电力电子 第五章第2讲及作业
电力电子第四版 第5章 思考题与习题答案详解
习题与思考题1.无源逆变电路和有源逆变电路有什么不同？答： 有源逆变是将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电返送 到电网。
应用于直流电机的可逆调速、绕线转子异步电机的串级调速、高压直流输电和太阳 能发电等方面。
无源逆变是逆变器的交流侧直接接到负载，即将直流电逆变成某一频率或可 变频率的交流电供给负载。
蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需 要采用无源逆变电路。
2.电力电子电路中的开关器件有哪些换流方式？各有什么特点？答：换流方式可分为以下四种：①器件换流：利用全控型器件(GTO、GTR、IGBT和电力 MOSFET等)的自关断能力进 行换流。
②电网换流：由电网提供换流电压称为电网换流。
在换流时，只要把负的电网电压 施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。
这种换流方式不需要器件具有门极可关断能力，也 不需要为换流附加元件，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。
③负载换流：由负载提 供换流电压称为负载换流。
在负载电流相位超前于负载电压的场合， 即负载为电容性负载时， 可实现负载换流。
④强迫换流：强迫换流需要设置附加的换流电路。
给欲关断的晶闸管强迫 施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流。
强迫换流通常利用附加电容上储存的能 量来实现，也称为电容换流。
上述四种换流方式中，器件换流只适用于全控型器件，其余方式针对晶闸管而言。
3.什么是电压型逆变电路和电流型逆变电路？各有什么特点？答：逆变电路按照直流侧电源性质，可分为电压型逆变电路和电流型逆变电路两类。
直流侧 电源是电压源的逆变电路，称为电压型逆变电路，而直流侧电源为电流源的逆变电路，称为 电流型逆变电路。
电压型逆变电路有如下主要特点：1）直流侧为电压源或并联大电容，电容抑制了直流电压纹波，使直流侧电压基本无脉 动，直流侧近似为恒压源，直流回路呈现低阻抗。
2）输出电压为矩形波，输出的电流波形和相位因负载阻抗不同而不同。
电工与电子技术第五章习题详解(陶桓齐)华中科技大学出版社
第5章习题解答5-11电路如题图5-11所示，换路前已处于稳态。
在t = 0时发生换路，求各元件中电流及端电压的初始值；当电路达到新的稳态后，求各元件中电流及端电压的稳态值。
解：初始时刻的等效电路如题图5-11-1，由图可得+++1210(0)(0)(0)1A R R 1C1C2i =i =i ==+；++(0)(0)0L1L2i i ==；++(0)(0)1A 21i i =-=- 1+12R (0)102V R R 1u =⨯=+； 题图5-112+12R (0)108V R R 2u =-⨯=-+；++(0)(0)0V C1C2u u ==；++(0)(0)L1L2u u ==C1C2112R ()102V R R 1u ∞=⨯=+；212R ()108V R R 2u ∞=⨯=+；()()0V L1L2u u ∞=∞=；()()()=8V C1C22u u u ∞=∞=∞5-12 电路如题图5-12所示，换路前已处于稳态。
在t = 0时发生换路，求各元件中电流及端电压的初始值；当电路达到新的稳态后，求各元件中电流及端电压的稳态值。
解：t=0+瞬时，等效电路如题图5-12-1所示，电感电流等效为恒流源。
t=∞时，等效电路如题图5-12-2所示。
则初始值：111211112(0),(0),(0)s s sLs s sC sU I R Ui iR R RU U I Ri IR R R++++==++=+++；1212112212(0),(0)0V,(0),(0)s sL Cs ssU I Ru R uR RU I Ru U u RR R+++++=-=++==+；题图5-12-1 题图5-12-211120,()s ssU I Ri IR R+=∞=-+；11212()(),()()s sC s CU I Ru I R u uR R+∞=-∞=∞+5-13数。
(a) (b)题图5-13解：（a）图：初始时刻的等效电路如题图5-13-1，由图可得+1U(0)R1i=；++23U(0)(0)R R2Ci=i=+；题图5-12+(0)U 1u =；+(0)0C u =；2+23R (0)U R R 2u =+；3+23R (0)U R R 3u =+电路达到稳态之后的等效电路如题图5-13-2，由图可得1U()R 1i =∞；()()02C i =i ∞∞=； ()U 1u =∞；()()=023u =u ∞∞；()U C u =∞1()R 1S u =I ∞；23S 23R R ()()=I R R 23u =u ∞∞+；()0L u =∞；231S 23R R ()(R )I R R S u =∞++时间常数：23LR R τ=+5-14 在题图5-14电路中，已知：1250k ,4F,6F =Ω=μ=μR C C ，换路前1C 和2C 上储存的总电荷量为41.210C -⨯。
电力电子第五版第2讲_3
F
u
F
t fr
图2-6 电力二极管的动态过程波形 b) 零偏置转换为正向偏置
