电力电子技术释疑与习题解析_W

1、电力电子技术释疑与习题解析 葛延津主编东 北 大 学 沈 阳 9葛延津 2003图书在版编目 ( CIP ) 数据电力电子技术释疑与习题解析 /葛延津主编 . 沈阳 :东北大学 , 2003 . 10ISBN 7-81054-951-0 . 电 . 葛 . 电力电子学自学参考资料 . TM1中国版本图书馆 CIP 数据核字 ( 2003 ) 第 092938 号 出 版 者:东北大学 地址: 沈阳市和平区文化路 3 号巷 11 号邮编: 110004电话: 024 83687331 ( 市场部)83680267 ( 社务室)传真: 024 83680180 ( 市场部)83680265 ( 社

2、务室)E-mail: ne uph n eupress . com ht tp : www . neupress. com刷 者:行 者:市政二公司印刷厂东北大学 幅面尺寸:140mm203mm印张:字数:5 . 5143 千字出版时间: 印刷时间: 责任编辑: 特邀编辑: 封面设计:2003 年 10 月第 1 版2003 年 10 月第 1 次印刷李毓兴责任校对: 李艳唐敏智责任出版:司徒杨华宁定价: 10 . 00 元1前言随着科学技术的发展,电气自动化技术已广泛地应用于国民经济发展中的各个领域。随着电气自动化技术的广泛应用,自动化领域的器件也在突飞猛进地发展。电力电子器件、计算机技术与

3、控制理论的发展,为电气传动自动控制系统的机电一体化奠定了基础。现在已广泛应用的功率集成电路集系统的主电路部分、 控制器驱动部分、电路的保护部分于一体,既便于安装,又便于系统设计调试。有了这样的集成电路,工程技术人员会将精力集中于系统的优化设计上,而对功率集成电路只作选型工作即可。 功率集成电路 率器件可分为以晶闸管为代表的传统的电力电子器件与全控型自关断电力电子器件,对由它们构成的电路的工作原理的分析是工程技术人员必须掌握的重要的基础知识。 对利用晶闸管与全控型自关断电力电子器件自行设计变流装置来说,掌握这种基础知识也是十分重要的。电力电子技术 正是以这两方面的器件为重点阐述了电力电子技术的新

4、发展。 电力电子技术释疑与习题解析 是配合 电力电子技术而编写的。其目的在于帮助学习者与工程技术人员更好地掌握电力电子器件的电路型式与工作原理。尤其帮助电气自动化专业的本科生、研究生减轻学习中的负担,为他们由浅入深地理解电力电子器件与由这些电力电子器件组成的电路提供帮助。对于在学习中容易出现的常见的问题与一些疑难问题,本书提供了分析、解析的方法,同时也给出习题的答案,以核对分析问题、解决问题的思路正确与否。 2电力电子技术释疑与习题解析习题提示与答案。力争做到在繁多的自动化专业课程中, 为 电力电子技术 这一门课程的学习减少所用的时间, 用较少的精力掌握这门课程的内容。用合理的时间与精力更合理

5、地安排自动化 专业诸多其他课程的学习。 为配合 电力电子技术 一书, 本书也分九章。第一、二章由钱小龙编写; 三、四、五、六章由葛延津编写; 七、章由杨卫国编写。 本书中的习题都是在 电力电子技术 的教学过程中长期使用的, 经整理后而成。在编写中尽管我们做了很大努力, 但“ 百密一疏”, 难免还会有疏漏, 诚恳欢迎使用本书的师生与其他读者批评指正。 编者2003 年 10 月 1 目录第 1 章晶闸管11. . 1 内容归纳与总结11. . 1. 1 晶闸管的结构与工作原理11 . 1 . 2关断与导通条件11 . 1 . 3晶闸管的主要参数21 . 2例题解析31. . 3 习题提示与答案8

6、第 2 章单相可控整流电路122. . 1 内容归纳与总结122 . 1 . 1单相半控桥式整流电路122 . 1 . 2单相全控桥式整流电路132 . 2例题解析132. . 3 习题提示与答案22第 3 章多相可控整流电路273. . 1 内容归纳与总结273 . 1 . 1多相整流电路273 . 1 . 2整流变压器的漏抗273 . 1 . 3整流电路的谐波、功率因数与保护电路283 . 2例题解析28 2电力电子技术释疑与习题解析3. . 3 习题提示与答案38第 4 章晶闸管电路的逆变工作状态534. . 1 内容归纳与总结534 . 1 . 1晶闸管电路与电动机的两种状态534 .

