电力电子变流技术相关知识

1、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I L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I H以下。其方法有二：1)减小正向阳极电压至某一最小值以下，或加反向阳极电压；2)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I H=4mA ， 使用在题 1-2 图

2、中的电路中是否合理？为什么(不考虑电压、电流裕量)？解：根据机械工业部规范JB1144-75规定，KP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(V)平均电流(A)波形系数所以，Iv=K。I V

3、AR = 1.57 X 9.9 = 15.5(A)而KP100-3允许流过的电流有效值为I ve= 1.57 X 100= 157(A) , Il< I v<I ve,所以，电流指标合理。但电路中晶闸管V可能承受的最大正反向峰值电压为U Fm U Rm . 2U .2 220 311(V)>300(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，V触发导通后，流过V的最大电流为Iv= 150/1 = 150(A), 即为平均值，亦是有效值。而Ive=150A, Iv=150(A)<157 (A),即Il< Iv<Ive,所以电流指标合

4、理。同时，晶闸管承受的正向峰值电压为150V,小于300V,电压指标合理。所以图(c)合理。1-3.在题图1-3电路中，E=50V, R=0.5 Q , L=0.5H ,晶闸管擎住电流为 15mA。要使晶闸管导通，门极触发电流脉冲宽度至少应为多少?解：晶闸管导通后，主回路电压方程为L did出RidE主电路电流id按下式由零上升E did R1tR/Le晶闸管要维持导通，id必须上升达到擎住电流值以上，在此期间，门极脉冲应继续维持, 将Id=15mA代入，得50 t31 et15 10 30.50150 科 s。所以，门极触发电流脉冲宽度至少应大于150d s。1-4.单相正弦交流电源，交流电

5、源电压有效值为220V。晶闸管和负载电阻串联连接。试计算晶闸管实际承受的最大正反向电压。若考虑晶闸管的安全裕量，其额定电压应如何选取？解：该电路运行可能出现施加于晶闸管上最大正反向峰值电压为V2U<2 220 310 (V)若考虑晶闸管的安全裕量，通常选择额定电压为正常工作峰值电压的2 3倍。2X310 = 620(V),3X 310=930(V),则选择额定电压为 700V1000V的晶闸管。1-5.若题1-4中晶闸管的通态平均电流为100A,考虑晶闸管的安全裕量，试分别计算导电角为180°和90°时，电路允许的峰值电流各是多少？解：在不考虑安全裕量时，选择晶闸管的

6、原则是：使实际运行管子电流的有效值IV1等于定义管子额定通态平均电流时的电流有效值Ive,即两种情况下，管芯的结温相同并小于或等于额定结温。当导通角0 = 180°时，IV1 昼 01msin t 2dt1；则有I m/2 = 1.57 I vear所以，晶闸管允许的峰值电流为I m=2X 1.57 X 100= 314 (A)当导通角0 = 90°时，Im57I VEAR则有2.2所以，晶闸管允许的峰值电流为1m 2 2 1.57 100 444(A)考虑取安全裕量数为 2时，则当导通角0=180。时，电路允许的峰值电流为Im=314/2= 157 A,当导通角0=90&

7、#176;时，电路允许的峰值电流为I m2= 444/2 = 222(A).1-6.题1-6图中阴影部分表示晶闸管导电区间。各波形的电流最大值均为Im,试计算各波形电流平均值Id1、I d2、I d3、I d4、I d5,电流有效值11、I 2、I 3、I 4、I 5和它们的波形系数Kf1、K2、K3、K4、Kf5.Im0.32ImIi1mSin tIm20.5ImKfedi1.57 2I d21m.Sin tdIm0.24Im1-21 ImSin t d t 0.46I2 30.49Im0.23Im1.92,2,3 .-I d 3I m .Sin td t 2 I d 2 I m 0.48

