電力電子課后答案

電力電子技術(shù)課后習(xí)題答案

第2章電力電子器件

1.使晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？

答：使晶閘管導(dǎo)通的條件是：晶閘管承受正向陽極電壓，并在門極施加觸發(fā)電流（脈沖）。

或：的＞0且如＞0。

2.維持晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？怎樣才能使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷？

答：維持晶閘管導(dǎo)通的條件是使晶閘管的電流大于能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流，即維持電

流。

要使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷，可利用外加電壓和外電路的作用便流過晶閘管的電流降

到接近于零的某一數(shù)值以下，即降到維持電流以下，便可使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。

3.圖1-43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

圖1-43晶閘管導(dǎo)電波形

解:a)I)之0.2717A

/尸舊J"sin的2d（由言

0.4767Q

1r工_LL(也+1)*0.5434rn

b)Zd2=—月/,”sin3d(3)=

itJ-Ji2

A=（/皿sin碗-1（碗）二寸p0.898A

c)7.13=乙〃(訓(xùn))=0.254

2=舊金//小.）=0.54

4.上題中如果不考慮安全裕量，問100A的晶閘管能送出的平均電流力、乙、全各為

多少？這時，相應(yīng)的電流最大值M、人2、心各為多少？

解?：額定電流/T（AV）=100A的晶閘管，允許的電流有效值/=157A,由上題計算結(jié)果知

a)Zni?---------?329.35,Zn怒02717389.48

0.4767

b)7n2?---------b232.90,7d2Ao.5434及a126.56

0.6741

c)7n3=2I=314,/產(chǎn)-7no=78.5

4

5.GTO和普通晶閘管同為PNPN結(jié)構(gòu)，為什么GTO能夠自關(guān)斷，而普通晶閘管不能？

答：GTO和普通晶閘管同為PNPN結(jié)構(gòu)，由PNR和NF2N2構(gòu)成兩個晶體管片、V2,分別具有共

基極電流增益％和。2，由普通晶閘管的分析可得，4+。2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。

%+%>1，兩個等效晶體管過飽和而導(dǎo)通；%+%<】，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。

GTO之所以能夠自行關(guān)斷，而普通晶閘管不能，是因為GTO與普通晶閘管在設(shè)計和工藝

方面有以下幾點不同：

1)GTO在設(shè)計時見較大，這樣晶體管V?控制靈敏，易于GTO關(guān)斷：

2)GTO導(dǎo)通時的%+%更接近于1，普通晶閘管%+%21/5,而GTO則為

%+%土1?05,GTO的飽和程度不深，接近于臨界飽和，這樣為門極控制關(guān)斷提供了有利條

件；

3)多元集成結(jié)構(gòu)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。

6.如何防止電力MOSFET因靜電感應(yīng)應(yīng)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(dāng)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(yīng)而引起的損壞，應(yīng)注意以下幾點：

①一般在不用時將其三個電極短接；

②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；

③電路中，柵、源極間常并聯(lián)齊納二極管以防止電壓過高

④漏、源極間也要采取緩沖電路等措施吸收過電壓。

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，IGBT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)前電路提供的驅(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(guān)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(guān)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(yīng)有足夠的幅值和

陡度，且一般需要在整個導(dǎo)通期間施加正門極電流，關(guān)斷需施加負(fù)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(guān)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。

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/df或過電流和d〃df,

減小器件的開關(guān)損耗。

RCD緩沖電路中，各元件的作用是：開通時，G經(jīng)上放電，尺起到限制放電電流的作

用；關(guān)斷時，負(fù)載電流經(jīng)VD,從C分流，使d〃/也減小，抑制過電壓。

9.試說明IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET各自的優(yōu)缺點。

解:對IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET的優(yōu)缺點的比較如下表:

器件優(yōu)點缺點

開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，具有

耐脈沖電流沖擊的能力,通態(tài)壓開關(guān)速度低于電力MOSFET,

IGBT

降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)電壓，電流容量不及GTO

動，驅(qū)動功率小

開關(guān)速度低，為電流驅(qū)動，

耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，

GTR所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路

通流能力強(qiáng)，飽和壓降低

復(fù)雜，存在二次擊穿問題

電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時

電壓、電流容量大，適用于大功

門極負(fù)脈沖電流大，開關(guān)速

GTO率場合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其

度低，驅(qū)動功率大，驅(qū)動電

通流能力很強(qiáng)

