電力電子技術答案第五版(全).doc

電子電力課后習題答案第一章 電力電子器件1.1 使晶閘管導通的條件是什么？答：使晶閘管導通的條件是：晶閘管承受正相陽極電壓，并在門極施加觸發(fā)電流（脈沖）?；蛘遀AK 0且UGK01.2 維持晶閘管導通的條件是什么？怎樣才能使晶閘管由導通變?yōu)殛P斷？答：維持晶閘管導通的條件是使晶閘管的電流大于能保持晶閘管導通的最小電流，即維持電流。1.3 圖143中陰影部分為晶閘管處于通態(tài)區(qū)間的電流波形，各波形的電流最大值均為Im ，試計算各波形的電流平均值Id1、Id2、Id3與電流有效值I1、I2、I3。解：a) Id1= I1= b) Id2=I2= c) Id3= I3=1.4.上題中如果不考慮安全裕量,問100A的晶闡管能送出的平均電流Id1、Id2、Id3各為多少?這時，相應的電流最大值Im1、Im2、Im3各為多少?解：額定電流IT(AV)=100A的晶閘管，允許的電流有效值I=157A,由上題計算結果知a) Im1A, Id10.2717Im189.48Ab) Im2 Id2 c) Im3=2I=314 Id3= 1.5.GTO和普通晶閘管同為PNPN結構,為什么GTO能夠自關斷,而普通晶閘管不能?答：GTO和普通晶闡管同為PNPN結構，由P1N1P2和N1P2N2構成兩個晶體管V1、V2，分別具有共基極電流增益和，由普通晶闡管的分析可得，是器件臨界導通的條件。兩個等效晶體管過飽和而導通；不能維持飽和導通而關斷。 GTO之所以能夠自行關斷，而普通晶閘管不能，是因為GTO與普通晶閘管在設計和工藝方面有以下幾點不同： l)GTO在設計時較大，這樣晶體管V2控制靈敏，易于GTO關斷； 2)GTO導通時的更接近于l，普通晶閘管，而GTO則為，GTO的飽和程度不深，接近于臨界飽和，這樣為門極控制關斷提供了有利條件； 3)多元集成結構使每個GTO元陰極面積很小，門極和陰極間的距離大為縮短，使得P2極區(qū)所謂的橫向電阻很小，從而使從門極抽出較大的電流成為可能。1.6.如何防止電力MOSFET因靜電感應應起的損壞?答：電力MOSFET的柵極絕緣層很薄弱，容易被擊穿而損壞。MOSFET的輸入電容是低泄漏電容，當柵極開路時極易受靜電干擾而充上超過20的擊穿電壓，所以為防止MOSFET因靜電感應而引起的損壞，應注意以下幾點： 一般在不用時將其三個電極短接； 裝配時人體、工作臺、電烙鐵必須接地，測試時所有儀器外殼必須接地； 電路中，柵、源極間常并聯(lián)齊納二極管以防止電壓過高； 漏、源極間也要采取緩沖電路等措施吸收過電壓。1.7.IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET的驅(qū)動電路各有什么特點?答：IGBT驅(qū)動電路的特點是:驅(qū)動電路具有較小的輸出電阻，GBT是電壓驅(qū)動型器件，IGBT的驅(qū)動多采用專用的混合集成驅(qū)動器。 GTR驅(qū)動電路的特點是：驅(qū)動電路提供的驅(qū)動電流有足夠陡的前沿，并有一定的過沖，這樣可加速開通過程，減小開通損耗；關斷時，驅(qū)動電路能提供幅值足夠大的反向基極驅(qū)動電流，并加反偏截止電壓，以加速關斷速度。 GTO驅(qū)動電路的特點是：GTO要求其驅(qū)動電路提供的驅(qū)動電流的前沿應有足夠的幅值和陡度，且一般需要在整個導通期間施加正門極電流，關斷需施加負門極電流，幅值和陡度要求更高，其驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路，關斷驅(qū)動電路和門極反偏電路三部分。 電力MOSFET驅(qū)動電路的特點：要求驅(qū)動電路具有較小的輸入電阻，驅(qū)動功率小且電路簡單。1.8.全控型器件的緩沖電路的主要作用是什么?試分析RCD緩沖電路中各元件的作用。答：全控型器件緩沖電路的主要作用是抑制器件的內(nèi)因過電壓，du/dt或過電流和di/dt,，減小器件的開關損耗。 RCD緩沖電路中，各元件的作用是：開通時，Cs經(jīng)Rs放電，Rs起到限制放電電流的作用；關斷時，負載電流經(jīng)VDs從Cs分流，使du/dt減小，抑制過電壓。 1.9.試說明IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET各自的優(yōu)缺點。解:對GBT、GTR、GTO和電力MOSFET的優(yōu)缺點的比較如下表：器件優(yōu)點缺點IGBT開關速度高，開關損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動，驅(qū)動功率小。開關速度低于電力MOSFET，電壓,電流容量不及GTO 。GTR耐壓高，電流大，開關特性好，通流能力強，飽和壓降低。開關速度低，為電流驅(qū)動，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜，存在二次擊穿問題。GTO電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導調(diào)制效應，其通流能力很強。電流關斷增益很小，關斷時門極負脈沖電流大，開關速度低，驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜，開關頻率低。