1、电力电子技术第五版课后习题答案第二章 电力电子器件2-1 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其具有耐受高压和大电流的能力？答：1.电力二极管大都采用垂直导电结构，使得硅片中通过电流的有效面积增大，显著提高了二极管的通流能力。 2.电力二极管在 P 区和 N 区之间多了一层低掺杂 N 区，也称漂移区。低掺杂 N 区由于掺杂浓度低而接近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导体，由于掺杂浓度低，低掺杂 N 区就可以承受很高的电压而不被击穿。 2-2. 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：uAK0 且
2、 uGK0。 2-3. 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。2-4 图 2-27 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平均值 Id1、Id2、Id3 与电流有效值 I1、I2、I30 02 22 44 254a) b) c)图 1-430图 2-27 晶闸管导电波形解：a) Id
3、1= = ( ) 0.2717 Im214)(sintdIm2mI1I1= = 0.4767 Im42i(t4b) Id2 = = ( ) 0.5434 Im 4)(sintdIm mI12I2 = = 0.6741I42)i(1t43c) Id3= = Im120)(tdIm1I3 = = Imt2-5 上题中如果不考虑安全裕量,问 100A 的晶闸管能送出的平均电流 Id1、I d2、I d3 各为多少？这时，相应的电流最大值 Im1、I m2、I m3 各为多少?解：额定电流 I T(AV) =100A 的晶闸管，允许的电流有效值 I =157A，由上题计算结果知a) Im1 329.3
4、5， Id1 0.2717 Im1 89.48476.0Ib) Im2 232.90, Id2 0.5434 Im2 126.561c) Im3=2 I = 314, Id3= Im3=78.5412-6 GTO 和普通晶闸管同为 PNPN 结构,为什么 GTO 能够自关断 ,而普通晶闸管不 能?答：GTO 和普通晶阐管同为 PNPN 结构，由 P1N1P2 和 N1P2N2 构成两个晶体管 V1、V2，分别具有共基极电流增益 a1 和 a2，由普通晶阐管的分析可得,a1+a2=1 是器件临界导通的条件。a1+a21 两个等效晶体管过饱和而导通；a1+a2 /2，使 Ud 为负值。27三相全控
5、桥变流器，反电动势阻感负载，R=1 ，L= ，U 2=220V，L B=1mH，当EM=-400V， =60时求 Ud、I d 与 的值，此时送回电网的有功功率是多少？解：由题意可列出如下 3 个等式：Ud2.34U 2cos( )U dU d3X BIdId（U dE M）R三式联立求解，得 Ud2.34U 2R cos( )3 XBEM(R3 XB)290.3 （V ）Id109.7（A）由下式可计算换流重叠角： 2X BId U20.1279cos6 0.6279)10( 128.901208.90送回电网的有功功率为P= =400109.7-109.721=31.85(W)RIEdM2
6、|28单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1 ，L=，U 2=100V，L=0.5mH，当 EM=-99V， =60时求 Ud、I d 和 的值。解：由题意可列出如下 3 个等式： Ud0.9U 2cos(-)U dU d2X BIdId（U dE M）R三式联立求解，得 UdR 0.9U2cos(-) 2X BEM（R2X B）49.91 （V ）Id49.09（A）又 U 2=0.2181cos(dI即得出 =-0.7181)10换流重叠角 135.9 120=15.929什么是逆变失败？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
7、器的输出平均电压和直流电动势变为顺向串联，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 等。30单相桥式全控整流电路、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：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，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是 0 90。三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 0 120，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是 0
8、90。第四章 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，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
9、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。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
