电力电子变流技术课后答案第2章.pdf

电力电子变流技术课后答案 第二章 2-1 第二章 单相可控整流电路 习题与思考题解 2-1什么是整流？它是利用半导体二极管和晶闸管的哪些特性来实现的？解：整流电路是一种 ACDC 变换电路，即将交流电能变换为直流电能的电路，它是利用半导体二极管的单向导电性和晶闸管是半控型器件的特性来实现的。2-2某一电热装置（电阻性负载），要求直流平均电压为 75V，电流为 20A，采用单相半波可控整流电路直接从 220V交流电网供电。计算晶闸管的控制角、导通角、负载电流有效值，并选择晶闸管。解：(1)整流输出平均电压 d=22).(.sin221ttdU=).(.sin2212ttdU =2cos145.02cos1222 UU cos=5152.0122045.0752145.022UUd 则 控制角60 导通角=-=120 (2).负载电流平均值 Id=RUd=20(A)则 RUdId7520=3.75 负载电流有效值 I，即为晶闸管电流有效值 IV1，所以 I=IV1=tdtRU22sin221=22sin412RU37.6(A)(3).当不考虑安全裕量时 IV1=kfeIVEAR=1.57IVEAR 则晶闸管通态平均电流 IVEAR=IV1/1.57=37.4/1.57=23.9(A)晶闸管可能承受的最大正反向电压为 311220222U(V)所以，可选择额定通态平均电流为 30A、额定电压为 400V的晶闸管。按裕量系数 2，可选择额定通态平均电流为 50A、额定电压为 700V的晶闸管。电力电子变流技术课后答案 第二章 2-2 2-3带有续流二极管的单相半波可控整流电路，大电感负载保证电流连续。试证明输出整流电压平均值2cos122UUd，并画出控制角为时的输出整流电压ud、晶闸管承受电压uV1的波形。解：d=22).(.sin221ttdU=).(.sin2212ttdU =2cos145.02cos1222 UU 控制角为时的输出整流电压ud、晶闸管承受电压uV1的波形参阅教材 P31 中的图 2-3（b）、(c)、(d)和(h)。2-4将单相半波可控整流电路中电阻负载和电感性负载的工作原理作个比较，找出差别，并画出电阻负载输出电压 ud、电流 id和晶闸管电压 uV1波形；写出 Ud、Id计算公式。解：电阻性负载电路 输出电流 id 与输出电压 ud相位相同，波形相似。晶闸管导通区间从至，导通角。ud波形从至变压器二次电压正变负的过零点。电感性负载电路 由于电感的储能作用，输出电流 id 与输出电压 ud相位不相同，电流 id滞后于电压 ud。而且，电流 id不能随电压 ud突变。晶闸管导通区间从开始并超过过零点，导通角。ud波形从开始至变压器二次电压正变负的过零点后，进入负半周。导通角的大小，与负载电感值L有关，L越大，储能越多，亦越大，ud波形进入变压器二次电压负半周的部分亦越多，输出电压的平均值Ud亦下降的越多。当负载为大电感负载时，Ud近似等于零，此时输出平均电流Id亦很小。电阻负载输出电压 ud、电流 id和晶闸管电压 uV1波形参阅教材 27 中的图 2-1。电阻负载 Ud、Id计算公式如下：(1)整流输出平均电压 d=22).(.sin221ttdU=).(.sin2212ttdU =2cos145.02cos1222 UU (2).负载电流平均值 电力电子变流技术课后答案 第二章 2-3 Id=RUd 2-5单相半波大电感负载可控整流电路中，带续流二极管和不带续流二管在输出电压ud和电流 id、晶闸管电压 uV1和电流 iV1、续流二极管电压 uV2和电流 iV2波形上有何区别。写出带续流二极管时 ud、id、iV1、iV2的平均值和有效值计算公式。解：不带续流二管时，当负载为大电感负载时，输出电压 ud波形与横坐标所围的正负面积相等，Ud近似等于零，此时输出平均电流 Id亦很小。输出电压 ud和电流 id、晶闸管电压uV1和电流 iV1的波形参阅教材 P30中的图 2-2。其中，iV1的波形与 id的波形相同。