电力电子技术复习习题解析华北电力大学

第一章电力电子器件

一、本章主要内容及重点与难点

【主要内容】

本章主要讨论电力电子器件的分类以及典型电力电子器件的结构、电气符号、工作原理、根本特性

与主要参数。在学习过程中，主要应掌握以下内容：

1.电力电子器件的概念与特征；

2.电力电子器件的分类；

3.电力二极管的工作原理、根本特性与主要参数；

4.晶闸管（SCR）的工作原理、根本特性与主要参数；

5.几种典型全控型电力电子器件（GTO；GTR：PowerMOSFET：IGBT）的工作原理、根本特性与

主要参数；

6.上述全控型电力电子器件的性能比拟。

【重点与难点】

本章重点在于半控型器件一一晶闸管，要重点掌握晶闸管的的结构、电气符号、开关规律、静态特

性以及主要参数。（重点应该再加上.MOS和IGBT,因为这2种器件应用应用很广很重要。）

本章难点在于晶闸管额定电流、额定电压的定义以及实际使用中如何选择晶闸管的参数。

二、典型习题解析

例1・1以下对晶闸管特性的表达中，正确的选项是（）。

A晶闸管属于电流驱动双极型器件C晶闸管触发导通后，门极就失去了控制作用

B晶闸管具有单向导电性D晶闸管的擎住电流大于维持电流

【答案】A、B、C、D

【解析】此题主要考察对晶闸管特性的熟悉程度，四个选项的描述均正确。A选项考察晶闸管的分类；

B选项考察半导体器件的特点；C选项考察晶闸管的开关特性；D选项考察晶闸管的主要参数

例1・2双向晶闸管的额定电流是以（）定义的；GTO的额定电流是以（）定义的。

A平均值B有效值C最大值D瞬时值

【答案】B,C

【解析】此题主要考察双向晶闸管与GTO额定电流的定义，双向晶闸管的止向伏安特性与反向伏安特

性相同，用于交流电路中，其额定电流是以有效值定义的。GTO的阳极电流如过大：可能会出

现无法由门极控制关断的情况，因此其额定电流是以最大可关断阳极电流定义的。

例1・3以下电力电子器件中，存在电导调制效应的是（

AGTOBGTRCPowerMOSFETDIGBT

【答案】A、B、D

【解析1此题主要考察对电导调制效应的理解，电导调制效应仪在双极型器件中起作用，单极型器件仅

有一种载流子参与导电，因此不存在电导调制效应。题目中所列选项仅PowerMOSFET为单极

型器件，故为排除项。

例1-4以下电力电子器件中，电流容量最大的是（）;开关频率最高的是（）。

AGTOBGTRCPowerMOSFETDIGBT

【答案】A,C

【解析】此题主要考察全控型电力电子器件的特点，GTO导通时饱和程度较深，适用于高压大容量场合,

PowerMOSFET属于单极型器件，没有少子的存储效应，因此开关速度较快，适用于高频电路。

例1・5以下电力电子器件中，（）的驱动功率较小。

ASCRBGTOCGTRDIGBT

【答案】D

【解析】此题主要考察对电压型驱动电路与电流型驱动电路的区别，电压型驱动电路的输入阻抗高，要

求的驱动功率小，驱动电路简单，上述器件中仅有IGBT为电压驱动型器件。

例1-6晶闸管刚由断态转入通态并且去掉门极信号，仍能维持其导通所需的最小阳极电流，称为（）。

A.维持电流B.擎住电流C.浪涌电流D.额定电流

【答案】A

【解析】此题主要考察晶闸管维持电流的定义，晶闸管触发导通后，维持其导通所必须的最小电流为维

持电流。

例1・7由于二次击穿现象对GTR的危害极大，因此规定了GTR的平安工作区，此平安工作区由0

曲线组成。

A.2条B.3条C.4条D.5条

【答案】C

【解析】此题主要考察GTR平安工作区的限制条件，GTR的平安工作区由集电极最大电流、最高工作

电压、最大耗散功率与二次击穿临界线四条曲线限制。

例1・8以下电气符号中，GTO的电气符号是（）。

BC.।D.