10、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？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？答：在电压型逆变电路中，当交流侧为阻感负载
11、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。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。5. 三相桥式电压型逆变电路，180导电方式，U d=100V。试求输出相电压的基波幅值UUN1m 和有效值 UUN1、输出线电压的基波幅值 UUV1m 和有效值 UUV1、
12、输出线电压中 5 次谐波的有效值 UUV5。 解：输出相电压的基波幅值为 =63.7(V)ddUN1m637.02输出相电压基波有效值为： =45(V)145.输出线电压的基波幅值为 =110(V)ddUV1m.2U输出线电压基波的有效值为 =78(V)d178.06输出线电压中五次谐波 的表达式为：UV5utu5sin32UV5其有效值为： =15.59(V)23dUV56并联谐振式逆变电路利用负载电压进行换相，为保证换相应满足什么条件？答：假设在 t 时刻触发 VT2、VT 3 使其导通，负载电压 uo 就通过 VT2、VT 3 施加在 VT1、VT 4上，使其承受反向电压关断，电流从 V
13、T1、VT 4 向 VT2、VT 3 转移，触发 VT2、VT 3 时刻 t 必须在 uo 过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。7串联二极管式电流型逆变电路中，二极管的作用是什么？试分析换流过程。答：二极管的主要作用，一是为换流电容器充电提供通道，并使换流电容的电压能够得以保持，为晶闸管换流做好准备；二是使换流电容的电压能够施加到换流过程中刚刚关断的晶闸管上，使晶闸管在关断之后能够承受一定时间的反向电压，确保晶闸管可靠关断，从而确保晶闸管换流成功。以 VT1 和 VT3 之间的换流为例，串联二极管式电流型逆变电路的换流过程可简述如下：给 VT3 施加触发脉冲，由于换流电容 C13 电压
14、的作用，使 VT3 导通，而 VT1 被施以反向电压而关断。直流电流 Id 从 VT1 换到 VT3 上，C 13 通过 VD1、U 相负载、W 相负载、VD2、VT 2、直流电源和 VT3 放电，如图 5-16b 所示。因放电电流恒为 Id，故称恒流放电阶段。在 C13 电压 uC13 下降到零之前，VT 1 一直承受反压，只要反压时间大于晶闸管关断时间 tq，就能保证可靠关断。uC13 降到零之后在 U 相负载电感的作用下，开始对 C13 反向充电。如忽略负载中电阻的压降，则在 uC13=0 时刻后，二极管 VD3 受到正向偏置而导通，开始流过电流，两个二极管同时导通，进入二极管换流阶段，
15、如图 5-16c 所示。随着 C13 充电电压不断增高，充电电流逐渐减小，到某一时刻充电电流减到零，VD 1 承受反压而关断，二极管换流阶段结束。之后，进入 VT2、VT 3 稳定导通阶段，电流路径如图 5-16d 所示。8.逆变电路多重化的目的是什么? 如何实现?串联多重和并联多重逆变电路各用于什么场合 ?答：逆变电路多重化的目的之一是使总体上装置的功率等级提高，二是可以改善输出电压的波形。因为无论是电压型逆变电路输出的矩形电压波，还是电流型逆变电路输出的矩形电流波，都含有较多谐波，对负载有不利影响，采用多重逆变电路，可以把几个矩形波组合起来获得接近正弦波的波形。逆变电路多重化就是把若干个逆
16、变电路的输出按一定的相位差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。组合方式有串联多重和并联多重两种方式。串联多重是把几个逆变电路的输出串联起来，并联多重是把几个逆变电路的输出并联起来。串联多重逆变电路多用于电压型逆变电路的多重化。并联多重逆变电路多用于电流型逆变电路得多重化。第五章 直流- 直流交流电路1简述图 5-1a 所示的降压斩波电路工作原理。答：降压斩波器的原理是：在一个控制周期中，让 V 导通一段时间 ton，由电源 E 向L、R、M 供电，在此期间， uoE。然后使 V 关断一段时间 toff，此时电感 L 通过二极管 VD向 R 和 M 供
17、电，u o0。一个周期内的平均电压 Uo 。输出电压小于电源电Etofn压，起到降压的作用。第六章 交流 交流变流电路1. 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 =0 时输出功率为最大值，试求功率为最大输出功率的 80%，50% 时的开通角 。解：=0 时的输出电压最大，为 1021omax)sin(UtdU此时负载电流最大，为 RI1oax因此最大输出功率为 IP2maxom输出功率为最大输出功率的 80%时，有： RUP21maxo)8.0(8.0此时， 1oU又由 2sin解得 =60.54 同理，输出功率为最大输出功率的 50%时，有： 1o5.0U又由 2si
18、n1oU=902一单相交流调压器，电源为工频 220V，阻感串联作为负载，其中R=0.5 ，L=2mH 。试求：开通角 的变化范围；负载电流的最大有效值；最大输出功率及此时电源侧的功率因数；当 = 时，晶闸管电流有效值，晶闸管导通角和电2源侧功率因数。解：负载阻抗角为：=arctan（ ）=arctan （ ）=0.89864=51.49RL5.0123开通角 的变化范围为： 即 0.89864 当 = 时，输出电压最大，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为Pomax= =37.532(KW)RLRI222maxo)(0功率因数为 67.98.735o1IU实际上，此时的功率因数也就是负载阻
