电力电子试题

一、 填空题1电力二极管的主要类型有普通二极管，（快恢复二极管）和（肖特基二极管）。8、晶闸管是一种既具有（开关作用），又具有（整流作用）的大功率半导体器件。9、晶闸管有三个电极，分别是（阳极），（阴极）和门极或栅极。10、晶闸管有三个电极，分别是阳极，（阴极）和（门极或栅极）。11、晶闸管的正向特性又有（阻断状态）和（导通状态）之分。12、半控型电力电子器件控制极只能控制器件的（导通），而不能控制器件的（关断）。13、电流的波形系数Kf指（电流有效值）和（电流平均值）比值。14、电力晶体管是一种（耐高压）、（大电流）的双极型晶体管。15、电力晶体管的安全工作区分为（正偏安全工作区）和（反偏安全工作区）。16、双向晶闸管有两个（主）电极和一个（门）极。17、双向晶闸管有（1+触发方式），（I-触发），III+触发和III-触发。18、IGBT的保护有（过电流保护），过电压保护和（过热保护）。19、降压变换电路的输出电压与输入电压的关系为（Uo=DUd），升压变换电路的输出电压与输入电压的关系为（Uo=Ud/（1-D））。20、全控型电力电子器件控制极既能控制器件的（导通），也不能控制器件的（关断）。21、电力器件的换流方式有（器件换流），（电网换流），负载换流和脉冲换流。22、负载换流式逆变电路分为（并联谐振式），（串联谐振式）。23、按照稳压控制方式，直流变换电路可分为（脉冲宽度调制）和（脉冲频率调制）。24、在脉冲频率调制工作方式下，维持（ton不变），改变（Ts）。二、 在脉冲宽度调制工作方式下，维持（Ts不变），改变（ton）。26、降压直流变换电路输出电压为（Uo=DUd），输出电流为（Io=Id/D）。27、GTO在门极（正脉冲电流触发下）导通，在门极（负脉冲电流触发下）关断。28、晶闸管交流测过电压分为（交流侧操作过电压）和（交流测浪涌过电压）。29、在单相半波整流电路中，晶闸管所承受的最大电压为（Utm=21/2U2），其最大输出电压为（Ud=0.45U2）。30、单相半波可控整流电路当控制角越大，波形系数（越大），输出电压平均值（越小）。31、在单相全波整流电路中，晶闸管所承受的最大电压为（Utm=221/2U2），其最大输出电压为（Ud=0.9U2）。32、单相半波带大电感负载加续流二极管的可控整流电路中，流过晶闸管的电流平均值为（Id=（门一a）Id/2n），有效值为（IT=Id【（n—a）/2n】1/2）。33、单相半波带大电感负载加续流二极管的可控整流电路中，流过续流二极管的电流平均值为（I=（n+a）I/2n），有效值为（I=I【（n+a）/2n】1/2）。d d Td三、 单相桥式大电感负载的可控整流电路，流过每一个晶闸管的电流平均值为（I=I/2），有效值为（I=I/21/2） 35单相全控桥整流电路电阻性负载整流输出dTd， Td 。 、电压平均值为（Ud=0.9U2（1+cosa）/2），而带大电感性负载时输出电压平均值为（Ud=0.9U2cosa）。36单相半控桥带大电感负载接续流二极管时，流过晶闸管的、电流平均值为（IdT=（门—a）Id/2n），有效值为（IT=Id【（n—a）/2n】1/2）。四、 三相全控桥整流电路带大电感负载时，输出电压平均值为（2.34U2cosa），晶闸管承受的最大电压为（61/2U2）。38、单结晶体管从截止区转变为负阻区的转折点为（峰点），该点的电压为（Up=nubb+UD）。五、 在升降压变换电路中，当0.5<D<1时为（降压）变换电路，当0<D<0.5时为（升

