电力电子期末复习材料

••

根据通态平均电流4(AV)的定义，当电流的峰值为4时

有效值与平均值的比值称为波形系数Kf"，一=257

1F(AV)工

例如，对于一只额定电流/FSV)=100A的电力二极管,

允许通过的电流有效值为157A

例：通过电力二极管的实际波形如右

图，求此波形的电流平均值Id,电流

有效值la,波形系数"。当不考虑安

全裕量时，求选择二极管的定额电流

Id=sinad(ftt)=六

2汽”aIn根据电流有效值相等的原则计算规

定波形下通过的平均电流

(Ivsin=—~=

2V2la-2尬_

FS吟一K1.573.58

Kf=-^=-^=2.22

如果选用电流定额为100A的电力二极管;

么实际允许的平均电流是多少？,

••••

已知：图中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电••••

流波形，波形的电流最大值为。，试计算该波形的

电流平均值必和电流有效值以及其波形系数。

解:电流平均值为：

1产

I，1=——sinG>td(a)t}-0.24/,”

C41/I_/ffl、/til

2兀%

电流有效值:

1”、

/=—（/”,sin以尸或&）=0.46/,”

波形系数：

0.46/阳

Kf==1.92

02%

上题中，若取安全裕量为2,问额定电流为100A的晶闸

管,其允许通过的电流平均值是多少?这时,相应的电流最

大值是多少？

解:100A的晶闸管允许通过的电流平均值为:

1.57x100

=41(A)

2x1.92

电流最大值为:

TIdl

/二---------==171(A)

上m0.240.24

把一个晶间管与灯泡串联，加上交流电压，如图1・37所示

(1)开关S胎敝泡亮不亮？不亮

(2)开羚胎欲泡亮不亮？亮才士

不冗

(3)开关S闭合一段丽后再打开，断开开关后灯泡亮不亮？原因是什么?

•与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎

样的结构特点才使得它具有耐高电压和大电流的能力。

答：

・电力二极管的垂直导电结构使得硅片中通过电流的有

效面积增大，可以显著提高二极管的通流能力。

・电力二极管在P区和N区之间多了一层低掺杂N区，也

称为漂移区。因此，电力二极管的结构也称为P-i-N结

构。由于掺杂浓底低，低掺杂浓度就可以承受很高的

电压而不致被击穿，因此低掺杂N区越厚，电力二极

管能够承受的反向电压就越高。

•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：

•维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶

闸管由导通变为关断？

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。

•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。

•单相半波可控整流电路对电感负载供电，L=

20mH,%=100V，求当a=0°和60。时的负载

电流4，并画出为与，d波形。

・解：。=0。时，在电源电压勺的正半周期晶闸

管导通时，负载电感上储能，在晶闸管开始导

通时刻，负载电流为零。在电源电压〃2的负半

周期，负载电感上释放能量，晶闸管继号导通。

因此，在电源电压勺的一个周期里，以下方程

均成立：

L--=sincot

dt2

•考虑到初始条件：当a=o时。=。可解方程得：

z=-------(1-coscot)

dcoL

i山j2a

I=——f-―工(1-cos„

d171J。coL

=22.51(A)

〃d与。的波形如下图:

•当a=60。时，在u2正半周期60。~180。期间晶

闸管导通使电感L储能，电感L储藏的能量在

“2负半周期180。~300。期间释放，因此在U2一

个周期中60。~300。期间以下微分方程成立：

L=^2U2sincot

•考虑初始条件：当wt=60。时/d=0可解方程得:

.®,1八

Z,=------coscot)

dcoL2

•其平均值为

71、二.、

3

/d--L--cos(ot)d(cot)

2万qCOL2

=虫=11.25(A)

2coL

•此时％与，d的波形如下图：

•单相桥式全控整流电路，仿=100V,负载愕•:

=2。，£值极大，当a=30。时，要求：*

•①画出/、4、和片的波形；

•②求整流输出平均电压［、电流4,变压器二次电

流有效值4；

•③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电

流。

•解：①〃d、力、和为的波形如下图:

②输出平均电压《、电流4，变压器二次电流有加值4

分别为

%=0.9&cosa=0.9xl00xcos30°=77.97(V)

7d=4/Q77.97/2=38.99(A)

I2=Id=38.99(A)

③晶闸管承受的最大反向电压为：

4=100=141.4(V)

考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：

4=(2~3)x141.4=283~424(V)

具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。

流过晶闸管的电流有效值为：

W上=27.57(A)