路復(fù)雜，開關(guān)頻率低

開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)

電流容量小，耐壓低，一般

電力定性好,所需驅(qū)動功率小且驅(qū)動

只適用于功率不超過10kW

MOSFET電路簡單，工作頻率高，不存在

的電力電子裝置

二次擊穿問題

第3章整流電路

1.單相半波可控整流電路對電感負(fù)載供電，￡=20mH,^=100V,求當(dāng)a=0。和60。時

的負(fù)載電流M并畫出山與人波形。

解:a=0。時，在電源電壓5的正半周期晶閘管導(dǎo)通時，負(fù)載電感￡偌能，在晶閘管開始導(dǎo)

通時刻，負(fù)載電流為零。在電源電壓比的負(fù)半周期，負(fù)載電感￡釋放能量，晶閘管繼續(xù)導(dǎo)

通。因此，在電源電壓生的一個周期里，以下方程均成立：

L5=6U、sin電

dt-

考慮到初始條件：當(dāng)t=0時人=0可解方程得：

?&2n

%=--------(1—coscot)

coL

=Z-CT(1-cos(ot)d(cot)

2乃JocoL

=立必■=22.51(A)

a)L

也與人的波形如下圖:

當(dāng)a=60°時，在但正半周期60。~180。期間晶閘管導(dǎo)通使電感L儲能，電感L儲藏的

能量在小負(fù)半周期180。~300。期間釋放，因此在出一個周期中60。~30。。期間以下微分方程成

立：

L-^~=>[2U2sin電

dr

考慮初始條件：當(dāng)￡=60。時入=0可解方程得：

?庖2,1

i=-----(——coscot)

ddcoL2

其平均值為

Id='-j囪2d-cosm)d(W)=^￡=11.25(A)

d2)號砒22coL

此時山與人的波形如下圖：

2.圖2-9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：①晶閘管承受的最大反向電壓為2圓2；②當(dāng)負(fù)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的問題。

因為單相全波可控整流電路變壓器二次測繞組中，正負(fù)半周內(nèi)上下繞組內(nèi)電流的方向相

反，波形對稱，其一個周期內(nèi)的平均電流為零，故不會有直流磁化的問題。

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。

①以晶閘管Vh為例。當(dāng)導(dǎo)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2聲5o

②當(dāng)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(fù)載：

(0~a)期間無晶閘管導(dǎo)通，輸出電壓為0；(。~兀)期間，單相全波電路中導(dǎo)通，單

相全控橋電路中\(zhòng)不、V，導(dǎo)通，輸出電壓均與電源電壓s相等；(jTn+a)期間，均無晶

閘管導(dǎo)通，輸出電壓為0；(n+a~2丸)期間，單相全波電路中V”導(dǎo)通，單相全控橋電

路中VTz、VR導(dǎo)通，輸出電壓等于3

對于電感負(fù)載：(a~元+a)期間，單相全波電路中VTi導(dǎo)通，單相全控橋電路中VI、

V。導(dǎo)通，輸出電壓均與電源電壓也相等；(冗+a~2丸+a)期間，單相全波電路中VT?

導(dǎo)通，單相全控橋電路中VT2、VI導(dǎo)通，輸出波形等于出。

可見，兩者的輸出電壓相同，加到同樣的負(fù)載上時，則輸出電流也相同。

3.單相橋式全控整流電路，笈=100V,負(fù)載中42。，￡值極大，當(dāng)a=30°時，要

求：①作出山、/、和芯的波形；

②求整流輸出平均電壓〃、電流4,變壓器二次電流有效值

③考慮安全裕量，確定晶間管的額定電壓和額定電流。

解：①如、九、和芯的波形如下圖：

②輸出平均電壓僅、電流4,變壓器二次電流有效值入分別為

〃=0.9&cosa=0.9X100Xcos30°=77.97(V)

-=%"=77.97/2=38.99(A)

=38.99(A)

