电力及其电子技术 答案 5

南余荣.电力电子技术（第3版）.电子工业出版社【参考答案】第5章交流-直流变换技术5-1．某电阻负载要求36V直流电压，最大负载电流=30A，采用单相桥式全控整流电路，如果交流采用220V直接供电与用变压器降至72V供电是否都满足要求?试分别计算两种方案的晶闸管导通角、负载电流有效值。解：220V供电时所以，。满足要求。此时，导通角。，72V供电时所以，。满足要求。此时，导通角，5-2．单相桥式全控整流电路，交流侧电压＝110V，负载中电阻R＝3Ω，电感L值极大，当控制角时，试求：1）画出整流电压、电流、和变压器副边电流的波形；2）求整流输出平均电压、电流，变压器二次电流有效值；3）考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。答：1）2）输出平均电压、电流，变压器二次电流有效值分别为3）晶闸管承受的最大反向电压为＝155.56V）考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为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：晶闸管的额定电流为具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。5-3．单相桥式全控整流电路，交流侧电压，负载中电阻，电感L值极大，反电动势E=110V，当控制角时，试求：1）画出整流电压、电流、和变压器副边电流的波形；2）整流输出平均电压、电流以及变压器二次电流有效值；3）考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：1）ud、id和i2的波形如下图2）整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2分别为Ud＝0.9U2cosα＝0.9×220×cos30°＝171.53(A)Id＝(Ud－E)/R＝(171.53－110)/3＝20.5(A)I2＝Id＝20.5(A)3）晶闸管承受的最大反向电压为U2＝220＝311.08（V）流过每个晶闸管的电流的有效值为：IVT＝Id∕＝14.5（A）故晶闸管的额定电压为：UN＝(2~3)×311.08＝622~933（V）晶闸管的额定电流为：IN＝(1.5~2)×14.5∕1.57＝14~19（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。5-4．单相全波可控整流电路，分别给电阻性负载供电和带阻感负载供电时，如果流过负载电流的平均值相同，试问哪种情况下通过负载的电流有效值更大?答：电阻性负载的电流有效值大些，带阻感负载的电流有效值小一些。由于具有电感，当其电流增大时，在电感上会产生感应电动势，抑制电流脉动，电流波形平直，平均值相同时，其电流有效值更小，相反，电阻负载时，电流波形波动较大，平均值相同时有效值大。5-5．具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，试说明：1）晶闸管承受的最大反向电压为；2）当负载是电阻或阻感时，其输出电压和电流的波形与单相全控桥时相同。3）变压器有直流磁化问题吗？答：见教材图5-5。1）以晶闸管为例。当导通时，晶闸管的阴极与变压器二次侧上绕组的上端连接，阳极与二次侧下绕组的下端连接，所以承受的最大电压为。2）因为单相桥式可控整流电路的对角晶闸管同时通断，2组对角晶闸管分别与全波可控整流电路的2个晶闸管的通断相对应，只要导通，负载电压就为变压器二次侧绕组电压。只要单相全波可控整流电路具有中心抽头变压器二次侧的上绕组、下绕组、单相桥式可控整流电路中的变压器二次侧绕组电压相同，则其输出电压波形相同，负载相同时，则其输出电流波形也相同。3）具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，该变压器没有直流磁化的问题5-6．单相全波可控整流电路，交流侧电压=110V，负载中电阻R=3Ω，电感L值极大，当控制角时，试求：1）画出整流电压、电流、和变压器副边电流的波形；2）整流输出平均电压、电流，变压器二次电流有效值；3）考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：1)整流电压、电流、和变压器副边电流的波形如下。2)整流输出平均电压、电流，变压器二次电流有效值计算如下。3)晶闸管的额定电压和额定电流5-7．上题中，如果负载两端并接一续流二极管，其输出直流电压、电流平均值又是多少?并求此时流过晶闸管和续流二极管的电流平均值、有效值，画出整流电压、电流波形。解：输出直流电压、电流平均值二极管电流平均值二极管电流有效值晶闸管电流平均值晶闸管电流有效值5-8．在三相半波可控整流电路中，如果触发脉冲出现在自然换流点附近之前，能否进行换流?可能会出现什么情况?答：触发脉冲出现在自然换流点附近之前，不能换流。如果三个触发脉冲全部出现在自然换流点附近之前，输出电压为0，如果其中一个触发脉冲全部出现在自然换流点附近之前，该相无输出电压。5-9．三相半波可控整流电路，如果a相的触发脉冲消失，试绘出电阻性负载和电感性负载下的直流电压波形。答：在如图控制角的作用下，电阻性负载和电感性负载下的直流电压波形分别如图b）和c）。