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第一章 电力半导体器件
习题与思考题解
1-1.晶闸管导通得条件就是什么？怎样使晶闸管由导通变为关断？
解:晶闸管导通得条件就是:阳极承受正向电压,处于阻断状态得晶闸管,只有在门极加正向触发电压,才能使其导通。门极所加正向触发脉冲得最小宽度,应能使阳极电流达到维持通态所需要得最小阳极电流,即擎住电流ＩＬ以上。导通后得晶闸管管压降很小。
使导通了得晶闸管关断得条件就是:使流过晶闸管得电流减小至某个小得数值－维持电流ＩＨ以下。其方法有二:
１） 减小正向阳极电压至某一最小值以下,或加反向阳极电压;
２） 增加负载回路中得电阻。
1-2.型号为KP100-3得晶闸管,维持电流IH=4mA,使用在题1-2图中得电路中就是否合理？为什么(不考虑电压、电流裕量)？
解:根据机械工业部标准JB1144-75规定,ＫＰ型为普通闸管,KP100-3得晶闸管,其中100就是指允许流过晶闸管得额定通态平均电流为100A,3表示额定电压为300V。
对于图(a),假若晶闸管V被触发开通,由于电源为直流电源,则晶闸管流过得最大电流为
因为IV < IH,而IH < IL,IL为擎住电流,通常IL=(2~4) IH。可见,晶闸管流过得最大电流远小于擎住电流,所以,图(a)不合理。
对于图(b),电源为交流220V,当α=0°时,最大输出平均电压
(Ｖ)
平均电流 (A)
波形系数
所以, ＩＶ＝Kf 。ＩＶＡＲ＝1、57×9、9＝15、5(A)
而KP100-3允许流过得电流有效值为IVE＝1、57×100＝157(A), IL< IV<IVE,所以,电流指标合理。
但电路中晶闸管Ｖ可能承受得最大正反向峰值电压为
(V)>300(V)
所以,图(b)不满足电压指标,不合理。
对于图(c),电源为直流电源,Ｖ触发导通后,流过Ｖ得最大电流为IV＝150／1＝150(A),即为平均值,亦就是有效值。而IVE＝150A,IV＝150(A)<157(A),即IL< IV<IVE,所以电流指标合理。同时,晶闸管承受得正向峰值电压为150V,小于300V,电压指标合理。所以图(c)合理。
1-3.在题图1-3电路中,E=50V,R=0、5Ω,L=0、5H,晶闸管擎住电流为15mA。要使晶闸管导通,门极触发电流脉冲宽度至少应为多少？
解:晶闸管导通后,主回路电压方程为
主电路电流按下式由零上升
晶闸管要维持导通,id必须上升达到擎住电流值以上,在此期间,门极脉冲应继续维持,将Id=15mA代入,得
取,
t≥150μs。
所以,门极触发电流脉冲宽度至少应大于150μs。
1-4.单相正弦交流电源,交流电源电压有效值为220V。晶闸管与负载电阻串联连接。试计算晶闸管实际承受得最大正反向电压。若考虑晶闸管得安全裕量,其额定电压应如何选取？
解:该电路运行可能出现施加于晶闸管上最大正反向峰值电压为
(V)
若考虑晶闸管得安全裕量,通常选择额定电压为正常工作峰值电压得2－3倍。２×310＝620(V),
3×310＝930(V),则选择额定电压为700V～1000V得晶闸管。
1-5.若题1-4中晶闸管得通态平均电流为100A,考虑晶闸管得安全裕量,试分别计算导电角为180°与90°时,电路允许得峰值电流各就是多少？
解: 在不考虑安全裕量时,选择晶闸管得原则就是:使实际运行管子电流得有效值IV1等于定义管子额定通态平均电流时得电流有效值IVE,即两种情况下,管芯得结温相同并小于或等于额定结温。
当导通角θ＝180°时,
