哈尔滨工业大学课件 电力电子技术47
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电力电子技术
组合变流电路 (3)
4.三相交流调压电路采用三相四线接法时，存在何种问题？ 答：三相的3的整数倍次谐波是同相位的，不能在各相之间流动，全部流 过零线，因此零线中会有很大的3次谐波电流及其它3的整数倍次谐波电流。 当 α = 90o 时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。 5.三相交流调压电路采用三相三线接法带电阻负载时，试分析电流的谐 波情况。 答：电流中含有许多谐波，按傅里叶分析后可知，所含谐波次数为 6k ± 1 （k=1，2，3…），谐波的次数越低，其含量越大。 6.什么是TCR，什么是TSC？它们的基本原理是什么？各有何特点？ 答：TCR是晶闸管控制电抗器电路，是支路控制三角形联结方式。通过 对α角的控制可以连续调节流过电抗器的电流，从而调节电路从电网中吸收 的无功功率。 TSC是晶闸管投切电容器电路，可以跟据电网对无功的需求而改变投入电 容器的容量，成为断续可调的动态无功功率补偿器。
λ = cos ϕ = cos 51.5o = 0.62
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电力电子技术47.8
电力电子技术
组合变流电路 (3)
4.采用两晶闸管反并联相控的交流调功电路，输入电压U1＝220V，负载电 阻R＝5W。晶闸管导通20个周期，关断40个周期。求: (1)输出电压有效值Uo, (2)负载功率Po, (3)电路的功率因数λ。 解：（1） （2）
电力电子技术
组合变流电路 (3)
2.采用两晶闸管反并联相控的交流调压电路，输入电压U1＝220V，负载 电阻R＝5W。如α1＝α2＝π/3,求： (1)输出电压及电流有效值 (2)输出功率 (3)单个晶闸管的电流有效值 (4)电路的功率因数 解：（1）
U o = U1 1 α 1 2 1 sin 2α + 1 − = 220 sin π + 1 − = 197V 2π π 2π 3 3
组合变流电路 (3)
3.一单相交流调压器，电源为工频220V，阻感串联作为负载，其中 R=0.5Ω，L=2mH。试求： ①控制角α的移相范围； 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； 解：（1）
2π × 50 × 2 × 10 ⎛ ωL ⎞ ϕ = arctan ⎜ = arctan ⎟ 0.5 ⎝ R ⎠
电力电子技术
第47讲
6-8章
习题课
组合变流电路 (3)
本讲是的习题课，讲解第6-8章所布置的习题。
第6章 习题（1）
第1部分：填空题 1.改变频率的电路称为变频电路 ，变频电路有交交变频电路和交直交 变频电路两种形式，前者又称为直接变频电路，后者也称为间接变频电 路。 2.单相调压电路带电阻负载，其导通控制角α的移相范围为 0 ≤ α ≤ π ， 随 α 的增大， Uo降低 ，功率因数λ降低 。 3.单相交流调压电路带阻感负载，当控制角α＜ϕ(ϕ=arctan(ωL/R) )时 ,VT1的导通时间逐渐缩短 ,VT2的导通时间逐渐延长。 4.根据三相联接形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式，TCR o o ， 属于支路控制三角形联结方式，TCR的控制角 α 的移相范围为 90 ~ 180 线电流中所含谐波的次数为6k±1 。 5.晶闸管投切电容器 选择晶闸管投入时刻的原则是：该时刻交流电源 电压应和电容器电压相等 。
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组合变流电路 (3)
第7章 习题
第1部分：填空题 1.抑制过电压的方法之一是用电容吸收可能产生过电压的能量，并用 电阻将其消耗。在过电流保护中，快速熔断器的全保护适用于小功率装置 的保护 。 2.IGBT的通态压降在1/2或1/3额定电流以下区段具有负温度系数， 在 1/2或1/3额定电流以上区段具有正温度系数。并联使用时具有电流的自动 均衡能力，易于并联。 3.晶闸管串联时，给每只管子并联相同阻值的电阻R是静态均压措施， 给每只管子并联RC支路是动态均压措施，当需同时串联和并联晶闸管时 ，应采用先串后并的方法。 4.功率晶体管缓冲保护电路中的二极管要求采用快恢复型二极管，以 便与功率晶体管的开关时间相配合。 5.现代电力电子装置的发展趋势是小型化 、轻量化 ，同时对装置的效 率和电磁兼容性也提出了更高的要求。 6.使开关开通前其两端电压为零的开通方式称为零电压开通 ，它需要 靠电路中的谐振来完成。