8、I m2321 一I2 .I mSin t d tI 3K f30.65Im0.65ImI d30.48Im1.35I d4Im.dtImIm0.25ImKf4I d5I4Imdt2 0ImIm0.5ImI4I d4ImIm.dtImIm0.125Img 041mdtIm0.35I m解：Id12- 0 Im.Sin td2*2f5I4I d4ImIm2.83I d3、1-7 .题1-6中如果不考虑安全裕量，问100A晶闸管能送出的电流平均值Idi、Id2I d4、I d5各是多少？这时相应的电流最大值Imi、I mKI m3Im4、Im5又是多少？解：额定通态平均电流Ivear为100A的晶

9、闸管允许通过电流的有效值为IVE Ivear kfe1100 1.57157A利用上题结果，图 皿IVE 157 A12则 Im1=314(A)I d1Im3143.14100A88图(b) I 2 0.46 I m IVE 157A则 I m2 =341(A)Id2 0.24Im 81.8A图 I 3 0.65I m IVE 157A则 I m3 =241(A)I d3 0.48Im 115.9A图(d) I40.5Im IVE 157A则 I m =314(A)Id4 0.25Im 78.5A图(e)511mIVE157 A则 I m=444(A)I d5Im44455.5A1-8.晶闸管

10、的额定电流是怎样定义的？有效值和平均值之间有何关系?解：晶闸管的额定电流即指其额定通态平均电流I VEAR.它是在规定的条件下，晶闸管允许连续通过工频正弦半波电流的最大平均值。如教材图1-8所示。这些条件是：环境温度 +4 0C,冷却条件按规定，单相半波整流电路为电阻负载，导 通角不小于170 C,晶闸管结温不超过额定值。额定通态平均电流 I VEA舶电流等级如教材表1 - 2所示。 通常50 A以下的管子分为 1、 5、10、20、30、50A等级，100 1000A的管子分为 100、200、300、400、500、600、800、 1000 A等级。额定通态平均电流I vea点在同一定义

11、条彳下的有效值Ive具有如下关系：I VE K feVEAR其中，Kfe 1.57 为定义条件下的波形系数。1 VEAR 21-9.导通角e不同，电流的波形不一样，如何来选择晶闸管的电流容量？解：导通角e不同，电流的波形不一样，因而波形系数亦不相同，e角愈小，波形系数愈大。晶闸管电流的有效值、平均值 IV1AR与波形系数K1具有如下关系： I V1 = Kf1 I V1AR具有相同平均值而波形不同的电流，因波形不同，其有效值是不相同的。流经同一晶闸管发热情况也不相同，因为决定发热的因素是电流的有效值，管芯发热效应是和电流的有效值大小有关。因此，选择晶闸管额定电流参数的原则是：使电路各种实际运行

12、情况下（特别是最不利的情况）管芯的结温小于或等于额定结温。这样，就能保证晶闸管在实际运行工作时，不致于因电流过载而损坏。上述这一原则可归结为：使实际运行管子电流波形的有效值I vi,等于定义管子额定通态平均电流I vear时的电流有效值Ive ,即I V1 I VE KfeVEAR则晶闸管额定电流I VEAR1V1 V1Kfe 1571-10.晶闸管导通后，门极改加适当大小的反向电压，会发生什么情况？解：晶闸管承受正向阳极电压，并已导通的情况下，门极就失去了控制作用。因此，晶 闸管导通后，门极改加适当大小的反向电压，晶闸管将保持导通状态不变。1-11 .门极断路时，晶闸管承受正向阳极电压它会导

13、通吗？若真的导通，是什么情况？解：门极断路时，晶闸管承受正向阳极电压，有两种情况可造成晶闸管的非正常导通。一是阳极电压Ua过高，达到或超过Ig=O时的转折电压 UB0时，使漏电流急剧增加；二是 Ua的电压上升率 duA / dt太快。这两种因素造成的最终结果都是使从N1区通过反向偏置的J2结向P2区(门极区)注入了足够数量的漏电流(空穴流)，充当了二等效三极管电路中的基极电流IB2,它相当于从门极提供的Ig的作用，使其二等效三极管的a1、a 2极快上升至a 1+“2=1,即1-( “1 +2)-0 ,进而使阳极电流 I a大大增加，并只受外电路电阻的限制，晶闸管进入导通状态。这两种不加门极触发