7、 1 . 2有源逆变的条件534 . 1 . 3波形分析544 . 1 . 4变压器漏抗的影响544 . 1 . 5逆变 的原因544 . 1 . 6防止逆变 的措施554 . 1 . 7逆变状态下的机械特性554 . 2例题解析554. . 3 习题提示与答案62第 5 章晶闸管直流电动机可逆电路 775. . 1 内容归纳与总结775 . 1 . 1几个主要概念775 . 1 . 2采用两套三相晶闸管装置的可逆电路785 . 2例题解析785. . 3 习题提示与答案87第 6 章晶闸管的触发电路1016. . 1 内容归纳与总结1016 . 1 . 1锯齿波移相的触发电路与原理1016

8、. 1 . 2脉冲触发电路的控制特性1016 . 1 . 3变流装置的传递函数1026 . 1 . 4同步信号与主电路电压的同步问题1026 . 2例题解析102目录 3 6 . 3习题提示与答案105第 7 章晶闸管变频器和逆变器1107 . 1内容归纳与总结 7 . 1 . 1变频器和逆变器 7 . 1 . 2交直交变频器 7 . 1 . 3电压型变频器 7 . 1 . 4电流型变频器 7 . 1 . 5交交变频器 7 . 1 . 6单相输出的交交变频器 7 . 1 . 7三相输出的交交变频器 7 . 1 . 8具有公共母线的三相输出交交变频器 7 . 1 . 9输出端 Y 接的三相输出交

9、交变频器 7 . 1 . 10逆变器的换流 7 . 1 . 11三相逆变器 7 . 2例题解析 7 . 3习题提示与答案 110110110110111111111112112112112113113123第 8 章自关断半导体器件1268 . 1内容归纳与总结1268 . 1 . 1电力电子器件分类1268 . 1 . 2电流控制型器件和电压控制型器件1278 . 1 . 3门极可关断晶闸管 GTO1288 . 1 . 4电力晶体管 GTR1298 . 1 . 5场效应晶体管 MOSF ET1318 . 1 . 6绝缘栅双极型晶体管 IGBT1348 . 1 . 7电力电子器件的缓冲电路13

10、68 . 1 . 8静电感应晶体管 SIT137 4电力电子技术释疑与习题解析8 . 1 . 9静电感应晶闸管 SITH1388 . 1 . 10MOS 栅控晶闸管 MCT1398 . 1 . 11各种电力电子器件输出功率与工作频率的关系 1408 . 1 . 12各种器件电压和电流的比较1408 . 2例题解析1418. . 3 习题提示与答案143第 9 章脉宽调制 PWM 逆变器1519. . 1 内容归纳与总结1519 . 1 . 1直流斩波器( Choppter) 的三种调制方式1519 . 1 . 2单相 PWM 逆变器1519 . 1 . 3三相 PWM 逆变器1529 . 1

11、. 4PWM 变频器1529 . 1 . 5典型的 PWM 变频器1529 . 1 . 6载波与调制1529 . 1 . 7生成 SPWM 波形的主要方法1529 . 1 . 8异步调制和同步调制1549 . 1 . 9单极性正弦 PWM ( SPWM ) 调制1559 . 1 . 10双极性 SPWM 调制1569 . 1 . 11计算机在线计算1569 . 1 . 12磁场轨迹法 PWM1569 . 2例题解析1579 . 3习题提示与答案164参考文献1681第 1 章晶闸管1 . 1内容归纳与总结 1 . 1 . 1晶闸管的结构与工作原理 (1 ) 晶闸管可用图 1-1 的符号表示,

12、阳极A , 阴极 K,门极( 控制极) G。 其结构为三个 PN 结、四层结构、三端的半控型半导体开关管。 (2) 它的工作原理可理解为一个 PNP三极管与一个 NPN 三极管的连接, 这种连接 是以电流正反馈的原理按特殊工艺制造而成的。一旦晶闸管导通, 其控制极就失去作用。普通晶闸管有平板型与螺旋型两种。 1. . 1 . 2 关断与导通条件 图 1-1晶闸管符号(1 ) 导通的充分必要条件。 1) 阳极与阴极间承受正向电压。 2) 门极施加相对阴极来说为正的脉冲信号。 (2 ) 关断条件为下列之一。 1) 阳极与阴极间承受反向电压。 2) 阳极电流减小到小于维持电流。 2电力电子技术释疑与

