《电力电子技术》课后答案完整版.docx
《《电力电子技术》课后答案完整版.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《电力电子技术》课后答案完整版.docx（83页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
《电力电子技术》课后答案完整版
王兆安《电力电子技术》（第4版课后习题解
第1章电力电子器件
1.1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,并在门极注入正向触发电流。
1.2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,即HAII>。
要使晶闸管由导通变为关断,可通过外加反向阳极电压或减小负载电流的办法,使流过晶闸管的电流降到维持电流值以下,即HAII<。
1.3图1-43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mI。
试计算各波形的电流平均值1dI,2dI,3dI与电流有效值1I,2I,3I。
解:
a
mmm
dIItdtII2717.012
2（
2（（sin214
1≈+=
=
⎰π
ωωπ
ππ
mmmIItdtII4767.021432（sin（214
21≈+=
=⎰
π
ωϖπ
ππbmm
mdIItdtII5434.012
2
（
（（sin1
4
2≈+=
=
⎰
π
ωωπ
ππ
mmmIItdtII6471.021432
2（sin（1
4
22≈+=
=
⎰
π
ωϖπ
ππc⎰
=
=20
3
4
1（21π
ωπ
mmdItdIImmItdII2
1（21
20
2
3=
=
⎰
ωπ
π
1.4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1dI、2dI、3dI各为多少?
这时,相应的电流最大值1mI、2mI、3mI各为多少?
解:
额定电流AIAVT100（=的晶闸管,允许的电流有效值AI157=,由上题计算结果知:
aAI
Im35.3294767.01≈≈
AIImd48.892717.011≈≈
bAI
Im90.2326741
.02≈≈
AIImd56.1265434.022≈≈cAIIm31423==AIImd5.784
1
33==
1.5GTO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211PNP和221NPN构成两个晶体管1V、2V,分别具有共基极电
流增益1α和2α,由普通晶阐管的分析可得,121=+αα是器件临界导通的条件。
121>
αα+两个等效晶体管过饱和而导通;121<
αα+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
图1-43晶闸管导电波形
不同:
1多元并联集成结构使每个GTO元阴极面积很小,门极和阴极间的距离大为缩短,2P区的横向电阻很小,显著减小了横向压降效应,从而使从门极抽出较大的电流成为可能;
2GTO导通时21αα+的更接近于1,普通晶闸管5.121≥+αα,而GTO则为05.121≈+αα,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;而且GTO在设计时2α较大,这样晶体管2V控制灵敏,易于GTO关断;
3GTO的3J结的反向击穿设计得较高,使得允许在门极和阴极间施加较高的反向驱动电压,不仅可以进一步削弱横向压降效应,而且可以加速GTO体内非平衡载流子经门极回路泄放的过程。
1.6如何防止电力MOSFET因静电感应引起的损坏?
答:
电力MOSFET的栅极绝缘层很薄弱,容易被击穿而损坏。
MOSFET的输入电容是低泄漏电容,当栅极开路时极易受静电干扰而充上超过±20V的击穿电压,所以为防止MOSFET因静电感应而引起的损坏,应注意以下几点:
①一般在不用时将其三个电极短接;②装配时人体、工作台、电烙铁必须接地,测试时所有仪器外壳必须接地;③电路中,栅、源极间常并联齐纳二极管以防止电压过高;④漏、源极间也要采取缓冲电路等措施吸收过电压。
1.7IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的驱动电路各有什么特点?
答:
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。
1.8全控型器件的缓冲电路的主要作用是什么?
