《电力电子技术第二版》课后习题及解答.pdf

电力电子技术习题及解答第1章思考题与习题1.1 晶闸管的导通条件是什么？导通后流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定？答：晶闸管的导通条件是：晶闸管阳极和阳极间施加正向电压，并在门极和阳极间施加正向触发电压和电流（或脉冲）。导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗决定，负载上电压由输入阳极电压UA决定。1.2 晶闸管的关断条件是什么？如何实现？晶闸管处于阻断状态时其两端的电压大小由什么决定？答：晶闸管的关断条件是：要使晶闸管由正向导通状态转变为阻断状态，可采用阳极电压反向使阳极电流IA减小，IA下降到维持电流h 以下时，晶闸管内部建立的正反馈无法进行。进而实现晶闸管的关断，其两端电压大小由电源电压UA决定。1.3 温度升高时，晶闸管的触发电流、正反向漏电流、维持电流以及正向转折电压和反向击穿电压如何变化？答：温度升高时，晶闸管的触发电流随温度升高而减小，正反向漏电流随温度升高而增大，维持电流IH会减小，正向转折电压和反向击穿电压随温度升高而减小。1.4 晶闸管的非正常导通方式有哪几种？答：非正常导通方式有：（1）卜=0,阳极电压升高至相当高的数值；（1）阳极电压上升率d u/d t 过高；（3）结温过高。1.5 请简述晶闸管的关断时间定义。答：晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需的这段时间称为关断时间。即。+tg ro1.6 试说明晶闸管有哪些派生器件？答：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。1.7 请简述光控晶闸管的有关特征。答：光控晶闸管是在普通晶闸管的门极区集成了一个光电二极管，在光的照射下，光电二极管电流增加，此电流便可作为门极电触发电流使晶闸管开通。主要用于高压大功率场合。1.8 型号为KP100-3,维持电流IH=4mA的晶闸管，使用在图题1.8所示电路中是否合理，为什么？（暂不考虑电压电流裕量）T T(a)(b)(c)图题1.8答（a）因 为 =匚 匕=2 滔 ，所以不合理。A 5 0 K Q H2 0 0 V（b）因为，=-=2 0 A,K P 1 0 0 的电流额定值为1 0 0 A,裕量达51 0 Q倍，太大了。（C）因为=竺=1 5 0 4,大于额定值，所以不合理。1 Q1.9 图 题 1.9中实线部分表示流过晶闸管的电流波形，其最大值均为Im，试计算各图的电流平均值.电流有效值和波形系数。解：图(a)：IT（A V）=-f l,n s i n cotd cot）=-071IT=s i n 初）2（初）=才Kf=1.5 7T（AV）tot 0it 2J C0 X/3it 4it/3 2n 7x/3（ot 0 n/3 it 2n 7M30 7t/4图题1.901n图(b)：IT（A V）=r Ifn s i n coid（cot）=71 s2-Im71IT=J：f （/w s i n 函）2 3）=若Kf=-=1.1 1T（AV）图(c)：3Im s i n cotdcot）=Im2乃1T（A V）=r汽3IT=（乙 s i n a）2 d（由）=%*0.6 3/,“=1.26图(d)：T(AV)K尸x 0.52/,图(e)：图：IT(AV)=21,ndcot=L T C J)4IT 也(加=gK 尸T=2/(A V)1.10上题中，如不考虑安全裕量，问额定电流100A的晶闸管允许流过的平均电流分别是多少？解：(a)图波形系数为 1.5 7,则有：1.5 7x/r(A V)=1.5 7x l 00A(IT(Av)=1 00A(b)图波形系数为 1.1 1,则有：l.l l x/r(x v)=1.5 7x l 00A,IT(AV)=141.4A(c)图波形系数为 1.26,则有：1.26 x/r(A V)=1.5 7x l 00A,IT(Av)=1 24.6 A(d)图波形系数为 1.78,则有：1.78 x/r(A V)=1.5 7 x l O O A,IT(AV)=88.2A(e)图波形系数为 2.83,则有：2.83 x/./.(A V)=1.5 7x 1 00A,IT(AV)=55.5A图波形系数为 2,则有：2X/7.(4 V)=1.57X100A,IT(AV)=78.5A1.11 某晶闸管型号规格为KP200-8D,试问型号规格代表什么意义？