则有 Im/2＝1、57IVEAR
所以,晶闸管允许得峰值电流为
Ｉm=2×1、57×100＝314(Ａ)
当导通角θ＝90°时,
则有
所以,晶闸管允许得峰值电流为
(A)
考虑取安全裕量数为2时,则当导通角θ＝180°时,电路允许得峰值电流为
Im1=314／2＝157Ａ,
当导通角θ＝90°时,电路允许得峰值电流为
Ｉm2＝444／2＝222(A)、
1-6、题1-6图中阴影部分表示晶闸管导电区间。各波形得电流最大值均为Im,试计算各波形电流平均值Id1、Id2、Id3、Id4、Id5,电流有效值I1、I2、I3、I4、I5与它们得波形系数Kf1、Kf2、Kf3、Kf4、Kf5、
解:
1-7.题1-6中如果不考虑安全裕量,问100A晶闸管能送出得电流平均值Id1、Id2、Id3、Id4、Id5各就是多少？这时相应得电流最大值Im1、Im2、Im3、Im4、Im5又就是多少？
解:额定通态平均电流IVEAR为100A得晶闸管允许通过电流得有效值为
利用上题结果,图(a)
则 Im1=314(A)
图(b)
则 Im２=341(A)
图(c)
则 Im３=241(A)
图(d)
则 Im４=314(A)
图(e)
则 Im5=444(A)
1-8.晶闸管得额定电流就是怎样定义得？有效值与平均值之间有何关系？
解:晶闸管得额定电流即指其额定通态平均电流ＩVEAR 、它就是在规定得条件下,晶闸管允
许连续通过工频正弦半波电流得最大平均值。如教材图1-8所示。
这些条件就是:环境温度+４０℃,冷却条件按规定,单相半波整流电路为电阻负载,导通角不小于170℃,晶闸管结温不超过额定值。
额定通态平均电流ＩVEAR得电流等级如教材表１－２所示。通常50Ａ以下得管子分为1、5、10、20、30、50Ａ等级,100－1000Ａ得管子分为100、200、300、400、500、600、800、1000Ａ等级。
额定通态平均电流ＩVEAR 与在同一定义条件下得有效值IVE具有如下关系:
其中, 为定义条件下得波形系数。
1-9.导通角θ不同,电流得波形不一样,如何来选择晶闸管得电流容量？
解:导通角θ不同,电流得波形不一样,因而波形系数亦不相同,θ角愈小,波形系数愈大。晶闸管电流得有效值、平均值ＩV1AR 与波形系数Kf1具有如下关系:
IV1 = Kf1ＩV1AR
具有相同平均值而波形不同得电流,因波形不同,其有效值就是不相同得。流经同一晶闸管发热情况也不相同,因为决定发热得因素就是电流得有效值,管芯发热效应就是与电流得有效值大小有关。
因此,选择晶闸管额定电流参数得原则就是:使电路各种实际运行情况下(特别就是最不利得情况)管芯得结温小于或等于额定结温。这样,就能保证晶闸管在实际运行工作时,不致于因电流过载而损坏。
上述这一原则可归结为:使实际运行管子电流波形得有效值ＩV1,等于定义管子额定通态平均电流ＩVEAR时得电流有效值IVE ,即
则晶闸管额定电流
1-10.晶闸管导通后,门极改加适当大小得反向电压,会发生什么情况？
解:晶闸管承受正向阳极电压,并已导通得情况下,门极就失去了控制作用。因此,晶闸管导通后,门极改加适当大小得反向电压,晶闸管将保持导通状态不变。
1-11.门极断路时,晶闸管承受正向阳极电压它会导通吗？若真得导通,就是什么情况？
解:门极断路时,晶闸管承受正向阳极电压,有两种情况可造成晶闸管得非正常导通。一就是阳极电压UA过高,达到或超过IG＝０时得转折电压UB0时,使漏电流急剧增加;二就是UA得电压上升率duA／dt太快。
