電力電子技術復習習題解析華北電力大學

第一章電力電子器件

一、本章主要內容及重點與難點

【主要內容】

本章主要討論電力電子器件的分類以及典型電力電子器件的結構、電氣符號、工作原理、根本特性

與主要參數。在學習過程中，主要應掌握以下內容：

1.電力電子器件的概念與特征；

2.電力電子器件的分類；

3.電力二極管的工作原理、根本特性與主要參數；

4.晶閘管（SCR）的工作原理、根本特性與主要參數；

5.幾種典型全控型電力電子器件（GTO；GTR：PowerMOSFET：IGBT）的工作原理、根本特性與

主要參數；

6.上述全控型電力電子器件的性能比擬。

【重點與難點】

本章重點在于半控型器件一一晶閘管，要重點掌握晶閘管的的結構、電氣符號、開關規(guī)律、靜態(tài)特

性以及主要參數。（重點應該再加上.MOS和IGBT,因為這2種器件應用應用很廣很重要。）

本章難點在于晶閘管額定電流、額定電壓的定義以及實際使用中如何選擇晶閘管的參數。

二、典型習題解析

例1?1以下對晶閘管特性的表達中，正確的選項是（）。

A晶閘管屬于電流驅動雙極型器件C晶閘管觸發(fā)導通后，門極就失去了控制作用

B晶閘管具有單向導電性D晶閘管的擎住電流大于維持電流

【答案】A、B、C、D

【解析】此題主要考察對晶閘管特性的熟悉程度，四個選項的描述均正確。A選項考察晶閘管的分類；

B選項考察半導體器件的特點；C選項考察晶閘管的開關特性；D選項考察晶閘管的主要參數

例1?2雙向晶閘管的額定電流是以（）定義的；GTO的額定電流是以（）定義的。

A平均值B有效值C最大值D瞬時值

【答案】B,C

【解析】此題主要考察雙向晶閘管與GTO額定電流的定義，雙向晶閘管的止向伏安特性與反向伏安特

性相同，用于交流電路中，其額定電流是以有效值定義的。GTO的陽極電流如過大：可能會出

現無法由門極控制關斷的情況，因此其額定電流是以最大可關斷陽極電流定義的。

例1?3以下電力電子器件中，存在電導調制效應的是（

AGTOBGTRCPowerMOSFETDIGBT

【答案】A、B、D

【解析1此題主要考察對電導調制效應的理解，電導調制效應儀在雙極型器件中起作用，單極型器件僅

有一種載流子參與導電，因此不存在電導調制效應。題目中所列選項僅PowerMOSFET為單極

型器件，故為排除項。

例1-4以下電力電子器件中，電流容量最大的是（）;開關頻率最高的是（）。

AGTOBGTRCPowerMOSFETDIGBT

【答案】A,C

【解析】此題主要考察全控型電力電子器件的特點，GTO導通時飽和程度較深，適用于高壓大容量場合,

PowerMOSFET屬于單極型器件，沒有少子的存儲效應，因此開關速度較快，適用于高頻電路。

例1?5以下電力電子器件中，（）的驅動功率較小。

ASCRBGTOCGTRDIGBT

【答案】D

【解析】此題主要考察對電壓型驅動電路與電流型驅動電路的區(qū)別，電壓型驅動電路的輸入阻抗高，要

求的驅動功率小，驅動電路簡單，上述器件中僅有IGBT為電壓驅動型器件。

例1-6晶閘管剛由斷態(tài)轉入通態(tài)并且去掉門極信號，仍能維持其導通所需的最小陽極電流，稱為（）。

A.維持電流B.擎住電流C.浪涌電流D.額定電流

【答案】A

【解析】此題主要考察晶閘管維持電流的定義，晶閘管觸發(fā)導通后，維持其導通所必須的最小電流為維

持電流。

例1?7由于二次擊穿現象對GTR的危害極大，因此規(guī)定了GTR的平安工作區(qū)，此平安工作區(qū)由0

曲線組成。

A.2條B.3條C.4條D.5條

【答案】C

【解析】此題主要考察GTR平安工作區(qū)的限制條件，GTR的平安工作區(qū)由集電極最大電流、最高工作

電壓、最大耗散功率與二次擊穿臨界線四條曲線限制。

例1?8以下電氣符號中，GTO的電氣符號是（）。

BC.?D.