压）变换电路。40、库克变换电路的输出电压为（Uo=-DUd/（1-D）），输出电流为（Io=-（1-D）Id/D）。41、根据输入直流电源特点，逆变电路分为（电压型）和（电流型）逆变电路。42、根据换流方式，逆变电路分为负载换流型、（脉冲换流型）和（自换流型）逆变电路。43、常用的均流措施有（电阻均流）和（电抗均流）两种。44、单结晶体管的负阻特性是指（峰点）和（谷点）之间的特性。45、PWM逆变电路有（异步调制）和（同步调制）两种控制方式。46、有源逆变主要用于（直流电机的可逆调速）、（绕线型异步电动机的串级调速）和高压直流输电以及太阳能发电等。三、名词解释（每题4分，共12分）晶闸管的额定电压：门极断开（Ig=0），元件处在额定结温时，正向阳极电压为正向阻断不重复峰值电压UDSM（此电压不可连续加压）的80%所对应的电压称为正向重复峰值电压UDRM（此电压可重复施加，其重复频率为50Hz，每次持续时间不大于10ms）。元件承受反向电压时，阳极电压为反向不重复峰值电压URSM的80%所对应的电压，称为反向重复峰值电压URRM。晶闸管铭牌标注的额定电压，通常取与中的最小值，然后取标准系列。晶闸管的额定电流：在环境温度为400和规定的冷却条件下，晶闸管在电阻性负载导通角不小于1700的单相工频正弦半波电路中，当结温稳定且不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流，称为额定通态平均电流，用IT（AV；）表示，将此电流按表1.2.4（见后）所示的晶闸管标准电流系列取相应的电流等级，称为元件的额定电流。3、动态平均电压（管压降）：在规定的环境温度、标准散热条件下，当元件流过正弦半波的额定电流平均值和处于稳定结温时，元件阳极与阴极之间电压降的平均值称为通态平均电压。4、维持电流：在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳极电流为维持电流。5、掣住电流：在晶闸管加上触发电压，当元件从阻断状态刚好转为导通状态就去除触发电压，此时要保持元件导通所需要的最小阳极电流称为掣住电流。6、晶闸管断态电压临界上升率：晶闸管的结在阻断状态下相当于一个电容，若突加一正向阳极电压，便会有一个充电电流流过结面，该充电电流经靠近阴极的PN结时，产生相当于触发电流的作用，如果这个电流过大，将会使元件误触发导通，因此对晶闸管必须规定允许的最大断态电压上升率。我们把在规定条件下，晶闸管直接从断态转换到通态的最大阳极电压上升率称为断态电压临界上升率。7、GTR的二次击穿：处于工作状态的GTR，当其集电极反偏电压UCE逐渐增大到最大电压定额buceo时，集电极电流急剧增大（雪崩击穿），但此时集电结的电压基本保持不变，这叫做一次击穿。发生一次击穿时，如果有外接电阻限制电流Ic的增大，一般不会引起GTR的特性变坏。如果继续增大UCE，又不限制Ic的增长，当Ic上升到A点（临界值）时，UCE突然下降，而Ic继续增大（负阻效应），这个现象称为二次击穿。8、GTR安全工作区：是指在输出特性曲线上GTR能够安全运行的电流电压的极限范围。9、换相重叠角：在以前分析和计算可控整流电流时，都认为晶闸管为理想开关，实际上整流变压器有漏抗，晶闸管之间的换流不能瞬时完成，会出现参与换流的两个晶闸管同时导通的现象，同时导通的时间对应的电角度称为换相重叠角。10、晶闸管的伏安特性：晶闸管阳极与阴极之间的电压Ua与阳极电流L的关系曲线。11、换相过电压：是指晶闸管与全控型器件反向并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减少，会由线路电感在器件两端感应出过电压。12、关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。13、控制角：在单相相控整流电路中，定义晶闸管从承受正向电压起到触发导通之间的电角度称为控制角或触发角。14、导通角：晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角。15、自然换相（流）点：是三相电路中各相晶闸管能被正常触发导通的最早时刻，在该点以前，对应的晶闸管因承受反压而不能触发导通，称为自然换流点。