电力电子技术习题答案.docx

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电力电子技术习题答案

电力电子技术习题答案

第二章电力电子器件

2-1答：

电导调制效应是指PN结处于正向导通状态下，当正向电流较小时，二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂N区的欧姆电阻，其阻值较高并且管压降随正向电流的上升而升高；当正向电流较大时，在N区的少子孔穴浓度将很大，为了维持半导体电中性条件，势必多子电子的浓度也大幅增加。

这导致了电阻率的下降，从而电压上升的增量不大。

二极管的正向伏安特性曲线清楚地表明了电导调制效应的作用。

2-2答：

使晶闸管导通的条件是：

晶闸管处于正向偏置电压时，给门极施加足够功率的触发电压；当晶闸管处于导通状态时只要将导通的电流减小到小于维持电流，或者直接施加反向电压就可。

2-3答：

1）

2）

2-4答：

GTR电流容量大，耐压值高。

但需要的驱动功率大，热稳定性差，易产生二次击穿，通态压降较高；MOSFETS静态驱动功率小，工作频率比较高，热稳定性优于GTR，通态压降低。

它还具有正的温度特性，使得MOSFET管易于并联使用。

但缺点是电流容量较小，耐压值较低。

IGBT结合了GTR容量大和MOSFET驱动功率小的优点，但工作频率要低于MOSFET。

2-5答：

IGBT对驱动电路的要求是驱动电压脉冲上升和下降沿要陡；有足够的驱动功率；关断时栅极可加一反向电压；某些应用场合驱动电路要和主电路隔离；带有保护功能；驱动电路到IGBT模块的引线尽可能短。

IGBT过电流保护可以采用两种方法：

检测集电极电压和检测发射极电流。

前者保护动作快，并在一些现成驱动模块上如EXB840等集成了检测和保护电路。

第三章交流-直流变换电路

3-1答：

3-2答：

该题实际上是考虑两个幅值不同,导通角也不同的波形做比较,前者幅度小,导通角为π-α,后者为π-α-δ.显然后者电流波形底部窄，通过对两种波形的波形系数分析，在同样平均电流的情况下，底部窄的的其有效值大，因此对后者要求晶闸管的额定电流大。

3-3答：

续流二极管VD损坏。

当损坏的VD症状是开路时，相当于没有续流二极管在起作用，所以输出电压会变得很低。

3-4答：

前者不是，后者是。

因为大电感负载时，可认为流过电阻的电流是直流电流，没有交流分量，所以有功功率就是UdId。

3-5答：

两种供电方式都能输出0-24V直流电压。

这里负载Rd=24V/30A=0.8Ω。

考虑最大输出为24V，则：

1）采取直接供电时（U2=220V）：

按式3-3得α=121°；KF=2.81

按式3-5和式3-7代入Id和α（根号中的sinα应为sin2α）得I=KF*Id=84.24A；

按式3-10得cosφ=0.311；S=IU2=18.53KVA。

2）采取降压供电时（U2=60V）：

则α=38.9；I=49.97A；cosφ=0.682；S=2.998KVA。

比较两种方式,虽然后者需要一个变压器,但对电源容量要求小,功率因数也高得多。

3-6答:

1）移相范围

单相半波：

由

得:

所以移相范围为35.1°～126.6°

单相全波：

由

得:

所以移相范围为95.2°～142.9°

2）晶闸管的额定电压和额定电流

单相半波\全波

单相半波由

得:

注意126的控制角对应的有效值比上值小,所以不考虑。

I=U/R=152/5=30.4AIT（AV）=2*（IT/1.57）=38.7A

单相全波

注意142.9的控制角对应的有效值比上值小,所以不考虑。

I=IT=U/R=147.4/5=29.48AIT=I/1.414=20.84AIT（AV）=2*（IT/1.57）=26.54A

综上,可考虑选800V,50A和30A的晶闸管。

3）负载消耗最大功率

单相半波:

P=U*U/R=152*152/5=4.621KW

单相全波:

P=U*U/R=147.4*147.4/5=4.349KW

4）最大功率因数

单相半波

0.691

单相全波

0.67

3-7答:

（图以α=45°为例）

3-8答:

1）

电阻性负载时也需要辅助关断措施，因为整流桥始终输出上正下负的电压，晶闸管处于始终正向电压偏置，所以要能按1）图中波形输出使负载电压可调，则需要辅助关断电路，否则负载端电压是一个全波的完整整流波形。