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电力电子技术47.11
电力电子技术
组合变流电路 (3)
4.交交变频电路的最高输出频率是多少？制约输出频率提高的因素是什么 ？ 答: 最高输出频率是电网频率的1/2～1/3，制约输出频率提高的因素是:电 压波形的畸变以及由此产生的电流波形的畸变、转矩脉动、电流死区和电 流断续。 5.三相交交变频电路有那两种接线方式？它们有什么区别？ 答:三相交交变频电路主要有两种接线方式，即公共交流母线进线方式 和输出星形联结方式。 公共交流母线进线方式的电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线 上。因为电源进线端公用，所以三组单相交交变频电路的输出端必须隔离 。为此，交流电动机的三个绕组必须拆开，共引出六根线。这种电路主要 用于中等容量的交流调速系统。 输出星形联结方式中电动机中性点不和变频器中性点接在一起。电动机 只引出三根线即可。因为三组单相交交变频电路的输出联接在一起，其电 源进线就必须隔离，因此三组单相交交变频器分别用三个变压器供电。
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电力电子技术47.2
电力电子技术
组合变流电路 (3)
第6章 习题（1）
第2部分：简答题 1.交流调压电路和交流调功电路有什么区别？二者各运用于什么样的负载 ？为什么？ 答：在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出 电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。以交流电的周期为单位控制晶闸 管的通断。改变通态周期 数和断态周期数的比，可以方便地调节输出功率的 平均值，这种电路称力交流调功电路。 交流调压电路广泛用于灯光控制及异步电动机的软起动，也用于异步电动 机调速。交流调功电路常用于电炉的温度控制，像电炉温度这样的控制对象， 其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁的控制。只要 以周波数为单位进行控制就足够了。 2.单相交流调压电路带电阻负载和带阻感负载时所产生的谐波有何异同？ 答：两种负载时所产生的谐波次数均为3、5、7…次，都随着次数增加，谐 波含量减少。但阻感负载时谐波含量要比电阻负载时小一些，而且控制角相同 时，随着阻抗角的增加，谐波含量减少。 3.斩控式交流调压电路带电阻负载时输入输出有何特性？ 答：斩控式交流调压电路带电阻负载时的输入为正弦波的交流电压，输出 基波分量和输入电压同相位，位移因数为1。且输出负载电流及电压不含低次 谐波，只含与开关周期T有关的高次谐波。
Io =
U o 197 = = 39.4 A 5 R
（2） （3） （4）
P = U o I o = 197V × 39.4 A = 7762W
IT =
1 39.4 Io = = 27.9 A 2 2
λ=
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U o 197 = = 0.9 U1 220
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电力电子技术47.7
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−3
= 51.5o
∴ 51.5o ≤ α ≤ 180o
（2） （3）
I 0 max =
U1 (ω L) + R
2 2
=
220 (100π × 2 × 10 ) + 0.5
−3 2 2
= 274 A
P0 max = U1 I 0 max cos ϕ = 220 × 274 cos 51.5o = 37.5 KW
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电力电子技术47.10
电力电子技术
组合变流电路 (3)
第6章 习题（2）
