第2章交流-直流变换电路习题.pdf

一、填空题 2-1、从晶闸管开始承受正向电压起到晶闸管导通之间的电角度称为 角，用 表示。 控制角、。 2-2、单相全波可控整流电路中，晶闸管承受的最大反向电压为 。三相半波可控整流电路中， 晶闸管承受的最大反向电压为 。 （电源相电压为） 2 U 2 2U、 2 6U； 2-3、三相半波可控整流电路，输出平均电压波形脉动频率为 HZ；而三相全控桥整流电路，输出 平均电压波形脉动频率为 HZ；这说明 电路的纹波系数比 电路要小。 150，300，三相桥式全控整流桥，三相半波可控流电路， 2-4、要使三相全控桥式整流电路正常工作，对晶闸管触发方法有两种，一是用 触发； 二是用 触发。 大于 60 小于 120 的宽脉冲，脉冲前沿相差 60 的双窄脉冲， 2-5、 三相桥式全控整流电路是由一组共 极三只晶闸管和一组共 极的三只晶闸管串联后 构成的，晶闸管的换相是在同一组内的元件进行的。每隔 换一次相，在电流连续时每只晶闸管 导通 度。 要使电路工作正常， 必须任何时刻要有 只晶闸管同时导通， ， 一个是共 极的， 另一个是共 极的元件，且要求不是 的两个元件。 阴；阳；60 度；120；两；阴；阳；不在同一桥臂上； 2-6、当晶闸管可控整流的负载为大电感负载时，负载两端的直流电压平均值会 ，解决的办法就 是在负载的两端 接一个 。 减小、并接、续流二极管。 2-7、工作于反电动势负载的晶闸管在每一个周期中的导通角 、电流波形不连续、呈 状、 电流的平均值 。要求管子的额定电流值要 些。 小、脉冲、小、大。 2-8、带平衡电抗器的双反星形电路，变压器绕组同时有 相导电；晶闸管每隔 度换一次流， 每只晶闸管导通 度，变压器同一铁心柱上的两个绕组同名端 ，所以以两绕组的电流方 向也 ，因此变压器的铁心不会被 。 两相；60；120；相反；相反；磁化； 2-9、锯齿波触发电路的主要是由 、 、 、 、 环节组成。 同步环节；锯齿波形成；脉冲形成；整形放大；强触发及输出； 2-10、晶闸管整流装置的功率因数定义为 侧 与 之比。交流、有功功率、视在功率。 二、问答题 二、问答题 2-1、单相半波可控整流电路，如（、单相半波可控整流电路，如（1）晶闸管内部短路， （）晶闸管内部短路， （2）晶闸管内部开路，在下面的坐标中画出 其直流输出电压 ）晶闸管内部开路，在下面的坐标中画出 其直流输出电压Ud和晶闸管两端电压和晶闸管两端电压UT的波形。的波形。 15、 2-2、单相半波可控整流电路中，如果：、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； （）晶闸管门极不加触发脉冲； （2）晶闸管内部短路； （）晶闸管内部短路； （3）晶闸管内部断开；）晶闸管内部断开； 试分析上述三种情况负载两端电压试分析上述三种情况负载两端电压ud和晶闸管两端电压和晶闸管两端电压uT的波形。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、单相桥式半控整流电路，电阻性负载。当控制角、单相桥式半控整流电路，电阻性负载。当控制角=90时，画出：负载电压时，画出：负载电压ud、晶闸管、晶闸管VT1 电压电压 uVT1、整流二极管、整流二极管VD2 电压电压uVD2，在一周期内的电压波形图。，在一周期内的电压波形图。 9、 2-4、相控整流电路带电阻性负载时，负载电阻上的、相控整流电路带电阻性负载时，负载电阻上的Ud与与Id的乘积是否等于负载有功功率，为什么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 带 大电感负载时，负载电阻Rd上的上的Ud与与Id的乘积是否等于负载有功功率，为什么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 ddd IUP =不等于负载有功功率UIP =。 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U 1 I负载上 有功功率为 L, 21 U和I，L, 2 L+= 2 2 2 1 2 PPPP d P d IU dd =。 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。 2-5、带电阻性负载三相半波可控整流电路，如触发脉冲左移到自然换流点之前、带电阻性负载三相半波可控整流电路，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 处，分析电路工作 情况，画出触发脉冲宽度分别为 10和和 15时负载两端的电压时负载两端的电压ud波形。波形。 答：三相半波可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=0时的波形。 