四、简答题（每题5分，共15分）简述GTR基极驱动电路的功能：答：（1）提供合适的正反向基流以保证GTR可靠导通与关断。（2）实现主电路与控制电路的隔离。（3）自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切断驱动信号，避免损坏GTR°（4）电路尽可能简单，工作稳定可靠、抗干扰能力强。简述IGBT的性能与参数特点：答：（1）IGBT的开关特性好，开关速度快，其开关时间是同容量GTR的1/100（2）IGBT的通态压降低。（3）IGBT的集电极电流最大值ICM。（4）IGBT的安全工作区比GTR宽，且具有耐脉冲电流冲击的能力。（5）IGBT的输入阻抗高，可达109-1011数量级，呈纯电容性，驱动功率小。（6）与VDMOS和GTR相比，IGBT的耐压可以做的更高，最大允许电压可达4500V以上。IGBT的最高允许结温TjM为1500oVDMOS的通态压降随结温升高而显著增加，而IGBT的通压降在室温和最高结温之间变化很小，具有良好的温度特性。3、简述晶闸管整流电路对触发脉冲的要求：答：（1）触发信号可为直流、交流或脉冲电压。（2）触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。（3）触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流迅速上升到掣住电流而维持导通。（4）触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步。4、简述晶闸管有源逆变的条件：答：（1）有直流电动势源，极性与晶闸管的导通方向一致，且数值稍大于变流器直流侧的平均电压。（2）变流器工作在a>900范围。（3）直流侧串接大电感。5、简述无源逆变电路的分类：答：（1）根据输入直流电源特点分：电压型；电流型。（2）根据电路的结构特点分：半桥式；全桥式；推挽式。（3）根据换流方式分：负载换流型；脉冲换流型；自换流型。（4）根据负载特点分：非谐振式；谐振式。6、简述逆导晶闸管在使用时应注意的问题。答：（1）逆导晶闸管的反相击穿电压很低，只能适用于反向不需承受电压的场合。（2）逆导晶闸管存在着晶闸管区和整流区之间的隔离区。（3）逆导晶闸管的额定电流分别以晶闸管和整流管的额定电流表示。7、可关断晶闸管在使用时应注意的问题。答：（1）用门极正脉冲可使GTO导通，门极负脉冲可使GTO关断，但要使GTO关断的门极反向电流比较大，约为阳极电流的1/3—1/5。需要采用专门的触发驱动电路。（2）GTO的通态管压降比较大，一般为2--3V。（3）GTO有能承受反压和不能承受分压两种类型，使用时要注意不要搞错。8、简述在直流变换电路中引入隔离变换器的作用。答：可以使变换器的输入电源。10、简述最小逆变角的选取要考虑的因素。答：（1）换相重叠角（2）晶闸管关断时间对应的电角度，（3）安全裕量角。11、 简述交一交变频的优缺点。答：优点：（1）只有一次变流，且使用电网换相，提高了变流效率。（2）可以很方便的实现四象限工作。（3）低频时输出波形接近正弦波缺点：（1）接线复杂，使用的晶闸管数目多。（2）受电网频率和交流电路各脉冲数的限制，输出频率低。（3）采用相控方式，功率因数较低。12、 简述变频器的作用：答：（1）标准50Hz电源，用于人造卫星，大型计算机等特殊要求的电源设备，对其频率，电压波形与幅值及电网干扰等参数有很高的精度要求。（2）不间断电源（UPS），平时电网对蓄电池充电，当电网发生故障停电时将蓄电池的直流电逆变成50Hz的交流电，对设备作临时供电。（3）中频装置，用于金属熔炼，感应加热及机械零件淬火（4）变频调速，用于三相变频器产生频率、电压可调的三相变频电源，对三相感应电动机和同步电动机进行变频调速。13、简述防止误触发常用的措施。