t
24
2.2.3 电力二极管的主要参数
■正向平均电流IF(AV) ◆指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称 壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工 频正弦半波电流的平均值。 ◆ IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按 有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。
2
2.1 电力电子器件概述
2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 电力电子器件的概念和特征 应用电力电子器件的系统组成 电力电子器件的分类 本章内容和学习要点
3
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
■电力电子器件的概念 ◆电力电子器件是指可直接用于处理电能的主电 路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 ☞主电路：在电气设备或电力系统中，直接 承担电能的变换或控制任务的电路。 ☞广义上，电力电子器件可分为电真空器件 和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器 件。
■另一方面，空间电荷区形成由N区到P区的内电场，内电场一边阻碍多
子扩散运动，一边帮助少子漂移运动。
多子扩散运动因内电场而减弱（停止）， 少子漂移运动因内电场而加强（进行）。 最终，扩散运动和漂移运动达到动态平衡， 空间电荷区达到稳定值。
PN结是半导体的核心，掌握它的性质是分析 器件的基础，它的特点是单向导电性。
◆为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作 在开关状态。 ◆由信息电子电路来控制 ,而且需要驱动电路。
◆自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件， 在其工作时一般都需要安装散热器。
6
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子技术(第二版)第5章答案
解：输出线电压的基波幅值
输出线电压的有效值
输出线电压中五次谐波 的表达式为：
其有效值为：
输出相电压的基波幅值
输出相电压的有效值
6.SPWM逆变器有哪些优点？其开关频率的高低有什么利弊？
4.电压型逆变器中反馈二极管的作用是什么？
答：在电压型逆变器中，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。
12.什么是自然采样法和规则采样法？
答：按照SPWM控制的基本原理，可在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关管的通断，这种生成SPWM波形的方法称为自然采样法。规则采样法是一种应用较广的工程使用方法，它的效果非常接近自然采样法。
13.逆变器多重化的目的是什么？如何实现？
答：逆变电路多重化的目的：一是使总体上装置的功率等级提高；二是可以改善输出电压的波形。因为无论是电压型逆变电路输出的矩形电压波，还是电流型逆变电路输出的矩形电流波，都含有较多谐波，对负载有不利影响；采用多重逆变电路，可以把几个矩形波组合起来获得接近正弦波的波形。
第五章
1.换流方式有哪几种?各有什么特点?
答:换流方式有4种:
1器件换流。利用全控型器件的自关断能力进行换流称为器件换流。
2电网换流。由电网提供换流电压称为电网换流。这种换流方式应用于由交流电网供电的电路中，它是利用电网电压自动过零并变负的性能来实现换流的。
电力电子技术-第五章习题解析
交流－直流变换器(14)
3.题图5-2为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，问该变压器 还有直流磁化问题吗？试说明：①晶闸管承受的最大反向电压为2
②当负载是电阻或电感时，其输出电压和电流的波形与单相全控桥时相同 。
答：该变压器不存在直流磁化问题。
①在正半周时，VTl工作，变压器二次绕组上 半部分流过电流。变压器二次电压通过VTl加 在 VT2 两 端 ， 且 是 反 向 电 压 ， 其 最 大 值 是 。2 2U2
解：
Ud
=
2.34U2[1+ cos(α
+ π )] =
3
2.34× 400× (1+ cos 5 π )
6
= 125.4V
Id
= Ud Rd
= 12.54A
交流－直流变换器(14)
2.在三相半波整流电路中，如果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。
ud
ua
ub
交流－直流变换器(14)
第5章 习题（1）
第1部分：简答题 1. 如题图5-1所示的单相桥式半控整流电路中可能发生失控现象，何为失 控，怎样抑制失控？
答：当 α 突然增大至 180o 或触发脉冲丢失时，由于电感储能不经变压 器二次绕组释放，只是消耗在负载电阻上，会发生一个晶闸管持续导通而两 个二极管轮流导通的情况，这使 ud 成为正弦半波，即半周期 ud 为正弦，另 外半周期 ud 为零，其平均值保持恒定，相当于单相半波不可控整流电路时 的波形，称为失控。
