电力电子课后习题答案部分及电力系统基本知识.docx

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电力电子课后习题答案部分及电力系统基本知识

2-11试列举你所知道的电力电子器件，并从不同的角度对这些电力电子器件进行分类。

目前常用的控型电力电子器件有哪些?

答：

1.按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：

（1）半控型器件：

晶闸管及其派生器件

（2）全控型器件：

IGBT,MOSFET，GTO,GTR

（3）不可控器件:

电力二极管

2.按照驱动信号的波形（电力二极管除外）

（1）脉冲触发型：

晶闸管及其派生器件

（2）电平控制型：

（全控型器件）IGBT,MOSFET，GTO,GTR

3.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：

（1）单极型器件：

电力MOSFET，功率SIT,肖特基二极管

（2）双极型器件：

GTR,GTO,晶闸管，电力二极管等

（3）复合型器件：

IGBT,MCT,IGCT等

4.按照驱动电路信号的性质，分为两类：

（1）电流驱动型：

晶闸管，GTO，GTR等

（2）电压驱动型：

电力MOSFET,IGBT等

常用的控型电力电子器件：

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。

2-15对晶闸管触发电路有哪些基本要求？

晶闸管触发电路应满足下列要求：

1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管的可靠导通；

2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的3-5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达到1-2A/US。

3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠出发区域之内。

4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

2-18ＩＧＢＴ、ＧＴＲ、ＧＴＯ和电力ＭＯＳＦＥＴ的驱动电路各有什么特点？

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。

GTO驱动电路的特点是：

GTO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。

2、晶闸管对触发脉冲的要求是   要有足够的驱动功率 、    触发脉冲前沿要陡幅值要高    和  触发脉冲要与晶闸管阳极电压同步。

1.晶闸管两端并联R、C吸收回路的主要作用有哪些？

其中电阻R的作用是什么？

答：

R、C回路的作用是：

吸收晶闸管瞬间过电压，限制电流上升率，动态均压作用。

R的作用为：

使L、C形成阻尼振荡，不会产生振荡过电压，减小晶闸管的开通电流上升率，降低开通损耗。

、

8、指出下图中①～⑦各保护元件及VD、Ld的名称和作用。

答：

①星形接法的硒堆过电压保护；②三角形接法的阻容过电压保护；

③桥臂上的快速熔断器过电流保护；④晶闸管的并联阻容过电压保护；

⑤桥臂上的晶闸管串电感抑制电流上升率保护；⑥直流侧的压敏电阻过电压保护；

⑦直流回路上过电流快速开关保护；VD是电感性负载的续流二极管；

Ld是电动机回路的平波电抗器；

9、为使晶闸管变流装置正常工作，触发电路必须满足什么要求？

答：

A、触发电路必须有足够的输出功率；B、触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步；C、触发脉冲要有一定的宽度，且脉冲前沿要陡；D、触发脉冲的移相范围应能满足主电路的要求；

