电力电子技术答案(王兆安第五版)bsxn.docx

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1、目 录第 1 章第 2 章第 3 章第 4 章第 5 章第 6 章第 7 章第 8 章电力电子子器件 11整流电路路 44直流斩波波电路 20交流电力力控制电电路和交交交变频频电路 226逆变电路路 31PWM 控制技技术 335软开关技技术 40组合变流流电路 42第1章电电力电子子器件1. 使使晶闸管管导通的的条件是是什么？答：使晶晶闸管导导通的条条件是：晶闸管管承受正正向阳极极电压，并并在门极极施加触触发电流流（脉冲冲）。或：uAAK00 且 uuGK00。2. 维维持晶闸闸管导通通的条件件是什么么？怎样样才能使使晶闸管管由导通通变为关关断？答：维持持晶闸管管导通的的条件是是使晶闸闸管的

2、电电流大于于能保持持晶闸管管导通的的最小电电流，即即维持电流。要使晶闸闸管由导导通变为为关断，可可利用外外加电压压和外电电路的作作用使流流过晶闸闸管的电电流降到接近于于零的某某一数值值以下，即即降到维维持电流流以下，便便可使导导通的晶晶闸管关关断。3. 图图 1-43 中阴影影部分为为晶闸管管处于通通态区间间的电流流波形，各各波形的的电流最最大值均均为Im，试试计算各各波形的的电流平平均值 Id11、Id2、Id3 与与电流有有效值 I1、I2、I3。0 420 4 542 022a)图 1-43b)晶闸管导导电波形形c)解：a)Id1=12I1=124( I m ssin tt) 2 dd

3、(t) =I m234+12 0.47667 IImb)1 I 2Id2 =I2 =1 222 I m234+12 0.67441Ic)Id3=1202 I mm d (t ) = 4 IImI3 =1220212Im4. 上上题中如如果不考考虑安全全裕量,问 1000A 的晶闸闸管能送送出的平平均电流流 Id11、Id2、Id3 各各为1I24 I m sintd (t ) = 2m ( 2 + 1 ) 0.2717 Im4 I m sintd (t ) = m ( 2 + 1 ) 0.5434 Im 4 ( I m sin t) d (t ) =1I m d (t) =多少？这这时，相相应

4、的电电流最大大值 IIm1、Im2、Im3 各各为多少少?解：额定定电流 I TT(AVV) =1000A 的的晶闸管管，允许许的电流流有效值值 I =1577A，由由上题计计算结果果知a)Im1 I0.47767 3229.335，Id1 0.27117 IIm1 899.488b)Im2 I0.677412322.900,Id2 0.54334 IIm2 1226.556c)Im3=2 II = 3144,Id3=14Im3=78.55. GGTO和和普通晶晶闸管同同为 PPNPNN结构，为什么么 GTTO能够够自关断断，而普通通晶闸管管不能？答：GTTO和普普通晶闸闸管同为为 PNNPN

5、结结构，由 P1N1P2和 N1P2N2构成两两个晶体体管 VV1、V2,分别具有共共基极电电流增益益1 和 22 ，由由普通晶晶闸管的的分析可可得，11 + 22 =11 是器器件临界界导通的条件。1 + 2 1，两个等效晶体管过饱和而导通；1 + 2 1，不能维持饱和导通而关断。GTO 之所以以能够自自行关断断，而普普通晶闸闸管不能能，是因因为 GGTO 与普通通晶闸管管在设计计和工艺方面面有以下下几点不不同：1) GGTO 在设计计时 22 较大大，这样样晶体管管 V2 控制制灵敏，易易于 GGTO 关断；2) GGTO 导通时时的 1 + 22 更接接近于 1，普普通晶闸闸管 1 +