14、控制信号使晶闸管从阻断状态转入导通状态的情况是非正常工作 状态，在实际使用中是不允许的，因为发生此类情况常造成器件的损坏。1-12 .晶闸管的一些派生器件的主要功能和特点是什么？解：晶闸管的一些派生器件的主要功能和特点如下：(1) .快速晶闸管快速晶闸管的开关时间短，动态特性比普通晶闸管好，快速晶闸管一般分为两种，一种是主要是关断时间短，另一种是di/dt是耐受量高。主要用于斩波与高频逆变电路。(2)。双向晶闸管双向晶闸管是一种五层结构的三端器件，具有四种触发方式，分别为I+、I -、出+、出=,其中I +、I -触发灵敏度较高，m _触发灵敏度稍低，较为常用，而出+触发灵敏度最低，一般不用，

15、使用不当会损坏晶闸管。 双向晶闸管主要用于交流电路，例如移相调压控制、零 电压开关和静态开关等。 由于其内部工艺结构关系，目前器件的额定电压和额定电流与普通晶闸管相比较还较低，重施加du/出的能力也较差。(3)。逆导晶闸管逆导晶闸管是将逆阻型晶闸管和大功率二极管集成在一个管芯上，与普通晶闸管相比，具有正向压降小、关断时间短、温度特性较好、额定结温高等优点。同时，消除了晶闸管与二极管之间的连线电感，减小了换流时间，使晶闸管承受反向偏压的时间增长，提高了换流能力。而且减少了装置的元件数目，缩小了体积，提高了经济性能。主要适用于逆变电路和斩波电路。(4).可关断晶闸管(GTO)可关断晶闸管GTO (

16、 Gate Turn-off Thyristor )既可用门极正脉冲信号控制其导通，又可用门极负脉冲信号控制其关断的逆阻型三端器件。与普通晶闸管相比，GTO快速性好，工作频率高，控制方便，其最高耐压容量目前稍逊于普通晶闸管。GT O与普通晶闸管的关断机理不同，有两个重要的特征参数需要特别注意，分别为最大可关断电流I AT。和电流关断增益§ off。其定义分别为最大可关断电流Iat。：表征用门极负脉冲控制信号可关断的最大阳极电流，它是用来 表征GTO容量大小的参数。电流关断增益3 off :电流关断增益的定义为阳极电流I a与使其关断所需的最小门极电流I Gmin的比值，即Iaoff

17、i 1 G min通常GTO的poff只有5左右，但是，GTO的导通或关断只需一个窄脉冲电流即可，它需要的是瞬时功率，尽管关断时需要较大的负门极电流，但平均功率较小。因此，GTO 的平均激励功率，比相同容量的大功率晶体管小。1-13 .何谓功率晶体管的开关特性？用图描述它的开关过程。功率晶体管的开关特性是描述功率晶体管在开关过程中的开关时间、电流电压、开关损耗等参数的性能。功率晶体管GTR的开关时间可用开通时间ton和关断时间toff来表示，即t on=t d+t r t off =t s+t f其中，td为延迟时间，tr为上升时间，ts为存值得时间，tf为下降时间。开关损耗发生在器件的开关过

18、程中，瞬态功率损耗为p=i Cjc维持的时间长了，就有可能导致管子产生二次击穿。总开关损耗与开关频率(开关次数)有关，开关频率愈高，总开关损耗愈大。各种参数的开关性能描述图参阅教材P1819 中的图 1-15 和图 1-16。1-14 描述功率晶体管的二次击穿特性？解： 二次击穿现象在发射结正偏压、 零偏压和反偏压都可能发生， 其特性曲线参阅 教材P19中的图1 17。现以零偏压曲线 OEBGHB说明二次击穿现象的发生过程。当 Uce增大到Usb,即达到E点 时，集电极电压达到通常所说的击穿电压，集电结发生雪崩击穿，这就是一次击穿。由于一次击穿效应，晶体管的电流迅速上升到B点， 达到I sb,