【答案】A

【解析】此题主要考察对电气符号的认识，A为GTO,B为逆导晶闸管，C为双向晶闸管，D为晶闸管。

例L9图1-1所示电路，一只晶闸管与灯泡串联，加上直流电压U,开关S闭合前灯泡亮不亮？，原因

是；开关S闭合后灯泡亮不亮？，原因是；开关S闭合一段时间后再翻开，断开开关后灯泡亮不亮？，

原因是。

图1-1

【答案】不亮；没有门极触发脉冲，晶闸管处于断态；亮；晶闸管承受正向电压且门极有触发脉冲，导

通；亮；晶闸管导通后门极即失去控制作用。

【解析】此题主要考察对晶闸管开关规律的理解。晶闸管导通必须同时具备两个条件，一是正向阳极电

压，二是具有门极触发脉冲；一旦晶闸管导通后，内部正反应过程形成，门极就失去了控制作

用C

例1・10图1・2所示电路，t/i=100V,R=1C,触发角a=0°,考虑两倍平安裕量，选择适宜的晶闸管。

图1-2

【答案】晶闸管的额定电压U「=282V,可选择300V的器件

晶闸管的额定电流/T=90A,可选择100A的器件

【解析】此题考查对晶闸管额定电流与额定电压的定义以及如何选择晶闸管的额定参数。晶闸管的额定

电压一般选择器件所承受的最高正、反向电压中的较大值，此题中晶闸管承受的最高正、反反

向电压均为&i=V5xl00V=14W,考虑两倍平安裕量，UVT=282V,可选择300V的器件；

晶闸管的额定电流是按正弦半波电流的平均值定义的，选择器件那么按照有效值相等的原那么，

由于a=0°,流过晶闸管的电流波形为正弦半波，因此晶闸管的额定电流

空空=0.45x100=45人,考虑两倍平安裕量，/T=90A,可选择100A的器件。

R1

三、课后习题解答

1.晶闸管正常导通的条件是什么，导通后流过的电流由什么决定？晶闸管关断的条件是什么，如何实

现？

答：晶闸管正常导通的条件是：

1）晶闸管承受正向阳极电压（UAK>0）;

2）在门极施加触发电流（UGK>0,这里.还得加上IG>（）,电流驱动器件，■写有电压不J

晶闸管关断的条件是：流过晶闸管的电流降低到维持电流以下（/A</H）O

要使晶闸管由导通转为关断,可利用外加反向电压或由外电路作用使流过晶闸管的电流降到维持电

流以下，便可使导通的晶匣管关断。

2.有时晶闸管触发导通后，触发脉冲结束后它又关断了，是何原因？

答：这是由于触发脉冲宽度不够或电路中电感较大(尤其是在阻感负载情况下)，晶闸管的阳极电流/A

没有到达晶闸管的擎住电流(/L)就去掉了触发脉冲，此时，晶闸管将自动返回阻断状态。因此，

在具体电路中，由于阳极电流上升到擎住电流需要一定的时间(主要由外电路结构决定)，所以门

极触发信号需要保证一定的宽度。

3.图1・3中的阴影局部表示流过晶闸管的电流波形，其最大值均为/m，试计算各波形的电流平均值、

有效值。如不考虑平安裕量，额定电流100A的晶闸管，流过上述电流波形时，允许流过的电流平均值

/d各为多少？

图1-3

松⑸/曲=；「小皿汨,/(汨=；2〃=^。0.3183/,”

24Jo2万71

额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A,那么(=2x157=314(4)；

平均值为：/4,=%=100A。

n

(b)=-J."sin(ftX)J(^)=-/„,«0.6366/,,,

乃J°n

额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A,那么/",=^xl57u222(A)；

平均值为：仍=0.6366。=141.33(4)。

(c)般」[；Imsin(@)d(诩)=0.4775。

额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A,那么/〃,247.56(4)；

0.6342

平均值为：限=2.47751/118.21(A)。

(d)&=dJ：乙如(初小初)=；》,“=杉。0.2387/”，

2万七In14%

额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为I57A,那么/=_忆力350.06(A)；

0.4485

平均值为：心=0.2387/,产83.56(A)。

⑹J1=01巩

2TTJO4

1S7

额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为I57A,那么/,„=——«444.00(A)；

0.3536

平均值为：/,“=0.125/,"=55.5(A)。

⑴一‘(由,%=0.25/

不J0乃4

额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A,那么：/=—=314(A)；

mU・J

平均值为：I,1f=0.25x314=78.5(/4)

4、为什么晶闸管不能用门极负脉冲信号关断阳极电流，而GTO却可以？

答：GTO和普通晶闸管同为PNPN结构，由P[N]P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V?分别具有共基极

电流增益四和8,由普通晶闸管得分析可得，ai+a2=l是器件临界导通的条件。ai+a2>l两个晶

体管饱和导通：内+。2<1不能维持饱和导通而关断。

解之得：i=£（l-e,）

R

可靠导通条件为：，=005

R0.5

解得：0.05<-（l-e-7，）=—（1-e港')