10、下图为一单相交流调压电路，试分析当开关Q置于位置1、2、3时，电路的工作情况并画出开关置于不同位置时，负载上得到的电压波形。

答：

Q置于位置1：

双向晶闸管得不到触发信号，不能导通，负载上无电压。

Q置于位置2：

正半周，双向晶闸管Ⅰ+触发方式导通。

负半周，由于二极管VD反偏，双向晶闸管得不到触发信号，不能导通，负载上得到半波整流电压。

Q置于位置3：

正半周，双向晶闸管Ⅰ+触发方式导通。

负半周，双向晶闸管Ⅲ-触发方式导通，负载上得到近似单相交流电压。

11、在下面两图中，一个工作在整流电动机状态，另一个工作在逆变发电机状态。

（1）、标出Ud、ED及id的方向。

（2）、说明E与Ud的大小关系。

（3）、当α与β的最小值均为30度时，控制角α的移向范围为多少？

整流电动机状态：

电流方向从上到下，电压方向上正下负，反电

势E方向上正下负，Ud大于E，控制角的移相范围0°~90°。

逆变发电机状态：

电流方向从上到下，电压Ud方向上负下正，发电机电势E方向上负下正，Ud小于E，控制角的移相范围90°~150°。

1、 图为采用双向晶闸管的单相电源漏电检测原理图，试分析其工作原理。

答：

三相插座漏电，双向晶闸管以I+或III-的方式触发导通，继电器线圈得电，J1,4常开触头闭合，常闭触头断开，切断插座电源；同时J1,2常开触头闭合，常闭触头断开，晶闸管门极接通电源；双向晶闸管导通使指示灯亮，提示插座漏电。

正常工作时，双向晶闸管门极无触发信号，不导通，继电器线圈不得电，三相插座带电，指示灯不亮，提示正常工作。

3、由下面单结晶体管的触发电路图画出各点波形。

答：

1、实现有源逆变必须满足哪两个必不可少的条件？

答：

（1）直流侧必需外接与直流电流Id同方向的直流电源E，其数值要稍大于逆变器输出平均电压Ud，才能提供逆变能量。

（2）逆变器必需工作在β<90º（α>90º）区域，使Ud<0,才能把直流功率逆变为交流功率返送电网。

2、晶闸管触发的触发脉冲要满足哪几项基本要求？

答：

（1）触发信号应有足够的功率。

（2）触发脉冲应有一定的宽度，脉冲前沿尽可能陡，使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。

（3）触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。

2、PWM逆变电路的控制方法主要有哪几种？

简述异步调制与同步调制各有哪些优点？

答：

（1）PWM逆变电路的常用控制方法有两种，一是计算法；二是调制法。

其中调制法又可分为两种，一是异步调制法；二是同步调制法。

（2）通常异步调制法是保持载波频率不变，信号频率根据需要而改变时，载波比是变化的。

优点是：

信号频率较低时载波比较大，一周期内脉冲数较多，输出较接近正弦波。

（3）同步调制时，保持载波比为常数，并在变频时使载波和信号波保持同步变化。

优点是：

信号波一周内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的，对称性好。

3、什么是逆变失败？

逆变失败后有什么后果？

形成的原因是什么

答：

（1）逆变失败指的是：

逆变过程中因某种原因使换流失败，该关断的器件末关断，该导通的器件末导通。

从而使逆变桥进入整流状态，造成两电源顺向联接，形成短路。

（2）逆变失败后果是严重的，会在逆变桥与逆变电源之间产生强大的环流，损坏开关器件。

（3）产生逆变失败的原因：

一是逆变角太小；二是出现触发脉冲丢失；三是主电路器件损坏；四是电源缺相等。

2、根据对输出电压平均值进行控制的方法不同，直流斩波电路可有哪三种控制方式？

并简述其控制原理。

答：

（1）第一种调制方式为：

保持开关周期不变，改变开关导通时间ton称为脉宽调制。

简称“PWM”调制。

（2）第二种调制方式为：

保持开关导通时间ton不变，改变开关周期，称为频率调制。

简称为“PFM”调制。

（3）第三种调制方式为：

同时改变周期T与导通时间ton。

使占空比改变，称为混合调制。

3、电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？

答：

电压型逆变器当交流侧为阻感性负载时，需要向电源反馈无功功率。

直流侧电容起缓冲无功能量的作用。

为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂开关器件都反并联了反馈二极管。

1、对晶闸管的触发电路有哪些要求？

答：

为了让晶闸管变流器准确无误地工作要求触发电路送出的触发信号应有足够大的电压和功率；门极正向偏压愈小愈好；触发脉冲的前沿要陡、宽度应满足要求；要能满足主电路移相范围的要求；触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压取得同步。

2、正确使用晶闸管应该注意哪些事项？

答：

由于晶闸管的过电流、过电压承受能力比一般电机电器产品要小的多，使用中除了要采取必要的过电流、过电压等保护措施外，在选择晶闸管额定电压、电流时还应留有足够的安全余量。