6.PWM整流电路可分为 电压型 和电流型两大类，目前研究和应用较多的是 电压型 PWM整流电路。
7.PWM整流电路的控制方法有间接电流控制和直接电流控制 ，基于系统的 静态模型设计、动态性能较差的是间接电流控制，电流响应速度快、系统鲁棒
电力电子技术(第二版)第5章答案
第五章1.换流方式有哪几种?各有什么特点?答:换流方式有4种:器件换流。
利用全控型器件的自关断能力进行换流称为器件换流。
电网换流。
由电网提供换流电压称为电网换流。
这种换流方式应用于由交流电网供电的电路中，它是利用电网电压自动过零并变负的性能来实现换流的。
负载换流。
由负载提供换流电压称为负载换流。
这种换流方法多用于直流电源供电的负载电路中。
强迫换流。
设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流。
换流回路的作用是利用储能元件中的能量，产生一个短暂的换流脉冲，使原来导通的晶闸管电流下降到零，再使它承受一段时间反压，便可关断。
强迫换流通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称电容换流。
2.什么是电压型和电流型逆变器？它们各有什么特点？答：⑴直流侧是电压源的逆变器称为电压型逆变器。
电压型逆变器的特点如下：①直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。
直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。
②由于直流电压源的箝位作用，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随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。
逆变桥各臂反并联的二极管为交流侧向直流侧反馈无功能量提供了通道。
④直流侧向交流侧传送的功率是脉动的。
因为直流电源电压无脉动，故传送功率的脉动由直流侧电流的脉动来实现。
⑵直流侧电源为电流源的逆变器称为电流型逆变器。
电流型逆变器有如下特点：①直流侧串联有大电感，相当于电流源。
直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。
②各开关管仅是改变直流电流流通途径，交流侧输出电流波形为矩形波，与负载阻抗角无关。
而交流侧输出电压波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形常接近正弦波。
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功率能量的作用。
因反馈无功能量时电流并不反向，故开关管不必反并联二极管。
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VD 3 V5
VD 5
N'
B
N
Ud 2
+ V4 C
VD4 V6
VD 6
V
C
2
VD 2
–
依次相差120°。 当urA>uc时，V4关断，V1或
uuuurrrUVWc
VD1导通，则uAN’=Ud/2
调制 电路
三相桥逆变电路
– 当urA<uc时， V1关断，V4 或VD4导通，则uUN’=-Ud/2
要它们的冲量即变量对时间
f (t)
f (t)
的积分相等，其作用效果基
d (t)
本相同。
– 图a-d四种激励分别加在具 有惯性的阻感负载时，其输 出响应基本相同。
O
t
O
t
c)
d)
图a、b、c、d分别为方波、三角波、正 弦半波窄脉冲、单位冲击函数δ（t） ， 面积都等于1。
-4-
电力工程系
5.1 概述
单相桥逆变桥阻感负载
V2保持导通，V1断开，
V3和V4交替通断；
uo可得-Ud和0两种电平
-13-
电力工程系
5.2.1 计算法和调制法
• 双极性PWM控制方式
u
ur uc
– 在ur的一个周期内，输出
的PWM波只有±Ud两种
O
t
电平
– ur正负半周，对各开关器
uo Ud
件的控制规律相同
uof uo
第5章 PWM控制技术
• PWM（Pulse Width Modulation）控制
– 对脉冲的宽度进行调制的技术，通过对一系列脉冲的宽度 进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。
(完整版)电力电子技术第五版课后答案
电力电子技术第五版课后习题答案第二章 电力电子器件2-1 与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结构特点才使得其具有耐受高压和大电流的能力？答：1.电力二极管大都采用垂直导电结构，使得硅片中通过电流的有效面积增大，显著提高了二极管的通流能力。
2.电力二极管在P 区和N 区之间多了一层低掺杂N 区，也称漂移区。
低掺杂N 区由于掺杂浓度低而接近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导体，由于掺杂浓度低，低掺杂N 区就可以承受很高的电压而不被击穿。
2-2. 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。
