电力电子变流技术课后答案第4章

1、第四章 有源逆变电路习题与思考题解4-1 逆变电路必须具备什么条件才能进行逆变工作？ 解：逆变电路必须同时具备下述两个条件才能产生有源逆变：1变流电路直流侧应具有能提供逆变能量的直流电源电势Ed,其极性应与晶闸管的导电电流方向一致。2.变流电路输出的直流平均电压Ud的极性必须为负（相对于整流时定义的极性），以保证与直流电源电势 Ed构成同极性相连，且满足 Ud90 的情况。单相桥式（二极管）整流电路是ACDC 变换电路,是单纯的整流电路,相当于单相全控桥式变流电路工作于整流状态,控制角 a =0时的情况。不是所有的整流电路都可以用来作为逆变电路。例如,单相、三相半控桥式变流电路, 带续流二极管

2、的变流电路都只能工作于整流状态,不能用来作为逆变电路。4-3逆变电路工作时为什么会产生短路事故？ 解：变流器工作在逆变状态时,如果因丢失脉冲、移相角超出范围、甚至突发电源缺相或断相等情况时，都有可能发生换相失败，将使变流器输出的直流电压Ud进入正半周范围,Ud的极性由负变正，与直流侧直流电源电势Ed形成顺向串联，造成短路事故（因逆变电路的内阻 R 很小）。这种情况称为逆变失败。或称为逆变颠覆。4-4 为什么要限制逆变角的最小值卩min ?选择卩min值时应考虑哪些因素？解：为了避免逆变电路发生逆变失败，所以，必须限制逆变角的最小值3 min。最小逆变角3 min的选取要考虑三个因素，即换相重叠

3、角Y ；晶闸管关断时间toff对应的电角度3；安全裕量角9 o。故有4-5在图4-2 (C)中，当a 90 时，为什么必须EdUd才能正常逆变工作，Ed与Ud间的 差值由何因素决定。如果 Ed=Ud和Ed90。必须EdUd时，才能满足逆变工作条件。只有当EdUd时，变流电路直流侧的电源电势 Ed才能提供逆变能量，进而实现有源逆变。Ed与Ud间的差值由主电路所限制的电流的大小决定，即通过控制角a (逆变控制角3 )的大小来确定。Ed=Ud时，变流电路将处于等待状态，EdUd时，处于待逆变工作状态。4-6.在图4-2中，设交流电源变压器二次电压U2=280V，变流电路为单相全控桥式电路，R=0.2

4、 Q丄=8。试求当电动机起重重物时，负载电流ld=200A且反电势Ed=180V时，变流电路的控制角a应为何值？变流电路处于什么工作状态？解：,Ud EdIdR则Ud=IdR+Ed=200 X 0.2+180=220 (V)U d 0.9U 2coscos2200.8730.9U20.9 28029由于aEd，所以，变流电路处于整流工作状态。4-7.在题4-6所给电路条件下，设电动机降落重物时起制动作用的负载电流ld=200A，与电动机转速对应的反电势Ed为-180V,试求此时的变流器控制角应为何值？并分析其能量传输关系。解：.Ud EdIdR则Ud= IdR+ Ed=200X 0.2- 18

5、0= 140VUd 0.9U2cos0.5556Ud140cos0.9U20.9 280124由于 一，Ud Ed，则变流电路处于有源逆变工作状态，电动机处于发电运行,2输出的直流电能通过变流器转变为交流电能反送给电网。4-8.试绘出单相和三相全控桥式逆变电路当 卩=45时的输出电压波形、晶闸管的电流 波形、以及晶闸管 V11的端电压波形，并分析晶闸管承受电压的情况(设L= )。解：单相全控桥式的输出电压波形、晶闸管的电流波形、以及晶闸管V11的端电压波形参阅教材P66中的图4-2(c)。由于L= s,晶闸管的电流波形可画成 180的矩形波。晶闸管的导通角为0 =180,此期间两端电压近似为零

