电力电子技术(第5版)课后习题答案.pdf

目 录第1章 电力电子器件.1第2章整流电路.4第3章 直流斩波电路.20第4章 交流电力控制电路和交交变频电路.26第5章逆变电路.31第6章 PW M控制技术.35第7章 软开关技术.40第8章 组合变流电路.42第1章电力电子器件1.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：A K 0且“GK 0。2.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。3 .图1-4 3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/m，试计算各波形的电流平均值3、4 1 2、小3与电流有效值/1、/2、/3。图1-43晶闸管导电波形/d总刖由=*+l”0 2 7 1 7/m2兀解:a)b)C）4.上题中如果不考虑安全裕量，问1 0 0 A 的晶闸管能送出的平均电流口、4 2、413各为多少？这时，相应的电流最大值/m l、%2、各为多少？解：额定电流/T（AV）=100A的晶闸管，允许的电流有效值/=1 5 7 A,由上题计算结果知a)Am 3 2 9.3 5,0.4 7 6 7A n*0 2 7 1 7 忆 8 9.4 8b)2 3 2.9 0,0.6 7 4 14 1 2 a 0.5 4 3 4 仆 1 2 6.5 6c)-3=2/=3 1 4,/d 3=J 几=7 8.545.G T O 和普通晶闸管同为P N P N 结构，为什么G T O 能够自关断，而普通晶闸管不能？答：G T O 和普通晶闸管同为P N P N 结构，由P 1 N 1 P 2 和 N F2 N 2 构成两个晶体管M、V 2,分别具有共基极电流增益必和a 2，由普通晶闸管的分析可得，%+。2=1是器件临界导通的条件。%+。2 1，两个等效晶体管过饱和而导通；?+a2 V1，不能维持饱和导通而关断。G T O之所以能够自行关断，而普通晶闸管不能，是因为G TO与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同：1）G T O 在设计时a?较大，这样晶体管V 2 控制灵敏，易于G T O 关断；2）G T 0 导 通 时 的 更 接 近 于 1，普通晶闸管%+%2 1 1 5,而 G T O 则为名+0 2。1.0 5,G TO的饱和程度不深，接近于临界饱和，这样为门极控制关断提供了有利条件；3）多元集成结构使每个G TO元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P2 极区所谓的横向电阻很小，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。6.如何防止电力M O S F E T 因静电感应应起的损坏？答：电力M O S F E T 的栅极绝缘层很薄弱，容易被击穿而损坏。M O S F E T 的输入电容是低泄漏电容，当栅极开路时极易受静电干扰而充上超过2 0 的击穿电压，所以为防止M O S F E T 因静电感应而引起的损坏，应注意以下几点：一般在不用时将其三个电极短接；装配时人体、工作台、电烙铁必须接地，测试时所有仪器外壳必须接地;电路中，栅、源极间常并联齐纳二极管以防止电压过高 漏、源极间也要采取缓冲电路等措施吸收过电压。7.IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的驱动电路各有什么特点？答：IGBT驱动电路的特点是：驱动电路具有较小的输出电阻，IGBT是电压驱动型器件，IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。GTR驱动电路的特点是：驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿，并有一定的过冲，这样可加速开通过程，减小开通损耗，关断时，驱动电路能提供幅值足够大的反向基极驱动电流，并加反偏截止电压，以加速关断速度。G TO驱动电路的特点是：G TO要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够的幅值和陡度，且一般需要在整个导通期间施加正门极电流，关断需施加负门极电流，幅值和陡度要求更高，其驱动电路通常包括开通驱动电路，关断驱动电路和门极反偏电路三部分。电力MOSFET驱动电路的特点：要求驱动电路具有较小的输入电阻，驱动功率小且电路简单。8.全控型器件的缓冲电路的主要作用是什么？试分析R C D缓冲电路中各元件的作用。答：全控型器件缓冲电路的主要作用是抑制器件的内因过电压，d“/df或过电流和d i/d f,减小器件的开关损耗。RCD缓冲电路中，各元件的作用是：开通时，Cs经 尺放电，尺起到限制放电电流的作用；关断时，负载电流经VDs从Cs分流，使d“/dz减小，抑制过电压。9,试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。