《電力電子技術》課后答案

第二章電力電子器件

2.使晶閘管導通的條件是什么？

答：使晶閘管導通的條件是：晶閘管承受正向陽極電壓，并在門極施加觸發(fā)電流（脈

沖）?；颍骸ˋK>0且UGK>0o

3.維持晶閘管導通的條件是什么？怎樣才能使晶閘管由導通變?yōu)殛P斷？

答：維持晶閘管導通的條件是使晶閘管的電流大于能保持晶閘管導通的最小電流，

即維持電流。

要使晶閘管由導通變?yōu)殛P斷，可利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的

電流降到接近于零的某一數(shù)值以下，即降到維持電流以下，便可使導通的晶閘管關

斷。

4.圖1?43中陰影部分為晶閘管處于通態(tài)區(qū)間的電流波形，各波形的電流最大

值均為及，試計算各波形的電流平均值4I、162,43與電流有效值A、h.h.

圖1?43晶閘管導電波形

解：a)為嗎￡I,nsin(otd(cot)=，(*+1)92717及

A=J.￡(，旭sin3)2+.a0*4767Im

=

b)42-CfmsinMtd(ct)t)=—(①+1)=0.5434班

JIJ]JI2

h=……=華雇9674"

。&嗎/m

E=白￡L：dgt)=g?4n

5.上題中如果不考慮安全裕量，問100A的晶閘管能送出的平均電流乙1、乙2、

由3各為多少？這時，相應的電流最大值ZnU及2、413各為多少？

解：額定電流ZT（AV）=100A的晶閘管，允許的電流有效值/=157A,由上題計算

結果知

a）焉。329?35,41。0?271789.48

b)?4n2a----232.90,乙2555。.5434之126.56

0.6741

c)加=2Z=314,413=44n3=78.5

4

6.GTO和普通晶閘管同為PNPN結構，為什么GTO能夠自關斷，而普通晶

閘管不能？

答：GTO和普通晶閘管同為PNPN結構，由P1N1P2和N1P2N2構成兩個晶體管

VKV2,分別具有共基極電流增益4和%,由普通晶閘管的分析可得，6+%=1是

器件臨界導通的條件。/+%>1，兩個等效晶體管過飽和而導通；%+%v1,不

能維持飽和導通而關斷。

GTO之所以能夠自行關斷，而普通晶閘管不能，是因為GTO與普通晶閘管在

設計和工藝方面有以下幾點不同：

1)GTO在設計時見較大，這樣晶體管V2控制靈敏，易于GTO關斷；

2)GTO導通時的%+%更接近于1,普通晶閘管/+%工15,而GTO則為

%+%。1.05,GTO的飽和程度不深，接近于臨界飽和，這樣為門極控制關斷提供

了有利條件；

3)多元集成結構使每個GTO元陰極面積很小，門極和陽極間的距離大為縮短,

使得P2極區(qū)所謂的橫向電阻很小，從而使從門極抽出較大的電流成為可能。

第3章整流電路

1.單相半波可控整流電路對電感負載供電，Z=20mH,U2=100V,求當a

=0和60時的負載電流乙，并畫出〃d與G波形。

解：a=0時，在電源電壓功的正半周期晶閘管導通時，負載電感Z儲能，在晶

閘管開始導通時刻，負載電流為零。在電源電壓位的負半周期，負載電感L釋放

能量，晶閘管繼續(xù)導通。因此，在電源電壓電的一個周期里，以下方程均成立：

J-

=拒。2sine"

考慮到初始條件：當f=0時1=0可解方程得：

coL

/d=；「°?(1-cos.)d(碗)

21J。coL

=回=22.51(A)

coL

〃d與疝的波形如下圖：

當a=60。時，在也正半周期60~180期間晶閘管導通使電感2儲能，電

感L儲藏的能量在ui負半周期180~300期間釋放，因此在m一個周期中

60~300期間以下微分方程成立：

L^-=Cu,sin69/

dr

考慮初始條件：當f=60時向=0可解方程得：

?同2/

%=--^(--COSftX)

coL2

其平均值為

小般4-cid(")=魯=IL25(A)