6、22 1.15，而而 GTTO 则则为1 + 2 1.05，GTOO 的饱饱和程度度不深，接接近于临临界饱和和，这样样为门极极控制关关断提供供了有利利条件；3) 多多元集成成结构使使每个 GTOO 元阴阴极面积积很小，门门极和阴阴极间的的距离大大为缩短短，使得得P2 极极区所谓谓的横向向电阻很很小，从从而使从从门极抽抽出较大大的电流流成为可可能。6. 如如何防止止电力 MOSSFETT 因静静电感应应应起的的损坏？答：电力力 MOOSFEET 的的栅极绝绝缘层很很薄弱，容容易被击击穿而损损坏。MMOSFFET 的输入入电容是是低泄漏电容容，当栅栅极开路路时极易易受静电电干扰而而充上超超过 22

7、0 的的击穿电电压，所所以为防防止MOSFFET 因静电电感应而而引起的的损坏，应应注意以以下几点点： 一般般在不用用时将其其三个电电极短接接； 装配配时人体体、工作作台、电电烙铁必必须接地地，测试试时所有有仪器外外壳必须须接地； 电路路中，栅栅、源极极间常并并联齐纳纳二极管管以防止止电压过过高 漏、源源极间也也要采取取缓冲电电路等措措施吸收收过电压压。7. IIGBTT、GTRR、GTOO 和电电力 MMOSFFET 的驱动动电路各各有什么么特点？答：IGGBT 驱动电电路的特特点是：驱动电电路具有有较小的的输出电电阻，IIGBTT 是电电压驱动动型器件件，IGBTT 的驱驱动多采采用专用用

8、的混合合集成驱驱动器。2GTR 驱动电电路的特特点是：驱动电电路提供供的驱动动电流有有足够陡陡的前沿沿，并有有一定的的过冲，这样样可加速速开通过过程，减减小开通通损耗，关关断时，驱驱动电路路能提供供幅值足足够大的的反向基基极驱动电电流，并并加反偏偏截止电电压，以以加速关关断速度度。GTO 驱动电电路的特特点是：GTOO 要求求其驱动动电路提提供的驱驱动电流流的前沿沿应有足足够的幅幅值和陡度度，且一一般需要要在整个个导通期期间施加加正门极极电流，关关断需施施加负门门极电流流，幅值值和陡度要求求更高，其其驱动电电路通常常包括开开通驱动动电路，关关断驱动动电路和和门极反反偏电路路三部分分。电力 MM

9、OSFFET 驱动电电路的特特点：要要求驱动动电路具具有较小小的输入入电阻，驱驱动功率率小且电路简单单。8. 全全控型器器件的缓缓冲电路路的主要要作用是是什么？试分析析 RCCD 缓缓冲电路路中各元元件的作作用。答：全控控型器件件缓冲电电路的主主要作用用是抑制制器件的的内因过过电压，du/dt 或过电流和 di/dt，减小器件件的开关关损耗。RCD 缓冲电电路中，各各元件的的作用是是：开通通时，CCs 经 RRs 放电电，Rs 起到到限制放放电电流流的作用；关关断时，负负载电流流经 VVDs 从 CCs 分流流，使 du/dt 减小小，抑制制过电压压。9. 试试说明 IGBBT、GTRR、GT

10、OO 和电电力 MMOSFFET 各自的的优缺点点。解：对 IGBBT、GTRR、GTOO 和电电力 MMOSFFET 的优缺缺点的比比较如下下表：器 件优 点开关速度度高，开开关损耗耗小，具具有耐脉脉缺 点IGBTT冲电流冲冲击的能能力，通通态压降降较低， 开关速速度低于于电力 MOSSFETT,电输入阻抗抗高，为为电压驱驱动，驱驱动功率率 压，电电流容量量不及 GTOO小GTRGTO电 力MOSFFET耐压高，电电流大，开开关特性性好，通通流能力强，饱饱和压降降低电压、电电流容量量大，适适用于大大功率场场合，具有有电导调调制效应应，其通通流能力力很强开关速度度快，输输入阻抗抗高，热热稳定性

11、性好，所需需驱动功功率小且且驱动电电路简单，工作作频率高高，不存存在二次次击穿问问题开关速度度低，为为电流驱驱动，所所需驱动功率率大，驱驱动电路路复杂，存存在二次击击穿问题题电流关断断增益很很小，关关断时门门极负脉冲电电流大，开开关速度度低，驱驱动功率大大，驱动动电路复复杂，开开关频率低电流容量量小，耐耐压低，一一般只适适用于功率率不超过过 100kW 的电力力电子装置3第 2 章整流电路路1. 单单相半波波可控整整流电路路对电感感负载供供电，LL20mmH，U21000V，求求当0和 600时的负载载电流 Id，并画画出 uud 与 iid 波形形。解：0时，在在电源电电压 uu2 的正正半

