电力电子关键技术习题与解答.doc

《电力电子技术》习题及解答

思考题与习题
2.1 什么是整流？它与逆变有何区别？
答：整流就是把交流电能转换成直流电能，而将直流转换为交流电能称为逆变，它是相应于整流逆向过程。
2.2 单相半波可控整流电路中，如果：
(1) 晶闸管门极不加触发脉冲；
(2) 晶闸管内部短路；
(3) 晶闸管内部断开；
试分析上述三种状况负载两端电压ud和晶闸管两端电压uT波形。
答：（1）负载两端电压为0，晶闸管上电压波形与U2相似；
（2）负载两端电压为U2，晶闸管上电压为0；
（3）负载两端电压为0，晶闸管上电压为U2。

2.3某单相全控桥式整流电路给电阻性负载和大电感负载供电，在流过负载电流平均值相似状况下，哪一种负载晶闸管额定电流应选取大某些?
答：带大电感负载晶闸管额定电流应选取小某些。由于具备电感，当其电流增大时，在电感上会产生感应电动势，抑制电流增长。电阻性负载时整流输出电流峰值大些，在流过负载电流平均值相似状况下，为防此时管子烧坏，应选取额定电流大某些管子。
2.4某电阻性负载单相半控桥式整流电路，若其中一只晶闸管阳、阴极之间被烧断，试画出整流二极管、晶闸管两端和负载电阻两端电压波形。
解：设α=0，T2被烧坏，如下图：

2.5相控整流电路带电阻性负载时，负载电阻上Ud与Id乘积与否等于负载有功功率，为什么?带大电感负载时，负载电阻Rd上Ud与Id乘积与否等于负载有功功率，为什么?
答：相控整流电路带电阻性负载时，负载电阻上平均功率不等于负载有功功率。由于负载上电压、电流是非正弦波，除了直流Ud与Id外尚有谐波分量和，负载上有功功率为>。
相控整流电路带大电感负载时，虽然Ud存在谐波，但电流是恒定直流，故负载电阻Rd上Ud与Id乘积等于负载有功功率。
2.6某电阻性负载规定0~24V直流电压，最大负载电流Id=30A，如采用由220V交流直接供电和由变压器降压到60V供电单相半波相控整流电路，与否两种方案都能满足规定?试比较两种供电方案晶闸管导通角、额定电压、额定电流、电路功率因数及对电源容量规定。
解：采用由220V交流直接供电当时：
Udo=0.45U2=0.45220 =99V
由变压器降压到60V供电当时：
Ud=0.45U2=0.4560 =27V
因而，只要调节 都可以满足输出0~24V直流电压规定。
(1) 采用由220V交流直接供电时：
，
Ud==24V时　　

取2倍安全裕量，晶闸管额定电压、额定电流分别为622V和108A。
电源提供有功功率
电源提供视在功率
电源侧功率因数
(2) 采用变压器降压到60V供电：
，
Ud==24V时　　，

取2倍安全裕量，晶闸管额定电压、额定电流分别为168.8V和65.4A。
变压器二次侧有功功率
变压器二次侧视在功率
电源侧功率因数
2.7某电阻性负载，Rd=50Ω,规定Ud在0~600V可调，试用单相半波和单相全控桥两种整流电路来供应，分别计算：
(1) 晶闸管额定电压、电流值；
(2) 连接负载导线截面积(导线容许电流密度j=6A／mm2)；
(3) 负载电阻上消耗最大功率。
解：（1）单相半波时,,
晶闸管最大电流有效值
晶闸管额定电流为 IT(AV)12(A)
晶闸管承受最大电压为 =1885V
取2倍安全裕量，晶闸管额定电压、额定电流分别为4000V和30A。
所选导线截面积为
负载电阻上最大功率
（2）单相全控桥时,,
负载电流有效值 (Kf=1.11)
晶闸管额定电流为 IT(AV)6(A) IT=
晶闸管承受最大电压为 =1885V
取2倍安全裕量，晶闸管额定电压、额定电流分别为4000V和20A。
所选导线截面积为
负载电阻上最大功率
2.8 整流变压器二次侧中间抽头双半波相控整流电路如图题2.8所示。
(1) 阐明整流变压器有无直流磁化问题?
(2) 分别画出电阻性负载和大电感负载在α=60°时输出电压Ud、电流id波形，比较与单相全控桥式整流电路与否相似。若已知U2=220V，分别计算其输出直流电压值Ud。
（3）画出电阻性负载α=60°时晶闸管两端电压uT波形，阐明该电路晶闸管承受最大反向电压为多少?

