电力电子技术作业

1、第2至第8章作业第2章电力电子器件1. 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>02. 维持晶闸管导通的条件是什么？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。3. 怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：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。4. 图1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，试计算各波形的电流

2、平均值Id1、|d2、Id3与电流有效值11、12、|3。a)b)c)图1晶闸管导电波形解:a)b)c)Idl-(¥片1)俺 d 2717 TaJI2d ,0. 1767 Ia| 江 4£-匚 lrn(纟 + 1)缺 0.胡 31 ATT 2sin亦泊3) l + ±fe0.898 J=J f:=0. 5 A7.晶闸管的触发脉冲需要满足哪些条件?答：A：触发信号应有足够的功率B:触发脉冲应有一定的宽度，脉冲前沿尽可能陡，使元件在触发导通后，阳极 电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。C:触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。第3章整流电

3、路1.单相半波可控整流电路对电感负载供电，L = 20mH，U2= 100V，求当a= 0°和60。时的负载电流Id，并画出ud与id波形。解：a = 0°寸，在电源电压U2的正半周期晶闸管导通时，负载电感 L储能，在 晶闸管开始导通时刻，负载电流为零。在电源电压u2的负半周期，负载电感L释 放能量，晶闸管继续导通。因此，在电源电压 u2的一个周期里，以下方程均成L- =sin(oidi亠考虑到初始条件二半时2±_0可解方程紂：心一' (lcos)(cL-顷-22. 51 (A)(t)Lud与id的波形如下图:当a= 60°寸，在u2正半周期60

4、°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，因此在u2 个周期中L J2U 2 siiiftX60 300。期间以下微分方程成立：*;切总初始条件“i F=60F寸兀 =0川解方粗街:Cu、八、s =亠c o s)曲2It半旳fH为7, - fy 问士' 一 ZS)二 口 4 "L. 25(A)dZn 4冈也22a>L此时4与乳的i皮形如卜圈：2单相桥式全控整流电路， U2= 100V，负载中R= 2 Q, L值极大，当 a 30。时，要求： 作出比、id、和i2的波形；求整流输

5、出平均电压 Ud、电流Id，变压器二次电流有效值 I2 ； 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：ud、id、和i2的波形如下图：输出平均电压必*电流变压器二次电流有效值Z分别为 圧=0-9 J COQ =0. 9X100Xcos30Q =77.97 (V)L=lk R=ll- 97/2 = 38. 99 (A)L L 3S. 99 (A)ih阐管承爱的最人反向电压为*41 £E=100V2 =14L 4 (V)考虑安仝裕量，晶闸管购额定电压为，li= (2"3) X 141. 4 = 233424 (V)貝；本数值可按晶闸管产品系列参坡选取.漩过晶闸管的电流冇

6、效值为：Tit Ia / V3 二 27. 57 (A)晶闻管的额定电流为：£= (L 5'2) X27. 57/ L. 57 = 2635 (A)具体数伉可按晶闸管产品系列参戏选取°3单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=2 Q, L值极大，反电势 E=60V，当a=30时，要求：作出Ud、id和i2的波形; 求整流输出平均电压 Ud、电流Id,变压器二次侧电流有效值 |2； 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：ud、id和i2的波形如下图： 榕浣输出平均电床乩 刊流厶 变圧器次侧琨流冇效柿壬分别为tt=0.9 U cos =0.9X100

7、Xcos30" =77. 97(A)Id (idE) /R (77. 97 60) /2 9 (A)厶二£ 9(A) 晶闸管承爱的最大反向电压为：Ji 2= 100Vi =141. 4 (V)流过每个晶闸管的电淀的冇效恆为云丁 =厶 /=6* 36 (A)故品闸管的额定电压为匕lk= (2'3) X141. 4 = 283424 (V)品闸管的额定电流为：Z= (k 5"2) X6. 36 / 1. 57=68 (A)晶闸管额定电圧和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选収4单相桥式半控整流电路，电阻性负载，画出整流二极管在一周内承受的电压波形。解：注意到

8、二极管的特点：承受电压为正即导通。因此，二极管承受的电压不会出现正的部分。在电路中器件均不导通的阶段，交流电源电压由晶闸管平衡。整流二极管在一周内承受的电压波形如下:5.单相全控桥，反电动势阻感负载， R=1 Q, L=s, E=40V , U2=100V , LB=0.5mH ,当a=60 时求Ud、Id与g的数值，并画出整流电压 Ud的波形。峪丄匕H J . fj't上 1=0. 9 zt-oset "4 £込忑 / TTf E、 Z 尺JfiY-?T fV FH 話丰:总一 * TT jV O.+/< TT 4- 2,V) 一 1-3. 5-5<

