《电力电子技术》期末考试试卷(含答案)

《电力电子技术》期末考试试卷(含答案)一、单项选择题（每题2分，共20分）1.晶闸管（SCR）正常导通的必要条件是（）。A.阳极加正向电压，门极加正向触发脉冲B.阳极加反向电压，门极加正向触发脉冲C.阳极加正向电压，门极加反向触发脉冲D.阳极加反向电压，门极加反向触发脉冲2.单相半波可控整流电路带电阻性负载时，晶闸管的导通角θ与控制角α的关系为（）。A.θ=π-αB.θ=2π-αC.θ=π+αD.θ=π/2-α3.下列电力电子器件中，属于全控型器件的是（）。A.晶闸管（SCR）B.门极可关断晶闸管（GTO）C.二极管（VD）D.双向晶闸管（TRIAC）4.PWM控制技术的核心是（）。A.调整输出电压的幅值B.调整输出电压的频率C.用一系列等幅不等宽的脉冲代替正弦波D.用一系列不等幅等宽的脉冲代替正弦波5.电压型逆变电路的直流侧通常接（）。A.大电感B.大电容C.电阻D.变压器6.Buck斩波电路（降压斩波电路）的输出电压Uo与输入电压Ui的关系为（）（D为占空比）。A.Uo=D·UiB.Uo=Ui/(1-D)C.Uo=Ui·(1-D)/DD.Uo=Ui/D7.三相桥式全控整流电路带电阻负载时，晶闸管的触发脉冲间隔为（）。A.30°B.60°C.90°D.120°8.IGBT（绝缘栅双极晶体管）的输入级是（）。A.双极型晶体管（BJT）B.电力场效应晶体管（MOSFET）C.晶闸管（SCR）D.门极可关断晶闸管（GTO）9.软开关技术的主要目的是（）。A.提高开关频率，降低开关损耗B.降低开关频率，提高开关损耗C.提高电路的功率因数D.减少电路的谐波含量10.单相全桥逆变电路带阻感负载时，为了给感性负载的无功电流提供通道，需要在桥臂中反并联（）。A.晶闸管B.二极管C.电容D.电感二、填空题（每题2分，共20分）1.电力电子器件的驱动电路分为电压驱动型和电流驱动型，其中IGBT属于______驱动型器件，晶闸管属于______驱动型器件。2.单相桥式全控整流电路带电阻负载时，输出电压平均值Ud的计算公式为______（α为控制角）。3.逆变电路分为有源逆变和无源逆变，其中有源逆变是将直流电能转换为______，并送回电网；无源逆变是将直流电能转换为______，供给负载。4.直流斩波电路的三种基本拓扑是______、______和Buck-Boost电路。5.PWM逆变电路中，载波比N是______与______的频率之比。6.晶闸管的三个电极分别是______、______和门极（G）。7.三相半波可控整流电路带电阻负载时，触发角α的移相范围为______；带大电感负载时，移相范围为______。8.软开关电路分为零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS），其中零电压开关要求开关器件在______时电压为零，零电流开关要求开关器件在______时电流为零。9.电力电子装置的主要损耗包括______损耗和______损耗，其中开关损耗随开关频率升高而增大。10.单相半波可控整流电路带大电感负载（续流二极管）时，输出电压平均值Ud的计算公式为______（α为控制角）。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述晶闸管的导通条件和关断条件。2.比较电压型逆变电路和电流型逆变电路的主要区别（至少列出3点）。3.说明PWM控制技术的基本原理及其在逆变电路中的优势。4.分析单相桥式全控整流电路带阻感负载时（无续流二极管），晶闸管的导通规律及输出电压波形的特点。5.简述Boost斩波电路（升压斩波电路）的工作原理，并推导其输出电压与输入电压的关系式（设开关管导通占空比为D）。四、分析计算题（每题10分，共30分）1.