R0.5

即t>In『3s

100-0.05

3.请画出VDMOS（或IGBT）管栅极电流波形，并说明电流峰值和栅极电阻有何关系以及栅极电阻的

作用。

答：VDMOSFET和IGBT都是电压驱动型器件，由于存在门极电容，其门极电流的波形类似于通过门

极电阻向门极电容的充电过程，其峰值电流为，P=UGE/RG，栅极电阻的大小对器件的静态和动态开

关特性有很大的影响：RG增加，那么开通时间、关断时间、开通损耗关断损耗增加；%和位移

dt

电流减小；触发电路振荡抑止能力强，反之那么作用相反。因此在损耗容许的条件下，KG可选大

些以保证器件的平安，具体选择要根据实际电路选。典型的应用参数为：+UGE=I5V,—UGE=-

（5~10）V,&=3〜50欧。

4.限制功率MOSFET应用的主要原因是什么？实际使用时如何提高MOSFET的功率容量？

答：限制功率MOSFET应用的主要原因是其电压、电流容量难以做大。因为MOSFET是单吸性器件，

所以通态损耗较大，其通态电阻为幺一（公式应该是正比于，用等号不适宜）。高压大电流

时，当额定电压比拟高且电流大时，其通态电阻（对应损耗）到达令人难以接受的程度（目前的市

场水平最大为IXYS公司的器件1200V/38A）o

实际使用时，由于MOSFET具有正的温度系数，可以方便地采用多管并联的方法来提高其功

率容量。

第二章相控整流电路

一、本章主要内容及重点与难点

【主要内容】

本章主要讨论各种相控整流电路的工作原理、波形分析及数值计算方法。在学习过程

中，主要应掌握以下内容：

1.单相桥式全控整流电路的工作原理、波形分析及数值计算；

2.单相桥式半控整流电路的T.作原理、波形分析及数值计算：

3.三相半波可控整流电路的工作原理、波形分析及数值计算：

4.三相桥式全控整流电路的工作原理、波形分析及数值计算：

5.变压器漏感对整流电路的影响；

6.有源逆变的概念、有源逆变产生的条件及逆变矢败；

7.电容滤波的不可控整流电路分析；

8.整流电路的谐波与无功功率及其影响。

【重点与难点】

本章重点在于分析不同电路结构、不同负载形式下的相控整流电路的工作原理与波形,

主要包括以下内容：

1.理解“可控”的概念，在分折问题时充分考虑晶闸管的开关规律；

2.注意负载性质不同对整流电路中晶闸管开关的影响，尤其是大电感的影响：

3.不同电路结构、不同负载形式相控整流电路中晶闸管的移相范围、导通时间；

4.负载电压、负载电流、晶闸管所承受的电压、、晶闸管电流、变压器二次侧电流波

形分析；

5.有源逆变的概念及其实现的条件；

6.如何分析有源逆变电路；

7.变压器漏感的存在对整流电路和有源逆变电路的影响。

本章难点在于不同电路结构、不同负载形式相控整流电路的波形分析。

二、典型习题解析

例2・1如图2・1所示的单相桥式半控整流电路中续流二极管VD的作用有（）o

A减轻晶闸管的负担C防止出现失控现象

B提高整流电压的平均值D起电压钳位作用

图2-1

【答案】A、B、C

【解析】此题主要考察对半控整流电路的认识，半控整流电路在正常工作时与全控整流电路

相同，但是在阻感负载下，如果一只晶闸管的脉冲丧失，可能会造成一只晶闸管导通，两只

二极管轮流导通的“失控”现象，这主要是由于二极管是不可控器件，不具备正向承压能力

造成的。因此通常采用在负我两端反并联续流二极管的方法。同时，该续流二极管在电源电

压的负半周为负载电流提供r通路，既减轻了晶闸管的负担，又提高「输出负教电压的数值。

例2・2如图2・1所示的单相桥式半控整流电路，coL»Rt触发角为处负载电流为％,流

过晶闸管的电流有效值为（）o

【答案】B

【解析】此题主要考察单相桥式半控整流电路的工作情况，由于续流二极管VD的存在,

在电源电压的负半周，负载电流经VD流通，而不再流经晶闸管，因此在电源电压的一个周

期内，每只晶闸管导通时间为£*,因此流过晶闸管的电流有效值为

71贬

例2-3如图2-1所示的带续流二极管的单相桥式半控整流电路与单相桥式全控整流电路，同

样是电阻性负载，设变压器二次侧电压为S，那么晶闸管承受的最高正向电压为（

【解析】此题主要考察带续流二极管的单相桥式半控整流电路与单相桥式全控整流电路在

电阻负载下晶闸管承受正向电压的区别，以“VTI为例，由于单相桥式半控整流电路中的二

极管承受正向电压那么导通，因此在电源电压的正半周，晶闸管VT1的触发脉冲到来之前

1电阻性负载，VT2已关断），与二极管VD4串联的晶闸管VT1承受全部电源电压，其最

大值为何2；而单相桥式全控整流电路全部采用可控器件，注意品闸管导通的两个条件,

同样以“vTi为例，在电源电压的正半周，晶闸管VT1的触发脉冲到来之前，VT1〜VT4四只

晶闸管均阻断，因此VT1与VT4共同承当电源电压，即〃\叮产〃〃2,其最大值为告5。

例2・4单相桥式全控整流电路，阻感性负载，SLAR.设变压器二次侧电压为S,那么

晶闸管承受的最高正、反向电压分别为（）o