另外，使用中的晶闸管时还应严格遵守规定要求。

此外，还要定期对设备进行维护，如清除灰尘、拧紧接触螺钉等。

严禁用兆欧表检查晶闸管的绝缘情况。

3、晶闸管整流电路中的脉冲变压器有什么作用？

答：

在晶闸管的触发电路采用脉冲变压器输出，可降低脉冲电压，增大输出的触发电流，还可以使触发电路与主电路在电气上隔离，既安全又可防止干扰，而且还可以通过脉冲变压器多个二次绕组进行脉冲分配，达到同时触发多个晶闸管的目地。

6、晶闸管的过电流保护常用哪几种保护方式？

其中哪一种保护通常是用来作为“最后一道保护”用？

答：

晶闸管的过电流保护常用快速熔断器保护；过电流继电器保护；限流与脉冲移相保护和直流快速开关过电流保护等措施进行。

其中快速熔断器过电流保护通常是用来作为“最后一道保护”用的。

 3.单相桥式全控整流电路，

，负载中

，L值极大，当

时，要求：

（1）作出

、

和

的波形；

（2）求整流输出平均电压

、平均电流

，变压器二次电流有效值

；

解：

（1）作图。

（2）

当

时，

4.在图1所示的降压斩波电路中，已知

，

，L值极大，

。

（1）分析斩波电路的工作原理；

（2）采用脉宽调制控制方式，当

，

时，计算输出电压平均值

、输出电流平均值

。

解：

（1）参考书上简要说明。

（2）根据公式得

计算题（每小题10分，共计20分）

1、单相半波可控整流电路，电阻性负载。

要求输出的直流平均电压为50～92V之间连续可调，最大输出直流电流为30A，由交流220V供电，求①晶闸管控制角应有的调整范围为多少？

②选择晶闸管的型号规格（安全余量取2倍，

=1.66）。

解：

①单向半波可控整流电路的

UL=0.45U2

当UL=50V时

COSα=

—1=

—1≈0

则α=90°

当UL=92V时

COSα=

—1=

—1=0.87

则α=30°

∴控制角α的调整范围应为0～90°

②由

=1.66知

I=1.66Id=1.66×30=50A为最大值

∴IT（AV）=2×

=2×

=64A取100A

又Uyn=2UTM=2×

×220=624V取700V

晶闸管的型号为：

KP100-7。

2、一台由220V供电的自动恒温功率为1kW的电炉，采用单相半控桥整流电路。

通过计算选择晶闸管和续流二极管的型号。

解：

电炉电阻丝的电阻

Rd=

=

≈48Ω

当α=0°时晶闸管与整流管的电流有效值才最大为

ITm=IDm=

=

=3.2A

选择晶闸管和整流管的型号

IT（AV）=（1.5～2）

=（1.5～2）

=34A

取5A（电流系列值）

UTn=（2～3）UTM=（2～3）

×220=625～936V

所以，晶闸管的型号为KP5-8

同理，整流管的型号为ZP5-8

3，某感性负载采用带续流二极管的单相半控桥整流电路，已知电感线圈的内电阻Rd=5Ω，输入交流电压U2=220V，控制角α=60°。

试求晶闸管与续流二极管的电流平均值和有效值。

解：

首先求整流使出电压的平均值

Ud=0.9

=0.9×220×

=149V

再求负载电流

Id=Ud/Rd=（149/5）≈30A

晶闸管与续流二极管的电流平均值和有效值分别为

IdT=

Id=

=10A

IT=

Id=

×30=17.3A

IdD=

Id=

×30=10A

ID=

Id=

×30=17.3A

第一章

电力系统基本知识

第一章电力系统基本知识

一、概念

1）世界的电力发展情况：

世界上第一台发电机建于1882年，在美国纽约市，机组容量只有30万千瓦，随着科技的发展，到1976年为止，全世界的发电厂总装机容量已达到16亿4千万千瓦，从世界各国经济发展的经验来看，国民经济增长1%电力系统就要增长1.3~1.5%左右，发达国家几乎是每7~10年装机容量就要增长一倍，个别特别发达国家为5~6年装机容量就要增长一倍。

