《電力電子技術(shù)》課后答案

第二章電力電子器件

2.使晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？

答：使晶閘管導(dǎo)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(dǎo)通的條件是什么？怎樣才能使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷？

答：維持晶閘管導(dǎo)通的條件是使晶閘管的電流大于能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流，

即維持電流。

要使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)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(dǎo)通的晶閘管關(guān)

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(jì)算各波形的電流平均值4I、162,43與電流有效值A(chǔ)、h.h.

圖1?43晶閘管導(dǎo)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(shí)，相應(yīng)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(jì)算

結(jié)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(jié)構(gòu)，為什么GTO能夠自關(guān)斷，而普通晶

閘管不能？

答：GTO和普通晶閘管同為PNPN結(jié)構(gòu)，由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成兩個(gè)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(dǎo)通的條件。/+%>1，兩個(gè)等效晶體管過飽和而導(dǎo)通；%+%v1,不

能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。

GTO之所以能夠自行關(guān)斷，而普通晶閘管不能，是因?yàn)镚TO與普通晶閘管在

設(shè)計(jì)和工藝方面有以下幾點(diǎn)不同：

1)GTO在設(shè)計(jì)時(shí)見較大，這樣晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷；

2)GTO導(dǎo)通時(shí)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(guān)斷提供

了有利條件；

3)多元集成結(jié)構(gòu)使每個(gè)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(duì)電感負(fù)載供電，Z=20mH,U2=100V,求當(dāng)a

=0和60時(shí)的負(fù)載電流乙，并畫出〃d與G波形。

解：a=0時(shí)，在電源電壓功的正半周期晶閘管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電感Z儲(chǔ)能，在晶

閘管開始導(dǎo)通時(shí)刻，負(fù)載電流為零。在電源電壓位的負(fù)半周期，負(fù)載電感L釋放

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

J-

=拒。2sine"

考慮到初始條件：當(dāng)f=0時(shí)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(dāng)a=60。時(shí)，在也正半周期60~180期間晶閘管導(dǎo)通使電感2儲(chǔ)能，電

感L儲(chǔ)藏的能量在ui負(fù)半周期180~300期間釋放，因此在m一個(gè)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(dāng)f=60時(shí)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(shí)〃d與心的波形如下圖：

3.單相橋式全控整流電路，Ui=100V,負(fù)載中R=2Q,L值極大，當(dāng)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(cè)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(gè)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(chǎn)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(fù)載，R=5Q,L值極

大，當(dāng)=60時(shí)，要求：

①畫出Ud、id和A/TI的波形；

②計(jì)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(fù)載，如果有一個(gè)晶閘管不能導(dǎo)通，此

時(shí)的整流電壓U6波形如何？如果有一個(gè)晶閘管被擊穿而短路，其他晶閘管受什么

影響？

答：假設(shè)VTi不能導(dǎo)通，整流電壓〃d波形如下：

假設(shè)VTi被擊穿而短路，則當(dāng)晶閘管VT3或VT5導(dǎo)通時(shí)，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(fù)載，/?=5Q,L值極

大，當(dāng)=60時(shí)，要求：

①畫出〃d、疝和X/TI的波形；

②計(jì)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(dòng)勢阻感負(fù)載，a=100V,R=1Q,Z=oo,

ZB=lmHf求當(dāng)=30時(shí)、F=50V時(shí)U*A的值并作出〃d與加i和22

的波形。

解：考慮4B時(shí)，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(cè)要有電動(dòng)勢，其極性須和晶閘管的導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)大于變流電路

直流側(cè)的平均電壓；

②要求晶閘管的控制角a＞口/2,使a為負(fù)值。

29.什么是逆變失敗？如何防止逆變失??？

答：逆變運(yùn)行時(shí)，一旦發(fā)生換流失敗，外接的直流電源就會(huì)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(dòng)勢變?yōu)轫樝虼?lián)，由于逆變電路內(nèi)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(zhì)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(dāng)負(fù)載分別為電阻負(fù)

載或電感負(fù)載時(shí)，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(dāng)負(fù)載為電阻負(fù)載時(shí)，要求的晶閘管移相范圍是0~

180,當(dāng)負(fù)載為電感負(fù)載時(shí)，要求的晶閘管移相范圍是0~90。

三相橋式全控整流電路，當(dāng)負(fù)載為電阻負(fù)載時(shí)，要求的晶閘管移相范圍是0~

120,當(dāng)負(fù)載為電感負(fù)載時(shí)，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(cè)接電網(wǎng)，即交流側(cè)接有電源。而無源逆變電路的交流側(cè)

