电力电子技术第2至第8章作业答案..

1、第2至第8章作业第2章电力电子器件1. 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，并在门极施加触发 电流（脉冲）。或：Uak>0且Ugk>0。2. 维持晶闸管导通的条件是什么？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。3. 怎样才能使晶闸管由导通变为关断?答：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。4. 图1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Im，试计算各波形的电流平

2、均值Idl、Id2、Id3与电流有效值11、12、。2 二JIa)2二o才二年 2二 o 2b）c）晶闸管导电波形b)匚匚 sm也=二 ' - 4-1) % 0, 2 /11 .了T2三£（人血莎如）牛t:n 0. 4767 畫 42霆(+1)0, 5434 I,L仅人血胡）咕（胡）丿：-+ 0.898 /77 -rJTT 二JL -咕) -0- 7.晶闸管的触发脉冲需要满足哪些条件?答：(1)触发信号应有足够的功率。(2)触发脉冲应有一定的宽度，脉冲前沿尽可能陡，使元件在触发导通后， 阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。第3章整流电路1.单相半波可控整流电路对电感负载

3、供电，L = 20mH , U2= 100V ,求当a= 0。和60°时的负载电流I，并画出Ud与id波形。解：cc=Qa时，在电源电压s的正半周期晶闸管导通时，负载电感£储能，在晶 闸管开始导通时刻”负载电流为零：在电源电压比的负半周期，负载电感上释 放能量，晶闸管继续导通=因此，在电源电压e的一个周期里，以下方瑾均成id iL Ji = y/2U2 sin 俗 dl考虑到初始条件，当妙=0时空=0可解方程得匕(1 -COStrlJdi&r)=亚5 =22. 51 (A)地与佥的波形如下圏!当a=&)f时，在址正半周期60八ISO。期间晶闸管导通使E感诸融

4、.曰慈 £储藏的能童在比负半周期1创八兀0口期间释说 因此在一个周期中60300° 期间以下微分方程成立：£些=旋6血丛考虑初始条件：当呪=60。时人=0可解方程得:y2r1其平均宣为/i=±f；_C0S)=1L25(A)2朴3 cjL 2IcoL此时s与山的波形如下图】畑/ f駅rvaxJLZ z.2单相桥式全控整流电路， U2= 100V，负载中R= 2Q, L值极大，当 a 30°寸，要求： 作出比、id、和i2的波形；求整流输出平均电压 5、电流Id,变压器二次电流有效值 12 ； 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解応 氣

5、 和壬的波形如下图： 输出平均电压： 电流厶 变压器二次电流有效值卫分别为 5=0 9 r coi? =0. 9X 100Xcos30'=77f97 (V)辰=岳 A=77. 97/238, 99 (A)m = 38. 99 (A) 晶闸營承受的最大反向电压为：4i f；=ioo72 =141. 4 (V)考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为*历=(23> X 141. 4-283424 (V) 具体数值可按晶闸管产品系列参数选取.渍过聶闸管的电流有效值为，I=IJ 71 =27. 57 (A)晶闸管的额定电流为：75= (1_ 52) X27-57/ 1.57 = 2635 (A)

6、具体数值可按晶闸管产品系列参数选取3单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=2 Q, L值极大，反电势 E=60V，当a=30时，要求： 作出比、id和i2的波形； 求整流输出平均电压 Ud、电流Id,变压器二次侧电流有效值 12； 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解込 无和壬的波形如下圏：(2整流输岀平均电压心“电流心 变压器二次侧电流有效值丘分别为11=0. 9 I' co =0+9X100XCos30= =77, 97(A)1A ="7?= (77, 97-60) '2 = 9 (A)Ii = Ii =9晶闸管承受的最大反向电压为匕运&am

7、p;=100“= 141.4 (V)流过每个品闸管的电流的有效值为：I=U 42 =6. 36 (A)故晶阐管的额定电压为，(2"3) X141.4 = 283424 (V)晶闸管的额定巨流为石=(L5辽)X6, 36/ 1. 57=6% (A>晶闸管额定电玉和巨流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选麻：4单相桥式半控整流电路，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：承受巨压为正即导通，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，交流电源电压由晶闸管平衝。整流二极管在一周内承受的电压波形如下：5.单相全控桥，反电动势阻感

8、负载， R=1 Q, L=s, E=40V , U2=100V , LB=0.5mH ,当a=60 时求Ud、Id与g的数值，并画出整流电压 Ud的波形。解!考虑厶时，育：£/=0. Qiicosct SL'iA Li=2AtIi ' JFIi= (£；-£)/ R 解方程组得：U,=(疋丘 0.9以+2搭厅)/ 5R十ZiO =44. 55 (V)岳=0. 455 (V)7, = 4, 55 (A)XVcosa cos(a + /) = V7 zd-VB / 匚即得出cos(6(P + z)=0b 4798换流重叠角? =6L335 - 60&#

9、176;-1.33°最后，作出整流电玉口的技形如下：6. 单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。7. 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Ud的波形。解：假设当负戟为电阻时'3的泯形如下，&三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5 Q, L值极大，当a=60 °寸,要求： 画出Ud、id和iVT1

