电力电子技术电力电子技术习题4交流调压习题附答案17页.docx
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电力电子技术电力电子技术习题4交流调压习题附答案17页
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交流交流变换器自测题
【练习题5-1】一调光台灯由单相交流调压电路供电，设该台灯可看作电阻载，在a=0时输出功率为最大值，试求功率为最大输出功率的80%，50%时的开通角a。
解：
a=0时输出功电压最大，为：
Uomax=1
此时负载电流最大，为：
Iomax=UomaxR=UiR
输出功率为最大输出功率的50%，有：
U0=
又有U0=Uisin2a2
【练习题5-2】一单相交流调压器，电源为功频220V，阻感串联作为负载，其中R=0.5Ω，L=2mH。
试求：
1）开通角a的变化范围2）负载电流的最大有效值；3）最大输出功率及此时电源侧的功率因数；
4）当a=π
解：
（1）负载抗阻角为：
φ=arctanωLR=arctan
开通角a的变化范围；φ≤a≤π即0.89864≤a≤π
（2）（3）当a=φ时，输出电压最大，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为：
P
功率因数为：
实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦，即：
cosφ
a=2时，先假设晶闸管的导通角，由式（4-7）得：
sin（
解上式可得晶军品管导通角为：
θ=2.375=136.1°也可由关系图估计出θ的值。
此时，晶闸管电流有效值为：
I
=
电源的侧功率因数为：
λ=RI02
于是可得出：
λ=RI0
【练习题5-3】试从电压波形、功率因数、电源容量、设备重量及控制方式等几方面,分析比较采用晶闸管交流调压与采用自耦调压器的交流调压有何不同?
答:
晶闸管交流调压电路输出电压的波形是正负半波都被切去一部分的正弦波,不是完整的正弦波,切去部分的大小与延迟角的大小有关。
这种非正弦交流电中包含了高次谐波,会造成干扰,如果不采取措施就会影响其他用电设备的正常工作,这点必须注意。
另外,随着延迟角的增大,功率因数降低,因此,如果输出电流不变,要求电源容量随之增大,这是它的缺点。
但是晶闸管交流调压设备重量轻,控制灵敏，易于实现远方控制和自动调切,这是它的优点。
与此相反,采用自耦调压器的交流调压,输出电压不论高低总是正弦波,不会引起干扰和功率因数降低（不计本身的励磁功率）,但它的调节方式是机械方式移动碳刷位置,要实现远方操作和自动调节必须加伺服机构,比较复杂。
【练习题5-4】图5-2（a）为单机交流调压电路,如果负载为电阻性负载,u2=2U2
（1）负载电压有效值；
（2）负载功率PL；（3）电源功率因数；（4）电源基波功率因数。
解:
（l）负载电压uL及负载电流iL波形如图5
UL=12π
（2）PL=12
（3）设负载电流有效值为，由于它同电源电流相等，因而有：
功率因数cosφ=PS
（4）设负载电流不控时的有效值I，如果只考虑区码波成分，则：
i1=a1
a1=1π02πi1cosωtd（ωt）=1
b1=1π02πiLsinωtd
=
所以，基波i1可写成：
i1=a12+b
基波功率因数为：
cosφ1=cos（arctg
图5-2[练习题5-4]图
【练习题5-6】对于热惯性大的负载，可以采用过零触控制，若设定周期为T，导通时间为Toff，关断时间为Ton，试求负载电压有效值UL及负载功率P
图5-4【练习题5-6】图
UL=1
【练习题5-7】如图5-5所示单相交流调压电路，采用两只晶闸管相对连结，并增加两个二极管，试叙述其特点。
解：
其特点是由于并接了二极管，所以晶闸管不随反向电压。
另外晶闸管的阴极有公共点，可以简化控制回路，故也不误触发。
图5-5【练习题5-7】图图5-6【练习题5-8】图
【练习题5-8】如图5-6所示，不个晶闸管和4个二极管组成单相交流调压线路，试分析其工作原理。
解:
。
在图5-6.中,设电源以上正下负,经VDl,VT（某时刻触发）、VD2,负载得到截去一部分的正半波电压;设电源以上负下正,则经VD3,VT（某时刻触发）、VD4,负载得到截去一部分的负半波电压,实现了交流调压。
所以晶闸管每个周期工作两次,并且不承受反压。
～当负载是电感时,因电流波形滞后于电压,晶闸管每半周导电结束立刻加上一正电压,电压上升率较大,容易造成误导通,使电路失去控制,使用时应特别注意。
