电力电子技术必做习题答案

R
TM U V U >==3112220电力电子技术必做习题解答
第1章
1. 1．把一个晶闸管与灯泡串联，加上交流电压，如图1-37所示
问：〔1〕开关S 闭合前灯泡亮不亮？〔2〕开关S 闭合后灯泡亮不亮？〔3〕开关S 闭合一段时间后再打开，断开开关后灯泡亮不亮？原因是什么？
答：〔1〕不亮；〔2〕亮；〔3〕不亮，出现电压负半周后晶闸管关断。

2. 2．在夏天工作正常的晶闸管装置到冬天变得不可靠，可能是什么现象和原因？冬天工作正常到夏天变得不可靠又可能是什么现象和原因？
答：晶闸管的门极参数I GT 、U GT 受温度影响，温度升高时，两者会降低，温度升高时，两者会升高，故会引起题中所述现象。

3．型号为KP100-3，维持电流I H ＝4mA 的晶闸管，使用在如图1-38电路中是否合理？为什么？〔分析时不考虑电压、电流裕量〕
(a) (b) (c)
图 1-38 习题5图
3.答：〔1〕
故不能维持导通
〔2〕 而 故不能正常工作 〔3〕
I d =150/1=150A>I H
I T =I d =150A<1.57×100=157A
故能正常工作
4．什么是IGBT 的擎住现象？使用中如何防止？
答：IGBT 由于寄生晶闸管的影响，可能是集电极电流过大〔静态擎住效应〕，也可能是d u ce /d t 过大〔动态擎住效应〕，会产生不可控的擎住效应。

实际应用中应使IGBT 的漏极电流不超过额定电流，或增加控制极上所接电阻R G 的数值，减小关断时的d u ce /d t ，以防止出现擎住现象。

第2章
1．出图2-57中①～⑨各保护元件与VD F 、Ｌd 的名称与作用。

〔LJ 为过流继电器〕
mA I mA A I H d 42002.010501003=<==⨯=
H
d I A I I I >====9.957.1/...56.152
10220
22
图2-57 三相桥式整流电路的保护
1.答：
〔1〕交流进线电抗器限流、限d u/d t和d i/d t
〔2〕压敏电阻过压保护
〔3〕交流侧阻容保护过压保护
〔4〕桥臂电感限d u/d t (由元件换流引起〕、d i/d t
〔5〕快熔过流保护
〔6〕过压保护电容限制关断过电压对元件的损害
〔7〕抑振电阻防止L、C振荡，限制电容放电电流
〔8〕直流侧压敏电阻直流侧过压保护
〔9〕过流继电器过流时，继电器开路，保护主电路
〔10〕VD F续流二极管为负载电路提供通路，过压保护
〔11〕L d平波电抗器防止直流电流波动〔断流〕
2．GTR、IGBT等过流保护中，为何要采用检测集射极电压作为保护基准？
答：检测集射极电压U ce作为过流保护原那么，在一样的相对测量误差下，工作点的移动最少，结果较准确3．GTR、P-MOSFET、IGBT吸收电路的根本结构如何？其减少被保护器件开关损耗的机理如何？
答：缓冲电路的功能包括抑制和吸收二个方面。

下列图为电路的根本结构，串联的L S用于抑制d i/d t的过量，并联的C S通过快速二极管VD充电，吸收器件上出现的过电压能量，由于电容电压不会跃变，限制了重加du/dt。

当器件开通时C S上的能量经R S泄放。

对于工作频率较高、容量较小的装置，为了减少损耗，可将图(a)的RLCD电路简化为图(b)的形式。

这种由RCD网络构成的缓冲电路普遍用于GTR、GTO、电力MOSFET 与IGBT等电力电子器件的保护。

〔a〕 (b)
第3章
1、某电阻负载要求〔0～24〕V 直流电压，最大负载电流I d ＝30A ，采用单相半波可控整流电路。

如交流采用220V 直接供电与用变压器降至60V 供电是否都满足要求？试比拟两种方案的晶闸管导通角、额定电压、额定电流、整流电路功率因数以与对电源要求的容量。

答：(1) 220V 供电
21cos 0.45,2
d U U +Φ= 1cos 240.452202α
+=⨯⨯
121α=
18059θα⇒=-=
224223084.1()cos121)d I I A π+=
== 2()(1.52)80.35107.13()1.57
T AV I I A ==→～
220311()TM U V ==
(23)622.3933.4()R TM U U V ==→～
cos 2420.3105π-Φ==+= 12222084.118502()18.5()S U I VA KVA ==⨯==
〔2〕60V 供电
1cos 240.45602α
+=⨯⨯
38.9
α=
180141.1θα⇒=-=
223051.37()cos38.9)d I A π+=
==
2()(1.52)49.164.4()1.57
T AV I I A ==→～ 6084.85()TM U V ==
(23)169.7254.6()R TM U U V ==→～ 38.911180cos sin 2sin 77.80.6854242πππααππππ
--Φ=+=+= 1226051.373082() 3.082()S U I VA KVA ==⨯==
2、单相桥式可控整流电路，带电阻—大电感负载，R d ＝4Ω，变压器次级电压有效值U 2＝220V 。