第2部分：简答题 1.画出单相交交变频电路的基本原理图并分析其基本工作原理。（略） 2.交交变频电路的主要特点和不足是什么？其主要用途是什么？ 答: 交交变频电路的优点是：只用一次变流，效率较高；可方便地实 观四象限工作：低频输出波形接近正弦波。 缺点是：接线复杂，受电网频率和变流电路脉波数的限制输出频率较 低；输入功率因数较低；输入电流谐彼含量大，频谱复杂。 交交变频电路主要用于500kw或 1000kw以上的大功率、低转速的交流 调速电路中。 3.单相交交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路有什么不 同？ 答：电路结构相同，但工作方式不同： 单相交交变频电路是交流输出，为此两组桥在交流输出的每个周期内都要 切换，且控制角要不断变化，使输出电压按照正弦规律变化。 反并联可控整流电路是直流输出，稳态时控制角不变，只有在电机运行状 态变化时，两组桥才进行切换。
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电力电子技术47.12
电力电子技术
组合变流电路 (3)
6.在三相交交变频电路中，采用梯形波输出控制的好处是什么？为什么？ 答:改善功率因数，提高输出电压。 梯形波的主要谐波成分是三次谐波，在线电压中，三次谐波相互抵消 ，结果线电压仍为正弦波。在这种控制方式中，因为桥式电路较长时间工 作在高输出电压区域a角较小，因此输入功率因数可提高15％左右。 和正弦波相比，在同样幅值的情况下，梯形波中的基波幅值可提高15 ％左右。这样就可以使变频器的输出电压提高约15％。 7.试述矩阵式变频电路的基本原理和优缺点。为什么说这种电路有较好的 发展前景？ 答: 矩阵式变频电路的基本工作原理：对单相交流电压进行斩波控制 ，即进行PWM控制时，如果开关频率足够高则其输出电压 U 0 = σ U S ，σ为占 空比。在不同的开关周期中采用不同的σ，可得到与频率和波形都不同的 输出电压 。 优点：输出电压为正弦波，输出频率不受电网频率的限制；输入电流也可 控制为正弦波且和电压同相，功率因数为1。能量可双向流动，适用于交流 电动机的四象限运行；不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。 因此，这种电路的电气性能是十分理想的,有较好的发展前景。 缺点：矩阵式变频电路所用的开关器件为18个，电路结构较复杂，成本较 高，控制方法还不算成熟。此外，其输出输人最大电压比只有0.866用于交 流电机调速时输出电压偏低。
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电力电子技术47.4
电力电子技术
组合变流电路 (3)
7.简述交流电力电子开关与交流调功电路的区别。 答：交流调功电路和交流电力电子开关都是控制电路的接通和断开，但 交流调功电路是以控制电路的平均输出功率为目的，其控制手段是改变控制 周期内电路导通周波数和断开周波数的比。而交流电力电子开关并不去控制 电路的平均输出功率，通常也没有明确的控制周期，而只是根据需要控制电 路的开通和断开。另外，交流电力电子开关的控制频度通常比交流调功电路 低得多。 8.交流调功电路中电流的谐波有何特点？ 答：如果以电源周期为基准，电流中不含整数倍频率的谐波，但含有非 整数倍频率的谐波，而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。
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电力电子技术47.5
电力电子技术
组合变流电路 (3)
第6章 习题（1）
第3部分：计算题 1.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 α=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α。
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电力电子技术47.6
U0 =
20 1 Ui = × 220 = 127V 20 + 40 3
U 0 2 127 2 P0 = = = 3226W R 5
（3）
λ = cos ϕ1 = 1
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电力电子技术47.9
电力电子技术
组合变流电路 (3)
第6章 习题（2）
第1部分：填空题 1.把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路称为交 交变频电路 。 2.单相交交变频电路带阻感负载时，哪组变流电路工作是由输出电流方 向决定的，交流电路工作在整流还是逆变状态是根据输出电压与电流的方 向是否相同决定的。 3.当采用6脉波三相桥式电路且电网频率为50Hz时，单相交交变频电路 的输出上限频率约为20Hz 。 4.三相交交变频电路主要有两种接线方式，即公共交流母线进线方式和 输出星形联接方式 ，其中主要用于中等容量的交流调速系统是公共交流母 线进线方式 。 5.矩阵式变频电路是近年来出现的一种新颖的变频电路。它采用的开关 器件是全控型器件；控制方式是斩控方式 。
