(華北電力大學版)電力電子技術課后習習題答案

1、電力電子技術習題集標 * 的習題是課本上沒有的，作為習題的擴展習題一* 試說明什么是電導調制效應及其作用。答：當PN結通過正向大電流時，大量空穴被注入基區(qū)（通常是N型材料），基區(qū)的空穴濃度（少子）大幅度增加，這些載流子來不及和基區(qū)的電子中和就到達負極。為了維持基區(qū)半導體的電中性，基區(qū)的多子（電子）濃度也要相應大幅度增加。這就意味著，在大注入的條件下原始基片的電阻率實際上大大地下降了，也就是電導率大大增加了。這種現(xiàn)象被稱為基區(qū)的電導調制效應。電導調制效應使半導體器件的通態(tài)壓降降低，通態(tài)損耗下降；但是會帶來反向恢復問題，使關斷時間延長，相應也增加了開關損耗。1. 晶閘管正常導通的條件是什么，導通后

2、流過的電流由什么決定晶閘管由導通變?yōu)殛P斷的條件是什么，如何實現(xiàn)答：使晶閘管導通的條件是：晶閘管承受正向陽極電壓（UAK>0），并在門極施加觸發(fā)電流（UGK>0）。2. 有時晶閘管觸發(fā)導通后，觸發(fā)脈沖結束后它又關斷了，是何原因？答：這是由于晶閘管的陽極電流IA沒有達到晶閘管的擎住電流（IL）就去掉了觸發(fā)脈沖，這種情況下，晶閘管將自動返回阻斷狀態(tài)。在具體電路中，由于陽極電流上升到擎住電流需要一定的時間（主要由外電路結構決定），所以門極觸發(fā)信號需要保證一定的寬度。* 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其陽極電流IA大于能保持晶閘管導通的最

3、小電流，即維持電流IH。 要使晶閘管由導通轉為關斷，可利用外加反向電壓或由外電路作用使流過晶閘管的電流降到維持電流以下，便可使導通的晶閘管關斷。3. 圖1-30中的陰影部分表示流過晶閘管的電流波形，其最大值均為Im，試計算各波形的電流平均值、有效值。如不考慮安全裕量，額定電流100A的晶閘管，流過上述電流波形時，允許流過的電流平均值Id各位多少？21圖1-30 習題1-4附圖解：（a） 額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則；平均值Ida為：（b）額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則；平均值Idb為：（c）額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為

4、157A，則；平均值Idc為：（d）額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則；平均值Idd為：（e）額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則：平均值Ide為：（f）額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則：平均值Ide為： * 在圖1-31所示電路中，若使用一次脈沖觸發(fā)，試問為保證晶閘管充分導通，觸發(fā)脈沖寬度至少要多寬？圖中，E=50V；L=0.5H；R=0.5; IL=50mA（擎住電流）。 圖1-31習題1-5附圖 圖1-32習題1-9附圖解：晶閘管可靠導通的條件是：必須保證當陽極電流上升到大于擎住電流之后才能撤掉觸發(fā)脈沖。當晶閘管導通

5、時有下式成立：解之得：可靠導通條件為：解得：即 也即觸發(fā)脈沖寬度至少要500s4. 為什么晶閘管不能用門極負脈沖信號關斷陽極電流，而GTO卻可以？答：GTO和普通晶閘管同為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1和2，由普通晶閘管得分析可得，121是器件臨界導通的條件。12>1兩個晶體管飽和導通；12<1不能維持飽和導通而關斷。GTO能關斷，而普通晶閘管不能是因為GTO在結構和工藝上有以下幾點不同：A 多元集成結構使每個GTO元的陰極面積很小，門極和陰極的距離縮短，從而使從門極抽出較大的電流成為可能。B GTO導通時12更接近1，晶

6、閘管12>1.15，而GTO則為121.05，飽和程度不深，在門極控制下易于退出飽和。C GTO在設計時，2較大，晶體管V2控制靈敏，而1很小，這樣晶體管V1的集電極電流不大，易于從門極將電流抽出，從而使GTO關斷。* GTO與GTR同為電流控制器件，前者的觸發(fā)信號與后者的驅動信號有哪些異同？答：二者都是電流型驅動型器件，其開通和關斷都要求有相應的觸發(fā)脈沖，要求其觸發(fā)電流脈沖的上升沿陡且實行強觸發(fā)。GTR要求在導通期間一直提供門極觸發(fā)電流信號，而GTO當器件導通后可以去掉門極觸發(fā)電流信號；GTO的電流增益（尤其是關斷電流增益很?。┬∮贕TR，無論是開通還是關斷都要求觸發(fā)電流有足夠的幅值和