试计算当控制角α＝60°时，直流电压、电流平均值。

如果负载两端并接一续流二极管，其直流电压、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，画出两种情况下的输出电压、电流波形。

2. 答：〔1〕无续流二极管
U d = 0.9U 2cos α= 0.9×220×cos60º = 99 V
I d = U d /R d = 99/4 =24.75 A
(2) 有续流二极管
V U U d 5.1482
60cos 12209.02cos 19.02=+⨯⨯=+=
α I d = U d /R d =37.125 A
A I I d dT 33.1237360
601802=⨯-=-=παπ A I I d T 34.2137360601802=⨯-=-=
παπ A I I d dT 33.1237180
6022=⨯==πα A I I d T 34.2137180
6022=⨯==πα
3、三相半波可控整流电路，大电感负载，U 2＝220V ，R d ＝10Ω，求α＝45°时直流平均电压U d ，晶闸管电流平均值与有效值，并画出输出直流电压u d 与晶闸管电流i T 波形。

答：
U d = 1.17U 2cosα＝ 1.17×220×cos45º = 182 V
I d = U d /R d = 182/10 = 18.2 A
I dT = I d /3 = 18.2/3 = 6.1 A
A 5.1032.183I I d T ===
4.上题如负载两端并接续流二极管，此时直流平均电压U d 与直流平均电流I d 多少？晶闸管与续流二极管的电流平均值与有效值各多少？并画出输出直流电压u d ，晶闸管与续流二极管电流波形。

答：V U U d 9.186)]4530cos(1[220675.0)]6cos(1[675.02=++⨯⨯=++= απ
A R U I d
d d 69.18== A I I I d d dT 45.536045150360
150=-=-= α A I I d T 1.10360150=-=
α A I I d dDF 34.2360
)30(3=-=α A I I d DF 6.6360
)30(3=-=
α
5、三相桥式全控整流电路对电阻—电感—反电势负载供电。

E ＝200V ，R d ＝1Ω，L d 数值很大，U 2＝220V ，α＝30°，当(1) L B ＝0；〔2〕L B ＝1mH 时，分别求U d 、I d 和换流重叠角μ。

答：〔1〕22.34cos 2.34220cos 60257.5()2B d d mX U U I V απ
=-=⨯⨯=
/257.5/157.5()d d d I U R A ===
0μ=
〔2〕33257.5257.510314257.50.3d d d d U U I I π-=-∆=-⨯⨯=-
200d d d d U E I R U I -=⇒=+
257.520044.23()1.3
d I A -== 200244.23()d d d U I R V =+=
344.2310314cos cos()0.05156220sin 302sin d B
d I X U m ααμπ-⨯⨯-+===⨯ cos(60)0.50.0515μ+=-
63.3660 3.36μ=-=
6、三相半波可控整流电路带电阻性负载，a 相晶闸管VT 1触发脉冲丢失，试画出α＝15°与α＝60°时的直流电压u d 波形，并画出α＝60°时b 相VT 2管两端的电压u T2波形。

答：
7、图3-39中的两个电路，一个工作在整流—电动机状态，另一个工作在逆变—发电机状态。

试求
(1) 画出U d ，E ，i d 的方向；
(2) 说明Ｅ与U d 的大小关系；
(3) 当α与β的最小值均为30°，控制角α的移相X 围。

7.答：
〔1〕
整流—电动机 逆变—发电机
〔2〕 U d > E E > U d
〔3〕30°～150°
8、三相半波逆变电路，U 2＝100V ，E ＝30V ，R d ＝1Ω，L d 足够大，保证电流连续。

试求α＝90°时I d ＝？如假设β＝60°时，I d ＝？为什么？
8.答：
〔1〕U d = 1.17U 2cos α = 1.17×220×cos90º = 0 V
A R
U E I d d 30=-= (2) U d = -1.17U 2cos β = 1.17×100×cos60º = -58.5 V
E U d > ，故不满足逆变条件
I d = 0
第4章
1．直流—直流〔DC —DC 〕变换有哪几种控制方式？它们又是如何具体实现的？
1.答：控制方式有：
1、时间比控制：
脉宽控制
频率控制
综合控制
2、瞬时值控制
2．简述Boost-Buck变换电路与Cúk变换电路的异同点。

