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1、电力电子技术课后习题全部答案电力电子技术2-1与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结构特点才使得其具有耐受高 压和大电流的能力答：1.电力二极管大都采用垂直导电结构，使得硅片中通过电流的有效面积增大，显著提高 了二极管的通流能力。2.电力二极管在P区和N区之间多了一层低掺杂 N区，也称漂移区。低掺杂N区由于掺杂浓 度低而接近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导体， 由于掺杂浓度低，低掺杂N区就可以承受很 高的电压而不被击穿。2-2.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，并在门极施加触发电流(脉冲) 。或：uAK0且 uGK02-3.维持晶闸管导通的

2、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。要使晶闸由导通变为关断， 可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。2-4图2-27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 Im,试计算各波形的电流平均值d3=解：a)b)I 2 =c)d1、 I d2、2-5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Im1、|m2、I m3各为多少解：额定电流It

3、(av)=100A的晶闸管，允许的电流有效值l=157A,由上题计算结果知m2 I d2I d3=PNPN吉构,为什么GTQ能够自关断,而普通晶闸管不能PNPN吉构，由P1N1P2和N1P2N2勾成两个晶体管 V1、V2,分别 由普通晶阐管的分析可得，是器件临界导通的条件。a) I mA,c) I m3=2I=3142-6 GTO和普通晶闸管同为 答：GTO和普通晶阐管同为 具有共基极电流增益和，两个等效晶体管过饱和而导通；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不同： l)GTO 在设计时较大，这样晶体管 V2控

4、制灵敏，易于 GTO关断；2)GTO导通时的更接近于I，普通晶闸管，而GTO则为，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。2-7与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结构特点才使得它具有耐受高 电压电流的能力答1.电力二极管大都采用垂直导电结构， 使得硅片中通过电流的有效面积增大， 显著提高了二极管的通流能力。2.电力二极管在P区和N区之间多了一层低掺杂 N区，也称漂移区。低掺杂N区由于掺杂浓 度低而接

5、近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导体， 由于掺杂浓度低，低掺杂N区就可以承受很 高的电压而不被击穿。2-8试分析IGBT和电力MOSFE在内部结构和开关特性上的相似与不同之处IGBT比电力MOSFE在背面多一个P型层，IGBT开关速度小，开关损耗少具有耐脉冲电流冲 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电力MOSFE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。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。 电

6、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。2-11目前常用的全控型电力电子器件有哪些答：门极可关断晶闸管，电力晶闸管，电力场效应晶体管，绝缘栅双极晶体管。3-1.单相半波可控整流电路对电感负载供电， L= 20mH U2= 100V,求当a= 0 和60 时 的负载电流Id，并画出ud与id波形。解：a = 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： lQE U2sin tdt考虑到

7、初始条件：当 t = 0时id=0可解方程得：idUd与i d的波形如下图:3-2 .图3-10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：晶闸管承受的最大反向电压为 2腹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

8、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占U2。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 相同时，对于电阻负载：（0a）期间无晶闸管导通，输出电压为 0； （a n）期间，单相全波电路中 VT1导通，单相全控桥电路 中VT、VT4导通，输出电压均与电源电压 U2相等；（n-n + a ）期间，均无晶闸管导通，输出电 压为0; （ n + a - 2 n ）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 氏。-2 nU20 则输出电流也相同。R= 2Q, L值极大，当a= 30时，要求:Ud电流Id，变压器二次

9、电流有效值I2 ；对于电感负载：（an + a）期间，单相全波电路中 VT导通，单相全控桥电路中VT、VT1 导通，输出电压均与电源电压 U2相等；（n + a2 n + a）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 I可见，两者的输出电压相同，加到同样的负载上时，2-dO_ 1O3-3 .单相桥式全控整流电路，U2= 100V,负载中 作出ud、id、和i2的波形；求整流输出平均电压 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。 解：Ud、i d、和i 2的波形如下图：Ud,LfPvOA / Af t/ w* FtOJ丿idJt输出平均电压Ud、

10、电流Id,变压器二次电流有效值12分别为Ui= U2 cos a=x 100X cos30 = ( V)Id = Ud / R= 2=(A)12= I d = ( A)晶闸管承受的最大反向电压为： J2U2= 100 =( V)考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：UN=( 23)X = 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：lvT= Id/2 =( A) 晶闸管的额定电流为：I N=(2)X/ = 2635 (A) 具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。3-4 .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