此時〃d與心的波形如下圖：

3.單相橋式全控整流電路，Ui=100V,負載中R=2Q,L值極大，當a=

③考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。

解：③〃d、疝和A的波形如下圖：

②整流輸出平均電壓U"電流乙，變壓器二次側電流有效值方分別為

為=0.9Scosa=0.9x200xcos45°=127.26(A)

——￡)//?=(127.26-100)/2=13.63(A)

[2=五=13.63(A)

③晶閘管承受的最大反向電壓為：

、份S二20071=282.8(V)

流過每個晶閘管的電流的有效值為：

ATM/72=9.64(A)

故晶閘管的額定電壓為：

“=(2-3)x282.8=566-848(V)

晶閘管的額定電流為：

^=(1.5-2)x9.6471.57=9-12(A)

晶閘管額定電壓和電流的具體數(shù)值可按晶閘管產品系列參數(shù)選取。

11.三相半波可控整流電路，^=100V,帶電阻電感負載，R=5Q,L值極

大，當=60時，要求：

①畫出Ud、id和A/TI的波形；

②計算％、凡加和而。

解：①〃d.疝和A/T1的波形如下圖：

②Ud.乙、&T和AT分別如下

Ud=L17&COS=1.17xl00xcos60°=58.5(V)

J^=Ua/R=58.5/5=11.7(A)

小T=無/3=11.7/3=3.9(A)

即r=WV3=6.755(A)

12.在三相橋式全控整流電路中，電阻負載，如果有一個晶閘管不能導通，此

時的整流電壓U6波形如何？如果有一個晶閘管被擊穿而短路，其他晶閘管受什么

影響？

答：假設VTi不能導通，整流電壓〃d波形如下：

假設VTi被擊穿而短路，則當晶閘管VT3或VT5導通時，將發(fā)生電源相間短路,

使得VT”VT5也可能分別被擊穿。

13.三相橋式全控整流電路，a=100V,帶電阻電感負載，/?=5Q,L值極

大，當=60時，要求：

①畫出〃d、疝和X/TI的波形；

②計算為、凡斯和

解：①①、［和A/TI的波形如下：

②Ud.乙、4T和AT分別如下

Ua=2.34^cos=2.34xl00xcos60°=117(V)

H=Ud/R=117/5=23.4(A)

0TH3=23.4/3=7.8(A)

而=4/73=23.4/月=13.51(A)

15.三相半波可控整流電路，反電動勢阻感負載，a=100V,R=1Q,Z=oo,

ZB=lmHf求當=30時、F=50V時U*A的值并作出〃d與加i和22

的波形。

解：考慮4B時，有：

a=i.i7acosa-Aa

Aa=3用4/2n

4二(￡)//?

解方程組得：

Ud=(TT/?1.17t^cosa+3Afe￡)/(2n/?+)=94.63(V)

A為=6?7(V)

4=44.63(A)

又丁

cosa-cos@+y)=2/dXB/V6U2

即得出

cos（30°+/）=0.752

換流重疊角

=41.28°30°=11.28°

A/T1和A/T2的波形如下：

26,使變流器工作于有源逆變狀態(tài)的條件是什么？

答：條件有二：

①直流側要有電動勢，其極性須和晶閘管的導通方向一致，其值應大于變流電路

直流側的平均電壓；

②要求晶閘管的控制角a＞口/2,使a為負值。

29.什么是逆變失?。咳绾畏乐鼓孀兪。?/p>

答：逆變運行時，一旦發(fā)生換流失敗，外接的直流電源就會通過晶閘管電路形成短

路，或者使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變?yōu)轫樝虼?lián)，由于逆變電路內阻

