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第一章电力半导体器件 习题与思考题解1-1晶闸管导通的条件是什么？怎样使晶闸管由导通变为关断？ 解：晶闸管导通的条件是：阳极承受正向电压，处于阻断状态的晶闸管，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的最小宽度，应能使阳极电流达到维持通态所需要的最小阳极电流，即擎住电流以上。导通后的晶闸管管压降很小。使导通了的晶闸管关断的条件是：使流过晶闸管的电流减小至某个小的数值维持电流以下。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；） 增加负载回路中的电阻。 1-2型号为KP100-3的晶闸管，维持电流IH=4mA，使用在题1-2图中的电路中是否合理？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的晶闸管，其中100是指允许流过晶闸管的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，则晶闸管流过的最大电流为 因为IV IH，而IH IL，IL为擎住电流，通常IL=(24) IH。可见，晶闸管流过的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允许流过的电流有效值为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，流过的最大电流为IV1501150(A),即为平均值，亦是有效值。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的过零点后，进入负半周。导通角的大小，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的部分亦越多，输出电压的平均值Ud亦下降的越多。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和晶闸管电压uV1波形参阅教材 27中的图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，带续流二极管和不带续流二管在输出电压ud和电流id、晶闸管电压uV1和电流iV1、续流二极管电压uV2和电流iV2波形上有何区别。写出带续流二极管时ud、id、iV1、iV2的平均值和有效值计算公式。 解：不带续流二管时，当负载为大电感负载时，输出电压ud波形与横坐标所围的正负面积相等，Ud近似等于零，此时输出平均电流Id亦很小。输出电压ud和电流id、晶闸管电压uV1和电流iV1的波形参阅教材P30中的图2-2。其中，iV1的波形与id的波形相同。带续流二极管时，由于续流二极管的作用，晶闸管从开始导通，至变压器二次电压正变负的过零点时，由于电感应电动势的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的直线，晶闸管电流iV1、续流二极管电流iV2近似为正向矩形波，导通角分别为和。输出电压ud和电流id、晶闸管电压uV1和电流iV1、续流二极管电压uV2和电流iV2波形参阅教材P31中的图2-3。带续流二极管时ud、id、iV1、iV2的平均值和有效值计算公式如下：（）输出电压的平均值Ud为Ud=0.45U2 （）输出电压的有效值值U为U =（）输出电流的平均值Id为 （）输出电流的有效值值I为I （）晶闸管的平均电流IV1AR为IV1AR= （）晶闸管电流的有效值IV1为IV1= （）续流二极管的平均电流IV2AR为IV2AR= （）续流二极管电流的有效值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。计算整流变压器的副边电流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的晶闸管。 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的波形。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) 晶闸管电流的有效值为=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的有效值IV1、IV2为(A) 续流二极管电流的有效值IV4为=(A)变压器二次电流的有效值I2为 (A) 接续流二极管时的ud、id、iV11、iV4及变压器次级电流i2的波形参阅教材 41中的图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的导通角和电流有效值、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和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的有效值为（） 交流侧电流的有效值为（）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时的最大控制角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和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的有效值（）变压器二次电流的有效值（）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的额定电流和额定电压，以及交流电源的容量。因为采用变压器供电可使可控整流电路在较小控制角和较低的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、续流二极管的电流平均值、有效值以及变压器容量。解：1、在最小控制角min和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时的最大控制角max为 则max=1223、在最不利的条件下，计算各器件的电流有效值和变压器二次有效值I2，因为晶闸管、整流管、续流二极管电流有效值涉及管芯的发热和合理选择器件的电流额定容量。