这两种因素造成得最终结果都就是使从N1区通过反向偏置得J2结向P2区(门极区)注入了足够数量得漏电流(空穴流),充当了二等效三极管电路中得基极电流IB2,它相当于从门极提供得IG得作用,使其二等效三极管得α1、α2极快上升至α1＋α2≈１,即1-(α1＋α2)≈０,进而使阳极电流IA大大增加,并只受外电路电阻得限制,晶闸管进入导通状态。
这两种不加门极触发控制信号使晶闸管从阻断状态转入导通状态得情况就是非正常工作状态,在实际使用中就是不允许得,因为发生此类情况常造成器件得损坏。
1-12.晶闸管得一些派生器件得主要功能与特点就是什么？
解:晶闸管得一些派生器件得主要功能与特点如下:
(1)、 快速晶闸管
快速晶闸管得开关时间短,动态特性比普通晶闸管好,快速晶闸管一般分为两种,一种就是主要就是关断时间短,另一种就是di／dt就是耐受量高。主要用于斩波与高频逆变电路。
(2)。双向晶闸管
双向晶闸管就是一种五层结构得三端器件,具有四种触发方式,分别为Ⅰ+、Ⅰ-、Ⅲ+、Ⅲ=,其中Ⅰ+、Ⅰ-触发灵敏度较高,Ⅲ_触发灵敏度稍低,较为常用,而Ⅲ+触发灵敏度最低,一般不用,使用不当会损坏晶闸管。双向晶闸管主要用于交流电路,例如移相调压控制、零电压开关与静态开关等。由于其内部工艺结构关系,目前器件得额定电压与额定电流与普通晶闸管相比较还较低,重施加du／dt得能力也较差。
(3)。逆导晶闸管
逆导晶闸管就是将逆阻型晶闸管与大功率二极管集成在一个管芯上,与普通晶闸管相比,具有正向压降小、关断时间短、温度特性较好、额定结温高等优点。同时,消除了晶闸管与二极管之间得连线电感,减小了换流时间,使晶闸管承受反向偏压得时间增长,提高了换流能力。而且减少了装置得元件数目,缩小了体积,提高了经济性能。主要适用于逆变电路与斩波电路。
(4)、可关断晶闸管(ＧＴＯ)
可关断晶闸管ＧＴＯ(Gate Turn-off Thyristor)既可用门极正脉冲信号控制其导通,又可用门极负脉冲信号控制其关断得逆阻型三端器件。与普通晶闸管相比,ＧＴＯ快速性好,工作频率高,控制方便,其最高耐压容量目前稍逊于普通晶闸管。
ＧＴＯ与普通晶闸管得关断机理不同,有两个重要得特征参数需要特别注意,分别为最大可关断电流ＩＡＴＯ与电流关断增益βoff。其定义分别为
最大可关断电流ＩＡＴＯ:表征用门极负脉冲控制信号可关断得最大阳极电流,它就是用来表征ＧＴＯ容量大小得参数。
电流关断增益βoff:电流关断增益得定义为阳极电流ＩＡ与使其关断所需得最小门极电流ＩＧmin得比值,即
通常ＧＴＯ得βoff只有５左右,但就是,ＧＴＯ得导通或关断只需一个窄脉冲电流即可,它需要得就是瞬时功率,尽管关断时需要较大得负门极电流,但平均功率较小。因此,ＧＴＯ得平均激励功率,比相同容量得大功率晶体管小。
1-13.何谓功率晶体管得开关特性？用图描述它得开关过程。
功率晶体管得开关特性就是描述功率晶体管在开关过程中得开关时间、电流电压、开关损耗等参数得性能。
功率晶体管ＧＴＲ得开关时间可用开通时间ton与关断时间toff来表示,即
ton=td+tr
toff=ts+tf
其中,td为延迟时间,tr为上升时间,ts为存值得时间,tf为下降时间。
开关损耗发生在器件得开关过程中,瞬态功率损耗为
Dp=iCuc
维持得时间长了,就有可能导致管子产生二次击穿。总开关损耗与开关频率(开关次数)有关,开关频率愈高,总开关损耗愈大。
各种参数得开关性能描述图参阅教材P18~19中得图1-15与图1-16。
1-14.描述功率晶体管得二次击穿特性？
解:二次击穿现象在发射结正偏压、零偏压与反偏压都可能发生,其特性曲线参阅教材P19中得图１－１７。
