2016电力电子参考答案.pdf

第二章第二章 电力电子器件电力电子器件 1与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结 构才使得它具有耐受高电压和大电流的能力。构才使得它具有耐受高电压和大电流的能力。 答：答： 电力二极管内部结构断面示意图电力二极管内部结构断面示意图 24 所所示，（示，（1 1）电力二极管电力二极管 是垂直导电结构是垂直导电结构， 即， 即 电流在硅片内流动的总体方向是与硅片表面垂电流在硅片内流动的总体方向是与硅片表面垂 直的。而信息电子电路中的二极管一般是横向导电结构，即电流在直的。而信息电子电路中的二极管一般是横向导电结构，即电流在 硅片内流动的总体方向是与硅片表面平行的。垂直导电结构使得硅硅片内流动的总体方向是与硅片表面平行的。垂直导电结构使得硅 片中通过电流的有效面积增大，可以显著提高二极管的通流能力。片中通过电流的有效面积增大，可以显著提高二极管的通流能力。 （2 2） 电力二极管在电力二极管在 P P 区和区和 N N 区之间多了一层低掺杂区之间多了一层低掺杂 N N 区区( (在半导体在半导体 物理中用物理中用 N N- -表示表示) )，也称为：漂，也称为：漂移区移区(Drift Region)(Drift Region)。低掺杂。低掺杂 N N 区由区由 于掺杂浓度低而接近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导于掺杂浓度低而接近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导 体体)(Intrinsic Semiconductor)(Intrinsic Semiconductor)，因此，电力二极管的结构也被称为，因此，电力二极管的结构也被称为 P P- -i i- -N N 结构。由于掺杂浓度低，低掺杂结构。由于掺杂浓度低，低掺杂 N N 区就可以承受很高的电压区就可以承受很高的电压 而不致被击穿，因此低掺杂而不致被击穿，因此低掺杂 N N 区越厚，电力二极管能够承受的反向区越厚，电力二极管能够承受的反向 2 电压就越高。电压就越高。 （3 3）低掺杂）低掺杂 N N 区由于掺杂浓度低而具有的高电阻率对于电力二极区由于掺杂浓度低而具有的高电阻率对于电力二极 管 的 正 向 导 通 是 不 利 的 。 这 个 矛 盾 是 通 过管 的 正 向 导 通 是 不 利 的 。 这 个 矛 盾 是 通 过 电 导 调 制 效 应电 导 调 制 效 应 (Conductivity Modulation)(Conductivity Modulation)来解决的。当来解决的。当 PNPN 结上流过的正向电流较结上流过的正向电流较 小时小时，二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂，二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂 N N 区的欧姆电阻，其区的欧姆电阻，其 阻值较高且为常量，因而管压降随正向电流的上升而增加；当阻值较高且为常量，因而管压降随正向电流的上升而增加；当 PNPN 结上流过的正向电流较大时， 由结上流过的正向电流较大时， 由 P P 区注入并积累在低掺杂区注入并积累在低掺杂 N N 区的少区的少 子空穴浓度将很大，为了维持半导体的电中性条件，其多子浓度也子空穴浓度将很大，为了维持半导体的电中性条件，其多子浓度也 相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加， 这就是电导调制效应。电导调制效应使得电力二极管在正向电流较这就是电导调制效应。电导调制效应使得电力二极管在正向电流较 大时压降仍然很低，维持在大时压降仍然很低，维持在 l Vl V 左右，所以正向偏置的电力二极管左右，所以正向偏置的电力二极管 表现为低阻态。表现为低阻态。 2. 使晶闸管导通的条件是什么？使晶闸管导通的条件是什么？ 答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极门极 施加触发电流（脉冲）。或：施加触发电流（脉冲）。或：uAK0 且且 uGK0。 3. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变 为关断？为关断？ 答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导 通的最小电流，即维持电流。通的最小电流，即维持电流。 要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用 3 使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电 流以下，便可使导通的晶闸管关断。流以下，便可使导通的晶闸管关断。 4. 