电力电子技术题解实例与习题.doc

1、什么是电力电子技术？它有几个组成部分？答：电力电子技术是依靠电力电子器件组成各种电力变换电路，实现电能的高效率转换与控制的一门学科，它包括电力电子器件、电力电子电路（变流电路）和控制技术三个组成部分。2、电能变换电路有哪几种形式？各自的功能是什么？答：电能变换电路有四种形式：AC/DC变换电路、DC/AC变换电路、DC/DC变换电路、AC/AC变换电路。AC/DC变换电路：将交流电能转换为固定或可调的直流电能的电路。DC/AC变换电路：将直流电能转换为频率固定或可调的交流电能的电路。DC/DC变换电路：将一种直流电能转换为另一固定或可调电压的直流电能的电路。AC/AC变换电路：将固定大小和频率的交流电能转换为大小和频率均可调的交流电能的电路。3、简述电力电子技术的主要应用领域。答：电力电子技术广泛的应用于工业、交通、IT、通信、国防以及民用电器、新能源发电等领域。如：电源、电气传动与控制、电力系统、新能源开发等领域。四、简答题1、电力电子器件的特性表现在哪些方面？答：1）电力电子器件工作在开关状态，为的是减小本身的损耗。2）电力电子器件因直接用在电力电路上，要承受高电压大电流。3）电力电子器件需要弱电来控制，应有控制、驱动电路。4）因耗散功率大，需有必要的散热措施。2、怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答： 在实际电路中是采用阳极电压反向、减小阳极电压、或增大回路阻抗等方式，使阳极电流小于维持电流，晶闸管即关断。3、 在晶闸管的门极通入几十毫安的小电流可以控制阳极几十、几百安培的大流量的导通，它与晶体管用较小的基极电流控制较大的集电极电流有什么不同？晶闸管能不能像晶体管一样构成放大器？答：晶体管在共发射极接法时，基极电流Ib可以控制较大的集电极电流Ic变化，起到了电流放大作用；而晶闸管在电路中只能由门极控制信号控制其通断，在电路中只起到一个开关作用，要关断还需要采取措施（如阳极加反向电压）。因此，不能构成放大器。6晶闸管的门极允许加多高电压？通过多大电流？不同规格的晶闸管一样吗？答： 按规定门极电压、电流瞬时值不能超过10V、2A。在宽脉冲下，控制门极所加的平均功率，即电流电压乘积再乘以脉冲宽度的百分数，不能超过500mW,但100A以上的器件门极的面积增大，能够承受的外加控制信号的功率也可以增大，对100200A的器件可以允许平均损耗为1W，对300500A器件为2W。8、用万用表测量晶闸管门极时，为什么正反向电阻不同？是否阻值愈小愈好？答：晶闸管的门极对阴极是一个P-N结，所以正反向电阻不同。但是同一型号的门极伏安特性相差很大，所以不能以门极电阻大小来确定特性好坏。当然，如果测得电阻值为零或无穷大，则表明门极与阴极已短路或开路，不能使用。11、晶闸管在使用时突然损坏，有哪些可能的原因？答 引起元件损坏的原因有很多，下面介绍一些常见的损坏元件的原因。电流方面的原因输出发生短路或过载，而过电流保护不完善，熔断器规格不对。快速性能不合要求。输出接电容滤波，触发导通时，电流上升率太大造成损坏。电压方面的原因没有适当的过电压保护，外界因开关操作、雷击等有过电压侵入或整流电路本身因换相造成换相过电压，或是输出回路突然断开而造成过电压均可损坏元件。元件特性不稳定，正向电压额定值下降，造成连续的正向转折引起损坏，反向电压额定值下降引起反向击穿。门极方面的原因门极所加最高电压、电流或平均功率超过允许值；门极和阳极发生短路故障；触发电路有故障，加在门极的电压太高，门极所加反向电压太大（超过允许值10V以上造成反向击穿）。散热冷却方面的原因散热器没拧紧，温升超过允许值，或风机、水冷却停转，元件温升超过允许值。12、可用什么样的信号作为晶闸管的门极控制信号？答：可用尖脉冲、矩形脉冲、强触发脉冲。多相可控整流时要求宽脉冲。为了减少门极控制回路的电源个数和各元件与阴极的绝缘，通常把宽脉冲变换为高频脉冲列，经脉冲变压器共给门极。此外，如果使用光耦器则无需变换为脉冲列，而且能保证绝缘强度高。对可关断晶闸管(GTO)需要输入连续的阶跃脉冲信号，所以多采用光耦合器。13、晶闸管的额定电流IT(AV)、维持电流IH和擎住电流IL是如何定义的？答：1）额定电流：即通态平均电流，条件为环境温度400C和规定的冷却条件，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大的工频正弦半波电流的平均值。2）维持电流：晶闸管维持导通状态所必需的最小电流。3）擎住电流：晶闸管由断态进入导通过程中，如果撤掉触发脉冲，能继续维持晶闸管导通的最小电流。14、 简述如何用万用表鉴别晶闸管的好坏。答：1).万用表置于R10位置，测量晶闸管的门极-阴极之间的正反向电阻，阻值应为几欧几十欧，其正向电阻应小于或接近于反向电阻。