2022年电力电子技术课后答案精简版 .pdf

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1、电力电子技术第五版机械工业出版社课后习题答案第二章 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：uAK0 且 uGK0。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 1-43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

2、电流平均值Id1、Id2、Id3与电流有效值 I1、I2、I3。0022244254a)b)c)图1-430图 1-43 晶闸管导电波形解：a) Id1=214)(sinttdIm=2mI(122) 0.2717 ImI1=42)()sin(21tdtIm=2mI21430.4767 Imb) Id2 =14)(sinttdIm=mI(122)0.5434 ImI2 =42)()sin(1tdtIm=22mI21430.6741Imc) Id3=2120)( tdIm=41Im精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 18 页2

3、I3 =202)(21tdIm=21Im4. 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、Id2、Id3各为多少？这时，相应的电流最大值Im1、Im2、Im3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) Im14767.0I329.35，Id10.2717 Im189.48 b) Im26741.0I232.90, Id20.5434 Im2126.56 c) Im3=2 I = 314, Id3=41Im3=78.5 第 3 章整流电路3单相桥式全控整流电路， U2100V，负载中 R2，

4、L 值极大，当30时，要求：作出ud、id、和 i2的波形；求整流输出平均电压Ud、电流 Id，变压器二次电流有效值I2；考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解： ud、id、和 i2的波形如下图：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 18 页3 u2OtOtOtudidi2OtIdId输出平均电压Ud、电流 Id，变压器二次电流有效值I2分别为Ud0.9 U2 cos 0.9100cos3077.97（V）IdUd/ R77.97/ 238.99（A）I2Id38.99（A）晶闸管承受的最大反向电压为：2U2100

5、2141.4（V）考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：UN（23）141.4283424（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：IVTId227.57（A）晶闸管的额定电流为：IN（1.52）27.571.572635（A）具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。5单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中 R=2，L 值极大，反电势 E=60V，当=30 时，要求： 作出 ud、id和 i2的波形； 求整流输出平均电压Ud、电流 Id，变压器二次侧电流有效值I2； 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解： ud、id和 i2的波形如下图：精选学习资料 - -

6、 - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 18 页4 u2OtOtOtudidi2OtIdIdId整流输出平均电压Ud、电流 Id，变压器二次侧电流有效值I2分别为Ud0.9 U2 cos0.9100cos3077.97(A) Id(UdE)/R(77.9760)/29(A) I2Id9(A) 晶闸管承受的最大反向电压为：2U21002141.4（V）流过每个晶闸管的电流的有效值为：IVTId 26.36（A）故晶闸管的额定电压为：UN(23)141.4283424 （V）晶闸管的额定电流为：IN(1.52)6.361.5768（A）晶闸管额定电压和

7、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 VT1、VT2为晶闸管），电路如图 2-11 所示， U2=100V，电阻电感负载， R=2，L 值很大，当=60 时求流过器件电流的有效值，并作出ud、id、iVT、iD的波形。解：ud、id、iVT、iD的波形如下图：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 18 页5 u2OtOtOtudidOtOtIdIdIdiVT1iVD2负载电压的平均值为：2)3/cos(19.0)(dsin21232dUttUU67.5（V）负载电流的平均值为：IdUd

8、R67.52233.75（A）流过晶闸管 VT1、VT2的电流有效值为：IVT31Id19.49（A）流过二极管 VD3、VD4的电流有效值为：IVD32Id27.56（A）11三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5，L 值极大，当=60 时，要求：画出 ud、id和 iVT1的波形；计算 Ud、Id、IdT和 IVT。解： ud、id和 iVT1的波形如下图：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 18 页6 uduaubucidOtOtOtiVT1=30u2uaubucOtUd、Id、IdT和 IVT分

9、别如下Ud1.17U2cos 1.17100cos6058.5（V）IdUdR58.5511.7（A）IdVTId311.733.9（A）IVTId36.755（A）13三相桥式全控整流电路， U2=100V，带电阻电感负载， R=5，L 值极大，当=60 时，要求：画出 ud、id和 iVT1的波形；计算 Ud、Id、IdT和 IVT。解： ud、id和 iVT1的波形如下：= 60u2uduabuacubcubaucaucbuabuacuaubucOtt1OtidtOtOiVT1Ud、Id、IdT和 IVT分别如下精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - -

10、- - - -第 6 页，共 18 页7 Ud2.34U2cos 2.34100cos60117（V）IdUdR117523.4（A）IDVTId323.437.8（A）IVTId323.4313.51（A）14单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1，L=，E=40V，U2=100V，LB=0.5mH，当=60 时求 Ud、Id与的数值，并画出整流电压 ud的波形。解：考虑 LB时，有：Ud0.9U2cos UdUd2XBIdId（UdE）R解方程组得：Ud（ R 0.9U2cos2XBE）（ R2XB）44.55（V）Ud0.455（V）Id4.55（A）又cos)cos(2BdXIU2即得出