解：K P 代表普通型晶闸管，200代表其晶闸管的额定电流为200A,8 代表晶闸管的正反向峰值电压为800V,D代表通态平均压降为0.6 V Ur 2.22x 1 0071得：IT(A V)=1 1 1(A)取 1 00A。-200 V H K图题1.141.15 什么叫GTR的一次击穿?什么叫GTR的二次击穿？答：处于工作状态的G TR,当其集电极反偏电压UC E渐增大电压定额B UC E O时，集电极电流I c急剧增大(雪崩击穿)，但此时集电极的电压基本保持不变，这叫一次击穿。发生一次击穿时，如果继续增大UC E，又不限制I c，I c上升到临界值时，UC E突然下降，而 I c继续增大(负载效应)，这个现象称为二次击穿。1.16 怎样确定GTR的安全工作区SOA?答：安全工作区是指在输出特性曲线图上G T R能够安全运行的电流、电压的极限范围。按基极偏量分类可分为：正偏安全工作区F B S O A 和反偏安全工作区RB S O A o正偏工作区又叫开通工作区，它是基极正向偏量条件下由G T R的最大允许集电极功耗儿以及二次击穿功率PSB,1,B U面四条限制线所围成的区域。反偏安全工作区又称为G T R的关断安全工作区，它表示在反向偏置状态下G T R关断过程中电压UCE,电流I c限制界线所围成的区域。1.17 GTR对基极驱动电路的要求是什么？答：要求如下：（1）提供合适的正反向基流以保证G T R可靠导通与关断，（2）实现主电路与控制电路隔离，（3）自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号避免损坏G T R。（4）电路尽可能简单，工作稳定可靠，抗干扰能力强。1.18 在大功率GTR组成的开关电路中为什么要加缓冲电路？答：缓冲电路可以使G T R在开通中的集电极电流缓升，关断中的集电极电压缓升，避免了 G T R同时承受高电压、大电流。另一方面，缓冲电路也可以使G T R的集1 I 电极电压变化率色和集电极电流变化率丝得到有效值抑制，减小开关损耗和防dt d t止高压击穿和硅片局部过热熔通而损坏G T R,1.19 与 GTR相比功率MOS管有何优缺点？答：G T R是电流型器件，功率M O S是电压型器件，与G T R相比，功率M O S管的工作速度快，开关频率高，驱动功率小且驱动电路简单，无二次击穿问题，安全工作区宽，并且输入阻抗可达几十兆欧。但功率M O S的缺点有：电流容量低，承受反向电压小。1.20 从结构上讲，功率MOS管与VDMOS管有何区别？答：功率M 0S采用水平结构，器件的源极S,栅极G和漏极D均被置于硅片的一侧，通态电阻大，性能差，硅片利用率低。V D M 0S采用二次扩散形式的P形区的N,型区在硅片表面的结深之差来形成极短的、可精确控制的沟道长度（广3）、制成垂直导电结构可以直接装漏极、电流容量大、集成度高。1.21 试说明VDMOS的安全工作区。答：V D M O S 的安全工作区分为：（1）正向偏置安全工作区，由漏电源通态电阻限制线，最大漏极电流限制线，最大功耗限制线，最大漏源电压限制线构成。（2）开关安全工作区：由 最 大 峰 值 漏 极 电 流 最 大 漏 源 击 穿 电 压 BUD S最高结温4所1 决定。（3）换向安全工作区：换 向 速 度,一定时，由漏极正向电压限和二极管的d t正向电流的安全运行极限值片决定。1.22 试简述功率场效应管在应用中的注意事项。答（1）过电流保护，（2）过电压保护，（3）过热保护，（4）防静电。1.23 与 GTR、VDMOS相比，IGBT管有何特点？答：I G B T的开关速度快，其开关时间是同容量G TR 的 1/10,I G B T电流容量大,是同容量M 0S 的 10倍；与 V D M O S、G TR 相比，I G B T的耐压可以做得很高，最大允许电压U m可达4 500V,I G B T的最高允许结温4 为 150,而 且 I G B T的通态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；通态压降是同一耐压规格V D M O S 的 1/10,输入阻抗与M 0S 同。1.24 下表给出了 1200V和不同等级电流容量IGBT管的栅极电阻推荐值。试说明为什么随着电流容量的增大，栅极电阻值相应减小？电流容量/A255075100150200300栅极电阻/Q502515128.253.3答：对一定值的集电极电流，栅极电阻增大栅极电路的时间常数相应增大，关断时栅压下降到关断门限电压的时间变长，于是I G B T的关断损耗增大。因此，随着电流容量的增大，为了减小关断损耗，栅极电阻值相应减小。