图图 2-27 中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波 形的电流最大值均为形的电流最大值均为 Im，试计算各波形的电流平均值，试计算各波形的电流平均值 Id1、Id2、Id3 与电流有效值与电流有效值 I1、I2、I3。 00222 4 4 2 5 4 a) b)c) 图1-43 0 图图 2-27 晶闸管导电波形晶闸管导电波形 解：解： 平均值计算公式平均值计算公式： 0 0 1 ( )( ) T t AVE t f tf t dt T 有效值计算公式：有效值计算公式： 0 0 2 1 ( ) ( ) T t RMS t f tf tdt T a) Id1= 2 1 4 )(sinttdIm= 2 m I (1 2 2 )0.2717 Im I1= 4 2 )()sin( 2 1 tdtIm= 2 m I 2 1 4 3 0.4767 Im b) Id2 = 1 4 )(sinttdIm= m I (1 2 2 )0.5434 Im I2 = 4 2 )()sin( 1 tdtIm= 2 2 m I 2 1 4 3 0.6741 Im c) Id3= 2 1 2 0 )( tdIm= 4 1 Im I3 = 2 0 2 )( 2 1 tdIm= 2 1 Im 5. 上题中如果不考虑安全裕量上题中如果不考虑安全裕量,问问 100A 的晶闸管能送出的平均的晶闸管能送出的平均 电流电流 Id1、Id2、Id3各为多少？这时，相应的电流最大值各为多少？这时，相应的电流最大值 Im1、Im2、Im3 4 各为多少各为多少? 解：额定电流解：额定电流 I T(AV) =100A 的晶闸管，允许的电流有效值的晶闸管，允许的电流有效值 I =157A， 由上题计算结果知由上题计算结果知 a) Im1 4767. 0 I 329.35， Id10.2717 Im189.48 b) Im2 6741. 0 I 232.90, Id20.5434 Im2126.56 c) Im3=2I = 314, Id3= 4 1 Im3=78.5 6. GTO 和普通晶闸管同为和普通晶闸管同为 PNPN 结构结构，为什为什么么 GTO 能够自关能够自关 断断，而普通晶闸管不能而普通晶闸管不能？ 答：答：GTO 和普通晶闸管同为和普通晶闸管同为 PNPN 结构，由结构，由 P1N1P2和和 N1P2N2构成构成 两个晶体管两个晶体管 V1、V2,分别具有共基极电流增益分别具有共基极电流增益 1 和和 2 ，由普通晶闸，由普通晶闸 管的分析可得，管的分析可得， 1 + 2 =1 是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。 1 + 2 1，两个，两个 等效晶体管过等效晶体管过饱和而导通；饱和而导通； 1 + 2 1，不能维持饱和导通而关断。，不能维持饱和导通而关断。 GTO 之所以能够自行关断，而普通晶闸管不能，是因为之所以能够自行关断，而普通晶闸管不能，是因为 GTO 与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同：与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同： 1) GTO 在设计时在设计时 2 较大，这样晶体管较大，这样晶体管 V2控制灵敏，易于控制灵敏，易于 GTO 关断；关断； 2) GTO 导通时的导通时的 1 + 2 更接近于更接近于 1，普通晶闸管，普通晶闸管 1 + 2 1.15， 而而 GTO 则为则为 1 + 2 1.05， GTO 的饱和程度不深， 接近于临界饱和，的饱和程度不深， 接近于临界饱和， 这样为门极控制关断提供了有利条件；这样为门极控制关断提供了有利条件； 3) 多元集成结构使每个多元集成结构使每个 GTO 元阴极面积很小，门极和阴极间元阴极面积很小，门极和阴极间 的距离大为缩短，使得的距离大为缩短，使得 P2极区所谓的横向电阻很小，从而使从门极极区所谓的横向电阻很小，从而使从门极 抽出较大的电流成为可能。抽出较大的电流成为可能。 7.与信息电子电路中的与信息电子电路中的 MOSFET 相比，电力相比，电力 MOSFET 具有怎样的具有怎样的 5 结构才具有耐受高电压和大电流的能力。结构才具有耐受高电压和大电流的能力。 （1） 垂直导电结构： 发射极和集电极位于基区两侧， 基区面积大，） 垂直导电结构： 发射极和集电极位于基区两侧， 基区面积大， 很薄，电流容量很大。很薄，电流容量很大。 （2）N-漂移区：集电区加入轻参杂漂移区：集电区加入轻参杂 N-漂移区，提高耐压。漂移区，提高耐压。 （3）集电极安装于硅片底部，设计方便，密封密度高，耐压特性）集电极安装于硅片底部，设计方便，密封密度高，耐压特性 好。好。 8.试分析试分析IGBT和电力和电力MOSFET在内部结构和开关特性上的相同和在内部结构和开关特性上的相同和 不同之处。不同之处。 IGBT 比电力比电力 MOSFET 在背面多一个在背面多一个 P 型层，型层，IGBT 具有开关速具有开关速 度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低， 输入输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小。