试分析RCD缓冲电路中各元件的作用。
答:
全控型器件缓冲电路的主要作用是抑制器件的内因过电压,dtdv
或过电流和dt
di
减小器件的开关损
耗。
RCD缓冲电路中,各元件的作用是:
开通时,SC经SR放电,SR起到限制放电电流的作用;关断时,负载电流经SVD从SC分流,使dt
dv减小,抑制过电压。
1.9试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。
解:
对IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的优缺点的比较如下表:
器件优点缺点
IGBT开关速度快,开关损耗小,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,电压、
电流容量不及GTO;存在擎住效应
问题。
GTR耐压高,电流大,开关特性好,通流能力强,饱和压降低。
开关速度低,为电流驱动,所需驱动
功率大,驱动电路复杂;存在二次击
穿问题。
GTO电压、电流容量大,适用于大功率场合,具有电导调制效应,其通流能力很强。
电流关断增益很小,关断时门极负脉
冲电流大,开关速度低,驱动功率大,
驱动电路复杂,开关频率低。
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。
通态电阻大,通态损耗大,电流容量
小,耐压低,一般只适用于功率不超
过10kW的电力电子装置。
1.10什么是晶闸管的额定电流?
答:
晶闸管的额定电流就是它的通态平均电流,国标规定:
晶闸管在环境温度为40℃和规定的冷却状态下,稳定结温不超过额定结温所允许的最大工频正弦半波电流的平均值。
1.11为什么要限制晶闸管断电电压上升律dt
dv
?
答:
晶闸管在承受正向阳极电压阻断状态下,2J结反偏,其结电容在晶闸管端电压上升率dt
dv
过大时,就
会流过较大的充电电流（称位移电流,此位移电流流过3J,起到相当于触发电流的作用,易使晶闸管误触
发导通,所以要限制dt
dv
。
1.12为什么要限制晶闸管通态电流上升率dt
di
?
答:
在晶闸管开始导通时刻,若电流上升速度过快,会有较大的电流集中在门极附近的阴极小区域内,虽然平均电流没有超过额定值,但在小的区域内局部过热而损坏晶闸管,所以要限制通态dt
di
。
1.13电力电子器件工作时产生过电压的原因及防止措施有哪些?
答:
产生原因:
分闸、合闸时产生的操作过电压;雷击引起的雷击过电压;晶闸管换相过程中产生的换相过电压。
防止措施:
压敏电阻;交流侧RC过电压抑制电路;直流侧RC过电压控制电路;变压器加屏蔽层;避雷器;器件关断缓冲电路等。
第2章整流电路
2..1单相半波可控整流电路对电感负载供电,mHL20=,VU1002=,求当︒=0α时和︒60时的负载电流
dI,并画出du与di波形。
解:
︒=0α时,在电源电压2u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2u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2u的一个
周期里,以下方程均成立:
tUdt
diL
d
ωsin22=考虑到初始条件:
当0=tω时0=di可解方程得:
cos1（22
tLUidωω-=
⎰-=
π
ωωωπ20
2
（cos1（221tdtL
UId（51.2222AL
U==ω
du与di的波形如下图:
当︒=60α时,在2u的正半周期︒60~︒180期间,晶闸管导通使电惑L储能,电感L储藏的能量在2u负半周期︒180~︒300期间释放,因此在2u的一个周期中︒60~︒300期间,以下微分方程成立:
tUdt
diL
d
ωsin22=考虑到初始条件:
当︒=60tω时0=di可解方程得:
cos2
1
（22tLUidωω-=
其平均值为
⎰-=
3
53
2（cos2
1
（221ππ
ωωωπ
tdtLUId（25.11222ALU==ω此时du与di的波形如下图:
2.2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222U;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侧绕组中,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2VT为例。
当1VT导通时,晶闸管2VT通过1VT与2个变压器二次绕组并联,所以2VT承受的最大电压为222U。
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;~（πα期间,单相全波电路中1VT导通,单相全控桥电路中1VT、4VT导通,输出电压均与电源电压2U相等;~（αππ+期间均无晶闸管导通,输出电压为0;2~（παπ+期间,单相全波电路中2VT导通,单相全控桥电路中2VT、3VT导通,输出电压等于2U-。