答：（1）脉冲变压器初、次级间加静电隔离。（2）应尽量避免电感元件靠近控制电路。（3）控制极回路导线采用金属屏蔽线，且金属屏蔽应接地。（4）选用触发电流较大的晶闸管。（5）在控制极和阴极间并接一个0.01-0.1F电容器，可以有效的吸收高频干扰。（6）在控制极和阴极间加反偏电压。14、简述逆变失败的原因。答：（一）交流电源方面的原因：（1）电源缺相或一相熔丝熔断。（2）电源突然断电。（3）晶闸管快熔烧断。（4）电压不稳，波动很大。（二）触发电路的原因：（1）触发脉冲丢失。（2）触发脉冲分布不均匀。（3）逆变角太小。（三）晶闸管本身的原因。15、简述PWM逆变电路的异步调制控制方式的特点。答：在三相逆变电路中当载波比N不是3的整数倍时，载波与调制信号就存在不同步的调制称为异步三相PWM波形，在调制中通常fc固定不变，逆变输出电压频率的调节是通过改变fr的大小来实现的。特点：（1）控制相对简单。（2）在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周的脉冲不对称，而且半周期前后1/4周期的脉冲也不对称，输出的波形就偏离了正弦波。（3）载波比N越大，半周期内调制的PWM波形脉冲数越多，正负半周不对称和半周内前后1/4周期脉冲不对称的影响就越小，输出波形愈接近正弦波。16、简述''分段同步调制〃的方法。答：即（1）在输出为高频率段时，取较小的载波比，这样载波频率不致过高，能在功率开关器件所允许的频率范围。（2）在输出频率为低频率段时，取较大的载波比，这样载波频率不致过低，谐波频率也较高且幅值也小，也易滤除，从而减小了对异步电动机的不利影响。分析说明题（15分）1、试以三相全控桥式反并联电路为例，分析a=（3工作制的主电路的工作原理。答：（1）正转。给I组和II组晶闸管触发信号，aI<900，aII>900，即博］<90。且保证q=嚣，此时第一组工作在整流状态，输出电压为UdI=2.34U2cosaI，电动机电枢得到右正左负的电压后运行，且产生反电动势E。第二组晶闸管由于触发脉冲博］<900，其输出电压为UdII=-2.34U2cospII，和UdI大小相等，极性也为右正左负，由于此时UdII>E，不满足逆变条件，二组晶闸管工作在待逆变状态。（2）调速。当需要速度升高时，使aI减小，辅减小，输出电压增大，电流增大，电磁转矩增大，电动机转速升高，减速时相反。（3）停机。第一组晶闸管的触发脉冲移动到大于900，在移相过程中，电枢电流迅速下降，电感将产生感应电动势，使一组晶闸管继续导通，工作在有源逆变状态，将电感中储存的能量逆变为交流电能回馈电网，称本桥逆变，由于电流下降很快，转速还来不及变化。当电流下降到零时，将第二组晶闸管的触发脉冲移相到博］<900，使的IUdIII<E，二组进入它桥逆变，电枢电流反向，电动机发电制动，机械惯性能量回馈电网。（4）反转。当电动机停机完成后，再继续将二组晶闸管的脉冲由大于900移到小于900区域，一组进入待逆变状态，二组进入整流状态，直流电压极性改变，电动机反转。3、试分析交一交变频工作过程的六个阶段。答：（1）、第一阶段：输出电压过零为正，由于电流滞后，io<0。因为整流器的输出电流具有单向性，负载负向电流必须由反组整流器输出，则此阶段为反组整流器工作，正组整流器被封锁。由于uo为正，则反组整流器必须工作在有源逆变状态。（2）、第二阶段：电流过零。为无环流死区。（3）、第三阶段：io>0，uo>0。电流方向为正，此阶段正组整流器工作，反组整流器被封锁。由于uo为正，则正组整流器必须工作在整流状态。（4）、第四阶段：io>0，uo<0。由于电流方向没有改变，正组整流器工作，反组整流器仍被封锁，由于电压方向为负°，则正组整流器工作在有源逆变状态。（5）、第五阶段：电流为零，为无环流死区。（6）第六阶段：io<0，uo<0。电流方向为负，反组整流器工作，正组整流器被封锁。