2-3. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？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。
要使晶闸管由导通变为关断， 可利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。
2-4 图2-27中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流 最大值均为Im π4π4π25π4a)b)c)图1-43图2-27 晶闸管导电波形解：a) I d1=π21⎰ππωω4)(sin t td I m=π2m I (122+)≈0.2717 I m I 1=⎰ππωωπ42)()sin (21t d t I m =2m I π2143+≈0.4767 I m b) I d2 =π1⎰ππωω4)(sin t td I m =πm I (122+)≈0.5434 I m I 2 =⎰ππωωπ42)()sin (1t d t I m =22m I π2143+≈0.6741I m c) I d3=π21⎰20)(πωt d I m=41I m I 3 =⎰202)(21πωπt d I m =21 I m 2-5 上题中如果不考虑安全裕量,问100A 的晶闸管能送出的平均电流I d1、I d2、I d3各为多少？这时，相应的电流最大值I m1、I m2、I m3各为多少?解：额定电流I T(AV) =100A 的晶闸管，允许的电流有效值I =157A ，由上题计算结果知a) I m1≈4767.0I≈329.35， I d1≈0.2717 I m1≈89.48b) I m2≈6741.0I≈232.90, I d2≈0.5434 I m2≈126.56 c) I m3=2 I = 314,I d3=41 I m3=78.52-6 GTO 和普通晶闸管同为PNPN 结构,为什么GTO 能够自关断,而普通晶闸管不 能? 答：GTO 和普通晶阐管同为PNPN 结构，由P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管 V1、V2，分别具有共基极电流增益a1和a2，由普通晶阐管的分析可得,a1+a2=1是器件临界导通的条件。
电力电子技术(第2版)第5章d
SLE4520须与微处理机配合使用，才能产生三相SPWM信 号，其开关频率和输出频率分别可达23.4kHz和3kHz。芯 片内有一个4位死区锁存器，可设置逆变桥同相上下两开 关管转换的死区时间，防止桥臂短路。 MA818是用于产生三相SPWM控制信号的大规模集成电 路芯片，具有6个标准TTL电平的输出，可方便地用来驱 动逆变桥的6个功率开关管。采用规则采样法，载波频率 最高可达24 kHz，输出调制频率最高可达4kHz。 89XC196MC是一个16位微处理器，其内部有一个三相互 补SPWM波形发生器，可直接输出6路SPWM信号，驱动 电流达20mA。也采用规则采样法产生波形，三相脉宽由 软件编程计算。
tA tD tB
t
δ
uco
2
δ'
O
δ
δ'
t
由图得：
1+ asin ωrtD δ / 2 = 2 Tc / 2
u
Tc
uc
AD B
T δ = c (1+ asin ωrtD ) 2
O
tA tD tB
t
一个Tc内脉冲两边的间隙宽度δ’为：
T 1 δ ' = (Tc −δ ) = c (1− asin ωrtD ) 2 4
+
Ud 2
VD1 VT1
RL
L
io
+ io
*
uo
− i o
Ud 2
−
VD 2 VT2
基本原理 通过环宽为2∆I的滞环比较器的控制，io就在(io*+∆I) 把指令电流io*和实际输出电流io的偏差(io*−io)作为滞 当io≥(io*+∆I)时，桥臂1(VT1或VD1)导通，io增大 * 和(io*−∆I)的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流io 。 环比较器的输入 当io≤(io*+∆I)时，桥臂2(VT2或VD2)导通，io减小 当io*是正弦波时，输出电流io也十分接近正弦波。 通过比较器的输出控制器件VT1和VT2的通断
《电力电子技术》电子课件(高职高专第5版) 5.1 交流调压电路
减少；
5.1.2 三相交流调压电路
1、三相四线制调压电路特点：
1）相当于三个独立的单相交流调压 电路组合而成的；
2）存在中性线，但是3次谐波在中 线中的电流大，故中线的导线截面要求 与相线一致；
3）晶闸管的门极触发脉冲信号，同 相间两管的触发脉冲要互差180°。
)e tan
]dt
IT
1
(
2U
) 2 [s in(t
)
sin(
t
)e tan
]2
dt
2 Z
U sin cos(2 )
Z
cos
(5.1.9) (5.1.10)
(5.1.11)
IO 2IT
(5.1.12)
5.1.1 单相交流调压电路
调压电路在不同α时的工作情况
2、α =ф
由
式中 n=1为基波，n=3,5,7,…为奇次谐波。随着谐波次数n的增加，谐 波含量减少。
5.1.1 单相交流调压电路
2、阻感性负载 （R-L负载）
单相交流电压器带阻感负载时， 工作情况同可控整流电路带电感负 载相似；
当电源电压反向过零时，负载 电感产生感应电动势阻止电流的变 化，故电流不能立即为零；
1、α>ф，导通角θ≺1800，正负半波电流断续。α愈大，θ愈小， 波形断续愈严重。
