闸管15.121≥+αα，而 GTO 则为05.121≈+αα，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。

第二章 电力电子器件的辅助电路

2-5说明电力电子器件缓冲电路的作用是什么？比较晶闸管与其它全控型器件缓冲电路的区别，说明原因。 答：缓冲电路的主要作用是：

⑴减少开关过程应力，即抑制d u/d t，d i/d t；

⑵改变器件的开关轨迹，使器件工作于安全工作区内，避免过电压、过电流损坏；

⑶减少器件的开关损耗。

晶闸管为了限制di/dt，往往在主电路中串接进线电感或桥臂电感。对关断过电压du/dt的抑制，一般在晶闸管的两端并联RC网络。晶闸管一般在较低的开关频率下工作。因此，与全控型器件相比，其缓冲电路要简单的多。

2-6说明常用电力电子器件晶闸管、GTO、GTR、电力MOSFET和IGBT采用哪种过压保护措施？采用哪种过流保护措施。

答：半控型器件晶闸管：过电压保护一般采用阻容吸收电路或具有稳压特性的非线性电阻器件（如硒堆、压敏电阻）来抑制过电压。

过电流保护，⑴快速熔断器保护，⑵直流快速断路器保护，⑶进线电抗限制保护，⑷电子保护。

全控型器件：过电压保护，器件开关过程中产生的过电压，一般使用缓冲电路来抑制，其它方面的过电压保护，一般采用阻容吸收电路或具有稳压特性的非线性电阻器件（如硒堆、压敏电阻）来抑制过电压。

过电流保护，以电子保护为主，电器保护为后备保护。

2-9阐述电力电子器件在串联、并联使用中应注意哪些问题？以晶闸管为例，说明这些问题可能会带来什么损害？为避免这些情况的出现常采用哪些措施。

答：电力电子器件串、并联使用时，首先应选用参数和特性尽量一致的器件，还要采用一定的均压、均流措施。

以晶闸管为例，理想的串联希望各器件承受的电压相等。串联工作时，当晶闸管在阻断状态，由于各器件特性的分散性，而在电路中却流过相等的漏电流，因此，各器件所承受的电压是不同的，内阻大的器件承受的电压大，内阻小的器件承受的电压小，如不采取措施，可能会使承受电压高的器件先被击穿，而导致其它的串联器件都被击穿。所以，在串联时，要采用均压措施，晶闸管的均压措施是在器件两端并联电阻和电阻电容器件。

并联时，由于并联的各个晶闸管在导通状态时的伏安特性的差异，但各并联器件却有相等的电压，因而通过并联器件的电流是不等的，低阻抗的器件，通过的电

流会大些，如不采取措施，可能会使通过电流大的器件先烧毁，而导致其它器件被烧毁。所以，在并联时，要采用均流措施。晶闸管的均流措施是串联电阻和串联电感等均流措施。

第三章 AC-DC 变换技术

3-2三相桥式不可控整流电路任何瞬间均有两个电力二极管导通，整流电压的瞬时值与三相交流相电压、线电压瞬时值有什么关系?

答：共阴连接的三个二极管中，三相交流相电压瞬时值最正的那一相自然导通，把最正的相电压接到负载的一端；共阳连接的三个二极管中，三相交流相电压瞬时值最负的那一相自然导通，把最负的相电压接到负载的另一端。因此，任何时刻负载得到的整流电压瞬时值是线电压的最大瞬时值。

3-4单相桥式相控整流电路，U 2=100V ，①电感性负载，其中R =2Ω，②反电动势负载，平波电抗器足够大，反电动势E=60V ，R =2Ω。当6/πα=时，要求： (1)作出u d 、i d 和i 2的波形；