对于电感负载;~（απα+期问,单相全波电路中1VT导逼,单相全控桥电路中1VT、4VT导通,输出电压均与电源电压2U相等;2~（απαπ++期间,单相全波电路中2VT导通,单相全控桥电路中2VT、3VT导通,输出波形等于2U-。
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。
2.3单相桥式全控整流电路,VU1002=,负载中Ω=20R,L值极大,当︒=30α时,要求:
①作出du、
di和2i的波形;
②求整流输出平均电压dU、电流dI,变压器二次电流有效值2I;③考虑安全裕量,确定晶闸管的额定电压和额定电流。
解:
①du、di和2i的波形如下图:
②输出平均电压dU、电流dI,变压器二次电流有效值2I分别为（97.7730cos1009.0cos9.02VUUd=︒⨯⨯==α
（99.382
97.77ARUId
d===
（99.382AIId==
③晶闸管承受的最大反向电压为:
（4.141100222VU=⨯=考虑安全裕量,晶闸管的额定电压为:
（424~2834.1413~2（VUN=⨯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:
（57.272
AIId
VT==
晶闸管的额定电流为:
（35~2657
.157
.272~5.1（AIN=⨯=
具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。
2.4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:
2.5单相桥式全控整流电路,VU100
2=,负载Ω=20R,L值极大,反电势VE60=,当时,要求:
①作出du、di和2i的波形;
②求整流输出平均电压dU、电流dI,变压器二次电流有效值2I;③考虑安全裕量,确定晶闸管的额定电压和额定电流。
解:
①du、di和2i的波形如下图:
②整流输出平均电压dU、电流dI,变压器二次测电流有效值2I分别为:
（926097.77（（AR
EUIdd=-=-=
（92AIId==
③晶闸管承受的最大反向电压为:
（4.141100222VU=⨯=
流过每个晶闸管的电流的有效值为:
（36.62AIIdVT==
故晶闸管的额定电压为:
（424~2834.1413~2（VUN=⨯
晶闸管的额定电流为:
（8~657.136.62~5.1（AIN=⨯=
晶闸管额定电压和电流的具体敢值可按晶闸管产品系列参数选取。
2.6晶闸管串联的单相半控桥（桥中1VT、2VT为晶闸管,电路如图2-11所示,VU1002=,电阻电感负载,Ω=2R,L值极大,当︒=60α时求流过器件电流的有效值,并作出du、di、VTi、Di的波形。
解:
du、di、VTi、Di的波形如下图:
负载电压的平均值为:
（5.672
3/cos（19.0（sin21
232VUttdUUd=+==⎰πωωππ
π
负载电流的平均值为:
（75.332
5.67ARUIdd===流过晶闸管1VT、2VT的电流有效值为:
（49.193
1AIIdVT==流过二极管3VD、4VD的电流有效值为:
（56.2732AIIdVD==
2.7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du的波形。
解:
假设︒=0α,当负载为电阻时,du的波形如下:
当负载为电感时,du的波形如下:
2.8三相半波整流电路,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1a2c对应的晶闸管导通时,1a的电流向下流,2c的电流向上流;当1c2b对应的晶闸管导通时,1c的电流向下流,2b的电流向上流;当1b2a对应的晶闸管导通时,1b的电流向
下流,2a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有电流流过,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。
2.9三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两相之间换相的自然换相点不是同一点。
它们在相位上相差︒180。
2.10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,那么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。
2.ll三相半波可控整流电路,VU1002=,带电阻电感负载,Ω=5R,L值极大,当︒=60α时,要求:
①画出du、di、和1VTi的波形;
②计算dU、dI、dVTI和VTI。
解:
①du、di和1VTi的波形如下图:
②dU、dI、dVTI和VTI分别如下
（5.5860cos10017.1cos17.12VUUd=︒⨯⨯==α（7.115