A孝5，与5B孝4，商2C&2，孝SD廊2，仞2

【答案】D

【解析】此题主要考察单相桥式全控整流电路在阻感负载卜的工作情况。由于”>>R,

因此在任一瞬间总有一组晶闸管导通，而导通的晶闸管对未导通的晶闸管产生影响，即给未

导通的晶闸管施加了反向电压。以〃vn为例，VT2导通忖使得VT1承受电源电压由，其最

大值为四2。这一点与目阻性负载情况有区别，要尤其注意。

例2・5单相桥式全控整流电路带电阻性负载与阻感性负教（或>>/?）情况下，晶闸管触发

角的移相范围分别为（）。

A90,90B90,180C180,90D180,180

【答案】C

【解析】此题主要考察对晶闸管触发角移相范围的理解。移相范围是指使得输出电压在最

大值与最小值之间变化的触发角的可调范围。单相桥式金控整流电路带电阻性负载，触发角

为0°时输出电压为最大值，触发角为180。时输出电压为0,因此其移相范围为180。；单

相桥式全控整流电路带阻感性负载，有于大电感的存在，输出电压的波形中出现负半周波形,

其平均值降低，触发角为0°时输出电压为最大值，触发角为90°时输出电压为0,因此其

移相范围为90°。

例2・6单相桥式全控整流电路，阻感反电势负载（立负载电压为〃，反电势为E,

那么负载电流为（）。

【答案】B

【解析】此题主要考察单相桥式全控整流电路带阻感反电势负载的工作情况，由于

a）L»R,因此当时，电感即起续流作用，与阻感负载相比相当于电感续流的时间

提前了，该电路的波形分析与阻感负载相同，只是在计算负载电流时，要考虑反电势的存在,

所以萨。

例2・7以下电路中，存在变压器铁心直流磁化现象的有（）。

A单相半波可控整流电路C单相桥式全控整流电路

B单相桥式半控整流电路D单相全波可控整流电路

【答案】A

【解析】此题主要考察对变压器铁心直流磁化现象的理解，变压器铁心中有直流成分时会

导致铁心饱和成为变压器铁心直流磁化现象，为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，

就会增加设备容量。上述选项中，单相半波可控整流电路的负载电流（直流分量）经过变压

器二次绕组，存在变压器铁心直流磁化现象；其它三个电路中，变压器二次侧电流为正、负

半周对称的交流分量，不存在直流分量，因此不存在变压器铁心直流磁化现象。

例2-8三相半波可控整流电路与三相桥式全控整流电路，电阻性负载，晶闸管触发角的移

相范围分别为（）。

A90°,120°B90°,150°C120°,150°D150°,12。°

【答案】A

【解析】此题主要考察对三相可控整流电路的认识，三相可控整流电路与单相可控整流电

路不同，晶闸管触发角的起始位置.[即0°）位于自然换用点（以外的过零点作为坐标原点，

。=0°位于M=30°处，而单相可控整流电路的。=0°位于皿=0°处），这是三相可控整流电

路中晶闸管能够导通的最早时刻，因此三相半波可控整流电路在电阻性负载情况下晶闸管的

移相范围为150°：又由于三相桥式全控整流电路的负载电压为线电压，线电压的过零点超

前相电压30°,因此三相桥式全控整流电路在电阻性负载情况卜.晶闸管的移相范围为

120°。

例2-9三相半波可控整流电路，电阻性负载，晶闸管承受的最高正、反向电压分别为（）。

A庖2，庖2B庖2，娓Ue屈人夜4D瓜U?,S[6U2

【答案】B

【解析】此题主要考察对三相可控整流电路的分析，三相半波可控整流电路带中线，输出

负载电压为相电压，晶闸管上承受的电压为线电压。当”W3（）°负载电流连续时，三把的晶

闸管轮流导通，每只晶闸管导通120°,晶闸管上承受的正向线电压小于变压滞二次侧.相电

压（a=30°晶闸管上承受的正向线电压到达最大，此时M2L1.225S〈友力，S为变压器二

次侧相电压有效值）：当330°负载电流断续时，三相品闸管均阻断，晶闸管上承受的正向

电压为相电压，其最大值为庖2。而晶闸管承受的最高反向电压为八氏。

例2-10三相桥式全控整流电路，电阻性负载，晶闸管承受的最高正、反向电压分别为（）。

A&2，&2B&2，疯2C版/?,商2D疯2，血

【答案】D

【解析】此题主要考察对三相桥式全控整流电路的分析，三相桥式全控整流电路输出负载

电压为线电压，晶闸管上承受的电压为线电压。以MVT1为例分析晶闸管上承受的电压波形

如以卜.图所示，由图可见，晶闸管承受的正、反向电压均为疯J

例2・11以下电路能够完成有源逆变的有（）。

A单相桥式全控整流电路C单相全波整流电路

B单相桥式半控整流电路D单相半波可控整流电路

【答案】A、B

【解析】此题主要考察有源逆变产生的条件，由于有源逆变的实现要求输出电压为负值，

因此半控整流电路以及单相半波整流电路是不能实现有源逆变的，只有全控整流电路才能实

现有源逆变。

例2-12单相桥式全控整流电路工作在有源逆变状态，设变压器二次侧电压为S，反电势为

E,负载电压为由,那么负载电流为（）.