直接和負(fù)載聯(lián)接。

2.換流方式各有那幾種？各有什么特點(diǎn)？

答：換流方式有4種：

器件換流：利用全控器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。全控型器件采用此換流方式。

電網(wǎng)換流：由電網(wǎng)提供換流電壓，只要把負(fù)的電網(wǎng)電壓加在欲換流的器件上即

可。

負(fù)載換流：由負(fù)載提供換流電壓，當(dāng)負(fù)載為電容性負(fù)載即負(fù)載電流超前于負(fù)載電

壓時(shí)，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。

強(qiáng)迫換流：設(shè)置附加換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反向電壓換流稱為強(qiáng)

迫換流。通常是利用附加電容上的能量實(shí)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(wǎng)換流、負(fù)載換流和

強(qiáng)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(diǎn)。

答：按照逆變電路直流測電源性質(zhì)分類，直流側(cè)是電壓源的逆變電路稱為電壓型

逆變電路，直流側(cè)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(diǎn)是：

①直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，

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(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗

角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。

③當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作

用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)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(diǎn)是：

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

高阻抗。

②電路中開關(guān)器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑因此交流側(cè)輸出電流為

矩形波，并且與負(fù)彝阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負(fù)載阻抗情況

的不同而不同。

③當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作

用。因?yàn)榉答仧o功能量時(shí)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(guān)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(diào)制控制方式，當(dāng)心40ns,t°n=20|is,計(jì)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(fù)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(diào)制控制方式，當(dāng)上50kls,fcn=20ns時(shí)，計(jì)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(duì)于圖5?8所示的橋式可逆斬波電路，若需使電動(dòng)機(jī)工作于反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài),

試分析此時(shí)電路的工作情況，并繪制相應(yīng)的電流流通路徑圖，同時(shí)標(biāo)明電流流向。

解：需使電動(dòng)機(jī)工作于反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由V3和VD3構(gòu)成的降壓斬波電路工作，

此時(shí)需要V2保持導(dǎo)通，與V3和VD3構(gòu)成的降壓斬波電路相配合。

當(dāng)V3導(dǎo)通時(shí)，電源向M供電，使其反轉(zhuǎn)電動(dòng)，電流路徑如下圖：

當(dāng)V3關(guān)斷時(shí)，負(fù)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(guān)和整流二級(jí)管在工作時(shí)承受的最大電

壓、最大電流和平均電流。

解：單端正激：

開關(guān)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(guān)管：最大電壓久

最大電流二全負(fù)荷時(shí)導(dǎo)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(guān)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(diào)光臺(tái)燈由單相交流調(diào)壓電路供電，設(shè)該臺(tái)燈可看作電阻負(fù)載，在a=0

時(shí)輸出功率為最大值，試求功率為最大輸出功率的80%,50%時(shí)的開通角a。

解：a=0時(shí)的輸出電壓最大，為

“omax

此時(shí)負(fù)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(shí)，有：

（樂u。

尸=0-8Mmax-R-

此時(shí),

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(shí)，有:

a=753a

又由

sin2a7i-a

U「U\-------+-------

2萬71

a=90°

3.交流調(diào)壓電路和交流調(diào)功電路有什么區(qū)別？二者各運(yùn)用于什么樣的負(fù)載？

為什么？

答：交流調(diào)壓電路和交流調(diào)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(diào)壓電路是在交流電源的每個(gè)周期對(duì)輸出電壓波形進(jìn)行控制。而交流調(diào)功

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

斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。

交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制）及異步電動(dòng)機(jī)的

軟起動(dòng)，也用于異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。在供用電系統(tǒng)中，還常用于對(duì)無功功率的連續(xù)調(diào)

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(diào)壓電路調(diào)

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(diào)壓電路在變壓器一次側(cè)調(diào)壓，其電壓電流值都不太大也不

太小，在變壓器二次側(cè)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(shè)計(jì)制造。

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

間常數(shù)大，沒有必要對(duì)交流電源的每個(gè)周期進(jìn)行頻繁控制。

5.交交變頻電路的主要特點(diǎn)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(diǎn)是：

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

弦波。

交交變頻電路的主要不足是：

接線復(fù)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(wǎng)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(fù)雜。

主要用途：500千瓦或1000千瓦以下的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路，如

軋機(jī)主傳動(dòng)裝置、鼓風(fēng)機(jī).球磨機(jī)等場合。

第7章PWM控制技術(shù)

1.試說明PWM控制的基本原理。

答：PWM控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)

行調(diào)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(jié)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(shí)，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(yīng)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(gè)彼此相

連的脈沖列所組成的