③晶閘管承受的最大反向電壓為：

V24^=10072=141.4(V)

考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為：

4=(2~3)X141.4=283^424(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：

及=4/V2=27.57(A)

晶閘管的額定電流為：

4=(1.5~2)X27.57/1.57=26^35(A)

具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。

4.單相橋式半控整流電路，電阻性負(fù)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(dǎo)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(dǎo)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：

八一

'o|&

“VD2―

5.單相橋式全控整流電路，^=100V,負(fù)載中廬2C,￡值極大，反電勢后60V,當(dāng)=30。

時，要求：

①作出山、力和芯的波形；

②求整流輸出平均電壓倒、電流入，變壓器二次側(cè)電流有效值工；

③考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。

解.：①/、九和&的波形如下圖：

②整流輸出平均電壓以、電流4,變壓器二次側(cè)電流有效值A(chǔ)分別為

4=0.9thcosa=0.9X100Xcos300=77.97(A)

L=[U-E)/R=(77.97-60)/2=9(A)

Z>=Zi=9(A)

③晶閘管承受的最大反向電壓為：

V2￡A=100A/2=141.4(V)

流過每個晶閘管的電流的有效值為：

h=IA/V2=6.36(A)

故晶閘管的額定電壓為:

4=(2~3)X141.4=283~424(V)

晶閘管的額定電流為：

4=(L5~2)X6.36/L57=6~8(A)

晶閘管額定電壓和電流的具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。

6.晶閘管串聯(lián)的單相半控橋(橋中\(zhòng)1、為晶閘管)，電路如圖2-11所示，^=100V,

電阻電感負(fù)載，廬2。，￡值很大，當(dāng)=60。時求流過器件電流的有效值，并作出“、認(rèn)加、

小的波形。

解：Udyid、/；T、的波形如下圖：

負(fù)載電壓的平均值為：

1+cos/3

Ud=-^42U2sin<y/d(6X)=0.9l/2^)=67>5(v)

7T52

負(fù)載電流的平均值為：

4=4/467.52/2=33.75(A)

流過晶閘管V1、VT2的電流有效值為：

4=19.49(A)

流過二極管V4、VDi的電流有效值為：

麗=-4=27.56(A)

11.三相半波可控整流電路，〃=100V,帶電阻電感負(fù)載，廬5Q,￡值極大，當(dāng)=60。時,

要求：

①回出山、和/晶的波形；

②計算以、入、高和友。

解：①4、人和兀n的波形如下圖：

②說hAT和AT分別如下

以=1.17&cos=1.17X100Xcos60°=58.5(V)

7d=^/R=58.5/5=11.7(A)

扁=4/3=11.7/3=3.9(A)

In=h/V3=6.755(A)

12.在三相橋式全控整流電路中，電阻負(fù)載，如果有一個晶閘管不能導(dǎo)通，此時的整流

電壓M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(shè)不能導(dǎo)通，整流電壓阻波形如下：

假設(shè)被擊穿而短路，則當(dāng)晶閘管\13或\不導(dǎo)通時，將發(fā)生電源相間短路，使得VT：,、

VT$也可能分別被擊穿。

13.三相橋式全控整流電路，以二100V,帶電阻電感負(fù)載，廬5Q,￡值極大，當(dāng)=60°

時，要求：

①畫出山、/1（和*Tl的波形；

②計算以、4、高和為。

解：①4、力和的波形如下：

②〃、Id、/dr和G分別如下

總=2.344cos=2.34X100Xcos600=117(V)

4=4/217/5=23.4(A)

人=A/3=23.4/3=7.8(A)

I^=IA/V3=23.4/V3=13.51(A)

23.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：

①三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；

②當(dāng)變壓器二次電壓有效值&相等時，雙反星形電路的整流電壓平均值〃是三相橋式

電路的1/2,而整流電流平均值人是三相橋式電路的2倍。

③在兩種電路中，晶閘管的導(dǎo)通及觸發(fā)脈沖的分配關(guān)系是一樣的，整流電壓s和整流

電流入的波形形狀一樣。

24.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。

25.12脈波、24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11次、13次、23次、25次等即12A±K(A=1,

2,3???)次諧波，整流輸出電壓中含有12、24等即124(公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24處1(后1,