AjR3c。D9

RRRR

【答案】B

【解析】此题主要考察有源逆变电路输出电压与电流的关系，整流电路工作在有源逆变状

态下，输出电压反向，为负值；反电势亦为负值，且|目>|力|,而负载电流的方向与整流

时相同，为正值，因此〃二七二二。

dR

例2・13二相桥式全控变流电路既可以工作在整流状态，又可以工作在有源逆变状态，当其

为直流电机供电时，以下说法正确的选项是（）。

Aa<90°,变流器工作在整流状态，直流电机作电动机运行

B〃<90。，变流器工作在整流状态，直流电机作发电机运行

C«>90°,变流器工作在有源逆变状态，直流电机作电动机运行

D〃>90。，变流器工作在有源逆变状态，直流电机作发电机运行

【答案】A、D

【解析】此题主要考察对变流器中能量的传递方向，在整流状态，变流器向直流电机供电,

直流电机工作在第•象限，作电动机运行；在有源逆变状态下，直流电机的能量流向变流器，

直流电机工作在第一象限，作发电机运行。

例2-14三相桥式全控整流电路共阴极组组晶闸管的触发脉冲相差（）；位于同一相的两

只晶闸管的触发脉冲相差（）。

A60°,120°B90°,120°C120°,120°D120°,180°

【答案】D

【解析】此题主要考察三相桥式全控整流电路的触发脉冲规律，共阴极组晶闸管或共阳极

组品闸管分属于三相，其触发脉冲间隔120°,位于同•相的两只晶闸管不能同时导通，其

触发脉冲间隔180°。

例2-15变压器漏感对整流电路的影响是使整流电路的输出电压（），使有源逆变电路的

输出电压（）。

A降低，降低B降低，升高C升高，降低D升高，升高

【答案】B

【解析】此题主要考察变压器漏感对整流电路的影响，在整流状态下，变压器漏感的存在

使得在换向期间，负载电压为换向的两相电压的平均值，比不考虑漏感时降低了；在有源逆

变状态下，由于输出电压为负值，因此负载电压比不考虑漏感时升高了。

例2・16单相桥式全控整流电路，大电感负载，S=220V,A=4C,«=60°,试计算：

1）作出负载电压板、晶闸管电压“VTI、负载电流id、晶闸管电流ivTI以及变压器二次侧

电流i2的波形；

2）计算小、Id的平均值及，2的有效值；

3）考虑两倍的平安裕量，选择适宜的晶闸管；

4）如负载并接续流二极管，其3、又为多少，作出1）中所要求的波形。

【解析】此题主要考察单相桥式全控整流电路带阻感负载的工作原理.无续流二极管情况

下，两组晶闸管VT1、VT4与VT2、VT3轮流导通180°；在负载两端并联二极管二极管,

晶闸管的导通时间缩短为乙二4,在电源电压的负半周，二极管导通，导通时间为色。注

7171

意有续流二极管情况下晶闸管承受电压的分析。

1）无续流二极管情况下

2）无续流二极管情况下

Ud=0.9t/2coscz=0.9x220xcos60=99V

〃=勿/A=99/4=24.75A

I2=Id=24.75A

3）lyj.=I（l/V2=24.75/72=17.5A

/r=7^/1.57=17.5/1.57=11.15A

考虑两倍平安裕量，可选择额定电流为30A的晶闸管；

由于晶闸管承受的最高反向电压为gU2=J5x22O=311V,考虑两倍平安裕量，可

选择额定电压为600V的晶闸管。

4）有续流二极管情况

U（l=0.9U2（1+cos«）/2=0.9x220x（1+cos60）/2=148.5V

=148.5/4=37.125A

例2-17三相桥式全控整流电路，阻感反电势负载，（oL»Rt%=220V,/?=2Q,E=200V,

a=60°,试计算：

1）作出负载电压"八晶闸管电压〃VTI、负载电流认晶闸管电流ivn、i、，T4以及变压器二

次侧电流器的波形；

2）计算3、A,的平均值及，0的有效值；

3）假设VT1的触发脉冲消失，分析负载电压即及晶间管电压的波形。

【解析】此题主要考察「相桥式全控整流电路带阻感反电势负载情况。阻感反电势负载的

波形分析与阻感负载相同，大电感情况下负载电流连续、平直，每只晶闸管导通120°。

I）波形分析如以下图所示

2)=2.34U?cosa=2.34x220xcos60=257,4V

J7-E_257.4-200

<z=28.7A

一R-T~

|/(/=23.42A

3〕

例2-18三相桥式全控整流电路，电阻负载，试作出VT1触发脉冲丧失情况下的负载电压

“d及晶闸管电压的波形。

【解析】以a=60°为例。VT1触发脉冲丧失后，分析电阻性负载与阻感负载情况下分析负

载电压应及晶闸管电压〃、f波形的关键在于VT1脉冲到来之前导通的晶闸管是否关断？何

