电力电子技术习题与解答.doc

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，它是对应于整流的逆向过程。
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；
试分析上述三种情况负载两端电压ud和晶闸管两端电压uT的波形。
答：（1）负载两端电压为0，晶闸管上电压波形与U2相同；
（2）负载两端电压为U2，晶闸管上的电压为0；
（3）负载两端电压为0，晶闸管上的电压为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同的情况下，哪一种负载的晶闸管额定电流应选择大一些?
答：带大电感负载的晶闸管额定电流应选择小一些。由于具有电感，当其电流增大时，在电感上会产生感应电动势，抑制电流增加。电阻性负载时整流输出电流的峰值大些，在流过负载电流平均值相同的情况下，为防此时管子烧坏，应选择额定电流大一些的管子。
2.4某电阻性负载的单相半控桥式整流电路，若其中一只晶闸管的阳、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的电压波形。
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，负载电阻上的Ud与Id的乘积是否等于负载有功功率，为什么?带大电感负载时，负载电阻Rd上的Ud与Id的乘积是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，负载电阻上的平均功率不等于负载有功功率。因为负载上的电压、电流是非正弦波，除了直流Ud与Id外还有谐波分量和，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，但电流是恒定的直流，故负载电阻Rd上的Ud与Id的乘积等于负载有功功率。
2.6某电阻性负载要求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供电的单相半波相控整流电路，是否两种方案都能满足要求?试比较两种供电方案的晶闸管的导通角、额定电压、额定电流、电路的功率因数及对电源容量的要求。
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
因此，只要调节 都可以满足输出0~24V直流电压要求。
(1) 采用由220V交流直接供电时：
，
Ud==24V时　　

取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、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，晶闸管的额定电压、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,要求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给，分别计算：
(1) 晶闸管额定电压、电流值；
(2) 连接负载的导线截面积(导线允许电流密度j=6A／mm2)；
(3) 负载电阻上消耗的最大功率。
解：（1）单相半波时,,
晶闸管的最大电流有效值
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，晶闸管的额定电压、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)
晶闸管的额定电流为 IT(AV)6(A) IT=
晶闸管承受最大电压为 =1885V
取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、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的双半波相控整流电路如图题2.8所示。
(1) 说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°时的输出电压Ud、电流id的波形，比较与单相全控桥式整流电路是否相同。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°时晶闸管两端的电压uT波形，说明该电路晶闸管承受的最大反向电压为多少?

图题2.8
解：（1）因为在一个周期内变压器磁通增量为零，所以没有直流磁化。
（2）其波形如下图所示，与单相全控桥式整流电路相同。
电阻性负载：
感性负载：
(3)其波形如下图所示，晶闸管承受的最大反向电压为。

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，分析电路工作情况，画出触发脉冲宽度分别为10°和20°时负载两端的电压 ud波形。
解：三相半波相控整流电路触发脉冲的的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，其波形图相当于α=0°时的波形。
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、流过晶闸管的平均电流IdT和有效电流IT，画出ud、iT2、uT3的波形。
解：1.17
因为：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，画出下列故障情况下的ud波形。
(1) 熔断器1FU熔断。
(2) 熔断器2FU熔断。
(3) 熔断器2FU、3FU同时熔断。

图题2.11
解：这三种情况下的波形图如下所示：

(a)

(b)

(c)
2.12现有单相半波、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的熔断器的平均电流、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，要求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，选择晶闸管型号。
解：（1）因为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倍的裕量,URM=460.6V
晶闸管承受的平均电流为IdT=Id
又因为
所以IdT=18.33A，取2倍的裕量IdTmax=36.67(A)
选择KP50—5的晶闸管。
2.14单结晶体管触发电路中，作为Ubb的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，电路又会出现什么情况?
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的电抗器，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°时流过晶闸管的电流平均值与有效值、电动机的反电势。
解：电流平均值为：IdT=Id=40/3=13.3
电流有效值为：
设电动机的反电势为ED，则回路方程为：