负载电压的有效值UO、晶闸管电流平均值IdT、电流有效值IT以及负 载电流有效值IO分别为：
U 0
1
(
2U
sint)2 dt U
sin2 sin2( )
I dT
1 2
[sin(t
)
sin(
电子电工学第五章知识点PPT课件
IN I1 I2 I3 0 结论：负载对称时,中性线无电流,可省掉中性线。 例1：一星形联结的三相电路，电源电压对称。设电源线电压 u12 380 2sin(314 t 30)V
负载为电灯组，若R1=R2= R3 = 5 ，求线电流及中性线电流 IN ;
若R1=5 , R2=10 , R3=20 ,求线电流及中性线电流 IN 。
2. 负载三相不对称，必须采用三相四线制供电方式，且中性线上不允许接刀闸和熔断器。
习题:求例1电路的中性线断开时负载的相电压及相电流。
U1 1440 V I1 28.80A
U 2 2490 V
U 3 288131V
I2 24.94 139A I3 14.4131A
5.3 负载三角形联结的三相电路
(2) L1相断路
1) 中性线未断： L2、L3相灯仍承受220V电压, 正常工作。 2) 中性线断开： 变为单相电路，由图可求得
I U23 380 12 .7 A U2 IR 2 12 .7 10 127 V
R2 R3 10 20
U3 IR 3 12 .7 20 254 V
结论： 1. 不对称三相负载做星形联结且无中性线时, 三相负载的相电压不对称。
L1
+–
U12
–
U 31
L2
UU+2B3C
–
+
5.2 负载星形联结的三相电路
1. 三相负载
负载
三相负载：需三相电源同时供电 (三相电动机等) 单相负载：只需一相电源供电 (照明负载、家用电器等)
三相负载
对称三相负载：Z1 = Z2 = Z3 （如三相电动机） 不对称三相负载： 不满足 Z1 = Z2 = Z3 （如由单相负载组成的三相负载）
电力电子技术_第五版_王兆安刘进军_课后详细答案(机械工业出版社)
0 π 4
π a)
2π 0 π 4
π 5π 4 b)
2π 0
π 2 c)
2π
图 1-43 晶闸管导电波形 解 a) Id1= I1= b)
Im 1 π ( 2 + 1 ) ≈ 0.2717 Im π I m sin ωtd (ωt ) = ∫ 2 π 4 2 π 2
1 2π
∫π ( I
4
π
m
sin ωt ) 2 d (ωt )
=
π
2Im 2
Id3= I3 =
1 2π
1 2 1 I m d (ωt ) = ∫ 0 2 π 4
Im
∫
π
2 0
I m d (ωt )
2
= 1 Im
2
4. 题中如果 考虑安全裕量, 100A 的晶闸管能 的 均电流 Id1 Id2 Id3 各 多少 时 相应的电流最大值 Im1 Im2 Im3 各 多少? 解 额定电流 I T(AV) =100A 的晶闸管 允许的电流 效值 I =157A 由 题计算 结果知 a) Im1 ≈ I ≈ 329.35 Id1 ≈ 0.2717 Im1 ≈ 89.48 b) c)
图
π 2π
ωt
π
2π
ωt
0
π
2π
ωt
当α 60°时 在 u2 半周期 60° ~180° 期间晶闸管导通使电感 L 储能 电 感 L 储藏的能量在 u2 负半周期 180° ~300° 期间释放 因 在 u2 一个周期中 60° ~300° 期间 微 方程成立
L d id = 2U 2 sin ωt dt
2
7. IGBT GTR GTO 和电力 MOSFET 的驱 电路各 什 特点 答 IGBT 驱 电路的特点是 驱 电路 较小的输 电阻 IGBT 是电压驱 型器件 IGBT 的驱 多采用 用的混合集成驱 器 GTR 驱 电路的特点是 驱 电路提供的驱 电流 足够陡的前沿 并 一 定的过 样 开通过程 减小开通损耗 关断时 驱 电路能提供幅值 足够大的 向基极驱 电流 并 偏截 电压 关断 度 GTO 驱 电路的特点是 GTO 要求 驱 电路提供的驱 电流的前沿应 足够的幅值和陡度 一般需要在整个导通期间施 门极电流 关断需施 负 门极电流 幅值和陡度要求更高 驱 电路通常包括开通驱 电路 关断驱 电路和门极 偏电路 部 电力 MOSFET 驱 电路的特点 要求驱 电路 较小的输入电阻 驱 率小 电路简单 8. 全 型器件的缓 电路的 要作用是什 试 析 RCD 缓 电路中各元 件的作用 答 全 型器件缓 电路的 要作用是抑制器件的内因过电压 du/dt 或过电流 和 di/dt 减小器件的开关损耗 RCD 缓 电路中 各元件的作用是 开通时 Cs 经 Rs 放电 Rs 起到限制放 电电流的作用 关断时 负载电流经 VDs Cs 流 使 du/dt 减小 抑制过电压 9. 试说明 IGBT GTR GTO 和电力 MOSFET 各自的优缺点 解 对 IGBT GTR GTO 和电力 MOSFET 的优缺点的比较如 表 器 件 优 点 缺 点 开关 度高 开关损耗 小 耐脉 电流 开关 度 于电力 IGBT 的能力 通态压降较 MOSFET,电压 电流 输入阻 高 电 容量 及 GTO 压驱 驱 率小 开关 度 电流 耐压高 电流大 开关 驱 所需驱 率 GTR 特性好 通流能力强 大 驱 电路复杂 饱和压降 存在二次 穿 题 电压 电流容量大 电流关断增益很小 GTO 用于大 率场合 关断时门极负脉 电导调制效应 通流 电 流 大 开 关 度
电工学第5章-课件
20～25