现以零偏压曲线OEBGH来说明二次击穿现象得发生过程。当ＵＣＥ增大到ＵＳＢ,即达到Ｅ点时,集电极电压达到通常所说得击穿电压,集电结发生雪崩击穿,这就就是一次击穿。
由于一次击穿效应,晶体管得电流迅速上升到Ｂ点,达到ＩＳＢ,即达到了二次击穿触发功率ＰＳＢ,进入了二次击穿区。但并不立即产生二次击穿,而需要一个触发时间来积累触发能量临界值,一旦达到这个临界值,管压突然从Ｂ点ＵＳＢ减小到Ｇ点得低电压区(10～15V),同时电流急剧增大。如果没有适当得保护措施,电流将继续沿ＧＨ曲线增大到Ｈ点,造成管子得永久性损坏。这种从高电压小电流向低电压大电流跃变得现象,称为晶体管得二次击穿。
二次击穿触发时间τ,对于不同类型得二次击穿,时间得长短相差很大,短得几乎就是瞬时得,晶体管得状态不能稳定在Ｂ～Ｇ区域内,而且Ｇ点就是不可逆得,即使电路得保护措施可使晶体管回到触发前得状态,但二次击穿已在管子内部留下了损害伤痕,性能变坏,重复几次仍然使管子永久性失效。
1-5.为什么功率晶体管在开关瞬变过程中容易被击穿？可采取什么措施防止？
解:在电路开关转换瞬变过程中,电路将产生过高得电压或电流,有可能达到二次击穿触发功率ＰＳＢ＝ＩＳＢ.ＵＳＢ,进而达到二次击穿临界触发能量 ＥＳＢ＝ＰＳＢτ＝ＩＳＢＵＳＢτ,产生二次击穿。
采用错开关期间瞬变电流与电压最大值相位得缓冲吸收保护电路,减小开关期间得瞬时功率,就是破坏二次击穿产生得条件,抑制二次击穿得有效措施。
1-16.功率晶体管反偏安全工作区很大,如何应用？
解:在实际应用中,功率晶体管基极回路采用足够得反向偏置电压,或者在若关断功率晶体管时,驱动电路产生负脉冲关断电压,使晶闸管工作在反向偏置工作区,来提高管子得电压承受能力。
1-17.绝缘栅双极型功率晶体管(IGBT)有何突出得优点？
解:绝缘栅双极型功率晶体管(IGBT)就是兼备功率场效应管MOSFET得栅极电压激励、高速开关特性与GTR得大电流低导通电阻特性于一体得复合型器件。
1-18.MOS栅控晶闸管(MCT)有何突出得优点？
解:MOS栅控晶闸管(MCT)就是将MOSFET得高输入阻抗、低驱动功率与快速得开关特性与晶闸管得高电压大电流特性结合在一起得新型复合器件。
1-19.功率集成电路PIC得基本结构组成如何？
解:功率集成电路PIC至少包含一个半导体功率器件与一个独立功能电路得单片集成电路, PIC分为两大类:一类就是高压集成电路HVIC,它就是高耐压功率电子器件与控制电路得单片集成;另一类就是智能功率集成电路SPIC(Smart Power-IC),它就是功率电子开关器件与控制电路、保护电路、故障监测电路以及传感器等电路得多种功能电路得集成。 第二章 单相可控整流电路
习题与思考题解
2-1.什么就是整流？它就是利用半导体二极管与晶闸管得哪些特性来实现得？
解:整流电路就是一种AC／DC变换电路,即将交流电能变换为直流电能得电路,它就是利用半导体二极管得单向导电性与晶闸管就是半控型器件得特性来实现得。
2-2.某一电热装置(电阻性负载),要求直流平均电压为75V,电流为20A,采用单相半波可控整流电路直接从220V交流电网供电。计算晶闸管得控制角α、导通角θ、负载电流有效值,并选择晶闸管。
解:(1)整流输出平均电压
Ｕd==
=
cosα=
则 控制角α≈60° 导通角θ=π-α=120°
(2)、负载电流平均值
Id==20(A)
则 R＝Ud／Id＝75／20=3、75Ω
负载电流有效值I,即为晶闸管电流有效值IV1,所以
I=IV1==＝37、6(A)
(3)、当不考虑安全裕量时
IV1=kfeIVEAR=1、57IVEAR