10、的波形; 计算 Ud、Id、IdT 和 IvT。解：碁2和岛1的渋形如下图,从玉、心和丘分别如下1. 17f：cosff= L 17 X 100X cosGO' =58. 5 (V)I.= Ui/ R=58.5/ 5=lk 7 (A)7dn=2=/ 3=1L 7/3=3.9 CA)I= I, / 屈=6. 755 (A)9在三相桥式全控整流电路中，电阻负载，如果有一个晶闸管不能导通，此时的整流电压 Ud波形如何？如果有一个晶闸管被击穿而短路，其他晶闸管受什么影响？假设也被击穿而短路”则当品闸菅或订，导通时，将发生电源相间短路. 使得工、VE也可能分别被击穿。10.三相桥式全控整流电路，

11、U2=100 V,带电阻电感负载， R=5 Q, L值极大，当a=60。时, 要求:画出Ud、id和iVT1的波形;计算 Ud、Id、IdT 和 IvT。執込z和対1的;皮形如下:I甌IIIiL.I0IIIJ I1 1、八八HA |丿 i “ #I D ； HIT IV ； V I VI >口、1/心和亦分别如下=2.34feosa=2. 34X 100Xoos60* = 117 (V)Zj=M/H117/5=23_ 4 (A)Zjvt Ji/3 = 23*4/3=7” 8 (A)込丁= 13 = 23+ 4 /' Vj" = 13* ol (A)11.三相全控桥，反电

12、动势阻感负载，E=200V , R=1 Q, L=s, U2=220V , a=60 °当Lb=O和LB = 1mH情况下分别求Ud、Id的值，后者还应求 g并分别作出Ud与iT的波形。解：当£e=0时：U,=2. 34osc? = 2. 34X 220Xcos60 = 257. 4 (V)I.= 30 / R= <257,4-200) / 1=57.4 (A)当Z5=lmH时U=2. 34tcosa A &A 3 Ai A / ttIr=(仁一厅)/ R解方程组得，L'i= (2 34更鸟用 gsa+3尿 / 03.0=244.15 0)爲=4丄 1

13、5 (A)A£-=13. 25 (V)又 cos(/- cos(or+/) =2/d/H008(60° + /) =0 44857 = 63,3o=-60= = 3+ 35'込JvTl和IT2的波形如下:申0<dk斛IIIIIr I：Il * IIHUr >ii9 f卄 t -M iXulH /I t / II 1 i u几p * < j严f I *!n!I112.三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：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

14、负载时，要求的晶闸管移相范围是0 90°13.三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= 1、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 4 2、3）次的谐波，其中主要的是5、7次谐波。14三相桥式全控整流电路， U2=100 V，带电阻电感负载， R=5 Q，L值极大，当a=60。时， 要求：（1）计算Ud、Id、IdT和IVT ；（ 2）i2的5、7次谐波分量的有效值125、127；（3）输入功率因

15、数。解：(1) J 7；丁和亦分别如下34£4coso=2. 34X 100Xcos60*-117 (V) 込=口/4 117/5 = 23. 4 (A)t=J；/3 = 23.4/3 = 7.S (A) I-=IJ 近=23. 4/ J3=13. 51 (A)(2)由此可计算出5次和了次谨波分量的有效值为：2；= Vs Zi/oTT = ,/e X23. 4/ OTT -3. 65 (A)Ve Zi/?TT = Vc X23. 4/ 77T =2. 61 (A)(3)基波电流的有效負：五=W X23. 39/n = 18. 243 (A) 基渡因数为i = A / I=IJ H 9

16、55电路的输入功率因数为*/= v costz = 0. 955 cos60 =0.4&15. 使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么?答：条件有二：(1) 直流侧要有电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致， 其值应大于变 流电路直流侧的平均电压；(2) 要求晶闸管的控制角a >n/2使Ud为负值。16. 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

17、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B等。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？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

18、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

19、。 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 呈现咼阻抗。 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电压型逆

20、变电路中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。5 为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？答：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，因此不需要并联反馈二极管。第5章直流-直流变流电路1.介绍降压斩波电路工作

21、原理答：降压斩波器的原理是：在一个控制周期中，让 V导通一段时间ton，由 电源E向L、R、M供电，在此期间，uo= E。然后使V关断一段时间toff，此 时电感L通过二极管VD向R和M供电，uo= 0。一个周期内的平均电压 匚=一G一"I。输出电压小于电源电压，起到降压的作用。2.介绍升压斩波电路工作原理答，假设电路中电感丄直很大，电容f值也很大.当丫处于通态时，电源E向自 感£充电"充走电流基本恒定为石，同时电容Q上的电压向负载斤供电，因C 值很大，基本保持输出电压为恒值U.设¥处于通态的时间为7 此阶段电感£ 上积蓄的能量为£7