9、Va ZL = O* l&S < V >忑=4. 55 C A >crusttzr cosrcr ->-严、= -s/72乂耳 / 艺左tl f导出CosifSCT11 十 jk > =Or I 79S你 ¥it HT 朴 7FjC 1 . 33GO =1. 33"J. j . fT：仃“潦匚电八、f ： 6丿；戊JI ； tt口 卜l6.单相桥式全控整流电路中，当负载分别为电阻负载或电感负载时，要求的晶闸管移相范 围分别是多少？答：单相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，要求的晶闸管移相范围是0 180 °当负载为电感负载

10、时，要求的晶闸管移相范围是0 90。7.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。当负载为电感时，侧的液形如下:&三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5 Q，L值极大，当a=60。时,要求：画出Ud、id和ivTi的波形;计算 Ud、Id、IdT 和 |VT。解：ud、id和iVTI的波形如下图:&厶心和人T分别如卞£；=1. 17Z；cos =1. 17X100Xcos60° =58. 5 (V)7d= Q / R = 58. 5 / 5 = lk 7 (A)IL/ 3=1

11、L 7 / 3=3. 9 (A)755 (A)9在三相桥式全控整流电路中，电阻负载，如果有一个晶闸管不能导通，此时的整流电压 ud波形如何？如果有一个晶闸管被击穿而短路，其他晶闸管受什么影响？答：假设VT1不能导通，整流电压ud波形如下：假设VT1被击穿而短路，则当晶闸管VT3或VT5导通时，将发生电源相间短路, 使得VT3、VT5也可能分别被击穿。10.三相桥式全控整流电路，U2=100 V,带电阻电感负载， R=5 Q, L值极大，当a=60。时,要求： 画出Ud、id和ivTi的波形; 计算 Ud、Id、IdT 和 |VT。輪工込、兔和九】的波形如卜;O仇、J心和分别如下li = 2.

12、34fkns=2. 34X 100Xcos60° = 117 ( V)IUd =117/5 = 23.4 (A)I = IJ 3 = 23. 1/3 7. 8 (A)7rr =厶 /=23 4 /= 13* 51 (A)11.三相全控桥，反电动势阻感负载，E=200V , R=1 Q, L=s, U2=220V , a=60 °当Lb=O和LB=1mH情况下分别求Ud、Id的值，后者还应求 g并分别作出ud与iT的波形。斛：工当厶 o时l = 2. 34Gcosa =2. 34X220X00560"Jd= < 6d-F>当 Zt=lmHHj= 257.

13、 4 (V)/ R= (257. 4 200 ) / 1=37. 4 (A)a 2, 3 IfA L 二ith=F)/ R解方樫纽得：匚=(2. 34tt UR cosq +3忑疋)/ (n /?-3X)=214, 15(V)£=44. 15 CA) =13.25 (V)1/ CCS(ff + /) 2X7 ' y/ 1-2coo+ z) a 4485V =63. 35° 60" =3. 35°亦和&的波形如ui(.：K?12. 三相桥式全控整流电路中，当负载分别为电阻负载或电感负载时，要求的晶闸管移相范围分别是多少？答：三相桥式全控整流

14、电路，当负载为电阻负载时，要求的晶闸管移相范围是 0 120，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是0 90。13. 三相桥式全控整流电路， 其整流输出电压中含有哪些次数的谐波？其中幅值最大的是哪 一次？变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波？其中主要的是哪几次？答：三相桥式全控整流电路的整流输出电压中含有 6k （k = 1、2、3,）次的谐 波，其中幅值最大的是6次谐波。变压器二次侧电流中含有 6k±（k=1、2、3,） 次的谐波，其中主要的是5、7次谐波。14三相桥式全控整流电路， U2=100 V，带电阻电感负载， R=5 Q，L值极大，当a=60。时， 要求：（）计算Ud

15、、Id、IdT和IVT ；（ 2）i2的5、7次谐波分量的有效值丨25、127；（ 3）输入功率因数。解：(1)仁、-Zd>心和分别如卜li=2. 34Z：cos =2. 34XiOOXcos60° =117 (V)£=©；/斤=117 / 5 = 23. 4 (A)3 = 23.4/3 = 7.8 (A)/；i= L / Ji23.4 / Vi = 13* 51 (A)(2) 由此可计算出3次和了次谐波分量的TT效值为！厶=代 / 5TT X23A / 5n =& 65 (A)V6 7. / 7n = V6 X 23. 4 / 7tt =2*61

