电力电子技术习题解答

电力电子技术

习题解答

教材：《电力电子技术》，尹常永田卫华主编

第一章电力电子器件

1-1晶闸管导通的条件是什么？导通后流过晶闸管的电流由哪些因素决定？

答：当晶闸管承受正向电压且在门极有触发电流时晶闸管才能导通；导通后流过晶闸

管的电流由电源和负载决定；

1-2维持晶闸管导通的条件是什么？怎样使晶闸管由导通变为关断？

答：晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极出发信号是否还存在，晶闸管

都保持导通，只需保持阳极电流在维持电流以上；但若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，则晶闸管关断。

1-3型号为KP100-3,维持电流IH=4mA晶闸管使用在图1-32的各电路中是否合理,为

什么？(暂不考虑电压、电流裕量)

100Vc

TI_____2mAAIT

答：(a)因为A50k-H,所以不合理。

I4”20

A

(b)因为A1(),KP100的电流额定值为100A,裕量达5倍，

太大了，所以不合理。

150V

IT———150A

(c)因为A1,小于额定电流有效值1.57100=157A,晶闸管承

受的电压150V,小于晶闸管的而定电压300V,在不考虑电流、电压裕量的前提下，

可以正常工作，所以合理。

1-4晶闸管阻断时，其承受的电压大小决定于什么？

答：晶闸管阻断时，其可能承受的电压大小决定于制造工艺，也就是取决于基板的厚

度、基板宽度、电击所掺的杂质的量大小。

8407U

1-5某元件测得UDRM,RRM980V,试确定此元件的额定电压是多少，属

于哪个电压等级？

答：根据将UDRM和URRM中的较小值按百位取整后作为该晶闸管的额定值，将两者较

小的840V按教材表取整得800V,该晶闸管的额定电压为8级(800V)。

1-6图1-10中的阴影部分表示流过晶闸管的电流的波形，各波形的峰值均为Im,试

计算各波形的平均值与有效值各为多少？若晶闸管的额定通态平均电流为100A,问

晶闸管在这些波形情况下允许流过的平均电流I"为多少？

答：

1Ir-,----------------------------I

I-XIsintd(t)ix(Isint>d(t)f-

d20，丫20m2

m

K2__1.57

T-II1.57100A157A

d，dt

1-7有些晶闸管触发导通后，触发脉冲结束时它又关断是什么原因？

答：晶闸管的阳极加正向电压，门极加正向触发脉冲时，晶闸管被触发导通。此后阳

极电流逐渐上升到擎住电流后，去掉触发脉冲，则管子继续导通，直到电流升到负载

电流后，进入正常工作状态。如果阳极电流还没有升到擎住电流值就去掉门极脉冲，

则晶闸管就不能继续导通而关断。

1-8单向正弦交流电源，其电压有效值为220V,晶闸管和电阻串联相接，试计算晶闸

管实际承受的正、反向电压最大值是多少？考虑晶闸管的安全裕量，其额定电压如何

选取？

答：晶闸管所承受的正、反向电压最大值为输入正弦交流电源电压的峰

值：7222031L13V,取晶闸管的安全裕量为2,则晶闸管额定电压不低于

2311.13V622V。

1-9为什么要考虑断态电压上升率du/dt和通态电流上升率di/dt?

