电力电子技术最新版配套习题答案详解第2章.docx
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电力电子技术最新版配套习题答案详解第2章
第1章电力电子器件1
第2章整流电路4
第3章直流斩波电路20
第4章交流电力控制电路和交交变频电路26
第5章逆变电路31
第6章PWM控制技术35
第7章软开关技术40
第8章组合变流电路42
第2章整流电路
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ωt＝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ωt＝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：
2．图2-9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α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．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。
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：
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，变压器二次侧电流有效值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。
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α=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）
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：
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。
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°。
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α，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°。
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α=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的波形如下图：
②Ud、Id、IdT和IVT分别如下
Ud＝1.17U2cosα＝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）
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。
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α=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＝2.34U2cosα＝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）
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α=60时求Ud、Id与γ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
γ＝61.33°-60°=1.33°
最后，作出整流电压Ud的波形如下：
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α=30时、E=50V时Ud、Id、γ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
γ＝41.28°-30°=11.28°
ud、iVT1和iVT2的波形如下：
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γ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
γ＝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：
17．三相全控桥，反电动势阻感负载，E=200V，R=1Ω，L=∞，U2=220V，α=60，当①LB=0和②LB=1mH情况下分别求Ud、Id的值，后者还应求γ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：
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。
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6k1（k=1、2、3……）次的谐波，其中主要的是5、7次谐波。
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＝2
Id∕3π＝2
×38.99∕3π＝11.7（A）
I25＝2
Id∕5π＝2
×38.99∕5π＝7.02（A）
I27＝2
Id∕7π＝2
×38.99∕7π＝5.01（A）
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）
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＝2
Id∕π＝2
×38.99∕π＝35.1（A）
基波因数为
ν＝I1∕I＝I1∕Id＝35.1∕38.99＝0.9
电路的输入功率因数为：
λ＝ν
＝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
ν＝I1∕I＝I1∕Id＝0.955
电路的输入功率因数为：
λ＝ν
＝0.955cos60°＝0.48
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。
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。
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12k1、（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24k1（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：
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。
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，β=60时求Ud、Id与γ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）
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，β=60时求Ud、Id和γ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
γ＝135.9°-120°=15.9°
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。
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。
31．三相全控桥，电动机负载，要求可逆，整流变压器的接法是D，y-5，采用NPN锯齿波触发器，并附有滞后30的R-C滤波器，决定晶闸管的同步电压和同步变压器的联结形式。
解：
整流变压器接法如下图所示
以a相为例，ua的120对应于α=90，此时Ud=0，处于整流和逆变的临界点。
该点与锯齿波的中点重合，即对应于同步信号的300，所以同步信号滞后ua180°，又因为R-C滤波已使同步信号滞后30°，所以同步信号只要再滞后150°就可以了。
满足上述关系的同步电压相量图及同步变压器联结形式如下两幅图所示。
各晶闸管的同步电压选取如下表：
晶闸管
VT1
VT2
VT3
VT4
VT5
VT6
同步电压
-usb
usa
-usc
usb
-usa
usc
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