单相桥式全控整流电路接220V交流电源（u2=220√2sinωt），负载为电阻R=10Ω，控制角α=60°。（1）计算输出电压平均值Ud和输出电流平均值Id；（2）计算晶闸管的额定电压UTN（取2倍安全裕量）和额定电流ITN（取1.5倍安全裕量）。2.某Boost斩波电路输入电压Ui=20V，开关管导通时间ton=20μs，关断时间toff=30μs，负载电阻R=10Ω，忽略电感和开关管的损耗。（1）计算占空比D和输出电压Uo；（2）计算输出电流平均值Io和电感电流平均值IL。3.三相桥式全控整流电路接三相380V交流电源（线电压UL=380V），负载为大电感（电流连续），控制角α=30°。（1）计算输出电压平均值Ud；（2）画出晶闸管VT1的触发脉冲相位（以uA为参考，标注0°~360°范围内的触发位置）；（3）说明当α>60°时，输出电压波形的变化特点。五、综合应用题（20分）设计一个单相全桥电压型逆变电路，用于将直流电压Ud=300V转换为50Hz的正弦交流电压，驱动阻感负载（R=10Ω，L=20mH）。要求：（1）画出电路拓扑结构图（标注主要器件）；（2）说明电路的工作原理（包括IGBT的驱动信号逻辑和续流过程）；（3）计算负载电流的基波有效值I1（忽略谐波，采用正弦脉宽调制PWM，调制度M=0.8）；（4）分析若IGBT的驱动信号出现直通（同一桥臂上下管同时导通）会导致的后果及预防措施。参考答案一、单项选择题1.A2.A3.B4.C5.B6.A7.B8.B9.A10.B二、填空题1.电压；电流2.Ud=0.9U2(1+cosα)/2（注：单相桥式全控整流电阻负载公式为Ud=0.9U2cosα，此处可能笔误，正确应为Ud=0.9U2cosα，当α≤90°时；若为电阻负载，正确公式是Ud=0.9U2(1+cosα)/2仅当带续流二极管时，此处以教材为准，可能正确答案为Ud=0.9U2cosα）3.交流电能（同频率）；交流电能（负载所需频率）4.Buck（降压）；Boost（升压）5.载波（三角波）；调制波（正弦波）6.阳极（A）；阴极（K）7.0°~150°；0°~90°8.开通；关断9.通态；开关10.Ud=0.45U2(1+cosα)/2三、简答题1.导通条件：阳极和阴极间加正向电压（正向偏置），同时门极和阴极间加适当的正向触发脉冲（触发电流）。关断条件：晶闸管的电流小于维持电流IH（即阳极电流降至维持电流以下），或阳极和阴极间电压反向（如通过电路换流使其承受反向电压）。2.主要区别：（1）直流侧储能元件：电压型逆变电路直流侧并联大电容（电压源特性），电流型逆变电路直流侧串联大电感（电流源特性）；（2）输出电压/电流波形：电压型逆变电路输出电压为矩形波（电流波形受负载影响），电流型逆变电路输出电流为矩形波（电压波形受负载影响）；（3）续流方式：电压型逆变电路需在桥臂反并联二极管续流（为感性负载提供无功通道），电流型逆变电路可利用晶闸管自身续流（无需反并联二极管）；（4）器件要求：电压型逆变电路需耐高压器件，电流型逆变电路需耐大电流器件。3.基本原理：PWM（脉宽调制）通过高频载波（如三角波）与低频调制波（如正弦波）比较，生成一系列等幅不等宽的脉冲，脉冲宽度按正弦规律变化，通过低通滤波器后可得到近似正弦波的输出。优势：输出电压谐波含量低，无需笨重的工频变压器；可同时调节输出电压幅值和频率；开关损耗相对较低（高频开关但导通损耗小）；动态响应快。4.导通规律：阻感负载下，电感阻碍电流变化，晶闸管在α角触发导通后，电流逐渐上升；当电源电压过零时，电感储能维持电流，晶闸管继续导通，直到电流降至维持电流以下才关断，因此导通角θ>π-α，可能出现“续流”现象（无续流二极管时，晶闸管会在负半周继续导通，导致输出电压出现负半波）。