变压器二次电流I2涉及变压器容量的选择，这些量的计算必须以电路运行中的最大值为基础，以保证器件和设备的安全运行。晶闸管与整流二极管电流的平均值IV!AR、IV2AR与有效值IV1、IV2 其最大值出现在min=30时,所以 续流二极管电流的平均值IV4AR与有效值IV4其最大值出现在max=122时，所以 A变压器二次电流的有效值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和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的作用是什么？两者的作用是否相同？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，提高整流输出电压的平均值。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的作用是为了避免失控现象的发生，保证整流电路的安全运行。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的条件下，哪一种负载晶闸管的额定电流值大一些？为什么？解：反电动势负载电路中晶闸管的额定电流大一些。因为当控制角为时，电阻性负载时，晶闸管的导通角-。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，晶闸管的导通角-。所以，反电动势负载时的波形系数Kf1大于电阻性负载时的波形系数Kf2。当负载电流平均值相等的条件下，反电动势负载时的晶闸管电流的有效值大于电阻性负载时的晶闸管电流的有效值。因此，反电动势负载晶闸管的额定电流大一些。2-12直流电动机负载的特点及其等效电路如何？串接平波电抗器的意义何在？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和电阻串联。由于反电势的作用，晶闸管的导通角变小，负载电流将出现断续，通常反电势负载的内阻又很小，所以输出同样的平均电流，峰值电流很大，因而电流的有效值大，要求电源的容量亦大。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，常在反电势负载的整流输出端串联平波电抗器，其目的是利用电感的储能作用来平衡电流的脉动和延长晶闸管的导通时间。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？电动机的反电动势Ed不起作用吗？解：在理想的情况下，二种电路输出电压的波形是一样的。因为平波电抗器电感量的选择原则是：在最小的负载电流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。这是在最不利情况下，为保证电流连续选择的电感L值，当负载电流大于Idmin时，L的储能增多，电流就不会不连续。当负载电流连续时，其输出电压的波形与大电感负载电路相同电动机的反电动势Ed不是不起作用，串平波电抗器的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）上的电压脉动很小，负载电流id波形基本平直，可以近似看成为平行于横坐标的直线，晶闸管电流波形为180的矩形波。所以，各种参数之间的数量关系，也与大电感负载时相同。只是由于反电势的作用，负载电流的平均值为Id=(Ud-E)/R，2-14对单相大电感性负载可控整流电路，画图说明全控桥和半控桥输出电压ud、晶闸管电流iV1和变压器二次电流i2波形的差别。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和变压器二次电流i2波形如教材P37中的图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和关断，电流iV1波形为为180的正向矩形波。变压器二次电流i2波形为正负180的矩形波。当0时，输出电压u d波形将进入交流电源的负半周。半控桥加接续流二极管V4后，输出电压ud和变压器二次电流i2的波形与不接续流二极管V4时相同，如教材P41中的图2-8(d)、(j)所示。而晶闸管和整流二极管的导电角为=-。图2-8（f）和图2-8 (i)波形上有斜线的部分不再存在，这部分的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，晶闸管的导通角和整流二极管的导电角为=，但图2-8（f）和图2-8 (i)波形上有斜线的部分对应的期间，为同一桥臂的晶闸管和整流二极管续流期间。半控桥不加续流二极管和加接续流二极管两种情况的输出电压ud波形是相同的，在角对应的区间，输出电压ud为零。变压器二次电流i2波形为正负-的矩形波，在角对应的区间，由于是续流期间，变压器二次电流i2为零。但接续流二极管电路，在续流期间，晶闸管和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和大电感负载在为60、90的输出电压和晶闸管电压、电流、变压器二次电流i2的波形图。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，输出电压和晶闸管电压、电流波形参阅教材P48中的图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的波形图与相对应相的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的过零点处。 由于30时，ud波形断续，每相晶闸管导电期间为至本相的正变负过零点，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，输出电压和晶闸管电压、电流波形参阅教材P49中的图3-5，变压器二次相电流i2的波形图与相对应相的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的平均值、有效值和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)大电感负载整流输出平均电压为 (V)负载电流平均值为 ()负载电流有效值为 ()晶闸管电流的平均值为 (A)晶闸管电流的有效值为 ()变压器二次电流平均值为 (A)变压器二次电流有效值为 ()三相半波可控整流电路可能出现的最大正向阻断电压为(V)当=60时的实际正向阻断电压为(V)(2)电阻性负载 由于30时，Ud波形断续，每相晶闸管导电期间为至本相的正变负过零点，故有 整流输出电压平均值 (V)负载电流平均值为()负载电流有效值为16.3(A)晶闸管电流的平均值为 (A)晶闸管电流的有效值为 9.4(A)变压器二次电流平均值为 (A)变压器二次电流有效值为 ()由于30，负载电流出现断续，所以，电路可能出现的最大正向阻断电压为(V)3-3某电解装置系电阻性负载，要求输出电压Ud=220V，输出电流Id=400A，采用经整流变压器的三相半波可控整流电路，电源是三相380V的交流电网，考虑min=30，估算此时整流变压器的次级容量S2，并与=0时的次级容量S20作比较，然后加以说明。