19、抗角的余弦，即 cos0.6227 = 时，先计算晶闸管的导通角，由式（4-7）得 sin( +-0.89864)2 2=sin( 0.89864) tan-e解上式可得晶闸管导通角为：=2.375=136.1也可由图 4-3 估计出 的值。此时，晶闸管电流有效值为 cos)2(in21VT ZUI= =123.2(A)803.28964.0s375.c(375.sin. 电源侧功率因数为 o12IR其中： =174.2(A)于是可得出VToI 395.02174.o12IU3交流调压电路和交流调功电路有什么区别？二者各运用于什么样的负载？为什么？答：交流调压电路和交流调功电路的电路形式完全相
20、同，二者的区别在于控制方式不同。交流调压电路是在交流电源的每个周期对输出电压波形进行控制。而交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周波，再断开几个周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。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，还常用于对无功功率的连续调节。此外，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。如采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联；同样，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联。这都是十分不合理的。采用交流调压电
21、路在变压器一次侧调压，其电压电流值都不太大也不太小，在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。交流调功电路常用于电炉温度这样时间常数很大的控制对象。由于控制对象的时间常数大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁控制。4交交变频电路的最高输出频率是多少？制约输出频率提高的因素是什么？答：一般来讲，构成交交变频电路的两组变流电路的脉波数越多，最高输出频率就越高。当交交变频电路中采用常用的 6 脉波三相桥式整流电路时，最高输出频率不应高于电网频率的 1/31/2。当电网频率为 50Hz 时，交交变频电路输出的上限频率为 20Hz 左右。当输出频率增高时，输出电压
22、一周期所包含的电网电压段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变和由此引起的电流波形畸变以及电动机的转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。5交交变频电路的主要特点和不足是什么？其主要用途是什么？答：交交变频电路的主要特点是：只用一次变流，效率较高；可方便实现四象限工作；低频输出时的特性接近正弦波。交交变频电路的主要不足是：接线复杂，如采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用 36 只晶闸管；受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；输出功率因数较低；输入电流谐波含量大，频谱复杂。主要用途：500 千瓦或 1000 千瓦以下的大功率、低转速的交流调速电路，如轧机主传动装置、鼓风机、球磨机等场合。
23、6 .三相交交变频电路有那两种接线方式？它们有什么区别？答：三相交交变频电路有公共交流母线进线方式和输出星形联结方式两种接线方式。两种方式的主要区别在于：公共交流母线进线方式中，因为电源进线端公用，所以三组单相交交变频电路输出端必须隔离。为此，交流电动机三个绕组必须拆开，共引出六根线。而在输出星形联结方式中，因为电动机中性点不和变频器中性点接在一起，电动机只引三根线即可，但是因其三组单相交交变频器的输出联在一起，其电源进线必须隔离，因此三组单相交交变频器要分别用三个变压器供电。7. 在三相交交变频电路中，采用梯形波输出控制的好处是什么？为什么？答：在三相交交变频电路中采用梯形波控制的好处是可以
24、改善输入功率因数。因为梯形波的主要谐波成分是三次谐波，在线电压中，三次谐波相互抵消，结果线电压仍为正弦波。在这种控制方式中，因为桥式电路能够较长时间工作在高输出电压区域（对应梯形波的平顶区） ， 角较小，因此输入功率因数可提高 15%左右。8试述矩阵式变频电路的基本原理和优缺点。为什么说这种电路有较好的发展前景？答：矩阵式变频电路的基本原理是：对输入的单相或三相交流电压进行斩波控制，使输出成为正弦交流输出。矩阵式变频电路的主要优点是：输出电压为正弦波；输出频率不受电网频率的限制；输入电流也可控制为正弦波且和电压同相；功率因数为 1，也可控制为需要的功率因数；能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行；不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。矩阵式交交变频电路的主要缺点是：所用的开关器件为 18 个，电路结构较复杂，成本较高，控制方法还不算成熟；输出输入最大电压比只有 0.866，用于交流电机调速时输出电压偏低。因为矩阵式变频电路有十分良好的电气性能，使输出电压和输入电流均为正弦波，输入功率因数为 1，且能量双向流动，可实现四象限运行；其次，和目前广泛应用的交直交变频电路相比，虽然多用了 6 个开关器件，却省去直流侧大电容，使体积减少，且容易实现集成化和功率模块化。随着当前器件制造技术的飞速进步和计算机技术的日新月异，矩阵式变频电路将有很好的发展前景。