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组合变流电路 (3)
4.三相交流调压电路采用三相四线接法时，存在何种问题？ 答：三相的3的整数倍次谐波是同相位的，不能在各相之间流动，全部流 过零线，因此零线中会有很大的3次谐波电流及其它3的整数倍次谐波电流。 当 α = 90o 时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近。 5.三相交流调压电路采用三相三线接法带电阻负载时，试分析电流的谐 波情况。 答：电流中含有许多谐波，按傅里叶分析后可知，所含谐波次数为 6k ± 1 （k=1，2，3…），谐波的次数越低，其含量越大。 6.什么是TCR，什么是TSC？它们的基本原理是什么？各有何特点？ 答：TCR是晶闸管控制电抗器电路，是支路控制三角形联结方式。通过 对α角的控制可以连续调节流过电抗器的电流，从而调节电路从电网中吸收 的无功功率。 TSC是晶闸管投切电容器电路，可以跟据电网对无功的需求而改变投入电 容器的容量，成为断续可调的动态无功功率补偿器。
λ = cos ϕ = cos 51.5o = 0.62
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组合变流电路 (3)
4.采用两晶闸管反并联相控的交流调功电路，输入电压U1＝220V，负载电 阻R＝5W。晶闸管导通20个周期，关断40个周期。求: (1)输出电压有效值Uo, (2)负载功率Po, (3)电路的功率因数λ。 解：（1） （2）
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组合变流电路 (3)
2.采用两晶闸管反并联相控的交流调压电路，输入电压U1＝220V，负载 电阻R＝5W。如α1＝α2＝π/3,求： (1)输出电压及电流有效值 (2)输出功率 (3)单个晶闸管的电流有效值 (4)电路的功率因数 解：（1）
U o = U1 1 α 1 2 1 sin 2α + 1 − = 220 sin π + 1 − = 197V 2π π 2π 3 3
组合变流电路 (3)
3.一单相交流调压器，电源为工频220V，阻感串联作为负载，其中 R=0.5Ω，L=2mH。试求： ①控制角α的移相范围； 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； 解：（1）
2π × 50 × 2 × 10 ⎛ ωL ⎞ ϕ = arctan ⎜ = arctan ⎟ 0.5 ⎝ R ⎠
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第47讲
6-8章
习题课
组合变流电路 (3)
本讲是的习题课，讲解第6-8章所布置的习题。
第6章 习题（1）
第1部分：填空题 1.改变频率的电路称为变频电路 ，变频电路有交交变频电路和交直交 变频电路两种形式，前者又称为直接变频电路，后者也称为间接变频电 路。 2.单相调压电路带电阻负载，其导通控制角α的移相范围为 0 ≤ α ≤ π ， 随 α 的增大， Uo降低 ，功率因数λ降低 。 3.单相交流调压电路带阻感负载，当控制角α＜ϕ(ϕ=arctan(ωL/R) )时 ,VT1的导通时间逐渐缩短 ,VT2的导通时间逐渐延长。 4.根据三相联接形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式，TCR o o ， 属于支路控制三角形联结方式，TCR的控制角 α 的移相范围为 90 ~ 180 线电流中所含谐波的次数为6k±1 。 5.晶闸管投切电容器 选择晶闸管投入时刻的原则是：该时刻交流电源 电压应和电容器电压相等 。
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第7章 习题