这是70年代，从80年代到目前为止，发达国家已达到2~3年左右装机容量就要增长近一倍，总装机容量已达到45亿4千万千瓦发展相当快，预计到2030年的63.49亿千瓦。

这是跟他们的工业基础有相当大的关系，而且发电的手段和控制系统的手段都达到了相当的先进。

2）我国的电力发展情况：

我国解放前总发电能力还不到2000万千瓦，这个时候主要分为东北地区和上海地区，上海当时以杨树浦电厂为主，以后发展了南市和闸北电厂，陆续的不断发展，在上海周边地区发展了很多发电厂。

到80年代末，进过三十几年的建设，全国发电设备的总装机容量达到7000万千瓦，发电量达到近3000亿度，是世界的第四、第五位（在60年代上海武宁路陆家宅武宁变电所是亚洲第一位），在80年代末容量在25万千瓦以上的大型电厂全国共有六十多个，发展也相当快，已建成330KV超高压输电线路，在90年至今上海已达到500KV直流输送超高压输电线路，随着国民经济的不断增长和经济建设、经济建设开放，电力系统在内资和外资的作用下装机容量又发生了更大的变化。

装机容量几乎是80年代的3~4倍，但是还不能适应经济的发展，所以电力系统在不断地发展，2009年，全国基建新增生产能力继续保持较大规模，基建新增发电设备容量8970万千瓦；新增220千伏及以上输电线路、变电设备容量分别为4.03万千米、2.72亿千伏安。

截至2009年底，全国发电设备容量87407万千瓦，同比增长10.23%。

其中，水电19679万千瓦，占总容量22.51%，同比增长14.01%；火电65205万千瓦，占总容量74.60%，同比增长8.16%；水、火电占总容量的比例同比分别上升0.74个百分点和下降1.45个百分点；风电并网总容量1613万千瓦，同比增长92.26%。

　　全国电网220千伏及以上输电线路回路长度39.97万千米，同比增长11.38%，其中，500千伏线路回路长度为12.19万千米，同比增长12.85%；全国电网220千伏及以上公用变设备容量16.51亿千伏安，同比增长17.09%，其中500千伏公用变设备容量为6.28亿千伏安，同比增长19.44%。

目前,我国已建成并投入运行的核电机组共11台,总装机容量为910万千瓦。

已核准10个核电项目,核电机组达28台,其中已开工建设的有20台机组。

可以预计,核能在我国能源结构中将占有更多的份额”,“从发展趋势来看,中国核电发展的脚步还将进一步加快”。

预计到2010年的总装机容量为9.5亿千瓦。

作为涉及到电力行业或即将接触到高压电的人现在也越来越多，在这个领域里工作的人，必须要掌握和熟悉电气安全知识和各项电气安全规程、规章制度，才能确保电力系统的安全运行，稳定我们的国民经济的生产。