答：限制元件正向电压上升率的原因是：在正向阻断状态下，反偏的J2结相当于一

个结电容，如果阳极电压突然增大，便会有一充电电流流过J2结，相当于有触发电

流。若du/dt过大，即充电电流过大，就会造成晶闸管的误导通。如果电流上升太快,

则晶闸管刚一导通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，造成J2结局部

过热而出现“烧焦点”，从而使元件损坏。

1-10何谓单极型和双极型器件？

答：双极型器件是指器件内部参与导电的是电子和空穴两种截流子的半导体器件。单

极型器件是指器件内只有一种载流子即多数载流子参与导电的半导体器件。

1-11双向晶闸管有哪几种触发方式？常用的是哪几种？

答：1+触发方式：T1极为正，T2极为负；门极为正，T2极为负。I-触发方式：T1

极为正，T2极为负；门极为负，T2极为正。I-触发方式：T1极为正，T2极为负；

门极为负，T2极为正UI瑜蜷方式：T1极为负T2极为正；门极为负，T2极为正。触发

方式常选(I+.III-)或(I-、III-)。

1-12试说明GTR、MOSFET、IGBT和GTO各自优点和缺点。

答：IGBT开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，

输入阻抗高，为电压驱动，3仅动功率小，开关速度低于电力MOSFET,电压、电流

容量不及GTO。

GTR耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，

为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题

GTO电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强，

电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路

复杂，开关频率低。

MOSFET开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单,

工作频率高，不存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不

超过10kW的电力电子装置。

1-13GTO和普通晶闸管同为PNPN结构，为什么GTO能够自关断，而普通晶闸管不能？

答：GTO和普通晶阐管同为PNPN结构，由PlN1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2,

分别具有共基极电流增益1和2,由普通晶阐管的分析可得，1+2=1是器件临

界导通的条件。1+2>1两个等效晶体管过饱和而导通；1+2<1不能维持饱和导

通而关断。GTO之所以能够自行关断，，而普通晶闸管不能，是因为GTO与普通晶闸

管在设计和工艺方面有以下几点不同：DGTO在设计时2较大，这样晶体管V2控

制灵敏，易于GTO关断；2)GTO导通时1+2更接近于1,普通晶闸管

1+21.5,而GT。则为1+21.5,GTO的饱和程度不深，接近于临界饱和，这

样为门极控制关断提供了有利条件；3)多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小，

门极和阴极间的距离大为缩短，使得P2极区所谓的横向电阻很小，从而使从门极抽

出较大的电流成为可能。

1-14某一双向晶闸管的额定电流为200A,问它可以代替两只反并联的额定电流为多

少的普通型晶闸管？

答：100A。

第二章电力电子器件的辅助电路

2-1说明典型电力电子器件晶闸管、GTO、GTR、电力MOSFET和IGBT的对触发

信号有哪些要求。

答：晶闸管：(1)触发信号通常采用脉冲信号，这样可以减小门极损耗。

0触发脉冲要有足够的触发功率。触发脉冲电压、电流要在晶闸管门极特性

的可靠触发区域内，并留有一定的裕量。

0触发脉冲要有一定的宽度和陡度。触发脉冲宽度要保证触发后的阳极电流能

上升到擎住电流以上，一般和负载性质及主电路形式有关。触发脉冲前沿陡度大于

10V/gsgJ6800mA/gso

GTO:⑴导通触发，GTO触发导通要求门极电流脉冲应前沿陡、宽度大、幅度

高、后沿缓。一般要求前沿di/dE5A/g脉冲幅度为额定直流触发电流I的5~10

Gg

倍，脉宽为10〜60r。在GTO导通期间，触发信号一直保持。

⑵关断触发，对门极关断脉冲波形的要求是前沿较陡、宽度足够、幅度较高、

后沿平缓。一般建议di/dt取10〜50A/pis。门极关断负电压脉冲宽度应330尔，以

G