应当注意的是，太小的栅极电阻会使关断过程电压变化加剧，在损耗允许的情况下，栅极电阻不使用宜太小。1.25 在 SCR、GTR、IGBT、GTO MOSFET IGCT 及 MCT 器件中，哪些器件可以承受反向电压？哪些可以用作静态交流开关？答：SCR、GTR、IGBT、GTO、MCT都可承受反向电压。SCR可以用作静态开关。1.26 试说明有关功率MOSFET驱动电路的特点。答：功 率 MOSFET驱动电路的特点是：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。1.27 试述静电感应晶体管SIT的结构特点。答：S IT 采用垂直导电结构，沟道短而宽，适合于高电压，大电流的场合，其漏极电流具有负温度系数，可避免因温度升高而引起的恶性循环漏极电流通路上不存 在 PN结，一般不会发生热不稳定性和二次击穿现象，其安全工作区范围较宽，关断它需加10V的负栅极偏压Ues,使其导通，可以加5飞V的正栅偏压+山，以降低器件的通态压降。1.28 试述静电感应晶闸管SITH的结构特点。答：其结构在SIT的结构上再增加一个P*层形成了无胞结构。SITH的电导调制作用使它比SIT的通态电阻小，通态压降低，通态电流大，但因器件内有大量的存储电荷，其关断时间比SIT要慢，工作频率低。1.29 试述MOS控制晶闸管MCT的特点和使用范围。答：MCT具有高电压，大电流，高载流密度，低通态压的特点，其通态压降只有G T R 的 1/3 左右，硅片的单位面积连续电流密度在各种器件中是最高的，另外，MC T 可承受极高的d i/d t和 du/dt。使得其保护电路简化，M C T 的开关速度超过G T R,且开关损耗也小。1.30 缓冲电路的作用是什么？关断缓冲与开通缓冲在电路形式上有何区别，各自的功能是什么？答:缓冲电路的作用是抑制电力电子器件的内因过电压du/dt或者过电流di/dt,减少器件的开关损耗。缓冲电路分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路是对d u/d t抑制的电路，用于抑制器件的关断过电压和换相过电压，抑制d u/d t,减小关断损耗。开通缓冲电路是对d i/d t抑制的电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和d i/d t,减小器件的开通损耗。第2章思考题与习题2.1 什么是整流？它与逆变有何区别？答：整流就是把交流电能转换成直流电能，而将直流转换为交流电能称为逆变,它是对应于整流的逆向过程。2.2 单相半波可控整流电路中，如果：(1)晶闸管门极不加触发脉冲；(2)晶闸管内部短路：(3)晶闸管内部断开；试分析上述三种情况负载两端电压Ud和晶闸管两端电压UT的波形。答(1)负载两端电压为0,晶闸管上电压波形与U 2相同：(2)负载两端电压为U 2,晶闸管上的电压为0；(3)负载两端电压为0,晶闸管上的电压为必。2.3 某单相全控桥式整流电路给电阻性负载和大电感负载供电，在流过负载电流平均值相同的情况下，哪一种负载的晶闸管额定电流应选择大一些？答：带大电感负载的晶闸管额定电流应选择小一些。由于具有电感，当其电流增大时，在电感上会产生感应电动势，抑制电流增加。电阻性负载时整流输出电流的峰值大些，在流过负载电流平均值相同的情况下，为防此时管子烧坏，应选择额定电流大一些的管子。2.4 某电阻性负载的单相半控桥式整流电路，若其中一只晶闸管的阳、阴极之间被烧断，试画出整流二极管、晶闸管两端和负载电阻两端的电压波形。解：设 a=0,“被烧坏，如下图：2.5相控整流电路带电阻性负载时，负载电阻上的5 与 1d的乘积是否等于负载有功功率，为什么?带大电感负载时，负载电阻Rd上的Ud与 L 的乘积是否等于负载有功功率，为什么？答：相控整流电路带电阻性负载时，负 载 电 阻 上 的 平 均 功 率=U/d不等于负载有功功率P =u/。因为负载上的电压、电流是非正弦波，除了直流U d 与 Id外 还 有 谐 波 分 量Ui，U”和，负 载 上 有 功 功 率 为P=Pj+P：+P；+Pd=U 相控整流电路带大电感负载时，虽 然 U d 存在谐波，但电流是恒定的直流，故负载电阻R d 上的U d 与 L的乘积等于负载有功功率。2.6某电阻性负载要求0-24V直流电压，最大负载电流Id=30A,如采用由220V交流直接供电和由变压器降压到6 0 V 供电的单相半波相控整流电路，是否两种方案都能满足要求?试比较两种供电方案的晶闸管的导通角、额定电压、额定电流、电路的功率因数及对电源容量的要求。