13、习题解析1. . 1 . 3 晶闸管的主要参数 (1 ) 晶闸管的通态平均电流 I F 。 在规定的条件下, 为晶闸管通以工频、正弦半波电流, 且负载为纯电阻负载, 导通角不小于 170。此时这个电流的平均值就是半波电流的平均值。若正弦半波电流的峰值为 Im , 则 I m 1 IF = 20 Im sintdt = 通过的电流有效值为 1 Im I =2 0 ( Imsint ) 2 dt =2波形系数: 通过晶闸管的电流的( 一般为非正弦) 有效值与平均值之比 Kf , 在此 I/ IF = 1 . 57 , 即 I = 1 . 57 IF = Kf IFKf 称波形系数。 还有其他参数:

14、 额定电压、维持电流、擎住电流以及一些动态参数和门极特性等。 (2 ) 实际应用中晶闸管的选择。 主要按实际承受的电压、电流选择晶闸管。电压的选择: 按晶闸管实际在线路中承受的电压的峰值, 还要乘以一个安全裕量。电流的选择: 按晶闸管中实际通过电流的有效值与所选晶闸管( 通态平均电流为 IF ) 允许通过的电流有效值相等的原则, 再乘以安全裕量, 这被称做有效值相等的原则。 当然要将计算出的值靠到工厂生产产品的系列值上。 这里要注意: 无论是电流还是电压波形, 都有一个峰值、有效值、平均值, 要弄清它们的定义及算法。 第 1 章晶闸管31 . 2例题解析 例题 1 . 1在不用晶闸管测试仪的情

15、况下, 如何用万用表简易地测出晶闸管的阳极、阴极与控制极 ?解: (1) 用万用表的欧姆档测试晶闸管的三个电极间的电阻。晶闸管的阳极与阴极间的正向电阻与反向电阻都接近无限大( 一般为几百千欧以上)。门极对阴极间的正向电阻一般为几欧到几百欧, 不能为零或大于几千欧; 反向电阻比正向电阻稍大。 (2 ) 要真正判断其好坏, 可用以下简单电路测试。 图 1-2例题 1 . 1 图例题 1 . 2图1-3为流过晶闸管中的电流波形, 其峰值为 Im 。 (1 ) 计算其平均值与有效值。 (2 ) KP-100 型晶闸管不计安全裕量, 当这些波形电流流经晶闸管时, 晶闸管所能承受的电流平均值与最大值。 解

16、: ( 1) 平均值与有效值。 1) 平均值 Im 1 Id1 = 2 2 Im sintdt = 24电力电子技术释疑与习题解析 2 33 1Id 2 = 2Im =Im 2) 有效值 图 1-3例题 1 . 2 图2m 1 I2I1 = ( Im sint )2dt =22 1 32 2 1 2 2 Im03I2 =2 Im dt =2Im =3(2 ) 100 A 的晶闸管所能承受的电流平均值与最大值。 1) 晶闸管能承受的电流最大值与平均值 100A 的晶闸管允许通过的有效值电流为 IT = 1 . 57100 = 157 A实际通过的电流有效值为 2m 1 I2I = ( Im si

17、nt )2dt =22按有效值相等的原则, 最大值为 平均值为 Im 22第 1 章晶闸管5= 157 A,Im 1 = 442 . 7 A 1 Im442 .72Id1 = 2Im sintdt = 2 =2 = 70 . 7 A2) 电流的平均值与最大值 100A 的晶闸管允许通过的电流有效值为 IT = 1 . 57100 = 157 A 1 3 32 22Im实际通过的电流有效值为 I =按有效值相等的原则 =Im 1 3允许的最大值Im = 157Im = 272 Ad2Im =Im = 2 允许的平均值I= 3 1 1 272 = 90 . 5 A233例题 1 . 3电路如图1-

18、4 , VT 导通, 画出负载 R 上的电压波形。 图 1-4例题 1 . 3 图6电力电子技术释疑与习题解析解: ( 1) R 上的波形如下:(2 ) R 上的波形如下:例题 1 . 4电路与波形示于图1-5( a) , ( b)。若在 t1 时刻合上K , 在 t2 时刻断开 K , 求负载电阻上的电压波形。若在 t1 时刻合上K , t3 时刻断开 K , 输出电压的波形又如何( ug 宽度大于 360) ?图 1-5例题 1 . 4 图解: 波形见图 1-6。 第 1 章晶闸管7图 1-6电阻 R 上的波形例题 1 . 5 在图 1-7 中, 晶闸管阳极总加正向电压, 只要在VT1 与

19、 VT2 的控制极分别加上脉冲, 可实现两只晶闸管轮流导通, 试分析工作情况。 图 1-7例题 1 . 5 图解: 当触发 VT1 时, 正电源经 R2 , C, VT1 为电容器充电, 其极性为左负右正, 这样, 如果 VT2 正在导通, 电容器两端的电压将会使 VT2 承受反压而关断。另外一支晶闸管也如此。 8电力电子技术释疑与习题解析1 . 3习题提示与答案 本习题提示与答案是依据东北大学 电力电子技术一书中每章后习题进行的, 其目的是起个提示作用。对习题中的问答与波形部分也给出了答案, 这样可以使读者更好地理解每章中讲解的各种电路及问题, 也是为了帮助理解各种电路所带不同负载( 电阻性

