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1、电力电子技术答案第五版全电子电力课后习题答案第一章电力电子器件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：晶闸管承受正相阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲） 或者UAk 0且UG01.2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。I 2=3=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Id1、Id2、Id3各为多 少？这时，相应的电流最大值Im、Im2、I m3各为多少？解：额定电流It（av）=100A的晶闸管，允许的电流有效值I=157A,由上题计算

2、结果知a) I329.35m1 0.4767A, Id1 0.2717I m1 89.48AI232.90代Ib) Im2 0.6741d2 0.5434Im2126.56A1-I m3 78.5c) I m=2l=314 I d3= 41.5.GTO和普通晶闸管同为PNPN吉构，为什么GTC能够自关断，而普通晶闸管不能？答：GTO和普通晶阐管同为PNPN吉构，由P1N1P2和N1P2N2勾成两个晶体管VI、V2,分 别具有共基极电流增益 1和2，由普通晶阐管的分析可得， 1 2 1是器件临界导通的条件。1 21两个等效晶体管过饱和而导通； 1 2V1不能维持饱和导通而关断。GTO之所以能够自

3、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不同：1)GTO 在设计时2较大，这样晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断；2)GT0 导通时1 2的更接近于I，普通晶闸管 1 2 1.5，而GTO则为1 2 1.05 , GTO勺饱和程度不深，接近于临界饱和，这样为门极控制关断提供了有利条件；3)多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P2极区所谓的横向电阻很小，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。1.6.如何防止电力MOSFE因静电感应应起的损坏？答：电力MOSFE的栅极绝缘层很薄弱，容易被击穿而损坏。 MOSFE的输入电容是低泄

4、漏 电容，当栅极开路时极易受静电干扰而充上超过土 20的击穿电压，所以为防止 MOSFE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。1.7.IGBT、GTR GTO和电力MOSFE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，1 GBT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。GTF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

5、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MOSFE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， du

6、/dt或过电流和di/dt,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， Cs经Rs放电，Rs起到限制放电电流的作用；关断时，负载电流经 VDs从Cs分流，使du/dt减小，抑制过电压。1.9.试说明IGBT、GTR GTO和电力MOSFE各自的优缺点。解:对I GBT GTR GTO和电力MOSFE的优缺点的比较如下表:器件优点缺点IGBT开关速度高，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GTOoGTR耐压咼，电流大，开 关特性好，通流能力强， 饱和压降低。开关速度低，为

7、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，工作频率咼，不存 在二次击穿问题。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：是晶闸管在环境温度为 40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温所允许

8、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 du/dt?答：正向电压在阻断状态下，反向结 J2相当的一个电容加在晶闸管两端电压上升率过大， 就会有过大的充电电流，此电流流过 J3,起到触发电流的作用，易使晶闸管误触发，所以要限 制 du/dt o答：在晶闸管导通开始时刻，若电流上升过快，会有较大的电流集中在门集附近的小区域 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了晶闸管，所以要限制通 态 di/dt。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：1、 由分闸、合闸产生的操作过电压；2、 雷击引起的雷击过电压；3、

9、晶闸管或与全控型器件反并联的续流二极管换相过程中产生的换相电压。措施：压敏电阻，交流侧RC抑制电路，直流侧RC控制电路，直流侧RC抑制电路，变压器屏蔽 层，避雷器，器件关断过电压 RC抑制电路。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， L=20Mh U2=100V求当 0时和60时的负载电流Id,并画出U与Id波形。解： 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U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U的一个周期中下列方程成立：L甞汝2sin t考虑到初始条件：当t 0时id=0

10、可解方程:Ud与I d的波形如下图:厂 r./Lt 血FlV0当a=60时，在U2的正半周期60180期间，晶闸管导通使电感L储能，电感L储藏 的能量在U负半周期180300期间释放，因此在U2的一个周期中60300期间，下列微分 方程成立：Ldid 、2U 2sin tdt考虑到初始条件：当t 60时id=0可解方程得:丑(cos t)id= dt 2其平均值为d=2此时Ud与i d的波形如下图:V2i/A.1 S /1 “/P -、/l Or j|也 1其一个周期内的平均电流为零，故不存在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

11、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 2UU2当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角 相同时，对于电阻负载：(0 )期间无晶闸管导通，输出电压为 0； ( )期间，单相全波电路中VT1导通，单相全控 桥电路中VTl、VT4导通，输出电压均与电源电压 U2相等；( )期间均无晶闸管导通，输出电压为0; ( 2 )期间，单相全波电路中VT2导通，单相全控桥电路中 VT2、VT3导通，输出电压等于一U。对于电感负载：( )期间，单相全波电路中VTI导通，单相全控桥电路中VTl、VT4导通，输出电压均与电源电压U2相等；( 2 )期间，单相全波

12、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，贝U输出电流也相同。23单相桥式全控整流电路，Ub=100V,负载中R=20 ，L值极大，当 =30时，要求:1作出Ud、Id、和丨2的波形；2求整流输出平均电压 U、电流Id，变压器二次电流有效值丨2 ；3考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：Ud、Id、和|2的波形如下图：输出平均电压U、电流Id、变压器二次电流有效值丨2分别为:U d=0.9U2cos =0.9 X 100X cos 30 = 77.97 (V)Id= Ud/R=77.97/2=38.99(

13、A)I 2=Id=38.99(A)3晶闸管承受的最大反向电压为：2 U=100 2=141.4(V)考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为:nf(23) X 141.4=283424(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：I vT=Id/ .2=27.57(A)晶闸管的额定电流为:I n=(1.52) X 27.57/1.57=2635(A)具体数值可按晶闸管产品系列参数选取24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