12、周期期晶闸管管导通时时，负载载电感 L 储储能，在在晶闸管管开始导通时刻刻，负载载电流为为零。在在电源电电压 uu2 的负负半周期期，负载载电感 L 释释放能量量，晶闸闸管继续续导通。因因此，在在电源电电压 uu2 的一一个周期期里，以以下方程程均成立立：Ld iddd t= 2U 2 ssin tt考虑到初初始条件件：当tt0 时 iid0 可解解方程得得：id =2U 22L(1 cosst)I d =12=202U 22L2U 22L(1 cosst)d(t)=22.51(A)ud 与与 id 的波波形如下下图：u02 tu02 ti02 t当660时时，在 u2 正半半周期 60180

13、0期间晶晶闸管导导通使电电感 LL 储能能，电感感 L 储储藏的能量在 u2 负半半周期 18003000期间间释放，因因此在 u2 一个个周期中中 6003000期间间以下微微分方程程成立：Ld iddd t= 2U 2 ssin tt考虑初始始条件：当t60时 id0 可解解方程得得：id =2U 22 1L 24( cost)其平均值值为I d =125332U 22 1L 22U 222L=11.25(A)此时 uud 与 iid 的波波形如下下图：u0 u+ttit2图 2-99 为具具有变压压器中心心抽头的的单相全全波可控控整流电电路，问问该变压压器还有有直流磁磁化问题吗？试说明明

14、：晶闸管管承受的的最大反反向电压压为 22 2U 2 ；当负载载是电阻阻或电感感时，其输出电电压和电电流的波波形与单单相全控控桥时相相同。答：具有有变压器器中心抽抽头的单单相全波波可控整整流电路路，该变变压器没没有直流流磁化的的问题。因为单相相全波可可控整流流电路变变压器二二次测绕绕组中，正正负半周周内上下下绕组内内电流的的方向相反，波波形对称称，其一一个周期期内的平平均电流流为零，故故不会有有直流磁磁化的问问题。以下分析析晶闸管管承受最最大反向向电压及及输出电电压和电电流波形形的情况况。 以晶晶闸管 VT22 为例例。当 VT11 导通通时，晶晶闸管 VT22 通过过 VTT1 与 22 个

15、变变压器二二次绕组组并联，所所以 VVT2 承受受的最大大电压为为 2 22U 2 。 当单单相全波波整流电电路与单单相全控控桥式整整流电路路的触发发角 相相同时，对对于电阻阻负载：（0）期间间无晶闸闸管导通通，输出出电压为为 0；（）期期间，单单相全波波电路中中 VTT1 导通通，单相全控控桥电路路中 VVT1、VT4 导通通，输出出电压均均与电源源电压 u2 相等等；()期期间，均均无晶闸管管导通，输输出电压压为 00；( 2)期间间，单相相全波电电路中 VT22 导通通，单相相全控桥电路中中 VTT2、VT3 导通通，输出出电压等等于 u2。对于电感感负载：（ ）期期间，单单相全波波电路

16、中中 VTT1 导通通，单相相全控桥桥电路中中VT1、VT4 导通通，输出出电压均均与电源源电压 u2 相等等；（ 2）期期间，单单相全波波电路中 VVT2 导通通，单相相全控桥桥电路中中 VTT2、VT3 导通通，输出出波形等等于 u2。可见，两两者的输输出电压压相同，加加到同样样的负载载上时，则则输出电电流也相相同。5( cost)d(t) =3单相相桥式全全控整流流电路，U2100V，负载中 R2，L 值极大，当30时，要求：作出 uud、id、和 ii2 的波波形；求整流流输出平平均电压压 Ud、电流流 Id，变压压器二次次电流有有效值 I2；考虑安安全裕量量，确定定晶闸管管的额定定电