【答案】A

【解析】此題主要考察對電氣符號的認識，A為GTO,B為逆導晶閘管，C為雙向晶閘管，D為晶閘管。

例L9圖1-1所示電路，一只晶閘管與燈泡串聯(lián)，加上直流電壓U,開關S閉合前燈泡亮不亮？，原因

是；開關S閉合后燈泡亮不亮？，原因是；開關S閉合一段時間后再翻開，斷開開關后燈泡亮不亮？，

原因是。

圖1-1

【答案】不亮；沒有門極觸發(fā)脈沖，晶閘管處于斷態(tài)；亮；晶閘管承受正向電壓且門極有觸發(fā)脈沖，導

通；亮；晶閘管導通后門極即失去控制作用。

【解析】此題主要考察對晶閘管開關規(guī)律的理解。晶閘管導通必須同時具備兩個條件，一是正向陽極電

壓，二是具有門極觸發(fā)脈沖；一旦晶閘管導通后，內部正反應過程形成，門極就失去了控制作

用C

例1?10圖1?2所示電路，t/i=100V,R=1C,觸發(fā)角a=0°,考慮兩倍平安裕量，選擇適宜的晶閘管。

圖1-2

【答案】晶閘管的額定電壓U「=282V,可選擇300V的器件

晶閘管的額定電流/T=90A,可選擇100A的器件

【解析】此題考查對晶閘管額定電流與額定電壓的定義以及如何選擇晶閘管的額定參數。晶閘管的額定

電壓一般選擇器件所承受的最高正、反向電壓中的較大值，此題中晶閘管承受的最高正、反反

向電壓均為&i=V5xl00V=14W,考慮兩倍平安裕量，UVT=282V,可選擇300V的器件；

晶閘管的額定電流是按正弦半波電流的平均值定義的，選擇器件那么按照有效值相等的原那么，

由于a=0°,流過晶閘管的電流波形為正弦半波，因此晶閘管的額定電流

空空=0.45x100=45人,考慮兩倍平安裕量，/T=90A,可選擇100A的器件。

R1

三、課后習題解答

1.晶閘管正常導通的條件是什么，導通后流過的電流由什么決定？晶閘管關斷的條件是什么，如何實

現？

答：晶閘管正常導通的條件是：

1）晶閘管承受正向陽極電壓（UAK>0）;

2）在門極施加觸發(fā)電流（UGK>0,這里.還得加上IG>（）,電流驅動器件，■寫有電壓不J

晶閘管關斷的條件是：流過晶閘管的電流降低到維持電流以下（/A</H）O

要使晶閘管由導通轉為關斷,可利用外加反向電壓或由外電路作用使流過晶閘管的電流降到維持電

流以下，便可使導通的晶匣管關斷。

2.有時晶閘管觸發(fā)導通后，觸發(fā)脈沖結束后它又關斷了，是何原因？

答：這是由于觸發(fā)脈沖寬度不夠或電路中電感較大(尤其是在阻感負載情況下)，晶閘管的陽極電流/A

沒有到達晶閘管的擎住電流(/L)就去掉了觸發(fā)脈沖，此時，晶閘管將自動返回阻斷狀態(tài)。因此，

在具體電路中，由于陽極電流上升到擎住電流需要一定的時間(主要由外電路結構決定)，所以門

極觸發(fā)信號需要保證一定的寬度。

3.圖1?3中的陰影局部表示流過晶閘管的電流波形，其最大值均為/m，試計算各波形的電流平均值、

有效值。如不考慮平安裕量，額定電流100A的晶閘管，流過上述電流波形時，允許流過的電流平均值

/d各為多少？

圖1-3

松⑸/曲=；「小皿汨,/(汨=；2〃=^。0.3183/,”