7、陡度，其對觸發(fā)電流信號（尤其是關斷門極負脈沖電流信號）的要求比GTR高。5. 試比較GTR、GTO、MOSFET、IGBT之間的差異和各自的優(yōu)缺點及主要應用領域。答：見下表器件優(yōu)點缺點應用領域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，電流驅動型需要驅動功率大，驅動電路復雜，存在2次擊穿問題UPS、空調等中小功率中頻場合GTO電壓、電流容量很大，適用于大功率場合，具有電導調制效應，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，驅動功率很大，驅動電路復雜，開關頻率低高壓直流輸電、高壓靜止無功補償、高壓電機驅動、電力機車地鐵等高壓大功率場合。MOSFE

8、T開關速度快，開關損耗小，工作頻率高，門極輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，需要的驅動功率小，驅動電路簡單，沒有2次擊穿問題電流容量小，耐壓低，通態(tài)損耗較大，一般適合于高頻小功率場合開關電源、日用電氣、民用軍用高頻電子產(chǎn)品IGBT開關速度高，開關損耗小，通態(tài)壓降低，電壓、電流容量較高。門極輸入阻抗高，驅動功率小，驅動電路簡單開關速度不及電力MOSFET，電壓、電流容量不及GTO。電機調速，逆變器、變頻器等中等功率、中等頻率的場合，已取代GTR。是目前應用最廣泛的電力電子器件。* 請將VDMOS（或IGBT）管柵極電流波形畫于圖1-32中，并說明電流峰值和柵極電阻有何關系以及柵極電阻的作用。答： VDMO

9、SFET和IGBT都是電壓驅動型器件，由于存在門極電容，其門極電流的波形類似于通過門極電阻向門極電容的充電過程，其峰值電流為IpUGE/RG。柵極電阻的大小對器件的靜態(tài)和動態(tài)開關特性有很大的影響：RG增加，則開通時間、關斷時間、開通損耗關斷損耗增加；和位移電流減小；觸發(fā)電路振蕩抑止能力強，反之則作用相反。因此在損耗容許的條件下，RG可選大些以保證器件的安全，具體選擇要根據(jù)實際電路選。典型的應用參數(shù)為：UGE15V，UGE(510)V，RG1050歐* 全控型器件的緩沖吸收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：緩沖電路的主要作用是抑止器件在開關過程中出現(xiàn)的過高的、和過電壓

10、，減小器件的開關損耗保證器件工作在安全范圍之內。RCD緩沖電路中主要是為了防止器件關斷過程中的過電壓。器件關斷時，負載電流經(jīng)二極管D向吸收電容C充電，使器件兩端的電壓由0緩慢上升，減緩，一方面可以抑止過電壓，一方面可以減小關斷損耗；開通時，吸收電容的能量經(jīng)電阻R向器件放電，為下次關斷做好準備，電阻R的作用是限制放電電流的大小、抑止緩沖電路的振蕩。* 限制功率MOSFET應用的主要原因是什么實際使用時如何提高MOSFET的功率容量答：限制功率MOSFET應用的主要原因是其電壓、電流容量難以做大。因為MOSFET是單極性器件，所以通態(tài)損耗較大，其通態(tài)電阻為。高壓大電流時，其通態(tài)電阻（對應損耗）達到

11、令人難以接受的程度（目前的市場水平最大為1200V/36A）。實際使用時由于MOSFET具有正的溫度系數(shù)，可以方便地采用多管串并聯(lián)的方法來提高其功率容量。習題二1*具有續(xù)流二極管的單相半波可控整流電路，帶阻感性負載，電阻為5，電感為0.2H，電源電壓的有效值為220V，直流平均電流為10A，試計算晶閘管和續(xù)流二極管的電流有效值，并指出晶閘管的電壓定額（考慮電壓2-3倍裕度）。解：本題困難，可不作為習題要求。電路上圖所示。設觸發(fā)角為，則在期間晶閘管導通，其直流輸出電壓Ud如圖（b）所示；在0和2期間，續(xù)流二極管導通，直流輸出電壓為0，則直流平均電壓為帶入已知參數(shù)可得，即。設晶閘管開始導通時的電流

12、值為I0，晶閘管關斷、二極管開始導通時的電流值為I1，則在晶閘管導通期間的回路方程為：由（1）可得方程的通解為 （4）帶入式（2）的初值條件，解得將上式帶入（4）并將已知參數(shù)帶入可得將式（3）的條件帶入得 （5）當二極管導通時，電流表達式為在t=2/2處，i=I0，可得I1和I0之間的關系 （6）由（5）、（6）可解得則得電流的完全表達式如下 （7）按照（7）用解析方法求解晶閘管和二極管的電流有效值非常復雜，為簡化計算，用I1和I0之間的直線段來代替實際的曲線方程（由于L較大，這種代替不會帶來很大誤差）。則晶閘管和二極管的電流有效值分別為從圖（g）可以看出，晶閘管承受的反壓為電源電壓峰值，即，