保证可靠关断。关断电流脉冲幅度应大于(1/5-1/3I。关断电压脉冲的后沿应尽

ATO

量平缓，否则，若坡度太陡，由于结电容效应，可能产生正向门极电流，使GT。导

通。

GTR:⑴控制GTR开通时，3区动电流前沿要陡，并有一定的过冲电流(I),

bl

以缩短开通时间，减小开通损耗。

⑵GTR导通后，应相应减小3仅动电流(I),使器件处于临界饱和状态，以降

b2

低驱动功率，缩短储存时间。

⑶GTR关断时，应提供足够大的反向基极电流(I),迅速抽取基区的剩余载

b3

流子，以缩短关断时间，减少关断损耗。

电力MOSFET:⑴触发脉冲的前后沿要陡。

⑵触发脉冲电压幅值应高于电力MOSFET的开启电压UGs,thJ以保证其可靠开

通，但应小于其栅源极击穿电压U4…(通常为±20V)。

(I3R)OS

⑶为了防止电力MOSFET截止时误导通，应在其截止时提供负的栅源电压，该

电压还应小于U(BR)GSo

IGBT:⑴保证栅极控制电压UGE的前后沿足够陡峭，减少IGBT的开关损耗。

栅极驱动源的功率也应足够，以使IGBT的开、关可靠，并避免在开通期间因退饱和

而损坏。

⑵要提供大小适当的正反向驱动电压Uo一般选U为12~15V。负向偏压

GEGE

（-U）,一般取-5—10V。

GE

2-2说明GT。门极驱动电路包括哪几部分？

答：GTO门极驱动电路包括开通电路、关断电路和反偏电路。

2-3分析教材中图2-8GTR基极驱动电路的工作原理，分析图中二极管VD的作用。

2

答：图2-8电路的工作原理如下

当输入的控制信号u为高电平时，晶体管V、光耦合器B及晶体管V均导通，

i]2

而晶体管V截止，V和V导通，V截上V的发射极电流流经R、VD,驱动GTR,

3456553

使其导通，同时给电容c充上左正右负的电压。C的充电电压值由电源电压U及

22CC

R、R的比值决定。

45

当u为低电平时，V、B及V均截止，V导通，V与V截止，V导通。C通

i1234562

过V、GTR的e、b、VD放电，使GTR迅速截止。之后，C经V、V、VD、VD

6426754

继续放电，使GTR的b、e结承受反偏电压，保证其可靠截止。电路中，C为加速电

2

容。在v刚刚导通时，电源U通过R、V、C、VD驱动GTR,R被C短路，

5CC452352

这样，就能实现驱动电流的过冲，目使驱动电流的前沿更陡，从而加速GTR的开通。

VD（称箝位二极管）、VD（称电位补偿二极管）和GTR构成了抗饱和电路，

23

可使GTR导通时处于临界饱和状态。当GTR因过饱和而造成集电极电位低于基极电

位时，箝位二极管VD就会导通，将基极电流分流，从而减小GTR的饱和深度，维

2

持U之0。而当负载加重I增加时，集电极电位升高，原来由VD旁路的电流又会

beC2

自动回到基极，确保GTR不会退出饱和。

2-4分析教材中图2-12IGBT栅极驱动电路EXB841的工作原理，分析图中二极管VD2

的作用。

答：图2-12电路的工作原理如下：

（1）IGBT的开通当14与15两脚间有开通信号时，光耦合器B导通，图中A点电

位下降使VpV2截止。V?截止导致B点电位升高，导通，V5截止。EXB841通过V

4和栅极电阻RG向IGBT提供电流使之迅速导通。

⑵IGBT的关断当14与15两脚间为关断信号时，B截止，V?导通，使B

点电位下降，V,截止，V5导通。IGBT栅极电荷经V5迅速放电，使3脚电位降至0V,比1

脚电位低5V。因而UGS=-5V,此反偏电压可使IGBT可靠关断。

⑶过电流保护保护信号采自IGBT的集射极压降UCE。当IGBT正常导通时，U

CF较小，隔离二极管VD,导通，稳压管丫6不被击穿，匕截止，C,被充电，使E点

电位为电源电压值（20V）并保持不变。如此时发生过流或短路，IGBT因承受大电

流而退饱和，导致UCE上升，VD2截止，C点和F点电位上升，丫6被击穿使V3导通，

经R7和V3放电，E点及B点电位逐渐下降，V,截止，V5导通，使IGBT被慢慢

关断从而得到保护。与此同时，5脚输出低电平，将过电流保护信号送出。

2-5说明电力电子器件缓冲电路的作用是什么？比较晶闸管与其它全控型器件缓冲电

路的区别，说明原因。

答：缓冲电路的主要作用是：

⑴减少开关过程应力，即抑制du/dt,di/dt；

⑵改变器件的开关轨迹，使器件工作于安全工作区内，避免过电压、过电流损

坏；

⑶减少器件的开关损耗。

晶闸管为了限制di/cU往往在主电路中串接进线电感或桥臂电感。对关断过电压

du/dt的抑制，一般在晶闸管的两端并联RC网络。晶闸管一般在较低的开关频率下

工作。因此，与全控型器件相比，其缓冲电路要简单的多。