迅速麻痹，不能摆脱电源，剧痛， 呼吸困难
痉挛
50～80
呼吸器官麻痹，心脏开始振颤
肌痛感觉强烈，触电部位肌肉痉挛，呼吸困 难
90～100
呼吸困难，持续3秒左右心脏停跳 呼吸器官麻痹
第五章 供电及用电
2、安全电压
作用于人体的电压低于一定数值时，在短时间内，电压对人体 不会造成严重的伤害事故，称这种电压为安全电压。
适用于1000V以 下中性点不接地电网 和1000V以上任何形 式的电网。
在1000V以下的中性 点直接接地系统中 ， 不采取接地作为保护 措施。
图5-8 保护接地原理 第五章 供电及用电
2、保护接零
将电气设备的外壳与系统的零线相接。
保护接零后电气设备的一相 因绝缘损坏而碰壳时，电流通过 零线构成回路，由于零线阻抗很 小，致使短路电流I k很大， 立 即将熔丝熔断，或使其他保护电 器动作，迅速切断电源，排除触 电危险。
跨步电压触电
接触电压触电： 人体与电气设备的带电外壳接触而引起的触电。
静电触电：人体带有静电后，再接触其他金属体，很容易形成 静电放电（电击）。虽然电压很高，但放电电流不大，且放电 持续时间极短，所以一般不会给人带来太大的危险。
第五章 供电及用电
二、防止触电的技术措施
1、保护接地
将电气设备的金 属外壳与大地可靠连 接。
电工学第5章
精品jing
本 习 ➢ 了解电能的产生、传输与分 配,熟悉电力系统的结构
章 要 ➢ 掌握安全用电的意义和方法 学 点 ➢ 了解节约用电的意义和措施
➢ 了解电能转换技术及应用
第五章 供电及用电
5-1 电能的产生、传输与分配
第五章 供电及用电
电力电子课后习题答案
第五章 直流-直流交流电路1．简述图5-1a 所示的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t on ，由电源E 向L 、R 、M 供电，在此期间，u o ＝E 。
然后使V 关断一段时间t off ，此时电感L 通过二极管VD 向R 和M 供电，u o ＝0。
一个周期内的平均电压U o ＝E t t t ⨯+offon on。
输出电压小于电源电压，起到降压的作用。
2．在图5-1a 所示的降压斩波电路中，已知E =200V ，R =10Ω，L 值极大，E M =30V ，T =50μs ,t on =20μs ,计算输出电压平均值U o ，输出电流平均值I o 。
解：由于L 值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为U o =E T t on =5020020⨯=80(V) 输出电流平均值为I o =R E U M o -=103080-=5(A)3．在图5-1a 所示的降压斩波电路中，E =100V ， L =1mH ，R =0.5Ω，E M =10V ，采用脉宽调制控制方式，T =20μs ，当t on =5μs 时，计算输出电压平均值U o ，输出电流平均值I o ，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t on =3μs 时，重新进行上述计算。
解：由题目已知条件可得：m =E E M =10010=0.1τ=RL =5.0001.0=0.002 当t on =5μs 时，有ρ=τT =0.01αρ=τont =0.0025由于11--ραρe e =1101.00025.0--e e =0.249>m 所以输出电流连续。
此时输出平均电压为U o =E T t on =205100⨯=25(V) 输出平均电流为I o =R E U M o -=5.01025-=30(A) 输出电流的最大和最小值瞬时值分别为I max =R E m e e ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----ραρ11=5.01001.01101.00025.0⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----e e =30.19(A)I min =R E m e e ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---11ραρ=5.01001.01101.00025.0⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---e e =29.81(A) 当t on =3μs 时，采用同样的方法可以得出：αρ=0.0015由于11--ραρe e =1101.0015.0--e e =0.149>m 所以输出电流仍然连续。
电力电子ch5触发电路
1. 同步环节
电源负半周上升段：
VD11 ~VD14
R15 C7 + C6
当C1电压上升至+1.4V时：
+15V
220V 36V
VD15
B VD7 TP
VD8 +15V
Байду номын сангаас
R18
RP2
R9
R11
R12
R14
VS
R3
结论2：VA2处C3于截止状态的时R1间3 决定锯齿V波D9的宽度！
R1
V1 I1 c
VD4
齿波起点基本就是同步电压由正变负的 过零点。
V2截止状态持续的时间就是锯齿波的 宽度：取决于充电时间常数R1C1。
2. 锯齿波的形成环节
+15V TS R
VD 1 1~VD 1 4
R1 5 C7 + C6
恒流源电路
RP2
VS
R3