带续流二极管时，由于续流二极管的作用，晶闸管从开始导通，至变压器二次电压正变负的过零点时，由于电感应电动势的作用使续流二级管导通，晶闸管被迫关断，所以，晶闸管导通区间从至，导通角。由于负载为大电感负载，所以负载电流 id脉动很小，近似为一平行横坐标的直线，晶闸管电流 iV1、续流二极管电流 iV2近似为正向矩形波，导通角分别为和。输出电压 ud和电流 id、晶闸管电压 uV1和电流 iV1、续流二极管电压 uV2和电流 iV2波形参阅教材 P31 中的图 2-3。带续流二极管时 ud、id、iV1、iV2的平均值和有效值计算公式如下：（）输出电压的平均值 Ud为 Ud=0.45U22cos1 （）输出电压的有效值值 U 为 U=tdtU22sin221=22sin412U （）输出电流的平均值 Id为 RUIdd （）输出电流的有效值值 I 为 I RUIdd （）晶闸管的平均电流 IV1AR为 IV1AR=ddItdI2.21 （）晶闸管电流的有效值 IV1为 电力电子变流技术课后答案 第二章 2-4 IV1=ddItdI.2)(212 （）续流二极管的平均电流 IV2AR为 IV2AR=0.2.21ddItdI （）续流二极管电流的有效值 IV2为 IV2=ddItdI.2.2102 2-6有一单相桥式全控整流电路，负载为电阻性，要求=30时，Ud=80V，Id=7A。计算整流变压器的副边电流I2，按照上述工作条件选择晶闸管。解：Id=UdR，则 R=UdId=8070=1.14 Ud=0.9U2(1+cos)2 则 U2=95V tdtRUI2222sin2222sin212RU 82.12(A)58221IIV(A)IVEAR=IV1kfe=581.5737(A)考虑裕量系数 2，3774(A)7.2689522222U(V)选额定电流 100A、额定电压 300V 的晶闸管。2-7单相全控桥式整流电路接大电感负载，已知 U2=100V，R=10，=45。（1）负载端不接续流二极管 V4，计算输出整流电压、电流平均值及晶闸管电流有效值。（2）负载端接续流二极管 V4，计算输出整流电压、电流平均值及晶闸管、续流二级管电流有效值。画出 ud、id、iV11、iV4及变压器次级电流 i2的波形。解：（1）负载端不接续流二极管 V4时 输出电压平均值为 电力电子变流技术课后答案 第二章 2-5 0222cos9.0cos22.sin222UUtdtUUd 0.91000.70763.7(V)输出直流电流平均值为 37.6RUIdd(A)晶闸管电流的有效值为 tdIIdV.2121=dI214.5(A)(2）负载端接续流二极管 V4 时 输出电压平均值 8.76854.01009.02cos19.0.sin22222UttdUUd(V)输出直流电流平均值为 68.7RUIdd(A)晶闸管与整流二极管电流的有效值IV1、IV2为 ddVVItdIII2.21221 70.468.7360135(A)续流二极管电流的有效值IV4为 ddVItdII024.22=84.368.718045(A)变压器二次电流的有效值I2为 dddItdIII.21222 65.670.4221VI(A)接续流二极管时的 ud、id、iV11、iV4及变压器次级电流 i2的波形参阅教材 41中的图 2-8。电力电子变流技术课后答案 第二章 2-6 2-8单相桥式半控整流电路接电阻性负载，要求输出整流电压 0100V 连续可调，30V以上时要求负载电流能达到 20A。当（1）采用 220V交流电网直接供电；2）采用变压器降压供电，最小控制角min=30，试分析比较二种供电方式下晶闸管的导通角和电流有效值、交流侧电流有效值及电源容量。解：（1）采用 220V交流电网直接供电时 2cos19.0ddUU 当输出平均电压d为 100V 时 则 0101.012209.0100219.02cos2UUd 90min 当输出平均电压Ud为 30V 时 则 6970.012209.030219.02cos2UUd 134max 导通角，所以晶闸管导通角9046。