2-6说明常用电力电子器件晶闸管、GTO、GTR、电力MOSFET和IGBT采用哪种

过压保护措施？采用哪种过流保护措施。

答：半控型器件晶闸管：过电压保护一般采用阻容吸收电路或具有稳压特性的非线性电

阻器件（如硒堆、压敏电阻）来抑制过电压。

过电流保护，⑴快速熔断器保护，⑵直流快速断路器保护，⑶进线电抗限制

保护，⑷电子保护。

全控型器件：过电压保护，器件开关过程中产生的过电压，一般使用缓冲电路来

抑制，其它方面的过电压保护，一般采用阻容吸收电路或具有稳压特性的非线性电阻器

件（如硒堆、压敏电阻）来抑制过电压。

过电流保护，以电子保护为主，电器保护为后备保护。

2-7分析GTO的过电流保护方法与其它电力电子器件相比有什么不同？为什么？

答：GTO的过电流保护，对于中小容量的GT。，当出现故障电流时，可以靠其自

关断能力，通过驱动电路发出关断脉冲信号关闭GT。，切断过电流。

对于大容量的GTO,采取使GTO全开通，再用快熔或其他开关电器保护的方法。

图2-27为该方法的工作原理，其保护过程为，短路过电流-电抗器限流一VT分流一

GTO全开通-快速熔断器断流或断路器跳闸。由于VT的分流作用，该方法又称撬

杠保护法。

原因：GTO正偏时，与晶闸管特性相同，反偏时，有最大可关断阳极电流限制。

超过此电流时关断，会因电流局部集中而烧坏器件或根本无法关断。

大容量的GTO期灌复可关断电流比中小容量的小，因此中大容量设备中GTO

过电流保护不能采用门极脉冲强迫关断的方法。

2-8分析图2-12和图2-25所示电路的工作原理，说明这两种IGBT驱动电路的过流保

护方法有何异同。

答：相同点：这两种电路都是采用将IGBT的栅极电荷迅速泄放的方法，使IGBT关

断。

不同点：图2-12保护信号采自IGBT的集射极压降UCE。图2-25为检测发射极

电流过流的保护电路。

2-9阐述电力电子器件在串联、并联使用中应注意哪些问题？以晶闸管为例，说明这

些问题可能会带来什么损害？为避免这些情况的出现常采用哪些措施。

答：电力电子器件串、并联使用时，首先应选用参数和特性尽量一致的器件，还要采

用一定的均压、均流措施。

以晶闸管为例，理想的串联希望各器件承受的电压相等。串联工作时，当晶闸管在

阻断状态，由于各器件特性的分散性，而在电路中却流过相等的漏电流，因此，各器件

所承受的电压是不同的，内阻大的器件承受的电压大，内阻小的器件承受的电压小，

如不采取措施，可能会使承受电压高的器件先被击穿，而导致其它的串联器件都被击穿。

所以，在串联时，要采用均压措施，晶闸管的均压措施是在器件两端并联电阻和电阻电

容器件。

并联时，由于并联的各个晶管在导通状态时的伏安特性的差异，但各并联器件却有

相等的电压，因而通过并联器件的电流是不等的，低阻抗的器件，通过的电流会大些，

如不采取措施，可能会使通过电流大的器件先烧毁，而导致其它器件被烧毁。所

以，在并联时，要采用均流措施，晶闸管的均流措施是串联电阻和串联电感等均流措施。

2-10说明IGBT在并联使用中的注意事项有哪些。

答：IGBT并联时的应注意以下问题：

①当需要并联使用时，使用同一等级Uces的模块。

②并联时各IGBT之间的I不平衡率小于等于18%0

C

③并联时各IGBT的开启电压应一致，如开启电压不同，则会产生产重的电流分

配不均匀。

此外，也要注意并联时的接线要求。串联栅极电阻R,在各模块的栅极上分别接

G

上各模块推荐值的R,并可能使R值误差要小。由驱动电路到栅极的配线长短及引

GG

线电感要相等，主电源到各模块之间的接线长短要均等，引线的电感要相等。控制回

路应使用双芯线或屏蔽线，抵抗干扰信号。主电路需采用低电感接线。使接线尽量靠

近各模块的引出端，使用铜排，尽可能降低接线的电感量。

2-11说明电力电子器件的散热方式、散热器的形式、各有哪些特点。

答：常用的散热方式有传导、对流及辐射三种。

散热器通常由导热性能好的材料（铝或铜）制成。散热器有叉指型散热器、平板

散热器和型材散热器等。常用的散热方式有自冷、风冷、液冷和沸腾冷却4种。

自然对流冷却（自冷）是由空气的自然对流及辐射作用将热量带走的散热方式，

结构简单，噪声少，维护方便；但散热效率低。

风冷是采用强迫通风加强对流的散热方式，风速一般2-6m/s,散热效率一般为

自冷方式的2—4倍。装置结构相对复杂，噪声大。

水冷是通过用流水或流动的变压器油对发热器件进行冷却。散热效率极高，其对

流换热系数可达空气自然散热系数的150倍以上，噪声小，但维护量大，设备复杂，

投资高，对水质有一定的要求。

沸腾冷却是利用液体蒸发吸热原理来进行冷却的一种散热方式，目前多采用水