解：采用由2 2 0 V 交流直接供电当a =0 时：Udo=0.4 5 U2=0.4 5 x 2 2 0 =9 9 V由变压器降压到6 0 V 供电当a =0 时：Ud=0.4 5 U2=0.4 5 x 6 0 =2 7 V因此，只要调节a 都可以满足输出0 2 4 V 直流电压要求。(1)采用由2 2 0 V 交流直接供电时：Ud=0.4 5 4 1 +广,U d=2 4 V 时 a =1 2 1 6 =1 8 0 -1 2 1 =5 9 UT=41U2=31IVIT=J 2 sin cot2 dcot 84AR=力=丝=0.8QId 3。,IT 84 一“TT(AAVV)一 一 x 54A1.57 1.57取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为622V和108A。电源提供有功功率 P=122R=842 x 0.8=5644.8W电源提供视在功率 S=U2I2=84 x 220=18.58mP电源侧功率因数 PF=a 0.305S(2)采用变压器降压到60V供电：ud=o.45u,.c 2s q,d 2 2Ud=24V 时 a B 39,6=180-39=141UT=庖 2=84.4VIT=J 2 sin =1 2(A)1.5 7晶闸管承受最大电压为URM A/2(72=1885V取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为4 0 0 0 V和3 0 A。所选导线截面积为S2%=1 8.%=3.1 3 2负载电阻上最大功率PR=IT2R=7.1kW 单相全控桥a =0 时,力=则=6 6 7 V,/“2 0.9 0.9 1 1负载电流有效值/=1.1%=1 3.3 4(Kf=l.ll)晶闸管的额定电流为IT(AV)=6(A)1.5 7晶闸管承受最大电压为URM V2(/2=1885V取 2 倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为4 0 0 0 V 和 2 0 Ao所选导线截面积为 S 2%=13.%。2.22加加2负载电阻上最大功率 PR=I?R=S.9kW2.8整流变压器二次侧中间抽头的双半波相控整流电路如图题2.8所示。(1)说明整流变压器有无直流磁化问题？(2)分别画出电阻性负载和大电感负载在a=60。时的输出电压Ud、电流id的波形，比较与单相全控桥式整流电路是否相同。若 已 知 U,=220V,分别计算其输出直流电压值U g(3)画出电阻性负载a=60。时晶闸管两端的电压UT波形，说明该电路晶闸管承受的最大反向电压为多少？图题2.8解(1)因为在一个周期内变压器磁通增量为零，所以没有直流磁化。(2)其波形如下图所示，与单相全控桥式整流电路相同。电阻性负载：Ud=0.9U,1 +cosa=0.9x220 x(l+cs60。)=1485V2 2感性负载:Ud=0.9t/2cosa=99V(3)其波形如下图所示，晶闸管承受的最大反向电压为2。2.9带电阻性负载三相半波相控整流电路，如触发脉冲左移到自然换流点之前15。处，分析电路工作情况，画出触发脉冲宽度分别为10。和 20。时负载两端的电压*波形。解：三相半波相控整流电路触发脉冲的的最早触发时刻在自然换流点，如触发脉冲左移到自然换流点之前1 5。处，触发脉冲宽度为1 0。时，不能触发晶闸管，加=0。触发脉冲宽度为1 5。时，能触发晶闸管，其波形图相当于a=0。时的波形。2.1 0 三相半波相控整流电路带大电感负载，Rd=1 0 Q,相电压有效值U2=220V求 a=45。时负载直流电压Ud 流过晶闸管的平均电流1仃和有效电流h，1 0 1 出 Ud、%2、U T3 的波形。解：U 8=-（X V 5 U,s i n m d（函）=1.1 7。）c o s a2TT/3%因为：U2=2 2 0 V ,a =4 5 U d=l 7U2 c o s 4 5=1 8 2 V黑2_ 0T仃 2TT=6.M3 d2.1 1 在图题2.11所示电路中，当 a=60。时，画出下列故障情况下的前波形。(1)熔断器1FU熔断。熔 断 器 2FU熔断。(3)熔断器2FU、3FU同时熔断。图题2.11解：这三种情况下的波形图如下所示:(a),十 中 十 田 十 田 件 田 一皿(b)*二*：二*二枇二兴二*二y片 卡 十 十 斤 打 什 卡(c)2.12现有单相半波、单相桥式、三相半波三种整流电路带电阻性负载，负载电流Id都是4 0 A,问流过与晶闸管串联的熔断器的平均电流、有效电流各为多大？解：设a =0单相半波：IdT=h=40A1T=1.57 x IdT=62.8A(K尸 1.57)单相桥式：珀、=I-的区域内使Ud0。