而
所以
2.16三相全控桥电路带串联Ld的电动机负载，已知变压器二次电压为100V，变压器每相绕组折合到二次侧的漏感L1为100μH，负载电流为150A，求：
(1)由于漏抗引起的换相压降；
(2)该压降所对应整流装置的等效内阻及α=0°时的换相重叠角。
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等级的晶闸管行不行?
答：晶闸管装置中必须采用过电压、过电流保护，而不能用高电压、高电流的晶闸管代替，因为在电感性负载装置中，晶闸管在开关断过程中，可能会出现过冲阳极电压，此时极易损坏晶闸管。当未采取过电流保护，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？有源逆变的条件是什么？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的交流电，反送到电网上去称为有源逆变。
有源逆变的条件：
（1） 一定要有直流电动势，其极性必须与晶闸管的导通方向一致，其值应稍大于变流器直流侧的平均电压；
（2） 变流器必须工作在的区域内使Ud<0。
有源逆变的作用：
它可用于直流电机的可逆调速，绕线型异步电动机的串级调速，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的交流侧接到电网上，把直流电逆变成同频率的交流反送到电网去。无源逆变电路的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的交流供给负载。
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的关断时间tq折合的电角度、换相重叠角以及安全裕量角的限制。如果不能满足这些因素的要求的话，将导致逆变失败。
第3章 思考题与习题
3.1 开关器件的开关损耗大小同哪些因素有关？
答：开关损耗与开关的频率和变换电路的形态性能等因素有关。
3.2 试比较Buck电路和Boost电路的异同。
答；相同点：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储存的能量提供给负载，实现降压变换，且输入电流是脉动的。而Boost电路在T处于通态时，电源Ud向电感L充电，同时电容C集结的能量提供给负载，而在T处于关断状态时，由L与电源E同时向负载提供能量，从而实现了升压，在连续工作状态下输入电流是连续的。
3.3 试简述Buck-Boost电路同Cuk电路的异同。
答：这两种电路都有升降压变换功能，其输出电压与输入电压极性相反，而且两种电路的输入、输出关系式完全相同，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的耦合电容C1，若使C1足够大，输入输出电流都是平滑的，有效的降低了纹波，降低了对滤波电路的要求。
3.4 试说明直流斩波器主要有哪几种电路结构？试分析它们各有什么特点？
答：直流斩波电路主要有降压斩波电路（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：一种输出电压的平均值低于输入直流电压的变换电路。它主要用于直流稳压电源和直流直流电机的调速。
升压斩波电路是：输出电压的平均值高于输入电压的变换电路，它可用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。
升降压变换电路是输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反。主要用于要求输出与输入电压反向，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。
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，降低了对滤波器的要求。
3.5 试分析反激式和正激式变换器的工作原理。
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，同时将能量传递到次级绕组，根据变压器对应端的感应电压极性，二极管D1导通，此时D2反向截止，把能量储存到电感L中，同时提供负载电流；当开关管T截止时，变压器次级绕组中的电压极性反转过来，使得续流二极管D2导通（而此时D1反向截止），储存在电感中的能量继续提供电流给负载。变换器的输出电压为：

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。根据变压器对应端的极性，可得次级N2中的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中的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的能量便通过二极管D向负载释放。在工作的过程中，变压器起储能电感的作用。
输出电压为

3.6 试分析全桥式变换器的工作原理。
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回线的另一侧。在T1、T4导通期间(或T2和T3导通期间)，施加在初级绕组NP上的电压约等于输入电压Ud。与半桥电路相比，初级绕组上的电压增加了一倍，而每个开关管的耐压仍为输入电压。

3.7 有一开关频率为50kHz的Buck变换电路工作在电感电流连续的情况下，L=0.05mH，输入电压Ud=15V，输出电压U0=10V
(1) 求占空比D的大小；
(2) 求电感中电流的峰-峰值ΔI；
(3) 若允许输出电压的纹波ΔU0/U0=5%，求滤波电容C的最小值。
解：（1），
（2）
(3)因为

则

µF
3.8 图题3.8所示的电路工作在电感电流连续的情况下，器件T的开关频率为100kHz，电路输入电压为交流220V，当RL两端的电压为400V时：
(1) 求占空比的大小；
(2) 当RL=40Ω时，求维持电感电流连续时的临界电感值；
(3) 若允许输出电压纹波系数为0.01，求滤波电容C的最小值。