17、压和和额定电电流。解：uud、id、和 ii2 的波波形如下下图：uOutOiOiOIIttt输出平平均电压压 Ud、电流流 Id，变压压器二次次电流有有效值 I2 分别别为Ud00.9 U2 coos0.991000coss3077.97（V）IdUUd /R77.97/238.99（A）I2IId 388.999（A）晶闸管管承受的的最大反反向电压压为：2 U221000 22 1141.4（VV）考虑安全全裕量，晶晶闸管的的额定电电压为：UN（23）1411.428334224（V）具体数值值可按晶晶闸管产产品系列列参数选选取。流过晶闸闸管的电电流有效效值为：IVTId 2 27.57（

18、A）晶闸管的的额定电电流为：IN（1.522）277.5771.5572635（A）具体数值值可按晶晶闸管产产品系列列参数选选取。4单相相桥式半半控整流流电路，电电阻性负负载，画画出整流流二极管管在一周周内承受受的电压压波形。解：注意意到二极极管的特特点：承承受电压压为正即即导通。因因此，二二极管承承受的电电压不会会出现正正的部分。在在电路中中器件均均不导通通的阶段段，交流流电源电电压由晶晶闸管平平衡。整流二极极管在一一周内承承受的电电压波形形如下：6u02tu0u0tt5单相相桥式全全控整流流电路，U2=100V，负载中 R=2，L 值极大，反电势 E=60V，当=30时时，要求求： 作出出

19、 ud、id 和 ii2 的波波形； 求整整流输出出平均电电压 UUd、电流流 Id，变压压器二次次侧电流流有效值值 I2； 考虑虑安全裕裕量，确确定晶闸闸管的额额定电压压和额定定电流。解：uud、id 和 ii2 的波波形如下下图：uOu tOiI tOiII tO t整流输输出平均均电压 Ud、电流流 Id，变压压器二次次侧电流流有效值值 I2 分别别为Ud00.9 U2 coos0.991000coss3077.97(A)Id (UdE)/R(777.97760)/29(AA)I2IId 9(A)晶闸管管承受的的最大反反向电压压为：2 U221000 2 1411.4（V）流过每个个晶闸

20、管管的电流流的有效效值为：IVTId 22 6.36（A）故晶闸管管的额定定电压为为：UN(233)1411.428334224（V）7晶闸管的的额定电电流为：IN(1.552)6.3361.557688（A）晶闸管额额定电压压和电流流的具体体数值可可按晶闸闸管产品品系列参参数选取取。6. 晶晶闸管串串联的单单相半控控桥（桥桥中 VVT1、VT2 为晶晶闸管），电电路如图图 2-11 所示，U2=100V，电阻电感感负载，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 的波波形。解：udd、id、iVT、iD 的波波形如下下图：uO2tuOiIti OI

21、tiOO+Itt负载电压压的平均均值为：U d =132U 22 siin td(t) = 0.9U 21 + coos( / 33)267.5（VV）负载电流流的平均均值为：IdUUdR67.52233.75（A）流过晶闸闸管 VVT1、VT2 的电电流有效效值为：IVT13Id119.449（A）流过二极极管 VVD3、VD4 的电电流有效效值为：IVD23Id227.556（A）7. 在在三相半半波整流流电路中中，如果果 a 相相的触发发脉冲消消失，试试绘出在在电阻性性负载和和电感性性负载下整整流电压压 ud 的波波形。解：假设设 = 0 ，当当负载为为电阻时时，ud 的波波形如下下：8

22、uOuOuuuuuu t t当负载为为电感时时，ud的波形形如下：uOuOuuuuuu t t8三相相半波整整流电路路，可以以将整流流变压器器的二次次绕组分分为两段段成为曲曲折接法法，每段段的电动势势相同，其其分段布布置及其其矢量如如图 22-600 所示示，此时时线圈的的绕组增增加了一一些，铜铜的用料约增加加 100%，问问变压器器铁心是是否被直直流磁化化，为什什么？ABCCNnBNAabcccabcanbab图 2-60变压器二二次绕组组的曲折折接法及及其矢量量图答：变压压器铁心心不会被被直流磁磁化。原原因如下下：变压器二二次绕组组在一个个周期内内：当 a1c2 对应应的晶闸闸管导通通时，