5.58ARUId
d===
（9.33
7.113AIIddVT===（755.637.113AIIdVT===
2.12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du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1VT不能导通,整流电压du波形如下:
假设1VT被击穿而短路,则当晶闸管3VT或5VT导通时,将发生电源相间短路,使得3VT、5VT也可能分别被击穿。
2.13三相桥式全控整流电路,VU1002=,带电阻电感负载,Ω=5R,L值极大,当︒=60α时,要求:
①画出du、di、和1VTi的波形;
②计算dU、dI、dVTI和VTI。
解:
①du、di和1VTi的波形如下:
②dU、dI、dVTI和VTI分别如下
（11760cos10034.2cos34.22VUUd=︒⨯⨯==α（4.235
117AR
UIdd===（8.73
4.233AIIddVT===（51.1334.233AIIdVT===
2.14单相全控桥,反电动势阻感负载,Ω=1R,∞=L,VE40=,VU1002=,mHLB5.0=,当︒=60α时求dU、dI与γ的数值,并画出整流电压du的波形。
解:
考虑BL时,有:
ddUUU∆-=αcos9.02
dBdIXUπ
2=∆R
EUIdd（-=解方程组得:
（55.4422cos9.02VXREXURUB
Bd=++=παπ
（455.0VUd=∆（55.4AId=
又因为2
2cos（cosUXIBd=+-γαα
即得出4798
.060cos（=+︒γ换流重叠角︒=︒-︒=33.16033.61γ最后,作出整流电压du的波形如下:
2.15三相半波可控整流电路,反电动势阻感负载,VU1002=,Ω=1R,mHLB1=,求当︒=30α、VE50=时dU、dI、γ的值并作出du与1VTi和2VTi的波形。
解:
考虑BL时,有:
ddUUU∆-=αcos17.12
dBdIXUπ23=∆
REUIdd
（-=
解方程组得:
（63.94323cos17
.12VXRE
XURUB
Bd=++=παπ
（7.6VUd=∆
（63.44AId=
又因为2
62cos（cosUXIBd=+-γαα
即得出752.030cos（=+︒γ
换流重叠角︒=︒-︒=28.113028.41γdu、1VTi和2VTi的波形如下:
2.16三相桥式不可控整流电路,阻感负载,Ω=5R,∞=L,VU2202=,Ω=
3.0BX,求dU、dI、VDI、2I和γ的值并作出du、VDi和2i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︒=0α时的情况。
ddUUU∆-=αcos34.22
dB
dIXUπ
3=∆R
UId
d=解方程组得:
（9.486/31cos34.22VR
XUUBd=+=πα（38.97AId=
又因为2
62cos（cosUXIBd=+-γαα即得出892.0cos=γ
换流重叠角︒=93.26γ
二极管电路和变压器二次侧电流的有效值分别为（46.32338.973AIIdVD=÷==（51.79322AIIda
==du、1VDi和ai2的波形如下:
2.17三相全控桥,反电势阻感负载,VE200=,Ω=1R,∞=L,VU2202=,︒=60α,当0=BL和mHLB1=情况下分别求dU、dI的值,后者还应求γ并做出du与Ti的波形。
答:
①当0=BL时:
（4.25760cos22034.2cos34.22VUUd=︒⨯⨯==α
（4.571
2004.257（（AREUIdd=-=-=②当mHLB1=时:
ddUUU∆-=αcos34.22π
dBdIXU3=∆REUIdd（-=
解方程组得:
（15.24433cos34.22VXREXRUUB
Bd=++=παπ（15.44AId=
（25.13VUd=∆
又因为2
62cos（cosUXIBd=+-γαα即得出4485
.060cos（=+︒γ换流重叠角︒=︒-︒=35.36035.63γ
du、1VTi和2VTi的波形如下:
2.18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?
其中主要的是哪儿次?
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。
2.19三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。
2.20试计算第3题中2i的3、5、7次谐波分量的有效值23I,25I,27I。
解:
在第3题中己知电路为单相全控桥,其输出电流平均值为
（99.38AId=
于是可得:
（7.11399.382232223AIId=⨯==
ππ（02.7599.382252225AIId=⨯==
ππ（01.5799
.382272227AII
升级会员 