第1部分：填空题 1.抑制过电压的方法之一是用电容吸收可能产生过电压的能量，并用 电阻将其消耗。在过电流保护中，快速熔断器的全保护适用于小功率装置 的保护 。 2.IGBT的通态压降在1/2或1/3额定电流以下区段具有负温度系数， 在 1/2或1/3额定电流以上区段具有正温度系数。并联使用时具有电流的自动 均衡能力，易于并联。 3.晶闸管串联时，给每只管子并联相同阻值的电阻R是静态均压措施， 给每只管子并联RC支路是动态均压措施，当需同时串联和并联晶闸管时 ，应采用先串后并的方法。 4.功率晶体管缓冲保护电路中的二极管要求采用快恢复型二极管，以 便与功率晶体管的开关时间相配合。 5.现代电力电子装置的发展趋势是小型化 、轻量化 ，同时对装置的效 率和电磁兼容性也提出了更高的要求。 6.使开关开通前其两端电压为零的开通方式称为零电压开通 ，它需要 靠电路中的谐振来完成。
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组合变流电路 (3)
4.交交变频电路的最高输出频率是多少？制约输出频率提高的因素是什么 ？ 答: 最高输出频率是电网频率的1/2～1/3，制约输出频率提高的因素是:电 压波形的畸变以及由此产生的电流波形的畸变、转矩脉动、电流死区和电 流断续。 5.三相交交变频电路有那两种接线方式？它们有什么区别？ 答:三相交交变频电路主要有两种接线方式，即公共交流母线进线方式 和输出星形联结方式。 公共交流母线进线方式的电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线 上。因为电源进线端公用，所以三组单相交交变频电路的输出端必须隔离 。为此，交流电动机的三个绕组必须拆开，共引出六根线。这种电路主要 用于中等容量的交流调速系统。 输出星形联结方式中电动机中性点不和变频器中性点接在一起。电动机 只引出三根线即可。因为三组单相交交变频电路的输出联接在一起，其电 源进线就必须隔离，因此三组单相交交变频器分别用三个变压器供电。
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第6章 习题（1）
第2部分：简答题 1.交流调压电路和交流调功电路有什么区别？二者各运用于什么样的负载 ？为什么？ 答：在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出 电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。以交流电的周期为单位控制晶闸 管的通断。改变通态周期 数和断态周期数的比，可以方便地调节输出功率的 平均值，这种电路称力交流调功电路。 交流调压电路广泛用于灯光控制及异步电动机的软起动，也用于异步电动 机调速。交流调功电路常用于电炉的温度控制，像电炉温度这样的控制对象， 其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁的控制。只要 以周波数为单位进行控制就足够了。 2.单相交流调压电路带电阻负载和带阻感负载时所产生的谐波有何异同？ 答：两种负载时所产生的谐波次数均为3、5、7…次，都随着次数增加，谐 波含量减少。但阻感负载时谐波含量要比电阻负载时小一些，而且控制角相同 时，随着阻抗角的增加，谐波含量减少。 3.斩控式交流调压电路带电阻负载时输入输出有何特性？ 答：斩控式交流调压电路带电阻负载时的输入为正弦波的交流电压，输出 基波分量和输入电压同相位，位移因数为1。且输出负载电流及电压不含低次 谐波，只含与开关周期T有关的高次谐波。
Io =
U o 197 = = 39.4 A 5 R
（2） （3） （4）
P = U o I o = 197V × 39.4 A = 7762W
IT =
1 39.4 Io = = 27.9 A 2 2
λ=
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U o 197 = = 0.9 U1 220
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−3
= 51.5o
∴ 51.5o ≤ α ≤ 180o
（2） （3）
I 0 max =
U1 (ω L) + R
2 2
=
220 (100π × 2 × 10 ) + 0.5
−3 2 2
= 274 A
P0 max = U1 I 0 max cos ϕ = 220 × 274 cos 51.5o = 37.5 KW
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第6章 习题（2）
