《电力电子技术》题库含答案

《电力电子技术》题库含答案一、单项选择题（每题2分，共30分）1.以下电力电子器件中，属于全控型器件的是（）A.普通晶闸管（SCR）B.门极可关断晶闸管（GTO）C.电力二极管（PowerDiode）D.绝缘栅双极晶体管（IGBT）答案：D解析：全控型器件可通过控制极信号同时控制导通与关断，IGBT是电压驱动全控型器件；GTO虽为全控型，但属于晶闸管派生器件，通常归类为半控型扩展；SCR为半控型，仅能控制导通；二极管为不可控器件。2.单相桥式全控整流电路带电阻负载时，触发角α的移相范围是（）A.0°~90°B.0°~120°C.0°~150°D.0°~180°答案：D解析：电阻负载下，单相桥式全控整流电路的晶闸管在α=0°时全导通，α=180°时输出电压为0，因此移相范围为0°~180°。3.电压型逆变电路的特点是（）A.直流侧串联大电感B.交流侧输出电流为矩形波C.直流侧电压基本无脉动D.晶闸管需强迫换流答案：C解析：电压型逆变电路直流侧并联大电容，电压基本无脉动；交流侧输出电压为矩形波，电流波形由负载决定；通常采用全控型器件（如IGBT）实现自换流，无需强迫换流。4.Buck变换器（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=Ui/(1-D)B.Uo=Ui·DC.Uo=Ui·(1-D)D.Uo=Ui/(D)答案：B解析：Buck变换器中，开关管导通时输入电压直接加在负载上，关断时电感续流维持输出，稳态下输出电压Uo=Ui·D（D=导通时间/周期）。5.软开关技术的核心目的是（）A.提高开关频率B.降低器件成本C.简化控制电路D.减少开关损耗答案：D解析：软开关通过谐振等方式使器件在零电压或零电流条件下开关，显著降低开关损耗，从而允许提高开关频率。6.三相桥式全控整流电路带阻感负载（L足够大）时，触发角α的移相范围是（）A.0°~60°B.0°~90°C.0°~120°D.0°~150°答案：B解析：阻感负载下，电感使电流连续，当α>90°时，输出电压平均值变为负，可能进入逆变状态，因此整流状态下移相范围为0°~90°。7.以下器件中，开关速度最快的是（）A.IGBTB.MOSFETC.GTOD.SCR答案：B解析：MOSFET为单极型器件，无少子存储效应，开关速度最快（纳秒级）；IGBT为双极型与单极型结合，开关速度次之（微秒级）；GTO和SCR为双极型器件，开关速度最慢。8.单相半波可控整流电路带电阻负载时，输出电压平均值Ud与输入交流电压有效值U2的关系为（α为触发角）（）A.Ud=0.45U2(1+cosα)/2B.Ud=0.9U2cosαC.Ud=0.45U2cosαD.Ud=1.17U2cosα答案：A解析：单相半波整流电阻负载时，输出电压平均值为Ud=(1/2π)∫（α到π）√2U2sinωtd(ωt)=0.45U2(1+cosα)/2。9.电流型逆变电路的直流侧特点是（）A.并联大电容B.串联大电感C.并联大电感D.串联大电容答案：B解析：电流型逆变电路直流侧串联大电感，使输入电流基本无脉动，呈现恒流源特性。10.以下哪种PWM控制方法的谐波特性最优？（）A.单极性SPWMB.双极性SPWMC.空间矢量PWM（SVPWM）D.滞环比较PWM答案：C解析：SVPWM通过优化电压空间矢量的切换，使输出电压更接近正弦波，谐波含量更低，直流电压利用率更高。11.晶闸管的维持电流IH是指（）A.门极触发时的最小电流B.阳极电流下降到维持导通的最小电流C.额定通态平均电流D.