阻抗高，为电压驱动，驱动功率小。 器器 件件 优优 点点 缺缺 点点 IGBT 开关速度高，开关损耗开关速度高，开关损耗 小，具有耐脉冲电流冲小，具有耐脉冲电流冲 击的能力，通态压降较击的能力，通态压降较 低，输入阻抗高，为电低，输入阻抗高，为电 压驱动，驱动功率小压驱动，驱动功率小 开关速度低于电力开关速度低于电力 MOSFET,电压， 电流电压， 电流 容量不及容量不及 GTO 电电 力力 MOSFET 开关速度快，输入阻抗开关速度快，输入阻抗 高，热稳定性好，所需高，热稳定性好，所需 驱动功率小且驱动电路驱动功率小且驱动电路 简单，工作频率高，不简单，工作频率高，不 存在二次击穿问题存在二次击穿问题 电流容量小，耐压电流容量小，耐压 低，一般只适用于功低，一般只适用于功 率不超过率不超过 10kW 的电的电 力电子装置力电子装置 6 第第 3 章章 整流电路整流电路 1. 单相半波可控整流电路对单相半波可控整流电路对电感负载电感负载供电，供电，L20mH， U2100V，求当，求当 0 和和 60 时的负载电流时的负载电流 Id，并画出，并画出 ud与与 id波形。波形。 u1 T VT u2 uVT ud id 解：解： 0 时时，在电源电压，在电源电压 u2的正半周期晶闸管导通时，负载电感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。在电源电压储能，在晶闸管开始导通时刻，负载电流为零。在电源电压 u2的的 负半周期，负载电感负半周期，负载电感 L 释放能量，晶闸管继续导通。因此，在电源释放能量，晶闸管继续导通。因此，在电源 电压电压 u2的一个周期里，以下方程均成立：的一个周期里，以下方程均成立： tU t i Lsin2 d d 2 d 2 1 2cos d CUt Li 考虑到初始条件考虑到初始条件：当：当 t0 时时 id0 可解得可解得 2 1 2CU ，因此，因此 得到瞬时电流方程：得到瞬时电流方程： 2 2 (1 cos) d U it L 则平均电流为：则平均电流为： 2 0 2 d )(d)cos1 ( 2 2 1 tt L U I= L U 2 2 = 3 2 100 250 20 10 =22.51(A) ud与与 id的波形如下图：的波形如下图： 7 0 2 t u2 0 2 t0 2 t ud 0 2 t id 当当 60 时时， 在， 在 u2正半周期正半周期 60 180 期间晶闸管导通使电感期间晶闸管导通使电感 L 储能，电感储能，电感 L 储藏的能量在储藏的能量在 u2负半周期负半周期 180 300 期间释放，因此期间释放，因此 在在 u2一个周期中一个周期中 60 300 期间以下微分方程成立：期间以下微分方程成立： tU t i Lsin2 d d 2 d 2 1 2cos d CUt Li 考虑初始条件：当考虑初始条件：当 t60 时时 id0 可解得可解得 2 1 2 2 CU ，方程，方程 得：得： )cos 2 1 ( 2 2 d t L U i 其平均值为其平均值为 )(d)cos 2 1 ( 2 2 1 3 5 3 2 d tt L U I = L U 2 2 2 （ 2 3 +3）=12.57(A) 此时此时 ud与与 id的波形如下图：的波形如下图： t ud id + + + t t u2 0 + + + 8 2图图 3-10 为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，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晶闸管承受的最大反 向电压为向电压为 2 2 2U；当负载是电阻或电感时，其输出电压和电流的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。波形与单相全控桥时相同。 图图 3 3- -1010 单相全波可控整流电路及波形单相全波可控整流电路及波形 答：具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，该变压器没有答：具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，该变压器没有 直流磁化的问题。直流磁化的问题。 因为单相全波可控整流电路变压器二次测绕组中，正负半周内因为单相全波可控整流电路变压器二次测绕组中，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。为零，故不会有直流磁化的问题。 以下分析晶闸管承受最大反向电压及输出电压和电流波形的情以下分析晶闸管承受最大反向电压及输出电压和电流波形的情 况。况。 以晶闸管以晶闸管 VT2为例。当为例。当 VT1导通时，晶闸管导通时，晶闸管 VT2通过通过 VT1与与 2 个变压器二次绕组并联，所以个变压器二次绕组并联，所以 VT2承受的最大电压为承受的最大电压为 2 2 2U。 