11、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：3-5 .单相桥式全控整流电路，时，要求：作出ud、id和i2的波形；1求整流输出平均电压Ud电流Id，变压器二次侧电流有效值12 ；2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：整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值l2分别为Ud= U2 COS a=x 100X cos30= (A)I d = ( Ud E)/ R= 60)/2 = 9(A)12= Id = 9(A)3晶闸管承

12、受的最大反向电压为： J2 L2= 100$ =( V)流过每个晶闸管的电流的有效值为：Ivt= Id /逅=(A)故晶闸管的额定电压为：LN= (23) X = 283424 (V)晶闸管的额定电流为：I N= 2) X/= 68 (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。3-6.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=2Q，L值很大，当 =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：3- &三相半波整流电路，可以将整流变压器的二次

13、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IrABC nIB YTT Jabc194/C2CB1b2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 aiC2对应的晶闸管导通时，ai的电流向下流，C2的电流向上流；当cib2对应的晶闸管导通时， 流，b2的电流向上流；当bia2对应的晶闸管导通时，bi的电流向下流，a2的电流向上流；就变压Ci的电流向下器的一次绕组而言，每一周期中有两段时间(各为 120 )

14、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。3-9 .三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法， 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， 是同一点。它们在相位上相差180。a、b两相的自然换相点是同一点吗如a、b两相之间换相的的自然换相点不3- 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 ，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，例如都是相，在相位上差多少度答：相差180。3- 11.三相半波可控整流电路，时，要求：画出U2=100

15、V带电阻电感负载，R=5Q, L值极大，当 =60 ud、id 和 iVT1 的波形；计算 Ud Id、IdT 和 IVT。解：Ud、U、i d和i VT1的波形如下图：I d、I dT和 IVT分别如下 Ud= =x 100X cos60 = ( V)I d = Ud / R=/ 5=( A)I dVT= I d / 3=/ 3=( A)I VT= I d / V3 =( A)3-12 .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： t X / 卜、代

16、严、： / 、八 /假设VT被击穿而短路，则当晶闸管 V玉或V导通时，将发生电源相间短路，使得 VT3、VT 也可能分别被击穿。3- 13.三相桥式全控整流电路，U2=100V带电阻电感负载，R=5Q，L值极大，当 =60 时，要求：解：Ud、yyww八内八A八八/id Jh 11- 11 1a 1 11 11 11 11 1 1! !1O11 11 -11 1 1 11 11rr iL11 11 1i1 I 11 11 11VT1 11111i1 1 11O111111 1. 1 i1 11 1 1 1 1!tiUd、Id、I dT和I VT分别如下Ud= =x 100Xcos60= 117

17、 (V)I d= Ud / R= 117/ 5=( A)I dvt= I d / 3=/ 3=( A)I vt= I d / V3 = / V3 =( A)3-14 .单相全控桥，反电动势阻感负载， R=1Q, L=x, E=40V U2=100V LB=当 =60时求Ud Id与的数值，并画出整流电压ud的波形。解：考虑Lb时，有：Ud=aA UdA Ld = 2XbI d /nld=( Ud E)/ R解方程组得:Ud =(n R a + 2XBE)/(n R+ 2X0 = ( V)A U =( V)I d=( A)又cos cos( ) = V2 I dXB / L2即得出cos(60

18、)=换流重叠角*t%pvr ? 1z3-L2=1OOV R=1Q, L=, LB=1mH 求的值并作出ud与iVT1和iVT2的波形。15 .三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载, 当=30 时、E=50V时 Ld ld、解：考虑Lb时，有：Ld=aA UdA Ld = 3XbI d / 2 nld=( Ld E)/ R解方程组得:Ud=(n Ra + 3XbE)/( 2 n R+ 3Xb) = ( V) A L =( V)l d =( A)又即得出换流重叠角Ud、i VT1和 i VT2 的波形如下：U2cos(30)=30uaOI &udUb UciK KI I 11 I I丨；II1

19、11iVTl4ol卄11iVT2 4 I orI l厂1d3-16 .三相桥式不可控整流电路，阻感负载， R=5Q, L=x, L2=22OV XB=Q，求Ld Id、ud、iVD和i2的波形。三相桥式不可控整流电路相当于三相桥式可控整流电路 a= 0时的IVD、l2和 的值并作出解:情况。Ld=aA LdA U = 3XbI d /nld= Ld/ R解方程组得:Ld = a /( 1 + 3Xb/ n R) = ( V)l d =( A)又cos cos( ) = 21 dXB / 76 Lb即得出cos换流重叠角二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为l V尸 l d / 3=/ 3=