電力MOSFET開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小且驅(qū)動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。1.10什么是晶閘管的額定電流？答：晶閘管的額定電流就是它的通態(tài)平均電流，國標規(guī)定：是晶閘管在環(huán)境溫度為40和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結溫不超過額定結溫所允許的最大工頻正弦半波電流的平均值。1.11為什么要限制晶閘管斷電電壓上升律du/dt?答：正向電壓在阻斷狀態(tài)下，反向結J2相當?shù)囊粋€電容加在晶閘管兩端電壓上升率過大，就會有過大的充電電流，此電流流過J3，起到觸發(fā)電流的作用，易使晶閘管誤觸發(fā)，所以要限制du/dt。1.12為什么要限制晶閘管導通電流上升率di/dt?答：在晶閘管導通開始時刻，若電流上升過快，會有較大的電流集中在門集附近的小區(qū)域內(nèi)，雖然平均電流沒有超過額定值，但在小的區(qū)域內(nèi)局部過熱而損壞了晶閘管，所以要限制通態(tài)di/dt。1.13電力電子器件工作時產(chǎn)生過電壓的原因及防止措施有哪些？答：產(chǎn)生原因：1、由分閘、合閘產(chǎn)生的操作過電壓；2、雷擊引起的雷擊過電壓；3、晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管換相過程中產(chǎn)生的換相電壓。措施：壓敏電阻，交流側(cè)RC抑制電路，直流側(cè)RC控制電路，直流側(cè)RC抑制電路，變壓器屏蔽層，避雷器，器件關斷過電壓RC抑制電路。第2章 整流電路 2.1.單相半波可控整流電路對電感負載供電，L=20Mh，U2=100V，求當時和時的負載電流Id，并畫出Ud與Id波形。解：時，在電源電壓U2的正半周期晶閘管導通時，負載電感L儲能，在晶閘管開始導通時刻，負載電流為零。在電源電壓U2的負半周期，負載電感L釋放能量，晶閘管繼續(xù)導通。因此，在電源電壓U2的一個周期中下列方程成立：考慮到初始條件：當時id=0可解方程：Ud與Id的波形如下圖： 當a=時，在U2的正半周期期間，晶閘管導通使電感L儲能，電感L儲藏的能量在U2負半周期期間釋放，因此在U2的一個周期中期間，下列微分方程成立：考慮到初始條件：當時id=0可解方程得：id=其平均值為Id=此時Ud與id的波形如下圖：2. 2圖1為具有變壓器中心抽頭的單相全波可控整流電路,問該變壓器還有直流磁化問題嗎?試說明:晶閘管承受的最大反向電壓為2U2;當負載是電阻或電感時，其輸出電壓和電流的波形與單相全控橋時相同。答：具有變壓器中心抽頭的單相全波可控整流電路，該變壓器沒有直流磁化問題。因為單相全波可控整流電路變壓器二次側(cè)繞組中，在正負半周上下繞組中的電流方向相反，波形對稱，其一個周期內(nèi)的平均電流為零，故不存在直流磁化的問題。以下分析晶閘管承受最大反向電壓及輸出電壓和電流波形的情況。 以晶閘管VT2為例。當VT1導通時，晶閘管VT2通過VT1與2個變壓器二次繞組并聯(lián)，所以VT2承受的最大電壓為2U2。 當單相全波整流電路與單相全控橋式整流電路的觸發(fā)角相同時，對于電阻負載：(O)期間無晶閘管導通，輸出電壓為0；()期間,單相全波電路中VT1導通，單相全控橋電路中VTl、VT4導通，輸出電壓均與電源電壓U2相等；( )期間均無晶閘管導通，輸出電壓為0；(2)期間，單相全波電路中VT2導通，單相全控橋電路中VT2、VT3導通，輸出電壓等于U2。 對于電感負載： ( )期間，單相全波電路中VTl導通，單相全控橋電路中VTl、VT4導通，輸出電壓均與電源電壓U2相等； (2)期間，單相全波電路中VT2導通，單相全控橋電路中VT2、VT3導通，輸出波形等于-U2?？梢?，兩者的輸出電壓相同，加到同樣的負載上時，則輸出電流也相同。2.3.單相橋式全控整流電路，U2=100V，負載中R=20，L值極大，當=時，要求：作出Ud、Id、和I2的波形；求整流輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓器二次電流有效值I2； 考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。解：Ud、Id、和I2的波形如下圖：輸出平均電壓Ud、電流Id、變壓器二次電流有效值I2分別為： Ud=0.9U2cos=0.9100cos77.97（V） IdUd/R=77.97/2=38.99(A) I2=Id=38.99(A)晶閘管承受的最大反向電壓為： U2=100=141.4(V) - 考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為： UN=(23)141.4=283424(V) 具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。 流過晶閘管的電流有效值為： IVT=Id/=27.57(A) 晶閘管的額定電流為： IN=(1.52)27.57/1.57=2635(A) 具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。2.4.單相橋式半控整流電路，電阻性負載，畫出整流二極管在一周內(nèi)承受的電壓波形。解：注意到二極管的特點:承受電壓為正即導通。