220V 36V
R9
R1 1
A C3
R1 2
VD 1 5
B VD7 T P
RP1
C1反向充电，电压升高uco -15V
进而改接变封锁 锯信 齿号 波的宽度！
X Y -15V
结论4：锯齿波的宽度由R1C1来决定！
1. 同步环节
同步：要求触发脉冲的频率与主电路电源的 频率相同且相位关系确定。
锯齿波由开关V2管来控制： V2开关的频率就是锯齿波的频率：由
同步变压器所接的交流电压决定。 V2由导通变截止期间产生锯齿波：锯
VD8 +15V
R1 4
R1 8
R1 3
VD 9
R1
VD1 VD2 Q
V1
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同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为直-交-直电路。 采用这种结构较为复杂的电路来完成“直流－直流”的变换有以下原因： ①输出端与输入端需要隔离。
②某些应用中需要相互隔离的多路输出。
③输出电压与输入电压的比例可远小于1或远大于1。 ④交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积 和重量。 间接直流变流电路分为单端(Single End)和双端(Double End)电路两大类，在单端 电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，而双端电路中，变压器中的电流为正负对 称的交流电流，正激电路和反激电路属于单端电路，半桥、全桥和推挽电路属于双端
期间N2的电压上正下负，电压由N1、N2的匝比计算。
N3：作副边，与N1耦合产生感应电势，但因二极管 VD3反偏N1中电流为零。 期间N3的电压上正下负，电压由N1、N3的匝比计算。
输出侧:
VD1导通，VD2阻断，一方面电感L的电流逐渐增长 (储能增加)，另一方面给负载R和电容C供电
3
5.3 带隔离的直流-直流变流电路 P131
5.3.1 (单端)正激电路 P132
工作过程2： S关断期间:(标注的变压器绕组极性为实际极性) N3：由“N3→电源(+)→电源(-)→VD3”构成回路，释放 变压器铁心储能，其电流作为成为变压器的原边励磁。 期间N3的电压下正上负。电压=Uin。 励磁电流经N3和VD3流回电源(此过程叫变压器的“去磁 复位”)。 N1：作为副边，与N3耦合产生感应电势，但因S关断N1中 电流为零。 期间N1的电压下正上负，电压由N3、N1的匝比计算。 此时开关管S承压的电压等于N3与N1电压之和，到达tk。 时刻磁芯储能释放完毕，N3电压为零，开关管S承压电源 电压Uin N2：作副边与N3耦合产生感应电势，但因二极管VD1反偏 N3中电流为零。 期间N2的电压下正上负，电压由N3、N2的匝比计算。 输出侧：电感L通过VD2续流给负载供电，VD1反偏关断。
电路。
2
5.3 带隔离的直流-直流变流电路 P131
5.3.1 (单端)正激电路
正激电路又叫“Flyback电路” 工作过程1： S开通期间:(标注的变压器绕组极性为实际极性)
P132
N1：作为原边励磁，励磁电流由电源Uin提供，同时经 过N2的耦合向负载供电。
期间N1的电压上正下负，电压=Uin。 N2：作为副边，与N1耦合获得能量向负载供电。
几百W~几百kW
几百W~几kW
有偏磁问题
几百W~几kW
低输入电压的电源
12
5.3.6 全波整流和桥式整流
P137
双端电路中常用的整流电路形式为全波整流电 路和全桥整流电路。
全波整流电路的特点： 优点：电感L的电流回路中只有一个二极管压 降，损耗小，而且整流电路中只需要2个二 极管，元件数较少。
缺点：二极管断态时承受的反压较高，对器件 耐压要求较高，而且变压器二次侧绕组有中 心抽头，结构较复杂。
9
5.3.5 (双端)推挽电路
P136
带中心抽头变压器逆变电路+全波整流电路
工作过程 推挽电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕 组N1和N1’两端分别形成相位相反的交流电 压。 S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L的电 流逐渐上升，S2导通时，二极管VD2处于通 态，电感L电流也逐渐上升。 当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通 态，各分担一半的电流。 S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui。
11
5.3 带隔离的直流-直流变流电路 P136
各种不同的间接直流变流电路的比较
电路 正激 反激 全桥 半桥 推挽 优点
电路较简单，成本低， 可靠性高，驱动电路简 单 电路非常简单，成本很 低，可靠性高，驱动电 路简单
P136 表5-1
功率范围
几百W~几kW
缺点
变压器单向激磁，利用 率低 难以达到较大的功率， 变压器单向激磁，利用 率低 结构复杂，成本高，有直通 问题，可靠性低，需要复杂 的多组隔离驱动电路 有直通问题，可靠性低， 需要复杂的隔离驱动电 路
反激电路可工作两种模式下： ①电流连续模式：当S开通时，N2绕组中的电流尚未下降 到零。 ②电流断续模式：当S开通时，N2绕组中的电流已提前下 降到零。
6
5.3.2 (单端)反激电路
两种电路比较