2）0～π

3）也需要。

因为当电源电压从正半周进入负半周时需要强制使V关断（如果不这样V是没法关断的），这时就需要续流二极管让电感能量通过二极管释放。

反之，当电源电压从负半周进入正半周时也存在同样情况。

3-9答：

1）由

得:

Ud=0.9*220（1+0.866）/2=184.7V

Id=Ud/R=184.7/15=12.3A

则平均值:

IdVT=IdVD=Id*（π-α）/2π=12.3*150/360=5.1A

IdVDR=Id*α/π=12.3*30/180=2A

有效值:

IVT=（（π-α）/2π）1/2*Id=（150/360）1/2*12.3=7.95A

IVDR=（α/π）1/2*Id=（30/180）1/2*12.3=5.02A

2）即α/π>（π-α）/2π得α>（π-α）/2最后得α>π/3

3-10答：

可以。

但触发角的移相范围只有0º～120º。

最小工作电压为0.585U2。

3-11答：

一个晶闸管不能导通时，会导致输出波形缺波头。

例如VT1不导通，则uab,uac的波头将失去，此处输出将直接从uCb降为0。

一个晶闸管短路问题将十分严重，例如VT1短路，当触发VT3时，会导致ub、ua相电压之间通过VT3及短路的VT1发生短路，从而又烧毁VT3。

3-12答：

设α=30º

1）单相半波：

IdVT=Id=30A，IVT=kf*IdVT=1.606﹡30=48.2A。

2）单相桥式：

IdVT=Id/2=15A，IVT=kf*IdVT=1.606﹡15=24.1A。

上述两题均可采用式3-7（根号中的sinα应为sin2α）计算Kf

3）提示：

三相半波电阻性负载时需要先推出一个晶闸管流过电流（1/3周期）的有效值计算式和平均值计算式，获得波形系数Kf，然后根据一个晶闸管流过电流平均值（是负载电流的1/3）计算有效值。