时会关断？电阻性负载情况，线电压心过零后VT5、VT6即关断，“尸0,直至VT2、VT3

导通时im

例2・19三相桥式全控整流电路，如下图，线电压Uub=400V,R=10C,L极大，

1)当*=60。，月=-306V时，能否实现有源逆变？求此时的〃、Idi

2)作出负载电压板、晶闸管电压“VT】、负载电流办晶闸管电流ivn、ivT4以及变压器

二次侧电流右的波形。

【解析】此题主要考察三相桥式全控整流电路实现有源逆变的条件以及在有源逆变条件下电

路的波形分析。分析有源逆变电路的波形与整流电路的方法相同，需注意的是逆变角不同于

触发角，a+为心注意有源逆变电路波形与整流电路波形的区别。一是晶闸管触发相位的影

响，二是在有源逆变工作状态下，品闸管工作在电源电压的负半周，输出负载电压波形大局

部位于负半周，而晶闸管在大局部时间内承受正向电压,

1)当夕=600,E=-306V时

[]400

U(l=-2.34(72cos/7=-2.34cos=-2.34x^=-cos60=-270.2V

由于因因此可以实现有源逆变。

-2702—(—306)

=3.58A

d~R~io-

2)

例2-20试作出三相半波可控整流电路工作于有源逆变状态下，VT3触发脉冲丧失情况下的

负载电压如波形，并说明会造成什么后果？

【解析】分析方法与例18相同。在有源逆变状态下，触发脉冲丧失易产生逆变失败。例如

以下图中VT3触发脉冲丧失后，之前导通的VT2会继续导通到正半波。当VT1再次获得触

发脉冲时，由于此时〃b＞必，因此VT1承受反压而无法导通，输出电压〃”为正值，和直流电

动势同极性，造成短路，即逆变失败。因此有源逆变电路的触发电路一定要工作可靠。

三、课后习题解答

I.单相桥式全控整流电路接电阻性负载，要求输出电压在0〜100V连续可调，输出电压平

均值为3。V时，负载电流平均值到达20A。系统采用220V的交流电压通过降压变压器供

电，且晶闸管的最小控制角amin=30。，(设降压变压器为理想变压器)。试求：

1)变压器二次侧电流有效值V

2)考虑平安裕量，选择晶闸管电压、电流定额；

3)作出a=60。时，〃八id和变压器二次侧i2的波形。

解：由题意可知负载电阻/?=5=应=1.5欧，

"20

单相全控整流的直流输出电压为U"=(1+cosa)

兀

直流输出电压最大平均值为100V,且此时的最小控制角为斯加=30。，带入上式可求得

-Ct,sin2«

7”9.”33、I-T:---+-----

V7i2万

兀.n

兀---sin—

%加=30。时，/,11m=79.33、一+1=78.18（4）

V冗2乃

2）晶闸管的电流有效值和承受电压峰值分别为

考虑3倍余量,选器件耐压为168X3=500V；额定电流为（55.28/1.57）X3=100A

3）

2.试作出单相桥式半控整流电路带大电感负载，在a=30。时的“八力、IVTI>ivz的波形。

并计算此时输出电压和电流的平均值。

解：

输出电压和电流的平均值分别为：

3.单相桥式全控整流电路，S=100V,负载中K=2Q,L值极大，反电动势E=60V,当

（1=30。时，试求：

1）作出〃d、id和iz的波形；

2）求整流输出电压平均值Ud、电流/d，以及变压器二次侧电流有效值心。

解：整流输出电压平均值小、电流入以及变压渊二次侧电流有效值上分别为；

4.某一大电感负载采用单相半控桥式整流接有续流二极管的电路，负载电阻K=4Q,电源

电压S=220V,a=n/3,求：

1）输出直流平均电压和输出直流平均电流；

2）流过晶闸管（整流二极管）的电流有效值；

3）流过续流二极管的电流有效值。

解：1）电路波形图见第2题

2)*21.43(4)

2d(的)=长21.43(A)

3)

5.三相半波可控整流电路的共阴极接法和共阳极接法,两相的自然换相点是同一点吗？

如果不是，它们在相位上差多少度？试作出共阳极接法的三相半波可控的整流电路在

a=30"时的〃d、/VTI>WVTI的波形。

解：。、力两相的自然换相点不是同一点，它们在相位上差180度，见以下图。

共阳极接法的三相半波可控的整流电路在a=30。时的劭、ivn、的波形如以下图

6.三相半波可控整流电路带大电感性负载，a=n/3,R=2C,S=220V,试计算负载电流11i，

并按裕量系数2确定晶闸管的额定电流和电压。

解：=1.17t/2cosc?=1.17x220x0.5=128.7（V）

按裕最系数2确定晶闸管的电流定额为：-^K2«47.30^50（4）；电压定额为：

1.57

7647,x2«1077«1200(V)