16、(A)(3) 基波电流的冇效值：T & 厶 / TT = 6 X 23. 39 / TT =18* 243 (A)基破囚数为 IJIIJ 0. 955电路的输入功率闵数为：= cosa =0< 955 cos60 =0. 4815使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么？答：条件有二：直流侧要有电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致， 其值应大于变流电路 直流侧的平均电压；要求晶闸管的控制角a >n /2使Ud为负值。16什么是逆变失败？如何防止逆变失败？答：逆变运行时，一旦发生换流失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形 成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变为顺

17、向串联， 由于逆变电 路内阻很小，形成很大的短路电流，称为逆变失败或逆变颠覆。防止逆变失败的方法有： 采用精确可靠的触发电路， 使用性能良好的晶闸管， 保证交流电源的质量，留出充足的换向裕量角B等。第 4 章 逆变电路1无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？答：两种电路的不同主要是：有源逆变电路的交流侧接电网，即交流侧接有电源。而无源逆变电路的交流侧直接和负载联接。2换流方式各有那几种？各有什么特点？答：换流方式有 4 种：器件换流：利用全控器件的自关断能力进行换流。全控型器件采用此换流 方式。电网换流：由电网提供换流电压，只要把负的电网电压加在欲换流的器件上即可。负载换流：由负载提供换流电压，

18、当负载为电容性负载即负载电流超前于负 载电压时，可实现负载换流。强迫换流：设置附加换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压换流 称为强迫换流。通常是利用附加电容上的能量实现，也称电容换流。晶闸管电路不能采用器件换流，根据电路形式的不同采用电网换流、负载换 流和强迫换流 3 种方式。3什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各有什么特点。答：按照逆变电路直流测电源性质分类，直流侧是电压源的称为逆变电路称 为电压型逆变电路，直流侧是电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。电压型逆变电路的主要特点是： 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。

19、由于直流电压源的钳位作用，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因负载阻抗情况的不同而不同。 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。电流型逆变电路的主要特点是：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。 电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波， 并且与负载阻抗角无关。 而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻 抗情况的不同而不同。 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率， 直流

20、侧电感起缓冲无功能量的 作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向， 因此不必像电压型逆变电路那样 要给开关器件反并联二极管。4电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？答：在电压型逆变电路中，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。5为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？答：在电流型逆变电路中，直流电流极性是一定的，无功能量由直流侧电 感来缓冲。 当需要从交

21、流侧向直流侧反馈无功能量时， 电流并不反向， 依然经电 路中的可控开关器件流通，因此不需要并联反馈二极管。第 5 章 直流-直流变流电路1. 介绍降压斩波电路工作原理答*降乐斩波器的原理是在一个拧制周朋屮.让V导通一段时间 j 由电源E向L、R. M供电.在此期间.Uo=Ea然后便¥关断一段时间S 此时电感L通过二极營口向R和11供电*仏=0个谢期内的平均电压£； = © <£G G输出电压小丁-电源电乐级起到降压的作用&2. 介绍升压斩波电路工作原理笞：假诛电路屮电感£値很儿 电容Q值也很从 勻Y处丁逋态时，电沖厅向电 B L充

22、电.充电电流臣卜恒宦为厶 同时电容广上的电压向负载£供电-IM C 值很大，基木保捋输出电斥为恒值昭 设¥处丁連态的时间为 j 此阶段电感£ 卜祝喬的能臺为当V处丁断态时迟和L共同向电容Q充电并向负载斤提 供谴臺哉V处丁断态的时间为如、则在此期间电感L样放的能虽为 (S_Q/占倉 当电路工作丁雀态时* 一个周期厂屮电感£积幫的能量与释放的 能量相尊*即土纠4=(®-砂心化简得；试屮的了 U " 输出电ff.WT电游电斥*故称彥电路淘升压斩波电跻.3.在降压斩波电路中，已知E=200V , R=10 Q, L值极大，Em=30V , T