2).万用表置于R1K位置，测量晶闸管的阳极-阴极、阳极-门极之间的正反向电阻，正、反向电阻都很大，在几百千欧以上或为无穷大，且正、反向电阻相差很小。3).如果阳极与阴极或阳极与控制极间有短路或断路，说明晶闸管已经损坏。15、简述晶闸管的静态特性。答：1).承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；2).承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通；16、什么是GTR的一次击穿和二次击穿？会有什么后果？答：1）当集电极电压UCE增大到集射极间的击穿电压UCEO时，集电极电流iC将急剧增大，出现击穿现象，这是首次出现正常性质的雪崩现象，称为一次击穿，一般不会损坏GTR器件。2).一次击穿后如继续增大外加电压UCE，电流iC将持续增长。二次击穿在一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降，这种向低电压大电流状态的跃变称为二次击穿。3）常会导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。17、电流驱动型和电压驱动型器件的驱动特点分别是什么？ 答：1）电流驱动型器件必须有足够的驱动电流才能使器件导通，因而需要大的驱动功率。2）电压驱动型器件的导通必须有足够的驱动电压因而只需要很小的驱动功率。四、简答题1、什么叫移相？什么叫移相范围？ 答：1)移相：改变触发脉冲出现的时刻，即改变触发脉冲的大小，称为移相。2)移相范围：控制角的变化范围就是触发脉冲Ug的移相范围。它决定了输出电压的变化范围。改变角使输出整流电压平均值从最大值降到最小值。2、晶闸管的触发电路有哪些要求？答：1)触发信号常采用脉冲形式； 2)触发信号应有足够的功率； 3)触发脉冲应有一定的宽度，脉冲前沿尽可能陡；4)触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求；5)触发电路应具有动态响应快、抗干扰能力强、温度稳定性好等性能。3、什么叫失控现象？如何避免？答：单相半控桥整流电路带阻感性负载和三相桥式半控整流电路在工作过程中，如突然去掉触发脉冲或将控制角从某一值突然增大到180，会发生某个导通着的晶闸管不关断，而共阳极二极管轮流导通的失控现象。为了避免这种现象，必须并接续流二极管。4、有源逆变的条件是什么？答：1)变压器直流侧有直流电动势，其极性必须与晶闸管导通方向一致； 2)变流器输出的直流平均电压Ud必须为负值，即晶闸管触发角90，且| Ud|E|。3)以上两条件是实现有源逆变的必要条件，必须同时满足变流器才能工作在逆变状态。为了保证在逆变过程中电流连续，回路中要有足够大的电感，这是保证有源逆变正常进行的充分条件 5、什么是逆变失败？如何防止逆变失败？答：逆变运行时，一旦发生换流失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变为顺向串联，由于逆变电路内阻很小，形成很大的短路电流，称为逆变失败或逆变颠覆。防止逆变失败的方法有：采用精确可靠的触发电路，使用性能良好的晶闸管，保证交流电源的质量，留出充足的换向裕量角等。6、单相桥式全控整流电路、三相桥式全控整流电路中，当负载分别为电阻负载或电感负载时，要求的晶闸管移相范围分别是多少？答：单相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，要求的晶闸管移相范围是0 180，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是0 90。三相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，要求的晶闸管移相范围是0 120，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是0 90。7、 什么叫同步？什么叫换相？答：同步：使触发脉冲与可控整流电路的交流电源电压之间保持频率和相位的协调关系称为同步。换相（换流）：在可控整流电路中，从一个晶闸管导通电流变换为另一个晶闸管导通电流的过程称为换相，也称换流。五、作图计算题1、由下面单结晶体管的触发电路图画出各点波形。答：3、试画出下面电路中ud的波形答：四、简答题 1、晶闸管对触发电路有哪些要求？答：触发信号常采用脉冲形式；触发信号应有足够的功率；触发脉冲应有一定的宽度，脉冲前沿尽可能陡触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求触发电路应具有动态响应快、抗干扰能力强、温度稳定性好等性能4、 晶闸管整流输出波形，一个半波导通角大，一个半波导通角小是什么原因？