24Jo2萬71

額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A,那么(=2x157=314(4)；

平均值為：/4,=%=100A。

n

(b)=-J."sin(ftX)J(^)=-/?,?0.6366/,,,

乃J°n

額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A,那么/",=^xl57u222(A)；

平均值為：仍=0.6366。=141.33(4)。

(c)般」[；Imsin(@)d(詡)=0.4775。

額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A,那么/〃,247.56(4)；

0.6342

平均值為：限=2.47751/118.21(A)。

(d)&=dJ：乙如(初小初)=；》,“=杉。0.2387/”，

2萬七In14%

額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為I57A,那么/=_憶力350.06(A)；

0.4485

平均值為：心=0.2387/,產83.56(A)。

⑹J1=01鞏

2TTJO4

1S7

額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為I57A,那么/,?=——?444.00(A)；

0.3536

平均值為：/,“=0.125/,"=55.5(A)。

⑴一‘(由,%=0.25/

不J0乃4

額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A,那么：/=—=314(A)；

mU?J

平均值為：I,1f=0.25x314=78.5(/4)

4、為什么晶閘管不能用門極負脈沖信號關斷陽極電流，而GTO卻可以？

答：GTO和普通晶閘管同為PNPN結構，由P[N]P2和N1P2N2構成兩個晶體管V1、V?分別具有共基極

電流增益四和8,由普通晶閘管得分析可得，ai+a2=l是器件臨界導通的條件。ai+a2>l兩個晶

體管飽和導通：內+。2<1不能維持飽和導通而關斷。

解之得：i=￡（l-e,）

R

可靠導通條件為：，=005

R0.5

解得：0.05<-（l-e-7，）=—（1-e港')