【练习题5-9】一台220V、10KW的电炉,现采用晶闸管单相交流调压使其工作于5KW,试东出其延迟角、工作电流以及电源侧的功率因数。
解:
电炉是电阻性负载。
220V;10KW的电炉,其电流有效值应为I=10000220=45.5A。
因为功率P=I2R,若R不变,现要求输出功率减半,则应使I2值减小12,故电流数值应减为45.5×（12）=
又因为P=U2R,也相当于要求以的值减小12,U=1（2～U）,故cosφ=
【练习题5-10】过零触发控制的单相交流调压,若1个周期导通,4个周期关断,已知电源电压100V、频率501-Hz,试求输出电压高次谐波。
解:
因为电源频率为50Hz,所以输出电压的基本频率为50（1+4）=10Hz。
如图5-7所示,设ω0=2π×10,而电源u=-1002sin100πt=-100
所以输出为奇函数u=-1002sin100πt=-1002
用傅氏级数开展开时,an
bn=2π02π
n=5时用原式重新计算,则b5=-20
n=1的基波为10Hz,从电源来看为分谐波。
图5-7[练习题5-10]图图5-8[练习题5-11]图
【练习题5-11】电容起动式单相异步电动机,仅在起动时电容与辅助绕组连结,加速后达到同步转带附近时,利用开关将电容C切除。
如果采用晶闸管使此开关无触点化,试说明用一个晶闸管可以完成开关的工作原理,如图5-8所示。
解:
电动机起动时,如果晶闸管门极回路中的开关S闭合,辅助绕组NA内就流过比电源电压超前相应的电流i
【练习题5-12】1图5-9（a）为抽头切换式交流调压线路。
当延迟角a将变压器（2次侧抽头由2切换到1时。
（1）说明电路工作原理和输出波形;
（2）求负载只L的有效值。
答:
变压器二次电压u1>u2>0，在u2过零时使VT3导通,然后以延迟角a触发VT1,则VT3被加上反电压,因而关断。
这祥,VT1触发后uL=u1，电阻负载ωt
设u1=2U1sinωt
UL=
图5-9[练习题5-12]图
电压控制范围为U2—U
【练习题5-13】如图5-10所示,单相交流调压,如果采用具有强迫换流机能的晶闸管,也会改善电源功率因数及减小高次谐波,例如采用可关断晶闸管GTO。
若门极在ωt=a时,加导通信号,在ω
（1）画出负载电压波形。
（2）求出u1的有效值U1。
（3）a=
解:
（1）输出负载电压波形如图5-10（b）所示,在a时GTO导通,π-
（2）设u=2sin
图练习题5-10[例练习题5-13]图
U1=
显然，α
（3）设负载电流有效值为Il，它与电源电流相等，故功率因数=
将α=π6代入上式，则功率因数为0.971。
又因i
该电路对于感性负载，因不能供给无功功率，所以不能用于感性负载。
【练习题5-14】在练习题5-5中，若U2
延迟角移相范围；
（2）负载电流最大有效值；（3）最大输出功率。
解：
（1）由练习题5-5中可知，单相调压在电感负载下，延迟角移相范围为：
φ≤α≤1800
（2）因α=φ
i=2U2Z=sinωt+φ
最大功率为：
P=U
cosα=cosα=cos60
【练习题5-15】某单项反并联调功电路，采用过零触发。
U
制的设定周期TC
解：
负载在全导通时，送出的功率为：
P
负载在导通0.3s，断开0.2s，过零触发下，由练习题5-5中得到的公式有：
负载下的电压有效值UL=
【练习题5-16】图5-16为双向晶闸管的零压开关，试说明VT1管触发器信号断开时，负载能在电源电压波形过零点附近接通电源；VT1管触发信号随机合上时，负载能在电流过零点断开电源。
解：
当交流电源为负半周（下正上负），VT1管触发器信号随机断开时，VT1管无触发信号，过零时自行断开。
在负半周开始，电源经10kΩ电阻构成通路，1kΩ上的电压Ug2触发晶闸管VT2导通。
VT2导通后，电源电压经过负载，双向晶闸管的A2极，门极G，二极管VD2和VT2管构成通路，以III方式触发VT3导通。
所以在电源负半周开始负载能接通电源，起到零电压接通作用。
双向晶闸管VT3导通后，1μF电容经10kΩ电阻，二极管VT1，双向晶闸管VT3充电，极性为上正下负。
当电源进入正半周，VT2阻断，1μF电容上的电压经10kΩ
图练习题5-11【练习题5-16】图图5-12【练习题5-18】图
【练习题5-17】用一对反关联的晶闸管和使用一只双向晶闸管进行交流调压时，他们的主要差别时什么？
答：
用一对反并联的晶闸管时,每只晶闸管均由整个半周期处于关断状态。