第一节供电系统

一、了解电力系统及电力网的构成，大型电力系统的优点，电力生产的特点。

1）电力系统是由发电厂→变电站（所）→电力线路和用电设备（用户）联系在一起组成的一个发电、输电、变电、配电和用电的整体。

大力发电

水力发电

1、发电厂→将各种能源转换为电能，按一次能源得不同核电

风力发电

拉西发电

2、变配电所→进行电压变换和电能的分配

变电站（所）有升压变电站和降压变电站，与电厂相连的一般为升压变电站，而与用户相连的一般为降压变电站。

3、电力线路→电力线路又称输电线，其作用是进行电能的输送，就是把发电厂、变电所和电能用户连接起来，电力线路按用途可分为输电线路和配电线路两种。

按架设方法分为架空线路和电缆线路，按传输电流的种类可分为交流线路和直流线路。

输电线路架空线路

1）电力线路→称输电线→电力线路，按用途→按架式分

配电线路电缆线路

交流线路

→按传输电流的种类可分为

直流线路

所以电力系统及电力网的构成，大家要注意的是以下两条：

a、电力系统是：

由发电机→送电→变电→配电→用户组成的整体称电力系统

b、电力网：

由送电→变电→配电组成

电力系统是由发电厂、输电网、配电网和电力用户组成的整体，是将一次能源转换成电能并输送和分配到用户的一个统一系统。

输电网和配电网统称为电网，是电力系统的重要组成部分。

发电厂将一次能源转换成电能，经过电网将电能输送和分配到电力用户的用电设备，从而完成电能从生产到使用的整个过程。

电力系统还包括保证其安全可靠运行的继电保护装置、安全自动装置、调度自动化系统和电力通信等相应的辅助系统（一般称为二次系统）。

　　输电网是电力系统中最高电压等级的电网，是电力系统中的主要网络（简称主网），起到电力系统骨架的作用，所以又可称为网架。

在一个现代电力系统中既有超高压交流输电，又有超高压直流输电。

这种输电系统通常称为交、直流混合输电系统。

　　配电网是将电能从枢纽变电站直接分配到用户区或用户的电网，它的作用是将电力分配到配电变电站后再向用户供电，也有一部分电力不经配电变电站，直接分配到大用户，由大用户的配电装置进行配电。