则晶闸管通态平均电流 IVEAR=IV1 /1、57=37、4 /1、57=23、9(A)
晶闸管可能承受得最大正反向电压为
(V)
所以,可选择额定通态平均电流为30A、额定电压为400V得晶闸管。
按裕量系数2,可选择额定通态平均电流为50A、额定电压为700V得晶闸管。
2-3.带有续流二极管得单相半波可控整流电路,大电感负载保证电流连续。试证明输出整流电压平均值,并画出控制角为α时得输出整流电压ud、晶闸管承受电压uV1得波形。
解: Ｕd==
=
控制角为α时得输出整流电压ud、晶闸管承受电压uV1得波形参阅教材P31中得图2-3(b)、(c)、(d)与(h)。
2-4.将单相半波可控整流电路中电阻负载与电感性负载得工作原理作个比较,找出差别,并画出电阻负载输出电压ud、电流id与晶闸管电压uV1波形;写出Ud、Id计算公式。
解:电阻性负载电路
输出电流id 与输出电压ud相位相同,波形相似。晶闸管导通区间从α至π,导通角θ＝π－α。ud波形从α至变压器二次电压正变负得过零点。
电感性负载电路
由于电感得储能作用,输出电流id 与输出电压ud相位不相同,电流id滞后于电压ud。而且,电流id不能随电压ud突变。晶闸管导通区间从α开始并超过π过零点,导通角θ>π－α。ud波形从α开始至变压器二次电压正变负得过零点后,进入负半周。导通角θ得大小,与负载电感值L有关,L越大,储能越多,θ亦越大,ud波形进入变压器二次电压负半周得部分亦越多,输出电压得平均值Ud亦下降得越多。当负载为大电感负载时,Ud近似等于零,此时输出平均电流Id亦很小。
电阻负载输出电压ud、电流id与晶闸管电压uV1波形参阅教材 Ｐ27中得图2-1。
电阻负载Ud、Id计算公式如下:
(1)整流输出平均电压
Ｕd==
=
(2)、负载电流平均值
Id=
2-5.单相半波大电感负载可控整流电路中,带续流二极管与不带续流二管在输出电压ud与电流id、晶闸管电压uV1与电流iV1、续流二极管电压uV2与电流iV2波形上有何区别。写出带续流二极管时ud、id、iV1、iV2得平均值与有效值计算公式。
解:不带续流二管时,当负载为大电感负载时,输出电压ud波形与横坐标所围得正负面积相等,Ud近似等于零,此时输出平均电流Id亦很小。输出电压ud与电流id、晶闸管电压uV1与电流iV1得波形参阅教材P30中得图2-2。其中,iV1得波形与id得波形相同。
带续流二极管时,由于续流二极管得作用,晶闸管从α开始导通,至变压器二次电压正变负得过零点时,由于电感应电动势得作用使续流二级管导通,晶闸管被迫关断,所以,晶闸管导通区间从α至π,导通角θ＝π－α。由于负载为大电感负载,所以负载电流id脉动很小,近似为一平行横坐标得直线,晶闸管电流iV1、续流二极管电流iV2近似为正向矩形波,导通角分别为θ＝π－α与θ＝π＋α。
输出电压ud与电流id、晶闸管电压uV1与电流iV1、续流二极管电压uV2与电流iV2波形参阅教材P31中得图2-3。
带续流二极管时ud、id、iV1、iV2得平均值与有效值计算公式如下:
(１)输出电压得平均值Ud为
Ud=0、45U2
(２)输出电压得有效值值U为
U ==
(３)输出电流得平均值Id为
(４)输出电流得有效值值I为
I ＝
(５)晶闸管得平均电流IV1AR为
IV1AR=
(６)晶闸管电流得有效值IV1为
IV1=
(７)续流二极管得平均电流IV2AR为
IV2AR=
(８)续流二极管电流得有效值IV2为
IV2=
