电力电子技术(王兆安第五版)课后习题全部答案.doc

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电力电子技术

2-1与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结构特点才使得其具有耐受高压和大电流的能力？

答：

1.电力二极管大都采用垂直导电结构，使得硅片中通过电流的有效面积增大，显著提高了二极管的通流能力。

2.电力二极管在P区和N区之间多了一层低掺杂N区，也称漂移区。

低掺杂N区由于掺杂浓度低而接近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导体，由于掺杂浓度低，低掺杂N区就可以承受很高的电压而不被击穿。

2-2.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：

uAK>0且uGK>0。

2-3.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。

2-4图2-27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，试计算各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3与电流有效值I1、I2、I3。

解：

a）Id1=

I1=

b）Id2=

I2=

c）Id3=

I3=

2-5上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶阐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IT（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）Im1A,Id10.2717Im189.48A

b）Im2Id2

c）Im3=2I=314Id3=

2-6GTO和普通晶闸管同为PNPN结构,为什么GTO能够自关断,而普通晶闸管不能?

答：

GTO和普通晶阐管同为PNPN结构，由P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2，分别具有共基极电流增益和，由普通晶阐管的分析可得，是器件临界导通的条件。

两个等效晶体管过饱和而导通；不能维持饱和导通而关断。

GTO之所以能够自行关断，而普通晶闸管不能，是因为GTO与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同：

l）GTO在设计时较大，这样晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断；2）GTO导通时的更接近于l，普通晶闸管，而GTO则为，GTO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GTO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。

2-7与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结构特点才使得它具有耐受高电压电流的能力？

答1.电力二极管大都采用垂直导电结构，使得硅片中通过电流的有效面积增大，显著提高了二极管的通流能力。

2.电力二极管在P区和N区之间多了一层低掺杂N区，也称漂移区。

低掺杂N区由于掺杂浓度低而接近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导体，由于掺杂浓度低，低掺杂N区就可以承受很高的电压而不被击穿。

2-8试分析IGBT和电力MOSFET在内部结构和开关特性上的相似与不同之处

IGBT比电力MOSFET在背面多一个P型层，IGBT开关速度小，开关损耗少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。

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。

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。

2-11目前常用的全控型电力电子器件有哪些？

答：

门极可关断晶闸管,电力晶闸管，电力场效应晶体管，绝缘栅双极晶体管。

3-1.单相半波可控整流电路对电感负载供电，L＝20mH，U2＝100V，求当α＝0°和60°时的负载电流Id，并画出ud与id波形。

解：

α＝0°时，在电源电压u2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u2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u2的一个周期里，以下方程均成立：

考虑到初始条件：

当wt＝0时id＝0可解方程得：

==22.51（A）

ud与id的波形如下图：

当α＝60°时，在u2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：

考虑初始条件：

当wt＝60°时id＝0可解方程得：

其平均值为==11.25（A）

此时ud与id的波形如下图：

3-2．图3-10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：

①晶闸管承受的最大反向电压为2；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。

①以晶闸管VT2为例。

当VT1导通时，晶闸管VT2通过VT1与2个变压器二次绕组并联，所以VT2承受的最大电压为2。

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~α）期间无晶闸管导通，输出电压为0；（α~π）期间，单相全波电路中VT1导通，单相全控桥电路中VT1、VT4导通，输出电压均与电源电压u2相等；（π~π＋α）期间，均无晶闸管导通，输出电压为0；（π＋α~2π）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-u2。

对于电感负载：

（α~π＋α）期间，单相全波电路中VT1导通，单相全控桥电路中VT1、VT4导通，输出电压均与电源电压u2相等；（π＋α~2π＋α）期间，单相全波电路中VT2导通，单相全控桥电路中VT2、VT3导通，输出波形等于-u2。

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。

3-3．单相桥式全控整流电路，U2＝100V，负载中R＝2Ω，L值极大，当α＝30°时，要求：

①作出ud、id、和i2的波形；②求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2；③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。

解：

①ud、id、和i2的波形如下图：

②输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2分别为

Ud＝0.9U2cosα＝0.9×100×cos30°＝77.97（V）

Id＝Ud/R＝77.97/2＝38.99（A）

I2＝Id＝38.99（A）

③晶闸管承受的最大反向电压为：

U2＝100＝141.4（V）

考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：

UN＝（2~3）×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：

IVT＝Id∕＝27.57（A）

晶闸管的额定电流为：

IN＝（1.5~2）×27.57∕1.57＝26~35（A）

具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。

3-4．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：

3-5．单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=2Ω，L值极大，反电势E=60V，当a=30°时，要求：

作出ud、id和i2的波形；

①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；

②考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。

解：

①ud、id和i2的波形如下图：

②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

Ud＝0.9U2cosα＝0.9×100×cos30°＝77.97（A）

Id＝（Ud－E）/R＝（77.97－60）/2＝9（A）

I2＝Id＝9（A）

③晶闸管承受的最大反向电压为：

U2＝100＝141.4（V）

流过每个晶闸管的电流的有效值为：

IVT＝Id∕＝6.36（A）

故晶闸管的额定电压为：

UN＝（2~3）×141.4＝283~424（V）

晶闸管的额定电流为：

IN＝（1.5~2）×6.36∕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。

3-6.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=2Ω，L值很大，当a=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：