用双向晶闸管时，只是负载电压过零的短暂瞬间才必须断开。
双向晶闸管的关断时间包括元件电流降低到维持电流直到重新加电压超过擎住电流所需电源电压为正的时间。
对于电源负载来说，要满足上述要求比较简单，对于电感性负载，双向晶闸管的换流变得较为困难。
【例练习题5-18】图5-12为接成有中线的星形（YN）三相交流调压线。
问：
=1\*GB3①画出中性线电流波形。
=2\*GB3②α为多大时，中性线电流为最大？
解：
由于时电阻性负载，中性线中的电流iN=0；α=300时，延时角不是从自然换相点起算，这一点与可控整流时不一样的。
在图5-13（a）中，0~t1区间U相无电流，只有W相和V相有电流，且V相大于W相电流，所以有差值电流（uV-uW
图5-13【练习题5-18】图
根据上面的分析，当α=600时，6个缺角对应的电流连续，并且，峰值可达62
当α=900时，中性线电流最大，如
当α≥900时，由于谐波分量的大小对称与α=900轴，所以α=1200、
通过上述分析可知，这种接法由于中性线由较大的谐波电流通过，对线路和电网都带来不利影响，所以在工业上应用较少。
【练习题5一19】图5—14是反并联的晶闸管和负载接成内三角形的三相交流调压电路，问：
该电路有何优点?
图5-14【练习题5-19】图
答：
该电路实际上也是三个单相交流调压电路。
仅仅是把相电压换成线电压，波形是线电压正负半波缺角波。
由于接成闭合三角形，所以线电流三次谐波分量为零，这是该电路突出的优点。
【练习题5-20】图5-15（a）为三相进线、由三组反并联晶闸管控制的三相交流调压线路，试画出α=600、α=30
解：
图5-15（b）是α=600时U相电流波形。
V相和w相电流波形与u相电流波形一样，仅在相位上互差
0～ωt1，u相两只晶闸管均未导通，所以
ωt1～ωt2，在ωt
ωt2~ωt3
ωt3~ωt4，在ωt3时刻开始触发VTv1，迫使VTv2关断，原因是uU+uV+uW=0，三只晶闸管同时导通，流过每个晶闸管的都是相电流，流过VT
ωt4~ωt5，VTU2和VTV1
ωt5~ωt6，VTU2和V
α=1200时的波形如图515（c）所示，分析情况与上述一样。
但注意在ωt2时刻，uUV=0，晶闸管VTU1和VTU2关断，可是在ωt3
当α=1500时，各只晶闸管均不能导通，所以在该调压电路移相范围为00
图5-15【练习题5-20】图
【练习题5-21】用三只晶闸管接于星形负载中点的三相交流调压线路，如图5-16所示。
试画出延迟角α=600、
解：
α=600时波形如
0~ωt1，晶闸管VT1和VT3导通，故U、V、W相当于星形中点，所以i
ωt1~ωt2,仅仅时晶闸管VT1和VT2导通，所以iU=
ωt2~ωt3
ωt3~ωt4，由于t3时刻
ωt4~ωt5
ωt5~ωt6，由于t
α=1200的波形如
以上分析了一相的电流波形，整个调压输出波形十余上述波形一样的、互差1200的三相为零，所以VT3关断。
图5-16【练习题5-21】、【练习题5-22】图
ωt2~ωt3,晶闸管VT1和VT2导通，所以
ωt3~ωt4,由于t3时刻u
ωt4~ωt5
ωt5~ωt6，由于t5时刻uV=0
以上分析了一相的电流波形，整个调压输出波形时上述波形一样的、互差1200的三相波。
电路的移相范围为00～
【练习题5-22】试分析一下图5-16（a）所示、用3只晶闸管接于星形负载中点的三相交流调压电路中晶闸管的导通和关断条件。
解：
以晶闸管VT2为例分析晶闸管的导通和关断条件。
由图5-16（a）可知，VT2能导通的条件是uVW>0。
由图5-16（d）可知，O～ωt，uUV>O，此时晶闸管VT1在uUV电压作用下导通．VT1导通后，uUV通过两相的负载电阻R和b点分压，使b点电位为ub=（uU+uV）／2（忽略晶闸管的压降）。
由uU+uV+u
晶闸管VT2关断的条件是uVW≤0，当VT2、VT3导通时，在忽略管压降的情况下，可看成三相电源向三相平衡负载供电，c点可以看成负载的中性点即c点电位为零，所以只有当uV≤O时，才有uVW≤
降至零的时刻。
同样分析可知VT1的导通和关断由uUV决定．所以VT1导通的起始点在uVVT3的导通和关断由uWU决定．所以VT3导通的起始点为
【练习题5—23】在图5—15中，三相进线是由三组反并联晶闸管控制的三相交流调压。
如果改用双向晶闸管，电源相电压为220V，负载为10kw，试计算所需要的双向晶闸管的额
定有效电流值。
当仍使用反并联晶闸管时，情况又如何?