7.三相桥式全控整流电路，S=100V,带阻感性负载，R=5Q,乙值极大，当a=60。,

试求：

1)作出〃d、id和ivn的波形；

2)计算整流输出电压平均值Ud、电流/d，以及流过晶闸管电流的平均值/dVT和有效值/VT；

3)求电源侧的功率因数；

4)估算晶闸管的电压、电流定额。

解：1)

2)Ud=2.34U2cosa=2.34x100x0.5=117")

3)由功率因数的定义如：A=-^cos^,=0.955cosa=0.955*0.5=0.4775

4)按2倍余量估算，晶闸管的电压定额为：V6L/,x2=>/6x100x2^489.90^500(V)；

晶闸管的电流定额为：-^x2=-^x2«17.21®20(4)

1.571.57

8.三相桥式不控整流电路带阻感性负载，R=5Q,L=e,S=220V,小产0.3Q,求“、

/d、/VD、和7的值，并作出“d、ivDl和的波形。

解：三相桥式不控整流电路相当于三相桥式全控整流电路在触发角为0度时的情况，那么

代入量联立求解上述2个方程可得：K=：蚓°，)

Id=97.38(A)

二极管的电流平均值为：/0=〃■=%?才32.46(A)

33

变压器二次侧电流有效值为：八=息产79.51(A)

2X1

由cosa-cos(a+/)=p?/可得

Ru?

1-cosy=2J'd_2x(^3x97.38。［934.cos/=0.8916；y«26.93°

国人x/6x220

«d>/VDI和12的波形的波形如下：

9.请说明整流电路工作在有源逆变时所必须具备的条件。

答：(1)外部条件——直流侧应有能提供逆变能量的直流电动势，其极性与晶闸管导通

方向一致，其值大于变流器直流侧的平均电压。(2)内部条件——变流器直流侧输出直流平

均电压必须为负值，即a>W2,Ud<0。以上两条件必须同时满足，才能实现有源逆变。

10.什么是逆变失败？如何防止逆变失败？

答：当变流器工作于逆变工况时，一旦由于触发脉冲丧失、突发电源缺相或断相等原因

造成换流失败，将使输出电压Ud进入正半周，与EM顺向连接，由于回路电阻很小，造成

很大的短路电流，这种情况叫逆变失败或逆变颠覆。

为了保证逆变电路的正常工作，必须1)选用可靠的触发器，2)正确选择品闸管的参

数，3)采取必要的措施，减小电路中d〃/d/和did的影响，以免发生误导通，4)保证交流

电源的质量，5)逆变角£的角度有一最小限制，留出充足的换向余量角。

11.三相全控桥式变流器，L足够大、K=1.2O、S=200V、EM=-300V,电动机运行于发

电制动状态，制动过程中的负载电流为66A,问此时变流器能否实现有源逆变？假设能求

此时的逆变角时

解：电动机处于发电制动状态可以提供逆变能量，满足有源逆变的外部条件，可以实现有源

逆变。三相全控桥式变流器处于有源逆变时有：

Ud=2.34U,coscr=2.34Z7,cos(^-/7)(1)

而〃/，一%,即66=""+3?&=—220.8(6

R1.2

将U.=-220.8(丫)带入(1)式可得：

-220.8=2.34x2(X)xcos(乃一力)；/=61.85。或a=118.15。＞90°。

12.三相全控桥式变流器，带反电动势阻感负载，R=la,L=00,S=220V,LB=1HIH,

当&I=-400V,夕=60。时求g、/d和y的值，及此时送回电网的有功功率是多少？

解：Ud=2.34ZAcosa-些〃=2.34U,cosa-^%”

2z-21

=-790.3l(V)

代人量联立求解上述2个方程可得:

/,=109.69(A)

2X/2x0.3142x109.69

由换流重叠角公式可得:cosa-cos(a+/)=~二'、'=0.1279

2205/6

cos(120°+/)=-0.1279-cosl200=-0.6279:即y=8.90°

送回电网的有功功率为：尸=区/卜//R=4()0x109.69-109.692x1=31.84(kW)。

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？其中最大的是哪一

次？变压器二次电流中含有哪些次数的谐波？其中主要的是哪几次？对于m相全控整流电

路呢？

答：三相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有6k(k=l、2、3…)次的谐波，其中最

大的是6次谐波。

变压器二次电流中含有6k±1(k=l、2、3…)次的谐波，其中主要的是哪5、7次谐波。

对于m相全控整流电路，其整流输出电压中含有2mk(k=l,2、3…)次的谐波，其中

最大的是2m次谐波。

变压器二次电流中含有2mk±l(k=l、2、3…)次的谐波，其中主要的是哪2mk±l次

谐波。

14.试计算第3题(单相桥式全控整流电路)中〃的3、5、7次谐波分量的有效值小、/2S、

727,并计算此时该电路的输入功率因数。

解：由第3的解答可知：，2=〃=8.97(A),那么

,2^x8.97_272x8.97,_.