5-10．三相半波可控整流电路，交流侧电压=110V，电阻负载，电阻R=3Ω，当控制角=时，试求：1）画出整流电压、电流和通过晶闸管电流的波形；2）计算整流输出平均电压、电流。答：1）整流电压、电流和通过晶闸管电流的波形如下图。2）整流输出平均电压、电流5-11．三相半波可控整流电路，=110V，带电阻电感负载，电阻R=3Ω，电感L值极大，当控制角=时，试求：1）画出整流电压、电流和通过晶闸管电流的波形；2）计算整流输出平均电压、电流、通过晶闸管电流平均值和有效值。解：1）整流电压、电流和通过晶闸管电流的波形如图。2）、、和分别如下5-12．在三相桥式全控整流电路中，电阻负载，如果有一个晶闸管不能导通，此时的整流电压ud波形如何？如果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VT1不能导通，整流电压ud波形如下。假设VT1被击穿而短路，则当晶闸管VT3或VT5导通时，将发生电源相间短路，使得VT3、VT5也可能分别被击穿。5-13．三相桥式全控整流电路，交流侧电压=110V，带电阻电感负载，电阻R=3Ω，电感L值极大，当控制角=时，求：1）画出整流电压、电流和通过晶闸管电流的波形；2）计算整流输出平均电压、电流、通过晶闸管电流平均值和有效值。解：1)整流电压、电流和通过晶闸管电流的波形如下图。2)、、和分别如下5-14．三相桥式全控整流电路，交流侧电压=100V，带电阻电感反电动势负载，电阻R=5Ω，电感L值极大，反电动势E=20V，当控制角=时，试求：1）画出整流电压、电流和通过晶闸管电流的波形；2）计算整流输出平均电压、电流、通过晶闸管电流平均值和有效值。解：1）整流电压、电流和通过晶闸管电流的波形如图。2）整流输出平均电压、电流、通过晶闸管电流平均值和有效值5-15．单相桥式全控整流电路、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，要求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，要求的晶闸管移相范围是，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是。三相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，要求的晶闸管移相范围是，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是。5-16．三相桥式全控整流电路，六个晶闸管需要6个触发信号，请问这6个触发信号之间有什么样的相位关系？答：根据教材中三相桥式全控整流电路，共阴极组的晶闸管VT1、VT3、VT5，哪个阳极电位最高时，那个相应的晶闸管应触发导通；共阳极组的晶闸管VT4、VT5、VT2，哪个阳极电位最低时，那个相应的晶闸管应触发导通。依据三相桥式全控整流电路中晶闸管的标号，VT1、VT2、VT3，VT4、VT5、VT6的触发电路信号依次超前60°。5-17．单相全控桥式整流电路，反电动势阻感负载，按设计要求选用整流变压器的原副边额定电压，当该电路在额定工况下工作时，试说明整流变压器漏感的大小对输出平均电压的影响。答：由于变压器漏抗的存在，负载电流在换相期间引起的电压降，故称为换相压降，用表示，使输出整流电压的平均值有所下降。5-18．三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，按设计要求选用整流变压器的原副边额定电压，当该电路在额定工况下工作时，试说明整流变压器漏感的大小对换相重叠角的影响。答：当一定时，越大，换相重叠角就越大。这是由于越大，漏感中储存能量越多，换相过程加长，换相重叠角增加。5-19．比较图5-27和图5-28，试说明：1）图5-28（a）和（b）分别与图5-27中哪两个图的工作原理是等效的；2）在图5-27中，为什么加了二极管VD？答：1）图5-28（a）和（b）分别与图5-27（a）和（b）的工作原理是等效的。2）在图5-27中，用二极管VD来代表晶闸管的单向导电性，或者说，图5-27（a）和（b）中电源E1和二极管VD一起，来等效晶闸管电路所产生的电压与电流只能单方向流动。5-20．三相半波逆变电路，当α>π/2时，反电动和整流电压均为负值，若反电动势，电路运行情况如何?若反电动势，电路运行情况又如何？答：α>π/2时，反电动和整流电压均为负值。若反电动势，电路运行于逆变状态若反电动势，电路不满足逆变条件，为待逆变状态。5-21．使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么？答：条件有两个：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要求晶闸管的控制角，使为负值。5-22．试从电压波形图上分析，无论何种以电动机为负载的逆变电路，当电抗器电感量不够大且在α=π/2时，则输出直流平均电压>0，将造成被拖动直流电动机爬行（极低速转动）。答：如果足够大，电流连续，则α=π/2，正负面积相等，=0。从下面三相桥式电路输出电压波形图上看出，如果不够大且在α=π/2时，则电流断续，出现负面积小于正面积现象，故，但输出电压值很小，如果负载为直流电机，则电机速度很低，造成直流电机爬行。