答：〔1〕Cúk变换电路输入电源电流和输出负载电流均连续，脉动小，有利于滤波〔2〕Cúk变换电路借助电容传递能量，Boost-Buck变换电路借助电感传递能量，故Cúk变换电路的电容器C中的脉动电流大，要求电容量大。

(3)Cúk变换电路VT导通时要流过电感L1和L2的电流，故功率开关的峰值电流大。

(4)Boost-Buck变换电路与Cúk变换电路功能一样，两者都是升降压变换器。

第5章
1．阐述和区分：1〕有源逆变和无源逆变；2〕逆变与变频；3〕交—直—交变频和交—交变频。

1.答：(1)将直流电逆变成电网频率的恒频率交流并输送给电网的称为有源逆变。

将直流电逆变成频率可变的交流电并直接提供应用电负载，称为无源逆变。

(2)只有无源逆变才能实现变频，但无源逆变不等于变频，变频是指将一种频率的交流电转化成另一种频率的交流电的过程
(3)交—直—交变频将一种频率的交流经整流变换成直流，再经无源逆变变换成频率可变的交流。

交—交变频是将一种频率的交流电转换成另一种频率的交流电。

2．晶闸管无源逆变器有几种换流方式？负载谐振换流式逆变器和强迫换流式逆变器中的电容器C的作用有何异、同？
2.答：换流方式有：
〔1〕电网换流〔2〕负载谐振式换流〔2〕强迫换流
负载谐振换流式逆变器利用电容储能实现晶闸管的强迫关断；强迫换流式逆变器那么
利用负载中电感和电容形成的震荡特性，使电流自动过零。

3．PWM 调制有哪些方法？它们各自的出发点是什么？
3.答：〔1〕采样法
自然采样法
对称规那么采样法
规那么采样法
不对称规那么采样法
以一个正弦波为基准波(称为调制波)，用一列等幅的三角波(称为载波)与基准正弦波相交，由它们的交点确定逆变器的开关模式。

〔2〕指定谐波消去法
消去指定的低次谐波。

4．什么是单极性、双极性PWM ？什么是同步调制、异步调制、混合同步调制？各有什么优、缺点？
4.答：半周期内具有单一极性SPWM 波形输出的调制方式称单极性调制。

如果上下桥臂作互补通断，正负电压交替出现，那么称之为双极性调制。

载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。

异步调制的主要特点:在信号波的半个周期内，PWM 波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。

这样，当信号波频率较低时，载波比拟大，一周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称产生的不利影咱都较小，PWM 波形接近正弦波。

而当信号披频率增高时，载波比N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大，有时信号波的微小变化还会产生PWM 脉冲的跳动。

这就使得输出PWM 波和正弦波的差异变大。

对于三相PWM 型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。

载波比N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。

同步调制的主要特点:在同步调制方式中，信号波频率变化时载波比N 不变，信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。

当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的载波频率fc 也很低。

fc 过低时由调制带来的谐波不易滤除。

当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声。

当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率f c 会过高，使开关器件难以承受。

此外，同步调制方式比异步调制方式复杂一些。

混合〔分段〕同步调制是把逆变电路的输出频率划分为假设干段，每个频段的载波比一定，不同频段采用不同的载波比。

其优点主要是，在高频段采用较低的载波比，使载波频率不致过高，并可限制在功率器件允许的X 围内。

而在低频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。

第6章
1．交流调压电路用于变压器类负载时，对触发脉冲有何要求？如果正、负半周波形不对称时会导致什么后果？
.答：〔1〕用于变压器类负载时，触发脉冲要求：παϕ≤≤；采用宽度大于60的宽脉冲或后沿固定、前沿可调、最大宽度可达180的脉冲列触发。

〔2〕如果正负半周波形不对称，那么输出电流为单向脉冲波，有很大直流分量，会对电机、电源变压器类小电阻、大电感负载带来严重危害，此时应考虑改用宽脉冲触发方式。

2．交—交变频电路最高输出频率与输入频率之间有何约束关系？限制输出频率提高的因素是什么？
答：一般来讲，构成交交变频电路的两组变流电路的脉波数越多，最高输出频率就越高。

当交交变频电路中采用常用的6脉冲波三相桥式整流电路时，最高输出频率不应高于电网频率的1/3~1/2。

当电网频率为50Hz时，交交变频电路输出的上限频率为20Hz左右。

当输出频率增高时，输出电压一周期所包含的电网电压段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变和由此引起的电流波形畸变以与电动机的转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。