/,,=-----=----------«2.69(A)；=-----=---------«1.62A

343万57t5不

基波有效值/,.=4"=辿咨巴。8.08(A)

乃乃

Ix()R

输入功率因数％二＞cosw=——xcosa=0.90xcos30°=0.7794。

I18.97

15.试计算第7题(三相桥式全控整流电路)中的i2的5、7次谐波分量的有效值〃5、，27。

解：由第7的解答可知：/“="=112=23.4(A),那么

R5

限76x23.4屈L75x23.4

I-,.=----=--------«3.65(A)：=----=--------a2.61(A)。

5乃5乃-7乃74

16.三相晶闸管桥式全控整流器接至10.5kV交流系统。10kV母线的短路容量为150MVA,

整流器直流侧电流/d=40M,触发延迟角〃=15。，不计重叠角了,试求：

1)基波功率因数cos仰、整流器的功率因数人

2)整流侧直流电压S;

3）有功功率、无功功率和交流侧基波电流有效值；

4）截止到23次的各谐波电流的大小、总谐波畸变率。

解：1）cos（px=cosa=cos15°«0.9659

2)Utl=2.34U2cosa=2.34x-!^^xcosl5°»13.70(A:V)

3）基波电流有效值/”==—x400«311.88(A)

总电流有效值/2=x400=326.60(A)

有功功率夕=5义=73x10.5x326.60x0.9224x547g.80伏卬)

无功功率Q=-尸=J(6x10.5x326.60)2—5478.802=2294.13(&E4R)

4）仅含有6k±1（k=l、2、3…）次的谐波,

—x400«62.38(A)；I21=400=44.55(A)

5TTtn

=Y^-/Z=-j^-x400«28.35(A)；/213

211=—l1l=—x400=23.99(A)

13公13〃

=理巫、400女18.35(4)；

=—/.=—x400«16.4l(4)

\1TT〃17乃21919”〃19万

G=~^"〃="^~x400a13.56（人）；总谐波畸变率为：

23;r23兀

17.晶闸管整流电路的功率因数是怎么定义的？它与那些因素有关？

答：晶闸管整流电路的功率因数由畸变因子】，和位移因子cos处构成，表达式为：

具体而言：由移相触发角a和整流电路的结构决定。

四、补充习题

1.三相半波共阴极接法的整流电路中，如果c相的触发肽冲消失，试绘出在电阻性负载和大

电感性负载下整流的输出电压〃d（«=30«）o

解：电阻负载时波形如以下图：

大电感负载时的波形为：

2.三相桥式全控整流电路中，如果c相上桥臂晶闸管〔第5号管）的触发脉冲消失，试绘

出在电阻性负载和大电感性负载下整流的输出电压“d（a=60。）。

解.：电阻负载时波形如以卜图：

分析：当3、4号晶闸管导通（直流输出为必』完即将切换到4、5号晶闸管导通时，由于

5号晶闸管触发丧失，且由于是电阻负载，在本该4、5号晶闸管导通的区间内由于〃ba为负

值，所以3号晶闸管被加反压关断，整流输出为0。在随后本该5、6号晶闸管导通区间，

由于5号管丧失脉冲，回路也没法导通，输出还是0。随着6、1号晶闸管的再次导通，进

入下一个循环。

电感负载时波形如以下图：

分析：当3、4号晶闸管导通（直流输出为四1完即将切换到4、5号晶闸管导通时，由于

5号晶闸管触发丧失，没法给3号晶闸管提供反压使之美断，且由于是电感负载，所以3号

晶闸管将会继续导通。这时实际导通的管子还是3、4两个品闸管，即整流输出仍为“

在随后本该5、6管导通区间，4号管被导通的6号管关断，直流电流通过3、6号两晶闸管

形成的短路回路续流，直流输出是0。随着6、1号晶闸管的再次导通，进入下一个循环。

3.一般三相可控整流装置中，如果电源三相进线相序接反，会产生什么问题？

答：三相可控整流装置的三相交流电源相序接反会出现缺相或乱相的情况，即该导通的晶闸

管不导通，不该导通的晶闸管导通。在单脉冲和双脉冲触发的三相桥式电路中，原来调

整好的移相范围会前移60°,使系统不能正常工作，所以晶闸管装置的进线相序必须符

合规定。

4.综述抑制相控整流电路网侧电流谐波的措施。

答：抑制网侧电流谐波的措施主要有：

1）选择适宜的输入电压（可采用输入变压器），在满足控制和调节范围的情况下尽可能

减小控制角a。

2）网侧设置补偿电容器和有针对性的滤波器。

3）增加整流相数，即采用多相整流器，可使网侧电流更加接近正弦波。

4）利用多重化技术进行波形叠加，以消