2-6、请利用六块锯齿波同步触发电路的、请利用六块锯齿波同步触发电路的 X、Y 控制端，来组成六路互相相差控制端，来组成六路互相相差 60的双窄脉冲触发系统 图，并画出其脉冲输出波形的相互关系图。 的双窄脉冲触发系统 图，并画出其脉冲输出波形的相互关系图。 答： 2-7、三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，、三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a、b 两相的自然换相点是同一点吗？如果不是， 它们在相位上差多少度？ 两相的自然换相点是同一点吗？如果不是， 它们在相位上差多少度？ 答：相差 180 2-8、具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，问该变压器还有直流磁化问题吗？试说明：晶 闸管承受的最大反向电压为 、具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，问该变压器还有直流磁化问题吗？试说明：晶 闸管承受的最大反向电压为 22U2：当负载是电阻或电感时，其输出电压和电流的波形与单相全 控桥时相同。 ：当负载是电阻或电感时，其输出电压和电流的波形与单相全 控桥时相同。 答：具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路的变压器没有直流磁化的问题。 因为在单相全波可控整流电路变压器二次侧绕组中，正负半周内上下绕组内电流的方向相反，波 形对称，其一个周期内的平均电流为零，故不会有直流磁化的问题。 以下分析晶闸管承受的最大反向电压及输出电压和电流波形的情况。 以晶闸管VT2 为例。当VT1 导通时，晶闸管VT2 通过VT1 与 2 个变压器二次绕组并联，所以 VT2 承受的最大电压为 22U2。 当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角相同时，对于电阻性负载： （0） 期间无晶闸管导通，输出电压为 0； （）期间，单相全波电路中 VT1 导通，单相全控桥电路中 VT1、VT4 导通，输出电压均与电源电压相等； （ 2 u+）期间均无晶闸管导通，输出电压为 0； （2+）期间，单相全波电路中 VT2 导通，单相全控桥电路中 VT2、VT3 导通，输出电压等 于。 2 u 对于电感负载： （+）期问，单相全波电路中 VT1 导通，单相全控桥电路中 VT1、VT4 导 通，输出电压均与电源电压相等； （ 2 u+2）期间，单相全波电路中 VT2 导通，单相全控 桥电路中 VT2、VT3 导通，输出波形等于 2 u。 可见，两者的输出电压相同，加到同样的负载上时，则输出电流也相同。 2-9、带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有何主要异同、带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有何主要异同? 答：带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有以下异同点： 三相桥式电路是两组三相半波电路串联， 而双反星形电路是两组三相半波电路并联， 且后者需 要用平衡电抗器； 当变压器二次电压有效值相等时，双反星形电路的整流电压平均值是三相桥式电路的 1/2 而整流电流平均值是三相桥式电路的 2 倍。 2 U d U d I 在两种电路中， 晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系是一样的， 整流电压和整流电流的 波形形状一样。 d U d I 2-10、三相桥式全控整流电路，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：三相桥式全控整流电路的整流输出电压中含有 6K（K=l、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+l（K=l、2、3）次的谐波，其中主要的是 5、7 次谐波。 五、计算题 2-1、某电阻性负载要求、某电阻性负载要求 024V 直流电压，最大负载电流直流电压，最大负载电流= d I30A，如采用，如采用 220V 交流直接供电和由变 压器降压到 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、电源侧功率因数。 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、电源侧功率因数。 解：由 220V 交流直接供电，当时： o 0=VUUd9922045. 045. 0 2 = 由变压器降压到 60V 供电，当时： o 0=VUUd276045. 045. 0 2 = 因此，只要调节 都可以满足输出 024V 直流电压要求。 （1）采用 220V 交流直接供电时：由 2 cos1 45. 