2-6.有一单相桥式全控整流电路,负载为电阻性,要求α=30°时,Ud=80V,Id=7A。计算整流变压器得副边电流I2,按照上述工作条件选择晶闸管。
解:Id=Ud／R,则R=Ud／Id=80／70=1、14Ω
Ud=0、9U2×(1+cosα)／2
则 U2=95V
＝ ＝82、12 (A)
(A)
IVEAR=IV1／kfe =58／1、57≈37 (A)
考虑裕量系数2,
２×37＝74(A)
(V)
选额定电流100A、额定电压300V得晶闸管。
2-7.单相全控桥式整流电路接大电感负载,已知U2=100V,R=10Ω,α=45°。
(1)负载端不接续流二极管V4,计算输出整流电压、电流平均值及晶闸管电流有效值。
(2)负载端接续流二极管V4,计算输出整流电压、电流平均值及晶闸管、续流二级管电流有效值。画出ud、id、iV11、iV4及变压器次级电流i2得波形。
解:(1)负载端不接续流二极管V4时
输出电压平均值为
＝0、9×100×0、707≈63、7(V)
输出直流电流平均值为
(A)
晶闸管电流得有效值为
=≈4、5(A)
(2)负载端接续流二极管V4时
输出电压平均值
(V)
输出直流电流平均值为
(A)
晶闸管与整流二极管电流得有效值IV1、IV2为
(A)
续流二极管电流得有效值IV4为
=(A)
变压器二次电流得有效值I2为
(A)
接续流二极管时得ud、id、iV11、iV4及变压器次级电流i2得波形参阅教材 Ｐ41中得图2-8。
2-8.单相桥式半控整流电路接电阻性负载,要求输出整流电压0～100V连续可调,30V以上时要求负载电流能达到20A。当(1)采用220V交流电网直接供电;2)采用变压器降压供电,最小控制角αmin=30°,试分析比较二种供电方式下晶闸管得导通角与电流有效值、交流侧电流有效值及电源容量。
解:(1)采用220V交流电网直接供电时
当输出平均电压Ｕd为100V时
则
当输出平均电压Ud为30V时
则
导通角θ＝π－α,所以晶闸管导通角θ＝90°～46°。
要求在此导通角范围之间,均能输出20A负载电流,故应在最小θ即最大αmax时,计算晶闸管电流有效值与变压器二次电流有效值。
Id=20A,则晶闸管平均电流IV1AR＝Id／2=10A
当α＝134°=134π／180=0、7444π时
波形系数为
晶闸管电流得有效值为
(Ａ)
交流侧电流得有效值为
(Ａ)
交流电源容量为
2)采用变压器降压供电时
Ud=0、9 U2
当αmin=30°时,输出电压为100V,则变压器二次电压为
(V)
当Ud=30V时得最大控制角αmax为
αmax≈116°
晶闸管导通角θ＝π－α,则θ＝150°～64°
要求在此导通角范围之间,均能输出20A负载电流,故应在最小θ即最大αmax时,计算晶闸管电流有效值与变压器二次电流有效值。
Id=20A,则晶闸管平均电流IV1AR＝Id／2=10A
当α＝116°=116π／180=0、6444π时
波形系数为
晶闸管电流得有效值
(Ａ)
变压器二次电流得有效值
(Ａ)
变压器二次容量
可见,在可控整流电路输出较低电压时,采用变压器供电有利于降低所用晶闸管得额定电流与额定电压,以及交流电源得容量。因为采用变压器供电可使可控整流电路在较小控制角α与较低得变压器二次电压下运行。
2-9.单相桥式半控整流电路,由220V经变压器供电,负载为大电感性并接有续流二极管。要求输出整流电压20～80V连续可调,最大负载电流为20A,最小控制角αmin＝30°。试计算晶闸管、整流管、续流二极管得电流平均值、有效值以及变压器容量。
解:1、在最小控制角αmin与最大整流输出电压时,计算变压器二次电压U2