很小，形成很大的短路電流，稱為逆變失敗或逆變顛覆。

防止逆變失敗的方法有：采用精確可靠的觸發(fā)電路，使用性能良好的晶閘管，保

證交流電源的質量，留出充足的換向裕量角尸等，

30.單相橋式全控整流電路、三相橋式全控整流電路中，當負載分別為電阻負

載或電感負載時，要求的晶閘管移相范圍分別是多少？

答：單相橋式全控整流電路，當負載為電阻負載時，要求的晶閘管移相范圍是0~

180,當負載為電感負載時，要求的晶閘管移相范圍是0~90。

三相橋式全控整流電路，當負載為電阻負載時，要求的晶閘管移相范圍是0~

120,當負載為電感負載時，要求的晶閘管移相范圍是0~90。

第4章逆變電路

1.無源逆變電路和有源逆變電路有何不同？

答：兩種電路的不同主要是：

有源逆變電路的交流側接電網，即交流側接有電源。而無源逆變電路的交流側

直接和負載聯(lián)接。

2.換流方式各有那幾種？各有什么特點？

答：換流方式有4種：

器件換流：利用全控器件的自關斷能力進行換流。全控型器件采用此換流方式。

電網換流：由電網提供換流電壓，只要把負的電網電壓加在欲換流的器件上即

可。

負載換流：由負載提供換流電壓，當負載為電容性負載即負載電流超前于負載電

壓時，可實現(xiàn)負載換流。

強迫換流：設置附加換流電路，給欲關斷的晶閘管強迫施加反向電壓換流稱為強

迫換流。通常是利用附加電容上的能量實現(xiàn)，也稱電容換流。

晶閘管電路不能采用器件換流，根據(jù)電路形式的不同采用電網換流、負載換流和

強迫換流3種方式。

3.什么是電壓型逆變電路？什么是電流型逆變電路？二者各有什么特點。

答：按照逆變電路直流測電源性質分類，直流側是電壓源的逆變電路稱為電壓型

逆變電路，直流側是電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路

電壓型逆變電路的主要特點是：

①直流側為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，

直流回路呈現(xiàn)低阻抗。

②由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗

角無關。而交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。

③當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作

用。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二

極管。

電流型逆變電路的主要特點是：

③直流側串聯(lián)有大電感，相當于電流源。直流側電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)

高阻抗。

②電路中開關器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑因此交流側輸出電流為

矩形波，并且與負彝阻抗角無關。而交流側輸出電壓波形和相位則因負載阻抗情況

的不同而不同。

③當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電感起緩沖無功能量的作

用。因為反饋無功能量時直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給

開關器件反并聯(lián)二極管。

第5章直流-直流變流電路

2.在圖5-la所示的降壓斬波電路中，已知F=200V,R=1OQ/值極大，

扁二50V。采用脈寬調制控制方式，當心40ns,t°n=20|is,計算輸出電壓平均值

Uo,輸出電流平均值k。

解：由于Z值極大，故負載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為

=20^00=1OQ(V)

輸出電流平均值為

_U-E_100-50

oM=5(A)

Rio

5.在圖5-2a所示的升壓斬波電路中，已知F=5OV,L值和C值極大，/?=25

Q,采用脈寬調制控制方式，當上50kls,fcn=20ns時，計算輸出電壓平均值

U。,輸出電流平均值Jo.

解：輸出電壓平均值為：

U。=工七=3_X50=83.3(V)

50-20

輸出電流平均值為：

k=*^=3.33(A)