0 2 + =UUd，得 VUd24=时，； o 121 ooo 59121180=VUUT3112 2 =； Atdt R U IT84sin 2 2 1 0 22 = ；=8 . 0 30 24 d d I U R A I I T AVT 54 57. 1 84 57. 1 )( = 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。 因为单相半波相控整流电路中， 2 IIT=，所以 电源提供有功功率 WRIP8 .56448 . 0842 2 2 = 电源提供视在功率 kVAIUS58.1822084 22 = 电源侧功率因数 305 . 0 = S P PF （2）采用变压器降压到 60V 供电：由 2 cos1 45. 0 2 + =UUd，得 VUd24=时，； o 39 ooo 14139180=VUUT4 .842 2 =； Atdt R U IT38.51sin 2 2 1 0 22 = ；=8 . 0 30 24 d d I U R A I I T AVT 7 .32 57. 1 38.51 57. 1 )( = 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 WRIP21128 . 038.51 2 2 2 = 变压器二次侧视在功率 kVAIUS08. 338.5160 22 = 电源侧功率因数 68. 0= S P PF。 由此可以比较两种方案的优劣。 2-2、单相半波可控整流电路对电感负载供电，、单相半波可控整流电路对电感负载供电，L=20mH，U2=100V，求当，求当= 0时和时的负载电 流 时和时的负载电 流I 60 d，并画出 ，并画出Ud与与Id波形。波形。 解：= 0时，在电源电压的正半周期晶闸管导通时，负载电感 L 储能，在晶闸管开始导通时刻， 负载电流为零。在电源电压的负半周期，负载电感 L 释放能量，晶闸管继续导通。因此，在电源电 压的一个周期里，以下方程均成立： 2 u 2 u 2 u tU dt di L d sin22= 考虑到初始条件：当0=t时可解方程：0= d i）（t L U id cos1 2 2 A L U t L U id5 .22 2 )(dtcos1 2 2 1 2 2 0 2 = ）（ d u与的波形如下图： d i 当= 60时，在的正半周期期间，晶闸管导通使电惑 L 储能，电感 L 储藏的能量 在负半周期期间释放，因此在的一个周期中期间，以下微分方程成立： 2 u60180 2 u180300 2 u60300 tU dt di L d sin22= 考虑到初始条件：当=60t时可解方程得：0= d i)cos 2 122 t dt U id（= 其平均值为： = 3 5 3 22 )25.11 2 2 )()cos 2 1 ( 2 2 1 A L U tdt L U id（ 此时与的波形如下图： d u d i 2-3、阻感负载，电感极大，电阻、阻感负载，电感极大，电阻=5 d R，电路采用有续流二极管的单相半控桥电路，输入电压电路采用有续流二极管的单相半控桥电路，输入电压 =220V，当控制角，当控制角 2 U60时，求流过晶闸管的平均电流值时，求流过晶闸管的平均电流值IdT有效值有效值IT，流过续流二极管的电流平 均值 ，流过续流二极管的电流平 均值IdD有效值有效值ID 解：整流的平均电压 VUUd149 2 60cos1 2209 . 0 2 cos1 9 . 0 2 = + = + = 负载平均电流 ARUI ddd 30/= 流过晶闸管的电流平均值AIId dT 1030 360 60180 2 = = = 流过晶闸管的电流有效值AII dT 3 .17 360 120 0 0 = 流过续流二极管的电流平均值AII ddD 1030 180 60 2 2 = 流过续流二极管的有效值AII dD 3 .1730 180 60 = 2-4、单相桥式全控整流电路，、单相桥式全控整流电路，=100V，负载中，负载中 R=2 2 U，L 值极大 当值极大 当=时，要求时，要求: 30 作出作出、和的波形；和的波形； d u d i 2 i 求整流输出平均电压、电流求整流输出平均电压、电流，变压器二次电流有效值；变压器二次电流有效值； d U d I 2 I 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。 解：输出平均电压、平均电流，变压器二次电流有效值的波形如下图： d u d i 2 i 输出平均电压、平均电流，变压器二次电流有效值分别为 d U d I 2 I VUUd7830cos1009 . 0cos9 . 0 0 2 = ； ARUII dd 392/78/ 2 = 晶闸管承受的最大反向电压为 2 2U=141.4(V) ； 考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为=（23）141.4=283424（V） 。