解：
根据题意，线电流的有效值同所需要的双向晶闸管的额定有效电流相等，所以双向晶闸管的额定电流为：
10×103／（3×
使用两只反并联的晶闸管时．流过一只晶闸管的电流仅仅在正弦电流的半周期，所以晶闸管内的电流为：
26.22
【练习题5—24】交流调压电路和交流调功电路有什么区别?
二者各适用于什么样的负载?
为什么?
答：
交流调压电路和交流调功电路的电路形式完全相同，二者区别在于控制方式不同。
交流调压电路是在交流电源的每个周期对输出电压波形进行控制。
而交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周波，再断开几个周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。
交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速；在供用电系统中，还常用于对无功功率的连续调节。
此外，在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路凋节变压器一次电压。
如采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联；同样，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联。
这都是十分不合理的。
采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压电流都不太大也不太小．在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。
这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。
交流调功电路常用于电炉温度这样时间常数很大的控制对象。
由于控制对象的时间常数大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁控制。
【练习题5-25】什么是TCR?
什么是TSC?
它们的基本原理是什么?
各有什么特点?
答：
TCR是晶闸管控制电抗器。
TSC是晶闸管投切电容器。
二者的基本原理如下：
TCR是利用电抗器来吸收电网中的无功功率（或提供感性的无功功率），通过对晶闸管开通角的控制，可以连续调节流过电抗器的电流，从而调节TCR从电网中吸收的无功功率大小。
TSC则是利用晶闸管来控制用于补偿无功功率的电容器的投入和切除来向电网提供无功功率（提供容性的无功功率）。
二者的特点是：
TCR只能提供感性的无功功率，但无功功率的大小是连续的。
实际应用中往往配以固定电容器（FC），就可以在从容性到感性的范围内连续调节无功功率。
TSC提供容性的无功功率．符合大多数无功功率补偿的需要。
其提供的无功功率不能连续调节，但在实用中只要分组合理，就可以达到比较理想的动态补偿效果。
【练习题5-26】单相交一交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路有什么不同?
答：
单相交交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路的电路组成是相同的，均由两组反并联可控整流电路组成。
但两者的功能和工作方式不同。
单相交交变频电路是将交流电变成不同频率的交流电，通常用于交流电动机传动，两组可控整流电路在输出交流电压的一个周期里，交替工作各半个周期，从而输出交流电。
而直流电动机传动用的反并联可控整流电路是将交流电变为直流电，两组可控整流电路中哪一组T作并没有像交交变频电路那样的同定交替关系．而是由电动机T作状态的需要决宁。
【练习题5-27】交—交变频电路的最高输出频率是多少?
制约输出频率提高的因素是什么?
答：
一般来讲，构成交—交变频电路的两组变流电路的脉波数越多，最高输出频率就越高。
当交—交变频电路中采用常的六脉波三相桥式整流电路时，最高输出频率不应高于电网频率的l／3～1／2。
当电网频率为50Hz时，交—交变频电路输出的上限频率为20Hz左右。
当输出频率增高时，输出电压一周期所包含的电网电压段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变和由此引起的电流波形畸变，以及电动机的转矩脉动．是限制输出频率提高的主要因素。
【练习题5-28】交—交变频电路的主要特点和不足是什么?
其主要用途是什么?
答：
交—交变频电路的主要特点是：
只用一次变流，效率较高；可方便实现四象限工作；低频率输出时的特性接近正弦波。
交—交变频电路的主要不足是：
接线复杂，如采用三相桥式电路的三相交一交变频器至少要用36只晶闸管；受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；输出功率因数较低；输入电流谐波含量大，频谱复杂。
主要用途：
500kW或1000kW以下的大功率、低转速的交流调速电路，如轧机主传动装置、鼓风机、球磨机等场合。
【练习题5—29】三相交一交变频电路有哪两种接线方式?
它们有什么区别?
答：
三相交一交变频电路有公共交流母线进线方式和输出星形连结方式两种接线方式。
两种接线方式的主要区别在于：
公共交流母线进线方式中，因为电源进线端公用，所以三组单相和交一交变频电路输出端必须隔离。
为此，交流电动机的三个绕组必须拆开，共引出六根线。
而在输出星形连结方式中，因为电动机中性点和变频器中性点接在一起，电动机只引出三根线即可，但是因其三组单相交一交变频器的输出端连在一起，其电源接线必须隔离，因此三组单相交一交变频器要分别用三个变压器供电。
【练习题5—30】在三相交一交变频电路中，梯形波输出控制的好处是什么?