解：对 IGBT、GTR、GTO 和电力 MOSFET的优缺点的比较如下表：器 件优 点缺 点IGBT开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小开 关 速 度 低 于 电 力MOSFET,电压，电流容量不及GTOGTR耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO电压、电流容量大，适用于电流关断增益很小，关大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强断 时 门 极 负 脉 冲 电 流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低电 力MOSFET开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置第 2 章整流电路1.单相半波可控整流电路对电感负载供电，L=20mH,U2=100V,求当a=0。和 60。时的负载电流幻，并画出劭与 1 波形。解：a=0。时，在电源电压 2的正半周期晶闸管导通时，负载电感L 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L释放能量，晶闸管继续导通。因此，在电源电压曲的一个周期里，以下方程均成立：L=V2i/2 sin cot考虑到初始条件：当d=0 时力=0 可解方程得：,庖2 ,、id=-(1-cos cot)coL1 产收。2/1/j-I-(1-C O S C O t)d(d9/)2 1 力coL=也 =22.51(A)coL“d与 id的波形如下图：当a=60。时，在 由正半周期60。180。期间晶闸管导通使电感L 储能，电感 L 储藏的能量在u2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=叵U 2 sin cot考虑初始条件：当函=60。时=0 可解方程得:,E u,/、a)L 2其平均值为4 =丁 口 一-cos r)d(tyf)=11.25(A)2万5 aL 2 2coL此时d与id的波形如下图:2.图2-9为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，问该变压器还有直流磁化问题吗？试说明：晶闸管承受的最大反向电压为2同2；当负载是电阻或电感时，其输出电压和电流的波形与单相全控桥时相同。答：具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，该变压器没有直流磁化的问题。因为单相全波可控整流电路变压器二次测绕组中，正负半周内上下绕组内电流的方向相反，波形对称，其一个周期内的平均电流为零，故不会有直流磁化的问题。以下分析晶闸管承受最大反向电压及输出电压和电流波形的情况。以晶闸管VT2为例。当V导通时，晶闸管VT2通过V 1与2个变压器二次绕组并联，所以VT2承受的最大电压为2同2。当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角a相同时，对于电阻负载：(0 a)期间无晶闸管导通，输出电压为0；(a )期间，单相全波电路中V T i导通，单相全控桥电路中V T i、VT4导通，输出电压均与电源电压“2相等；(左 兀+a)期间，均无晶闸管导通，输出电压为0；(兀+a 2%)期间，单相全波电路中VT2导通，单相全控桥电路中VT2、VT3导通，输出电压等于-“2。对于电感负载：(a 江 +a)期间，单相全波电路中V T i 导通，单相全控桥电路中V T i、V T 4 导通，输出电压均与电源电压由相等；(左+a 2 兀+a)期间，单相全波电路中V T 2 导通，单相全控桥电路中V T 2、V T 3 导通，输出波形等于-由。可见，两者的输出电压相同，加到同样的负载上时，则输出电流也相同。3.单相桥式全控整流电路，S=1 0 0 V,负载中R=2 C,L值极大，当a=3 0 时,要求：作出“八 i d、和 的 波 形；求整流输出平均电压4、电流G 变压器二次电流有效值上；考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：如、小 和 i 2的波形如下图:输出平均电压“、电流/d，变压器二次电流有效值“分别为U d=0.9 t/2co s a=0.9X 100X co s 30=77.97(V)Id=Ud/?=77.97/2=38.99(A)12=Id=38.99(A)晶闸管承受的最大反向电压为：痣 2=100 贬=141.4(V)考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：UN=(2 3)X 141.4=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：/VT=/d/V 2=27.57(A)晶闸管的额定电流为：ZN=(1.5-2)X27.57/1.57=26-35(A)具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。