因此，二極管承受的電壓不會出現(xiàn)正的部分。在電路中器件均不導通的階段，交流電源電壓由晶閘管平衡。整流二極管在一周內(nèi)承受的電壓波形如下：2.5.單相橋式全控整流電路，U2 =100V，負載R=20，L值極大，反電勢E=60V，當時，要求：作出Ud、Id和I2的波形；求整流輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓器二次側(cè)電流有效值I2；考慮安全裕量,確定晶閘管的額定電壓和額定電流。解：Ud、Id和I2的波形如下圖：整流輸出平均電壓Ud、電流Id、變壓器二次測電流有效值I分別為： Ud=0.9U2cos=O.9100cos=77.97(V) Id=(Ud一E)/R=(77.97一60)/2=9(A) I2=Id=9(A)晶閘管承受的最大反向電壓為： U2=100=141.4(V) 流過每個晶閘管的電流有效值為： IVT=Id/=6.36(A) 故晶閘管的額定電壓為： UN=(23)141.4=283424(V)晶閘管的額定電流為： IN=(1.52)6.36/1.57=68(A)晶閘管額定電壓和電流的具體敢值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。2.6.晶閘管串聯(lián)的單相半控橋(橋中VT1、VT2為晶閘管)，電路如圖2所示，U2=100V電阻電感負載,，R=20，L值很大，當=時求流過器件電流的有效值，并作出Ud、Id、IVT、ID的波形。解：Ud、Id、IVT、ID的波形如下圖：負載電壓的平均值為 Ud= 負載電流的平均值為 Id=Ud/R=67.52/2=33.75(A) 流過晶閘管VTl、VT2的電流有效值為 IVT=19.49(A) 流過二極管VD3、VD4的電流有效值為 IVD=27.56(A)2.7.在三相半波整流電路中，如果a相的觸發(fā)脈沖消失，試繪出在電阻性負載和電感性負載下整流電壓Ud的波形。解：假設=，當負載為電阻時，Ud的波形如下：當負載為電感時，Ud的波形如下：2.8.三相半波整流電路，可以將整流變壓器的二次繞組分為兩段成為曲折接法，每段的電動勢相同，其分段布置及其矢量如圖所示，此時線圈的繞組增加了一些，銅的用料約增加10%，問變壓器鐵心是否被直流磁化，為什么?圖 變壓器二次繞組的曲折接法及其矢量圖答：變壓器鐵心不會被直流磁化。原因如下：變壓器二次繞組在一個周期內(nèi)，當a1c2對應的晶閘管導通時，al的電流向下流，c3的電流向上流；當clb2對應的晶閘管導通時，cl的電流向下流，b2的電流向上流；當bla2對應的晶閘管導通時，bl的電流向下流，a2的電流向上流；就變壓器的一次繞組而言，每一周期中有兩段時間(各為)有電流流過，流過的電流大小相等而方向相反，故一周期內(nèi)流過的電流平均值為零，所以變壓器鐵心不會被直流磁化。2.9.三相半波整流電路的共陰極接法與共陽極接法，a、b兩相的自然換相點是同一點嗎？如果不是，它們在相位上差多少度？答：三相半波整流電路的共陰極接法與共陽極接法，a、b兩相之間換相的的自然換相點不是同一點。它們在相位上相差。2.10.有兩組三相半波可控整流電路，一組是共陰極接法，一組是共陽極接法，如果它們的觸發(fā)角都是，那么共陰極組的觸發(fā)脈沖與共陽極組的觸發(fā)脈沖對同一相來說，例如都是a相，在相位上差多少度？答：相差。2.ll.三相半波可控整流電路，U2=100V，帶電阻電感負載，R=50，L值極大，當時，要求：畫出Ud、Id和IVT1的波形； 計算Ud、Id、IdT和IVT。解：Ud、Id和IVT1的波形如下圖：Ud、Id、IdT和IVT分別如下 Ud=1.17U2cos=1.17100cos=58.5(V) IdUd/R=58.5/5=11.7(A) IdVT=Id/3=11.7/3=3.9(A) IVT=Id/=6.755(A)12.在三相橋式全控整流電路中，電阻負載，如果有一個晶閘管不能導通，此時的整流電壓Ud波形如何？如果有一個晶閘管被擊穿而短路，其他晶閘管受什么影響？答：假設VTl不能導通，整流電壓波形如下：假設VT1被擊穿而短路，則當晶閘管VT3或VT5導通時，將發(fā)生電源相間短路，使得VT3、VT5也可能分別被擊穿。2.13.三相橋式全控整流電路，U2 =100V，帶電阻電感負載R=50，L值極大，當=時，要求：畫出Ud、Id和IVT1的波形計算Ud、Id、IdT和IVT解：Ud、Id和IVT1的波形如下：Ud、Id、IdT和IVT分別如下 Ud=2.34U2cos=2.34100cos=117(V) Id=Ud/R=117/5=23.4(A) IDVT =Id/3=23.4/3=7.8(A) IVT=Id/=23.4/=13.51(A)2.14.單相全控橋，反電動勢阻感負載，R=1，L=，E=40V，U2=100V，LB=0.5Mh，當=時，求Ud、Id與的數(shù)值，并畫出整流電壓Ud的波形。解： 考慮LB時，有Ud=0.9U2cos-udud=2XBId/Id(Ud-E)/R由方程組得Id=4.55（A）又 換相重疊角整流電壓Ud的波形2.15.三相半波可控整流電路，反電動勢阻感負載，U2=100V，R=1，LB=lmH，求當=時、E=50V時Ud、Id、的值并作出Ud與IVT1和IVT2的波形。