当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角 相相 同时，对于电阻负载： （同时，对于电阻负载： （0 ）期间无晶闸管导通，输出电压为）期间无晶闸管导通，输出电压为 0； （ ） 期间， 单相全波电路中） 期间， 单相全波电路中 VT1导通， 单相全控桥电路中导通， 单相全控桥电路中 VT1、 VT4导通，输出电压均与电源电压导通，输出电压均与电源电压 u2相等；相等；( )期间，均无期间，均无 晶闸管导通，输出电压为晶闸管导通，输出电压为 0；( 2 )期间，单相全波电路中期间，单相全波电路中 VT2导通，单相全控桥电路中导通，单相全控桥电路中 VT2、VT3导通，输出电压等于导通，输出电压等于 u2。 a) b) u1 T R u2 u2 i1 VT1 VT2ud ud i1 O O t t 9 对于电感负载： （对于电感负载： （ ）期间，单相全波电路中）期间，单相全波电路中 VT1导导 通，单相全控桥电路中通，单相全控桥电路中 VT1、VT4导通，输出电压均与电源电压导通，输出电压均与电源电压 u2 相等； （相等； （ 2 ）期间，单相全波电路中）期间，单相全波电路中 VT2导通，单相导通，单相 全控桥电路中全控桥电路中 VT2、VT3导通，输出波形等于导通，输出波形等于 u2。 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。也相同。 3单相桥式全控整流电路，单相桥式全控整流电路，U2100V，负载中，负载中 R2 ，L 值值 极大，当极大，当 30 时，要求：时，要求：作出作出 ud、id、和、和 i2的波形；的波形；求整流求整流 输出平均电压输出平均电压 Ud、电流、电流 Id，变压器二次电流有效值，变压器二次电流有效值 I2；考考虑安全虑安全 裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。 T a b R L u1u2 i2 VT1 VT3 VT2 VT4 ud 解：解：ud、id、和、和 i2的波形如下图：的波形如下图： u2 O t O t O t ud id i2 O t Id Id 输出平均电压输出平均电压 Ud、电流电流 Id，变压器二次电流有效值，变压器二次电流有效值 I2分别为分别为 Ud0.9 U2 cos 0.9 100 cos3077.97（V） IdUd / /R77.97/ /238.99（A） 10 I2Id 38.99（A） 晶闸管承受的最大反向电压为：晶闸管承受的最大反向电压为： 2U21002141.4（V） 考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为： UN（23）141.4283424（V） 具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。 流过晶闸管的电流有效值为：流过晶闸管的电流有效值为： I IVT VTI Id d 227.5727.57（A A） （3-14） 晶闸管的额定电流为：晶闸管的额定电流为： IN（1.52）27.571.572635（A） 具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。 4单相桥式半控整流电路，单相桥式半控整流电路，电阻性负载电阻性负载，画出整流二极管在一画出整流二极管在一 周内承受的电压波形。周内承受的电压波形。 T a b R L u2 i2 ud id VT1 VT3 VD2 VD4 VDR 解：注意到二极管的特点：承受电压为正即导通。因此，二极管承解：注意到二极管的特点：承受电压为正即导通。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。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：整流二极管在一周内承受的电压波形如下： 11 0 2 t t t u2 uVD2 uVD4 0 0 5单相桥式全控整流电路，单相桥式全控整流电路，U2=200V，负载中，负载中 R=2 ， ，L 值极值极 大，反大，反电势电势 E=100V，当当 =45 时，要求：时，要求： 作出作出 ud、id和和 i2的波形；的波形； 求整流输出平均求整流输出平均电压电压 Ud、电流、电流 Id，变压器二次侧电流有效值，变压器二次侧电流有效值 I2； 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。 