4.单相桥式半控整流电路，电阻性负载，画出整流二极管在一周内承受的电压波形。解：注意到二极管的特点：承受电压为正即导通。因此，二极管承受的电压不会出现正的部分。在电路中器件均不导通的阶段，交流电源电压由晶闸管平衡。整流二极管在一周内承受的电压波形如下：5.单相桥式全控整流电路，U2=100V,负载中R=2Q,L值极大，反电势E=60V,当用30。时,要求:作 出 劭、Q和F的波形;求整流输出平均电压。八 电流41，变压器二次侧电流有效值孙 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：曲、和 的 波 形 如 下 图:整流输出平均电压Ud、电流出 变压器二次侧电流有效值A分别为Ud=0.9 U2 cosa=0.9X 100Xcos30=77.97(A)Id=(Ud-E)/R=(77.97-60)/2=9(A)h=ld 9(A)晶闸管承受的最大反向电压为：V 2 y 2=100V 2=141.4(V)流过每个晶闸管的电流的有效值为：/vT=，d/拒=6.36(A)故晶闸管的额定电压为：t/N=(2 3)X 141.4=283-424(V)晶闸管的额定电流为：ZN=(1.52)X6.36/1.57=6-8(A)晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。6.晶闸管串联的单相半控桥(桥中V、V T 2为晶闸管)，电路如图2-11所示，t/2=100V,电阻电感负载，R=2Q,L值很大，当2 6 0。时求流过器件电流的有效值，并作出，小 小i vT、五的波形。解：劭、小i vT、小的波形如下图：负载电压的平均值为：Z 同,s i n md 3)=0.9U,l+cos(/3)=67.5(V)兀七 2负载电流的平均值为：=U d/R=67.52/2=33.75(A)流过晶闸管V、V T 2的电流有效值为：1VT/i=19.49(A)流过二极管V D 3、V D 4的电流有效值为：|41=27.56(A)7.在三相半波整流电路中，如果a 相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流电压ud的波形。解：假设a=0。，当负载为电阻时，见的波形如下:当负载为电感时，劭的波形如下:8.三相半波整流电路，可以将整流变压器的二次绕组分为两段成为曲折接法，每段的电动势相同，其分段布置及其矢量如图2-60所示，此时线圈的绕组增加了一些，铜的用料约增加10%,问变压器铁心是否被直流磁化，为什么？图2-6 0变压器二次绕组的曲折接法及其矢量图答：变压器铁心不会被直流磁化。原因如下：变压器二次绕组在一个周期内：当a。对应的晶闸管导通时，a i的电流向下流，C2的电流向上流；当Cb2对应的晶闸管导通时，C1的电流向下流，b2的电流向上流；当b02对应的晶闸管导通时，b l的电流向下流，a2的电流向上流;就变压器的一次绕组而言，每一周期中有两段时间（各为120。）由电流流过，流过的电流大小相等而方向相反，故一周期内流过的电流平均值为零，所以变压器铁心不会被直流磁化。9.三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a、b两相的自然换相点是同一点吗？如果不是，它们在相位上差多少度？答：三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a、b两相之间换相的的自然换相点不是同一点。它们在相位上相差180。10.有两组三相半波可控整流电路，一组是共阴极接法，一组是共阳极接法，如果它们的触发角都是那末共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲对同一相来说，例如都是a相，在相位上差多少度？答：相差1 8 0。11.三相半波可控整流电路，t/2=1 0 0 V,带电阻电感负载，R=5 Q,L值极大，当用60。时，要求：画出“八 心和加1的波形；计算 Ud、41、/dT 和/vT解：性、id和，VT1的波形如下图:“1、/d、/dT和/VT分别如下t/d=1.1 7 t/2cosa=1.1 7 X 1 0 0 Xcos6 0 =5 8.5 (V)/d=U d/R=5 8.5/5 =1 1.7 (A)，dVT=/d/3=1 1.7/3=3.9 (A)RT=1有=6.7 5 5 (A)1 2 .在三相桥式全控整流电路中，电阻负载，如果有一个晶闸管不能导通,此时的整流电压劭波形如何？如果有一个晶闸管被击穿而短路，其他晶闸管受什么影响？答：假 设 不 能 导 通，整流电压劭波形如下：假设V被击穿而短路，则当晶闸管VT 3或VT 5导通时，将发生电源相间短路，使得VT 3、VT 5也可能分别被击穿。1 3 .三相桥式全控整流电路，t/2=1 0 0 V,带电阻电感负载，R=5 Q,L值极大，当8 6 0。