6、，关断后的卩角对应期间承受反向电压，之后的a角对应期间承受正向电压。三相全控桥式逆变电路的输出电压波形、晶闸管的电流波形、以及晶闸管V11的端电压波形参阅教材P74中的图4-5的中间3=45 的一段。由于 L= s,晶闸管的电流波形可在该 导通期间画成120的矩形波。晶闸管的导通角为0 =120,此期间两端电压近似为零，关断后本相晶闸管按相序分别 承受与相邻二相的线电压各120。例如，A相共阴极组晶闸管 V11，导通的120期间，两端电压近似为零，关断后首先承受线电压Uab120 ,转而承受线电压Uac120。其中关断后的3角对应期间承受线电压UAB首先是反向电压。逆变电路中，晶闸管在关断后的

7、3角对应期间承受的是反向电压，其余绝大部分时间均承受正向电压。4-9.在图4-5的三相桥式电路中，设交流电源线电压有效值U2i=200V,L= s, R=1.5 Q。如要求电动机在制动过程中保持制动电流ld=10A恒定不变，试问：当电动机反电势Ed=200V时，逆变角3应为何值？当Ed降至于100V、 50V、0V时逆变角分别应为何值？解：.Ud EdIdR当 Ed= 200V 时,Ud=l dR+ Ed=10X 1.5- 200= 185V当 Ed= 100V 时,当 Ed= 50V 时,U d 2.34U2 cos2.34U 2 cos1.35U 2L cosUd cos1.35U2L18

8、51.35 2000.685247Ud= IdR+ Ed=10 x 1.5 100= 85VUd 2.34U 2 cos2.34U 2 cos1.35U 2L cosUd85cos1.35U2L1.35 2000.314872Ud=IdR+Ed=10 x 1.5 50= 35VUd 2.34U 2 cos2.34U 2 cos1.35U 2L cosUd35cos1.35U2L1.35 2000.129683当Ed逐渐下降至0V时，电路电流Id亦将下降为0A,因而Ud= 0V，贝U卩=90。，此时电流电路输出电压的正负面积相等。4-10.试列举三种产生逆变失败的情况，并说出应注意哪些安全保护措

9、施。解：1.产生逆变失败的情况主要有以下几个方面：(1) 触发电路工作不可靠触发电路不能及时、准确地为各晶闸管提供脉冲，如丢失脉冲或脉冲延迟等，均能导致 换相失常或换相失败，参阅教材P72中的图4-4(b)和(c)。脉冲延迟即使不出现图 4-4 (c)的严重情况，也将使逆变角B 过小，导致换相时间不足, 产生逆变失败。所谓换相时间，即是需被关断的晶闸管承受反压的时间，即逆变角B区间所对应的时间，如果这个时间短了，晶闸管承受的反压时间不够，不能恢复正向阻断能力而造成逆变失 败。(2) 晶闸管出现故障晶闸管性能不合格，或设计电路时参数选择不当，以致出现晶闸管该阻断时不能阻断， 该导通不能导通，均将

10、导致逆变失败。(3) 交流电源失常在有源逆变工作状态下，交流电源的突然停电或缺相，由于直流电势Ed的存在，原来导通的晶闸管仍会导通，但此时变流电路交流侧已失去了同直流电势极性相反的交流电压，直 流电势将通过晶闸管短路，或原来导通的晶闸管使Ud进入导通相的正半周(缺相时)极性变正，造成逆变失败。2逆变失败将造成严重的后果，应采取的安全保护措施如下：(1) 正确选择晶闸管参数和缓冲保护电路(2) 正确设计稳定可靠的触发电路例如具有不丢脉冲，最小逆变角卩min限制、抗干扰能力强等性能。(3) 设置完善的系统保护装置例如能对系统过流、过压、交流电源缺相、欠压、断电等故障及时检测，并采取相应的 保护操作