为工作媒质。密封在特制的具有毛细管结构铜管内。电力电子器件发出的热量传给水，水

吸热后汽化为蒸汽，迅速扩散至整个铜管，铜管外部为散热片，蒸汽由管壳经散热片散

热后冷却成水，依靠重力作用回流至吸热面。由于液体汽化时吸收大量的热，所以沸腾

冷却的热容量大，冷却效率高，结构简单，噪声小，但造价高。

2-12说明电力电子器件散热设计的步骤有哪些。

答：电力电子器件的散热设计按以下步骤进行

①计算器件的耗散功率

②选择合适散热器及散热方式，并对器件散热时热阻进行计算和核定

③器件结温计算

如果器件结温计算结果不能满足要求，则要求重新进行第二步，重新选择散热

器及散热方式，核定总热阻后，再进行结温计算，直到满足要求为止。

第三章AC-DC变换技术

3-1带电容滤波的单相桥式不可控整流电路，若考虑电源电感的影响，则流经电力二

极管的电流与不考虑电源电感时有何不同？

答：不考虑电源电感时流经电力二极管的电流平均值为输出电流平均值的一半，考虑

电源电感的影响电流的上升段平缓了许多，这对于电路的工作是有益的。

3-2三相桥式不可控整流电路任何瞬间均有两个电力二极管导通，整流电压的瞬时值

与三相交流相电压、线电压瞬时值有什么关系？

答：共阴连接的三个二极管中，三相交流相电压瞬时值最正的那一相自然导通，把最

正的相电压接到负载的一端；共阳连接的三个二极管中，三相交流相电压瞬时值最负

的那一相自然导通，把最负的相电压接到负载的另一端。因此，任何时刻负载得到的

整流电压瞬时值是线电压的最大瞬时值。

3-3某单相相控整流电路给电阻性负载供电和给反电动势负载蓄电池充电，在流过负

载电流平均值相同的条件下，哪一种负载的晶闸管额定电流应选大一点?为什么？

答：给反电动势负载蓄电器充电时选择的晶闸管额定电流要稍大一些，因为反电势负

载在晶闸管被截止时会由负载向晶闸管反充电，造成晶闸管被击穿，因此除了选则额

定电流稍大一些以外还要在晶闸管的两端反向并联续流二极管，消除反向电流对晶闸

管的冲击。电阻性负载不会产生反向电势，晶闸管截止后整流输出为零，不会有反向

的电势输出伤害晶闸管。

3-4单相桥式相控整流电路，U=100V,①电感性负载，其中R=2Q,②反电动势负载，

2

平波电抗器足够大，反电动势E=60V,R=2QO当/6时，要求：

0作出）、id和i2的波形；

0求直编输电电击U、电流I、变压器二次侧电流有效值I;

dd2

0选择合适的晶闸管。

解：①电感性负载

0直流输出电压U、电流I,变压器二次侧电流有效值I分别为

dd2

U=0.9UC0&=O91OOxco077.97(V)

d2

I=U/R=77.97/2=38.99(A)

dd

1=1=38.99(A)

2d

0晶闸管承受的最大反向电压为：

J2U2=100^/2=141.4(V)

考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：

U=(2~3)x141.4=283-424(V)

N

具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。

流过晶闸管的电流有效值为：

【不乙四=2757(A)

晶闸管的额定电流为：

1=(1.5-2)X27.574.57=26-35(A)

N

具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。

②反电动势负载

©41和i,的波形如下图：

ad2

0直流输出电压u、电流I,变压器二次侧电流有效值I分别为

d<12

4=0.91；,cost=0.9<100xco^6=77.97(A)

I=(U-E)R=(77.97-60)/2=9(A)

dd

I=I=9(A)

2d

0晶闸管承受的最大反向电压为：

/U,=100/=141.4(V)

流过每个晶闸管的电流的有效值为：

【vVd艰=636(A)

故晶闸管的额定电压为：

U=(2-3)x141.4=283-424(V)

N

晶闸管的额定电流为：

I=(1.5~2X6.3M.57=6~8(A)

N

晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。

3-5某电阻负载要求0—24V直流电压，最大负载电流I=30A,如果用220V交流直

d

接供电与用变压器降压到60V供电，都采用单相半波可控整流电路，是否都满足要

求?试比较两种供电方案。

解：采用由220V交流直接供电当0。时：

U%=0.45U,=0.45x220=99(V)

由变压器降压到60V供电当0。时：

Ud=0.45U2=0.45x60=27(V)