为什么?
答：
在三相交一交变频电路中采用梯形波输出控制的好处是可以改善输入功率因数。
因为梯形波的主要谐波成分是三次谐波，在线电压中，三次谐波相互抵消，结果线电压仍为正弦波。
在这种控制方式中，因为桥式电路能够较长时间工作在高输出电压区域（对应梯形波的平顶区），α角较小，因此输出功率因数可提高15％左右。
【练习题5—31】试述矩阵式变频电路的基本原理和优缺点。
为什么说这种电路有较好的发展前景?
答：
矩阵式变频电路的基本原理是：
对输入的单相或三相交流电压进行斩波控制，使输出成为正弦交流输出。
矩阵式变频电路的主要优点是：
输出电压为正弦波；输出频率不受电网频率的限制；输入电流也可控制为正弦波且电压相同；功率因数为1，也可控制为需要的功率因数；能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行；不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。
矩阵式变频电路的主要缺点是：
所用的开关器件为18个，电路结构较复杂，成本较高，控制方式还不算成熟；输出输入最大电压比只有o．866，用于交流电机调速时，输出电压偏低。
因为矩阵式变频电路有十分良好的电气性能，使输出电压和输入电流均为正弦波，输入功率因数为1，且能双向流动，可实现四象限运行；其次，和目前广泛应用的交直交流变频电路相比，虽然多了6个开关器件，却省去直流侧大电容，使体积减少，且容易实现集成化和功率模块化。
随着当前器件制造技术的飞速进步和计算机技术的日新月异，矩阵式变频电路。
xxxxxxxxx课题三电风扇无级调速器
电风扇无级调速器在日常生活中的应用非常广泛，本课题通过对与电路相关的知识：
双晶闸管、单相交流调压、交流开关等内容的介绍和分析。
使学生能够理解电路的工作原理，掌握分析电路的方法。
一、本课题学习目标与要求
1．掌握用万用表测试双向晶闸管好坏的方法。
2．掌握双向晶闸管的外形及符号；双向晶闸管的触发方式。
3．分析单相交流调压电路
4．了解交流开关、交流调功器、固态开关原理。
二、主要概念提示及难点释疑
1．双向晶闸管的触发方式
双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。
主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式：
1）Ⅰ+触发方式?
主极T1为正，T2为负；门极电压G为正，T2为负。
2）Ⅰ-触发方式?
主极T1为正，T2为负；门极电压G为负，T2为正。
3）Ⅲ+触发方式?
主极T1为负，T2为正；门极电压G为正，T2为负。
4）Ⅲ-触发方式?
主极T1为负，T2为正；门极电压G为负，T2为正。
2．双向晶闸管的参数
1）双向晶闸管额定通态电流不同于普通晶闸管的额定通态电流。
前者用交流有效值标定，后者用正弦半波平均值标定，选择晶闸管时不能混淆。
例如双向晶闸管额定通态电流为100A，若用两个反并联的普通晶闸管代替，按有效相等的原则，得，所以，。
因此一个100A的双向晶闸管与两个45A反并联的普通晶闸管等效。
2）在选择双向晶闸管的额定通态电流时，要考虑到电动机的启动电流的影响，在交流开关的主电流中串入空心电抗器，可抑制换向电压上网率，降低对双向晶闸管换向能力的要求。
3．交流调压电路
（1）单相交流调压电路电感性负载时，要用宽脉冲触发晶闸管，否则在＜（负载功率因数角）时，会使一个晶闸管不能导通，负载波形只有半周，出现很大的直流分量，电路不能正常工作。
（2）单相交流调压电路电阻性负载时，移相范围是=0°~180°，而电感性负载时，移相范围是=~180°
（3）交流功率调节容量较大时，应采用三相交流调压。
三相交流调压电路接线方式及性能特点见教材。
（4）交流调压可以采用移相触发也可以采用过零触发来实现。
过零触发就是在电压为零附近触发晶闸管导通，在设定的周期内改变晶闸管导通的频率树来实现交流调压或调功率。
4．交流开关
交流开关的作用类似普通的接触器，用门极小电流控制阳极大电流的通断，实现开关的无触电化。
三、学习方法
1．对比法：
双向晶闸管的学习与普通晶闸管对比，找出他们的异同；移相触发与过零触发比较，找出各自优缺点。
2．波形分析法：
交流调压电路的工
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