19、即达到了二次击穿触发 功率Psb,进入了二次击穿区。但并不立即产生二次击穿，而需要一个触发时间来积累触发 能量临界值，一旦达到这个临界值，管压突然从B点 Usb减小到G点的低电压区（1015V）, 同时电流急剧增大。如果没有适当的保护措施，电流将继续沿GH曲线增大到H点，造成管子的永久性损坏。 这种从高电压小电流向低电压大电流跃变的现象， 称为晶体管的二次击穿。二次击穿触发时间r,对于不同类型的二次击穿， 时间的长短相差很大， 短的几乎是瞬 时的，晶体管的状态不能稳定在BG区域内，而且G点是不可逆的， 即使电路的保护措施可使晶体管回到触发前的状态， 但二次击穿已在管子内部留下了损害伤痕， 性能

20、变坏， 重复 几次仍然使管子永久性失效。1- 5 为什么功率晶体管在开关瞬变过程中容易被击穿？可采取什么措施防止？解： 在电路开关转换瞬变过程中， 电路将产生过高的电压或电流， 有可能达到二次击穿触发功率PSB=ISB. USB,进而达到二次击穿临界触发能量ESB = PsBp = I S B U S B T ,产生二次击穿。采用错开关期间瞬变电流和电压最大值相位的缓冲吸收保护电路， 减小开关期间的瞬时 功率，是破坏二次击穿产生的条件，抑制二次击穿的有效措施。1-16 功率晶体管反偏安全工作区很大，如何应用？解： 在实际应用中， 功率晶体管基极回路采用足够的反向偏置电压， 或者在若关断 功率晶

21、体管时， 驱动电路产生负脉冲关断电压， 使晶闸管工作在反向偏置工作区， 来提高管 子的电压承受能力。1-17绝缘栅双极型功率晶体管（IGBT ）有何突出的优点？解：绝缘栅双极型功率晶体管（IGBT）是兼备功率场效应管 MOSFET的栅极电压激励、高速开关特性和 GTR的大电流低导通电阻特性于一体的复合型器件。1-18. MOS栅控晶闸管（MCT）有何突出的优点？解：MOS栅控晶闸管（MCT ）是将MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率与快速的开关 特性与晶闸管的高电压大电流特性结合在一起的新型复合器件。1-19.功率集成电路 PIC的基本结构组成如何？解：功率集成电路 PIC至少包含一个半导体功

22、率器件和一个独立功能电路的单片集成电路，PIC分为两大类：一类是高压集成电路 HVIC,它是高耐压功率电子器件与控制电路的单片集成；另一类是智能功率集成电路SPIC（Smart Power-IC）,它是功率电子开关器件与控制电路、保护电路、故障监测电路以及传感器等电路的多种功能电路的集成。第二章单相可控整流电路习题与思考题解2-1 .什么是整流？它是利用半导体二极管和晶闸管的哪些特性来实现的？解：整流电路是一种 AC/DC变换电路，即将交流电能变换为直流电能的电路，它是 利用半导体二极管的单向导电性和晶闸管是半控型器件的特性来实现的。2-2.某一电热装置（电阻性负载），要求直流平均电压为75V

23、,电流为20A,采用单相半波可控整流电路直接从 220V交流电网供电。计算晶闸管的控制角 a、导通角0、负载 电流有效值，并选择晶闸管。解：（1）整流输出平均电压Ud=（ 2 ,2U2sin .td（ 1）=六 2U2sin .td（ .t）i21 cos1 cos=U2 0.45U222cos a = 2U d 12 751 0.51520.45U 20.45 220控制角a =60°导通角0=兀-“=120°(2) .负载电流平均值Id=5-=20(A)R贝UR= Ud/Id= 75/20=3.75 Q负载电流有效值I,即为晶闸管电流有效值Ivi,所以_21 2U2U2