图题2.8
解：（1）由于在一种周期内变压器磁通增量为零，因此没有直流磁化。
（2）其波形如下图所示，与单相全控桥式整流电路相似。
电阻性负载：
感性负载：
(3)其波形如下图所示，晶闸管承受最大反向电压为。

2.9带电阻性负载三相半波相控整流电路，如触发脉冲左移到自然换流点之前15°处，分析电路工作状况，画出触发脉冲宽度分别为10°和20°时负载两端电压 ud波形。
解：三相半波相控整流电路触发脉冲最早触发时刻在自然换流点，如触发脉冲左移到自然换流点之前15°处，触发脉冲宽度为10°时，不能触发晶闸管， ud=0。触发脉冲宽度为15°时，能触发晶闸管，其波形图相称于α=0°时波形。
2.10 三相半波相控整流电路带大电感负载，Rd=10Ω，相电压有效值U2=220V。求α=45°时负载直流电压Ud、流过晶闸管平均电流IdT和有效电流IT，画出ud、iT2、uT3波形。
解：1.17
由于：220V ，
Ud=1.17=182V

ud、iT2、uT3波形图如下所示：
2.11 在图题2.11所示电路中，当α=60°时，画出下列故障状况下ud波形。
(1) 熔断器1FU熔断。
(2) 熔断器2FU熔断。
(3) 熔断器2FU、3FU同步熔断。

图题2.11
解：这三种状况下波形图如下所示：

(a)

(b)

(c)
2.12既有单相半波、单相桥式、三相半波三种整流电路带电阻性负载，负载电流Id都是40A，问流过与晶闸管串联熔断器平均电流、有效电流各为多大?
解：设
单相半波：IdT=Id=40A
(Kf=1.57)
单相桥式：IdT=Id=20A

三相半波：IdT=Id=13.3A
当时 Ud=1.17U U=Ud/1.17
时

2.13三相全控桥式整流电路带大电感负载，负载电阻Rd=4Ω，规定Ud从0~220V之间变化。试求：
(1)不考虑控制角裕量时，整流变压器二次线电压。
(2)计算晶闸管电压、电流值，如电压、电流取2倍裕量，选取晶闸管型号。
解：（1）由于Ud=2.34U；不考虑控制角裕量，时

（2）晶闸管承受最大电压为
取2倍裕量,URM=460.6V
晶闸管承受平均电流为IdT=Id
又由于
因此IdT=18.33A，取2倍裕量IdTmax=36.67(A)
选取KP50—5晶闸管。
2.14单结晶体管触发电路中，作为Ubb削波稳压管两端如并接滤波电容，电路能否正常工作?如稳压管损坏断开，电路又会浮现什么状况?
答：在稳压管两端如并接滤波电容后，电路能否正常工作。如稳压管损坏断开，单结晶体管上峰值电压太高，不利于单结晶体管工作。
2.15 三相半波相控整流电路带电动机负载并串入足够大电抗器，相电压有效值U2=220V，电动机负载电流为40A，负载回路总电阻为0.2Ω，求当α=60°时流过晶闸管电流平均值与有效值、电动机反电势。
解：电流平均值为：IdT=Id=40/3=13.3
电流有效值为：
设电动机反电势为ED，则回路方程为：

而
因此
2.16三相全控桥电路带串联Ld电动机负载，已知变压器二次电压为100V，变压器每相绕组折合到二次侧漏感L1为100μH，负载电流为150A，求：
(1)由于漏抗引起换相压降；
(2)该压降所相应整流装置等效内阻及α=0°时换相重叠角。
解：(1)
(2)