2有源逆变的作用：它可用于直流电机的可逆调速，绕线型异步电动机的串级调速，高压电流输电太阳能发电等方面。2.19 无源逆变电路和有源逆变电路有何区别？答：有源逆变电路是把逆变电路的交流侧接到电网上，把直流电逆变成同频率的交流反送到电网去。无源逆变电路的交流侧直接接到负载，将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流供给负载。2.20 有源逆变最小逆变角受哪些因素限制？为什么？答：最小有源逆变角受晶闸管的关断时间%折合的电角度5、换相重叠角/以及安全裕量角。的限制。如果不能满足这些因素的要求的话，将导致逆变失败。第3章思考题与习题3.1 开关器件的开关损耗大小同哪些因素有关？答：开关损耗与开关的频率和变换电路的形态性能等因素有关。3.2 试比较Buck电路和Boost电路的异同。答；相同点：Buck电路和Boost电路多以主控型电力电子器件（如 GTO,GTR,VDMOS和 IGBT等）作为开关器件，其开关频率高，变换效率也高。不同点：Buck电路在T 关断时，只有电感L 储存的能量提供给负载，实现降压变换，且输入电流是脉动的。而 Boost电路在T 处于通态时，电源5 向电感L充电，同时电容C 集结的能量提供给负载，而在T 处于关断状态时;由 L 与电源E 同时向负载提供能量，从而实现了升压，在连续工作状态下输入电流是连续的。3.3 试简述Buck-Boost电路同Cuk电路的异同。答：这两种电路都有升降压变换功能，其输出电压与输入电压极性相反，而且两种电路的输入、输出关系式完全相同，Buck-Boost电路是在关断期内电感L 给滤波电容C 补充能量，输出电流脉动很大，而 C uk电路中接入了传送能量的耦合电容C 1,若使Ci足够大，输入输出电流都是平滑的，有效的降低了纹波，降低了对滤波电路的要求。3.4 试说明直流斩波器主要有哪几种电路结构？试分析它们各有什么特点？答：直流斩波电路主要有降压斩波电路（Buck）,升压斩波电路（Boost）,升降压斩波电路（B uck-B oost）和 库 克（Cook）斩波电路。降压斩波电路是：一种输出电压的平均值低于输入直流电压的变换电路。它主要用于直流稳压电源和直流直流电机的调速。升压斩波电路是：输出电压的平均值高于输入电压的变换电路，它可用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。升降压变换电路是输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反。主要用于要求输出与输入电压反向，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。库克电路也属升降压型直流变换电路，但输入端电流纹波小，输出直流电压平稳，降低了对滤波器的要求。3.5 试分析反激式和正激式变换器的工作原理。答：正激变换器：当开关管T 导通时，它在高频变压器初级绕组中储存能量，同时将能量传递到次级绕组，根据变压器对应端的感应电压极性，二极管D i导通,此 时 D?反向截止，把能量储存到电感L 中，同时提供负载电流/。；当开关管T截止时，变压器次级绕组中的电压极性反转过来，使得续流二极管Dz导 通（而此时 D1反向截止）,储存在电感中的能量继续提供电流给负载。变换器的输出电压为：N。=才叫反激变换器：当开关管T 导通，输入电压Ud便加到变压器TR初级N 1 匕 变压器储存能量。根据变压器对应端的极性，可得次级N2中的感应电动势为下正上负，二极管D 截止，次级N2中没有电流流过。当 T 截止时，N2中的感应电动势极性上正下负，二极管D 导通。在 T 导通期间储存在变压器中的能量便通过二极管D 向负教释放。在工作的过程中，变压器起储能电感的作用。N D输出电压为 U o=2.上 一U4 Nt 1-D d3.6 试分析全桥式变换器的工作原理。答：当 Ug|和 Ug4为高电平，Ug2和 Ug3为低电平，开关管T1和 T4导通，T2和T3关断时，变压器建立磁化电流并向负载传递能量；当 Ugl和 Ug4为低电平，Ug2和&3为高电平，开关管T2和 T3导通，T1和 T4关断，在此期间变压器建立反向磁化电流，也向负载传递能量，这时磁芯工作在B H 回线的另一侧。在 T|、T4导通期间(或T2和 T3导通期间)，施加在初级绕组Np上的电压约等于输入电压Ud。与半桥电路相比，初级绕组上的电压增加了一倍，而每个开关管的耐压仍为输入电压。