13、考慮3倍安全余量可選耐壓1000V的晶閘管。2單相橋式全控整流電路接電阻性負載，要求輸出電壓在0100V連續(xù)可調，輸出電壓平均值為30 V時，負載電流平均值達到20A。系統(tǒng)采用220V的交流電壓通過降壓變壓器供電，且晶閘管的最小控制角min30°，（設降壓變壓器為理想變壓器）。試求： （1）變壓器二次側電流有效值I2； （2）考慮安全裕量，選擇晶閘管電壓、電流定額； （3）作出60°時，ud、id和變壓器二次側i2的波形。解：由題意可知負載電阻歐，單相全控整流的直流輸出電壓為直流輸出最大為100V，且此時的最小控制角為min30°，帶入上式可求得（1） min30

14、°時，（2）晶閘管的電流有效值和承受電壓峰值分別為 考慮3倍余量，選器件耐壓為168×3500V；電流為(55.3/1.57)×3100A（3） 3試作出圖2-7所示的單相橋式半控整流電路帶大電感負載，在30°時的ud、id、iVT1、iVD4的波形。并計算此時輸出電壓和電流的平均值。解：輸出電壓和電流的平均值分別為：4單相橋式全控整流電路，U2100V，負載中R2 ，L值極大，反電動勢E60V，當30°時，試求： （1）作出ud、id和i2的波形； （2）求整流輸出電壓平均值Ud、電流Id，以及變壓器二次側電流有效值I2。解：整流輸出電壓平均

15、值Ud、電流Id，以及變壓器二次側電流有效值I2分別為： 在5. 某一大電感負載采用單相半控橋式整流接有續(xù)流二極管的電路，負載電阻R=4，電源電壓U2=220V，=/3，求：(1) 輸出直流平均電壓和輸出直流平均電流；(2) 流過晶閘管（整流二極管）的電流有效值；(3) 流過續(xù)流二極管的電流有效值。解：（1）電路波形圖見第3題（2）（3）6 三相半波可控整流電路的共陰極接法和共陽極接法，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試作出共陽極接法的三相半波可控的整流電路在30°時的ud、iVT1、uVT1的波形。解：a、b兩相的自然換相點不是同一點，它們在相位上差多

16、少180度，見下圖。共陽極接法的三相半波可控的整流電路在30°時的ud、iVT1、uVT1的波形如下圖7. 三相半波可控整流電路帶大電感性負載，/3，R=2，U2=220V，試計算負載電流Id，并按裕量系數(shù)2確定晶閘管的額定電流和電壓。解：按裕量系數(shù)2確定晶閘管的電流定額為：；電壓定額為：* 三相半波共陰極接法的整流電路中，如果c相的觸發(fā)脈沖消失，試繪出在電阻性負載和大電感性負載下整流的輸出電壓Ud（300）。解：電阻負載時波形如下圖：大電感負載時的波形為： * 三相橋式全控整流電路中，如果c相上橋臂晶閘管（第5號管）的觸發(fā)脈沖消失，試繪出在電阻性負載和大電感性負載下整流的輸出電壓U

17、d（600）。解：電阻負載時波形如下圖：解釋：當3、4號晶閘管導通（直流輸出為Uba）完即將切換到4、5號晶閘管導通時，由于5號晶閘管觸發(fā)丟失，且由于是電阻負載，在本該4、5導通的區(qū)間內由于Uba為負值，所以3號管被加反壓關斷，整流輸出為0。在隨后本該5、6管導通區(qū)間，由于5號管丟失脈沖，回路也沒法導通，輸出還是0。隨著6、1的再次導通，進入下一個循環(huán)。電感負載時波形如下圖：解釋：當3、4號晶閘管導通（直流輸出為Uba）完即將切換到4、5號晶閘管導通時，由于5號晶閘管觸發(fā)丟失，沒法給3號管提供反壓使之關斷，且由于是電感負載，所以3號管將會繼續(xù)導通。這時實際導通的管子還是3、4兩個晶閘管，即整流

18、輸出仍為Uba。在隨后本該5、6管導通區(qū)間，4號管被導通的6號管關斷，直流電流通過3、6兩管形成的短路回路續(xù)流，直流輸出是0。隨著6、1的再次導通，進入下一個循環(huán)。8三相橋式全控整流電路，U2100V，帶阻感性負載，R5 ，L值極大，當60°，試求： （1）作出ud、id和iVT1的波形； （2）計算整流輸出電壓平均值Ud、電流Id，以及流過晶閘管電流的平均值IdVT和有效值IVT； （3）求電源側的功率因數(shù)； （4）估算晶閘管的電壓電流定額。解：（1） （2） （3）由功率因數(shù)的定義知： （4）按2倍余量估算，晶閘管的電壓定額為：；晶閘管的電流定額為：9三相橋式不控整流電路帶阻感性