等效内阻
2.17 晶闸管装置中不采用过电压、过电流保护，选用较高电压和电流级别晶闸管行不行?
答：晶闸管装置中必要采用过电压、过电流保护，而不能用高电压、高电流晶闸管代替，由于在电感性负载装置中，晶闸管在开关断过程中，也许会浮现过冲阳极电压，此时极易损坏晶闸管。当未采用过电流保护，而电路过载或短路时更易损坏晶闸管。
2.18 什么是有源逆变？有源逆变条件是什么？有源逆变有何作用？
答：如果将逆变电路交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率交流电，反送到电网上去称为有源逆变。
有源逆变条件：
（1） 一定要有直流电动势，其极性必要与晶闸管导通方向一致，其值应稍不不大于变流器直流侧平均电压；
（2） 变流器必要工作在区域内使Ud<0。
有源逆变作用：
它可用于直流电机可逆调速，绕线型异步电动机串级调速，高压电流输电太阳能发电等方面。
2.19 无源逆变电路和有源逆变电路有何区别？
答：有源逆变电路是把逆变电路交流侧接到电网上，把直流电逆变成同频率交流反送到电网去。无源逆变电路交流侧直接接到负载，将直流电逆变成某一频率或可变频率交流供应负载。
2.20 有源逆变最小逆变角受哪些因素限制？为什么？
答：最小有源逆变角受晶闸管关断时间tq折合电角度、换相重叠角以及安全裕量角限制。如果不能满足这些因素规定话，将导致逆变失败。
第3章 思考题与习题
3.1 开关器件开关损耗大小同哪些因素关于？
答：开关损耗与开关频率和变换电路形态性能等因素关于。
3.2 试比较Buck电路和Boost电路异同。
答；相似点：Buck电路和Boost电路多以主控型电力电子器件（如GTO，GTR，VDMOS和IGBT等）作为开关器件，其开关频率高，变换效率也高。
不同点：Buck电路在T关断时，只有电感L储存能量提供应负载，实现降压变换，且输入电流是脉动。而Boost电路在T处在通态时，电源Ud向电感L充电，同步电容C集结能量提供应负载，而在T处在关断状态时，由L与电源E同步向负载提供能量，从而实现了升压，在持续工作状态下输入电流是持续。
3.3 试简述Buck-Boost电路同Cuk电路异同。
答：这两种电路均有升降压变换功能，其输出电压与输入电压极性相反，并且两种电路输入、输出关系式完全相似，Buck-Boost电路是在关断期内电感L给滤波电容C补充能量，输出电流脉动很大，而Cuk电路中接入了传送能量耦合电容C1，若使C1足够大，输入输出电流都是平滑，有效减少了纹波，减少了对滤波电路规定。
3.4 试阐明直流斩波器重要有哪几种电路构造？试分析它们各有什么特点？
答：直流斩波电路重要有降压斩波电路（Ｂuck），升压斩波电路（Ｂoost），升降压斩波电路（Ｂuck－Ｂoost）和库克（Ｃook）斩波电路。
降压斩波电路是：一种输出电压平均值低于输入直流电压变换电路。它重要用于直流稳压电源和直流直流电机调速。
升压斩波电路是：输出电压平均值高于输入电压变换电路，它可用于直流稳压电源和直流电机再生制动。
升降压变换电路是输出电压平均值可以不不大于或不大于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反。重要用于规定输出与输入电压反向，其值可不不大于或不大于输入电压直流稳压电源。
库克电路也属升降压型直流变换电路，但输入端电流纹波小，输出直流电压平稳，减少了对滤波器规定。
3.5 试分析反激式和正激式变换器工作原理。
答：正激变换器：当开关管T导通时，它在高频变压器初级绕组中储存能量，同步将能量传递到次级绕组，依照变压器相应端感应电压极性，二极管D1导通，此时D2反向截止，把能量储存到电感L中，同步提供负载电流；当开关管T截止时，变压器次级绕组中电压极性反转过来，使得续流二极管D2导通（而此时D1反向截止），储存在电感中能量继续提供电流给负载。变换器输出电压为：

反激变换器：当开关管T导通，输入电压Ud便加到变压器TR初级N1上，变压器储存能量。依照变压器相应端极性，可得次级N2中感应电动势为下正上负，二极管D截止，次级N2中没有电流流过。当T截止时，N2中感应电动势极性上正下负，二极管D导通。在T导通期间储存在变压器中能量便通过二极管D向负载释放。在工作过程中，变压器起储能电感作用。
输出电压为

3.6 试分析全桥式变换器工作原理。
答：当ug1和ug4为高电平，ug2和ug3为低电平，开关管T1和T4导通，T2和T3关断时，变压器建立磁化电流并向负载传递能量；当ug1和ug4为低电平，ug2和ug3为高电平，开关管T2和T3导通，T1和T4关断，在此期间变压器建立反向磁化电流，也向负载传递能量，这时磁芯工作在B－H回线另一侧。在T1、T4导通期间(或T2和T3导通期间)，施加在初级绕组NP上电压约等于输入电压Ud。与半桥电路相比，初级绕组上电压增长了一倍，而每个开关管耐压仍为输入电压。