20、( A)1 2a= J 1 d =( A)、3Ud、i VD1和i 2a的波形如下:U2OtU Ub UcI I iL I I上b；L： UcaigUjUac! ! ! i i iUd-I ! 1! X 挤点；”F 丨和 pl 1 i K；.TtP in : H :3-17 .三相全控桥，反电动势阻感负载， E=200V R=1Q, L=, U2=22OV =60 ，当LB=O和LB=1mH情况下分别求Ud Id的值，后者还应求 并分别作出Ud与iT的波形。解：当Lb= 0时：当Lb= 1mH时解方程组得:又cos cos(i VD1Oi2aUd=a=X 220X cos60 = ( V)ld

21、=( Ud E)/ R=( 200)/ 1=( A)Ud=aA UdA Ld = 3XbI d /nld=( Ld E)/ RLd=(n UR cos a + 3人)/(冗 R+ 3Xb) = ( V)1 d=( A)A Ud =( V)=2XJd / veULcos(60 )=丫 = 60=Ud、丨 VT1 和 I VT2 的波形如下:udiVT1*tO1|I (V I / i,x i 汩SUab；Uac Ubclpba | !UcJUc ：Uab iiUac rW打I河十1 / I k J ih IlJiIT-L ! ipd ；p !; ；i ” !iTVT2 t IdVT1_h_* h

22、f?3-18 .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。3-19 .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

23、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。3-20 .试计算第3题中i2的3、5、7次谐波分量的有效值123、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I d=（ A）于是可得:I d / 3n = 22 X/ 3n=( A)Id / 5n = 242 X/ 5n=( A)I d / 7 n = 2yf2 X/ 7 n=( A)3-21 .试计算第13题中i2的5、7次谐波分量的有效值125、127。 解：第13题中，电路为三相桥式全控整流电路，且已知1 d=（ A）由此可计算出5次和7次谐波分量的有

24、效值为：(A)(A)I 25= i/6 I d / 5 n = V6 X/ 5 n =I 27= 5/6 I d / 7 n = X/ 7 n =3-22试分别计算第3题和第13题电路的输入功率因数。解：第3题中基波电流的有效值为：(A)I 1 = 22 I d/n = 2 V2 X/n =基波因数为电路的输入功率因数为:COS = cos30 第13题中基波电流的有效值：11= J 6 ld/n=J 6 X/n=（ A）基波因数为电路的输入功率因数为:= cos = cos60 =3-23 .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

25、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。3Ud和整流电流在两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系是一样的，整流电压 i d的波形形状一样。3-24 .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。3-25 . 12脉波、2

26、4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12k 1、(k=1, 2, 3 )次谐波，整流输出电压中含有 12、24等即12k (k=1, 2, )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=1, 2,3 )次谐波，整流输出电压中含有 24、48等即24k (k=1, 2, )次谐波。3-26 .使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么答：条件有二：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；要

27、求晶闸管的控制角 a n /2，使Ud为负值。3-27 .三相全控桥变流器，反电动势阻感负载，R=1Q, L=x, U2=22OV, LB=1mH当E=-400V, =60时求U、Id与 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= ( n p ) A UdA Ld = 3XbI d /nI d=( Ud E)/ Rcos( ) = 2XbI d / yf6 U2= cos(120 )=Y= 12O =送回电网的有功功率为P=|Em Id | I2R=400X单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1Q,L=x, li=100V, L=,当 E=-99V, =60时求Ud、

28、Id和 的值。解：由题意可列出如下3个等式:Ld= ( n - p ) A UdA Ld = 2XbI d /nI d=( Ud E)/ R三式联立求解，得Ud= n R ( n - p ) + 2XbEM /(n R+ 2Xb)=( V)I d=( A)又cos cos( ) = 12 I dX B / L2=即得出换流重叠角1203-29 .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

29、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 P等。3-30 .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0 - 180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 当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是 0 - 90 。0 - 1200 - 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 当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是4-1无源逆变电路和有源逆变电路有何不同而无源逆变答：两种电路的不同主要是：有源逆变电路的交流侧接电网即交流侧接有电源。电路的交流侧直接和负载联接。4-2换流方式各有那儿种各有什么特点答：换流方式有4种： 器件换流：利用全控器件的自关断能力