时，要求：画出劭、id和Am的波形;计算 Ud、4 1、，dT 和，VT 解:d、id和ivT i的波形如下：U d、Id、，dT和，VT分别如下Ui=2.3 4(72COS2.3 4 X 1 0 0 X cos6 0 0 =1 1 7 (V)/d=Ud/R=U7/5=2 3.4 (A)，D VT=/d/3=2 3.4 /3=7.8 (A)/vT=/d/V3 =2 3.4/V3 =1 3.5 1 (A)1 4.单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1 Q,L=,E=4 0 V,t/2=1 0 0 V,LB=0.5 m H,当860。时求U d、与/的数值，并画出整流电压劭的波形。解：考虑LB时，有：U d=0.9 U 2 C osa 可 U d=2 X B/d/R/D=(ULE)/R解方程组得：Ud=(乃R 0.9 U 2 C O S O+2XBE)/(%R+2 XB)=4 4.5 5 (V)U d=0.4 5 5 (V)/d=4.5 5 (A)又，:cos a cos(a +/)=V2 /dXB/U2即得出cos(6 0 +/)=0.4 7 9 8换流重叠角/=6 1.3 3 -6 0 =1.3 3 最后，作出整流电压为的波形如下：1 5.三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，t/2=1 0 0 V,R=1 Q,L=8,LB=l m H,求当g 30。时、E=5 0 V时“、4/的值并作出劭与V T I和的波形。解：考虑LB时，有：U d=l1 7 U 2 C osa 一 U d=3 X B/d/2/d=(4后)/R解方程组得：U d=(L1 7 U 2 C O S O+3 XBE)/(2TTR+3XB)=9 4.6 3 (V)U d=6.7 (V)/d=4 4.6 3 (A)又,:cosa-cos(z +/)=2/dXB/7 6 Ui即得出cos(3 0 +/)=0.7 5 2换流重叠角y=4 1.2 8 -3 0 =1 1.2 8 d、ivT l和，VT 2的波形如下：1 6.三相桥式不可控整流电路，阻感负载，R=5Q,L=8,3=220V,XB=0.3Q,求Ud、9 RD、/2和7的值并作出d、ivD和72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a=0时的情况。Ud=2.34U2cos a Ud Ud=3XB/d/兀Id=Ud/R解方程组得：Ud=2.3402cos a/(1+3 XB/R)=486.9(V)/d=97.38(A)又:cosa cos(a+y)=2/XB/瓜 U?即得出cos/=0.892换流重叠角y=26.93二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为/vD=/d/3=97.38/3=32.46(A)12a=/d=79.51(A)d、，VD 1和i2 a的波形如卜：u.1 7.三相全控桥，反电动势阻感负载，E=2 0 0 V,R=1Q,L=8,U2=220V,用6 0。，当LB=O和LB=1H IH情况下分别求Ud、/d的值，后者还应求 并分别作出如与片的波形。解:当9=0时:t/d=2.3 4 t/2cosa=2.3 4 X2 2 0 Xcos6 0=2 5 7.4 (V)Ai=(46)/R=(2 5 7.4-2 0 0)/1=5 7.4 (A)当LB=l m H时U d=2.3 4 U 2 cos a U d U d=3 X B，d/n/d=(ULE)/R解方程组得：U d=(2.3 4 U 2 R c o s a+3 X B E)/(R +3 XB)=2 4 4.1 5 (V)/d=4 4.1 5 (A)U d=1 3.2 5 (V)又cosa cos(a +y)=2 XB/n/2,使U d为负值。2 7 .三相全控桥变流器，反电动势阻感负载，R=1Q ,L=8,U 2=2 2 0 V,LB=lmH,当EM=-4 0 0 V,分6 0。时 求“、4与7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：U d=2.3 4 U 2 c o s(n )一“U d=3 X B/d/Id=(ULEM)/R三式联立求解，得U d=2.3 4 it U2R CO S(n -)+3 XBEM/(乃 R +3 XB)=2 9 0.3 (V)/d=1 0 9.7 (A)由下式可计算换流重叠角：c o s a c o s(a+y)=2 XB4I/V 6 (7 2=0.1 2 7 9c o s(1 2 0 +/)=-0.6 2 7 97 =1 2 8.9 0。-1 2 0 =8.9 0。送回电网的有功功率为P=EMId-IR=4 0 0 X 1 0 9.7-1 0 9.72X 1 0 9.7 X 1=3 1.8 5(W)2 8.单相全控桥,反电动势阻感负载，R=1Q,L=8,f/2=1 0 0 V,L=0.5 m H,当 EM=-9 9 V,=6 0。时求 4、/d 和/的值。