晶闸管的额定电流为：

4=(1.5~2)x27.574.57=26~35(A)

具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。

•在三相半波整流电路中，如果a相的触发碑

消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载下整

流电压〃d的波形。设触发角为0。。

•解：当负载为电阻时，心的波形如下：

•三相桥式全控整流电路，r2=ioov,带电阻电

感负载，R=5Q,1值极大，当方60。时，要求:

①画出/、"和的波形；

②计算4、和4T。

②Ud、4、3和LT分别如下

rd=2.34r2cosa=2.34xl00xCos60°=117(V)

Id=Ud/R=117/5=23.4(A)

—=4/3=23.4/3=7.8(A)

小=4/6=23.4/拒=13.51(A)

使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么？

答：条件有二：

①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；

②要求晶闸管的控制角。＞#2,使〃为负值。

■例：单相桥式全控整流电路，U2=100V,负载中R=2Cf

L值极大，反电势E=60V,当片30。时，要求：

①作出为、，挥1%的波形;

②求整流输出平均电压“、电流变压器二次侧电流

有效值勿；

③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。

解：①与、心和G的波形如图3-9：

②整流输出平均电压U.、电流缶变压器二次侧电流有效霰产

%分勃％

Ud=0.9U2cosa=0.9X100Xcos30°=77.97(V)

ld=(U.—E)/R=(77.97—60)/2=9(A)

，2=ld=9(A)

③晶闸管承受的最大反向电压为：

收4=100万=141.4(V)

流过每个晶闸管的电流的有效值为:

IVT=I"氏=6.36(A)

故晶闸管的额定电压为：TU

4=(2~3)X141.4=283~424(V)0VTVpXpXR>

晶闸管的额定电流为：箱士-'士'7上*一

々=(1.5〜2)X636/1.57=6〜8(A>i-------i--------------1

晶闸管额定电压和电流的具体数宿旬"；一六~F

按晶闸管产品系列参数选取。——L"

-X-/—XT

例：三相桥式不可控整流电路，阻感负载，R=5Q,L=8,U2=220V,

XB=0.3Q,求3、1八IVD、匕和渊值并作出U.的波形。

解：三相桥式不可控整流电路相当于三相桥式可控整流电路《=0。时的情

况。

Ud=2.34U2cosa-AUd

AUd=3XBld/n

ld=Ua/R

解方程组得：

Ud=2.34U2cosa/(1+3XB1求)=486.9(V)

/d=97.38(A)

又cosa—cos(a+/)=2I,XB感5

即得出cosy=0.892

换流重叠角7=26.93。

二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为

/w>=。/3=97.38/3=33.46(A)

/2a=^/rf=79.51(A)

Ud、和小的波形如下图所示。

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，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。

•在降压斩波电路中，已知E=200V,A=10,：

上值极大，FM=50V,T=40fls,ton=20〃s,计算

输出电压平均值U。，输出电流平均值人。

解：由于2值极大，故负载电流连续，于是输出

电压平均值为

20x200

U=:E==100(V)

输出电流平均誉为

100-50

T-U-EM

1c—oM0-=5(A)

•在升压斩波电路中，已知后50V,£值和南极

大，庐25Q,采用脉宽调制控制方式，当衿50

flS,方=2。〃s时，计算输出电压平均值

输出电流平均值o

解：输出电压平均值为：

=50

“=I_EX50=83.3(V)

t50-20

oOfilf

输出电流平均值为：

■例5-1在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知E=200",R=10OrL

度极大，蜃京30V，T=50us,3=202,计算输出电压平均值U。，

解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为

输出电流平均值为

R10

■例5-2在图5-la所示的降压斩波电路巾，E=100V,L=lmH,R=0.5Q,

Em=10Vt采用脉宽调制控制方式，T=20译,当*=5*时，计算输出电压平均

值再，输出电流平均值70,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。

解：由题目已知条件可得：

洲=员=2£=0.1

E100

」=幽=0.002

R0.5

当G=5小时，有

T

p=_=0.01

%=0.0025

由于

产一125T

=0249>?n

/_]一*T

所以输出电流连续。

电流断续的条件为

T^L/RP=TI「

ep-1m=E」Et/r=f--=ap

mx⑺⑺

♦电流连续时

(f,/r

e1-1EEr_(e^-l)E

Ao=

RR-1…JR

rl-«

T-产_EnE

220

R、jR

此时输出平均电压为

u=&E=100X5=25(r)

eT20

输出平均电流为

1_q-4_25-10

=30(4)