答：一般是触发回路有问题，也可能与电源电流波形有关。交流输入电压正、负半周波形不对称，造成同步电压整流输出的两个半波不对称。触发电路与其它交流电路发生了联系。晶闸管门极特性若不相同，而采取了阻容移相桥触发电路，输出控制电压脉冲前沿不陡，造成晶闸管导电角不同。控制电路的放大级虑波不好，有干扰信号串入。5、触发电路受干扰是怎样引起的？怎样避免？答： 如果接线正确，干扰信号可能从以下几个方面串入：电源安排不当,变压器一、二次侧或几个二次线圈之间形成干扰。其它晶闸管触发时造成电压波形有缺口。放大器的输入、输出及反馈引线太长，没有适当屏蔽。特别是晶体管的基极回路最易受干扰。空间电场和磁场的干扰。布线不合理，主回路与控制回路平行走线。元件特性不稳定避免以上干扰的措施是：同步变压器或脉冲变压器一、二次绕组之间加屏蔽接地，二次侧并一小电容(0.050.5uF).反馈电路第一级晶体管基极回路用屏蔽线，基极与发射极接100uF以上的电容或者在集电极和基极之间0.1uF以下的电容。输出脉冲回路用绞线，引线要短。触发电路用金属罩屏蔽起来，屏蔽罩要接地。元件进行老化处理，剔除不合格品。6、由单结晶体管组成的单相晶闸管触发电路有什么方法可使控制角a=0?答 利用阻容移相将同步电压超前于晶闸管的阳极电压某相位。 同步变压器的一次侧采用线压，例如U相所对应的晶闸管的同步触发电压可采用线电压Uuv，因线电压Uuv超前相电压Uu30的相位。7、同步变压器二次电压的大小对于触发电路的移相范围有何影响？答：同步梯形波的前沿是与同步变压器二次电压有关，二次电压愈高，则梯形波的前后沿愈陡，平顶部分愈宽，因而移相范围较大。反之，二次电压低，则移值范围小。8、单结晶体管触发电路的稳压管两端并接虑波电容能否工作？为什么？答：不能工作。因为单结晶体管触发电路的同步是靠稳压管两端的梯形波电压过零实现的，使电容充电的开始时刻与主电路一一对应。如果接上滤波电容，电路就没有过零点，因此电路不能正常工作。9、三相电路中的晶闸管特性不一致，触发功率有的大，有的小，对于工作有何影响？ 答：只要触发电路选用的参数合理，输出电脉冲幅度较高，前沿较陡，则三相晶闸管的触发特性不一致并不影响正常工作。在单相桥式可控整流电路中，用一套触发电路触发并联的两只晶闸管时，如果晶闸管特性相差太大，则应在控制回路中串联不同的电阻，能使脉冲能分配适当。14、安装晶闸管的控制回路应注意什么问题？答：例如单相可控整流电路：在焊接前先用万用表来简单测量二极管、三极管、稳压管、单结晶体管等器件是否完好，焊接时注意极性，电解电容极性也要注意焊对。二极管、三极管等半导体器件弯腿时不要靠近根部弯曲，以免折断。电路安排要紧凑、清楚，相邻器件尽量挨在一起，引线要短，尽量避免交叉。防止虚焊，焊好后把焊油擦净，以防腐蚀焊点。17、产生过电压的原因有哪些?答：1）电力电子装置可能的过电压分外因过电压和内因过电压两类。2）外因过电压产生主要来自雷击和系统中的操作过程等；3）内因过电压主要来自电力电子装置内部器件在控制换流的开关过程中，由于电流发生突变由电路电感产生的过电压。18、产生过电流的原因是什么？常采用哪些保护措施?答：1）电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会产生过电流，造成开关器件永久性损坏。过电流分过载和短路两种情况。2）电子保护电路作为第一保护措施，当电流传感器检测到过电流值时，电子保护电路输出过流信号，关断开关器件，切断故障源。直流快速断路器通常在电子保护电路动作之后实现保护，过电流继电器则在过载时动作。19、晶闸管二端并接阻容吸收电路可引起那些保护作用？答 吸收尖峰过电压。 限制加在晶闸管上的du/dt值。 晶闸管串联应用时起动态均压作用。21、不用过电压、过电流保护，选用较高电压等级与较大电流等级的晶闸管行不行？答 不可以。因为电路短路时，短路电流一般很大，并且大电流的晶闸管价格昂贵，所以电路中一定要设置过电流保护坏节。晶闸管电路在工作时，由于操作过电压、换相过电压以及电网来的浪涌电压，其尖峰值可达到电源电压幅值的好几倍，另外，高电压的晶闸管价格昂贵，所以不能用较高电压等级的管子，必须设置过电压保护坏节。四、简答题1、简述斩波电路的几种控制方式。答： 1) 定频调宽 亦称为脉冲宽度调制(PWM)，即保持斩波频率f (T=1/f=常数)不变，工作周期T恒定，通过改变晶闸管的导通时间(脉冲宽度)来改变输出电压。2) 定宽调频 亦称为脉冲频率调制(PFM)，即导通时间ton保持不变，仅通过改变斩波频率f来改变负载电压的控制方式。3) 调频调宽 即同时改变斩波频率f和导通时间ton的控制方式。这时斩波器的输出电压平均值可以在较宽的范围内变化四、简答题2、交流调压电路和交流调功电路有什么区别？