(2)求直流输出电压U d 、电流I d 、变压器二次侧电流有效值I 2； (3)选择合适的晶闸管。 解：①电感性负载

(1)u d 、i d 、和i 2的波形如下图：

（2）U d ＝0.9 U 2 cos α＝0.9×100×cos π/6＝77.97（V ）

I d ＝U d /R ＝77.97/2＝38.99（A ） I 2＝I d ＝38.99（A ）

（3）U DRM ＝U RRM =（2~3）×2U 2＝（2~3）×1.414×100=283~424（V ）

I VT ＝I d ∕2＝27.57（A ）

I T （Av ）＝（1.5~2）×I VT ∕1.57=（1.5~2）×27.57∕1.57＝26~35（A ）

所以选择晶闸管的型号为：KP30-3或KP30-4

②反电动势负载

(1)u d 、i d 和i 2的波形如下图：

(2) U d ＝0.9 U 2 cos α＝0.9×100×cos π/6＝77.97(A)

I d ＝(U d －E )/R ＝(77.97－60)/2＝9(A) I 2＝I d ＝9(A)

(3) U DRM ＝U RRM =（2~3）×2U 2＝（2~3）×1.414×100=283~424（V ）

I VT ＝I d ∕2＝9∕1.414=6.363（A ）

I T （Av ）＝（1.5~2）×I VT ∕1.57=（1.5~2）×6.363∕1.57＝6.1~8.1（A ） 所以选择晶闸管的型号为：KP10-3或KP10-4

3-8三相半波可控整流电路带大电感负载，电感阻值为10Ω，变压器二次侧相电压有效值

为220V 。求当45α=?时，输出电压及电流的平均值U d 和I d 、流过晶闸管的电流平均值I dT 和有效值I T ，并画出输出电压u d 、电流i d 的波形。如果在负载两端并接了续流二极管，再求上述数值及波形。

解:（1）不接续流二极管时

V U U d 98.18145cos 22017.1cos 17.12=???==α

A R U I d d d 2.1810

98

.181===

A I I d dT 1.62.1831

31=?==

A I I d T 5.102.183

131=?==

输出电压u d 、电流i d 的波形

（2）接续流二极管时

[]V U U d 9.186)4530cos(1220675.0)6cos(1675.02=?+?+

??=??

?

???++=απ

A R U I d d d 7.1810

9

.186===

A I I o o d dT

4.57.18360

45150265

=?-=-=παπ A I I d T 1.107.1836045150265=??

?-?=-=

παπ A I I o

o o d dDR

3.27.183603)3045(23

)6(=??-=?-=ππ

α

A I I o

o o d DR 6.67.18360

3)3045(23

)6(=??-=?-

=

π

π

α 输出电压u d 、电流i d 的波形

3-10三相桥式全控整流电路带大电感性负载，2100U V =， R d =10Ω，求45α=?时，输出电压电流U d 、I d 以及变压器二次侧电流有效值I 2，流过晶闸管的电流有效值I VT 。 解：

U d ＝2.34U 2cos α＝2.34×100×cos45°＝165.4（V ） I d ＝U d ∕R ＝165.4∕10＝16.5（A ） I 2＝32I d ＝32×16.5＝13.5（A ） I VT ＝I d ∕3＝16.5∕3＝9.52（A ）

3-11三相半波可控整流电路带反电动势负载，为保证电流连续串接了电感量足够大的电抗器，2100U V =，1d R =Ω，1T L mH =，50E V =，求30α=?时的输出电压U d 、电流I d 以及换相重叠角γ。

解：mH L T 1=，Ω=????===-314.010

15014.3223

T T T fL L X πω，考虑L T 时，有：

??

?

????

-=-=d d d d T d R E

U I I X U U πα23cos 17.12 代入已知条件得：

??

???-=??-??=15014.32314.0330cos 10017.1d

d d o d

U I I U

解方程组得：

A I V U d d 6.446.94==

又∵2

62)cos(cos U I X d

T =+-γαα 即得出

752.0100

66

.44314.0230cos )30cos(=???-

=+o o γ

∴o

o

o

28.113028.41=-=γ

3-12三相桥式相控整流电路，反电动势负载，E =200V ，R =1Ω，平波电抗器L 值足够大，U 2=220V

(1) L B =0，α=π/3，画出u d 、u VT1、i d 波形，计算U d 和I d 的值； (2) L B =lmH ，α=π/3，计算U d 、I d 、γ的值； 解：(1) 当L B ＝0时：

U d ＝2.34U 2cos α＝2.34×220×cos π/3＝257.4（V ） I d ＝（U d －E ）∕R ＝（257.4－200）∕1＝57.4（A ） u d 、u VT1、i d 的波形如下：

（2）mH L T 1=，Ω=????===-314.010

15014.3223

T T T fL L X πω，考虑L T 时，

有：

??