R0.5

输出电流的最大和最小值瞬时值分别为

(l-e^、EG1—e^-0.0025H00

max------r-m元—ooi-0.1—=30.19U)

\1e7l1-e

产-i0.0025_]

29.81(2)

minep^F

■例5-3在图5-2a所示的升压斩波电路中，已知E=50V,L

值和C值极大，R=20a采用脉宽调制控制方式，当

T=40否，%=256时，计算输出电压平均值U。，输出电

流平均值如

解：输出电压平均值为：

T40

U=—£=----x50=133.3())

o“40-25

输出电流平均值为：

,133.3

=6.667(⑷

0--20

■为什么升压斩波电路能使输出电压高于电

源电压？

■答：升压斩波电路之所以能使输出电压高

于电源电压，关键有两个原因：一是L储

能之后具有使电压泵升的作用，二是电容

C可将输出电压保持住。

■交流调压电路与交流调功电路在控制上有

何区别？各运用于什么样的负载？

■交流调压电路与交流调功电路的电路形式

完全相同，只是控制方式不同。

♦交流调压电路在每个交流电源半周期都对输出

电压波形进行控制

♦交流调功电路将负载与交流电源接通几个整周

波，再断开几个整周波，通过改变接通用波数

与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均

功率。

■适用场合：

，交流调压电路广泛用于灯光控制(如调光台灯

和舞台灯光控制)及异步电动机的软起动，也

用于异步电动机调速。在供用电系统中，这种

电路还常用于对无功功率的连续调节。止匕外，

在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，

也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。

♦交流调功电路电路常用于电炉的温度控制。

■简述电压型逆变电路的主要特点。

■答：电压型逆变电路特点为：

♦1）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压

源。直流例电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。

，2）由于直流电压源的钳位作用，交流例输出电压波

形为矩形波.并且与负兹阻抗角无关。而交流例输出

电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。

*3）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。

■简述电流型逆变电路的主要特点。

■答：电流型逆变电路特点为：

*1）直流例串联有大电感，相当于电流源。直流例电

流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。

♦2）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。

，3）当交流例为阻感负载时需要提供无功功率.直流

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，因此不必象电压型逆变电路那样

要给开关器件反并联二极管。

■额定电流为10A的晶闸管能否承受长期通过

15A的直流负载电流而不过热？为什么？

答：

■（1）额定电流为10A的晶闸管能够承受长期通

过15A的直流负载电流而不过热。

■（2）因为晶闸管的额定电流是定义的：在环境

温度为40c和规定的冷却状态下，稳定结温不超

过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电

流的平均值。这就意味着晶闸管可以通过任意波

形、有效值为1.57的电流，其发热温升正好是

允许值，而恒定直流电的平均值与有效值相等，

故额定电流为10A的晶闸管通过157A耐直流负

载电流，其发热温升正好是允许值。

■单相全波与单相全控桥的区别？

答：

♦(1)单相全波中变压器结构较复杂，材料的

消耗多。

，(2)单相全波只用2个晶闸管，比单相全控

桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；

♦(3)单相全波中晶闸管承受的最大电压是单

相全控桥的2倍。

，(4)单相全波导电回路只含1个晶闸管，比

单相桥少1个，因而管压降也少1个。

■图1所示的单相桥式整流电路中，二22〃、

触发角Q=30°，负载为阻感负载，电感L的

值极大,R=5。。

・1、计算输出电压〃八输出电流id的平均

值及功率因数；

■2、计算晶闸管的电流有效值。

1.

Ud=09。2-coscr=0.9x220xcos30P=171.47(7)

R5

U-IU171.47

Z=---d----d-=——d=--------=O./o

U2-I2U2220

2.

1d

=双=24.25(%)

■请推导图2所示升压斩波电路的输出电压

和输入电压的关系，当输入电压为12V,

占空比为0.8时，输出电压为多少？

■答：设V通态的时间为公，此阶段£上积蓄

的能量为EIxton

■设V断态的时间为心尸则此期间电感£释放

能量为(4-切/心

■稳态时，一个周期7中上积蓄能量与释放能

量相等：=(。。一石)//0

■化简得：=J=

*offoff

12

U==60V

n01-0.8

电路与波形如图所示。

(1)若在tl时刻合上K,在t2时刻断开K,画出负载电阻R

上的电压波形；

(2)若在口时刻合上K,在t3时刻断开K,画出负载电阻R

上的电压波形。

(a)电路图(b)输入电压匕的波