2,3???)次諧波，整流輸出電壓中含有24、48等即244(公1,2,3???)次諧波。

26.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：

①直流側(cè)要有電動勢，其極性須和晶閘管的導(dǎo)通方向?致，其值應(yīng)大于變流電路直流側(cè)

的平均電壓；

②要求晶閘管的控制角Q>n/2,使〃為負(fù)值。

27.三相全控橋變流器，反電動勢阻感負(fù)載，廬1Q,￡=8,^=220V,當(dāng)^=-400V,

=60。時求僅、Id與的值，此時送回電網(wǎng)的有功功率是多少？

解：由題意可列出如下3個等式：

〃=2.34&cos(n萬)一△以

△以=3%人/n

h=(上一區(qū))/R

三式聯(lián)立求解，得

〃=[2.34JI4ECOS(TI￡)+3不闋/(刀尸+3%)=—290.3(V)

ZJ=109.7(A)

由下式可計算換流重疊角：

cosa—cosQ+y)=2不4/V6〃=0.1279

cos(120°+y)=0.6279

/=128.90°-120°=8.90°

送回電網(wǎng)的有功功率為

2

P=|EMl(!|-7j/?=400X109.7-109.7X109.7X1=31.85(W)

28.單相全控橋，反電動勢阻感負(fù)載，廬1C,￡=8,〃=100V,￡=0.5mH,當(dāng)氏=-99V,

二60。時求僅、人和的值。

解：由題意可列出如下3個等式：

〃=0.9〃COS(JI-B)一△及

Aa=2%4/五

7d=(優(yōu)一區(qū))/R

二式聯(lián)立求解，得

44=[n/?0.9^cos(Ji-3)+2M]/(兀發(fā)+2源)=-49.91(V)

4=49.09(A)

又???

cosa—cos(a+/)=V2/dXB/〃=0.2181

即得出

cos(120°+7)=-0.7181

換流重疊角

=135.9°120°=15.9°

29.什么是逆變失?。咳绾畏乐鼓孀兪?？

答：逆變運(yùn)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。

防止逆變失敗的方法有：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。

30.單相橋式全控整流電路、三相橋式全控整流電路中，當(dāng)負(fù)載分別為電阻負(fù)載或電感

負(fù)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(dāng)負(fù)載為電阻負(fù)載時，要求的晶閘管移相范圍是0~180。，

當(dāng)負(fù)載為電感負(fù)載時，要求的晶閘管移相范圍是0~90%

三相橋式全控整流電路，當(dāng)負(fù)載為電阻負(fù)載時，要求的晶閘管移相范圍是0~120°,

當(dāng)負(fù)載為電感負(fù)載時，要求的晶間管移相范圍是0~90。。

第4章逆變電路

i.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惻直接和負(fù)

載聯(lián)接。

2.換流方式各有那幾種？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(guān)斷能力進(jìn)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(fù)的電網(wǎng)電壓加在欲換流的器件上即可。

負(fù)載換流：由負(fù)載提供換流電壓，當(dāng)負(fù)載為電容性負(fù)載即負(fù)載電流超前于負(fù)載電壓時，

可實現(xiàn)負(fù)載換流。

強(qiáng)迫換流:設(shè)置附加換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反向電壓換流稱為強(qiáng)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(fù)載換流和強(qiáng)迫換

流3種方式。

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特點是：

①直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)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。

②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(fù)載阻抗角無關(guān)。

而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。

③當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)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，逆變橋各愕都并聯(lián)了反饋二極管。

電流型逆變電路的主要特點是：

①直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當(dāng)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。

②電路中開關(guān)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(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。

③當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時需要提供無功功率，直流側(cè)電感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(guān)器件反并聯(lián)二

極管。

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(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)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(dāng)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(guān)器件流通，而

當(dāng)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(dāng)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(guān)器件流通，因

此不需要并聯(lián)反饋二極管。

第5章直流斬波電路

1.簡述圖3Ta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(dǎo)通一段時間編，由電源E向L、R、M