23、aa1 的电电流向下下流，cc2 的电流向上上流；当当 c1b2 对应应的晶闸闸管导通通时，cc1 的电电流向下下流，bb2 的电电流向上上流；当当 b1a2 对应的晶闸闸管导通通时，bb1 的电电流向下下流，aa2 的电电流向上上流；就就变压器器的一次次绕组而而言，每每一周期中有有两段时时间（各各为 1120）由由电流流流过，流流过的电电流大小小相等而而方向相相反，故故一周期期9内流过的的电流平平均值为为零，所所以变压压器铁心心不会被被直流磁磁化。9三相相半波整整流电路路的共阴阴极接法法与共阳阳极接法法，a、b 两相相的自然然换相点点是同一一点吗？如果果不是，它它们在相相位上差差多少度度？答

24、：三相相半波整整流电路路的共阴阴极接法法与共阳阳极接法法，a、b 两相相之间换换相的的的自然换换相点不不是同一点点。它们们在相位位上相差差 1880。10有有两组三三相半波波可控整整流电路路，一组组是共阴阴极接法法，一组组是共阳阳极接法法，如果果它们的触发发角都是是，那末末共阴极极组的触触发脉冲冲与共阳阳极组的的触发脉脉冲对同同一相来来说，例例如都是 aa 相，在在相位上上差多少少度？答：相差差 1880。11三三相半波波可控整整流电路路，U2=1000V，带带电阻电电感负载载，R=5，L 值极极大，当当=600时，要求求： 画出出 ud、id 和 iiVT11 的波波形； 计算算 Ud、Id

25、、IdT 和和 IVTT。解：uud、id 和 iiVT11 的波波形如下下图：uO =300uuutuOuuuti1OiOttUd、Id、IdT 和和 IVTT 分别别如下Ud11.177U2coss1.1171000coss60588.5（V）IdUUdR58.5511.7（A）IdVTTId311.733.99（A）IVTId 3 6.7755（A）12在在三相桥桥式全控控整流电电路中，电电阻负载载，如果果有一个个晶闸管管不能导导通，此此时的整整10流电压 ud 波形形如何？如果有有一个晶晶闸管被被击穿而而短路，其其他晶闸闸管受什什么影响响？答：假设设 VTT1 不能能导通，整整流电压压

26、 ud 波形形如下：uOt假设 VVT1 被击击穿而短短路，则则当晶闸闸管 VVT3 或 VVT5 导通通时，将将发生电电源相间间短路，使使得VT3、VT5 也可可能分别别被击穿穿。13三三相桥式式全控整整流电路路，U2=1000V，带带电阻电电感负载载，R=5，L 值极极大，当当=600时，要求求： 画出出 ud、id 和 iiVT11 的波波形； 计算算 Ud、Id、IdT 和和 IVTT。解：uud、id 和 iiVT11 的波波形如下下： = 660u uuuOttuOiOi1Ou u u uu u uu u uutttUd、Id、IdT和 IVTT分别如如下Ud22.344U2cos

27、s2.3341000coss601117（VV）IdUUdR111755233.4（AA）IDVTTId323.4337.88（A）IVTId 3 23.4 3 13.51（A）1114单单相全控控桥，反反电动势势阻感负负载，RR=1，L=，EE=400V，U2=1000V，LB=0.5mHH，当=600时求 UUd、Id 与 的的数值，并并画出整整流电压压 ud 的波波形。解：考虑虑 LB 时，有有：Ud00.9UU2cossUdUd2XBIdId（UdE）R解方程组组得：Ud（R 0.9U2coss2XBE）（R2XB）444.555（VV）Ud0.4455（VV）Id44.555（A）又