R25

9.對于圖5?8所示的橋式可逆斬波電路，若需使電動機工作于反轉電動狀態(tài),

試分析此時電路的工作情況，并繪制相應的電流流通路徑圖，同時標明電流流向。

解：需使電動機工作于反轉電動狀態(tài)時，由V3和VD3構成的降壓斬波電路工作，

此時需要V2保持導通，與V3和VD3構成的降壓斬波電路相配合。

當V3導通時，電源向M供電，使其反轉電動，電流路徑如下圖：

當V3關斷時，負載通過VD3續(xù)流，電流路徑如下圖：

11.試分析正激電路和反激電路中的開關和整流二級管在工作時承受的最大電

壓、最大電流和平均電流。

解：單端正激：

開關管：最大電壓么+卷上

最大電流4=￥〃

平均電流//=Isa

整流管：最大電壓%=2

最大電流，〃=io

平均電流/加j，=

單端反激：

開關管：最大電壓久

最大電流二全負荷時導通最后閘短前電流

平均電流;最大電流的一半乘以占空比

整流管：最大電壓4=￥么+〃。

最大電流二開關管最大電流值乘以變壓器變比

平均電流二輸出電流。

第6章交流-交流變流電路

1.一調光臺燈由單相交流調壓電路供電，設該臺燈可看作電阻負載，在a=0

時輸出功率為最大值，試求功率為最大輸出功率的80%,50%時的開通角a。

解：a=0時的輸出電壓最大，為

“omax

此時負載電流最大，為

“umax_

omax

因此最大輸出功率為

772

%ax=GwJomax=寸

輸出功率為最大輸出功率的80%時，有：

（樂u。

尸=0-8Mmax-R-

此時,

UU\

又由

sin2a兀一a

U0=U\-------+-------

2萬n

解得

a=60.54°

同理，輸出功率為最大輸出功率的50%時，有:

a=753a

又由

sin2a7i-a

U「U\-------+-------

2萬71

a=90°

3.交流調壓電路和交流調功電路有什么區(qū)別？二者各運用于什么樣的負載？

為什么？

答：交流調壓電路和交流調功電路的電路形式完全相同，二者的區(qū)別在于控制方式

不同。

交流調壓電路是在交流電源的每個周期對輸出電壓波形進行控制。而交流調功

電路是將負載與交流電源接通幾個周波，再斷開幾個周波，通過改變接通周波數(shù)與

斷開周波數(shù)的比值來調節(jié)負載所消耗的平均功率。

交流調壓電路廣泛用于燈光控制（如調光臺燈和舞臺燈光控制）及異步電動機的

軟起動，也用于異步電動機調速。在供用電系統(tǒng)中，還常用于對無功功率的連續(xù)調

節(jié)。此外，在高電壓小電流或低電壓大電流直流電源中，也常采用交流調壓電路調

節(jié)變壓器一次電壓。如采用晶閘管相控整流電路，高電壓小電流可控直流電源就需

要很多晶閘管串聯(lián)；同樣，低電壓大電流直流電源需要很多晶閘管并聯(lián)。這都是十

分不合理的。采用交流調壓電路在變壓器一次側調壓，其電壓電流值都不太大也不

太小，在變壓器二次側只要用二極管整流就可以了。這樣的電路體積小、成本低、

易于設計制造。

交流調功電路常用于電爐溫度這樣時間常數(shù)很大的控制對象。由于控制對象的時

間常數(shù)大，沒有必要對交流電源的每個周期進行頻繁控制。

5.交交變頻電路的主要特點和不足是什么？其主要用途是什么？

答：交交變頻電路的主要特點是：

只用一次變流，效率較高；可方便實現(xiàn)四象限工作；低頻輸出時的特性接近正

弦波。

交交變頻電路的主要不足是：

接線復雜，如采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用36只晶閘管；受電

網頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低；輸出功率因數(shù)較低；輸入電流諧

波含量大，頻譜復雜。

主要用途：500千瓦或1000千瓦以下的大功率、低轉速的交流調速電路，如

軋機主傳動裝置、鼓風機.球磨機等場合。

第7章PWM控制技術

1.試說明PWM控制的基本原理。

答：PWM控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進

行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值1

在采樣控制理論中有一條重要的結論沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣

性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積。效果基本相同是指環(huán)節(jié)的

輸出響應波形基本相同。上述原理稱為面積等效原理

以正弦PWM控制為例。把正弦半波分成N等份，就可把其看成是N個彼此相

連的脈沖列所組成的