P133
(单端)正激电路： 开关管导通期间：电源向负载提供能量。 开关管关断期间：电源不能给负载提供能量。 (单端)反激电路： 开关管导通期间：电源仅向电路提供储能。 开关管关断期间：电源不提供能量，由电路储 能向负载提供能量
第5章 直流-直流变流电路 第2讲
5.3 带隔离的直流-直流变流电路 P131
5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 正激电路 反激电路 半桥电路 全桥电路 推挽电路 全波整流和全桥整流
1
5.3 带隔离的直流-直流变流电路 P131
序：带隔离的直流-直流变流电路 也叫“间接直流变流电路”。
4
5.3.1 (单端)正激电路
变压器的磁心复位：P133
P132
开关S开通后，变压器的激磁电流由零开始，随 时间线性的增长，直到S关断，导致变压器的激磁 电感接近饱和。 必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通 的时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。 变压器的磁心复位所需的时间为：
t rst
7
5.3.3 (双端)半桥电路
P134
半桥逆变+全波整流的直-交-直半桥电路
工作过程： S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅 值为Ui/2的交流电压，改变开关的占空比， 就可以改变二次侧整流电压ud的平均值， 也就改变了输出电压Uo。 S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时， 二极管VD2处于通态，当两个开关都关断 时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和 VD2都处于通态，各分担一半的电流。 S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个 开关都关断时，电感L的电流逐渐下降， S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。
应用领域
各种中、小功率电 源 小功率电子设备、 计算机设备、消费 电子设备电源。 大功率工业用电源、 焊接电源、电解电 源等 各种工业用电源，计 算机电源等
几W~几十W
变压器双向励磁，容易 达到大功率 变压器双向励磁，没有 变压器偏磁问题，开关 较少，成本低 变压器双向励磁，变压器 一次侧电流回路中只有一 个开关，通态损耗较小， 驱动简单
适用场合：输出电压较低的情况下(<100V)。
13
5.3.6 全波整流和桥式整流
全桥整流电路：
P137
优点：二极管在断态承受的电压仅为交流电压 幅值，变压器的绕组简单。 缺点：电感L的电流回路中存在两个二极管压 降，损耗较大，而且电路中需要4个二极管， 元件数较多。 适用场合：高压输出的情况下。 同步整流电路： 当电路的输出电压非常低时，可以采用同步 整流电路，利用低电压MOSFET具有非常小 的导通电阻的特性降低整流电路的导通损耗， 进一步提高效率。 这种电路的缺点是需要对V1和V2的通与断进 行控制，增加了控制电路的复杂性。
8
5.3.4 (双端)全桥电路
P135
全桥逆变＋全桥整流的直-交-直全桥电路
工作过程： 全桥逆变电路中，互为对角的两个开关同时
导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，
使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压， 改变占空比就可以改变输出电压。
当4个开关都关断时，4个二极管都处于通
态，各分担一半的电感电流，电感L的电 流逐渐下降，S1和S2断态时承受的峰值电 压均为Ui。 为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通， 每个开关的占空比不能超过50%，还应留 有裕量
输出电压： ①输出滤波电感电流连续时，输出电压由匝比和 α 确定：
N3 t on N1
U o N 2 ton U in N1 T
②输出电感电流不连续时，在负载为零的极限情 况下
U o N2 U in N1
5
5.3.2 (单端)反激电路
反激电路又叫“Forward电路”
P133
工作过程 S开通期间： N1上正下负，变压器作电感储能，N1电流线性增长，电 感储能增加(此过程不是变压功能)。 N2耦合电压下正上负，VD反偏，N2电流为零。电容对输 出端放电(此过程电源Ui不对负载供电)。 S关断期间： 变压器中的磁场能量通过N2和VD向输出端释放电能。释 能电流作励磁在N1中感应耦合出电压，与电源电压Ui串联 加在S上。 N1电流被S切断，耦合电压下正上负。电压值由匝比计算。 N2释能感应电压上正下负，电流经VD流向负载。
14
第5章 直流-直流变流电路
结 束
15
10
5.3 带隔离的直流-直流变流电源自 P136各种不同的间接直流变流电路的比较
P136
单端：变压器原边绕组在开关S导通期间单方向承受电源电压。
双端：变压器原边绕组在开关S导通期间双向向交替承受电源电压。
正激：变压器原边绕组在开关S导通期间作变压器功能向负载供电。 反激：变压器原边绕组在开关S导通期间作为电感器功能存储电能。