E id ud 解：解：ud、id和和 i2的波形如下图：的波形如下图： u2 O t O t O t ud id i2 O t Id Id Id 整流输出平均电压整流输出平均电压 Ud、电流、电流 Id，变压器二次侧电流有效值，变压器二次侧电流有效值 I2 12 分别为分别为 Ud0.9 U2 cos 0.9 200 cos45 127.28(V) Id (UdE)/R(127.28100)/213.64(A) I2Id 13.64(A) 闸管承闸管承受的最大反向电压为：受的最大反向电压为： 2U22002282.8（V） 流过每个晶闸管的电流的有效值为：流过每个晶闸管的电流的有效值为： IVTId 29.65（A） 故晶闸管的额定电压为：故晶闸管的额定电压为： UN(23) 282.8565848（V） 晶闸管的额定电流为：晶闸管的额定电流为： IN(1.52) 9.651.57912（A） 晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。 7. 在三相半波整流电路中，在三相半波整流电路中，如果如果 a 相的触发脉冲消失，试绘出相的触发脉冲消失，试绘出 在电阻性负载和电感性负载下整流电压在电阻性负载和电感性负载下整流电压 ud的波形。的波形。 解：假设解：假设 0，当，当负载为电阻时负载为电阻时，ud的波形如下：的波形如下： ud uaubuc Ot ud uaubuc Ot 当当负载为电感时负载为电感时，ud的波形如下：的波形如下： 13 ud uaubuc Ot ud uaubuc Ot 9三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？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：三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，答：三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a、b 两相之间两相之间 换换相的的自然换相点不是同一点。它们在相位上相差相的的自然换相点不是同一点。它们在相位上相差 180 。 11三相半波可控整流电路，三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，带电阻电感负载，R=5 ， ，L 值极大，当值极大，当 =60 时，要求：时，要求： 画出画出 ud、id和和 iVT1的波形；的波形； 计算计算 Ud、Id、IdT和和 IVT。 解：解：ud、id和和 iVT1的波形如下图：的波形如下图： ud uaubuc id O t Ot Ot iVT 1 =30 u2 uaubuc Ot Ud、Id、IdT和和 IVT分别如下分别如下 Ud1.17U2cos 1.17 100 cos6058.5（V） 14 IdUd R58.5 511.7（A） IdVTId 311.7 33.9（A） IVTId 36.755（A） 13三相桥式全控整流电路，三相桥式全控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，带电阻电感负载，R=5 ， ，L 值极大，当值极大，当 =60 时，要求：时，要求： b a c T n 负 载 ia id ud VT1VT3VT5 VT4VT6VT2d2 d1 画出画出 ud、id和和 iVT1的波形；的波形； 计算计算 Ud、Id、IdT和和 IVT。 解：解：ud、id和和 iVT1的波形如下：的波形如下： = 60 u2 ud uabuacubcubaucaucbuabuac ua ubuc O t t1 O t id tO tO iVT 1 Ud、Id、IdT和和 IVT分别如下分别如下 Ud2.34U2cos 2.34 100 cos60117（V） 15 IdUd R117 523.4（A） IDVTId 323.4 37.8（A） IVTId 323.4 313.51（A） 16三相桥式不可控整流电路，阻感负载，三相桥式不可控整流电路，阻感负载，R=2 ， ，L= = ， U2=100V，XB=0.1 ，求 ，求 Ud、Id、IVD、I2和和 的值并作出的值并作出 ud、iVD和和 i2的波形。的波形。 解：三相桥式不可控整流电路解：三相桥式不可控整流电路相当于三相桥式可控整流电路相当于三相桥式可控整流电路 0 时的情况。时的情况。 Ud2.34U2cos Ud Ud3XBId IdUd R 解方程组得：解方程组得： Ud2.34U2cos （13XB/R）223.33（V） IdUd /R=223.33 /2=111.67（A） 又又 cos)cos(2 BdX I 6U2 即得出即得出 cos=0.9087 换流重叠角换流重叠角 24.67 二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为 IVDId 3111.67337.22（A） I2a 3 2 Id91.17（A） ud、iVD1和和 i2a的波形如下：的波形如下： 16 u2 ud iVD1 tO tO tO tO uaubuc t1 uabuacubcubaucaucbuabuac i2a Id Id 第 4 章 逆变电路 1无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？ 答：两种电路的不同主要是：答：两种电路的不同主要是： 有源逆变电路的交流侧接电网，即交流侧接有电源。而无有源逆变电路的交流侧接电网，即交流侧接有电源。