电力电子技术第至作业答案

第2至第8章作业

第2章电力电子器件

I.使晶闸管导通的条件是什么？

答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发

电流（脉冲）。或：UAK>0且UGK>0。

2.维持晶闸管导通的条件是什么？

答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小

电流，即维持电流。

3.如何才干使品闸管由导通变为关断？

答：要使晶闸管由导通变为关断，可运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、即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸

管关断。

4.图I中阴影部分为晶闸管处在通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为Im,试计算

各波形的电流平均值Idl、Id2、Id3与电流有效值II、12、13。

图1晶闸管导电波形

解：a）心号£小沁.⑻二今（岑+1）“0.2717L

/尸整gsld(“)言生＞0.4767I.

/=：//^sinaxd(3)=j(f+1)把0.5434L

b)

2m

Ii=/—L(Zwsintat)^(d/)=J—i---%0.898J

丫)匕2V227

i£

c)Tn=)=0.23/

IT

/「d(d)=0.54

7.晶闸管的触发脉冲需要满足哪些条件？

答：（1）触发信号应有足够的功率。

（2）触发脉冲应有一定的宽度，脉冲前沿尽也许能，使元件在触发导通后，阳极

电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。

第3章整流电路

1.单相半波可控整流电路对电感负载供电,L=20mH,U2=100V,求当a=0。和60°时的

负载电流Id,并画出ud与id波形。

解：a=0。时，在电源电压位的正半周期晶闸管导通时，负载电感1储能，在晶

闸管开始导通时刻，负载电流为零。在电源电压&的负半周期，负载电感［释

放能量，晶闸管继续导通，因此，在电源电压比的一个周期呈，以下方程均成

立：

Ad'=>/2L\sin3

dr"

考虑到初始条件：当/t=0时h=0可解方程得：

ii="2(1-COS6X)

aL

'=Jo_cosdr)d(eyr)

=正2=22.51(A)

G£

如与力的波形如下图：

当a=60•时，在比正半周期6伊~180。期间晶闸管导通使电感上储能，电感

£储藏的能量在d负半周期180。、300。期间释放，因此在比一个周期中60。、300c

期间以下微分方程成立：L^=41U.sindX

dr*

考虑初始条件：当啰2=60。时乙=0可解方程得：

.42UA、

〃=----2-(--cosar)

o£2

2.单相桥式全控整流电路,U2=100V,负载中R=2Q,L值极大，当a=30°

时，规定：①作出ud、id、和i2的波形；②求整流输出平均电压Ud、电流Id,变

压器二次电流有效值12；③考虑安全裕量，拟定昂闸管的额定电压和额定电流。

解：①s、&和之的波形如下图：

②输出平均电压质、电流屋变压器二次电流有效值7；分别为

4=0.9Vco^=0.9X100Xcos30s=77.97(V)

&=乙/及=6.36(A)

故晶闸管的额定电压为：

(2^3)X141.4=283^424(V)

晶闸管的额定电流为：

4=(1.夕2)X6.36/1.37=6、8(A)

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，

4.单相桥式半控整流电路，电阻性负载，画出整流二极管在一周内承受的电压波形。

解：注意到二极管的特点：承受电压为正即导通，因此，二极管承受的屯压不会

出现正的部分,在电路中器件均不导通的阶段，交流电源电压由晶闸管平衡。

整流二极管在一周内承受的电压波形如下：

/X

5.单相全控桥，反电动势阻感负载,R=lQ,L=8,E=40V,U2=100V,LB=0.5mH.当a=60°

时求Ud、Id与g的数值，并画出整流电压ud的波形。

解：考虑时，有：

员=0.9£^cosa—AB

\a=2XH/7i

L=(G-£)/R

解方程组得：

员=(万50.9，五。$。+2龙£)/(万丹+2及)=44.55(V)

△4=0.455(V)

7s=4.ob(A)