答：1)交流调压电路在每个电源周期都对输出电压波形进行控制。2)交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周期，再断开几个周期,通过通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。3、交流变换电路按其对电能变换的功能，可分为哪两类？各自的特点？答：1)交流变换电路可分为交流调压电路和交交变频电路。2)交流调压电路在维持电能频率不变的情况下改变输出电压幅值。3)交交变频电路亦称周波变换器，它把电网频率的交流电直接变换成不同频率的交流电。4、使三相交流调压电路正常运行，必须要满足哪些要求？答：1) 三相中至少有两相的晶闸管导通才能构成通路，而且其中一相是正向晶闸管导通，另一相是反向晶闸管导通。2) 为了保证在任何情况下有两个晶闸管同时导通，各晶闸管的触发脉冲宽度应大于60，或采用双窄脉冲触发。3)为了保证输出的三相电压对称，并有一定的调节范围，要求晶闸管的触发信号，必须与相应的交流电源有一致的相序；各触发信号之间还必须严格保持一定的相位关系。三、简答题1、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：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？答：换流方式有4种：器件换流：利用全控器件的自关断能力进行换流。全控型器件采用此换流方式。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换流的器件上即可。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电流超前于负载电压时，可实现负载换流。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。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流、负载换流和强迫换流3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，直流侧是电压源的称为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逆变电路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，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。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。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，因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。4、试说明PWM控制的基本原理。答：PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。以正弦PWM控制为例。把正弦半波分成N等份，就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到PWM波形。各PWM脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。可见，所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。5、单极性和双极性PWM调制有什么区别？三相桥式PWM型逆变电路中，输出相电压（输出端相对于直流电源中点的电压）和线电压SPWM波形各有几种电平？答：三角波载波在信号波正半周期或负半周期里只有单一的极性，所得的PWM波形在半个周期中也只在单极性范围内变化，称为单极性PWM控制方式。三角波载波始终是有正有负为双极性的，所得的PWM波形在半个周期中有正、有负，则称之为双极性PWM控制方式。三相桥式PWM型逆变电路中，输出相电压有两种电平：0.5Ud和-0.5 Ud。输出线电压有三种电平Ud、0、- Ud。10、如何提高PWM逆变电路的直流电压利用率?答：采用梯形波控制方式,即用梯形波作为调制信号：可以有效地提高直流电压的利用率。对于三相PWM逆变电路,还可以采用线电压控制方式,即在相电压调制信号中叠加3的倍数次谐波及直流分量等,同样可以有效地提高直流电压利用率。12、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？答：按照逆变电路直流测电源性质分类,直流侧是