此阶段反组整流器工作在整流状态。4、 试分析单相PWM逆变电路的工作原理。答：载波信号uc在信号波正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波，调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制逆变器电力晶体管T3、T4的通断。在ur的正半周期，T1保持导通，T4交替通断。当ur>uc时，使T4导通，负载电压uo=Ud；当ur<uc时，使T4关断，由于电感中的电流不能突变，负载电流将通过当D3续流，负载电压uo=0。在u「的负半周期，T2保持导通，T3交替通断。当ur<uc时，使T3导通，负载电压uo=-Ud；当ur>uc时，使T3关断，由于电感中的电流不能突变，负载电流将通过当D4续流，负载电压uo=0。这样就得到uo的SPWM波形，像这样在ur的半个周期内三角波只在一个方向变化，所得到的PWM波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。与单极性PWM控制方式对应，另一种称为双极性PWM控制方式在ur的正负半周内，对各晶体管控制规律相同，同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。当ur>uc时，使T1、T4导通，T2、T3关断，此时uo=Ud；当ur<uc时，使T2、T3导通，T1、T4关断，此时uo=-Ud。5、 试分析说明电力电子电路的驱动、保护与控制包括那些内容。答：（1）电力电子开关管的驱动：驱动器接受控制系统输出的控制信号经过处理后发出驱动信号给开关管，控制开关器件的通、断。（2）过流、过压保护：它包括器件保护和系统保护俩个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。（3）缓冲器:在开通和关断过程中防止开关管过压和过流，减少du/dt、di/dt，减小开关损耗。（4）滤波器：电力电子系统中都必须使用滤波器。在输出直流的电力电子系统中输出滤波器用来滤除输出电压或电流中的交流分量以获得平稳的直流电能；在输出交流的电力电子系统中滤波器滤除无用的谐波以获得期望的交流电能，提高由电源所获得的以及输出至负载的电力质量。（5）散热系统：散热系统的作用是散发开关器件和其它部件的功耗发热，降低开关器件的结温计算题（第一题12分，第二题16分，共28分）1、单相半波可控整流电路，负载电阻Rd=10Q直接接到交流220V电源上，在控制角a=600时，求输出电压平均值Ud、输出电流平均值Id和有效值I，并选择晶闸管元件（考虑两倍的裕量），并画出电压电流波形。解：整流电路输出电压的平均值为：Ud=0.45U2（1+cosa）/2=74.25V整流电路输出电压的有效值为：U=U2[sin2a/4n+（n-a）/2n]1/2=139.5V整流输出电流的平均值为：Id=Ud/Rd=7.425A有效值为：I=U/Rd=13.95A电流的波形系数为：Kf=I/Id=13.95/7.425=1.88晶闸管承受的最大正反向电压为：UTM=21/2U2=21/2x220=311VUdrm=2x311=622V取700V电流的有效值为：ITn=1.57IT（AV）>2IIT（AV）>2I/1.57=2x13.95/1.57=17.3A取20A2、单相桥式整流电路，U2=100V，负载中Rd==4Q,要求Id在0—25A之间变化，求:(1)整流变压器的变比(不考虑裕量)(2)连接导线的截面积(取允许电流密度J=6A/mm2)(3)选择晶闸管型号(4)在不考虑损耗时，选择整流变压器的容量(5)画出输出电压电流波形解：(1)负载上最大输出平均电压为Udm=IdmRd=25x4=100V又因为Ud=0.9U2(1+cosa)/2当a=0时，Ud最大，即Udm=0.9U2,U2=100/0.9=111V所以变压器的变比为K=U1/U2=220/111=2⑵因为a=0时，id的波形系数为Kf=(2n2)1/2/4=1.11所以负载电流有效值为：I=KJd=1.11x25=27.5A所选导线截面积为：S>I/J=27.5/6=4.6mm2，选BU-70铜线。