(V)
2、在最小整流输出电压时计算出最大控制角αmax
当Ud=20V时得最大控制角αmax为
则 αmax=122°
3、在最不利得条件下,计算各器件得电流有效值与变压器二次有效值I2,因为晶闸管、整流管、续流二极管电流有效值涉及管芯得发热与合理选择器件得电流额定容量。变压器二次电流I2涉及变压器容量得选择,这些量得计算必须以电路运行中得最大值为基础,以保证器件与设备得安全运行。
晶闸管与整流二极管电流得平均值IV!AR、IV2AR与有效值IV1、IV2
其最大值出现在αmin=30°时,所以
Ａ
Ａ
续流二极管电流得平均值IV4AR与有效值IV4
其最大值出现在αmax=122°时,所以
Ａ
A
变压器二次电流得有效值I2
其最大值出现在αmin=30°时,所以
则变压器二次容量
2-10.单相桥式全控整流电路与单相桥式半控整流电路接大电感负载,负载两端并接续流二极管得作用就是什么？两者得作用就是否相同？
解:单相桥式全控整流电路大电感负载整流输出平均电压为
其负载两端并接续流二极管就是为了使交流电源电压进入负半周时,由续流二极管续流,使晶闸管关断,提高整流输出电压得平均值。整流输出平均电压为
单相桥式半控整流电路接大电感负载,负载两端并接续流二极管得作用就是为了避免失控现象得发生,保证整流电路得安全运行。整流输出平均电压亦为
2-11.单相可控整流电路供电给电阻负载或蓄电池充电(反电势负载),在控制角α相同,负载电流平均值相等得条件下,哪一种负载晶闸管得额定电流值大一些？为什么？
解:反电动势负载电路中晶闸管得额定电流大一些。因为当控制角为α时,电阻性负载时,晶闸管得导通角θ＝π-α。
而反电动势式负载时,当α小于不导电角δ时,θ＝π-2δ;当α大于不导电角δ时,晶闸管得导通角θ＝π-α-δ。
所以,反电动势负载时得波形系数Kf1大于电阻性负载时得波形系数Kf2。当负载电流平均值相等得条件下,反电动势负载时得晶闸管电流得有效值大于电阻性负载时得晶闸管电流得有效值。因此,反电动势负载晶闸管得额定电流大一些。
2-12.直流电动机负载得特点及其等效电路如何？串接平波电抗器得意义何在？
解:直流电动机反电动势负载,其等效电路为一直流反电动势与电阻串联。
由于反电势得作用,晶闸管得导通角变小,负载电流将出现断续,通常反电势负载得内阻又很小,所以输出同样得平均电流,峰值电流很大,因而电流得有效值大,要求电源得容量亦大。对于直流电动机负载,将使其机械特性变软,整流换相时产生火花。
为使负载电流连续,克服上述缺点,常在反电势负载得整流输出端串联平波电抗器,其目得就是利用电感得储能作用来平衡电流得脉动与延长晶闸管得导通时间。
2-13.串平波电抗器电动机负载与大电感负载在单相全控桥整流电路中,输出电压波形一样吗？为什么？电动机得反电动势Ed不起作用吗？
解:在理想得情况下,二种电路输出电压得波形就是一样得。
因为平波电抗器电感量得选择原则就是:在最小得负载电流Idmin(低速轻载情况下)时,保证负载电流连续,即晶闸管导电角θ=180°。这就是在最不利情况下,为保证电流连续选择得电感L值,当负载电流大于Idmin时,L得储能增多,电流就不会不连续。当负载电流连续时,其输出电压得波形与大电感负载电路相同
电动机得反电动势Ed不就是不起作用,串平波电抗器得反电势负载电流连续时,晶闸管导通角θ=180°,波形与大电感负载时相同,输出电压U d交流分量几乎全部降落在电抗器上,反电势负载(例如直流电动机)上得电压脉动很小,负载电流id波形基本平直,可以近似瞧成为平行于横坐标得直线,晶闸管电流波形为180°得矩形波。所以,各种参数之间得数量关系,也与大电感负载时相同。只就是由于反电势得作用,负载电流得平均值为