11、。4-11 .换流重叠角的产生给逆变电路带来哪些不利影响？解：由于变压器漏感和线路电感等因素的影响，晶闸管的换流(换相)不能瞬时完成， 均需一定的时间即换相重叠角Y所对应的时间。如果逆变角卩 Y,将使换相不能完成，造459954 (A)成逆变失败。4-12.单相全控桥反电动势阻感负载，R=1 Q , L= g.U2=100V，当 Ed= 99V,3=60。时，求认、Id的数值。解：Ud 0.9U2 cos0.9U 2 cos0.9 100 cos6045(V)Ud Ed4-13.三相半波变流电路，反电动势阻感负载,150V,卩=30。时，求 Ud、Id的数值。R=1 Q , L= a, U2=

12、100V，当 Ed=U d 1.17U 2 COS1 .17U2cos1.17 100 cos30 101 (V)UdEdR101150149(A)解：4-14.三相全控桥式变流电路，反电动势阻感负载，R=1 Q , L= a, U2=220V，当Ed=400V, 3=60。时，求Ud、Id的数值。此时送回电网的平均功率为多少？解：Ud 2.34U2 cos 2.347U2COS 2.34 220 cos60 257.4(V)Ud Ed257.4400c142 6 (A)I ddR1由于L= a,输出电流有效值(忽略谐波)I =Id网恻有功功率为FdI2 R IdEd = 142.62 1 1

13、42.640036705.24 (W)-36.7(KW)送回电网的平均功率为 36.7(KW)4-15.三相桥式变流电路，已知U2l=230V，反电势阻感负载，主回路 R =0.8Q , L= a,假定电流连续且平滑，当Ed=-290V , 3 =30。时，计算输出电流平均值、输出电流有效值(忽略谐波)、晶闸管的电流平均值和有效值。解：Ud 2.34U2 cos 2.34U2cos 1.35U2L cos1.35 230 cos30 269(V)U d Ed输出电流平均值0.8Id输出电流有效值I .1： IN Id 26 (A)?n 1晶闸管的电流平均值为11IviarId 26 8.67

14、(A)33晶闸管电流有效值为I V1 3 I d 15 (A)I 34-16 试叙述反并联（双重）变流电路的四象限运行条件。解：反并联（双重）变流电路参阅教材第一象限，电动机正转作电动运行，变流器 时Ud1、Ed的极性均为上正下负，电网经变流器第二象限，电动机正转作发电运行，变流器 时Ud2、Ed的极性均为上正下负，电动机供出电能,第三象限，电动机反转作电动运行，变流器 时，Ud2、Ed的极性均为上负下正，电网经变流器 电压和电流方向均与第一象限运行时相反。第四象限，电动机反转作发电运行，变流器 时，UdP69中的图4-3（ a）。其四象限运行条件如下：1工作在整流状态，a 1 n /2 ,

15、Ed n /2 , EdUd2。此 经变流器2回馈给电网。2工作在整流状态，a 2 n /2 , Ed n /2 , EdUd1，此Ed的极性均为上负下正，电动机供出电能，经变流器1回馈给电网。流过电动机的电流与第二象限工作时相反。可见，由反并联（双重）变流电路控制的可逆系统中，电动机从电动运行转变为发电制动运行，由于电动机的旋转方向不变，故电动机电势Ed的方向不变，相应工作于整流和逆变状态的变流器不能在同一组全控桥内实现。具体地说，由一组桥整流，电网供出能量使电动机作电动运转，逆变必须通过反并联的另一组桥来实现，将电动机作发电制动运行产生的直流电能回馈给电网。4-17.试指出晶闸管相控变流器