5-23．单相桥式逆变电路，若交流侧电压=220V、反电动势=-110V、电阻R=3Ω，当逆变角β=30o时能否实现有源逆变？为什么？答：不能。因为，而=-110V，，故不能满足逆变条件，无法实现有源逆变。5-24．三相半波逆变电路，交流侧电压=85V，反电动势=-60V，电阻R=0.5Ω，电感L足够大，保证电流连续。试求：1）控制角α=90o时，直流侧平均电流为多少？2）若逆变角β=60o时，直流侧平均电流为多少？解：1)控制角α=90o时2)若逆变角β=60o时而=-60V，，故满足逆变条件。5-25．三相全控桥变流器，反电动势阻感负载，电阻R=2Ω，电感L=∞，交流侧电压=220V，当=-440V，逆变角=60o时，求整流输出平均电压、电流的值，此时送回电网的有功功率是多少？解：整流输出平均电压有功功率为负值表示送回给电网。5-26．什么是逆变失败？如何防止逆变失败？答：逆变运行时，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等。5-27．三相桥式全控整流电路带电动机负载，要求可逆，采用图5-37的TC787触发电路接线图，已知同步变压器及其输出连线如图中所示，试求：1）忽略RC滤波器滞后角度，请确定三相桥式全控整流电路的整流变压器联结形式；2）如果RC滤波器滞后30°角度，在整流变压器不变的情况下，如何改变同步变压器？解：1）三相桥式全控整流电路晶闸管采用TC787触发电路时，如果忽略RC滤波器滞后角度，那么共阴极组晶闸管阳极电压应该与同步信号同相位，可以确定三相桥式全控整流电路的整流变压器联结形式与同步变压器联结形式相同，整流变压器联结形式如下图左边所示。2）如果RC滤波滞后角为30°时，主电路整流变压器的联接方式不变，还是△/Y-11接法，同步信号应该要超前主电压信号30度，超前30度的信号、经过RC滤波滞后30°后，信号的相位差就回到零度，也就是芯片管脚上的信号正好还是跟主电压信号保持同相位。根据变压器绕组联接组别的概念，△/Y-11接法是11点，超前30°应该是10点，只要设计出同步变压器绕组联接组别是10点的三相变压器就可以达到要求。主电路整流变压器的联接方式不变，还是△/Y-11接法，右边的同步变压器绕组联接组别是Y/Y-10接法，这个同步变压器的绕组联接组别可以通过向量图分析，看向量图，比如，副边的Usa向量，它是从第2相引出，而且绕组的同名端在尾端，所以，它的向量方向跟原边第2相向量相反，就是跟UB向量方向相反，超前ua相电压30°，可以作为a相晶闸管触发电路的同步信号，同样的道理，画出Usb向量方向跟UC相向量方向相反，超前ub相电压30°，可以作为b相晶闸管触发电路的同步信号，Usc向量方向跟UA相向量方向相反，超前uc相电压30°，可以作为c相晶闸管触发电路的同步信号。5-28．电容滤波的单相不可控桥式整流电路，输出直流电压平均值的极限范围是多少？三相不可控桥式整流电路呢？答：单相:空载时，重载时R很小，电容放电很快，几乎失去储能作用，随着负载加重，逐渐趋近于。因此输出直流电压平均值的极限范围为三相不可控桥式整流电路输出直流电压平均值的极限范围为：。5-29．结合电路原理图，简要说明同步整流电路的工作原理。答：下面两种解答都可以。第1种解答（无自带MOSFET驱动电路）：原理图如下：在=输出正电压，处于正半周期时，此时外围控制电路应使高电平低电平，导通截止，二次回路中在作用下线性增长并为负载提供能量。而当==0时，此时外围控制电路应使高电平也为电平，都导通，电感电流分别通过和续流。在=输出负电压，处于负半周期时，应使截止导通，电路工作原理与正半周期类似，分析从略。一方面整流电流通过MOSFET而不是二极管，另一方面MOSFET的导通关断是根据交流波形同步进行的，故称为同步整流。第2种解答（原理图自带MOSFET驱动电路）：原理图如下：在=输出正电压，处于正半周期时，此时绕组输出正电压=，所以辅助绕组电流回路为，电容充电，导通截止，二次回路中在作用下线性增长并为负载提供能量。而当==0时，电容沿和向放电（绕组输出电压=0，可忽略），直至两者电荷平衡，当=，此电压值大于MOSFET的开启电压，和导通，通过和续流。在=输出负电压，处于负半周期时，应使截止导通，电路工作原理与正半周期类似，分析从略。一方面整流电流通过MOSFET而不是二极管，另一方面MOSFET的导通关断是根据交流波形同步进行的，故称为同步整流。5-30．【6分】如教材中的图5-45所示，为什么控制电感L的电流为近似正弦双半波，就可以使交流输入电流为近似正弦波？答：如教材中的图5-45主电路所示，图中有一个单相桥式不控整流电路，它是把单相交流电转换为直流电。这就意味着单相桥式不控整流电路的交流侧电流与直流侧具有对应关系，具体来说，直流侧正弦双半波电感L电流中的1个正弦半波与交流侧正半周电流相同，直流侧正弦双半波电感L电流中的另1个正弦半波与交流侧负半周电流相同，所以，控制电感L的电流为近似正弦双半波，就可以使交流输入电流为近似正弦波。5-31．一个BoostAPFC电源（如图5-45所示），输入电压为，输入电源频率为；输出功率，输出电压为；开关频率为20，忽略电路工作损耗。试求：1）若采用CCM控制模式，输入电感的电感量为多少？2）若采用DCM控制模式，输入电感的电感量为多少？解：1）负载等效电阻在CCM模式下，由于输入电压是变化的，用最大值135V代入电感量应大于2.3