要求在此导通角范围之间，均能输出 20A 负载电流，故应在最小即最大max时，计算晶闸管电流有效值和变压器二次电流有效值。Id=20A,则晶闸管平均电流IV1ARId2=10A 当134=134180=0.7444时 波形系数为 22.3)cos1(2)(22sin1fK 晶闸管电流的有效值为 2.321022.3111ARVfVIKI（）交流侧电流的有效值为 5.45212VII（）交流电源容量为 KVAVAUIS01.10100102205.45222 2）采用变压器降压供电时 电力电子变流技术课后答案 第二章 2-7 Ud=0.9 U22cos1 当min=30时，输出电压为 100V，则变压器二次电压为 11930cos19.01002cos19.022dUU(V)当Ud=30V 时的最大控制角max为 4398.011199.030219.02cos2maxUUd max116 晶闸管导通角，则15064 要求在此导通角范围之间，均能输出 20A 负载电流，故应在最小即最大max时，计算晶闸管电流有效值和变压器二次电流有效值。Id=20A,则晶闸管平均电流IV1ARId2=10A 当116=116180=0.6444时 波形系数为 69.2)cos1(2)(22sin1fK 晶闸管电流的有效值 9.261069,2111ARVfVIKI（）变压器二次电流的有效值 0.38212VII（）变压器二次容量 KVAVAUIS52.445221190.38222 可见，在可控整流电路输出较低电压时，采用变压器供电有利于降低所用晶闸管的额定电流和额定电压，以及交流电源的容量。因为采用变压器供电可使可控整流电路在较小控制角和较低的变压器二次电压下运行。2-9单相桥式半控整流电路，由 220V经变压器供电，负载为大电感性并接有续流二极管。要求输出整流电压 2080V连续可调，最大负载电流为 20A，最小控制角min30。试计算晶闸管、整流管、续流二极管的电流平均值、有效值以及变压器容量。解：1、在最小控制角min和最大整流输出电压时，计算变压器二次电压U2 电力电子变流技术课后答案 第二章 2-8 3.9530cos19.0802cos19.022dUU(V)2、在最小整流输出电压时计算出最大控制角max 当Ud=20V 时的最大控制角max为 5336.013.959.020219.02cos2maxUUd 则 max=122 3、在最不利的条件下，计算各器件的电流有效值和变压器二次有效值I2，因为晶闸管、整流管、续流二极管电流有效值涉及管芯的发热和合理选择器件的电流额定容量。变压器二次电流I2涉及变压器容量的选择，这些量的计算必须以电路运行中的最大值为基础，以保证器件和设备的安全运行。晶闸管与整流二极管电流的平均值IV!AR、IV2AR与有效值IV1、IV2 其最大值出现在min=30时,所以 3.820360150221dARVARVIII 9.1220360150221dVVIII 续流二极管电流的平均值IV4AR与有效值IV4 其最大值出现在max=122时，所以 6.13201801224dARVII 5.16201801224dVIIA 变压器二次电流的有效值I2 其最大值出现在min=30时,所以 dddItdIII.21222AIV2.1821 则变压器二次容量 KVAVAUIS7.15.17343.952.18222 2-10单相桥式全控整流电路和单相桥式半控整流电路接大电感负载，负载两端并接续流二极管的作用是什么？两者的作用是否相同？电力电子变流技术课后答案 第二章 2-9 解：单相桥式全控整流电路大电感负载整流输出平均电压为 0222cos9.0cos22.sin222UUtdtUUd 其负载两端并接续流二极管是为了使交流电源电压进入负半周时，由续流二极管续流，使晶闸管关断，提高整流输出电压的平均值。整流输出平均电压为 2cos19.0ddUU 单相桥式半控整流电路接大电感负载，负载两端并接续流二极管的作用是为了避免失控现象的发生，保证整流电路的安全运行。