而无源逆源逆 变电路的交流侧直接和负载联接。变电路的交流侧直接和负载联接。 2换流方式各有那几种？各有什么特点？换流方式各有那几种？各有什么特点？ 答：换流方式有答：换流方式有 4 种：种： 器件换流器件换流：利用全控器件的自关断能力进行换流。全控型器件：利用全控器件的自关断能力进行换流。全控型器件 采用此换流方式。采用此换流方式。 电网换流电网换流：由电网提供换流电压，只要把负的电网电压加在欲：由电网提供换流电压，只要把负的电网电压加在欲 换流的器件上即可。换流的器件上即可。 负载换流负载换流：由负载提供换流电压，当负载为电容性负载即负载：由负载提供换流电压，当负载为电容性负载即负载 电流超前于负载电压时，可实现负载换流。电流超前于负载电压时，可实现负载换流。 17 强迫换流强迫换流：设置附加换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反：设置附加换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反 向电压换流称为强迫换流。通常是利用附加电容上的能量实现，也向电压换流称为强迫换流。通常是利用附加电容上的能量实现，也 称电容换流。称电容换流。 晶闸管电路不能采用器件换流，晶闸管电路不能采用器件换流， 根据电路形式的不同采用电网换根据电路形式的不同采用电网换 流、负载换流和强迫换流流、负载换流和强迫换流 3 种方式。种方式。 3 什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各有什么 什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各有什么 特点。特点。 答：按照逆变电路直流测电源性质分类，直流侧是电压源的逆变答：按照逆变电路直流测电源性质分类，直流侧是电压源的逆变 电路称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的逆变电路称为电流型电路称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的逆变电路称为电流型 逆变电路逆变电路 电压型逆变电路的主要特点是：电压型逆变电路的主要特点是： 直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电 压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。 由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波， 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。情况的不同而不同。 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，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。逆变桥各臂都并联了反馈二极管。 电流型逆变电路的主要特点是：电流型逆变电路的主要特点是： 直流侧串联有大电感， 相当于电流源。 直流侧电流基本无脉动，直流侧串联有大电感， 相当于电流源。 直流侧电流基本无脉动， 直流回路呈现高阻抗。直流回路呈现高阻抗。 电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径， 因此交电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径， 因此交 流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电 18 压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率， 直流侧电感起缓冲当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率， 直流侧电感起缓冲 无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不流并不反向，因此不 必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。 4电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆 变电路中没有反馈二极管？变电路中没有反馈二极管？ 答：在电压型逆变电路中，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 出交流电压和电流的极性相同时，电流经电路中的可控开关器件流出交流电压和电流的极性相同时，电流经电路中的可控开关器件流 通，而当输出电压电流极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。通，而当输出电压电流极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。 