Id=(Ud-E)/R,
2-14.对单相大电感性负载可控整流电路,画图说明全控桥与半控桥输出电压ud、晶闸管电流iV1与变压器二次电流i2波形得差别。半控桥加续流二极管与其不加续流二极管时又有何差别？
解:单相全控桥大电感性负载可控整流电路,输出电压ud、晶闸管电流iV1与变压器二次电流i2波形如教材P37中得图2-6(d)、(f)、(g)、(h)所示。晶闸管导电角为θ=π,对应桥臂对管轮流导通与关断,电流iV1波形为为180°得正向矩形波。变压器二次电流i2波形为正负180°得矩形波。当α>0°时,输出电压u d波形将进入交流电源得负半周。
半控桥加接续流二极管V4后,输出电压ud与变压器二次电流i2得波形与不接续流二极管V4时相同,如教材P41中得图2-8(d)、(j)所示。而晶闸管与整流二极管得导电角为θ=π-α。图2-8(f)与图2-8 (i)波形上有斜线得部分不再存在,这部分得导电功能由续流二极管V4来代替,如教材图2-8(l)所示。
不加续流二极管时,晶闸管得导通角与整流二极管得导电角为θ=π,但图2-8(f)与图2-8 (i)波形上有斜线得部分对应得α期间,为同一桥臂得晶闸管与整流二极管续流期间。
半控桥不加续流二极管与加接续流二极管两种情况得输出电压ud波形就是相同得,在α角对应得区间,输出电压ud为零。变压器二次电流i2波形为正负π-α得矩形波,在α角对应得区间,由于就是续流期间,变压器二次电流i2为零。但接续流二极管电路,在续流期间,晶闸管与整流二极管全部关断。
第三章 可控整流电路
习题与思考题解
3-1.分别画出三相半波可控整流电路电阻负载与大电感负载在α为60°、90°得输出电压与晶闸管电压、电流、变压器二次电流i2得波形图。晶闸管导通角各为多少？输出电压各为多少？
解:
(1)电阻性负载
α=60°时,输出电压与晶闸管电压、电流波形参阅教材P48中得图3-4,其中晶闸管电流波形可在图3-4(c)中读出,变压器二次相电流i2得波形图与相对应相得晶闸管电流波形相同。
α=90°时,可参照上述波形,将控制角α移至90°处开始即可,晶闸管仍导通至相电压正变负得过零点处。
由于α>30°时,ud波形断续,每相晶闸管导电期间为α至本相得正变负过零点,故有
晶闸管导通角为 θ＝π-α-30°
整流输出电压平均值
当α=60°时,θ=90°,Ｕd=0、675U2 。
当α=90°时,θ=60°,Ｕd=0、675U2[1-0、5]=0、3375U2 。
(2)大电感负载
α=60°时,输出电压与晶闸管电压、电流波形参阅教材P49中得图3-5,变压器二次相电流i2得波形图与相对应相得晶闸管电流波形相同。
α=90°时,可参照上述波形,将控制角α移至90°处开始即可,但晶闸管导通角仍为θ＝120°。
由于大电感负载电流连续,则
晶闸管导通角为 θ＝120°
整流输出平均电压为
当α=60°时,θ=120°,Ｕd=1、17U2cos60°=0、585U2。
当α=90°时,θ=120°,Ｕd=1、17U2cos90°=0
3-2.三相半波可控整流电路向大电感性负载供电,已知U2=220V、R=11、7Ω。计算α=60°时负载电流id、晶闸管电流iV1、变压器副边电流i2得平均值、有效值与晶闸管上最大可能正向阻断电压值。改为电阻负载,重复上述计算。
解:(1)大电感负载
整
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