3.7 有 一开关频率为50kHz的 Buck变换电路工作在电感电流连续的情况下,L=0.05mH,输入电压Ud=15V,输出电压Uo=lOV(1)求占空比D 的大小；(2)求电感中电流的峰-峰值AI；(3)若允许输出电压的纹波AUo/U()=5%,求滤波电容C 的最小值。解 u。D。=12=0.667Ud 15U。)U R l D)15x0.667(1-0.667)皿-=-=1 J J JAfLUd fL 50X103 X0.05X10-3(3)因为苧f =50kHzA-2-VZc则0.05=(1-Z)()22f2 _ 0 0 5 x 2/23 c 一 万 2(1 0)Cmin-D0.0 5 x 8*2_1-0.6670.05 x 8 x 0.05 x 10-3 x(50 x 103)2=6.66x10-6 尸=6.663.8 图题3.8所示的电路工作在电感电流连续的情况下，器件T 的开关频率为100kH z,电路输入电压为交流2 2 0 V,当 Ri,两端的电压为400V时：(1)求占空比的大小；(2)当 RL=40Q时，求维持电感电流连续时的临界电感值；(3)若允许输出电压纹波系数为0.0 1,求滤波电容C 的最小值。题图3.8解：(1 )由题意可知1：0=2一 1-D。=-上=4。-2 2。毋4 5U。4 0 0DT,(2)L=UdOK0.4 5 x 0.0 1 x 1 0-3 x 2 2 02 x 1 04 9.5”(其中4号=翳=必)(3)必=也，c=0 0/4 5 x JUo RLC RQUQ 40X0.013.9 在 Boost变换电路中，已知Ud=50V,L 值 和 C 值较大，R=20C,若采用脉宽调制方式，当 Ts=40us,ton=20us时，计算输出电压平均值U。和输出电流平均值小解：4喷”=O ff由于L和 C的值都比较大,=R 2 03.10 有一开关频率为50kHz的库克变换电路，假设输出端电容足够大，使输出电压保持恒定，并且元件的功率损耗可忽略，若输入电压Ud=10V,输出电压U。调节为5V不变。试求:(1)占空比；(2)电容器G 两端的电压UE(3)开关管的导通时间和关断时间。D解：（1）因为 u0=-Ud-L）则U。.-5 _1U 0 U d 5 10 3（注意 U,=-5V）Ue=5 UC1-D11-31xlO=15VonDT=-x3 50 xl03667psJ I 21=X-3 50 x10-313.343第4章思考题与习题4.1什么是电压型和电流型逆变电路？各有何特点？答：按照逆变电路直流侧电源性质分类，直流侧为电压源的逆变电路称为电压型逆变电路，直流侧为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：（2）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。（3）由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，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，其波形接近于三角波或正弦波。（4）当交流侧为阻感性负载时，需提供无功功率，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二极管。（5）逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故功率的脉动是由交流电压来提供。（6）当用于交一直一交变频器中，负载为电动机时，如果电动机工作在再生制动状态，就必须向交流电源反馈能量。因直流侧电压方向不能改变，所以只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给交一直整流桥再反并联一套逆变桥。电流型逆变电路的主要特点是：（1）直流侧串联有大电感，相当于电流源，直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。（2）因为各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形和相位因负载阻抗角的不同而不同。(3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故可控器件不必反并联二极管。(4)当用于交一直一交变频器且负载为电动机时，若交一直变换为可控整流，则很方便地实现再生制动。4.2 电压型逆变电路中的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。