20、、电感性与反电动势) 时, 输出电压与电流的波形。所给答案仅供参考。 习题 1-1 晶闸管由关断状态变为导通状态的条件, 由导通状态变为关断状态的条件是什么 ?答案 晶闸管由关断状态变为导通状态必须同时满足两个条 件:(1 ) 晶闸管阳极、阴极间承受正向电压。 (2 ) 控制极对阴极有正的足够大的触发脉冲。 由导通变为关断状态, 满足下列两个条件之一即可: (1 )晶闸管的阳极、阴极间承受反向电压。 (2 ) 减小阳极电流, 使其小于维持电流。 习题 1-2晶闸管的转折电压、额定电压、额定电流、维持电 流、擎住电流是如何定义的 ?答案转折电压: 当断开门极, 阳极电压 Ua 增大到晶闸管正向击

21、穿导通的电压。 额定电压: 晶闸管断态正向不重复峰值电压的 90 % , 即断态正向重复峰值电压。 额定电流: 通态平均电流, 条件为环境温度为 40 和规定的冷却条件, 电阻负载且导通角不小于 170, 所加电流为工频正弦半波时的电流平均值。 维持电流: 晶闸管维持导通状态所必需的最小电流。 第 1 章晶闸管9擎住电流: 晶闸管由断态进入导通过程中, 如果撤掉触发脉冲, 能继续维持晶闸管导通的最小电流。 习题 1-3额定电流为100A的晶闸管, 当导通角为 90, 180 时, 允许的晶闸管峰值电流为多少 ? 若考虑到晶闸管的安全裕量呢 ?提示假设通过晶闸管的电流为工频正弦半波的 90, 1

22、80,见图 1-8。 图 1-8习题 1-3 图100A 的晶闸管, 允许通过的电流有效值为 157A。(1 )当导通角为 90时, 实际通过的电流有效值为 12 Im 2I = ( Im sint )2根据有效值相等的原则求出 Im 。 dt =22答案Im = 442 . 7 A。考虑到安全裕量, Im 应乘以安全裕量系数。 (2 ) 根据同样的方法可求出电流为 180时的 Im 。 答案Im = 314A。考虑到安全裕量, Im 应乘以安全裕量系数。 习题 1-4额定电流为100A的晶闸管流过单相全波电流时,允许其最大平均电流是多少 ?提示100A 的晶闸管允许通过的电流有效值为 1 .

23、 57 100= 157A。当流过单相全波电流时, 求出这个电流的有效值, 这里 10电力电子技术释疑与习题解析注意: 两个相同波形的有效值为其中一个波形有效值的 2 倍, 而不是 2 倍。 I =2 1( Im sint )2 dt2 0按有效值相等的原则求出 Im 。 1 0平均电流 Id = I m sint dt根据有效值相等的原则先求出 Im , 代入平均电流公式, 或先求出波形系数再求 Id 。 答案最大平均电流 Id = 141 . 4 A。 习题 1-5 图 1-9 中波形的阴影部分为晶闸管中的电流波形, 其最大值为 Im , 计算各波形电流平均值、有效值与波形系数。在不考虑安

24、全裕量时, 各应选择多大的晶闸管( 电流) ?图 1-9习题 1-5 图提示从题中可以看出一个波形的电流都有其峰值、有效值、 平均值, 要将它们的定义弄清楚。在选择晶闸管的额定电流时, 一定要按有效值相等的原则, 即晶闸管允许的电流有效值与实际通过晶闸管的电流有效值相等的原则。 答案1)Id1 = 2 ImI1 = 1 ImKf1=1 2222)Id2 = 3 I mI2 =2 = 0 . 63 Im=Kf2 2 1 3 = 1 . 31 1 + 338Im33 + 8 第 1 章晶闸管113)Id3 = Im/ 4 , I3 = Im/ 2 , Kf3 = 2说明有效值: 把和交流电流有相同

25、热效应的直流电流称为交流电的有效值( 该交流电可是非正弦的)。其道理是流过电阻 2R 的交流电 i , 在一周期内产生的热量 QAC =T00 . 24 i R d t在一周期 T 内, 直流电流 I 通过同样电阻 R 产生的热量。 QDC = 0 . 24 I2 RT令其相等, 则 I 即为 i 的有效值。 1TI = i2 d t T 0故有效值又称为均方根值。 若交流电为正弦波, 则是其中一个特殊情况 1T I mI = ( Im sint) 2 dt = 0 . 707 ImT 0212电力电子技术释疑与习题解析第 2 章单相可控整流电路从本章起, 主要分析的内容是可控电路的输出电压波