3.7 有一开关频率为50kHzBuck变换电路工作在电感电流持续状况下，L=0.05mH，输入电压Ud=15V，输出电压U0=10V
(1) 求占空比D大小；
(2) 求电感中电流峰-峰值ΔI；
(3) 若容许输出电压纹波ΔU0/U0=5%，求滤波电容C最小值。
解：（1），
（2）
(3)由于

则

µF
3.8 图题3.8所示电路工作在电感电流持续状况下，器件T开关频率为100kHz，电路输入电压为交流220V，当RL两端电压为400V时：
(1) 求占空比大小；
(2) 当RL=40Ω时，求维持电感电流持续时临界电感值；
(3) 若容许输出电压纹波系数为0.01，求滤波电容C最小值。

题图3.8
解:（１）由题意可知：
=0.45
（２）＝
（其中）
（３），
3.9 在Boost变换电路中，已知Ud=50V，L值和C值较大，R=20Ω，若采用脉宽调制方式，当Ts=40μs，ton=20μs时，计算输出电压平均值U0和输出电流平均值I0。
解：＝
由于Ｌ和Ｃ值都比较大，

3.10 有一开关频率为50kHz库克变换电路，假设输出端电容足够大，使输出电压保持恒定，并且元件功率损耗可忽视，若输入电压Ud=10V，输出电压U0调节为5V不变。试求:
(1) 占空比；
(2) 电容器C1两端电压Uc1；
(3) 开关管导通时间和关断时间。
解：(1) 由于
则 (注意)
(2)
(3)

思考题与习题
4.1 什么是电压型和电流型逆变电路？各有何特点？
答：按照逆变电路直流侧电源性质分类，直流侧为电压源逆变电路称为电压型逆变电路，直流侧为电流源逆变电路称为电流型逆变电路。
电压型逆变电路重要特点是：
（2） 直流侧为电压源，或并联有大电容，相称于电压源。直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。
（3） 由于直流电压源钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关，而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗状况不同而不同，其波形接近于三角波或正弦波。
（4） 当交流侧为阻感性负载时，需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量作用，为了给交流侧向直流侧反馈无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了二极管。
（5） 逆变电路从直流侧向交流侧传送功率是脉动，因直流电压无脉动，故功率脉动是由交流电压来提供。
（6） 当用于交—直—交变频器中，负轼为电动机时，如果电动机工作在再生制动状态，就必要向交流电源反馈能量。因直流侧电压方向不能┹变，因此只能靠变化直流电流方向来宜现，这就需要给交—直整流桥再反并联一套逆变桥。
电流型逆变电路重要特点是：
（1） 直ⵁ侧串联有大电感，相称于电流源，直流电流基本无脉ከ，直流回路呈现高鈻抗。
（2） 由于各开关器件重要起变化直流电流流通途径作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形和相位因负载阻抗角不同而不同。
（3） 直流侧电感起缓冲斠功能量作用，因电流不能反向，故可控器件不必反并联二极管。
（4） 当用于交—直—交变频器且负载为电动机时，若交—直变换为可控整流，则很以便地实现再生制动。
4.2 电压型逆变电路中反馈二极管作用是什么？
答：在电压型逆变电路中，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作用。为了给交流侧向直流侧反馈无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。当输出交流电压与电流极性相似时，电流经电路中可控开关器件流通，而当输出电压与电流极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。
4.3为什么在电流型逆变电路可控器件上要串联二极管？
解：由于全电路开关管采用自关断器件，其反向不能承受高电压，因此需要在各开关器件支路串入二极管。
思考题与习题
5.1在单相交流调压电路中，当控制角不大于负载功率因数角时为什么输出电压不可控？
答：当时电源接通，如果先触发T1，则T1导通角θ>180°如果采用窄脉冲触发，当下电流下降为零，T2门极脉冲已经消失而无法导通，然后T1重复第一周期工作，这样导致先触发一只晶闸管导通，而另一只管子不能导通，因而浮现失控。
5.2晶闸管相控直接变频基本原理是什么？为什么只能降频、降压，而不能升频、升压？
答：晶闸管相控直接变频基本原理是：电路中具备相似特性两组晶闸管整流电路反并联构成，将其中一组整流器作为正组整流器，此外为反组整流器，当正组整流器工作，反组整流器被封锁，负载端输出电压为上正下负；如果负组整流器工作，正组整流器被封锁，则负载端得到输出电压上负下正，这样就可以在负载端获得交变输出电压。
晶闸管相控直接变频，当输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压数就越少，波形畸变严重。普通以为：输出上限频率不高于电网频率～。而当输出电压升高时，也会导致输出波形畸变。因而，只能降频、降压，而不能升频、升压。
5.3晶闸管相控整流电路和晶闸管交流调压电路在控制上有何区别？
答：相控整流电路和交流调压电路都是通过控制晶闸管在每一种电源周期内导通角大小（相位控制）来调节输出电压大小。但两者电路构造不同，在控制上也有区别。
相控整流电路输出电压在正负半周同极性加到负载上，输出直流电压。
交流调压电路，在负载和交流电源间用两个反并联晶闸管T1 、T2 或采用双向晶闸管T相联。当电源处在正半周时，触发T1 导通，电源正半周施加到负载上；当电源处在负半周时，触发T2 导通，电源负半周便加到负载上。电源过零时交替触发T1、T2 ，则电源电压所有加到负载。输出交流电压。
5.4交流调压和交流调功电路有何区别？
答：交流调功能电路和交流调压电路电路形式完全相似，但控制方式不同。
交流调压电路都是通过控制晶闸管在每一种电源周期内导通角大小（相位控制）来调节输出电压大小。
晶闸管交流调功能电路采用整周波通、断控制办法，例如以n个电源周波为一种大周期，变化导通周波数与阻断周波数比值来变化变换器在整个大周期内输出平均功率，实现交流调功。
5.5一电阻炉由单相交流调压电路供电，如=0°时为输出功率最大值，试求功率为80%，50%时控制角。
解：=0°时为输出电压最大值
负载上最大电流为
输出最大功率
输出功率为80%时， ，
而
故
输出功率为最大值50%时， ，
而
故
5.6一交流单相晶闸管调压器，用作控制从220V交流电源送至电阻为0.5Ω，感抗为0.5Ω串联负载电路功率。试求：
（1） 控制角范畴；
（2） 负载电流最大有效值。
解：(1) 负载阻抗角为：
最小控制角为
故控制范畴
(2) 处，输出电压最大，电流也最大，故最大有效值为：