反向击穿电流答案：B解析：维持电流IH是晶闸管导通后，当门极信号撤除，阳极电流下降到仍能维持导通的最小电流，低于此值晶闸管将关断。12.Boost变换器（升压斩波电路）工作于连续导电模式（CCM）时，电感电流的特点是（）A.开关管导通时电感电流上升，关断时下降B.开关管导通时电感电流下降，关断时上升C.电感电流始终为零D.电感电流在开关周期内不连续答案：A解析：CCM下，Boost变换器开关管导通时，输入电压加在电感上，电流线性上升；关断时，电感与输入电压串联向电容充电，电流线性下降，周期内无断流。13.三相半波可控整流电路带电阻负载时，每个晶闸管的导通角为（）A.60°B.90°C.120°D.180°答案：C解析：三相半波整流中，每相晶闸管在对应相电压正半周触发导通，三相轮流导通，每管导通120°（360°/3）。14.以下哪项不是电力电子装置的主要损耗？（）A.导通损耗B.开关损耗C.磁芯损耗D.机械摩擦损耗答案：D解析：电力电子装置损耗主要包括器件导通损耗（通态压降×电流）、开关损耗（开通/关断过程的能量损耗）、磁性元件（电感、变压器）的磁芯损耗（涡流损耗、磁滞损耗），无机械摩擦损耗。15.无源逆变电路的功能是（）A.将直流电能转换为交流电能并回馈电网B.将交流电能转换为直流电能C.将直流电能转换为交流电能供给负载D.将低频交流电能转换为高频交流电能答案：C解析：无源逆变将直流电能转换为交流电能直接供给负载（如变频器驱动电机），有源逆变则将直流电能回馈电网（如直流电机再生制动）。二、判断题（每题2分，共30分，正确打√，错误打×）1.晶闸管的导通条件是阳极加正向电压且门极加触发脉冲。（）答案：√解析：晶闸管导通需同时满足阳极正向偏置和门极触发脉冲，缺一不可。2.单相桥式半控整流电路带电阻负载时，不会出现失控现象。（）答案：×解析：半控桥带电阻负载时，若触发角α过大（如α>90°），二极管续流会导致晶闸管无法关断，出现“失控”（输出电压异常升高）。3.电压型逆变电路的交流侧负载可以是感性或容性。（）答案：√解析：电压型逆变输出电压为矩形波，负载电流由电压和负载阻抗决定，可适应感性、容性或阻性负载。4.Buck变换器的占空比D越大，输出电压越高。（）答案：√解析：Buck变换器Uo=Ui·D，D增大则输出电压升高（D≤1）。5.软开关电路中，器件的开关过程发生在零电压或零电流条件下，因此无开关损耗。（）答案：×解析：软开关仅降低开关损耗，无法完全消除（如导通时的结电容放电、关断时的载流子复合仍有微小损耗）。6.三相桥式全控整流电路带阻感负载时，输出电流波形是连续的。（）答案：√解析：阻感负载中电感抑制电流变化，使电流连续，波形近似平直。7.MOSFET是电流驱动型器件，需要较大的驱动功率。（）答案：×解析：MOSFET是电压驱动型器件，输入阻抗高，驱动功率小（仅需对栅极电容充放电）。8.单相全波整流电路（双半波）与单相桥式全控整流电路的输出电压平均值相同。（）答案：√解析：两者在相同输入电压和触发角下，输出电压平均值均为0.9U2cosα（电阻负载）。9.电流型逆变电路的交流侧输出电流波形为矩形波，电压波形由负载决定。（）答案：√解析：电流型逆变直流侧为恒流源，交流侧电流波形接近矩形波，电压波形由负载阻抗（如感性负载时电压为正弦波）决定。10.Boost变换器工作于不连续导电模式（DCM）时，输出电压随负载电阻增大而升高。（）答案：√解析：DCM下，负载电阻增大（电流减小）会导致电感电流在开关周期内提前降到零，续流时间缩短，输出电压升高（Uo=Ui·(1+√(2L/(RTD²)))，R增大则Uo增大）。11.晶闸管的通态平均电流（额定电流）是指其允许通过的最大直流电流。