26、形及有关的计算。从某种意义上来讲, 波形分析法是理解各种可控电路的一种基本方法, 掌握了波形分析法, 其他一切问题都可迎刃而解。从电路角度来看, 有各种整流电路, 如单相、三相零式、三相桥式等, 这些整流电路又可接各种负载, 如电阻负载、电感性负载、反电动势负载等。这样看起来, 内容就显得很多。但是, 它们都有一个共同的规律。只要掌握这些规律, 分析问题就能得心应手, 书就会越念越薄。 2 . 1内容归纳与总结 2. . 1 . 1 单相半控桥式整流电路 分析了单相半控桥式整流电路在电阻性负载、电感性负载时, 输出电压波形及输出电压平均值与控制角的关系。 所有的半控电路对电感性负载来讲, 都有

27、一个失控的问题, 必须加续流二极管才能得以解决。 电阻性负载与带续流二极管的电感性负载输出电压波形在形式上是相同的。 电阻性负载时: 负载电流的波形与电阻上的电压波形是相同的, 只是幅值不同。 电感性负载时: 在电感足够大时, 认为电流是连续且是平行于横轴的纯直流量。这样, 给计算与分析问题带来很大方便, 计算中 第 2 章单相可控整流电路13所引起的误差, 在工程上是允许的。 2. . 1 . 2 单相全控桥式整流电路 电阻性负载: 输出电压波形同半控桥式整流电路。 电感性负载: 没有失控的问题。它不但在电压的正半周能使晶闸管导通, 在电感足够大时, 此电感还能维持晶闸管在交流电压的负半周继

28、续导通, 并且在 = 90时, 正负电压相等, 使其输出电压的平均值为零。 2 . 2例题解析 例 2 . 1 带整流变压器的单相半控桥式整流电路, U1 = 220 V, 电阻负载, R = 4。要求负载电流在 0 25A 之间变化, 试求(1 ) 变压器的变比; (2 ) 波形系数; ( 3 ) 变压器容量; ( 4 ) 负载电阻R 的功率; ( 5) 电路最大功率因数。 解: ( 1)Ud = 0 . 9 U2 ( 1 + cos)/ 2 , Ud = 4 25 = 100V。 设= 0 时, Ud 最大, 见图 2-1 , 则 U2 = Ud/ 0 . 9 = 100/ 0 . 9 =

29、 111 V变比K = U1/ U2 = 220/ 111 2图 2-1例题 2 . 1 图(2 ) 波形系数是有效值与平均值之比。 1 Im有效值I =2 0 ( Im sint)2 dt 2 =214电力电子技术释疑与习题解析 1 2平均值 Id = 20 Im sintdt = Im波形系数Kf = I/ Id = 1 . 11(3 ) S = U2 I2 = U2 I = 111 Kf Id = 11127 . 75 = 3 . 08 kVA 。(4 ) PR = U2/ R = I2 R = 27 . 752 4 = 3 . 08 kW 。 (5 ) 最大功率因数。输出电压有效值为

30、12dt =U 1 sin2+ - U = 2 U2 sint22=cos P UI SU1 I1 UI= 1 sin2+ - = U2 I2 功率因数随在 01 范围内变化。当 = 0 时, cos= 1 , 即最大功率因数为 1。 例题 2 . 2 单相半控桥式整流电路电阻负载, 输出电压从 0 100 V 连续可调, 30 V 以上时要求负载电流达到 20 A, 用 220V 的降压变压器供电, 最小控制角 m in = 30, 求( 1 ) 30V 以上、20 A 时的控制角, 画出该角度下输出电压波形; ( 2 ) 变压器原副级电流有效值; ( 3) 变压器容量。 解: ( 1) 先

31、求出输出整流电压最大 100V 时的变压器副级电压有效值。 Udm = 0 . 9 U2 ( 1 + cos)/ 2当= 30, Ud = 100V 时 2 UdmU2 = 0 . 9 (1 + cosmin )当 Ud = 30 V 时的控制角 2 Ud= 119 Vcos= 0 . 9 U2 - 1 = - 0 . 44 ,= 160 第 2 章单相可控整流电路15输出电压波形见图 2-2。 图 2-2例题 2 . 2 图(2 ) 此时若输出电流为 20A, 变压器二次侧电流有效值应为 12 U 22I2 =sintdt R= U2 1 sin2+ - R2 其中U2 = 119 V, R