当输出交流电压与电流的极性相同时，电流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压与电流极性相反时.，由反馈二极管提供电流通道。4.3 为什么在电流型逆变电路的可控器件上要串联二极管？解：由于全电路开关管采用自关断器件，其反向不能承受高电压，所以需要在各开关器件支路串入二极管。4.4 三相桥式电压型逆变电路采用180导电方式，当其直流侧电压Ud=100V时。(1)求输出相电压基波幅值和有效值(2)求输出线电压基波幅值和有效值(3)输出线电压中五欢谐波的有效值。解：输出相电压基波幅值U ANm =0-637U4=0.637 x 100=63.7V71输出相电压基波有效值U A N 1=0.45U.=0.45 x 100=45V输出线电压基波幅值71 71输出线电压基波有效值rj U Mm 向76x100U ABm=f=-=-=78VV2 71 712 FITJ i输出线电压中5次谐波 uAB5=_(-sin5r)71 5输出线电压中5次谐波有效值 UABS=理=15.59V5岳4.5 全控型器件组成的电压型三相桥式逆变电路能否构成120导电型？为什么？解：全控型器件组成的电压型.三相桥式逆变电路能构成120导电型。由于三相桥式逆变电路每个桥臂导通1 2 0,同一相上下两臂的导通有60间隔，各相导通依次相差120,且不存在上下直通的问题，所以其能构成120导电型。但当直流电压一定时，其输出交流线电压有效值比180导电型低得多，直流电源电压利用率低。4.6 并联谐振型逆变电路利用负载电压进行换流，为了保证换流成功应满足什么条件？答：为了保证电路可靠换流，必须在输出电压劭过零前”1寸刻触发T2、T3,称f/为触发引前时间。为了安全起见，必须使式中左 为大于1的安全系数，一般取为23。4.7 试说明PWM控制的工作原理。答：将一个任意波电压分成N等份，并把该任意波曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应任意波等份的中点重合，得到一系列脉冲列。这就是PW M波形。但在实际应用中，人们采用任意波与等到腰三角形相交的方法来确定各矩形脉冲的宽度。PWM控制就是利用PW M脉冲对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替所需要的波形。4.8 单极性和双极性PWM调制有什么区别？解：单极性PW M控制方式在调制信号U,的正半个周期或负半个周期内，三角波载波是单极性输出的，所得的PW M波也是单极性范围内变化的。而双极性PWM控制方式中，三角波载波始终是有正有负，而输出的P W M波是双极性的。4.9 试说明PWM控制的逆变电路有何优点？答：PW M电路优点如下：（1）可以得到所需波形的输出电压，满足负我需要；（2）整流电路采用二极管整流，可获得较高的功率因数；（3）只用一级可控的功率环节，电路结构简单；（4）通过对输出脉冲的宽度控制就可以改变输出电压的大小，大大的加快了逆变器的响应速度。4.10 图题4.10所示的全桥逆变电路，如负载为RLC串联，R=10Q,L=31.8mH,C=159 NF,逆变器频率 f=100 HZ，Ud=110 VS 求：（1）基波电流的有效值；（2）负载电流的谐波系数。图题4.10解（1）基波电压的有效值为：。1=0.9。=0.9 x 1 1 0 =9 9 V71基波时的负载阻抗：z.*+M 一小21 02+(2 x 1 0 0 x 0.0 3 1 8-27 x 1 0 0 x 1 5 9 x 1()-6y=22.3 Q1U 99基波电流的有效值为：/“=3=工=4.4 4 40 1 Z|22.3（2）其主要的谐波是三次谐波与五次谐波，对应的负载阻抗分别为:Z 5=W+（5 心 点）2其电流谐波系数分别为：11 02+(6 x 1 0 0 x 0.0 3 1 8-6 7 x 1 0 0 x 1 5 9 x 1 0-6)2=60.7Q1 02+(1 0 x 1 0 0 x 0.0 3 1 8-1 0 x 1 0 0 x 1 5 9 x 1 0-)2=1 0 0.4 06 4.1 1在 图4.1 0所示的单相全桥逆变电路中，直流电源U d=3 0 0 V,向R=5 Q,L=0.0 2H的阻感性负载供电。若输出波形为近似方波，占空比D=0.8,工作频率为 60 Hz，试确定负载电流波形，并分析谐波含量。计算时可略去换相的影响和逆变电路的损耗。试求对应于每种谐波的负载功率。