在电流型逆变电路中，直流电流极性是一定的，无功能量由直在电流型逆变电路中，直流电流极性是一定的，无功能量由直 流侧电感来缓流侧电感来缓冲。当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时，电流冲。当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时，电流 并不反向，依然经电路中的可控开关器件流通，因此不需要并联反并不反向，依然经电路中的可控开关器件流通，因此不需要并联反 馈二极管。馈二极管。 5. 三相桥式电压型逆变电路，三相桥式电压型逆变电路，180导电方式，导电方式，Ud=100V。试求输出。试求输出 相电压的基波幅值相电压的基波幅值 UUN1m和有效值和有效值 UUN1、输出线电压的基波幅值、输出线电压的基波幅值 UUV1m和有效值和有效值 UUV1、输出线电压中、输出线电压中 5 次谐波的有效值次谐波的有效值 UUV5。 解：输出相电压的基波幅值为解：输出相电压的基波幅值为 d d UN1m 637. 0 2 U U U =63.7(V) 输出相电压基波有效值为：输出相电压基波有效值为： d UN1m UN1 45. 0 2 U U U=45(V) 输出线电压输出线电压的基波幅值为的基波幅值为 19 d d UV1m 1 . 1 32 U U U =110(V) 输出线电压基波的有效值为输出线电压基波的有效值为 dd UV1m UV1 78. 0 6 2 UU U U =78(V) 输出线电压中五次谐波输出线电压中五次谐波 UV5 u的表达式为：的表达式为： t U u 5sin 5 32 d UV5 其有效值为：其有效值为： 25 32 d UV5 U U=15.59(V) 6并联谐振式逆变电路利用负载电压进行换相，为保证换相应满足并联谐振式逆变电路利用负载电压进行换相，为保证换相应满足 什么条件？什么条件？ 答：答： t O t O 图5-13 t O t O t O t O t O t O uG1,4 uG2,3 iT io Id t1t2 t3 t4 t5 t6 t7t uo t uAB t t Id iVT1,4iVT2,3 uVT2,3 uVT1,4 A B C RL Ld Id VT1 VT2 VT3 VT4 LT1 LT2 LT3 LT4 uo io 20 假设在假设在 t 时刻触发时刻触发 VT2、 VT3使其导通， 负载电压使其导通， 负载电压 uo就通过就通过 VT2、 VT3施加在施加在 VT1、VT4上，使其承受反向电压关断，电流从上，使其承受反向电压关断，电流从 VT1、 VT4向向 VT2、VT3转移，转移，触发触发 VT2、VT3时刻时刻 t 必须在必须在 uo过零前并留过零前并留 有足够的裕量，才能使换流顺利完成。有足够的裕量，才能使换流顺利完成。 负载换流方式要求负载电流超前于电压，补偿电容使负载过补负载换流方式要求负载电流超前于电压，补偿电容使负载过补 偿，使负载电路总体上工作于偿，使负载电路总体上工作于容性容性，并略失谐的情况下。，并略失谐的情况下。 第 5 章 直流-直流变流电路 1简述图简述图 5-1a 所示的降压斩波电路工作原理。所示的降压斩波电路工作原理。 图图 5 5- -1 1 降压崭波电路的原理图及工作波形降压崭波电路的原理图及工作波形 t t t O O O b) T E iG ton toff io i1 i2 I10I20 t1 uo O O O t t t T EE c) iG iG ton toff io tx i1 i2 I20 t1 t2 uo EM E V + - M R L VD a) io EM uo iG 21 答：降压斩波器的答：降压斩波器的原理是：在一个控制周期中，让原理是：在一个控制周期中，让 V 导通一段时间导通一段时间 ton，由电源，由电源 E 向向 L、R、M 供电，在此期间，供电，在此期间，uoE。然后使。然后使 V 关关 断一段时间断一段时间 toff， 此时电感， 此时电感 L 通过二极管通过二极管 VD 向向 R 和和 M 供电，供电， uo0。 一个周期内的平均电压一个周期内的平均电压 UoE tt t offon on 。输出电压小于电源电压，。输出电压小于电源电压， 起到降压的作用。起到降压的作用。 2在图在图 5-1a 所示的降压斩波电路中，已知所示的降压斩波电路中，已知 E=200V，R=10 ， ， L 值极大，值极大，EM=50V，T=40 s, ,ton=20 s, ,计算输出电压平均值计算输出电压平均值 Uo， 输出电流平均值输出电流平均值 Io。 