24、1I=lvi = J2sin t d t =sin 2= 37.6(A)2 RR 42(3) .当不考虑安全裕量时I V1 =kfeI VEAR =1.571 VEAR则晶闸管通态平均电流Ivear = Ivi /1.57=37.4 /1.57=23.9(A)晶闸管可能承受的最大正反向电压为,2U 2,2 220 311 (V)所以，可选择额定通态平均电流为30A、额定电压为400V的晶闸管。按裕量系数2,可选择额定通态平均电流为50A、额定电压为700V的晶闸管。2-3.带有续流二极管的单相半波可控整流电路，大电感负载保证电流连续。试证明输出整流电压平均值Ud、.2U 2 1 cos2,并画

25、出控制角为a时的输出整流电压Ud、晶闸管承受电压Uvi的波形。解:2U 2 sin1.td( .t) = 、2U2Sin .td( .t)=Fcos21 cos 0.45U 22控制角为a时的输出整流电压Ud、晶闸管承受电压 UV1的波形参阅教材 P31中的图2-3(b)、(c)、(d)和(h)。2-4.将单相半波可控整流电路中电阻负载和电感性负载的工作原理作个比较，找出差别，并画出电阻负载输出电压Ud、电流id和晶闸管电压UV1波形；写出Ud、Id计算公式。解：电阻性负载电路输出电流id与输出电压ud相位相同，波形相似。晶闸管导通区间从“至兀，导通角。=兀一a。Ud波形从“至变压器二次电压正

26、变负的过零点。电感性负载电路由于电感的储能作用，输出电流id与输出电压Ud相位不相同，电流id滞后于电压Udo而且，电流id不能随电压Ud突变。晶闸管导通区间从 a开始并超过兀过零点，导通角 e兀 波形从a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0的大小,与负载电感值L有关，L越大，储能越多，e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U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 P27中的图2-1。电阻负载Ud、Id计算公式如下:(1)整流输出平均

27、电压2U 2 sin .td( .t)1 21Ud=2U2 sin .td( .t) = -2 2,2=51 cos21 cos 0.45U22(2) .负载电流平均值Id="R2-5 .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

28、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a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a至兀，导通角0 = Tt a o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ivi、续流二极管电流iv2近似为正向矩形波,导通角分别为。=兀-00和。=兀+ 00。输出电压Ud和电流id、晶闸管电压uvi和电流ivi、续流二极管电压教材P31中的图2-3。带续流二极管时Ud、id、ivi、iV

29、2的平均值和有效值计算公式如下:(1)输出电压的平均值 Ud为1 cos Ud=0.45U22(2)输出电压的有效值值U为Uv2和电流iv2波形参阅(3 )IdUdR(4)2U2Sin t 2d输出电流的平均值输出电流的有效值值(5)晶闸管的平均电流t =U2一 sin 2Id为IviAR 为i , IviAR = I d d .t I d22(6)晶闸管电流的有效值Ivi为iIv1二 一,2Id2d( t).Id2(7)续流二极管的平均电流IV2AR 为iI V2AR =20 Idd .t 丁Id(8)时，U=80v, Id=7A。计续流二极管电流的有效值 Iv2为2-6.有一单相桥式全控整

30、流电路，负载为电阻性，要求 a =30。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=Ud/R,贝U R=Ud/Id=80/70=1.14QUd=0.9U2X (1+cosa )/2U 2=95V2U2sin t d2 Rt = URTV2sin 2= 82.12 (A)I V12-7.单相全控桥式整流电路接大电感负载，已知U2=100V , R=10Q, a =45°。58 (A)IvEAR=Ivi/kfe =58/1.5737 (A)考虑裕量系数2,X 37= 74(A)2 . 2U 22 .2 95 268.7 (V)选额定电流100A、额定电压300V的

31、晶闸管。(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。电流平均值及晶闸管、续流二级管(2)负载端接续流二极管 V4,计算输出整流电压、电流有效值。画出Ud、id、Mii、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22 2U d 2U 2 sin .t d .t U 2 cos2 00.9U 2 cos=0.9 X 100 X 0.707 63.7(V)输出直流电流平均值为IdUd-6.37 (A)R晶闸管电流的有效值为I V12121Idd .t =-= Id-4.5(A)2（2）负载端接续流二极管V4时输出电