又,:

cosa—cos(a+/)=V2IdX3/Ui

即得出

cos(600+/)=0.4798

换流重叠角

7=61.33°-60°=1.33°

最后，作出整流电压&的波形如下：

6.单相桥式全控整流电路中，当负载分别为电阻负载或电感负载时，规定的晶闸管移相范

围分别是多少？

答：单相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，规定的晶闸管移相范围是0~

180°,当负载为电感负载时，规定的晶闸管移相范围是0~90°。

7.在三相半波整流电路中.假如a相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载下

整流电压ud的波形。

解：假设a=0。，当负载为电阻时，比的波形如下:

8.三相半波可控整流电路,U2=100V,带电阻电感负载,R=5Q,L值极大，当a=60'时,

规定：

①画出〃d、41和ivn的波形；

②计算Ud、Al、/dT和，VT。

Iu&、2i和ivn的波形如下图：

②以工、乙和而分别如下

/£=L17Gccs〃=lJ7X100Xccs60°—(V)

Zd=6i/R=58.5/5=11.7(A)

1瓯=4/3=11.7/3=3.9(A)

k=1JV3=6.755(A)

9.在三相桥式全控整流电路中，电阻负载，假如有一个晶闸管不能导通，此时的整流电压

ud波形如何？假如有一个晶闸管被击穿而短路，其他晶闸管受什么影响？

答：假设\工不能导通，整流电压4波形如下:

假设VT：被击穿而短路，则当晶闸管VT;或VT.导通时，将发生电源相间短路,

使得\不、\工也可能分别被击穿，

10.三相桥式全控整流电路,U2=IOOV,带电阻电感负载,R=5C,L值极大，当a=60°时,

规定：

①画出〃d、1和皿的波形;

②计算Ud、41、/dT和，VT。

解：①5、2；和的波形如下:

②乙、A、G和XT分别如下

&=2.32cosa=2.34X10CXcos60s=117(V)

4117/5=23.4(A)

&K=li；,,3=23.4/3=1.8(A)

ivr=IA/V3=23.4/\3=13.51(A)

II.三相全控桥,反电动势阻感负就E=200V,R=lQ,L=8,u2=220V,a=60°,当①LB=0和

②LB=lmH情况下分别求Ud、Id的值，后者还应求g封分别作出ud与iT的波形。

解：①当£B=0时：

员=2.34£2osa=2.34X220Xcos60==257.4(V)

4=/R=(257.4-200)/1=57.4(A)

②当£产1硒时

4=2.34tcosa-

△娱=3是A/TT

4=gE)/R

解方程组得：

4=(2.34〃右斤cosa+3%£)/("R+3苍)=244.15(V)

4=44.15(A)

A£d=13.25(V)

又cose-cos(a+y)=2%/v'6H

cos(60°+/)=0.4485

r=63.35*-60，=3.35,

Ui、&n和I,,ii的波形如下:

12.三相桥式全控整流电路中，当负载分别为电阻负载或电感负载时，规定的晶闸管移相范

围分别是多少？

答：三相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，规定的晶闸管移相范围是（）

〜120°,当负载为电感负载时，规定的晶闸管移相范围是。〜90°。

13.三相桥式全控整流电路，其整流输出电压中具有哪些次数的谐波？其中幅值最大的是

哪一次？变压器二次侧电流中具有哪些次数的谐波？其中重要的是哪几次？

答：三相桥式全控整流电路的整流输出电压中具有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具有6k1(k=K2、

3……)次的谐波，其中重要的是5、7次谐波。

14.三相桥式全控整流电路,U2=100V,带电阻电感负载,R=5Q,L值极大,当a=60°时,规

定：(1)计算Ud、Id、IdT和IVT；(2)i2的5、7次谐波分量的有效值125、127；(3)

输入功率因数。

斛(1)口、4、石和工I分别如下

乙=2.34Gcosa=2.34XWOXcosGO1=117(V)

4=C"4117/5=23.4(A)

W/3=23.4/3=7.8(A)

V3=23.4/V3=13.51(A)

(2)由此可计算出3次和7次谐波分量的有效值为：

115=yf6IA/5TT=X23.4/5TT=3.65(A)

y[6Id/7TT=v6X23.4/7TT=2.61(A)

(3)基波电流的有效值：

lx=ZJ/TT=y/cX23.39/TT=18.243(A)