解：考慮LB時，有： Ud=1.17U2cos-ud ud=3XBId/2p Id(Ud-E)/R 解方程組得： Ud Ud=6.7(V) Id=44.63(A) 又因為： 即得出 cos()=0.752 換相重疊角= Ud與IVTl和IVT2的波形如下:2.16.單相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有哪些次數(shù)的諧波？其中幅值最大的是哪一次？變壓器二次側(cè)電流中含有哪些次數(shù)的諧波？其中主要的是哪兒次？答：單相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有2K (K=l、2、3)次諧波，其中幅值最大的是2次諧波。變壓器二次側(cè)電流中含有2K+l(K=、2,3)次即奇次諧波，其中主要的有3次、5次諧波。2.17.三相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有哪些次數(shù)的諧波？其中幅值最大的是哪一次？變壓器二次側(cè)電流中含有哪些次數(shù)的諧波？其中主要的是哪幾次？答：三相橋式全控整流電路的整流輸出電壓中含有6K(K=l、2、3)次的諧波，其中幅值最大的是6次諧波。變壓器二次側(cè)電流中含有6K+l(K=l、2、3)次的諧波，其中主要的是5、7次諧波。2.18.試計算第2.3題中I2的3、5、7次諧波分量的有效值I23,I25,I27解：在第3題中己知電路為單相全控橋，其輸出電流平均值為Id=38.99 (A)于是可得： I23=38.99/3=11.7(A) I25=38.99/5=7.02(A) I37=38.99/7=5.01(A)2.19.帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路與三相橋式全控整流電路相比有何主要異同?答：帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路與三相橋式全控整流電路相比有以下異同點： 三相橋式電路是兩組三相半波電路串聯(lián)，而雙反星形電路是兩組三相半波電路并聯(lián)，且后者需要用平衡電抗器； 當變壓器二次電壓有效值U2相等時，雙反星形電路的整流電壓平均值Ud是三相橋式電路的1/2，而整流電流平均值Id是三相橋式電路的2倍。 在兩種電路中，晶閘營的導通及觸發(fā)脈沖的分配關系是一樣的，整流電壓Ud和整流電流Id的波形形狀一樣。 2.20.整流電路多重化的主要目的是什么?答：整流電路多重化的目的主要包括兩個方面：一是可以使裝置總體的功率容量大，二是能夠減少整流裝置所產(chǎn)生的諧波和無功功率對電網(wǎng)的干擾。 2.21.十二脈波、二十四脈波整流電路的整流輸出電壓和交流輸入電流中各含哪些次數(shù)的諧 波？答：12脈波電路整流電路的交流輸入電流中含有l(wèi)l次、13次、23次、25次等即12Kl(K=1,2,3.)次諧波，整流輸出電壓中含有12、24等即12K(K=1,2,3.)次諧波。24脈波整流電路的交流輸入電流中含有23次、25次、47次、49次等即24K1(K=l, 2,3.)次諧波，整流輸出電壓中含有24、48等即24K(K=1,2,3.)次諧波。2.22.使變流器工作于有源逆變狀態(tài)的條件是什么?答：條件有二：直流側(cè)要有電動勢，其極性須和晶閘管的導通方向一致，其值應大于變流電路直流側(cè)的平均電壓； 要求晶閘管的控制角使Ud為負值。2.23.什么是逆變失??？如何防止逆變失??？答：逆變運行時，一旦發(fā)生換流失敗，外接的直流電源就會通過晶閘管電路形成短路，或者使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變?yōu)轫樝虼?lián)，由于逆變電路內(nèi)阻很小，形成很大的短路電流，稱為逆變失敗或逆變顛覆。防止逆變夫敗的方法有：采用精確可靠的觸發(fā)電路，使用性能良好的晶閘管，保證交流電源的質(zhì)量，留出充足的換向裕量角等。 2.24.單相橋式全控整流電路、三相橋式全控整流電路中，當負載分別為電阻負載或電感負載時，要求的晶閘管移相范圍分別是多少？答：單相橋式全控整流電路，當負載為電阻負載時，要求的晶閘管移相范圍是0，當負載為電感負載時，要求的晶閘管移相范圍是0。三相橋式全控整流電路，當負載為電阻負載時，要求的晶閘管移相范圍是0，當負載為電感負載時，要求的晶閘管移相范圍是0。2.25.三相全控橋，電動機負載，要求可逆運行，整流變壓器的接法是D/Y-5，采用NPN鋸齒波觸發(fā)器，并附有滯后30的R-C濾波器，決定晶閘管的同步電壓和同步變壓器的聯(lián)結形式。答：（1）考慮踞齒波底寬240；（2）信號USA與對應晶閘管陽極電壓UA 同相，同步信號USA 超前對應晶閘管陽極電壓UA 30（3）共陰極組：Y/Y-4、共陽極組：Y/Y-10第3章 直流斬波電路1簡述圖3-la所示的降壓斬波電路工作原理。答：降壓斬波器的原理是：在一個控制周期中，讓V導通一段時間。，由電源E向L、R、M供電，在此期間，Uo=E。然后使V關斷一段時間，此時電感L通過二極管VD向R和M供電，Uo=0。一個周期內(nèi)的平均電壓輸出電壓小于電源電壓,起到降壓的作用。2在圖3-1a所示的降壓斬波電路中，已知E=200V，R=10，L值微大，E=30V，T=50s，ton=20s，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。