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的值都比较大，

3.10 有一开关频率为50kHz的库克变换电路，假设输出端电容足够大，使输出电压保持恒定，并且元件的功率损耗可忽略，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C1两端的电压Uc1；
(3) 开关管的导通时间和关断时间。
解：(1) 因为
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，直流侧为电压源的逆变电路称为电压型逆变电路，直流侧为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：
（2） 直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。
（3） 由于直流电压源的钳位作用，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情况的不同而不同，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二极管。
（5） 逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故功率的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，就必须向交流电源反馈能量。因直流侧电压方向不能┹变，所以只能靠改变直流电流的方向来宜现，这就需要给交—直整流桥再反并联一套逆变桥。
电流型逆变电路的主要特点是：
（1） 直ⵁ侧串联有大电感，相当于电流源，直流电流基本无脉ከ，直流回路呈现高鈻抗。
（2） 因为各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，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的不同而不同。
（3） 直流侧电感起缓冲斠功能量的作用，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，则很方便地实现再生制动。
4.2 电压型逆变电路中的反馈二极管的作用是什么？
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。当输出交流电压与电流的极性相同时，电流经电路中的可控开关器件流通，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的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，所以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，当控制角小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的导通角θ>180°如果采用窄脉冲触发，当下的电流下降为零，T2的门极脉冲已经消失而无法导通，然后T1重复第一周期的工作，这样导致先触发一只晶闸管导通，而另一只管子不能导通，因此出现失控。
5.2晶闸管相控直接变频的基本原理是什么？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的基本原理是：电路中具有相同特征的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，另外为反组整流器，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的输出电压。
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。一般认为：输出上限频率不高于电网频率的～。而当输出电压升高时，也会造成输出波形畸变。因此，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个电源周期内的导通角的大小（相位控制）来调节输出电压的大小。但二者电路结构不同，在控制上也有区别。
相控整流电路的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的晶闸管T1 、T2 或采用双向晶闸管T相联。当电源处于正半周时，触发T1 导通，电源的正半周施加到负载上；当电源处于负半周时，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 ，则电源电压全部加到负载。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的电路形式完全相同，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个电源周期内的导通角的大小（相位控制）来调节输出电压的大小。
晶闸管交流调功能电路采用整周波的通、断控制方法，例如以n个电源周波为一个大周期，改变导通周波数与阻断周波数的比值来改变变换器在整个大周期内输出的平均功率，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%时的控制角。
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
输出功率为最大值的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的串联负载电路的功率。试求：
（1） 控制角范围；
（2） 负载电流的最大有效值。
解：(1) 负载阻抗角为：
最小控制角为
故控制范围
(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-交变频电路的工作原理。
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的频率切换正反组整流器的工作状态，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，如果控制角的大小不变，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。那么正组整流电流的输出电压的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，反组用上述同样的控制方法，就可以得到接近正弦波的输出电压。
5.8交-交变频电路的输出频率有何限制？
答：交－交变频电路的输出电压是由若干段电网电压拼接而成的。当输出频率升高时，输出电压一个周期内电网电压的段数就减少，所含的谐波分量就要增加。这种输出电压波形的畸变是限制输出频率提高的主要因素之一。一般认为，交流电路采用6脉波的三相桥式电路时，最高输出频率不高于电网频率的1/3～1/2。电网频率为50HZ，交－交变频电路的输出上限频率约为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：公共交流母线方法。它由三组彼此独立的，输出电压相位相互错开120 的单相交-交变频电路组成，他们的电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。因为电源进线端公用，所以三相单相变频电路的输出端必须隔离。为此，交流电动机的三个绕组必须拆开，同时引出六根线。
第二种：输出星形连接方式。由三组彼此独立的，输出电位相互错开120°的单相交—交变频电路组成，共电源进线通过线电抗器接在公共的交流母线上。三相交－交变频电路的输出端星形联结，电动机的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。因为三组单相变频器连接在一起，其电源进线就必须隔离，所以三组单相变频器分别用三个变压器供电。

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