4U解：输出方波电压瞬时值为 uo-V -sin ncot 川,35 乃输出电压和电流波形为：基波电压和各谐波电压的有效值为：U 0=2 圆-=0.9 U 4 =0.9 X 3 0 0 =27 0 V03O1UU1-5-054V-90U 0 7=3=38.6V,U 0 9=MI=3OV/y基波和各谐波的负载阻抗为：Z,=J-2+(*2=.2 +(2 万 X 6 0 x 0.0 2)2=9.0 4 QZ3=J*+(3 叫 2=52 +(6 x 6 0 x 0.0 2)2=23.1 5 0Z5=+(5 匈 2=52+(10TTX 6 0 x 0.0 2)2=3 8.25 0Z7=J*+(7 或 =百+(1 4 x 6 0 x 0.0 2)2=5 2.9 9 QZ9=JR2+(9 匈 2 =拧 +(1 8%X 6 0 x 0.0 2)2=6 8.0 1 Q基波和各谐波电流的有效值为:=U=270 Z,-9.04=29.884,保=踪=3 9U _25438.25=1.41/1,力7Z7 52.99-=0.73AZ9 68.01=0.44A基波和每种谐波的负载功率为：Po=/?=4464.11V,Po3=IOR =75.7VyP,6=1JR =9 94W,Po l=IO12R=2.66W,Po9=Io92R=0.971V第5章思考题与习题5.1 在单相交流调压电路中，当控制角小于负载功率因数角时为什么输出电压不可控？答：当a 。时电源接通，如果先触发，则 的导通角。180如果采用窄脉冲触发，当下的电流下降为零，%的门极脉冲已经消失而无法导通，然后重复第一周期的工作，这样导致先触发一只晶闸管导通，而另一只管子不能导通，因此出现失控。5.2 晶闸管相控直接变频的基本原理是什么？为什么只能降频、降压，而不能升频、升压？答：晶闸管相控直接变频的基本原理是：电路中具有相同特征的两组晶闸管整流电路反并联构成，将其中一组整流器作为正组整流器，另外为反组整流器，当正组整流器工作，反组整流器被封锁，负载端输出电压为上正下负；如果负组整流器工作，正组整流器被封锁，则负载端得到输出电压上负下正，这样就可以在负载端获得交变的输出电压。晶闸管相控直接变频，当输出频率增高时.，输出电压一周期所含电网电压数就越少，波形畸变严重。一般认为：输出上限频率不高于电网频率的%。而当输出电压升高时，也会造成输出波形畸变。因此，只能降频、降压，而不能升频、升压。5.3 晶闸管相控整流电路和晶闸管交流调压电路在控制上有何区别？答：相控整流电路和交流调压电路都是通过控制晶闸管在每一个电源周期内的导通角的大小（相位控制）来调节输出电压的大小。但二者电路结构不同，在控制上也有区别。相捽整流电路的输出电压在正负半周同极性加到负载上，输出直流电压。交流调压电路，在负载和交流电源间用两个反并联的晶闸管、T2或采用双向晶闸管T 相联。当电源处于正半周时，触发T 1 导通，电源的正半周施加到负载上；当电源处丁负半周时，触发T 2 导通，电源负半周便加到负载上。电源过零时交替触发T|、T2,则电源电压全部加到负载。输出交流电压。5.4 交流调压和交流调功电路有何区别？答：交流调功能电路和交流调压电路的电路形式完全相同，但控制方式不同。交流调压电路都是通过控制晶闸管在每一个电源周期内的导通角的大小（相位控制）来调节输出电压的大小。晶闸管交流调功能电路采用整周波的通、断控制方法，例如以n 个电源周波为一个大周期，改变导通周波数与阻断周波数的比值来改变变换器在整个大周期内输出的平均功率，实现交流调功。5.5 电阻炉由单相交流调压电路供电，如 1=0。时为输出功率最大值，试求功率为80%,5 0%时的控制角。解：a =0时为输出电压最大值/m a x =sin）2d创=5负载上最大电流为_ ()m ax _ U Omax-n-nu /输出最大功率 Enax=U o m a x，omax=-mdA o o niux K输出功率为80%时，P =0.8匕稣=3 函二，U 0=府U、iT ldX T ry O IK 1 7 t 7T故a=60.54输 出 功 率 为 最 大 值 的 50%时，P =0.5Pmax=（的处匚uo=历q而U(1-I/.sin2 a+-万 兀故a =905.6 一交流单相晶闸管调压器，用作控制从220V交流电源送至电阻为0.5 Q,感抗为0.5Q的串联负载电路的功率。试求:（1）控制角范围;（2）负载电流的最大有效值。解：（1）负载阻抗角为：=arctg =arctg=R 0.5 4jr最小控制角为 名”,=17T故控制范围-a 7 r47 T（2）%疝,=。=1 处，输出电压最大，电流也最大，故最大有效值为:U0 而 +xJ220A/0.52+0.52=311A5.7试述单相交-交变频电路的工作原理。答：其电路有两组整