11、)60cos(=0.4798 换流重叠角 61.33 60=1.33最后，作出整流电压Ud的波形如下：OtOtudu215三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，U2=100V，R=1，L=，LB=1mH，求当=30 时、E=50V 时 Ud、Id、 的值并作出 ud与 iVT1和 iVT2的波形。解：考虑 LB时，有：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 18 页8 Ud1.17U2cosUdUd3XBId2Id（UdE）R解方程组得：Ud（ R 1.17U2cos3XBE）（ 2R3XB）94.63（V）Ud6.7（V）I

12、d44.63（A）又cos)cos(2BdXI6U2即得出)30cos(=0.752 换流重叠角 41.28 30=11.28ud、iVT1和 iVT2的波形如下：udiVT1tOtOIduaubuciVT2tOIdOuaubucu216三相桥式不可控整流电路，阻感负载，R=5， L=，U2=220V，XB=0.3，求 Ud、Id、IVD、I2和的值并作出 ud、iVD和i2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0时的情况。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 18 页9 Ud2.34U2cosUdUd

13、3XBIdIdUdR解方程组得：Ud2.34U2cos（13XB/R）486.9（V）Id97.38（A）又cos)cos(2BdXI6U2即得出cos=0.892 换流重叠角26.93二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为IVDId397.38332.46（A）I2a32Id79.51（A）ud、iVD1和 i2a的波形如下：u2udiVD1tOtOtOtOuaubuct1uabuacubcubaucaucbuabuaci2aIdId17三相全控桥，反电动势阻感负载，E=200V，R=1，L=，U2=220V， =60 ，当 LB=0 和LB=1mH 情况下分别求 Ud、Id的值，后者还

14、应求并分别作出 ud与 iT的波形。解：当 LB0 时：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 18 页10 Ud2.34U2cos2.34220cos60257.4（V）Id（UdE）R（257.4200）157.4（A）当 LB1mH 时Ud2.34U2cosUdUd3XBIdId（UdE）R解方程组得：Ud（2.34U2R cos3XBE）（ R3XB）244.15（V）Id44.15（A）Ud13.25（V）又cos)cos(2XBId6U2)60cos(0.4485 63.35603.35ud、IVT1和 IVT2的波

15、形如下：u2udiVT1tOtOtOuaubucuabuacubcubaucaucbuabuacIdiVT2tOId23 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有何主要异同？答：带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有以下异同点：三相桥式电路是两组三相半波电路串联，而双反星形电路是两精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 18 页11 组三相半波电路并联，且后者需要用平衡电抗器；当变压器二次电压有效值U2相等时，双反星形电路的整流电压平均值 Ud是三相桥式电路的1/2，而整流电流平均

16、值Id是三相桥式电路的 2 倍。在两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系是一样的，整流电压 ud和整流电流 id的波形形状一样。24整流电路多重化的主要目的是什么？答：整流电路多重化的目的主要包括两个方面，一是可以使装置总体的功率容量大，二是能够减少整流装置所产生的谐波和无功功率对电网的干扰。2512 脉波、 24 脉波整流电路的整流输出电压和交流输入电流中各含哪些次数的谐波？答：12 脉波电路整流电路的交流输入电流中含有11 次、13 次、23次、25次等即 12k 1、 （k=1，2，3 ）次谐波，整流输出电压中含有 12、24 等即 12k（k=1，2，3 ）次谐波。24 脉波整流

17、电路的交流输入电流中含有23 次、25 次、47 次、49 次等，即 24k 1（k=1，2，3 ）次谐波，整流输出电压中含有24、48 等即 24k（k=1，2，3 ）次谐波。26使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么？答：条件有二：直流侧要有电动势， 其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流电路直流侧的平均电压；要求晶闸管的控制角/2，使 Ud为负值。27三相全控桥变流器，反电动势阻感负载，R=1， L=，U2=220V，LB=1mH，当 EM=- 400V， =60 时求 Ud、Id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：Ud2.34U2cos()Ud

18、Ud3XBIdId（UdEM）R精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 18 页12 三式联立求解，得Ud2.34U2R cos()3XBEM(R3XB)290.3（V）Id109.7（A）由下式可计算换流重叠角：cos)cos(2XBId6U20.1279 )120cos( 0.6279 128.90 120 8.90送回电网的有功功率为P=RIIEddM2|=400109.7-109.72109.71=31.85(W) 28单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1，L=，U2=100V，L=0.5mH，当 EM=-99V， =