3-13答：

1）由Ud=2.34U2cosα且α最小时,Ud最大,所以U2=Ud/2.34=220/2.34=94V

2）因为Id=Ud/R=220/12=18.3A,IVT=（1/3）1/2*Id=10.56A故IT（AV）=2*IVT/1.57=13.45A

电压考虑为2*1.414*1.732*94=460.5V

选20A500V

3）I2=（2/3）1/2*Id=14.94A

4）COSφ=Ud*Id/3U2I2=220*18.3/3*94*14.94=4026/4213.6=0.955

5）S=3U2I2=4213.6VA

3-14答：

1）因为大电感,电流连续,则电压平均值可按Ud=2.34U2COSα计算,但Id=（Ud-E）/R

Ud=2.34*220*0.5=257.4V

Id=（257.4-200）/1=57.4A

2）（Ud-ΔUd-E）/1=IdUd-6XBId/2π-E=Id57.4-0.3Id=Id1.3Id=57.4

Id=57.4/1.3=44.15A

由cosα-cos（α+γ）=XBId/1.414*1.732*U2*sin（π/6）

=2*0.314*44.15/220*2.45=27.7/539=0.0514

cos（α+γ）=cosα-0.0514=0.5-0.0514=0.4486

α+γ=63.35º

γ=63.35º-60º=3.35º

3-15答：

（1）Id均从整流电路上端流出，经过电感和反电势元件从整流电路下端流入。

Ud方向电动状态时上正下负，发电状态时下正上负，E的方向如图示不变。

（2）电动状态时|Ud|>E，发电状态时E>|Ud|。

3-16答：

Ud=-267.2V；Id=32.76A；γ=2.54º；P=8.4KW。

提示：

先将漏抗、反电势、负载电阻串联后看成一条支路接在整流电路输出端，然后根据电路结构列出回路电压方程，再求解负载电流（注意是大电感负载）。

3-17答：

换相重叠角会变大。

因为电压降低时会使换相时的两个换相支路的漏抗压降比较小，使得换相环流比较小，造成换流时间加长。

第四章直流-直流变换技术

4-1答：

主要元器件有开关元件、电容器、电感器和快恢复二极管。

基本原理是利用对电感的定时地间隙储能及释放，实现电能的转移和变换。

4-2答：

根据式4-11、4-10、4-19、4-18可解得：

k=0.62A，L=14.5μН，ΔUc=2.34mV。

4-3答：

电感量太小或者负载偏轻时。

对电路的影响是输出电压不能稳定，波动大。

4-4答：

根据式4-31、4-35、4-38解得：

k=0.8，L=2mH，C=1333uF。

第五章直流-交流变换电路

5-1答：

有源逆变将负载能量（电机或蓄电池等）馈送给电网，往往通过整流电路来实现。

而无源逆变将直流端电能逆变后直接供给负载。

（注意目前的光伏、风能等并网发电技术与这两个概念有所不同）。

5-2答：

见本章概述。

5-3答：

见本章概述。

5-4答：

教材介绍的电压型逆变器主要由可关断器件和反向二极管构成，而电流型逆变器由晶闸管和辅助的换流电路构成。

5-5答：

在驱动感性负载时提供无功电流的通路。

电流型逆变电路在反馈无功能量时直流电流并不反向，所以不需要开关器件并反馈二极管。

5-6答：

调节直流端电压；移相调压；多脉冲宽度调节；SPWM。

5-7答：

二极管起辅助换流作用，帮助换流电容器电压经过换流过程使其反向，为下一阶段的晶闸管换流做准备。

换相过程见教材108页。

5-8答：

π2π

此题因为是电阻性负载，只有4个开关器件均不导通时，输出电压才为0。

此刻假定上下桥臂的两个器件特性一致，则每个器件承受输入电压Ud的一半。

5-9答：

UUN1m=63.7V，UUN1=47.1V，UUVm=110V，UUV=81.6V，UUV5=22V。

5-10答：

1）保证并联电容后负载呈容性；

2）保证晶闸管关断时承受反压一段时间，故要求负载相位角φ≥γ/2+β。

5-11答：

根据冲量相等的脉冲作用于惯性环节上，其效果基本相同的原理。

见教材110页。

载波比指的是载波频率与调制信号频率之比。

5-12答：

由于是感性负载，VD1-VD4将起作用。

1）单极性调制：

在调制电压为正，电流为负时，若u0=0，则VD1，V3导通。

若u0=Ud，VD1和VD4导通；如果电流进入到正半周后，若u0=0，则V1，VD3导通。

若u0=Ud，V1和V4导通；在调制电压为负时，也有电流为正和为负两种情况，开关器件的工作状态读者自己分析。

2）双极性调制：

不存在u0=0的电平。

在调制电压为正，电流为负时，若u0=Ud，VD1和VD4导通；若u0=-Ud，V2和V3导通；在调制电压为正，电流为正时，若u0=Ud，V1和V4导通；若u0=-Ud，VD2和VD3导通；调制电压为负的状态请读者自行分析。

5-13答：

区间1：

V1，V4导通；区间2：

VD2，VD3导通；区间3：

V2，V3导通；区间4：

VD1，VD4导通。

5-14答：

3个单相组成一个三相逆变器具有消除3倍谐波、电气隔离的优点。

而三相桥式逆变器结构简单，控制方便，但没有电气隔离（许多场合并不影响使用）。

5-15答：

异步调制指的是载波比m是变化的。

而同步调制m是常数。

异步调制在调制频率上升时半周期内脉冲数减少，输出波形与正弦波之间差异也变大。

同步调制则在调制频率很低时，由于m不变，载波频率也很低，这使得输出谐波频率也很低，并不宜滤除。

第六章交流-交流变换电路

6-1答：

1）在电感性负载条件下，要使输出可调，必须有控制角α≥φ。

根据电感值和电阻值可得φ=60º，所以60º<α≤180º。

2）φ=60º时输出最大，则I=220/2=110A；P=12.1KW。

3）cosφ=0.5。

6-2答：

因为R=4.84Ω，所以5KW功率输出时，U0=155.5V。

根据式6-1，6-4可得cosφ=0.707，I0=32.12A

6-3答：

根据负载条件，φ=26.6º。

而α=20º，所以输出已不能控，并且就是完整正弦波输出。

因此I=U/Z=22A。

6-4答：

交流调压电路是通过相控方式，使输出电压波形为不完整正弦波来改变输出电压有效值。

而交流调功电路是通过控制输出波形的数量和间隙改变平均功率。

一般情况下两者电路结构是相同的，只是控制方式不同。

前者的输出谐波较大，后者谐波为零。

6-5答：

交-交变频电路直接将交流电变换成频率可调的交流电，原理见教材103页。

6-6答：

最大输出频率为工频的1/2-1/3。

制约输出频率的因数是交-交变频至少要保证每半周期至少要输出两个波头的波形。

6-7答：

交-交变频电路电路简单，效率高，输出功率大，适合于低速运行的大容量交流电机控制。

但最高频率只能低于工频。