供電，在此期間，山=瓦然后使V關(guān)斷一段時間I,此時電感L通過二極管VD向R和M

供電，以=0。一個周期內(nèi)的平均電壓—xEo輸出電壓小于電源電壓，起到降

壓的作用。

2.在圖3-la所示的降壓斬波電路中，已知后200V,肥10。，〃宜極大，氏=30V,Z50

口s,tWI=20us,計算輸出電壓平均值輸出電流平均值Z,o

解：由于《值極大，故負(fù)載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為

..E=2°x200=80(v)

T50

輸出電流平均值為

/O=^^=80-30=5(A)

R10

3.在圖3Ta所示的降壓斬波電路中，田100V,￡=lmH,廬0.5。，即10V,采用脈寬

調(diào)制控制方式，產(chǎn)20us,當(dāng)，*5us時，計算輸出電壓平均值處輸出電流平均值4,計

算輸出電流的最大和最小值瞬時值并判斷負(fù)載電流是否連續(xù)。當(dāng)a=3us時，重新進(jìn)行上述

計算。

解：由題目已知條件可得：

八,

m=-E^M-=——10=0.1

E100

L_0.001

i----------------------------U.UUZ

R0.5

當(dāng)fon=5US時，有

T

p=—=0.01

弘=0.0025

T

由于

產(chǎn)_1e0,0025_i

=------=0.249〉m

e0-\---e001-1

所以輸出電流連續(xù)。

此時輸出平均電壓為

〃今E二曙=25(V)

輸出平均電流為

R0.5

輸出電流的最大和最小值瞬時值分別為

5100

7nat=J"[1-ei-001o°iJl=30.19(A)

R0.5

eap-l)E_(eOOO25-l

.Z*in==29.81(A)

ep-]-\e001-1

當(dāng)a=3us時，采用同樣的方法可以得出:

ap=0.0015

由于

，即,J*015_1

所以輸出電流仍然連續(xù)。

此時輸出電壓、電流的平均值以及輸出電流最大、最小瞬時值分別為:

100X3

〃=4L￡==I5(V)

T20

區(qū)4:"當(dāng)0(A)

L=

R0.5

(.c-0.0015聘=10.13(A)

__oi

、一yoi

,0.0015

-0.1|—=9.873(A)

/nin二

e00'J0.5

4.簡述圖3-2a所示升壓斬波電路的基本工作原理。

答：假設(shè)電路中電感￡值很大，電容。值也很大。當(dāng)V處于通態(tài)時，電源￡向電感￡充電，

充電電流基本恒定為九同時電容。上的電壓向負(fù)載"供電，因C值很大，基本保持輸出電

壓為恒值爆設(shè)V處于通態(tài)的時間為褊，此階段電感￡上積蓄的能量為EL%。當(dāng)V處于

斷態(tài)時￡和￡共同向電容。充電并向負(fù)載分提供能量。設(shè)V處于斷態(tài)的時間為小「則在此

期間電感￡釋放的能量為（U。-當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期7中電感￡積蓄

的能量與釋放的能量相等，即：

E/仆=（4-￡）-

化簡得：

U=ton+t°ffE=—E

'off4>ff

式中的丁“off21,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，已知斤50V,￡值和。值極大，廬20C,采用脈

寬調(diào)制控制方式，當(dāng)"40us,b=25us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:

T40

以=—E=x50=133.3(V)

*40-25

輸出電流平均值為:

2必U:“13336.667（A）

R20

6.試分別簡述升降壓斬波電路和Cuk斬波電路的基本原理，并匕較其異同點。

答：升降壓斬波電路的基本原理：當(dāng)可控開關(guān)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，此時電流為九方向如圖3-4中所示。同時，電容C維持輸出電壓基本恒定并向

負(fù)載R供電。此后，使Y關(guān)斷，電感L中貯存的能量向負(fù)載釋放，電流為力,方向如圖3-4

所示?？梢?，負(fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反。

穩(wěn)態(tài)時，一個周期7內(nèi)電感L兩端電壓必對時間的積分為零，即

瓜八。

當(dāng)V處于通態(tài)期間，s=E；而當(dāng)V處于斷態(tài)期間，珠:-4。于是：

ET0n=U。％

所以輸出電壓為：

U=^-E=—^―E=—^―E

°roff7-%

改變導(dǎo)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(dāng)0<<1/2時為

降壓，當(dāng)1/2<<1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(dāng)V處于通態(tài)時，ETLV回路和R——回路分別流