解：由于L值極大，故負載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為輸出電流平均值為3在圖3-la所示的降壓斬波電路中，E=100V，L=lmH，R=05，=10V，采用脈寬調(diào)制控制方式，T=20s，當=5s時，計算輸出電壓平均值，輸出電流平均值，計算輸出電流的最大和最小值瞬時值并判斷負載電流是否連續(xù)。當=3s時，重新進行上述計算。解：由題目已知條件可得：當時，有 由于所以輸出電流連續(xù)。4簡述圖3-2a所示升壓斬波電路的基本工作原理。答：假設電路中電感L值很大，電容C值也很大。當V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為,同時電容C上的電壓向負載R供電，因C值很大，基本保持輸出電壓為恒值。設V處于通態(tài)的時間為，此階段電感L上積蓄的能量為E。當V處于斷態(tài)時E和己共同向電容C充電并向負載R提供能量。設V處于斷態(tài)的時間為，則在此期間電感L釋放的能量為；當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即：化簡得：式中的T1，輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。5在圖3-2a所示的升壓斬波電路中，已知E=50V，L值和C值極大，R=20，采用脈寬調(diào)制控制方式，當T=40s，=25s時，計算輸出電壓平均值，輸出電流平均值。解：輸出電壓平均值為：輸出電流平均值為： 6試分別簡述升降壓斬波電路和Cuk斬波電路的基本原理，并比較其異同點。答：升降壓斬波電路的基本原理：當可控開關V處于通態(tài)時，電源E經(jīng)V向電感L供電使其貯存能量，此時電流為，方向如圖。3-4中所示。同時，電容C維持輸出電壓基本恒定并向負載R供電。此后，使V關斷，電感L中貯存的能量向負載釋放，電流為i2，方向如圖3-4所示?？梢?，負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反。穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓對時間的積分為零，即當V處于通態(tài)期間，=E：而當V處于斷態(tài)期間。于是：改變導通比，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當0l2時為降壓，當l2l時為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。Cuk斬波電路的基本原理：當V處于通態(tài)時，EV回路和R-CV回路分別流過電流。當V處于斷態(tài)時，回路和R-VD回路分別流過電流。輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。該電路的等效電路如圖3-5b所示，相當于開關S在A、B兩點之間交替切換。假設電容C很大使電容電壓的脈動足夠小時。當開關S合到B點時，B點電壓=0，A點電壓；相反，當S合到A點時，。因此，B點電壓的平均值為(Uc為電容電壓“c的平均值)，又因電感Ll的電壓平均值為零，所以。另一方面，A點的電壓平均值為，且的電壓平均值為零，按圖35b中輸出電壓Uo的極性，有。于是可得出輸出電壓Uo與電源電壓E的關系：兩個電路實現(xiàn)的功能是一致的，均可方便的實現(xiàn)升降壓斬波。與升降壓斬波電路相比，Cuk斬波電路有一個明顯的優(yōu)點，其輸入電源電流和輸出負載電流都是連續(xù)的，且脈動很小，有利于對輸入、輸出進行濾波。7試繪制Speic斬波電路和Zeta斬波電路的原理圖，并推導其輸入輸出關系。解：Sepic電路的原理圖如下：在V導通期間，左V關斷期間當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，電感L、L的電壓平均值均為零，則下面的式子成立由以上兩式即可得出Zeta電路的原理圖如下：在V導通期間在V關斷期間當電路工作穩(wěn)定時，電感、的電壓平均值為零，則下面的式子成立由以上兩式即可得出8分析圖3-7a所示的電流可逆斬波電路，并結合圖3-7b的波形，繪制出各個階段電流流通的路徑并標明電流方向。解：電流可逆斬波電路中，Vl和VDl構成降壓斬波電路，由電源向直流電動機供電，電動機為電動運行，工作于第l象限：V2和構成升壓斬波電路，把直流電動機的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊答伒诫娫?，使電動機作再生制動運行，工作于第2象限。 圖3-7b中，各階段器件導通情況及電流路徑等如下：導通，電源向負載供電：關斷，VD，續(xù)流：也導通，L上蓄能:關斷，導通，向電源回饋能量 9.對于圖3-8所示的橋式可逆斬波電路，若需使電動機工作于反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，試分析此時電路的工作情況，并繪制相應的電流流通路徑圖，同時標明電流流向。解：需使電動機工作于反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)時，由V3和VD3構成的降壓斬波電路工作，此時需要V2保持導通，與V3和VD3構成的降壓斬波電路相配合。