32、压平均值Ud .2U2 sin .td .t 0.9U 2 1 cos0.9 100 0.854 76.8(V)22输出直流电流平均值为Id %7.68 (A)R晶闸管与整流二极管电流的有效值IV1、IV2为4.70 (A)续流二极管电流的有效值 IV4为457.68 3.84 (A)变压器二次电流的有效值I2为Id21dd.t:1d2Ivi 2 4.70 6.65 (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P 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 。100V连续可调，30V以上时要求负载电流能达到20A。当（1

33、）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OCmin=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1 cosU d0.9U d2当输出平均电压 Ud为100V时cos2Ud0.9U22 1000.01010.9 220min 90当输出平均电压U为30V时cos2Ud 10.9U22 3010.9 2200.6970max 134导通角Q = K-a ,所以晶闸管导通角0 =90°46° 。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a

34、max时，计算晶闸管电流有效值和变压器二次电流有效值。I d=20A,则晶闸管平均电流I V1A产I d/2=10A当 “ =134。=134 兀 / 180=0.7444 兀时波形系数为f1. sin 22(),2 (1 cos )3.22晶闸管电流的有效值为Ivi Kf1IV1AR 3.22 1032.2 (A)交流侧电流的有效值为I2及1Vl45.5 (A)交流电源容量为S2 I2U245.5 220 10010VA 10.01KVA2)采用变压器降压供电时1 Ud=0.9 U2-cos2当0C min=30 时，输出电压为100V,则变压器二次电压为2Ud0.91 cos2 1000.

35、91 cos30119 (V)当Ud=30V时的最大控制角 a max为2Ud2 30119cos max 1 1 0.43980.9U 20.9“max= 116°晶闸管导通角e = Tt- a，则 0 = 150° 64°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a max时，计算晶闸管电流有效值和变压器二次电流有效值。I d=20A,则晶闸管平均电流I V1A产I d/2=10A当 a =116° =116兀 / 180=0.6444 兀时波形系数为.sin 22 (K f1,2 (1 cos)2.69晶闸管电流的有效值I

36、V1Kf1Iv1AR 2,6910 26.9 (A)U2-U-0.9 1 cos2 800.91 cos3095.3(v)变压器二次电流的有效值T2IV1 38.0 (A)变压器二次容量S2I2U238.0 119 4522VA 4.52KVA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a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a

37、min = 30°。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。U2解：1、在最小控制角 a min和最大整流输出电压时，计算变压器二次电压2、在最小整流输出电压时计算出最大控制角当U=20V时的最大控制角 a max为2Ucos2 200.9U0.9 95.30.5336a ma)=122°3、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I 2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

38、行。晶闸管与整流二极管电流的平均值I V!AR、I V2A内有效值I VI、I V2其最大值出现在"min=30。时，所以V1AR V2ARV1 V215036020 8.3 A150；36020 12.9 A续流二极管电流的平均值IV4AR与有效值IV4其最大值出现在a max=122°时，所以,122_ 八,IV4AR Id20 13.6 A1801V4 富 20 16.5A变压器二次电流的有效值I 2其最大值出现在"min=30。时，所以I2. 21Id2 Id 2d .t Id 2Ivi 18.2A则变压器二次容量S2I2U 218.2 95.3 1734

39、.5VA 1.7KVA2-10.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22.2U d 2U 2 sin .t d .t U 2 cos 0.9U 2 cos2 0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1 cosU d 0.9U d2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Ud1 c

40、os0.9Ud22-11 .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a时，电阻性负载时，晶闸管的导通角0 = - a。而反电动势式负载时，当a小于不导电角8时，。=兀-2 8；当a大于不导电角8时，晶闸管的导通角0 = - a - 8。所以，反电动势负载时的波形系数K1大于电阻性负载时的波形系数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

41、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

42、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0 =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0=180° ,波形与大电感负载时相同，输出电压Ud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

43、)上的电压脉动很小，负载电流i d 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ivi和变压器二次电流i2波形如教材P37中的图2-6(d)、(h)所示。晶闸管导电角为 0=汽， 对应桥臂

44、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a>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0 =n-a。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0=汽，但图