19、60 时求 Ud、Id和 的值。解：由题意可列出如下3 个等式：Ud0.9U2cos(-)UdUd2XBIdId（UdEM）R三式联立求解，得UdR 0.9U2cos(-)2XBEM（ R2XB）49.91（V）Id49.09（A）又cos)cos(2BdXIU2=0.2181 即得出)120cos(=- 0.7181 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

20、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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 18 页13 第 5 章直流-直流变流电路2在图 5-1a 所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10，L 值极大， EM=30V，T=50s,ton=20s, 计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。解：由于 L 值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为Uo=ETton=5020020=80(V) 输出电流平均值为Io =REUMo-=103080=5(A) 5 在图

21、 5-2a 所示的升压斩波电路中，已知E=50V ，L值和C值极大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当T=40s，ton=25s 时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。解：输出电压平均值为：Uo =EtToff=50254040=133.3(V) 输出电流平均值为：Io =RUo=203.133=6.667(A) 6试分别简述升降压斩波电路和Cuk 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i1，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，

22、使 V 关断，电感 L 中贮存的能量向负载释放，电流为i2，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 uL对时间的积分为零，即Ttu0L0d当 V 处于通态期间， uL = E；而当 V 处于断态期间， uL = - uo。于是：offoontUtE精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 18 页14 所以输出电压为：EEtTtEttU1ononoffono改变导通比， 输出电压既可以比电源电压高， 也可以比电源电压低。当 01/2 时为降压，当 1/2

23、1 时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。Cuk斩波电路的基本原理： 当 V 处于通态时，EL1V 回路和 RL2CV 回路分别流过电流。 当 V 处于断态时， EL1CVD回路和 RL2VD 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5-5b 所示，相当于开关S在 A、B 两点之间交替切换。假设电容 C 很大使电容电压uC的脉动足够小时。当开关S 合到B 点时， B 点电压 uB=0，A 点电压 uA= - uC；相反，当 S合到 A 点时，uB= uC，uA=0。因此， B 点电压 uB的平均值为CoffBUTtU（UC为电容电压uC的平均值），又因电感

24、L1的电压平均值为零，所以CoffBUTtUE。另一方面， A 点的电压平均值为ConAUTtU，且 L2的电压平均值为零， 按图 5-5b 中输出电压 Uo的极性，有ConoUTtU。于是可得出输出电压Uo与电源电压 E 的关系：EEtTtEttU1ononoffono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，Cuk 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 Speic 斩波电路和 Zeta 斩波电路的原理图，并推导其输入输出关系。解：Sepic 电路的原理图如下：RVDa)Vi1L

25、1C1uC1i2L2C2uouL1uL2E精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 18 页15 Sepic 斩波电路在 V导通ton期间，uL1=EuL2= uC1在 V关断toff期间uL1E uouC1 uL2= uo当电路工作于稳态时，电感L1、L2的电压平均值均为零，则下面的式子成立E ton + (E uouC1) toff =0 uC1 tonuo toff=0 由以上两式即可得出Uo=Ettoffon Zeta电路的原理图如下：RVDEVi1C1L1uoC2L2uL1uL2uC1在 V导通ton期间，uL1= E

26、uL2= EuC1uo在 V关断toff期间uL1uC1 uL2= uo当电路工作于稳态时，电感L1、L2的电压平均值均为零，则下面的式子成立E ton + uC1 toff =0 (E uouC1) tonuo toff=0 由以上两式即可得出Uo=Ettoffon8分析图 3-7a所示的电流可逆斩波电路，并结合图3-7b 的波精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 18 页16 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， V1和 VD1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

27、，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：V1导通，电源向负载供电：ELV1VD1uoioV2VD2EMMR V1关断， VD1续流：ELV1VD1uoioV2VD2EMMR V2导通，L上蓄能：ELV1VD1uoioV2VD2EMMR V2关断， VD2导通，向电源回馈能量ELV1VD1uoioV2VD2EMMR第 6 章交流-交流变流电路3 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

28、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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 18 页17 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

29、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。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

30、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

31、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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 18 页18 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

32、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。第 7 章PWM 控制技术1试说明 PWM 控制的基本原理。答：PWM 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制， 来等效地获得所需要波形 （含形状和幅值）。在采样控制理论中有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理以正弦 PWM 控制为例。把正弦半波分成N 等份，就可把其看成是 N 个彼此相连的脉冲

33、列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到 PWM 波形。各 PWM 脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM 波形。可见，所得到的 PWM 波形和期望得到的正弦波等效。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 18 页