具体选择 400V。 Tn U 流过晶闸管的电流有效值为AII dT 6 .272/=； 晶闸管的额定电流为AI AVT 352657. 1/6 .27)25 . 1 ( )( =。具体选择 30A。 2-5、单相半控桥式整流电路，电阻性负载，画出整流二极管在一周内承受的电压波形。、单相半控桥式整流电路，电阻性负载，画出整流二极管在一周内承受的电压波形。 解：注意到二极管的特点：承受正向电压即导通。因此，二极管承受的电压不会出现正的部分。在电 路中器件均不导通的阶段，交流电源电压由晶闸管平衡。整流二极管在一周内承受的电压波形如下： 2-6、单相桥式全控整流电路，、单相桥式全控整流电路，=100V，负载，负载 R=2 2 U，L 值极大，反电势值极大，反电势 E=60V，当，当=时， 要求 时， 要求: 作出作出、和的波形；和的波形； 30 d u d i 2 i 求整流求整流输出平均电压、平均电流，变压器二次电流有效值； d U d I 2 I 不考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。不考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。 解：输出平均电压、平均电流，变压器二次电流的波形如下图： d u d i 2 i 输出平均电压、平均电流和变压器二次电流有效值分别为 d U d I 2 I VUUd7830cos1009 . 0cos9 . 0 0 2 = ； AREUII dd 92/ )6078(/ )( 2 = 晶闸管承受的最大反向电压为 2 2U=141.4(V) ； 不考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为=141.4（V） 。具体选择 200V。 Tn U 流过晶闸管的电流有效值为AII dT 4 . 62/=； 晶闸管的额定电流为AI AVT 457. 1/4 . 6 )( =。具体选择 4A。 2-7、晶闸管串联的单相半控桥，电路如题图、晶闸管串联的单相半控桥，电路如题图 2-8 所示，所示，=100V，阻感负载，阻感负载，R=2，L 值极大， 当 值极大， 当 2 U =时，求流过器件电流的有效值，并作出作出时，求流过器件电流的有效值，并作出作出、和的波形的波形。的波形的波形。 60 d u d i VT i D i 解：、和的波形如下图: d u d i VT i D i 1 VT 3 VD 2 VT 4 VD T1 i D3 i D4 i T2 i 1 u 2 u R L 负载电压的平均值为VUUd 6 . 67 2 60cos1 9 . 0 0 2 = + =； 负载电流的平均值为ARUI dd 8 .332/6 .67/= 流过晶闸管 VTl、VT2 的电流有效值为AII dT 5 .19 3 1 = 流过二极管 VD3、VD4 的电流有效值为=AII dD 6 .27 3 2 = 2-8、如图所示，变压器一次电压有效值为、如图所示，变压器一次电压有效值为 220V，二次各段电压有效值为，二次各段电压有效值为 100V，电阻性负载，电阻性负载，R=10， 当控制角 ， 当控制角=90时，求输出整流电压的平均值时，求输出整流电压的平均值Ud，负载电流，负载电流Id，并绘出晶闸管、整流二极管和变压器一 次绕组电流的波形。 ，并绘出晶闸管、整流二极管和变压器一 次绕组电流的波形。 答案波形 解：输出电压平均值为V U ttdUttdUUd 2 2 2 2 2 0 23 )(sin22)(sin2 1 = += 输出电流平均值为 10 23 2 U R U I d d =A 变压器一次侧电流波形，整流二极管电流，两只晶闸管电流的合成电流波形，如右图所示。 11 I VD I VT I 2-9、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、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 2-11 所示。所示。 （1）说明整流变压器有无直流磁化问题）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）分别画出电阻性负载和大电感负载在 =60时的输出电压时的输出电压和电流的波形，比较与单相 全控桥式整流电路是否相同。若已知 电流的波形，比较与单相 全控桥式整流电路是否相同。若已知=220V，分别计算其输出直流电压值。，分别计算其输出直流电压值。 d u d i 2 U d U （3）画出电阻性负载）画出电阻性负载 =60时晶闸管两端的电压波形，说明该电路晶闸管承受的最大反向电 压为多少 时晶闸管两端的电压波形，说明该电路晶闸管承受的最大反向电 压为多少? T u 图题图题 2-11 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VUUd 5 . 