32、 = Ud/ Id = 30/ 20 = 1 . 5, = 116 则I2 = 38 A变压器一次侧电流有效值为 I1 = U2 I2/ U1 = 11938/ 220 = 20 . 55 A(3 ) 变压器的容量为 S2 = S1 = U1 I1 = 22020 . 55 = 4 . 5kVA例题 2 . 3具有中点二极管的单相半控桥式整流电路如图 2-3 ( a) 所示。 图 2-3例题 2 . 3 图16电力电子技术释疑与习题解析(1 ) 绘出 = 45时 ud 的波形。 (2 ) 求输出整流电压平均值 Ud 。 解: ( 1) 当= 45时, 在 0 45区间, VD3 和 VD2 导

33、通, 输出电压为 2 U2 sint 的一部分。 在 45 区间, VT1 触发导通, 关断 VD3 , VD2 继续导 通, 输出电压为 22 U2 sint 的一部分, 直到。 在 + 区间, VD3 与 VD1 导通, 关断 VT1 , 输出电压为 22 U2 sint 的一部分。 在+ 2区间, VT2 触发导通, 关断 VD2 , VD1 继续导 通, 输出电压为 22 U2 sint 的一部分。输出电压波形见图 2-3 ( b)。 (2 ) 输出电压的平均值。 1Ud = 02 U2 sintdt +22 U2 sintdt = 2U2 (3 + cos) 当= 0时, Ud =

34、Udm = 42 U2 , 此时 VD3 一直不工作。 当= 时, Ud = Udmin = 22 U2 , 此时 VT1, VT2一直不工 作。 例题 2 . 4单相全波整流电路如图 2-4 ( a) 所示, U2 = 220 V , = 60。求(1 ) 输出直流电压平均值 Ud 。( 2) 画出 ud 、id 的波形。 解: ( 1) 当电压为正半周时, 即 a 为正, b 为负时, VT1 承受正向电压。晶闸管 VT1 有触发脉冲即可导通, VD2 处于关断状态, 当电源电压过零时 VT1 关断。当电源电压过零变负时, a 为负, b 为正, VT1 关断, VD1 导通。当电源电压再

35、次过零变正时, VD1 关断。输出电压波形见图 2-4 ( b) 。 第 2 章单相可控整流电路17图 2-4例题 2 . 4 图 (2 ) 输出电压平均值 Ud 。 1 1 2Ud = 3= 0 . 45 U2 U2 sintdt + 2 01 + cos2 U2 sint dt1 + cos2= 0 . 45 U2+ 0 . 45 U2 = 0 . 45 U2+122 7 7= 0 . 45 22044= 173 . 25 V例题 2 . 5 单相半控桥式整流电路, 电感性负载带续流二极管, 负载电阻 R = 5, U2 = 220 V , = 60, 求: 通过晶闸管、续流二极管的电流平

36、均值及有效值。 解: 输出电压波形见图 2-5。输出整流电压平均值。 Ud = 0 . 9 U2 (1 + cos)/ 2 = 0 . 9220 (1 + 0 . 5)/ 2 = 149 V负载电流平均值 Id = Ud/ R = 149/ 5 = 30A晶闸管中电流平均值 12030Id T = 360I d = 3 = 10A晶闸管中电流有效值 1202360Id 1 3I T =Id = 17 . 3A18电力电子技术释疑与习题解析图 2-5例题 2 . 5 图续流二极管中电流平均值 Id D R = 602 Id = 30 = 10A3603续流二极管中电流有效值 1 26 60 23

37、60Id2 1 3ID =Id =Id = 17 . 3 A在图 2-5 中, 当脉冲移动时, 流过晶闸管的电流平均值与其导通角成正比。当导通角为 120时, 流过续流二极管和晶闸管的电流平均值相等。当晶闸管导通角小于 120时, 流过续流二极管中的平均电流比晶闸管中的平均电流要大。晶闸管导通角越小, 大的越多, 因此在选择续流二极管时要考虑实际情况。 例题 2 . 6 单相全控桥式整流电路接大电感负载, U2 = 220 V, 负载电阻 R = 4。 ( 1 ) = 60时, 画出晶闸管中的电流波形, 求其平均值与有效值。( 2 ) 当负载两端接有续流二极管时, 试求输出电压、电流的平均值,