第2部分：简答题 1.画出单相交交变频电路的基本原理图并分析其基本工作原理。（略） 2.交交变频电路的主要特点和不足是什么？其主要用途是什么？ 答: 交交变频电路的优点是：只用一次变流，效率较高；可方便地实 观四象限工作：低频输出波形接近正弦波。 缺点是：接线复杂，受电网频率和变流电路脉波数的限制输出频率较 低；输入功率因数较低；输入电流谐彼含量大，频谱复杂。 交交变频电路主要用于500kw或 1000kw以上的大功率、低转速的交流 调速电路中。 3.单相交交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路有什么不 同？ 答：电路结构相同，但工作方式不同： 单相交交变频电路是交流输出，为此两组桥在交流输出的每个周期内都要 切换，且控制角要不断变化，使输出电压按照正弦规律变化。 反并联可控整流电路是直流输出，稳态时控制角不变，只有在电机运行状 态变化时，两组桥才进行切换。
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6.在三相交交变频电路中，采用梯形波输出控制的好处是什么？为什么？ 答:改善功率因数，提高输出电压。 梯形波的主要谐波成分是三次谐波，在线电压中，三次谐波相互抵消 ，结果线电压仍为正弦波。在这种控制方式中，因为桥式电路较长时间工 作在高输出电压区域a角较小，因此输入功率因数可提高15％左右。 和正弦波相比，在同样幅值的情况下，梯形波中的基波幅值可提高15 ％左右。这样就可以使变频器的输出电压提高约15％。 7.试述矩阵式变频电路的基本原理和优缺点。为什么说这种电路有较好的 发展前景？ 答: 矩阵式变频电路的基本工作原理：对单相交流电压进行斩波控制 ，即进行PWM控制时，如果开关频率足够高则其输出电压 U 0 = σ U S ，σ为占 空比。在不同的开关周期中采用不同的σ，可得到与频率和波形都不同的 输出电压 。 优点：输出电压为正弦波，输出频率不受电网频率的限制；输入电流也可 控制为正弦波且和电压同相，功率因数为1。能量可双向流动，适用于交流 电动机的四象限运行；不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。 因此，这种电路的电气性能是十分理想的,有较好的发展前景。 缺点：矩阵式变频电路所用的开关器件为18个，电路结构较复杂，成本较 高，控制方法还不算成熟。此外，其输出输人最大电压比只有0.866用于交 流电机调速时输出电压偏低。
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7.简述交流电力电子开关与交流调功电路的区别。 答：交流调功电路和交流电力电子开关都是控制电路的接通和断开，但 交流调功电路是以控制电路的平均输出功率为目的，其控制手段是改变控制 周期内电路导通周波数和断开周波数的比。而交流电力电子开关并不去控制 电路的平均输出功率，通常也没有明确的控制周期，而只是根据需要控制电 路的开通和断开。另外，交流电力电子开关的控制频度通常比交流调功电路 低得多。 8.交流调功电路中电流的谐波有何特点？ 答：如果以电源周期为基准，电流中不含整数倍频率的谐波，但含有非 整数倍频率的谐波，而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。
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第6章 习题（1）
第3部分：计算题 1.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 α=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α。
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U0 =
20 1 Ui = × 220 = 127V 20 + 40 3
U 0 2 127 2 P0 = = = 3226W R 5
（3）
λ = cos ϕ1 = 1
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第6章 习题（2）
第1部分：填空题 1.把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路称为交 交变频电路 。 2.单相交交变频电路带阻感负载时，哪组变流电路工作是由输出电流方 向决定的，交流电路工作在整流还是逆变状态是根据输出电压与电流的方 向是否相同决定的。 3.当采用6脉波三相桥式电路且电网频率为50Hz时，单相交交变频电路 的输出上限频率约为20Hz 。 4.三相交交变频电路主要有两种接线方式，即公共交流母线进线方式和 输出星形联接方式 ，其中主要用于中等容量的交流调速系统是公共交流母 线进线方式 。 5.矩阵式变频电路是近年来出现的一种新颖的变频电路。它采用的开关 器件是全控型器件；控制方式是斩控方式 。