因此，只要调节都可以满足输出0~24V直流电压要求。

(1)采用由220V交流直接供电时：

u0.45UJ7

u24V时,121o18Oo121o59o

9

U311V

T2

Ii82

I_2__isintd(t)84A

T12°R

U24

R—一0.8

I30

d

I84

I一——,54

T(AV)A1.571.57

取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为622V和108A。电

源提供有功功率

PI2R842().85644.8W

电源提供视在功率

SUI8422018.58kVA

22

电源侧功率因数

p

——0.305

S

(2)采用变压器降压到60V供电:

八1cos

U0.45U--------

d22

U24V时，39o18Oo39o141o

UJI84.4V

T2

二U2

I,__rsintd(Q51.38A

TPoR

U24

R—L___0.8

I30

d

51.38

IT---------32.7A

T(AV)1.571.57

取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为168.8V和65.4A。电

源提供有功功率

PI2R51382()82112W

电源提供视在功率

SUI6051.383.08kVA

22

电源侧功率因数

P

--0.68

S

通过以上计算可以看出，增加了变压器后，使整流电路的控制角减小，所选晶闸管

的额定电压和额定电流都减小，而且对电源容量的要求减小，功率因数提高。所以，采用

整流变压器降压的方案更合理。

3-6在相控整流电路的负载为纯电阻情况下，电阻上的平均电流与平均电压的乘积是

否等于负载功率?为什么？

答：相控整流电路带电阻性负载时，电阻上的平均电流为I与平均电压为U负载电

dd,

阻上的平均功率P=UJ不等于负载有功功率P=UI。因为负载上的电压、电流是非

ddd

正弦波，除了直流U与I外还有谐波分量u,U…和I,I...,负载上有功功率为

dd1212

JP；P2P2P」UI相控整流电路带大电感负载时，虽然存在谐波，

但电流是恒定的直流，故负载电阻R上的U与I的乘积等于负载有功功率。

ddd

3-7在相控整流电路带电感性负载的情况下，负载电阻上的电流平均值与电压平均值

的乘积是否等于负载功率?为什么？

答：相控整流电路带大电感负载时，虽然U存在谐波，但电流是恒定的直流，故负

d

载电阻Rd上的U与1的乘积等于负载有功功率。

dd

3-8三相半波可控整流电路带电动机负载，为保证电流连续串入了足够大的平波电抗

器，再与续流二极管并联，变压器二次侧相电压有效值为220V,电动机负载为40A,

电枢回路总电阻为0.2。求当60时，流过晶闸管及续流管的电流平均值、有效

值以及电动机的反电动势各为多少？并画出输出电压u、电流及晶闸管和续流管的

dd

电流4i波形。

D

R

解：（1）不接续流二极管时

因为是大电感负载故有

UL17Ucos1.17220cos45181.98V

d2

u181.98

Icl_______18.2A

dR-10

u0.675U1COK(_6)0.6752201cos(3045)186.9V

d

U186.9

I18.69A

R10

d

输出电压u、电流i的波形

dd

U一〜

卜NKMTx口

0

、-修'fI、、-小、-';〜一，不、«._•心、~一

0

3-9三相半波可控整流电路带电动机负载，为保证电流连续串入了足够大的平波电抗

器，再与续流二极管并联，变压器二次侧相电压有效值为220V,电动机负载为40A,

电枢回路总电阻为0.2Q求当60时，流过晶闸管及续流管的电流平均值、有效

值以及电动机的反电动势各为多少？并画出输出电压u、电流i及晶闸管和续流管的

dd

电流i波形。

D

R

解：整流输出平均电压

U0.675U1cos()0.6752201cos()148.5V

d266

整流输出平均电流

I40A

d

电动机的反电动势

EUIR148.54002140.5

ddd

流过晶闸管的电流平均值

I-2.____I10A

“360d

流过晶闸管的电流有效值

I_______I20A

T\360d

流过续流管的电流平均值

30

I----------110A

dD120<1

流过续流管的电流有效值

I30"

I20A

D\120d

3-10三相桥式全控整流电路带大电感性负载，U100V,R=10Q,求45时，

2日

输出电压电流U、I以及变压器二次侧电流有效值I,流过晶闸管的电流有效值I。

dd2VT

解：输出电压U、、I和I分别如下

ddT

VT

U=2.34Jcos=2.34KlOOxcos^=165.4(V)

d2

输出电流I

d

中U/R=165.410=16.5(A)

变压器二次侧电流有效值I

2

片廊1；7^x16.5=13.5(A)