當V3導通時，電源向M供電，使其反轉(zhuǎn)電動，電流路徑如下圖：當V3關斷時，負載通過VD3續(xù)流，電流路徑如下圖： 10多相多重斬波電路有何優(yōu)點?答：多相多重斬波電路因在電源與負載間接入了多個結構相同的基本斬波電路，使得輸入電源電流和輸出負載電流的脈動次數(shù)增加、脈動幅度減小，對輸入和輸出電流濾波更容易，濾波電感減小。 此外，多相多重斬波電路還具有備用功能，各斬波單元之間互為備用，總體可靠性提高。第4章 交流電力控制電路和交交變頻電路 4.1一臺調(diào)光臺燈由單相交流調(diào)壓電路供電，設該臺燈可看作電阻負載，在=0時輸出 功率為最大值，試求功率為最大輸出功率的80%、50%時的開通角。解：=0時的輸出電壓最大，為 Uomax= 此時負載電流最大，為 Iomax= 因此最大輸出功率為 Pmax=Uomax Iomax 輸出功率為最大輸出功率的80%時，有： Pmax=Uomax Iomax= 此時 Uo= 又由 Uo=U1 解得 同理，輸出功率為最大輸出功率的50%時，有： Uo= 又由 Uo=U1 4.2一單相交流調(diào)壓器，電源為工頻220V，阻感串聯(lián)作為負載，其中R=0.5，L=2mH。 試求：開通角a的變化范圍；負載電流的最大有效值；最大輸出功率及此時電源側(cè)的功率因數(shù)；當a=p/2 時，晶閘管電流有效值晶閘管導通角和電源側(cè)功率因數(shù)。解：（1） 所以 （2）時， 電流連續(xù)，電流最大且導通角q=p Io=(3) P= (4)由公式當時 對上式q求導 則由得 4.3交流調(diào)壓電路和交流調(diào)功電路有什么區(qū)別？二者各運用于什么樣的負載？為什么？ 答：:交流調(diào)壓電路和交流調(diào)功電路的電路形式完全相同，二者的區(qū)別在于控制方式不同。 交流調(diào)壓電路是在交流電源的每個周期對輸出電壓波形進行控制。而交流調(diào)功電路是將負載與交流電源接通幾個波，再斷開幾個周波，通過改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負載所消耗的平均功率。 交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制）及異步電動機的軟起動，也用于異步電動機調(diào)速。在供用電系統(tǒng)中,還常用于對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。此外，在高電壓小電流或低電壓大電流直流電源中，也常采用交流調(diào)壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。如采用晶閘管相控整流電路，高電壓小電流可控直流電源就需要很多晶閘管串聯(lián)；同樣，低電壓大電流直流電源需要很多晶閘管并聯(lián)。這都是十分不合理的。采用交流調(diào)壓電路在變壓器一次側(cè)調(diào)壓，其電壓電流值都不太大也不太小，在變壓器二次側(cè)只要用二極管整流就可以了。這樣的電路體積小、成本低、易于設計制造。 交流調(diào)功電路常用于電爐溫度這樣時間常數(shù)很大的控制對象。由于控制對象的時間常數(shù)大，沒有必要對交流電源的每個周期進行頻繁控制。 4.4. 什么是TCR，什么是TSC？它們的基本原理是什么？各有何特點？答：TCR是晶閘管控制電抗器。TSC是晶閘管投切電容器。 二者的基本原理如下： TCR是利用電抗器來吸收電網(wǎng)中的無功功率（或提供感性的無功功率），通過對晶閘管開通角角的控制，可以連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器的電流，從而調(diào)節(jié)TCR從電網(wǎng)中吸收的無功功率的大小。 TSC則是利用晶閘管來控制用于補償無功功率的電容器的投入和切除來向電網(wǎng)提供無功功率(提供容性的無功功率)。 二者的特點是： TCR只能提供感性的無功功率，但無功功率的大小是連續(xù)的。實際應用中往往配以固定電容器（FC），就可以在從容性到感性的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率。TSC提供容性的無功功率，符合大多數(shù)無功功率補償?shù)男枰?。其提供的無功功率不能連續(xù)調(diào)節(jié)但在實用中只要分組合理，就可以達到比較理想的動態(tài)補償效果。4.5單相交交變頻電路和直流電動機傳動用的反并聯(lián)可控整流電路有什么不同?答：單相交交變頻電路和直流電動機傳動用的反并聯(lián)可控整流電路的電路組成是相同的，均由兩組反并聯(lián)的可控整流電路組成。但兩者的功能和工作方式不同。單相交交變頻電路是將交流電變成不同頻率的交流電，通常用于交流電動機傳動，兩組可控整流電路在輸出交流電壓一個周期里，交替工作各半個周期，從而輸出交流電。而直流電動機傳動用的反并聯(lián)可控整流電路是將交流電變?yōu)橹绷麟?，兩組可控整流路中哪丁組工作并沒有像交交變頻電路那樣的固定交替關系，而是由電動機工作狀態(tài)的需要決定。4.6.交交變頻電路的最高輸出頻率是多少?制約輸出頻率提高的因素是什么?答：一般來講，構成交交變頻電路的兩組變流電路的脈波數(shù)越多，最高輸出頻率就越高。