5.7试述单相交-交变频电路工作原理。
答：其电路有两组整流圈，一组为正组整流器，另一组为反组整流器，其正组和反组整流器以交替地以低于电源频率切换正反组整流器工作状态，当正组工作，反组封锁时，负载输出电压为上正下负，如果负组工作，正组封锁，则为上负下正，如果控制角大小不变，则输出电压波形为矩形波，如果让控制角按90°～0°逐渐减小，然后再从0°～90°逐渐增大。那么正组整流电流输出电压平均值按正弦规律变化，从零增大到最大，然后从最大减小到零，反组用上述同样控制办法，就可以得到接近正弦波输出电压。
5.8交-交变频电路输出频率有何限制？
答：交－交变频电路输出电压是由若干段电网电压拼接而成。当输出频率升高时，输出电压一种周期内电网电压段数就减少，所含谐波分量就要增长。这种输出电压波形畸变是限制输出频率提高重要因素之一。普通以为，交流电路采用6脉波三相桥式电路时，最高输出频率不高于电网频率1/3～1/2。电网频率为50HZ，交－交变频电路输出上限频率约为20Hz。
5.9三相交-交变频电路有哪两种接线方式？它们有什么区别？
答：第一种：公共交流母线办法。它由三组彼此独立，输出电压相位互相错开120 单相交-交变频电路构成，她们电源进线通过进线电抗器接在公共交流母线上。由于电源进线端公用，因此三相单相变频电路输出端必要隔离。为此，交流电动机三个绕组必要拆开，同步引出六根线。
第二种：输出星形连接方式。由三组彼此独立，输出电位互相错开120°单相交—交变频电路构成，共电源进线通过线电抗器接在公共交流母线上。三相交－交变频电路输出端星形联结，电动机三个绕组也是星形联结，电动机中点和变频器中点接在一起，电动机只引三根线即可。由于三组单相变频器连接在一起，其电源进线就必要隔离，因此三组单相变频器分别用三个变压器供电。