1、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
2、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
3、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-,后者为-. 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
4、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=0.8。考虑最大输出为24V,则:1) 采取直接供电时(U2=220V):按式3-3得=121;KF=2.81按式3-5和式3-7代入Id和(根号中的sin应为sin2)得I=KF*Id=84.24A;按式3-10得cos=0.311;S=IU2=18.53KVA。2) 采取降压供电时(U2=60V):则=38.9;I=49.97A;cos=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
5、相范围单相半波:由得: 所以移相范围为35.1126.6 单相全波:由得: 所以移相范围为95.2142.92) 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=30.4A IT(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=29.48A IT=I/1.414=20.84A IT(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
6、/R=152*152/5=4.621KW单相全波:P=U*U/R=147.4*147.4/5=4.349KW4) 最大功率因数单相半波 0.691单相全波 0.673-7 答:(图以=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) 03)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
7、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*(-)/2=12.3*150/360=5.1A IdVDR=Id*/=12.3*30/180=2A 有效值:IVT=(-)/2)1/2*Id=(150/360)1/2*12.3=7.95A IVDR=(/)1/2*Id=(30/180)1/2*12.3=5.02A2) 即/(-)/2得(-)/2 最后得/33-10 答:可以。但触发角的移相范围只有0120。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
8、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=301)单相半波:IdVT=Id=30A,IVT=kf*IdVT=1.60630=48.2A。2)单相桥式:IdVT=Id/2=15A,IVT=kf*IdVT=1.60615=24.1A。上述两题均可采用式3-7(根号中的sin应为sin2)计算Kf3) 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
9、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=2.34U2cos且最小时,Ud最大,所以U2=Ud/2.34=220/2.34=94V2)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20A 500V3)I2=(2/3)1/2*Id=14.94A4)COS=Ud*Id/3U2I2=220*18.3/3*94*14.94=4026/4213.6=0.9555)S=3U2
10、I2=4213.6VA3-14答:1)因为大电感,电流连续,则电压平均值可按Ud=2.34U2COS计算,但Id=(Ud-E)/RUd=2.34*220*0.5=257.4VId=(257.4-200)/1=57.4A2)(Ud-Ud-E)/1=Id Ud-6XBId/2-E=Id 57.4-0.3Id=Id 1.3Id=57.4 Id=57.4/1.3=44.15A由cos-cos(+)= XBId/1.414*1.732*U2*sin(/6)=2*0.314*44.15/220*2.45=27.7/539=0.0514cos(+)=cos-0.0514=0.5-0.0514=0.4486+
11、=63.35 =63.35-60=3.353-15 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;=2.54;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。
12、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=14.5,Uc=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
13、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: 2此题因为是电阻性负载,只有4个开关器件均不导通时,
14、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/2+。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
15、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
16、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。根据电感值和电阻值可得=60,所以60180。 2)=60时输出最大,则I=220/2=110A;P=12.1KW。 3)cos=0.5。6-2 答:因为R=4.84,所以5
17、KW功率输出时,U0=155.5V。根据式6-1,6-4可得cos=0.707,I0=32.12A6-3 答:根据负载条件,=26.6。而=20,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。
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