當交交變頻電路中采用常用的6脈波三相橋式整流電路時，最高輸出頻率不應高于電網(wǎng)頻率的1/31/2。當電網(wǎng)頻率為50Hz時，交交變頻電路輸出的上限頻率為20Hz左右。當輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所包含的電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴重，電壓波形畸變和由此引起的電流波形畸變以及電動機的轉(zhuǎn)矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。 4.7交交變頻電路的主要特點和不足是什么？其主要用途是什么？答：交交變頻電路的主要特點是：只用一次變流效率較高；可方便實現(xiàn)四象限工作，低頻輸出時的特性接近正弦波。交交變頻電路的主要不足是：接線復雜，如采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用36只晶閘管；受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低；輸出功率因數(shù)較低；輸入電流諧波含量大，頻譜復雜。 主要用途：500千瓦或1000千瓦以下的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路，如軋機主傳動裝置、鼓風機、球磨機等場合。 4.8.三相交交變頻電路有那兩種接線方式？它們有什么區(qū)別？答：三相交交變頻電路有公共交流母線進線方式和輸出星形聯(lián)結方式兩種接線方式。兩種方式的主要區(qū)別在于：公共交流母線進線方式中，因為電源進線端公用，所以三組單相交交變頻電路輸出端必須隔離。為此，交流電動機三個繞組必須拆開，共引出六根線。而在輸出星形聯(lián)結方式中，因為電動機中性點和變頻器中中性點在一起；電動機只引三根線即可，但是因其三組單相交交變頻器的輸出聯(lián)在一起，其電源進線必須隔離，因此三組單相交交變頻器要分別用三個變壓器供電。 4.9.在三相交交變頻電路中，采用梯形波輸出控制的好處是什么？為什么？答：在三相交交變頻電路中采用梯形波控制的好處是可以改善輸入功率因數(shù)。因為梯形波的主要諧波成分是三次諧波，在線電壓中，三次諧波相互抵消，結果線電壓仍為正弦波。在這種控制方式中，因為橋式電路能夠較長時間工作在高輸出電壓區(qū)域（對應梯形波的平頂區(qū)），角較小，因此輸入功率因數(shù)可提高15%左右。 4.10.試述矩陣式變頻電路的基本原理和優(yōu)缺點。為什么說這種電路有較好的發(fā)展前景？答：矩陣式變頻電路的基本原理是：對輸入的單相或三相交流電壓進行斬波控制，使輸出成為正弦交流輸出。矩陣式變頻電路的主要優(yōu)點是：輸出電壓為正弦波；輸出頻率不受電網(wǎng)頻率的限制；輸入電流也可控制為正弦波且和電壓同相；功率因數(shù)為l，也可控制為需要的功率因數(shù)；能量可雙向流動，適用于交流電動機的四象限運行；不通過中間直流環(huán)節(jié)而直接實現(xiàn)變頻，效率較高。矩陣式交交變頻電路的主要缺點是：所用的開關器件為18個，電路結構較復雜，成本較高，控制方法還不算成熟；輸出輸入最大電壓比只有0.866，用于交流電機調(diào)速時輸出電壓偏低。因為矩陣式變頻電路有十分良好的電氣性能，使輸出電壓和輸入電流均為正弦波，輸入功率因數(shù)為l，且能量雙向流動，可實現(xiàn)四象限運行；其次，和目前廣泛應用的交直交變頻電路相比，雖然多用了6個開關器件，卻省去直流側(cè)大電容，使體積減少，且容易實現(xiàn)集成化和功率模塊化。隨著當前器件制造技術的飛速進步和計算機技術的日新月異，矩陣式變頻電路將有很好的發(fā)展前景。第5章 逆變電路5.l.無源逆變電路和有源逆變電路有何不同？答：兩種電路的不同主要是：有源逆變電路的交流側(cè)接電網(wǎng)即交流側(cè)接有電源。而無源逆變電路的交流側(cè)直接和負載聯(lián)接。5.2.換流方式各有那兒種？各有什么特點？答：換流方式有4種： 器件換流：利用全控器件的自關斷能力進行換流。全控型器件采用此換流方式。 電網(wǎng)換流：由電網(wǎng)提供換流電壓，只要把負的電網(wǎng)電壓加在欲換流的器件上即可。 負載換流：由負載提供換流電壓，當負載為電容性負載即負載電流超前于負載電壓時，可實現(xiàn)負載換流。 強迫換流：設置附加換流電路，給欲關斷的晶閘管強追施加反向電壓換流稱為強迫換流。通常是利用附加電容上的能量實現(xiàn)，也稱電容換流。 晶閘管電路不能采用器件換流,根據(jù)電路形式的不同采用電網(wǎng)換流、負載換流和強迫換流3種方式。 5.3.什么是電壓型逆變電路？什么是電流型逆變電路？二者各有什么特點？答：按照逆變電路直流測電源性質(zhì)分類，直流側(cè)是電壓源的稱為逆變電路稱為電壓型逆變電路，直流側(cè)是電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路電壓型逆變電路的主要持點是：直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。 電流型逆變電路的主要特點是：直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。