整流输出平均电压亦为 2cos19.0ddUU 2-11单相可控整流电路供电给电阻负载或蓄电池充电（反电势负载），在控制角相同，负载电流平均值相等的条件下，哪一种负载晶闸管的额定电流值大一些？为什么？解：反电动势负载电路中晶闸管的额定电流大一些。因为当控制角为时，电阻性负载时，晶闸管的导通角-。而反电动势式负载时，当小于不导电角时，-2；当大于不导电角时，晶闸管的导通角-。所以，反电动势负载时的波形系数Kf1大于电阻性负载时的波形系数Kf2。当负载电流平均值相等的条件下，反电动势负载时的晶闸管电流的有效值大于电阻性负载时的晶闸管电流的有效值。因此，反电动势负载晶闸管的额定电流大一些。2-12直流电动机负载的特点及其等效电路如何？串接平波电抗器的意义何在？解：直流电动机反电动势负载，其等效电路为一直流反电动势和电阻串联。由于反电势的作用，晶闸管的导通角变小，负载电流将出现断续，通常反电势负载的内阻又很小，所以输出同样的平均电流，峰值电流很大，因而电流的有效值大，要求电源的容量亦大。对于直流电动机负载，将使其机械特性变软，整流换相时产生火花。为使负载电流连续，克服上述缺点，常在反电势负载的整流输出端串联平波电抗器，其目的是利用电感的储能作用来平衡电流的脉动和延长晶闸管的导通时间。2-13串平波电抗器电动机负载与大电感负载在单相全控桥整流电路中，输出电压波形一样吗？为什么？电动机的反电动势 Ed不起作用吗？解：在理想的情况下，二种电路输出电压的波形是一样的。电力电子变流技术课后答案 第二章 2-10 因为平波电抗器电感量的选择原则是：在最小的负载电流Idmin（低速轻载情况下）时，保证负载电流连续，即晶闸管导电角=180。这是在最不利情况下，为保证电流连续选择的电感L值，当负载电流大于Idmin时，L 的储能增多，电流就不会不连续。当负载电流连续时，其输出电压的波形与大电感负载电路相同 电动机的反电动势 Ed不是不起作用，串平波电抗器的反电势负载电流连续时，晶闸管导通角=180，波形与大电感负载时相同，输出电压 U d交流分量几乎全部降落在电抗器上，反电势负载（例如直流电动机）上的电压脉动很小，负载电流 id波形基本平直，可以近似看成为平行于横坐标的直线，晶闸管电流波形为 180的矩形波。所以，各种参数之间的数量关系，也与大电感负载时相同。只是由于反电势的作用，负载电流的平均值为 Id=(Ud-E)/R，2-14对单相大电感性负载可控整流电路，画图说明全控桥和半控桥输出电压 ud、晶闸管电流 iV1和变压器二次电流 i2波形的差别。半控桥加续流二极管与其不加续流二极管时又有何差别？解：单相全控桥大电感性负载可控整流电路，输出电压 ud、晶闸管电流 iV1和变压器二次电流 i2波形如教材 P37 中的图 2-6(d)、(f)、(g)、（h）所示。晶闸管导电角为=，对应桥臂对管轮流导通和关断，电流 iV1波形为为 180的正向矩形波。变压器二次电流 i2波形为正负 180的矩形波。当0时，输出电压 u d波形将进入交流电源的负半周。半控桥加接续流二极管 V4后，输出电压 ud和变压器二次电流 i2的波形与不接续流二极管 V4时相同，如教材 P41 中的图 2-8(d)、(j)所示。而晶闸管和整流二极管的导电角为=-。图 2-8（f）和图 2-8(i)波形上有斜线的部分不再存在，这部分的导电功能由续流二极管 V4 来代替，如教材图 2-8（l）所示。不加续流二极管时，晶闸管的导通角和整流二极管的导电角为=，但图 2-8（f）和图 2-8(i)波形上有斜线的部分对应的期间，为同一桥臂的晶闸管和整流二极管续流期间。半控桥不加续流二极管和加接续流二极管两种情况的输出电压 ud波形是相同的，在角对应的区间，输出电压 ud为零。变压器二次电流 i2波形为正负-的矩形波，在角对应的区间，由于是续流期间，变压器二次电流 i2为零。但接续流二极管电路，在续流期间，晶闸管和整流二极管全部关断。电力电子变流技术课后答案 第二章 2-11