解：由题意可列出如下3个等式：U d=0.9 U 2 c o s(江-6)一 U d =2 X B/d/7 14 1=(U d-EM)/R三式联立求解，得Ud7tR 0.9/72CO S(7r-/3)+2XBEM/(T TR +2 XB)=-4 9.9 1 (V)/d=4 9.0 9 (A)又,:c o s a -c o s(a +/)=V 2 /dXB/(7 2=0.2 1 8 1即得出c o s(1 2 0 +/)=-0.7 1 8 1换流重叠角y=1 3 5.9 -1 2 0 =1 5.9 2 9.什么是逆变失败？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。3 0 .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0-1 8 0 ,当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是0 9 0。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 1 2 0,当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是0 90。3 1.三相全控桥，电动机负载，要求可逆，整流变压器的接法是D,y-5,采 用NPN锯齿波触发器，并附有滞后30。的R-C滤波器，决定晶闸管的同步电压和同步变压器的联结形式。解：整流变压器接法如下图所示以a相为例，%的120。对应于a=90。，此 时4=0,处于整流和逆变的临界点。该点与锯齿波的中点重合，即对应于同步信号的300。，所以同步信号滞后M a180,又因为R-C滤波已使同步信号滞后30,所以同步信号只要再滞后150就可以了。满足上述关系的同步电压相量图及同步变压器联结形式如下两幅图所示。各晶闸管的同步电压选取如下表:晶闸管VTiVT2VT3VT4VT5VT6同步电压一 sbsa一 scsb一 sa“sc第 3 章直流斩波电路1 .简述图3-l a 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6，由电源E向L、R、M供电，在此期间，u=E.然后使V关断一段时间f f f,此时电感L通过二极管VD向 R 和 M 供电，M o=0 o 一个周期内的平均电压Uo=xo输出电压小于电源电压，起到降压的作用。%+%f f2 .在图3-l a 所示的降压斩波电路中，已知E=2 0 0 V,R=1 0。，L值极大,EM=30V,T=5 0 S,%=2 0 S,计算输出电压平均值U。,输出电流平均值I。解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为U =&E =20 x200=8 0(V)T 5 0输出电流平均值为j R8 0-3 01 0=5(A)3 .在图3-l a 所示的降压斩波电路中，E=1 0 0 V,L=l m H,R=0.5 Q,EM=1 0 V,采用脉宽调制控制方式，T=2 0 s,当垢=5 s时，计算输出电压平均值U。，输出电流平均值10,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。当3=3 s 时，重新进行上述计算。解：由题目已知条件可得：m=EM =-1-0-=0.1.,E 1 0 0L 0.0 0 1 3 三X =-=0.0 0 2R 0.5当ton=5 s 时，有T=-=0.0 1o)9=0.0 0 2 5r由于如 _ 1 0,0025 _ -=0.2 4 9 /nep-l e(l0 -1所以输出电流连续。此时输出平均电压为小/=嗤2 5)输出平均电流为=25-10=3()(A)R0.5输出电流的最大和最小值瞬时值分别为-e-ap-m-0.0025-0.01 R(-0.0025 1e 1、e J l-0.1 I =30.19(A)0.5ea p-l-m1 J-0.1 出=29.81(A)0.5当除=3s 时，采用同样的方法可以得出:a Q=0.0015由于产 _ 1 z,0 015 _ 1-二 0 149/ep-e001-1所以输出电流仍然连续。此时输出电压、电流的平均值以及输出电流最大、最小瞬时值分别为:些=15(V)R(e-0.0015 一 a201 5-1 0八-=10(A)0.5-0.1=10.13(A)0.577U。=a =T、7min-0.0015 _ i-0 1e。一 =9.873(A)0.54.简述图3-2a所示升压斩波电路的基本工作原理。答：假设电路中电感L 值很大，电 容 C 值也很大。当 V 处于通态时，电 源 E向电感L 充电，充电电流基本恒定为八，同时电容。上的电压向负载R 供电，因。值很大，基本保持输出电压为恒值U。设 V 处于通态的时间为金，此阶段电感L 上积蓄的能量为E/,ron o 当 V 处于断态时E 和 L 共同向电容C 充电并向负载R提供能量。设 V 处于断态的时间为tof,则在此期间电感L释放的能量为(U-E)/ow。