负载电压的平均值为：

＝67.5（V）

负载电流的平均值为：

Id＝Ud∕R＝67.52∕2＝33.75（A）

流过晶闸管VT1、VT2的电流有效值为：

IVT＝Id＝19.49（A）

流过二极管VD3、VD4的电流有效值为：

IVD＝Id＝27.56（A）

3-7.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，当负载为电阻时，ud的波形如下：

当负载为电感时，ud的波形如下：

3-8．三相半波整流电路，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2-60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a1c2对应的晶闸管导通时，a1的电流向下流，c2的电流向上流；当c1b2对应的晶闸管导通时，c1的电流向下流，b2的电流向上流；当b1a2对应的晶闸管导通时，b1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。

3-9．三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°。

3-10．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a，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180°。

3-11．三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5Ω，L值极大，当a=60°时，要求：

画出ud、id和iVT1的波形；计算Ud、Id、IdT和IVT。

解：

①ud、id和iVT1的波形如下图：

②Ud、Id、IdT和IVT分别如下Ud＝1.17U2cosa＝1.17×100×cos60°＝58.5（V）

Id＝Ud∕R＝58.5∕5＝11.7（A）

IdVT＝Id∕3＝11.7∕3＝3.9（A）

IVT＝Id∕＝6.755（A）

3-12．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ud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VT1不能导通，整流电压ud波形如下：

假设VT1被击穿而短路，则当晶闸管VT3或VT5导通时，将发生电源相间短路，使得VT3、VT5也可能分别被击穿。

3-13．三相桥式全控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5Ω，L值极大，当a=60°时，要求：

①画出ud、id和iVT1的波形；

②计算Ud、Id、IdT和IVT。

解：

①ud、id和iVT1的波形如下：

②Ud、Id、IdT和IVT分别如下

Ud＝2.34U2cosa＝2.34×100×cos60°＝117（V）

Id＝Ud∕R＝117∕5＝23.4（A）

IDVT＝Id∕3＝23.4∕3＝7.8（A）

IVT＝Id∕＝23.4∕＝13.51（A）

3-14．单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，E=40V，U2=100V，LB=0.5mH，当a=60°时求Ud、Id与g的数值，并画出整流电压ud的波形。

解：

考虑LB时，有：

Ud＝0.9U2cosα－ΔUd

ΔUd＝2XBId∕π

Id＝（Ud－E）∕R

解方程组得：

Ud＝（πR0.9U2cosα＋2XBE）∕（πR＋2XB）＝44.55（V）

ΔUd＝0.455（V）

Id＝4.55（A）

又∵

－＝∕U2

即得出

=0.4798

换流重叠角

g＝61.33°-60°=1.33°

最后，作出整流电压Ud的波形如下：

3-15．三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，U2=100V，R=1Ω，L=∞，LB=1mH，求当a=30°时、E=50V时Ud、Id、g的值并作出ud与iVT1和iVT2的波形。

解：

考虑LB时，有：

Ud＝1.17U2cosα－ΔUd

ΔUd＝3XBId∕2π

Id＝（Ud－E）∕R

解方程组得：

Ud＝（πR1.17U2cosα＋3XBE）∕（2πR＋3XB）＝94.63（V）

ΔUd＝6.7（V）

Id＝44.63（A）

又∵

－＝2∕U2

即得出

=0.752

换流重叠角

g＝41.28°-30°=11.28°

ud、iVT1和iVT2的波形如下：

3-16．三相桥式不可控整流电路，阻感负载，R=5Ω，L=∞，U2=220V，XB=0.3Ω，求Ud、Id、IVD、I2和g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α＝0°时的情况。

Ud＝2.34U2cosα－ΔUd

ΔUd＝3XBId∕π

Id＝Ud∕R

解方程组得：

Ud＝2.34U2cosα∕（1＋3XB/πR）＝486.9（V）

Id＝97.38（A）

又∵

－＝2∕U2

即得出

=0.892

换流重叠角

g＝26.93°

二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为

IVD＝Id∕3＝97.38∕3＝32.46（A）

I2a＝Id＝79.51（A）

ud、iVD1和i2a的波形如下：

3-17．三相全控桥，反电动势阻感负载，E=200V，R=1Ω，L=∞，U2=220V，a=60°，当①LB=0和②LB=1mH情况下分别求Ud、Id的值，后者还应求g并分别作出ud与iT的波形。