28、cos ccos( + ) 2 II d XX B U2即得出cos(60 + ) =0.447988换流重叠叠角 661.333 600=1.33最后，作作出整流流电压 Ud 的波波形如下下：uOutOt15三三相半波波可控整整流电路路，反电电动势阻阻感负载载，U2=1000V，R=1，L=，LLB=1mmH，求当=330时、E=500V 时时 Ud、Id、 的值值并作出出 ud 与 iiVT11 和 iiVT22 的波波形。解：考虑虑 LB 时，有有：Ud11.177U2cossUdUd3XBId2Id（UdE）R解方程组组得：Ud（R 1.17UU2coss3XBE）（22R3XB）99

29、4.663（VV）Ud6.77（V）Id444.663（AA）又12cos ccos( + ) 2 I dd X BB 66 U2即得出cos(30 + ) =0.7752换流重叠叠角 441.228 300=111.288ud、iiVT11 和 iiVT22 的波波形如下下：uuuuOuuuuOiItOiOItt16三三相桥式式不可控控整流电电路，阻感负负载，R=5，L=，UU2=2220V，XB=0.3，求Ud、IId、IVD、I2和的值并并作出 ud、iVD和 i2的波形形。解：三相相桥式不不可控整整流电路路相当于于三相桥桥式可控控整流电电路0时的的情况。Ud22.344U2cossUd

30、Ud3XBIdIdUUdR解方程组组得：Ud22.344U2coss（13XB/R）4486.9（VV）Id997.338（AA）又cos ccos( + ) 2 I dd X BB 66 U2即得出cos =0.8922换流重叠叠角 266.93313二极管电电流和变变压器二二次测电电流的有有效值分分别为IVDId397.383332.446（AA）ud、iiVD11和 i2aa的波形形如下：I2a23Id779.551（AA）uO tuuutuOiu uu u u uu u uuItOiOItt17三三相全控控桥，反反电动势势阻感负负载，EE=2000V，R=1，L=，UU2=2220V，

31、=600，当LBB=0 和和LB=1mmH 情情况下分分别求 Ud、Id 的值值，后者者还应求求 并分分别作出出 ud 与 iiT 的波波形。解：当当 LB0 时：Ud22.344U2coss2.334220coss602577.4（V）Id（UdE）R（2557.442000）157.4（A）当 LLB1mHH 时Ud22.344U2cossUdUd3XBIdId（UdE）R解方程组组得：Ud（2.34U2R coos3XBE）（R3XB）2244.15（VV）Id444.115（AA）Ud13.25（VV）又 ccos ccos( + ) 2XBId 6 UU2cos(60 + ) 0.4

32、44855633.3556603.33514ud、IIVT11 和 IIVT22 的波波形如下下：uOuuutuOiOiOu uIu u u uu u uuIttt18单单相桥式式全控整整流电路路，其整整流输出出电压中中含有哪哪些次数数的谐波波？其中中幅值最最大的是哪一一次？变变压器二二次侧电电流中含含有哪些些次数的的谐波？其中主主要的是是哪几次次？答：单相相桥式全全控整流流电路，其其整流输输出电压压中含有有 2k（k=1、2、3）次次谐波，其其中幅值最大的的是 22 次谐谐波。变变压器二二次侧电电流中含含有 22k1（k1、2、3）次即即奇次谐谐波，其中主要要的有 3 次次、5 次谐谐波。1

33、9三三相桥式式全控整整流电路路，其整整流输出出电压中中含有哪哪些次数数的谐波波？其中中幅值最最大的是哪一一次？变变压器二二次侧电电流中含含有哪些些次数的的谐波？其中主主要的是是哪几次次？答：三相相桥式全全控整流流电路的的整流输输出电压压中含有有 6k（k1、2、3）次的的谐波，其其中幅值最大大的是 6 次次谐波。变变压器二二次侧电电流中含含有 66k1(k=1、2、3)次的的谐波，其其中主要的是是 5、7 次谐谐波。20试试计算第第 3 题题中 ii2 的 33、5、7 次谐谐波分量量的有效效值 II23、I25、I27。解：在第第 3 题题中已知知电路为为单相全全控桥，其其输出电电流平均均值为Id338.999（A）于是可得得：I232 2 IId32 2 38.99311.7（AA）I252 22 Id52 2 38.9957.002（AA）I272 22 Id72 2 38.9975.