最后选择晶闸管。解：由于30，整流输出平均电压 则(1).当=min=30时，(V) ()变压器二次相电流有效值为 =(A)则S2=3U2I2=3217.1250.3=163020.4(VA)163(KVA)(2).当0时，(V)则 (A)则S20=3U20I20=3188234.6=132314.4(VA)132.3(KVA)从上可见，S2s20。说明可控整流电路的设计，应尽量使其在较小的控制角下运行。这样，在输出同样大小负载电流时，使整流晶闸管电流和变压器二次电流、电压的有效值较小，可降低器件和变压器的额定容量。由于晶闸管电流的有效值IV1=I2=250.3A当不考虑安全裕量时IVEAR=IV11.57=250.31.57=159.4(A)晶闸管承受的最高电压峰值为(V)按裕量系数2 2159.4=318.8(A) 2531.8=1063.6(V) 选择额定通态平均电流为400A，额定电压为1200V的晶闸管。3-4在三相半波可控整流电路中，如果控制脉冲出现在自然换相点以前，可能出现什么情况，能否换相？画出波形图分析说明。解：出现在换相点之前的触发脉冲，不能完成晶闸管的换相。电阻负载波形图参阅教材P47中的图3-3（b）、（c）、（d）和P48中的图3-3（a）、（b）、（c），当触发B相晶闸管V12的触发脉冲2出现在自然换相点S之前时，则B相晶闸管V12承受反向电压不能导通，A相晶闸管V1将继续导通至该相相电压过零点，id波形中的iV12及其与之对应部分的输出电压ud波形均为零。大电感负载的波形参阅教材P49中的图3-5（b）、（d），当触发B相晶闸管V12的触发脉冲出现在自然换相点S之前时，则B相晶闸管V12承受反向电压不能导通，不能完成换相，此期间iV12的波形为零。而A相晶闸管V1将继续导通至该相相电压过零点，并进入负半周，直到c相晶闸管V13的触发脉冲到来，V13被触发导通为止。与之对应部分的输出电压ud波形进入交流电源的负半周，正半周的波头不再存在。3-5在有交流电感时的三相半波可控整流电路（如图3-7（a）所示）：（1） 换流期间交流电抗上的压降有什么规律？（2）换流期间输出点的电压呈现什么规律？（3）以一对元件换流为例来说明上述规律。（4）以交流一相为例写出换流压降的表达式。（5）分别描述=30和60时整流输出电压波形图。（6）写出交流电抗对输出电压平均值影响的表达式。解：(1).换流期间交流电抗上的压降为参与换流（换相）的二相的线电压的12。（2） 换流期间输出点的电压瞬时值为参与换流（换相）的二相相电压之和的12。(3).以A相的晶闸管V11向B相的晶闸管V12换流为例，换流期间输出点的电压瞬时值为： (4). 以A相的晶闸管V11向B相的晶闸管V12换流为例，换流期间交流电抗上的压降，即换流压降为： (5). =30时整流输出电压波形，参阅教材P51中的图3-7(b)，=60时整流输出电压波形参照教材P51中的图3-7(b)，移至=60起始即可，但波形延至每相晶闸管导通角为120+。其中，为换相重叠角。(6). 换流期间交流电抗上的压降，即换流压降的影响将使输出电压平均值下降，输出平均电压将为 3-6在三相桥式整流电路中，为什么三相电压的六个交点就是对应桥臂的自然换流点？并说明各交点所对应的换流元件都有哪些？解：三相桥式整流电路中，每只二级管承受的是相邻二相的线电压，承受正向电压时导通，反向电压时截止。三相电压的六个交点是其各线电压的过零点，是二级管承受正反向电压的分界点，所以，是对应桥臂的自然换流点。参阅教材P55中的图3-9(a)、(b)，相电压正半周的交点分别是共阴极组二极管的自然换相点，即R是V25V21，S是V21V23，T是V2325的自然换流点；相电压负半周的交点分别是共阳极组二极管的自然换相点，即U是V26V22，V是V22V24，W是V24V26的自然换流点。3-7根据图3-9（a）所示三相不控桥式整流电路说明：（1） 在U点是哪两个元件换流？（2）每一个元件的导通角为多少？（3）输出电压ud的平均值为多少？（4）画出元件V22的电压波形，并说明元件的反峰电压为多少？解：(1).U点是V26V22换流。(2).每一个元件的导通角为120。(3).输出电压ud的平均值为 (4). V22的电压波形参阅教材P55中的图3-9(e) ,将波形依次后移60，即将R点起始的波形移至点起画即可。V22从点起始导通120，端电压为；之后依次分别承受线电压uAC和uC各120。元件的反峰电压为，即线电压的峰值。3-8在理想的三相全控桥式整流电路中，当控制角=0、=30时，回答下列各问：（1）各换流点分别为哪些元件换流？（2）各元件的触发脉冲相位及波形？（3）各元件的导通角为多少？（4）同一相的两个元件的触发信号在相位上有何关系？（5）输出电压ud的波形及表达式。解：(1). 当控制角=0时，各晶闸管的触发脉冲发自各自的自然换相点，即R是V25V21，S是V21V23，T是V23V25的换流点； U是V26V22，V是V22V24，W是V24V26的换流点。当控制角=30时，各晶闸管的触发脉冲依次相对各自的自然换相点后移30，以上各管的换流从此位置开始。(2).按V11、V12、V13、V14、V15、V16顺序，单脉冲触发时，每隔0依次为每一晶闸管发一个触发脉冲。双脉冲触发时，按V11V12、V12V13、V13V14、V14V15、V15V16、V16V11顺序，每隔0依次为相邻一对晶闸管同时各发一个触发脉冲。当控制角=0时的触发脉冲波形及相位参阅教材P57中的图3-11(d)和(c)。当控制角=30时，各晶闸管的触发脉冲依次相对上图后移30即可。(3).各晶闸管的导通角为120。(4). 同一相的两个晶闸管的触发信号在相位上相差180。(5). 输出电压ud的波形当控制角=0时，参阅教材P55中的图3-9(c)