148 2 )60cos1 (2209 . 0 2 cos1 9 . 0 0 2 = + = + = 感性负载VUUd99cos9 . 0 2 = （3）其波形如下图所示，晶闸管承受的最大反向电压为 2 22U。 2-10、在三相半波整流电路中，如果、在三相半波整流电路中，如果 a 相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流 电压的波形。 相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流 电压的波形。 d u 解：假设=，当负载为电阻时，的波形如左图，当负载为电感时，的波形如右图： 0 d u d u 2-11、三相半波可控整流电路，、三相半波可控整流电路，=100V，带电阻电感负载，带电阻电感负载，R=5 2 U，L 值极大，当值极大，当时，要 求：画出 时，要 求：画出、和的波形；计算、和。和的波形；计算、和。 60 d u d i 1T i d U d I T I 解： 、和的波形如下图： d u d i 1T i 、和分别计算如下 d U d I dT I T I 5 .5860cos10017. 1cos17. 1 0 2 =UUdV 7 .115/5 .58/=RUI dd A 76. 6732. 1/7 .113/= dT IIA 2-12、三相半波可控整流电路，电感极大，电阻Rd=2，=200V，当 2 U= 60，求出接续流二极管 和不接续流二极管两种电路结构下的整流电压和整流电流和流过晶闸管的电流有效值。 解： 按续流二极管的时 += 6 cos1675. 02UUd=0.675V135) 36 cos(1200675. 0= + A R U I d d d 5 .67 2 135 = AII dT 75.335 .67 360 60150 360 150 = = = 不接续流二极管 11760cos17. 1 0 2 =UUdV；A R U I d d d 5 .58 2 117 =；AII dT 75.335 .58 3 1 = 2-13、三相桥式全控整流电路，、三相桥式全控整流电路，=100V，带阻感性负载，带阻感性负载，R=5，L 极大。当控制角极大。当控制角 =60 时，求：时，求： 2 U （1）画出、和的波形。 （1）画出、和的波形。 d u d i 1T i （2）计算负载直流平均电压、平均电流；流过晶闸管的平均电流和有效电流的值。）计算负载直流平均电压、平均电流；流过晶闸管的平均电流和有效电流的值。 d U d I dT I T I 解：解：VUUd117cos34. 2 2 =；A R U I d d 4 .23 5 117 = ； A I I d dT 8 . 73/4 .23 3 =；A I I d T 5 .13732. 1/4 .23 3 = 2-14、三相桥式全控整流电路，、三相桥式全控整流电路，Ld极大，极大，Rd=4，要求，要求Ud从从 0220V之间变化。试求：之间变化。试求： （1）不考虑控制角裕量时，整流变压器二次相电压。）不考虑控制角裕量时，整流变压器二次相电压。 （2）计算晶闸管电压、电流平均值，如电压、电流裕量取）计算晶闸管电压、电流平均值，如电压、电流裕量取 2 倍，请选择晶闸管型号。倍，请选择晶闸管型号。 （3）变压器二次电流有效值）变压器二次电流有效值I2。 （4）计算整流变压器二次侧容量）计算整流变压器二次侧容量S2 解：=94V；KP50-5；=44.9A；S 2 U 2 I 2=12.66KVA。 2-15、用阴影面积标出三相全控桥电路在、用阴影面积标出三相全控桥电路在30时，电阻性负载的直流输出电压波形图，同时对应 画出其所用的双窄脉冲（ 时，电阻性负载的直流输出电压波形图，同时对应 画出其所用的双窄脉冲（30） ，并标出序号。如） ，并标出序号。如220 2 =UV，计算此时的直流输出电压。 ，计算此时的直流输出电压。 d U VUUd8 .44530cos22034. 2cos34. 2 0 2 = 2-16、在图题、在图题 2-21 所示电路中，当所示电路中，当 =60时，画出下列故障情况下的波形。时，画出下列故障情况下的波形。 d u （1）熔断器）熔断器 1FU 熔断。 （熔断。 （2）熔断器）熔断器 2FU 熔断。 （熔断。 （3）熔断器）熔断器 2FU、3FU 同时熔断。同时熔断。 图题图题 2-21 解：这三种情况下的波形图如下所示： (a) (b) (c) 2-17、已知三相桥式全控整流电路，整流变压器为、已知三相桥式全控整流电路，整流变压器为 /Y-7 接法，采用接法，采用 NPN 锯齿波同步触发电路，电路 要求工作在整流和逆变状态，试求： 锯齿波同步触发电路，电路 要求工作在整流和逆变状态，试求： （1）画出同步电压与对应阳极电压的波形图，确定相位关系；）画出同步电压与对应阳