流过晶闸管的电流有效值I

VT

/4=162的=9.52(A)

3-11三相半波可控整流电路带反电动势负载，为保证电流连续串接了电感量足够大的

电抗器，u100V,R1,LImH,E50V,求30时的输出电压U、

2dTd

电流Id以及换相重叠角。

解：考虑L时，有：

T

U=1.17Ucosa-AU

d2d

△Ud=3XB降兀

1=(U-E)/R

dd

解方程组得：

U,=(TIR1.17Ucosa+3XE)/(27tR+3X)=94.63(V)AU.

az9DRDno

=6.7(V)

Ij=44.63(A)

又一

cos—cos()=2IX/J5U

dB2

即得出

cos(30)=0.752

换流重叠角

=41.28°30°=11.28°

3-12三相桥式相控整流电路，反电动势负载，氏200V,R=1Q,平波电抗器L值足够

大，U=220V

2

(1)L=0,01=处画出u、u、i波形，计算U和I的值；

BdVTddd

⑵L=lmH,。=眼计算U、I、的值；

Bdd

解：⑴当L=0时:

B

U=2.34Jcosa=2.34<220xco9B=257.4(V)

d2

1=(U-E)/R=(257.4-200)/1=57.4(A)

dd

u、u、i的波形如下：

dd

VT

U=2.34Ucosa-AU

d2d

AU=3XVTI

dd

B

1=(U-E)ZR.

dd

解方程组得：

ud=(2.347tU2Rcosa+3XBE)/(TTR+3XB)=244.15(V)1=

吩15(A)

AUd=13.25(V)

又,；cos—cos()=2XBI/新U,

cos(7i/3)=0.4485

Y=63.35^60^3.351

3-13单相桥式相控整流电路，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：单相桥式相控整流电路，其整流输出电压中含有2k（k=l、2、3…）次谐波，其

中幅值最大的是2次谐波。变压器二次侧电流中含有2k+1（k=l、2、3……）次即奇

次谐波，其中主要的有3次、5次谐波。

3-14三相桥式相控整流电路，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：三相桥式相控整流电路的整流输出电压中含有6k（k=l、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6kl（k=l、2、3……）次的谐波,

其中主要的是5、7次谐波。

第四章DC-AC变换技术

4-1无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？

答：两种电路的不同之处主要是：有源逆变电路的交流侧接电网，即交流侧接有电源；而

无源逆变的交流侧直接和负载连接。

4-2换流方式有哪几种？各有什么特点？

答：换流方式有四种：

器件换流：利用全控器件的自关断能力进行换流。全控型器件采用次换流方式。

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过负载电压时，

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

换流三种方式。

4-3半控桥和负载侧并有续流二极管的电路能否实现逆变？为什么？

答：因为半控桥并接有续流二极管的电路的移相范围是0—180度，波形里面没有负

的平均电压。也就是说，这种电路无论在任何情况下都不可能输出负电压，同时也不

允许直流侧出现反极性的直流电动势，另外由于实现有源逆变的条件之一是必须要求

电路能在直流测输出一个负的平均电压，所以这种电路不能实现有源逆变。

4-4在图4-28所示的（a）、（b）两图中，一个工作在整流状态——电动机状态，另一

个工作在逆变状态发电机状态。试回答：

（1）在图中标出、E&i的方向。

TTddd

(2)说明£与的大小关系。

ud

(3)当与的最小值均为30对，控制角的移相范围为多少？

答：lu|<E当30。、30.,三相可控电路时，则的取值范围是30~150,。

d(1

即移相范围要求是120。。

4-5试画出三相半波共阴极接法30。时的U及晶闸管两端电压u的波形。答:

VT眼

略。d2

4-6晶闸管三相半波可逆供电装置，变压器二次侧相电压有效值为230V,电路总电

阻R=0.3Q,欲使电动机从220V、20A的稳定电动运行状态下进行发电再生制动，

要求制动初始电流为40A。试求初始逆变角伉(忽略晶闸管的换相管压降)