解：由于解：由于 L 值极大，故负载电流连续，于是输出电值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为压平均值为 Uo=E T ton = 40 20020 =100(V) 输出电流平均值为输出电流平均值为 Io = R EU Mo - = 10 50100 =5(A) 3 在图 在图 5-1a 所示的降压斩波电路中，所示的降压斩波电路中， E=100V， L=1mH， R=0.5 ， ，EM=20V，采用脉宽调制控制方式，采用脉宽调制控制方式，T=20 s，当，当 ton=10 s 时时， 计算输出电压平均值计算输出电压平均值 Uo，输出电流平均值，输出电流平均值 Io，计算输出电流的最大，计算输出电流的最大 和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续。和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续。 解：由题目已知条件可得：解：由题目已知条件可得： m= E EM = 100 20 =0.2 = R L = 5 . 0 001. 0 =0.002 当当 ton=10 s s 时，有时，有 = T = 20 0.002 us s =0.01 22 = on t =0.005 由于由于 1 1 e e = 1 1 01.0 005.0 e e =0.498m 所以所以输出电流连续输出电流连续。 此时输出平均电压为此时输出平均电压为 Uo = =E T ton = = 20 10100 = =5050(V)(V) 输出平均电流为输出平均电流为 Io = = R EU Mo - = = 5.0 2050 = =6 60(A)0(A) 输出电流的最大和最小值瞬时值分别为输出电流的最大和最小值瞬时值分别为 I Imax= = R E m e e 1 1 = 5.0 100 2.0 1 1 01.0 005.0 e e =6 60.0.2323(A)(A) I Imin= = R E m e e 1 1 = 5.0 100 2.0 1 1 01.0 005.0 e e = =5 59.9.7474(A)(A) 4 4简述图简述图 5 5- -2a2a 所示升压斩波电路的基本工作原理。所示升压斩波电路的基本工作原理。 E V R LVD C io i1 iG uo 23 图图 5 5- -2 2 升压斩波电路及其工作波形升压斩波电路及其工作波形 答：答： 假设电路中电感假设电路中电感 L 值很大， 电容值很大， 电容 C 值也很大。 当值也很大。 当 V 处于通态时，处于通态时， 电源电源 E 向电感向电感 L 充电，充电电流基本恒定为充电，充电电流基本恒定为 I1，同时电容，同时电容 C 上的电上的电 压向负载压向负载 R 供电，因供电，因 C 值很大，基本保持输出电压为恒值值很大，基本保持输出电压为恒值 Uo。设。设 V 处于通态的时间为处于通态的时间为 ton，此阶段电感，此阶段电感 L 上积蓄的能量为上积蓄的能量为 on1t EI。当。当 V 处于断态时处于断态时 E 和和 L 共同向电容共同向电容 C 充电并向负载充电并向负载 R 提供能量。设提供能量。设 V 处于断态的时间为处于断态的时间为 toff， 则在此期间电感， 则在此期间电感 L 释放的能量为释放的能量为 off1o tIEU 。 当电路工作于稳态时，一个周期当电路工作于稳态时，一个周期 T 中电感中电感 L 积蓄的能量与释放的能积蓄的能量与释放的能 量相等，即：量相等，即： off1oon1 tIEUtEI 化简得：化简得： E t T E t tt U offoff offon o 式中的式中的1/ off tT， 输出电压高于电源电， 输出电压高于电源电压， 故称该电路为压， 故称该电路为升压斩波电升压斩波电 路路。 5 5在图在图 5 5- -2a2a 所示的升压斩波电路中，已知所示的升压斩波电路中，已知E E =50V=50V，L L值和值和C C 24 值极大，值极大，R R=25=25 ，采用脉宽调制控制方式，当，采用脉宽调制控制方式，当 T=50 s s，t ton on= =20 s s 时，计算输出电压平均值时，计算输出电压平均值 Uo o，输出电流平均值，输出电流平均值 Io o。 解：输出电压平均值为：解：输出电压平均值为： Uo o = =E t T off = =50 2050 50 = =8 83.3(V)3.3(V) 输出电流平均值为：输出电流平均值为： Io o = = R Uo = = 25 3.83 = =3.3323.332 ( (A)A) 8分析图分析图 5-7a 所示的电流可逆斩波电路，并结合图所示的电流可逆斩波电路，并结合图 5-7b 的波形，的波形， 绘制出各个阶段电流流通的路径并标明电流方向。绘制出各个阶段电流流通的路径并标明电流方向。 解：电流可逆斩波电路中，解：电流可逆斩波电路中，V1和和 VD1构成降压斩波电路，由电源向构成降压斩波电路，由电源向 直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第 1 象限；象限；V2和和 VD2 构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源， 使电动机作再生制动运行，工作于第使电动机作再生制动运行，工作于第 2 象限。象限。 图图 5 5- -7b7b 中，各阶段器件导通情况及电流路径等如下：中，各阶段器件导通情况及电流路径等如下： V V1 1