電路中開關器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負載阻抗情況的不同而不同。當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流測電惑起緩沖無功能量的作用。因為反饋無功能量時直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開關器件反并聯(lián)二極管。5.4.電壓型逆變電路中反饋二極管的作用是什么？為什么電流型逆變電路中沒有反饋二極管？答：在電壓型逆變電路中，當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。當輸出交流電壓和電流的極性相同時，電流經(jīng)電路中的可控開關器件流通，而當輸出電壓電流極性相反時，由反饋二極管提供電流通道。 在電流型逆變電路中，直流電流極性是一定的，無功能量由直流側(cè)電感來緩沖。當需要從交流側(cè)向直流側(cè)反饋無功能量時，電流并不反向，依然經(jīng)電路中的可控開關器件流通，因此不需要并聯(lián)反饋二極管。 5.5.三相橋式電壓型逆變電路，180導電方式，Ud=100V 。試求輸出相電壓的基波幅值UUN1m 和有效值UUN1輸出線電壓的基波幅值UUV1m和有效值 UUV1輸出線電壓中5次諧波的有效值UUV5 。解： 5.6.并聯(lián)諧振式逆變電路利用負載電壓進行換相，為保證換相應滿足什么條件？答：假設在t時刻觸發(fā)VT2、VT3使其導通，負載電壓u。就通過VT2、VT3施加在VTl、VT4上，使其承受反向電壓關斷，電流從VTl、VT4向VT2、VT3轉(zhuǎn)移，觸發(fā)VT2、VT3時刻必須在u。過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。 5.7.串聯(lián)二極管式電流型逆變電路中，二極管的作用是什么？試分析換流過程。答：二極管的主要作用，一是為換流電容器充電提供通道，并使換流電容的電壓能夠得以保持，為晶閘管換流做好準備；二是使換流電容的電壓能夠施加到換流過程中剛剛關斷的晶閘管上，使晶閘管在關斷之后能夠承受一定時間的反向電壓，確保晶閘管可靠關斷，從而確保晶閘管換流成功。以VTl和VT3之間的換流為例，串聯(lián)二極管式電流型逆變電路的換流過程可簡述如下：給VT3施加觸發(fā)脈沖，由于換流電容C13電壓的作用，使VT3導通而VTl被施以反向電壓而關斷。直流電流Id從VTl換到VT3上，C13通過VDl、U相負載、W相負載、VD2、VT2、直流電源和VT3放電，如圖5-16b所示。因放電電流恒為Id，故稱恒流放電階段。在C13電壓Uc13下降到零之前，VTl一直承受反壓，只要反壓時間大于晶閘管關斷時間tq，就能保證可靠關斷。Uc13降到零之后在U相負載電感的作用下，開始對C13反向充電。如忽略負載沖電阻的壓降，則在Uc13=0時刻后，二極管VD3受到正向偏置而導通，開始流過電流，兩個二極管同時導通，進入二極管換流階段，如圖5-16c所示。隨著C13充電電壓不斷增高，充電電流逐漸減小，到某一時刻充電電流減到零，VDl承受反壓而關斷，二極管換流階段結束。之后，進入VT2、VT3穩(wěn)定導通階段，電流路徑如圖5-16d所示。 5.8.逆變電路多重化的目的是什么？如何實現(xiàn)？串聯(lián)多重和并聯(lián)多重逆變電路備用于什么場合？答：逆變電路多重化的目的之一是使總體上裝置的功率等級提高，二是可以改善輸出電壓的波形。因為無論是電壓型逆變電路輸出的矩形電壓波，還是電流型逆變電路輸出的矩形電流波，都含有較多諧波，對負載有不利影響，采用多重逆變電路，可以把幾個矩形波組合起來獲得接近正弦波的波形。逆變電路多重化就是把若干個逆變電路的輸出按一定的相位差組合起來，使它們所含的某些主要諧波分量相互抵消，就可以得到較為接近正弦波的波形。組合方式有串聯(lián)多重和并聯(lián)多重兩種方式。串聯(lián)多重是把幾個逆變電路的輸出串聯(lián)起來，并聯(lián)多重是把幾個逆變電路的輸出并聯(lián)起來。串聯(lián)多重逆變電路多用于電壓型逆變電路的多重化。并聯(lián)多重逆變電路多用于電流型逆變電路的多重化。第6章 PWM控制技術6. l.試說明PWM控制的基本原理。答：PWM控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制來等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。在采樣控制理論中有一條重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性 環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積。效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。上述原理稱為面積等效原理。以正弦PWM控制為例。把正弦半波分成N等分，就可把其看成是N個彼此相連的脈 沖列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于/N，但幅值不等且脈沖頂部不是水平直線而是曲線，各脈沖幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖列利用相同數(shù)