当电路工作于稳态时，一个 周 期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即：E k W-E)/%化简得：uo=Ln+.E=Eoff off式 中 的 输 出 电 压 高 于 电 源 电 压，故称该电路为升压斩波电路。5 .在 图3-2 a所示的升压斩波电路中,0,采用脉宽调制控制方式，当T=4 0”s,已知斤5 0V,/值 和C值极大，庐2 04=2 5 s时，计算输出电压平均值输出电流平均值小解：输出电压平均值为:。4 0-2 5x 5 0=1 3 3.3 (V)输出电流平均值为:Io-=6.6 6 7(A)R 2 06.试分别简述升降压斩波电路和C uk斩波电路的基本原理，并比较其异同点。答：升降压斩波电路的基本原理：当可控开关V处于通态时，电 源E经V向电感L供电使其贮存能量，此时电流为i 1,方向如图3-4中所示。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中贮存的能量向负载释放，电流为打 方向如图3-4所示。可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反。稳态时，一个周期T内电感L两端电压“L对时间的积分为零，即=0当V处于通态期间，UL=E；而 当V处于断态期间，ML=-MOO于是：E，%=U -toff所以输出电压为：改变导通比a,输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0 1/2时为降压，当1/2 1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。C uk斩波电路的基本原理：当V处于通态时，E LLV回路和RT2-CV回路分别流过电流。当V处于断态时，E L iC T D回路和R L 2V D回路分别流过电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。该电路的等效电路如图3-5 b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换。假设电容。很大使电容电压“c的脉动足够小时。当开关S合到B点时，B点电压B=0，A点电压u=M e；相反，当s合到A点时,B=Ue，A=0o因此，B点电压“B的平均值为UB=Uc（U e为电容电压“c的平均值），又因电感匕的电压平均值为零，所以E =UB=UC。另一方面，A点的电压平均值为=-争U e，且心的电压平均值为零，按图3-5 b中输出电压U。的极性，有U。=号U e。于是可得出输出电压4与电源电压E的关系：，。f f T Ton l-a两个电路实现的功能是一致的，均可方便的实现升降压斩波。与升降压斩波电路相比，C u k斩波电路有一个明显的优点，其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。7.试绘制S pe i c斩波电路和Z e t a斩波电路的原理图，并推导其输入输出关系。解:S e p i c电路的原理图如下：S e p i c斩波电路在V导通如期间，u“=EM.2=%在V关断如 期间UuE-u-ik.2=UO当电路工作于稳态时，电感乙、心的电压平均值均为零，则下面的式子成E ton+,EUQUC)toff=0Uc tL U。t)ff=0由以上两式即可得出Zeta电路的原理图如下：off在 V导通如期间，仇尸E况2=E-UC L U 在 V关断如 期间UlA U ciU.2=UO当电路工作于稳态时，电感乙、心的电压平均值均为零，则下面的式子成、/:E%+C 1 toff=0(E o U c 1)ton-U。to ff=0由以上两式即可得出l/0=-Eoff8.分析图3-7a所示的电流可逆斩波电路，并结合图3-7b的波形，绘制出各个阶段电流流通的路径并标明电流方向。解：电流可逆斩波电路中，2 和 VDi构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第1象限；V2和 VD2构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于第 2 象限。图3-7b中，各阶段器件导通情况及电流路径等如下：%导通，电源向负载供电：9.对于图3-8所示的桥式可逆斩波电路，若需使电动机工作于反转电动状态，试分析此时电路的工作情况，并绘制相应的电流流通路径图，同时标明电流流向。解：需使电动机工作于反转电动状态时，由 V3和 VD3构成的降压斩波电路工作，此时需要V2保持导通，与 V3和 VD3构成的降压斩波电路相配合。当V3导通时，电源向M 供电，使其反转电动，电流路径如下图：当V3关断时，负载通过VD3续流，电流路径如下图:1 0.多相多重斩波电路有何优点？答：多相多重斩波电路因在电源与负载间接入了多个结构相同的基本斩波电路,使得输入电源电流和输出负载电流的脉动次数增加、脉动幅度减小，对输入和输出电流滤波更容易，滤波电感减小。此外，多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波单元之间互为备用，总体可靠性提高。第4章 交流电力控制电路和交交变频电路1.