(3)考虑到IT=I/21/2，则晶闸管的额定电流为It(aV)>It/1.57=27.5/21/2x1.57=12.5A,取30A.晶闸管承受最大电压UTm=21/2U2=157V，取400V选晶闸管型号为KP30-4(4)S=U2I2=U2I=111x27.5=3.08KVAm3、单相半波可控整流电路，电阻性负载，要求输出的直流平均电压为50-92V之间连续可调，最大输出直流平均电流为30A，直接由交流电网220V供电，试求：(1)控制角的可调范围；(2)负载电阻的最大有功功率及最大功率因数；(3)选择晶闸管型号；(4)画出输出电压，输出电流及晶闸管承受的电压波形。解：(1)Ud=0.45U2(1+cosa)/2，当Ud=50V时，代入得a=900，当Ud=92V时，得a=300a的可调范围为：30。一900。(2)当a=300时，输出直流电压平均值最大为92V，这时负载消耗的有功功率也最大，而R=92/30，Kf=[sin2a/4n+(n-a)/2n]1/2/0.45(1+cosa)/2=1.66，I=1.66Id=50Acosv=P/S=[sin2a/4n+(n-a)/2n]1/2=0.693，P=I2Rd=7667W(3)因a=300时，流过晶闸管的电流有效值最大为50，IT(AV)=2ITm/1-57=64A取100A。UTm=221/2U2=624V，取700V，即KP100-711、 三相半波可控整流电路，大电感负载，a=600，已知电感内阻R=2Q，电源电压U2=220V，试计算不接续流二极管与接续流二极管两种情况下的平均电压，平均电流，并选择晶闸管的型号。并画出电压电流波形。解：(1)不接续流二极管时，Ud=1.17U2COs600=128.7V，Id=Ud/R=128.7/2=65.35A，I=1/31/2I=37.15AI=(1.5--2)I/1.57=35.5--47.3A，取T d Tn T50AUTn=(2--3)61/2U2=1078--1616V，取1200V，晶闸管为KP50-12。(2)接续流二极管时，Ud=0.675U2[1+cos(300+a)]=148.5VId=Ud/R=148.5/2=74.25A，IT=Id【(1500-600)/3600】1/2=37.13AITn=(1.5--2)IT/1.57=35.5--47.3A，取50AUTn=(2--3)61/2U2=1078--1616V，取1200V晶闸管为KP50-12o n12、 三相半波可控整流电路，含反电动势的大电感负载，a=600，已知电感内阻R=0.2Q，电源电压U2=220V，平均电流Id=40A，试计算不接续流二极管与接续流二极管两种情况下的反电动势E。并画出电压电流波形。解：(1)不接续流二极管时，Ud=1.17U2cosa=128.7V，Id=(Ud-E)/Ra=40A，E=120.7V⑵接续流二极管时，Ud=1.17U为[1+cos(300+a)]/31/2=148.5V，Id=(Ud-E)/Ra，e=140.5V13、三相半波可控整流电路，大电感负载，a=600，已知电感内阻R=4Q，电源电压U2=220V，试计算不接续流二极管与接续流二极管两种情况下的平均电压，平均电流，并选择晶闸管的型号。并画出电压电流波形。解：(1)不接续流二极管时，Ud=L17U2COs60o=128.7V,I=U/R=128.7/4=32.675A，I=1/3i/2l=18.575AI=(1.5--2)I/1.57=17.75--23.