基波因数为

v=IJI=UIi=Q.955

电路的输入功率因数为：

2=vcostz=0.955cos60=0.48

15.使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么？

答：条件有二：

(1)直流侧要有电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变

流电路直流侧的平均电压；

(2)规定晶闸管的控制角。＞兀/2,使Ud为负值。

16.什么是逆变失败？如何防止逆变失败？

答：逆变运营时，一旦发生换流失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成

短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变为顺向串联，由于逆变电路

内阻很小，形成很大的短路电流，称为逆变失败或逆变颠覆。

防止逆变失败的方法有：采用精确可靠的触发电路，使用性能良好的晶闸管，保

证交流电源的质量，留出充足的换向裕量角B等。

第4章逆变电路

1.无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？

答：两种电路的不同重要是：有源逆变电路的交流侧接电网，即交流侧接

有电源。而无源逆变电路的交流侧直接和负载联接。

2.换流方式各有那几种？各有什么特点？

答：换流方式有4种：

器件换流：运用全控器件的自关断能力进行换流。全控型器件采用此换流方

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前于负

载电压时，可实现负载换流。

逼迫换流：设立附加换流电路，给欲关断的晶闸管逼迫施加反向电压换流称为逼

迫换流。通常是运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

流和逼迫换流3种方式。

3.什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？两者各有什么特点。

答：按照逆变电路直流测电源性质分类，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

逆变电路的重要特点是：

①直流侧为电压源，或并联有大电容，相称于电压源。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，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载

阻抗角无关。而交流侧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。

电流型逆变电路的重要特点是：

①直流侧串联有大电感，相称于电流源。直流侧电流基本无脉动，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途径，因此交流侧输出

电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载

阻抗情况的不同而不同。

③当交流侧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。由于反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样要

给开关器件反并联二极管

4.电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？

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，而当输出电压电流极性相反时，由反馈二

极管提供电流通道。

5.为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？

答：在电流型逆变电路中，直流电流极性是一定的，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，仍然经电路中的

可控开关器件流通，因此不需要并联反馈二极管。

第5章直流一直流变流电路

1.介绍降压斩波电路工作原理

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ton,由电源E

向L、R、M供电，在此期间,uo=E。然后使V关断一段时间toff,此时电感L

通过二极管VD向R和M供电,uo=00一个周期内的平均电压。输出电压小

于电源电压，起到降压的作用。

2.介绍升压斩波电路工作原理

答：假设电路中电感£值很大，电容。值也很大,当V处于通态时，电源5向电

感£充电，充电电流基本恒定为同时电容。上的电压向负载斤供电，因C

值很大，基本保持输出电压为恒值及0设V处于通态的时间为此阶段电感』

上积蓄的能量为反。当V处于断态时£和£共同向电容C充电并向负载a提

供能量,设V处于断态的时间为占「则在此期间电感上释放的能量为

(uo0当电路工作于稳态时，一个周期T中电感z积蓄的能量与释放的

能量相等，即：

用心

化简得：

uo='8+--E=LE

展L三

式中的丁“。£21，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路，

3.在降压斩波电路中，已知£=20()丫.1^=10。，1值极大,£乂二30丫,1=5()口靠011=20口.计算

输出电压平均值Uo,输出电流平均值loo

解：由于£值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为

%二2°x200二so⑺

T50

输出电流平均值为

兀%4=80—30

=5(A)

R10

4.在下图所示的降压斩波电路中，E=100V,L=lmH.R=0.5Q,EM=10V,采用脉宽调制控制

方式,T=20"当ton=5us时，计算输出电压平均值U。，输出电流平均值I。，计算输出电流

的最大和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续。当ton=3us时，重新进行上述计算。

解：由题目已知条件可得:

101

m=M==0A.1

E100

L0.001八A、

r=-=----=0A.002

R0.5

当f°n=5〃S时，有

Q=1=0.01

r

什与=0.0025

由于

310.825i

e

L_^l=-1^).249>7H

ep-\e001-l

所以输出电流连续。

此时输出平均电压为

ULE二也三二25(V)

T20

输出平均电流为

Zo义。/二售券二30(A)

输出电流的最大和最小值瞬时值分别为

-0.1|100=30.19(A)

Jo.5

>00025

_(e^-l|£_fe-ldlOO-onOA

/T向/长[产_]-。1|05-田81“(A)\

当G=3〃s时，采用同样的方法可以得出：

ap=0.0015

由于

Cl-

eff-i-g00l-i二0.149>力

所以输出电流仍然连续。

此时输出电压、电流为平均值以及输出电流最大、最小瞬时值分

别为:

T20

旦・八二15-1。二］0（A）

R0.5

1-e-00015A

-4nax-~-o.oi0，1—=10,13(A)

0.5

/0XX)15i

e一1八.