-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a=0 时输出功率为最大值，试求功率为最大输出功率的8 0%,5 0%时的开通角a o解：a =0 口 寸的输出电压最大，为此时负载电流最大，为1 _ Uomax _1 omax-R-R因此最大输出功率为u2%=U o m/m a x =在输出功率为最大输出功率的8 0%时，有:P =0.8 Po m a x=也 反 火此时，u0=V o l t/,又由r rs i n 2a n一au 0=5 ,+V 2 7 t解得a =6 0.5 4 同理，输出功率为最大输出功率的5 0%时，有:U0=麻 J又由 s i n 2a n-a+V 2乃 兀a =9 0 2.一单相交流调压器，电源为工频2 2 0 V,阻感串联作为负载，其中R=0.5。，L=2 m H o 试求：开通角a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 a或 时，晶闸管电流有效值，晶闸管导通角和电源侧功率因数。解：负载阻抗角为：/L、/0 =a rct a n ()=a rct a n (R开通角a的变化范围为：2 x 5 0 x 2 x 1 0 3)=0.8 98 64=5 1.49。0.5(P a7i即0.8 98 64W a%当a =p时，输出电压最大，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为(2 2 0 Y巳=/丸/=/,R=37.5 32(K W)(JR-+(叫 2 J功率因数为丸 _ 1P*omax375 32 八 一-=0.62 2 7U J。2 2 0 x 2 73.98实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦，即cos 4 0.62 2 7a=工时，先计算晶闸管的导通角，由 式(4-7)得2-6nTTsin(-+e-0.8 98 64)=sin(-0.8 98 64)产2 2解上式可得晶闸管导通角为：8=2.375=1 36.1 也可由图4-3估计出6 的值。此时，晶 闸 管 电 流 有 效 值 为 _I _ U、L sin 0 cos(2 +(p+0)vT=7 z r2 2 0 v sin 2.375 义 C O SS+0.8 98 64+2.375).=t-X .2.3/3-=1 2 3.2(A)疡 X 0.8 0 3 V cos 0.8 98 64电源侧功率因数为U L其中:/。=鱼T=174.2(A)于是可得出4 一 逊 174.2?x05L -F J 7-220 x174.2=0.39593.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。4.什 么 是T C R,什么是TSC?它们的基本原理是什么？各有何特点？答：TCR是晶闸管控制电抗器。TSC是晶闸管投切电容器。二者的基本原理如下：TCR是利用电抗器来吸收电网中的无功功率（或提供感性的无功功率），通过对晶闸管开通角a角的控制，可以连续调节流过电抗器的电流，从而调节TCR从电网中吸收的无功功率的大小。TSC则是利用晶闸管来控制用于补偿无功功率的电容器的投入和切除来向电网提供无功功率（提供容性的无功功率）。二者的特点是：TCR只能提供感性的无功功率，但无功功率的大小是连续的。实际应用中往往配以固定电容器（FC）,就可以在从容性到感性的范围内连续调节无功功率。TSC提供容性的无功功率，符合大多数无功功率补偿的需要。其提供的无功功率不能连续调节，但在实用中只要分组合理，就可以达到比较理想的动态补偿效果。5.单相交交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路有什么不同？答：单相交交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路的电路组成是相同的，均由两组反并联的可控整流电路组成。但两者的功能和工作方式不同。单相交交变频电路是将交流电变成不同频率的交流电，通常用于交流电动机传动，两组可控整流电路在输出交流电压一个周期里，交替工作各半个周期,从而输出交流电。而直流电动机传动用的反并联可控整流电路是将交流电变为直流电，两组可控整流电路中哪一组工作并没有像交交变频电路那样的固定交替关系，而是由电动机工作状态的需要决定。6.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错 误！未指定书签。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。7.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。8三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。9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改善输入功率因