38、 流过晶闸管和续流二极管中电流的平均值、有效值, 画出波形。 解: 输出波形见图 2-6。(1 ) 输出电压平均值。 Ud = 0 . 9 U2 cos= 99V第 2 章单相可控整流电路19图 2-6例题 2 . 6 图输出负载电流平均值 Id = Ud/R = 24 . 8 A晶闸管中电流平均值 Id T =Id =24 . 8= 12 . 4A22晶闸管中电流有效值 2 Id 2 1I T =Id2= 0 . 707 24 . 8 = 17 . 6A(2 ) 输出整流电压平均值。 Ud = 0 . 9 U2 ( 1 + cos)/ 2 = 0 . 9 220( 1 + 0 . 5 )/

39、2 = 148 . 5 V输出整流电流平均值 Id = Ud/ R = 148 . 5/ 4 = 37A晶闸管中电流平均值 晶闸管中电流有效值 Id T120=360Id= 12 . 3A 20电力电子技术释疑与习题解析1202360IdIT =续流二极管中电流平均值 = 21 . 4AId T120=360Id = 12 . 3A续流二极管中电流有效值 260 2360 IdID = 21 . 4A例题 2 . 7 并有续流二极管的单相半控桥式整流电路为直流电动机供电。主电路的平波电抗器的电感量足够大, U2 = 220V , = 60, 此时负载电流为 30A。计算晶闸管、整流二极管与续流

40、二极管的电流平均值与有效值, 电源容量与功率因数。 解: 在单相可控整流电路中, 教材没有分析单相整流电路带反电动势负载的情况, 但是我们有这样的结论: 只要电路中串有足够大的电感( 平波电抗器) , 一切分析结果如同电感性负载一样。由于 L = , 认为是大电感负载, Id 就可近似认为是纯直流量。 晶闸管与整流二极管中流过的平均电流( 输出波形见图 2-7)。 图 2-7例题 2 . 7 图第 2 章单相可控整流电路21Id T = IdD R = (- ) Id = 10A2 d晶闸管与整流二极管中的电流有效值 ID = IT=- I 2 = 17 . 3 A续流二极管中的电流平均值 I

41、d DR =续流二极管中的电流有效值 2 2 Id = 10AIDR =Id = 17 . 3A 2 3变压器绕组中电流有效值 输出有功功率 I2 =- Id = 30 = 24 . 5 A0 . 9 U2 (1 + cos)电源容量为 P = Ud Id =2Id = 4 .5kWS = ( S1 + S2 )/ 2 = U2 I2 = 220 24 . 5 = 5 . 4kVA功率因数为 cos= P/ S = 4 . 5/ 5 . 4 = 0 . 83例题 2 . 8 为什么晶闸管可控整流电路不在其输出两端并接电容予以滤波 ?答 这里有两个原因:(1 ) 接电容后, 晶闸管刚一触发导通时

42、, 必然有一很大的电容器充电电流流过晶闸管, 当电源电压高于电容器两端电压很大时, 由于回路阻抗很小, 则必然产生很大的冲击电流, 也可能使电流上升率超过晶闸管所能承受的值。 (2 ) 电容滤波后, 视电容量的大小能把输出的脉动电压滤得较 22电力电子技术释疑与习题解析平。只能在电源电压高于电容器电压时, 晶闸管才能触发导通。当低于电容器电压时, 脉冲是不会触发开晶闸管的, 这将使输出电压在一段时间内不受控。 2 . 3习题提示与答案习题 2-1 单相半控桥式整流电路, 电阻负载, R = 25, 要求Ud = 0250 V , 计算晶闸管实际承受的最大电压与最大电流(角留有 20裕量 )。

43、提示 输出直流电压平均值 Ud 由 0 250V 可变, 计算时要 按最大输出电压 250 V 计算。角留有 20裕量, 也就是说, 脉冲移动的最小角为 m in = 20时就能满足 250 V 的输出要求。这样的好处是, 如果当 = 0时, 输出直流电压满足了 Ud = 250 V 的要求, 那么, 当电网电压降低, 即 U2 降低时, 必然会引起输出电压平均值的降低, 有可能小于 250 V , 满足不了负载的要求。而若在 = 20时满足 250 V, 当 U2 降低时, 如果 Ud 250 V , 此时可调节, 如= 10, 使 Ud 增大, 这样就满足了负载的要求。当 角留有裕量时,

44、所设计的 U2 电压必然要比= 0时高。 首先求出满足 250 V 电压要求时的 U2 值, 其峰值即为晶闸管承受的最大电压。当晶闸管导通时, U2 使电阻 R 产生电流, 其波形同电压波形。 答案 U2 = 277 . 8V , 峰值 = 2 U2 , 晶闸管承受最大电压 2 U2 , 电流为 2 U2/ R。 习题 2-2 单相半控桥与单相全控桥式整流电路, 阻感负载, 电感足够大, 画图说明其输出电压 ud 、晶闸管电流 iT 与变压器的副级电流 i2 波形的差别( 半控桥要加续流二极管)。 提示 可以以一个典型的控制角 为例进行讨论。这两个 第 2 章单相可控整流电路23回路输出电压最