波形特点：输出电压平均值Ud降低（因负半波电压抵消部分正半波电压）；电流波形连续且近似平直（电感滤波作用）；晶闸管的导通角大于电阻负载时的导通角。5.工作原理：Boost斩波电路由开关管VT、电感L、二极管VD、电容C和负载R组成。当VT导通时，电源Ui向电感L充电（L储能，电流上升），二极管VD截止，电容C向负载放电；当VT关断时，电感L的感应电动势（左负右正）与Ui串联，通过VD向电容C充电并向负载供电（L释放能量，电流下降）。稳定时，电感电流的增量等于减量，通过伏秒平衡推导输出电压。推导：导通时，电感电压UL=Ui（持续时间ton）；关断时，电感电压UL=Uo-Ui（持续时间toff）。伏秒平衡：Ui·ton=(Uo-Ui)·toff→Ui·D·T=(Uo-Ui)·(1-D)·T（T=ton+toff，D=ton/T），化简得Uo=Ui/(1-D)。四、分析计算题1.（1）单相桥式全控整流电阻负载，Ud=0.9U2cosα=0.9×220×cos60°=0.9×220×0.5=99V；Id=Ud/R=99/10=9.9A。（2）晶闸管承受的最大正反向电压为√2U2=220×1.414≈311V，UTN=2×311≈622V（取600V或700V标准值）；晶闸管电流有效值IT=Id×√(1/2)=9.9×0.707≈7.0A（单相桥式中，每个晶闸管导通半周期，电流有效值为负载电流有效值的1/√2），ITN=1.5×7.0≈10.5A（取10A或15A标准值）。2.（1）占空比D=ton/(ton+toff)=20/(20+30)=0.4；Boost电路Uo=Ui/(1-D)=20/(1-0.4)=33.33V。（2）输出电流Io=Uo/R=33.33/10≈3.33A；电感电流平均值IL=Io（连续模式下，电感电流平均值等于输出电流平均值，因电容电流平均值为0）。3.（1）三相桥式全控整流大电感负载（电流连续），Ud=2.34U2cosα（U2为相电压，U2=UL/√3=380/1.732≈220V），故Ud=2.34×220×cos30°≈2.34×220×0.866≈446V。（2）晶闸管VT1的触发脉冲应在uA的正半周，且滞后于自然换相点（α=30°），即相对于uA的0°相位，触发脉冲出现在30°+60°k（k=0,1,2...），具体位置为30°、90°、150°等（以uA为参考，自然换相点在30°，故α=30°时触发脉冲在30°+30°=60°？需修正：三相桥式全控整流中，自然换相点为各相电压的交点，对于a相，自然换相点在30°（相对于相电压过零点），故α=30°时触发脉冲在30°+30°=60°位置，即uA波形的60°处触发VT1）。（3）当α>60°时，输出电压波形会出现负半波（因电感储能不足以维持电流连续，晶闸管提前关断，导致电源电压负半周部分参与整流），但由于大电感负载电流连续，输出电压平均值随α增大而减小，当α=90°时Ud=0。五、综合应用题（1）电路拓扑：单相全桥逆变电路由4个IGBT（VT1~VT4）组成桥臂，每个IGBT反并联续流二极管（VD1~VD4），直流侧接电容Cd（滤波），负载为R-L串联。（2）工作原理：-驱动信号逻辑：采用双极性PWM控制，VT1和VT4为一组（上桥臂），VT2和VT3为另一组（下桥臂），两组驱动信号互补（即VT1、VT4导通时，VT2、VT3关断；反之亦然），频率为50Hz（基波频率），载波频率远高于50Hz（如10kHz）。-续流过程：当负载电流滞后电压（阻感负载），IGBT关断时，感性负载的电流通过反并联二极管续流（如VT1关断时，电流通过VD2续流，维持负载电流连续）。（3）基波电流有效值计算：单相全桥逆变电路采用SPWM时，输出电压基波有效值U1=M·Ud/2=0.8×300/2=120V（M为调制度，全桥电路电压幅值为Ud/2）；负载阻抗Z