解：

①当LB＝0时：

Ud＝2.34U2cosα＝2.34×220×cos60°＝257.4（V）

Id＝（Ud－E）∕R＝（257.4－200）∕1＝57.4（A）

②当LB＝1mH时

Ud＝2.34U2cosα－ΔUd

ΔUd＝3XBId∕π

Id＝（Ud－E）∕R

解方程组得：

Ud＝（2.34πU2Rcosα＋3XBE）∕（πR＋3XB）＝244.15（V）

Id＝44.15（A）

ΔUd＝13.25（V）

又∵－＝2XBId∕U2

＝0.4485

γ＝63.35°－60°＝3.35°

ud、IVT1和IVT2的波形如下：

3-18．单相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有哪些次数的谐波？

其中幅值最大的是哪一次？

变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波？

其中主要的是哪几次？

答：

单相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有2k（k=1、2、3…）次谐波，其中幅值最大的是2次谐波。

变压器二次侧电流中含有2k＋1（k＝1、2、3……）次即奇次谐波，其中主要的有3次、5次谐波。

3-19．三相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有哪些次数的谐波？

其中幅值最大的是哪一次？

变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波？

其中主要的是哪几次？

答：

三相桥式全控整流电路的整流输出电压中含有6k（k＝1、2、3……）次的谐波，其中幅值最大的是6次谐波。

变压器二次侧电流中含有6k±1（k=1、2、3……）次的谐波，其中主要的是5、7次谐波。

3-20．试计算第3题中i2的3、5、7次谐波分量的有效值I23、I25、I27。

解：

在第3题中已知电路为单相全控桥，其输出电流平均值为

Id＝38.99（A）

于是可得：

I23＝2Id∕3π＝2×38.99∕3π＝11.7（A）

I25＝2Id∕5π＝2×38.99∕5π＝7.02（A）

I27＝2Id∕7π＝2×38.99∕7π＝5.01（A）

3-21．试计算第13题中i2的5、7次谐波分量的有效值I25、I27。

解：

第13题中，电路为三相桥式全控整流电路，且已知

Id＝23.4（A）

由此可计算出5次和7次谐波分量的有效值为：

I25＝Id∕5π＝×23.4∕5π＝3.65（A）

I27＝Id∕7π＝×23.4∕7π＝2.61（A）

3-22试分别计算第3题和第13题电路的输入功率因数。

解：

①第3题中基波电流的有效值为：

I1＝2Id∕π＝2×38.99∕π＝35.1（A）

基波因数为

n＝I1∕I＝I1∕Id＝35.1∕38.99＝0.9

电路的输入功率因数为：

l＝n＝0.9cos30°＝0.78

②第13题中基波电流的有效值：

I1＝Id∕π＝×23.39∕π＝18.243（A）

基波因数为

n＝I1∕I＝I1∕Id＝0.955

电路的输入功率因数为：

l＝n＝0.955cos60°＝0.48

3-23．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：

①三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组三相半波电路并联，且后者需要用平衡电抗器；

②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，而整流电流平均值Id是三相桥式电路的2倍。

③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。

3-24．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。

3-25．12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。

3-26．使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么？

答：

条件有二：

①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；②要求晶闸管的控制角α>π/2，使Ud为负值。

3-27．三相全控桥变流器，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，U2=220V，LB=1mH，当EM=-400V，b=60°时求Ud、Id与g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：

Ud＝2.34U2cos（π-β）－ΔUd

ΔUd＝3XBId∕π

Id＝（Ud－EM）∕R

三式联立求解，得

Ud＝[2.34πU2Rcos（π-β）＋3XBEM]∕（πR＋3XB）＝－290.3（V）

Id＝109.7（A）

由下式可计算换流重叠角：

－＝2XBId∕U2＝0.1279

＝-0.6279

γ＝128.90°－120°＝8.90°

送回电网的有功功率为

P==400×109.7-109.72×109.7×1=31.85（W）

3-28．单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，U2=100V，L=0.5mH，当EM=-99V，=60°时求Ud、Id和g的值。

解：

由题意可列出如下3个等式：

Ud＝0.9U2cos（π-β）－ΔUd

ΔUd＝2XBId∕π

Id＝（Ud－EM）∕R

三式联立求解，得

Ud＝[πR0.9U2cos（π-β）＋2XBEM]∕（πR＋2XB）＝－49.91（V）

Id＝49.09（A）

又∵

－＝∕U2=0.2181

即得出

=-0.7181

换流重叠角

g＝135.9°-120°=15.9°

3-29．什么是逆变失败？

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β等。

3-30．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0~180°，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是0~90°。

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0~120°，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是0~90°。

4-l无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？

答：

两种电路的不同主要是：

有源逆变电路的交流侧接电网即交流侧接有电源。

而无源逆变电路的交流侧直接和负载联接。

4-2换流方式各有那儿种？

各有什么特点？

答：

换流方式有4种：

器件换流：

利用全控器件的自关断能力进行换流。

全控型器件采用此换流方式。

电网换流：

由电网提供换流电压，只要把负的电网电压加在欲换流的器件上即可。

负载换流：

由负载提供换流电压，当负载为电容性负载即负载电流超前于负载电压时，可实现负载换流。

强迫换流：

设置附加换流电路，给欲关断的晶闸管强追施加反向电压换流称