45、2-8 (f)和图2-8 (i)波形上有斜线的部分对应的a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 a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n-a的矩形波，在a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，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a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a =60°

46、;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。a =90°时，可参照上述波形，将控制角a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a >30。时，Ud波形断续，每相晶闸管导电期间为a至本相的正变负过零点，故有晶闸管导通角为0 = Tt - a -30整流输出电压平均值3Ud 2U 2 sin .td .t26U 2 1 cos 一260.675U2 1 cos 6当 a =60° 时，0 =90° , U

47、d=0.675 U。当 a =90° 时，0 =60° , Ud=0.675 U21-0.5=0.3375 U2。(2)大电感负载a =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。a =90°时，可参照上述波形，将控制角a移至90°处开始即可，但晶闸管导通角仍为0 = 120° 。由于大电感负载电流连续，则晶闸管导通角为0 = 120°整流输出平均电压为Ud.2U 2 sin .td.t %U2cos21.17U2 cos当 a =60

48、76; 时，=120° ,Ud=1.17 U2cos60° =0.585U2。当 a =90° 时，0 =120° ,Ud=1.17 Ucos90° =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=11.7Qo计算a=60。时负载电流id、晶闸管电流ivi、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Ud 1.17U 2 cos 1.17 220 0.5 128.7 (V)负载电流平均值为Ud128.711.711(A)负载电流

49、有效值为. Ud 128.7I Id - 11 (A)R 11.7晶闸管电流的平均值1V1AR为,1 ,1 一一I V1AR- I d- 113.7(A)33晶闸管电流的有效值为116.35(A)3.7(A)11 6.35(A)变压器二次电流平均值为11I 2AR I V1 AR Id 1133变压器二次电流有效值为11I 2 I V1 _T d-, 33三相半波可控整流电路可能出现的最大正向阻断电压为uFM .6U2.6 220 538.9 (V)当a =60°时的实际正向阻断电压为.3u 6U 2 sin 60,6 220 466.8(V)F2(2)电阻性负载由于a >30

50、。时，Ud波形断续，每相晶闸管导电期间为a至本相的正变负过零点，故有整流输出电压平均值3.Ud 一2U2sin .td26.t3、2J”cos 一60.675U2 1 cos 6148.6(V)负载电流平均值为, Ud 148.6Id 12.7(A)R 11.72U2sin t 2dtU2负载电流有效值为121 sin 22 16.3(A)晶闸管电流的平均值I V1AR 为,1 ,1 _Iaivr Id 12.733晶闸管电流的有效值为4.2(A)I V12U2sin t 2 , dU21 . 2-sin 21,八“八-3 I =9.4(A)变压器二次电流平均值为11I 2 AR I A1VR

51、 二 Id 二 12.7 4.2(A) 33变压器二次电流有效值为I2 Ivi 9.4(A)由于a >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uFM , 2U 2、.2 220 311 (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 amin=30。，估算此时整流变压器的次级容量与,并与a =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“W 30° ,整流输出平均电压U d 1.17U 2 cosU21.17 c

52、os.当 a = a min=30° 时，U2Ud2201.17 cos1.17 0.866217.1(V)UdId2204000.55(a)Ud变压器二次相电流有效值为I 2 I V121：62U2 sin t 2 , dU21 2R 233 cos22217.1 0.6342 250.3(A)0.55则 S2=3U2I2=3X 217.1 X 250.3=163020.4(VA) =163(KVA)(2) .当 a = 0° 时,201.170.55Ud1.17 cos0.68642201.17I 202U 2 sin t 2 , dR234.6 (A)188 (V)U

53、212R I 23贝U S20=3U20I20=3X 188 X 234.6=132314.4(VA)132.3(KVA)从上可见，S2>S20O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I V1=I 2=250.3A当不考虑安全裕量时 I vea=I vi/1.57=250.3 / 1.57=159.4(A)晶闸管承受的最高电压峰值为.6U2.6 217.1 531.8(v)按裕量系数22X 159.4=318.8(A)2 X 531.8=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 1将继续导通至该相相电压