16、的主要特征。fs；可工作于第一象限解：几种典型晶闸管相控变流器的主要特征如下： 接续流二极管的单相半波可控变流电路一一脉动频率为接续流二极管的单相半控桥式变流电路一一脉动频率为2fs;可工作于第一象限单相全控桥式变流电路一一脉动频率为2fs；可工作于第一象限和第四象限单相反并联（双重）全控桥式变流电路一一脉动频率为2fs;可工作于第一、二、三、四象限三相半波可控变流电路脉动频率为3fs；可和第四象限接续流二极管的三相半控桥式变流电路一一脉动频率为3fs ；可工作于第一象限三相全控桥式变流电路脉动频率为6fs；可工作于第一象限和第四象限三相反并联（双重）全控桥式变流电路一一脉动频率为6fs;可工

17、作于第一、二、三、四象限其中，fs为交流电源频率。可见，接续流二极管的变流电路只能工作于第一象限。4-18试根据高压直流输电的功率流向，指出中间直流环节两侧变流器的工作状态。解：高压直流输电系统原理结构参阅教材P79中的图4-6（ a）。变流器I和变流器H均可根据功率的流向工作在整流状态或逆变状态。若使功率从左向右传输，则调整控制角 a，使变流器I工作于整流状态，变流器H工作于有源逆变状态，Udi和Ud2的极性均为上正下负，且满足UdiUd2。若使功率从右向左传输，则变流器n整流，变流器I逆变，Udi和Ud2的极性均为上负下正，且满足Udi90将变流器 U 拉入有逆变工作状态，励磁绕组内储 存

18、的磁场能通过工作于有源逆变状态的变流器，经 TF 以电能形式反馈回电网。4-20试述过电压保护的两种基本方法。解：常用的抑制过电压的基本方法有二种，即用非线性元件限制过电压的幅值；用储能 元件吸收可能产生过电压的能量，并用电阻将其消耗。实际应用时，要视电路的不同部位的 需要采用不同的方法，同一部位也可同时采用二种方法。4-21.试说明交流侧阻容过电压保护和非线性元件过电压保护电路的几种接线形式。解：交流侧阻容保护电路连接方式参阅教材P81中的图4-8。图4-8(a)为单相接法，图4-8(b)和图4-8(c分别为三相形和 形连接方法，图4-8(d)为整流式接法。交流侧非线性元件过电压保护电路，如

19、压敏电阻保护电路参阅教材P82中的图4-10,接线方式与图4-8(a)、(b)、(c)相同。其他非线性元件保护的连接方法也都与此类同。4-22 试述直流侧过电压保护电路的连接方法。解：直流侧的过电压保护，同样可采用阻容保护和非线性元件保护方法，其连接位置为 变流装置的直流侧的快速开关或熔断器FU之前，参阅教材 P82中的图4-11。图4-11中的P和M之间即为阻容或非线性保护元件所连接的位置，图中所连接的保护元件是压敏电阻。4-23.试说明晶闸管关断过电压RC保护电路的原理。解：晶闸管在关断过程中，电流从最大值很快下降为0，将在变压器的漏电感 Lc上产生很大的过电压Lc.div/dt,作用在晶

20、闸管上。并联在每只晶闸管上的RC回路可抑制晶闸管的关断过电压。当晶闸管关断过程中，变压器电流可以通过RC续流，减小了 div/dt，从而抑制了过电压。电阻可以限制晶闸管再导通时，电容C向晶闸管放电的电流上升率，并阻尼可能产生的LC振荡。4-24.用作过电流保护的三种常用电器是什么？其速度的快慢有何差别。解：可用作过电流保护的三种常用电器有快速熔断器、快速开关和过流继电器。快速熔断器流过的电流越大，其熔断时间越短，当流过短路电流时，其熔断时间可达 5ms(目前最快的可达1ms量级)。在额定电流下，工作时不熔断，可长期工作。快速开关的全分断时间为10ms,只用于直流电路。过流继电器的动作时间一般为几百毫秒(ms)，分为直流和交流两种。4-25.试述反馈控制过电流保护电路的原理及特点？解：反馈控制过流保护原理框参阅教材P83中的图4-12。正常工作时，电压比较器整定为输出高电平，控制变流装置工作于90