（）答案：×解析：通态平均电流是正弦半波电流的平均值（波形系数1.57），实际允许的有效值为1.57倍的额定电流。12.SPWM控制中，载波比N=fc/fm（fc为载波频率，fm为调制波频率），N越大，输出谐波越集中在高频段。（）答案：√解析：载波比越大，调制波与载波的频率差越大，谐波频率越高，容易通过滤波器消除。13.三相半波可控整流电路带电阻负载时，触发角α的最大移相范围是0°~150°。（）答案：√解析：电阻负载下，三相半波整流的晶闸管在α=150°时，导通角为30°（180°-150°），输出电压为0，因此移相范围0°~150°。14.IGBT的安全工作区（SOA）同时受电压、电流和功耗限制。（）答案：√解析：IGBT的SOA需满足正向偏置安全工作区（FBSOA）和反向偏置安全工作区（RBSOA），涉及电压、电流及瞬时功耗限制。15.有源逆变的条件包括直流侧有电动势、交流侧有电网且晶闸管触发角α>90°。（）答案：√解析：有源逆变需直流侧电动势大于交流侧电压的平均值（保证能量回馈），交流侧需有电网提供换流电压，且α>90°使输出电压平均值为负。三、简答题（每题5分，共30分）1.简述电力电子器件的主要分类及特点。答案：电力电子器件按控制能力分为三类：（1）不可控器件：仅受外电压/电流控制导通与关断（如电力二极管），无控制极；（2）半控型器件：能控制导通但不能控制关断（如普通晶闸管SCR），关断需依赖外电路（电流过零）；（3）全控型器件：能通过控制极信号同时控制导通与关断（如IGBT、MOSFET），控制灵活，适用于高频场景。2.比较单相桥式全控整流电路与半控整流电路的区别。答案：（1）结构：全控桥4只晶闸管，半控桥2只晶闸管+2只二极管；（2）失控现象：半控桥带阻感负载时可能因二极管续流导致晶闸管无法关断（失控），全控桥无此问题；（3）输出特性：全控桥移相范围0°~180°（电阻负载），半控桥移相范围0°~120°（电阻负载）；（4）应用场景：全控桥适用于需要逆变的场合（如可逆直流电机），半控桥用于不可逆整流（如充电装置）。3.说明PWM控制的基本原理及其在逆变电路中的作用。答案：PWM（脉宽调制）通过控制开关器件的通断时间比（占空比），使输出电压或电流的平均值按正弦规律变化。其核心是用高频矩形波等效替代正弦波（面积等效原理）。在逆变电路中，PWM可实现：（1）输出电压幅值调节（通过调整调制比）；（2）输出频率调节（通过调整调制波频率）；（3）降低谐波含量（高频开关使谐波集中在载波频率附近，易滤波）；（4）提高直流电压利用率（如SVPWM比SPWM高15%）。4.分析Boost变换器工作于连续导电模式（CCM）的稳态条件。答案：CCM的条件是电感电流在开关周期内不降到零，即电感电流的最小值ILmin≥0。稳态时，电感电压的伏秒平衡成立：导通阶段（开关管通）：电感电压UL=Ui，伏秒积为Ui·D·T；关断阶段（开关管断）：电感电压UL=Ui-Uo，伏秒积为(Ui-Uo)·(1-D)·T；根据伏秒平衡：Ui·D·T+(Ui-Uo)·(1-D)·T=0→Uo=Ui/(1-D)（D为占空比）。同时，电感电流的纹波ΔIL=Ui·D·T/L，当ΔIL/2≤电感电流平均值IL时，电路工作于CCM（IL≥ΔIL/2）。5.简述晶闸管的换流方式及其适用场景。答案：晶闸管换流方式包括：（1）器件换流：利用全控型器件关断晶闸管（仅适用于全控器件）；（2）电网换流：依赖电网电压自然过零关断（适用于有源逆变、整流电路）；（3）负载换流：利用负载谐振产生反向电压关断（适用于负载为容性的逆变电路，如高频感应加热）；（4）强迫换流：通过附加换流电路产生反向电压关断（适用于无源逆变电路，如早期晶闸管变频器）。