　　在电力系统中，电网按电压等级的高低分层，按负荷密度的地域分区。

不同容量的发电厂和用户应分别接入不同电压等级的电网。

大容量主力电厂应接入主网，较大容量的电厂应接入较高压的电网，容量较小的可接入较低电压的电网。

　　配电网应按地区划分，一个配电网担任分配一个地区的电力及向该地区供电的任务。

因此，它不应当与邻近的地区配电网直接进行横向联系，若要联系应通过高一级电网发生横向联系。

配电网之间通过输电网发生联系。

不同电压等级电网的纵向联系通过输电网逐级降压形成。

不同电压等级的电网要避免电磁环网。

电力系统之间通过输电线连接，形成互联电力系统。

连接两个电力系统的输电线称为联络线

2）大型电力网的优点

环网当故障时

（1）提高供电可靠性当雷电时

双环网当检修时

（2）减少系统的备用量

如孤立运行发电厂，如它的发电量是30万千瓦，备用量也要维持30万千瓦

左右满足该地区的使用量，因为每时每刻系统的发电量取决于同一时刻用户的用电量。

例如：

1965年美国东部电力系统曾发生过一次大面积的停电事故，给纽约等大城市的生产和生活带来很大的影响。

1977年7月美国发生的第二次纽约大停电事故给国民经济带来的损失，据统计，停电所造成的直接经济损失为5500万美元，而间接的损失竟达到3亿美元左右。

互相

牵连a、降低系统的高峰负荷，调整峰谷曲线，提高运行的经济性。

（3）通过合理的分配负荷：

b、故障造成停电，通过电力调整掌握整个电力网，统一调度，合理分配电能。

（1）电压偏差：

电压偏差是指在某一时段内，电压复制缓

慢变化偏离额定值的程度。

措施：

a、就地进行无功功率补偿；

b、调整同步电动机的励磁电流；

（4）提高供电质量c、采用有载调压变压器或正确选择无载调压变压器电压分接头；

d、采用电抗值最小的高、低压配电线路方案，架空0.4Ω/km电缆0.08Ω/km；

e、尽量使系统的三相负荷平衡；

（2）电压波动与闪变，在某一时段内，电压急剧变化而

偏离额定值的现象，称电压波动。

电压变化的速率大于1%/s时，即为电压急剧变化。

措施：

a、对负荷变动剧烈的大型电气设备，采用专用线路或专用变压器单独供电；

b、减小系统阻抗；

c、加装限流电抗器；

d、对大型感应电动机进行个别补偿；

e、在低压供配电系统，采用电力稳压器稳压；

（3）电压正弦波动畸变率：

电压波形应是正弦波，但是电力系统中存在大量非线性供电设备，这些设备向电网注入谐波电流或谐波电压，使得到的电压波形偏离正弦波。

造成波形失真，主要来自产生电弧和整流设备变压器非线性运行。

高次谐波是有一个无畸变的基波与各种倍频的正弦波形叠加。

（4）负序电压系统：

（三相电压不平衡度）由于用户使用大功率单项设备（如电焊机），电力系统中，出现不对称故障（如单相接地，相间短路）。

（5）形成大的电力系统，便于利用大型动力资源，特别是能充分发挥水力发电的作用。

（6）频率：

频率的变化对电动机来讲，频率降低将使电动机转速下降，生产效率低，影响电机寿命，反之，频率上升电机转速上升，增加功率消耗，使经济性降低。

二、电力生产的特点

电是商品，具有价值和使用价值，但是电又不是一般的商品，它具有以下几方面特点：

   第一，电能的生产、供应、使用几乎是瞬间同时完成的；

   第二，它不易储存，没有中间环节；

   第三，电能使用总量是随时都在变化的；

   第四，发电厂、电力用户通过电力线路和变电站互相连接成电网进行生产和使用，电网是一个不可分割的整体。

   第五，电能的质量管理是非常严格的。

交流电网的电压和频率的质量，不仅直接影响电力用户终端产品的质量，而且直接关系电网本身的安全和电力用户用电的可靠性。

由于电能本身所固有的特点以及造成电力与系统后所出现的新问题，决定了电能生产、运输、分配和使用的过程与其它的工业部门有着许多完全不同的特点。

1、同时性：

电能的生产和消费是在同一时间实现，也就讲电能产生→输送→分配以及转换为其它形态能量过程。

升压、输送、降压、分配、消耗→同时性

电力生产的同时性。

发电、输电、供电和用电是同时完成的，既不能中断，又不能储存，必须是用多少，发多少，是典型的连续生产、连续消费的过程。

电能的传输速度与光速相同，达到30万千米/秒（万km/s）。

即使发电端与用电端相距千万里，发、供、用电都是在同一瞬间进行和完成的。

2、集中性：

电力生产是高度集中，统一调度指挥、统一质量标准、统一管理办法、统一分配和销售→都是由电网来决定。

电力生产的整体性。

电力系统是由发电、供电和用电三者紧密连接起来的一个系统，任何一个环节配合不好，都会影响电力系统的安全、稳定、可靠和经济运行。

电网中，发电机、变压器、高压输电线路、配电线路和用电设备形成一个不可分割的整体，缺少那一环节，电力生产都不可能完成。

同样，任何设备脱离电网都将失去意义。

3、适用性：

电能使用最方便，适用性最广泛，它不受或很少受外加因素的干扰（例如，时间、地点、空间、气湿、风雨、场地等）是半绝缘或全绝缘的能源。

电力生产的随机性。

负荷变化、设备异常情况、电能质量的变化以及事故的发生，随时都在变化着，而且发展迅速，波及面大。

因此，在电力生产过程中，需要适时调度，要求适时安全监控，随时跟踪随机事件动态，以保证电能质量及电网安全运行。

4、先行性：

a、工农业方面

b、出现新的项目和企业

c、交通运输、新技术推广

d、人民生活的需求

第二节电力负荷

一、了解电力负荷组成及分类

电力负荷是指用电设备或用电单位所消耗的功率（KW）容量（KVA）电流（A）

对发电、供电及用电而言，电力负荷分为四种。

1、发电负荷：

是电厂的发电机向电网提供的电力。

2、供电负荷：

是发电负荷扣除厂用电的厂变损耗、线路损耗后的负荷。

3、线路负荷：

是电力网