19、負載，R5 ，L，U2220V，XB=0.3 ，求Ud、Id、IVD、I2和的值，并作出ud、iVD1和i2的波形。解：三相橋式不控整流電路相當于三相橋式全控整流電路在觸發(fā)角為0時的情況，則 解上述2個方程可得： 二極管的電流平均值為： 變壓器二次側電流有效值為： 由 可得 ud、iVD1和i2的波形的波形如下：10請說明整流電路工作在有源逆變時所必須具備的條件。答：(1) 外部條件直流側應有能提供逆變能量的直流電動勢，極性與晶閘管導通方向一致，其值大于變流器直流側的平均電壓。(2) 內部條件變流器直流側輸出直流平均電壓必須為負值，即>/2，Ud<0。以上兩條件必須同時滿足，才能實

20、現(xiàn)有源逆變。11什么是逆變失敗如何防止逆變失敗答：但當變流器工作于逆變工況時，一旦由于觸發(fā)脈沖丟失、突發(fā)電源缺相或斷相等原因造成換流失敗，將使輸出電壓Ud進入正半周，與EM順向連接，由于回路電阻很小，造成很大的短路電流，這種情況叫逆變失敗或逆變顛覆。為了保證逆變電路的正常工作，必須1）選用可靠的觸發(fā)器，2）正確選擇晶閘管的參數(shù)，3）采取必要的措施，減小電路中du/dt和di/dt的影響，以免發(fā)生誤導通，4）保證交流電源的質量，5）逆變角的角度有一最小限制，留出充足的換向余量角。12. 三相全控橋變流器，已知L足夠大、R=1.2、U2=200V、EM= -300V，電動機負載處于發(fā)電制動狀態(tài)，制

21、動過程中的負載電流66A，此變流器能否實現(xiàn)有源逆變？求此時的逆變角。解：電動機處于發(fā)電制動狀態(tài)可以提供逆變能量，滿足有源逆變的外部條件，可以實現(xiàn)有源逆變。 三相全控橋變流器處于有源逆變時有 （1）而 ，即 解（1）式可得： 13三相全控橋變流器，帶反電動勢阻感負載， R1 ，L，U2220V，LB=1mH，當EM400V，60°時求Ud、Id和的值，此時送回電網(wǎng)的有功功率是多少？解： 帶入已知參數(shù)解上2式，可得 ；由換流重疊角公式可得：即 送回電網(wǎng)的有功功率為：14三相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有哪些次數(shù)的諧波其中最大的是哪一次變壓器二次電流中含有哪些次數(shù)的諧波其中主要的是

22、哪幾次對于m相全控整流電路呢？答：三相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有6k（k=1、2、3）次的諧波，其中最大的是6次諧波。變壓器二次電流中含有6k±1（k=1、2、3）次的諧波，其中主要的是哪5、7次。對于m相全控整流電路，其整流輸出電壓中含有2mk（k=1、2、3）次的諧波，其中最大的是2m次諧波。變壓器二次電流中含有2mk±1（k=1、2、3）次的諧波，其中主要的是哪2mk±1次。15試計算第4題中i2的3、5、7次諧波分量的有效值I23、I25、I27，并計算此時該電路的輸入功率因數(shù)。解：由第4題的解答可知：Id9A，則 基波有效值 輸入功率因數(shù) 1

23、6試計算第8題中的i2的5、7次諧波分量的有效值I25、I27。解：由第8題的解答可知：Id23.4A，則17. 三相晶閘管整流器接至10.5kV交流系統(tǒng)。已知10kV母線的短路容量為150MVA，整流器直流側電流Id400A，觸發(fā)延遲角15°，不計重疊角，試求：(1) 相移功率因數(shù)cos1、整流器的功率因數(shù)；(2) 整流測直流電壓Ud；(3) 有功功率、無功功率和交流側基波電流有效值；(4) 截止到23次的各諧波電流的大小、總諧波畸變率。解：（1） （2）（3）基波電流有效值 總電流有效值 有功功率 無功功率 （4） 總諧波畸變率 18晶閘管整流電路的功率因數(shù)是怎么定義的它與那些因素有關答：晶閘管整流電路的功率因數(shù)由畸變因子和位移因子構成，表達式為功率因數(shù)主要由整流觸發(fā)角和整流電路的電路結構決定。19. 綜述抑制相控整流電路網(wǎng)側電流諧波的措施。答：抑制網(wǎng)側電流諧波的措施主要有：1選擇合適的輸入電壓（可采用輸入變壓器），