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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以下。其方法有二:） 减小正向阳极电压至某一最小值以下,或加反向阳极电压;） 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,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=(24) 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=0时,最大输出平均电压 ()平均电流(A)波形系数所以,Kf 。1、579、915、5(A)而KP100-3允许流过得电流有效值为IVE1、57100157(A), IL IV300(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,触发导通后,流过得最大电流为IV1501150(A),即为平均值,亦就是有效值。而IVE150A,IV150(A)157(A),即IL IV。ud波形从开始至变压器二次电压正变负得过零点后,进入负半周。导通角得大小,与负载电感值L有关,L越大,储能越多,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 27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 d= = (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,晶闸管导通区间从至,导通角。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,导通角分别为与。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:()输出电压得平均值Ud为Ud=0、45U2 ()输出电压得有效值值U为U =()输出电流得平均值Id为 ()输出电流得有效值值I为I ()晶闸管得平均电流IV1AR为IV1AR= ()晶闸管电流得有效值IV1为IV1= ()续流二极管得平均电流IV2AR为IV2AR= ()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=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=UdR,则R=UdId=8070=1、14 Ud=0、9U2(1+cos)2则U2=95V 82、12 (A) (A) IVEAR=IV1kfe =581、5737 (A)考虑裕量系数2, 3774(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=10,=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、91000、70763、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 41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0100V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min=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d为100V时则当输出平均电压Ud为30V时则导通角,所以晶闸管导通角9046。要求在此导通角范围之间,均能输出20A负载电流,故应在最小即最大max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IV1ARId2=10A当134=134180=0、7444时波形系数为晶闸管电流得有效值为() 交流侧电流得有效值为()交流电源容量为2)采用变压器降压供电时Ud=0、9 U2当min=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max为max116晶闸管导通角,则15064要求在此导通角范围之间,均能输出20A负载电流,故应在最小即最大max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IV1ARId2=10A当116=116180=0、6444时波形系数为晶闸管电流得有效值()变压器二次电流得有效值()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2080V连续可调,最大负载电流为20A,最小控制角min30。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min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max当Ud=20V时得最大控制角max为 则max=1223、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min=30时,所以 续流二极管电流得平均值IV4AR与有效值IV4其最大值出现在max=122时,所以 A变压器二次电流得有效值I2 其最大值出现在min=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。因为当控制角为时,电阻性负载时,晶闸管得导通角-。而反电动势式负载时,当小于不导电角时,-2;当大于不导电角时,晶闸管得导通角-。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=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=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=,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=-。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=,但图2-8(f)与图2-8 (i)波形上有斜线得部分对应得期间,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-得矩形波,在角对应得区间,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=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。=90时,可参照上述波形,将控制角移至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30时,ud波形断续,每相晶闸管导电期间为至本相得正变负过零点,故有 晶闸管导通角为-30 整流输出电压平均值当=60时,=90,d=0、675U2 。当=90时,=60,d=0、675U21-0、5=0、3375U2 。(2)大电感负载=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。=90时,可参照上述波形,将控制角移至90处开始即可,但晶闸管导通角仍为120。由于大电感负载电流连续,则 晶闸管导通角为120整流输出平均电压为当=60时,=120,d=1、17U2cos60=0、585U2。当=90时,=120,d=1、17U2cos90=03-2.三相半波可控整流电路向大电感性负载供电,已知U2=220V、R=11、7。计算=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