23、=50卩諒=20卩S扌算输出电压平均值 U。，输出电流平均值Io。解由丁 £值极大，故负载电流连续，丁是输出电床平均值为 薦厶 e -2(> 200 =80 (V)750输岀电流平均値为L 厂5二竺旦二5 (A)4在下图所示的降压斩波电路中， E=100V , L=1mH , R=0.5 Q Em=10V，采用脉宽调制控 制方式，T=20us当ton=5 时，计算输出电压平均值 Uo,输出电流平均值Io,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ton=3 ysS寸，重新进行上述计算。解*由题冃己知条件可得匕沪斗匕1E 100T 二°二6°

24、°1二0.002R 0.5当九二5p s时，有p 二丄二6 01T-0*0025由于矽1阳期 I二小i二0起49加/_1 /01_1所以输出电流连续.此时输出半均电斥沏匕乂侶竺空二的(Y) T 20输出平均电流为厶仝鱼二卡二巴二30(A)'K0.5输出电流的最大利最小值瞬时值分別为40015coF-010.M251 =29. 81 0.5斗瞎二3|J s时，采用河样的方法可以得岀：a p 二6 0015矽I诂1启"屯149).所以输出电流仍然连玻n此时输出电圧-电流的平均值以及输出电流最大、最小瞬时值分别为,氏鼻E J00疋3二测)T 20丁15-101A/OI.二

25、 =10 R0.5=1C. 13U)0.5_严心>1100匚严3临-p-0115.在升压斩波电路中，已知E=50V , L值和C值极大，R=10 Q,采用脉宽调制控制方式,当T=40aS, ton=20 aS时，计算输出电压平均值Uo,输出电流平均值Io。il"VB1VJLEC0升压靳液电踊解!输岀电圧平均值为土u.-E- 40 X50 = 100(V)心40 20输出电流平均值为：I. £心二竺二 10(A) R W第6章交流-交流变流电路1一单相交流调压器，电源为工频220V，阻感串联作为负载，其中 R=0.5愆L=2mH。试求：开通角a的变化范围；负载电流的最大

26、有效值；最大输出功率及此时电源侧的功率因数；当a时，晶闸管电流有效值，晶闸管导通角和电源侧功率因数。2解；備我R1抗舶为：q> Cretan ( ) -arctan (吐"丿"世乞 89864-5L 19° TR0.5开通角a的变化范雨为(P <n0, 898640 <TT；芍口=®时，输岀电压最从负载电漩也为最丿“此时输冷功弟最从为+(y£-)2/< = 37. 532 (KW)功率虫数为/亠-g “如"1 匚 220x273.9S实际上此时町数也就星负載阻抗角的余弦.即cosO. 6227S c(二兰时.先

27、计算晶闸官的冷通角由成心-"得sin(+9 -0. 89864)=sin (-0. 89864) e上或可得晶I刚管导通A为6 二Z 375=136. 1也可由圈4-3估计出的值*吐时，品闸伶电漩冇效值为V2r * O SO3 VcosO.89864电源侧功率闵数为cosO.S9S6 1T足可袒出XR<01(./.uua =905第7章PWM控制技术竺二斗3959220x1742W： 口丸时的输岀电尿最大，为SlllJf? 7r-a1-2.7 H2. 一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 最大值，试求功率为最大输出功率的80%，50%时的开通角 aa =

28、0时输出功率为 “ =甘（皿血鹽几伽=UI /“此时负我电流最大.为仁”.二"二' rnjl 園此最大输出功率为化/ 严三输出功率为量犬输岀功率的gen时,此时,6屁疗0叱唤同理输岀功率为最人输岀功率的丸勺时冇: 亿=Vo3g1乂中1介绍 PWM 控制的基本原理。答： PWM 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的 宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。在采样控制理论中有一条重要的结论： 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具 有惯性的环节上时， 其效果基本相同， 冲量即窄脉冲的面积。 效果基本相同是指 环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积

29、等效原理2. 单极性和双极性 PWM 调制有什么区别？三相桥式 PWM 型逆变电路中， 输出相电压 （输出端相对于直流电源中点的电压）和线电压 SPWM 波形各有几种电平？答：三角波载波在信号波正半周期或负半周期里只有单一的极性， 所得的 PWM 波形在 半个周期中也只在单极性范围内变化，称为单极性 PWM 控制方式。三角波载波始终是有正有负为双极性的， 所得的 PWM 波形在半个周期中有正、 有负， 则称之为双极性 PWM 控制方式。三相桥式 PWM 型逆变电路中，输出相电压有两种电平： 0.5Ud 和-0.5 Ud 。输出线电压 有三种电平 Ud、0、- Ud。3什么是异步调制？什么是同步调制？两者各有何特点？分段同步调制有什么优点？答：载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。在异步调