22、监=当¥处于断态时£和£共同向电容f充电并向负载用提 供能量:设丫处于断态的时间为心沙则在此期间电感Z释放的能量为(Uo -E o当电路工作于稳态时，一个周期厂中电感£积蓄的能量与释放的 能量相等，即：% =(S - E 仏化简得：U二G亠滋E =工£Qfoff式中的T J小输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电陪，3.在降压斩波电路中，已知E=200V , R=10 Q, L值极大，Em=30V , T=50卩s,n=20卩S扌算输出电压平均值 U。，输出电流平均值I。解由于丄值极大，故负戴电流连裟.于是输出自玉平均值为E；二嶋

23、63;=20x200 =80 mT50输出电流平均值为人£ V。-旳二§R104在下图所示的降压斩波电路中， E=100V , L=1mH , R=0.5 Q Em=10V，采用脉宽调制控 制方式，T=20s当ton=5 s时，计算输出电压平均值 Uo,输出电流平均值I。，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。当ton=3 sS寸，重新进行上述计算。解：由题目已知条件可得:m= £m = 10 =0.1E 100"絆罟=0.002当Zon=5 !1 S时，有由于P =1=0.01%10.00251斗需7249W所以输出电流连续。此时输

24、出平均电压为5护二警如V)输出平均电流为£耳二竺J二30R0.5输出电流的最大和最小值瞬时值分别为ap1-e7"加 0. 19(A)r _(严一1 ，min_ °,(e" - 1( 0.0025 _、宀-0-1/o°<29-81(A)当G=3“s时，采用同样的方法可以得出:a Q =0.0015由于%1°00注1吕需Z9加所以输出电流仍然连续。此时输岀电压、电流的平均值以及输岀电流最大、最小瞬时值分别为;U 鼻£二型込15 (¥) T八2015-10=10 0.5(1 一严151 -訐mg0J0O15ToF-

25、y-CU5.在升压斩波电路中，已知E=50V , L值和C值极大，R=10 Q,采用脉宽调制控制方式,当T=40x 6=20 s时，计算输出电压平均值U。，输出电流平均值I。uOVD解乂由题目己知条件可得，庐电二Jim 1E 100A 0.0010.5=0. 002jO=-=0,01rafF r<¥1 =0. 0025由于C.0C2?=1二0” 249>/z?所以输出电流連渎此时諭出平均电玉为4牛；"(V)输出平均电流为I,玉込二兰二竺二30 (A)R05输出电流的最大和最小值瞬时值分别为E 二-1 -严)m,.1 十J心 -0.0025丄一 lY 2吨_1-0

26、.1-0.1一 空-1)用宀1k/当"3百时，采用同样的方法可以得岀：a 口 =0* 0015C.C1-1 )100 =29.81(A)0.5由于严_1严1C.CL二"二 0.149 加护-1山-I所以输出电流仍然连续。此时输出电压、电流的平均值以及输出电流最大、最小瞬时值分别为: r -2j-.100 x 3p 厂 /_7心壬 E二二2(1T 200.5惜心3R亠_广 1 .-O.OTli7 二_I严广严1严_ 第6章交流-交流变流电路1一单相交流调压器，电源为工频220V，阻感串联作为负载，其中 R=0.5愆L=2mH。试求：开通角a的变化范围；负载电流的最大有效值；最

27、大输出功率及此时电源侧的功n率因数；当=时，晶闸管电流有效值，晶闸管导通角和电源侧功率因数。2解：负载阻抗角为：歼 arctan () =arctan(2x50x2xl°3)=0. 89864=51. 49=R0.5开通角Q的变化范围为：(P <a<7i即0. S9S64<d< 当a-(r>时，输出电压最大，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为21： R= L 220； R37 532(KW)w斤+(应)丿功率因数为37532 =Q 6227UJQ 220x273.98实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦，即cos牛0. 6227 a时，先计算

28、晶闸管的导通角.由式(4-7)得7sin(-+0-O. 89864) =sin(-0. 89864)严2 2解上式可得晶闸管导通角为：0=2.375=136. 1也可由图4-3估计出&的值。帚 0cca(2& + e + 0)v此时，晶闸管电流有效值为cos®22072x0.803X . 2.375-血2375“”(0.89864 2.375)七穽cosO .89864电源侧功率因数为其中：1742，x05"220x174.2/0 =V2ZXT = 174. 2(A)于是可得出= 0.39592. 一调光台灯由单相交流调压电路供电，设该台灯可看作电阻负载，在

29、a =0时输出功率为最大值，试求功率为最大输出功率的80%，50%时的开通角 a解：住=0时的输出电超最大为此时负载电流最大，为皿=仏=乞R R因此最大输出功率为沧=输出功率为最大端出功率的和：时、有：卩=0展巴点”此时，;主r- /sin2a 7T-a17T7V解得ct =60. 54'同理.输出功率为最大编出功率的30召时，有:/ = v7：叉由a =90第7章PWM控制技术1介绍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）。在采样控制理论中 有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉

30、冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基 本相同。上述原理称为面积等效原理2.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：三角按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 披形在半个周期中也只在单极性范围内变化，称为单极性卩刑控制方式*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"有如则称之为双极性珂M控制方式口三相桥式PWM型逆变电路中，输出相电压有两种电平：0.5仏和-0笛口输出线电压有三种电平f汕工3什么是异步调制