答：略。

4-7设晶闸管三相半波有源逆变电路的逆变角30,试画出VT管的触发脉冲丢失

2

一个时，输出电压的波形图。

Ud

答：t时刻，u脉冲丢失，晶闸管VT无法导通，VT也无法关断。所以u电压沿着

2g221d

U变化。t时刻，VT管触发，但由于t时刻，uu,无法导通，仍为导通，

VTVT

u333uw3I

所以是U沿着u变化。t时刻，对已导通的VT管不起作用，直至t时刻才从U相换

du415

到V相，所以丢失一个脉冲的波形如图所示。

从上面分析可知，U电压由负变正，使u与U反电动势E顺极性串联，而且回路的

ddgd

总有效电阻又很小，容易引起晶闸管的过电流而烧坏管子，因此逆变状态下不允许丢

失脉冲。

4-8什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各有何特点？

答：按照逆变电路直流侧电源性质分类，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：

(1)谢侧为电压源，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。

(2)由于直流电压源的钳位作用，交流测输出电压波形为矩形波，并且与负载阻

抗角无关。而交流测输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。

(3)当交流测为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起到缓冲无功能量的

作用。为了给交流测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：

(1)直流侧串联有大电感，相当于电压源。直流侧电流基本无功脉动，直流回路

呈现高阻抗。

(2)电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出的电

流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流测输出电压波形和相位因负载阻抗情况的

不同而不同。

(3)当交流测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。因此反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像逆变电路那样要给开关器件

反并联二极管。

4-9电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反

馈二极管？

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，而当输出电压电流的极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。

在电流型逆变电路中，直流电流的极性是一定的，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，因此不需要并联二极管。

4-10并联谐振式逆变电路利用负载电压进行换相，为保证换相应满足什么条件？

答：假设在t时刻触发VT2、VT3使其导通，负载电压u就通过VT2、VT3施加在

O

VT1、VT4上，使其承受反向电压关断，电流从VT1、VT4向VT2、VT3转移，出

发VT2、VT3时亥Ut必须在u过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。

O

4-11逆变电路多重化的目的是什么？如何实现？串联多重和并联多重逆变电路各用

于什么场合？

答：逆变电路多重化的目的：一是使总体上装置的等级提高；二是可以改善输出电压的

波形。因为无论是电压型逆变电路输出的矩形电压波，还是电流型逆变电路输出的矩形

电流波，都含有较多谐波，对负载有不利影响；采用多重逆变电路，可以把几个矩形波

组合起来获得接近正弦波的波形。

逆变电路多重化就是把若干个逆变电路的输出按一定相位差组合起来，是它们所含的

某些主要谐波分量相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。组合方式有串联多

重和并联多重两种方式。串联多重是把几个逆变电路的输出串联起来，并联多重是把

几个逆变电路的输出并联起来。

通过多重化结构，可以使输出u中有选择地消除某些次谐波，增多多重化结构中的

O

逆变器组数，可以消除更多的谐波，同时，还可以增大逆变器的输出功率。

串联多重逆变电路多用于电压型逆变电路的多重化。

并联多重逆变电路多用于电流型逆变电路的多重化。

4-12为什么逆变电路中晶闸管SCR不适合做开关器件？

答：（1）逆变电路中一般采用SPWM控制方法以减小输出电压波形中的谐波含量，

需要开关器件工作在高频状态，SCR是一种低频器件，因此不适合这种工作方式。

（2）SCR不能自关断。而逆变器的负载一般是电感、电容、电阻等无源元件，除了

特殊场合，如利用负载谐振进行换流，一般在电路中需要另加强迫关断回路才能关断

SCR,电路较复杂。因此SCR一般不适合用于逆变器中。

第5章DC-DC变换技术

5-1简述图5-2（a所）示的降压斩波电路的基本工作原理。

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t,由电源E向L、R、M供电，在此期

on

间，u=E。然后使V关断一段时间t,此时电感L通过二极管VD向R和M供电，

ooff

u=0。一个周期内的平均电压U=_L_Eo输出电压小于电源电压，起到降压

0°tt

onoff

的作用。

5-2在图5-2(a所示的降压斩波电路中，已知E=200V,R=10Q,L值极大，E=30V

Mo

采用脉宽调制控制方式，当T=50pis,t=20咯计算输出电压平均值U,输出电流

ono

平均值I。

0

解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为

TTt20200。…、

U=_(>nE==80(V)

°T50

输出电流平均值为

M

°R10

5-3在图5-2(a所示的降压斩波电路中，E=100V,L=lmH,R=0.5Q,E=10V,采

M

用脉宽调制控制方式，T=20piso当t=5卬时，计算输出电压平均值U、输出电流

ono

平均值I、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t=3pis

oon

时，重新进行上述计算。

解：由题目已知条件可得:

E10=0.1

E100

L

1==2日10.002

R0.5

当t=5^s时,有

on

T

p==0.01

=0.0025

由于

e1eooo25