45、大的不同点是: 单相半控桥式整流电路( 加续流二极管) 没有负的输出电压, 而单相全控桥式整流电路则有正、负输出; 在负载相同时, 每个晶闸管的导通时间不相同, 全控电路晶闸管导通时间大于半控电路; 变压器副级绕组通过相同电流的时间也不同, 全控桥的时间大于半控桥, 因而其有效值也大。 答案 ( 以 = 60为例 ) 波形见图 2-8 。 图 2-8习题 2-2 图习题 2-3 带续流二极管的单相半控桥式整流电路, 阻感负载, L 足够大, U2 = 100 V, R = 2 . 8, 测得电阻两端电压平均值Ud = 84 V。 (1 ) 画出输出电压波形 ud , 晶闸管中流过的电流波形 i

46、T , 续流二极管与变压器副级绕组中流过的电流波形 iD R 和 i2 。 (2 ) 负载电流 Id 。 (3 ) 续流二极管中流过的平均电流 Id D R 。(4 ) 晶闸管中流过的电流平均值 Id T 。(5 ) 晶闸管中流过的电流有效值 I T 。 (6 ) 续流二极管中流过的电流有效值 ID R 。 (7 ) 变压器副侧绕组中流过的电流有效值 I2 。 24电力电子技术释疑与习题解析提示 单相半控桥式整流电路, 电感负载时, 一定要加续流二极管, 否则出现失控, 续流二极管中的电流不流经变压器二次绕组。 答案 波形见图 2-9。 图 2-9习题 2-3 图(1 ) Ud = 84 V,

47、 = 30(2 ) Id = 30A(3 ) Id D R = 5A(4 ) Id T = 17 .5A(5 ) IT = 22 . 91A(6 ) ID R = 12 . 75 A (7 ) I2 = 32 . 4A习题 2-4 试分析单相全控桥式整流电路电阻负载时输出电 压、电流波形, 将它与半控桥式电路电阻负载的输出电压、电流波形比较, 看有何区别。 提示 电阻负载时, 单相半控桥式整流电路, 当晶闸管被触发导通后, 在处交流电压过零变负后关断, 单相全控桥式整流电路也这样。 答案 无区别。 习题 2-5 单相全控桥式整流电路接有续流二极管 VD, 当 第 2 章单相可控整流电路25(1

48、 )= 0, 负载为电阻, R = 10, ( 2) = 90, 阻感负载 L 足够大, R = 10 时, 计算输出电压 Ud , 负载电流 Id , 二极管中的平均电流Id D 及二极管与变压器副级绕组电流 ID 与 I2 , 画出 ud , id , iD , i2 的波形。说明续流二极管的作用( 变压器副级电压为 100 V)。 提示 单相全控桥式整流电路在大电感负载时接有续流二极 管, 它不是为了防止失控( 因为没有失控问题) , 而是为了提高输出电压的平均值。因为它能把电压负半周消掉, 从而提高输出电压。 答案 (1 )= 0, 电阻负载, 波形见图 2-10 ( a)。 图 2-

49、10习题 2-5 图二极管中的电流平均值 Ud = 90 V, Id = 9A,26电力电子技术释疑与习题解析IdD = 1I = 4 .5Ad2二极管中的电流有效值 1 2 U sint2ID =22 0Rdt变压器绕组中的电流有效值 I2 = 100V续流二极管没有工作。 (2 )= 90, 电感性负载, 波形见图 2-10( b)。 Ud = 45 V , Id = 4 . 5 A二极管中的电流平均值 90 1 Id D =Id =4 . 5 = 1 . 13 A3604二极管中的电流有效值 360Id 90 2ID = 2 .25A续流二极管中的电流有效值 ID R 90 =2Id = 3 . 18A360 变压器绕组中的电流有效值 I2 =2 90Id = 3 . 18A 360 27第 3 章多相可控整流电路本章是电力电子技术中非常重要的一章, 也是晶闸管电路在现场应用非常普遍的一章内容。掌握好本章电路的内容, 对学习好以后几章极其重要。当然除了本章内容外, 还有其思考问题、解决问题的方法, 掌握了这些方法, 也为分析以后几章内容打下了很强的分析问题与解决问题的基础。 3 . 1内容归纳与总结3. . 1 . 1 多相整流电路 多相可控整流电路是现场应用最多的电路之一。除单相整流电路外