电力电子技术习题与解答.docx

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电力电子技术习题与解答

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U2相同；

（2）负载两端电压为U2，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U2。

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α=0，T2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Ud与Id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Id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不等于负载有功功率。

因为负载上的电压、电流是非正弦波，除了直流Ud与Id外还有谐波分量和，负载上有功功率为>。

相控整流电路带大电感负载时，虽然Ud存在谐波，但电流是恒定的直流，故负载电阻Rd上的Ud与Id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60V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220V交流直接供电当时：

Udo=0.45U2=0.45220=99V

由变压器降压到60V供电当时：

Ud=0.45U2=0.4560=27V

因此，只要调节都可以满足输出0~24V直流电压要求。

（1）采用由220V交流直接供电时：

，

Ud==24V时　　

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

电源提供视在功率

电源侧功率因数

（2）采用变压器降压到60V供电：

，

Ud==24V时　　,

取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为168.8V和65.4A。

变压器二次侧有功功率

变压器二次侧视在功率

电源侧功率因数

2.7某电阻性负载，Rd=50Ω,要求Ud在0~600V可调，试用单相半波和单相全控桥两种整流电路来供给，分别计算：

（1）晶闸管额定电压、电流值；

（2）连接负载的导线截面积（导线允许电流密度j=6A／mm2）；

（3）负载电阻上消耗的最大功率。

解：

（1）单相半波时,,

晶闸管的最大电流有效值

晶闸管额定电流为IT（AV）12（A）

晶闸管承受最大电压为=1885V

取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为4000V和30A。

所选导线截面积为

负载电阻上最大功率

（2）单相全控桥时,,

负载电流有效值（Kf=1.11）

晶闸管的额定电流为IT（AV）6（A）IT=

晶闸管承受最大电压为=1885V

取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为4000V和20A。

所选导线截面积为

负载电阻上最大功率

2.8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α=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U2=220V，分别计算其输出直流电压值Ud。

（3）画出电阻性负载α=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：

感性负载：

（3）其波形如下图所示，晶闸管承受的最大反向电压为。

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ud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15°处，触发脉冲宽度为10°时，不能触发晶闸管，ud=0。

触发脉冲宽度为15°时，能触发晶闸管，其波形图相当于α=0°时的波形。

2.10三相半波相控整流电路带大电感负载，Rd=10Ω，相电压有效值U2=220V。

求α=45°时负载直流电压Ud、流过晶闸管的平均电流IdT和有效电流IT，画出ud、iT2、uT3的波形。

解：

1.17

因为：

220V，

Ud=1.17=182V

ud、iT2、uT3波形图如下所示：

2.11在图题2.11所示电路中，当α=60°时，画出下列故障情况下的ud波形。

（1）熔断器1FU熔断。

（2）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）

（b）

（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40A，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

单相半波：

IdT=Id=40A

（Kf=1.57）

单相桥式：

IdT=Id=20A

三相半波：

IdT=Id=13.3A

当时Ud=1.17UU=Ud/1.17

时

2.13三相全控桥式整流电路带大电感负载，负载电阻Rd=4Ω，要求Ud从0~220V之间变化。

试求：

（1）不考虑控制角裕量时，整流变压器二次线电压。

（2）计算晶闸管电压、电流值，如电压、电流取2倍裕量，选择晶闸管型号。

解：

（1）因为Ud=2.34U；不考虑控制角裕量，时

（2）晶闸管承受最大电压为

取2倍的裕量,URM=460.6V

晶闸管承受的平均电流为IdT=Id

又因为

所以IdT=18.33A，取2倍的裕量IdTmax=36.67（A）

选择KP50—5的晶闸管。

2.14单结晶体管触发电路中，作为Ubb的削波稳压管两端如并接滤波电容，电路能否正常工作?

如稳压管损坏断开，电路又会出现什么情况?

答：

在稳压管两端如并接滤波电容后，电路能否正常工作。

如稳压管损坏断开，单结晶体管上峰值电压太高，不利于单结晶体管工作。

2.15三相半波相控整流电路带电动机负载并串入足够大的电抗器，相电压有效值U2=220V，电动机负载电流为40A，负载回路总电阻为0.2Ω，求当α=60°时流过晶闸管的电流平均值与有效值、电动机的反电势。

解：

电流平均值为：

IdT=Id=40/3=13.3

电流有效值为：

设电动机的反电势为ED，则回路方程为：

而

所以

2.16三相全控桥电路带串联Ld的电动机负载，已知变压器二次电压为100V，变压器每相绕组折合到二次侧的漏感L1为100μH，负载电流为150A，求：

（1）由于漏抗引起的换相压降；

（2）该压降所对应整流装置的等效内阻及α=0°时的换相重叠角。

解：

（1）

（2）

等效内阻

2.17晶闸管装置中不采用过电压、过电流保护，选用较高电压和电流等级的晶闸管行不行?

答：

晶闸管装置中必须采用过电压、过电流保护，而不能用高电压、高电流的晶闸管代替，因为在电感性负载装置中，晶闸管在开关断过程中，可能会出现过冲阳极电压，此时极易损坏晶闸管。

当未采取过电流保护，而电路过载或短路时更易损坏晶闸管。

2.18什么是有源逆变？

有源逆变的条件是什么？

有源逆变有何作用？

答：

如果将逆变电路交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电，反送到电网上去称为有源逆变。

有源逆变的条件：

（1）一定要有直流电动势，其极性必须与晶闸管的导通方向一致，其值应稍大于变流器直流侧的平均电压；

（2）变流器必须工作在的区域内使Ud<0。

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tq折合的电角度、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Ud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Cuk电路中接入了传送能量的耦合电容C1，若使C1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（Ｂuck－Ｂoost）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D1导通，此时D2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D2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：

反激变换器：

当开关管T导通，