過電流。當(dāng)V處于斷態(tài)時，E—￡L-VD回路和/?一%—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(dāng)于開關(guān)S在A、B兩點之

間交替切換。

假設(shè)電容C很大使電容電壓&的脈動足夠小時。當(dāng)開關(guān)S合到B點時，B點電壓⑶=0,

A點電壓〃A=-Uc；相反，當(dāng)S合到A點時，UB=止,S=0。因此，B點電壓庫的平均值為

力=專人（區(qū)為電容電壓城的平均值），又因電感A的電壓平均值為零，所以

E=UR=^-UC.另一方面，A點的電壓平均值為UA=-LUc，且5的電壓平均值為

零，按圖3-5b中輸出電壓"的極性，有U0=專UI于是可得出輸出電壓〃與電源電壓

E的關(guān)系:

廠a廠

U=-2S-E=——E=------E

n-1—a

gfT-ionx

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(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動很小,

有利于對輸入、輸出進(jìn)行濾波。

8.分析圖3-7a所示的電流可逆斬波電路，并結(jié)合圖3-7b的波形，繪制出各個階段電流流

通的路徑并標(biāo)明電流方向。

解：電流可逆斬波電路中，片和構(gòu)成降壓斬波電路，由電源向直流電動機(jī)供電，電動機(jī)

為電動運(yùn)行，工作于第1象限；V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，把直流電動機(jī)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡?/p>

能反饋到電源，使電動機(jī)作再生制動運(yùn)行，工作于第2象限。

圖3-7b中，各階段器件導(dǎo)通情況及電流路徑等如下：

%導(dǎo)通，電源向負(fù)載供電：

%關(guān)斷，續(xù)流:

V?導(dǎo)通，￡上蓄能:

丫2關(guān)斷，VD2導(dǎo)通，I可電源回饋能量

9.對于圖3-8所示的橋式可逆斬波電路，若需使電動機(jī)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(yīng)的電流流通路徑圖，同時標(biāo)明電流流向。

解：需使電動機(jī)工作于反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)時，由％和VDa構(gòu)成的降壓斬波電路工作，此時需要％

保持導(dǎo)通，與％和VDs構(gòu)成的降壓斬波電路相配合。

當(dāng)V3導(dǎo)通時，電源向M供電，使其反轉(zhuǎn)電動，電流路徑如下圖:

當(dāng)V3關(guān)斷時,負(fù)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(fù)載間接入了多個結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路，使得輸入電

源電流和輸出負(fù)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6章交流-交流變流電路

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(yùn)用于什么樣的負(fù)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(jìn)行控制。而交流調(diào)功電路是將

負(fù)載與交流電源接通幾個周波，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(fù)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(jī)的軟起動,

也用于異步電動機(jī)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(shè)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(jìn)行頻繁控制。

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(bǔ)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(yīng)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(bǔ)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(dá)到比較理想的動態(tài)補(bǔ)償效果。

5.單相交交變頻電路和直流電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)傳動用的反并聯(lián)可控整流電路是將交流電變?yōu)橹绷麟姡瑑山M可控整流電路

中哪?組工作并沒有像交交變頻電路那樣的固定交替關(guān)系，而是由電動機(jī)工作狀態(tài)的需要決

定。

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(gòu)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(dāng)

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(yīng)高于電網(wǎng)頻率的

1/31/2。當(dāng)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(dāng)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(yán)重，電壓

波形畸變和由此引起的電流波形畸變以及電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因

素。

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(fù)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；輸入也流諧波含量大，頻譜

復(fù)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(jī)主傳

動裝置、鼓風(fēng)機(jī)、球磨機(jī)等場合。

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(jìn)線方式和輸出星形聯(lián)結(jié)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(jìn)線方式中，因為電源進(jìn)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(jī)三個繞組必須拆開，共引出六根線。

而在輸出星形聯(lián)結(jié)方式中，因為電動機(jī)中性點不和變頻器中性點接在一起，電動機(jī)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(jìn)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。