-^nin-o.oi~~\0」£=9.873(A)

e—1

5.在升压斩波电路中，已知E=50V,L值和C值极大,R=10。，采用脉宽调制控制方式，当

T=40us,ton=20us时，计算输出电压平均值Uo,输出电流平均值Io.

uO

升压斩波电路

解：由题目已知条件可得:

1

E100

L0.001

=0.002

'"A"0.5

当&T三己礼S时，有

T

p--=0.01

r

卯J=0.0025

由于

产-1产1

=0.249>m

ep

所以输出电流连续。

此时输出平均电压为

a行二』）

输出平均电流为

^M=^=30(A)

R

输出电流的最大和最小值瞬时值分别为

,］《002$

1)E100=30.19(A)

------------m［一°」

1—厂✓~R0.5

］、

产一1〔/产0.00257_一叫100=29.81(A)

-----------m、三

ep-\0.5

当二二3〃s时，采用同样的方法可以得出：

ap=0.0015

由于

e^-1_1

户­=0.3

所以输出电流仍然连续，

此时输出电压、电流的平均值以及输出电流最大、最小瞬时值分别为:

a£=12^2=15（V）

T20

=10(A)

R

p-e-000150.1|125=1O.13(A)

二Il-^01

0.5

%0.0015_J

0.1—=9.873(A)

-~Aoir

e-10.5

第6章交流.交流变流电路

1.一单相交流调压器，电源为工频220V,阻感串联作为负载，其中R=0.5Q,

L=2mHo试求：①开通角a的变化范围；②负载电流的最大有效值；③最大输

出功率及此时电源侧的功率因数；④当a=时，晶闸管电流有效值，晶闸管导通

角和电源侧功率因数。

解：①负载阻抗角为：

6

夕二arctan(―):arctan(21x50x2x10')=089864=51.49

R0.5

开通角a的变化范围为：

(P<a<7i

即

0.89864<

③当a二。时，输出电压最大，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为

220

R=37.532(KW)

，炉+(区)1

功率因数为

2gx37532

Z=-------=-------------------=0.6227

UJO220x273.98

实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦，即

cos^=0.6227

@a=，时，先计算晶闸管的导通角，由式(4-7)得

2

sin(：+9-0.89864)=sin(^-0.S9864)

解上式可得晶闸管导通角为：

0=2.375=136.T

也可由图4-3估计出。的值。

此时，晶闸管电流有效值为

sin0cos(2a十。+0)

AT=U-----------------------------------------

cos。

220X2.375-.2-3-5乂3(笈-。.89864~2.3-5)二］23.2。)

4171x0.803cosO.89864

电源侧功率因数为

其中:

Zo=>/2ZVT=174.2(A)

于是可得出

,I；R174.22x0.5八，…

2=-2—=-----------=0.3959

LVO220x174.2

2.一调光台灯由单相交流调压电路供电，设该台灯可看作电阻负载，在a=0时输出功率为

最大值，试求功率为最大输出功率的80%,50%时的开通角a。

解：。二0时的输出电压最大，为

=J.6X），d以=U：

此时负载电流最大，为

RR

因此最大输出功率为Pmw=am/onux=

R

输出功率为最大输出功率的80%时.有：

p0§尸（廊5尸

P=------------

K

此时，

,r

UQ=vO8t-1

又由

"Isin2a7t-a

Co=^1iJ——十——

V17TK

解得

a=60.54=

同理，输出功率为最大输出功率的50%时，有：

u、=际5

又由____________

V17TK

a=90,

第7章PWM控制技术

1.介绍PWM控制的基本原埋。

答：PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通