?

????

-=-=d d d d T d R E

U I I X U U πα3cos 34.22 代入已知条件得：

??

???-=

?-??=120014.3314.0360cos 22034.2d d d o d U I I U 解方程组得：

A I V U d d 2.442.244==

又∵2

62)cos(cos U I X d

T =+-γαα 即得出

448.0220

62

.44314.0260cos )60cos(=???-

=+o o γ

∴o

o

o

38.36038.63=-=γ

3-13单相桥式相控整流电路，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：单相桥式相控整流电路，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。

3-14三相桥式相控整流电路，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：三相桥式相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。

第四章 DC-AC 变换技术

4-2、 换流方式有哪几种？各有什么特点？

答：换流方式有器件换流、电网换流、负载换流和强迫换流四种。

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过负载电压时，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。

4-4 在图4-28的两图中，一个工作在整流电动状态，另一个工作在逆变发电状态。试回

答：

(1) 在图中标出U d 、E d 及i d 的方向。 (2) 说明E 大小与U d 大小的关系。

(3) 当α与β的最小值均为30°时，控制角α的移相范围为多少？

图4-28 题4-4图

解答：(1)标注如图所示

（a ） （b ）

（2）图（a ）中：d d E U > ，电路工作在整流电动状态；

图（b ）中：d d U E >，电路工作在逆变发电状态。

（3）当?==30min min βα时，控制角α的移相范围为30°～150°。

4-8什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各有何特点？

答：按照逆变电路直流侧电源性质分类，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，交流测输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流测输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。

（3） 当交流测为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起到缓冲无功能量的作用。为了给交流测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，相当于电压源。直流侧电流基本无功脉动，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，因此交流侧输出的电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流测输出电压波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。

（3） 当交流测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。因此反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。

4-14 设三相桥式电压源逆变电路直流母线电压U d =540V ，当其工作在180?导电方式时，求出输出相电压基波幅值和有效值，输出线电压基波幅值和有效值。

解答：

第5章 DC-DC 变换技术

5-2在图5-2(a)所示的降压斩波电路中，已知E =200V ，R =10Ω，L 值极大，E M =30V 。采用脉宽调制控制方式，当T =50μs ，t on =20μs ,计算输出电压平均值U o ，输出电流平均值I o 。

解： U o =

E T t on =5020020?=80(V) I o =R E U M o -=10

3080-=5(A) 5-5．在图5-3(a)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 、t on =25μs 时，计算输出电压平均值U o ，输出

）（4122594

2）

（5945401.11.1111V U U V U U m UV UV d m UV ====?==V U U V U U m UN UN d m UN 24323442344540637.0637.0111====?==

电流平均值I o 。

解： U o =

E t T off =50254040?-=133.3(V) I o =R U o =20

3.133=6.667(A) 第六章 AC-AC 变换技术

6-3 双向晶闸管组成的单相调功电路采用过零触发，电源电压U 2=220V ，负载电阻R =1Ω。在设定周期T c 内，使晶闸管导通0.3s ，断开2s 。计算：

（1）输出电压的有效值；

（2）负载上所得到的平均功率及假定晶闸管一直导通时所发出的功率。 解答：

（1）负载在导通0.3s 、断开0.2s 、过零触发下，输出电压有效值为：

79.45L U U V === （2）负载在全导通时，送出的功率为：

22222048.41L U P kW R ??=== ???

晶闸管导通0.3s ，断开2s 时，负载上平均功率为：

220.3(48.4) 6.310.32

on L T U P kW R T ==?=+ 6-6 图6-38为电感性负载单相交流调压电路，2u 为220V 、50Hz 正弦交流电，L =5.516mH ，R=1Ω，求：

（1）控制角移相范围；

（2）负载电流最大有效值；

（3）最大输出功率和功率因数；

（4）画出o 90=α时负载电压和电流的波形。