6.比较电压型逆变电路与电流型逆变电路的主要区别。答案：（1）直流侧储能元件：电压型并联大电容（恒压源），电流型串联大电感（恒流源）；（2）输出波形：电压型输出电压为矩形波，电流波形由负载决定；电流型输出电流为矩形波，电压波形由负载决定；（3）器件要求：电压型需并联续流二极管（感性负载时提供电流通路）；电流型需串联二极管（防止晶闸管反向电压）；（4）应用场景：电压型适用于电机驱动、不间断电源（UPS）；电流型适用于大容量交-交变频、高压直流输电（HVDC）。四、分析计算题（共40分）1.（10分）单相桥式全控整流电路带电阻负载，输入交流电压有效值U2=220V，触发角α=60°，负载电阻R=10Ω。求：（1）输出电压平均值Ud；（2）输出电流平均值Id；（3）晶闸管的电流有效值IT；（4）输入功率因数λ。解：（1）单相桥式全控整流电阻负载输出电压平均值：Ud=0.9U2cosα=0.9×220×cos60°=0.9×220×0.5=99V（2）输出电流平均值：Id=Ud/R=99/10=9.9A（3）晶闸管电流有效值（每管导通180°，电流波形为正弦半波）：IT=Id×√(1/2)=9.9×0.707≈7.0A（或用公式IT=√[(1/2π)∫（α到π+α）(√2U2/Rsinωt)²d(ωt)]=Ud√(1/2)/R=99×0.707/10≈7.0A）（4）输入功率因数λ=有功功率P/视在功率S；有功功率P=Ud×Id=99×9.9=980.1W；视在功率S=U2×I2（I2为输入电流有效值，单相桥式整流输入电流为正负对称的矩形波，宽度为π-α到π+α，有效值I2=Id×√[(π-α)/π]，当α=60°时，(π-α)/π=2/3，故I2=9.9×√(2/3)≈8.0A）；λ=980.1/(220×8.0)≈0.56（或更精确计算：I2=√[(1/π)∫（α到π）(Idsinωt)²d(ωt)]=Id√[(1/π)(π/2-sin2α/4)]，代入α=60°得I2=9.9×√[(1/π)(π/2-sin120°/4)]≈8.0A，λ≈0.56）。2.（10分）三相桥式全控整流电路带阻感负载（L足够大，电流连续），输入线电压UL=380V（相电压U2=UL/√3=220V），触发角α=30°，负载电流Id=100A。求：（1）输出电压平均值Ud；（2）晶闸管的电流平均值IT(av)和有效值IT；（3）晶闸管的额定电压UTN和额定电流IT(AV)（电压安全系数取2，电流安全系数取1.5）。解：（1）三相桥式全控整流阻感负载输出电压平均值：Ud=2.34U2cosα=2.34×220×cos30°≈2.34×220×0.866≈442V（2）晶闸管电流平均值（每管导通120°，周期内导通1/3时间）：IT(av)=Id/3=100/3≈33.3A；有效值IT=Id×√(1/3)=100×0.577≈57.7A（3）晶闸管承受的最大正反向电压为线电压峰值√2UL=√2×380≈537V；额定电压UTN=2×537≈1074V（取1100V或1200V标准值）；晶闸管额定电流IT(AV)=IT/1.57×1.5≈(57.7/1.57)×1.5≈36.8×1.5≈55.2A（取60A标准值）。3.（10分）Boost变换器输入电压Ui=24V，输出电压Uo=48V，负载电阻R=12Ω，开关频率f=50kHz（周期T=20μs），电感L=100μH。假设变换器工作于CCM，求：（1）占空比D；（2）电感电流平均值IL；（3）电感电流纹波ΔIL；（4）输出电容C