14、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:八 zvQ!51aoi/.- 、厂 时，要求：1作出Ud、Id和丨2的波形；2求整流输出平均电压 U、电流Id，变压器二次侧电流有效值丨2；3考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：Ud、Id和I2的波形如下图: I d、I dT和 I VTo解：Ud、I d和Ivti的波形如下图：U d=1.17U2COS =1.17 X 100X COS60 =58.5(V)I d= Ud/R=58.5/5=11.7(A)I dvT=ld/3=11.7/3=3.9(A)I vT=Id/ 3=6.755(A)12.在三相桥式全控整流电路中，电

15、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VTI不能导通，整流电压波形如下：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。2.13.三相桥式全控整流电路，U2=100V,带电阻电感负载R=50 ，L值极大，当 =60 时，要求：1画出Ud、Id和Ivti的波形2计算Ud I d、I dT和I VT解：Ud、I d和Ivti的波形如下：Ud、I d、I dT和I VT分别如下U d=2.34U2COS =2.34 X 100X cos60 =117(

16、V)I d=ll/R=117/5=23.4(A)I dvt=I d/3=23.4/3=7.8(A)I vT=Id/ 3=23.4/ 3=13.51(A)2.14.单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1 , L= , E=40V U2=100V, LB=0.5Mh,当 =60时，求U、Id与 的数值，并画出整流电压 Ud的波形。解：考虑Lb时，有Ud=0.9U2COS - Ud Ud=2XI d/ I d= (Ud-E)/R由方程组得Ud ( R 0.9U2cos 2XbE)/( R 2Xb) 44.55(V)Ud 0.455(V)I d=4.55 (A)又cos cos( ) . 2IdXB /

17、U2cos(60 ) 0.4798换相重叠角 61.33 60 1.33整流电压U的波形2.15.三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，U2=100V, R=1 ，LB=lmH求当 =30时、E=50V时Ud、Id、 的值并作出Id与Ivt1和Ivt2的波形。解：考虑LB时，有：U d=1.17U2COS - Ud Ud=3Xsl d/2d= (Ud-E)/R解方程组得:U d= ( R 1.17U2COS 3XbE)/(2 R 3Xb) 94.63(V) ld=6.7(V)I d=44.63(A)又因为：COSCOS( ) 2ldXB 八 6U2即得出cos( 30 + )=o.752换相

18、重叠角=41.28 30 11.28U d 与 | VTl 和 I VT2 的波形如下：2.16.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=l、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+I（K= I、2,3）次即奇次谐波，其中主 要的有3次、5次谐波。2.17.三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：

19、三相桥式全控整流电路的整流输出电压中含有 6K（K=l、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+l（K=l、2、3）次的谐波，其中主要的 是5、7次谐波。2.18. 试计算第2.3题中丨2的3、5、7次谐波分量的有效值I 23,1 25,1 27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I d=38.99 (A)于是可得：I 23=2 2Id/3 2 2 x 38.99/3 =11.7(A)I 25=2 2Id / 5 2 2 x 38.99/5 =7.02(A)I 37=2 2Id/7 2 2 x 38.99/7 =5.01(A)2.19.带平

20、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，晶闸营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。2.20.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

21、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。2.21.十二脉波、二十四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 II次、13次、23次、25次等即12K I(K=1,2,3.J 次谐波，整流输出电压中含有 12、24等即12K(K=1,2,3.J 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24K 1(K=I, 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。2.22.使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么 ？答：条件有二：直

22、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；要求晶闸管的控制角 2使Ud为负值。2.23.什么是逆变失败？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。防止逆变夫败的方法有：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 等。2.24.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

23、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0180 ，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是 090。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 0120，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是 090。2.25.三相全控桥，电动机负载，要求可逆运行，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。答：(1)考虑踞齿波底宽240;(2)信号 送a与对应晶闸管阳极电压 U同相，同步信号USa超前对应晶闸管阳极电压 U 30(3)共阴极组：Y/Y-4、

24、共阳极组：Y/Y-10第3章直流斩波电路1 简述图3-la所示的降压斩波电路工作原理。答：降压斩波器的原理是：在一个控制周期中，让 V导通一段时间如。，由电源E向L、 R、M供电，在此期间，Uo=E然后使V关断一段时间 切，此时电感L通过二极管VD向R和M 供电，Uo=0 个周期内的平均电压Eton Uo切输出电压小于电源电压,起到降压的作用。2.在图3-1a所示的降压斩波电路中，已知 E=200V R=10Q，L值微大，E=30V T=50卩s, ton=20卩s,计算输出电压平均值 U，输出电流平均值Io。解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为输出电流平均值为3.在图3-l

25、a所示的降压斩波电路中，E=100V L=lmH, R=0. 5Q, Em =10V,采用脉宽 调制控制方式，T=20卩s，当ton=5卩s时，计算输出电压平均值U。，输出电流平均值10，计算 输出电流的最大和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续。 当ton=3y s时，重新进行上述计算。解：由题目已知条件可得：El itn (U 0 E) I1toffL 0.0010.002R 0.5当切 5 s时，有-0.01如 0.0025由于/ 0.0025 / 249 m所以输出电流连续。4.简述图3-2a所示升压斩波电路的基本工作原理。答：假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。当V处于通态时，电源

26、E向电感L充电, 充电电流基本恒定为 5同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，基本保持输出电压 为恒值U0。设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为Eh ton。当V处于断态 时E和己共同向电容C充电并向负载R提供能量。设V处于断态的时间为&，则在此期间电 感L释放的能量为(U 0 E) h tff ；当电路工作于稳态时，一个周期 T中电感L积蓄的能量与释 放的能量相等，即：EI 1ton (U 0 E)htoff化简得：ton tof0 tLoffE T Etoff式中的T/toff1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。5 在图3-2a所示的升压斩波电路中，已知 E=50V, L值和C值极大，R=20Q