R0.5

即t>In『3s

100-0.05

3.請畫出VDMOS（或IGBT）管柵極電流波形，并說明電流峰值和柵極電阻有何關系以及柵極電阻的

作用。

答：VDMOSFET和IGBT都是電壓驅動型器件，由于存在門極電容，其門極電流的波形類似于通過門

極電阻向門極電容的充電過程，其峰值電流為，P=UGE/RG，柵極電阻的大小對器件的靜態(tài)和動態(tài)開

關特性有很大的影響：RG增加，那么開通時間、關斷時間、開通損耗關斷損耗增加；%和位移

dt

電流減小；觸發(fā)電路振蕩抑止能力強，反之那么作用相反。因此在損耗容許的條件下，KG可選大

些以保證器件的平安，具體選擇要根據實際電路選。典型的應用參數為：+UGE=I5V,—UGE=-

（5~10）V,&=3?50歐。

4.限制功率MOSFET應用的主要原因是什么？實際使用時如何提高MOSFET的功率容量？

答：限制功率MOSFET應用的主要原因是其電壓、電流容量難以做大。因為MOSFET是單吸性器件，

所以通態(tài)損耗較大，其通態(tài)電阻為幺一（公式應該是正比于，用等號不適宜）。高壓大電流

時，當額定電壓比擬高且電流大時，其通態(tài)電阻（對應損耗）到達令人難以接受的程度（目前的市

場水平最大為IXYS公司的器件1200V/38A）o

實際使用時，由于MOSFET具有正的溫度系數，可以方便地采用多管并聯(lián)的方法來提高其功

率容量。

第二章相控整流電路

一、本章主要內容及重點與難點

【主要內容】

本章主要討論各種相控整流電路的工作原理、波形分析及數值計算方法。在學習過程

中，主要應掌握以下內容：

1.單相橋式全控整流電路的工作原理、波形分析及數值計算；

2.單相橋式半控整流電路的T.作原理、波形分析及數值計算：

3.三相半波可控整流電路的工作原理、波形分析及數值計算：

4.三相橋式全控整流電路的工作原理、波形分析及數值計算：

5.變壓器漏感對整流電路的影響；

6.有源逆變的概念、有源逆變產生的條件及逆變矢??；

7.電容濾波的不可控整流電路分析；

8.整流電路的諧波與無功功率及其影響。

【重點與難點】

本章重點在于分析不同電路結構、不同負載形式下的相控整流電路的工作原理與波形,

主要包括以下內容：

1.理解“可控”的概念，在分折問題時充分考慮晶閘管的開關規(guī)律；

2.注意負載性質不同對整流電路中晶閘管開關的影響，尤其是大電感的影響：

3.不同電路結構、不同負載形式相控整流電路中晶閘管的移相范圍、導通時間；

4.負載電壓、負載電流、晶閘管所承受的電壓、、晶閘管電流、變壓器二次側電流波

形分析；

5.有源逆變的概念及其實現的條件；

6.如何分析有源逆變電路；

7.變壓器漏感的存在對整流電路和有源逆變電路的影響。

本章難點在于不同電路結構、不同負載形式相控整流電路的波形分析。

二、典型習題解析

例2?1如圖2?1所示的單相橋式半控整流電路中續(xù)流二極管VD的作用有（）o

A減輕晶閘管的負擔C防止出現失控現象

B提高整流電壓的平均值D起電壓鉗位作用

圖2-1

【答案】A、B、C

【解析】此題主要考察對半控整流電路的認識，半控整流電路在正常工作時與全控整流電路

相同，但是在阻感負載下，如果一只晶閘管的脈沖喪失，可能會造成一只晶閘管導通，兩只

二極管輪流導通的“失控”現象，這主要是由于二極管是不可控器件，不具備正向承壓能力

造成的。因此通常采用在負我兩端反并聯(lián)續(xù)流二極管的方法。同時，該續(xù)流二極管在電源電

壓的負半周為負載電流提供r通路，既減輕了晶閘管的負擔，又提高「輸出負教電壓的數值。

例2?2如圖2?1所示的單相橋式半控整流電路，coL?Rt觸發(fā)角為處負載電流為％,流

過晶閘管的電流有效值為（）o

【答案】B

【解析】此題主要考察單相橋式半控整流電路的工作情況，由于續(xù)流二極管VD的存在,

在電源電壓的負半周，負載電流經VD流通，而不再流經晶閘管，因此在電源電壓的一個周

期內，每只晶閘管導通時間為￡*,因此流過晶閘管的電流有效值為

71貶

例2-3如圖2-1所示的帶續(xù)流二極管的單相橋式半控整流電路與單相橋式全控整流電路，同

樣是電阻性負載，設變壓器二次側電壓為S，那么晶閘管承受的最高正向電壓為（

【解析】此題主要考察帶續(xù)流二極管的單相橋式半控整流電路與單相橋式全控整流電路在

電阻負載下晶閘管承受正向電壓的區(qū)別，以“VTI為例，由于單相橋式半控整流電路中的二

極管承受正向電壓那么導通，因此在電源電壓的正半周，晶閘管VT1的觸發(fā)脈沖到來之前

1電阻性負載，VT2已關斷），與二極管VD4串聯(lián)的晶閘管VT1承受全部電源電壓，其最

大值為何2；而單相橋式全控整流電路全部采用可控器件，注意品閘管導通的兩個條件,

同樣以“vTi為例，在電源電壓的正半周，晶閘管VT1的觸發(fā)脈沖到來之前，VT1?VT4四只

晶閘管均阻斷，因此VT1與VT4共同承當電源電壓，即〃\叮產〃〃2,其最大值為告5。

例2?4單相橋式全控整流電路，阻感性負載，SLAR.設變壓器二次側電壓為S,那么

晶閘管承受的最高正、反向電壓分別為（）o

A孝5，與5B孝4，商2C&2，孝SD廊2，仞2

【答案】D

【解析】此題主要考察單相橋式全控整流電路在阻感負載卜的工作情況。由于”>>R,

因此在任一瞬間總有一組晶閘管導通，而導通的晶閘管對未導通的晶閘管產生影響，即給未

導通的晶閘管施加了反向電壓。以〃vn為例，VT2導通忖使得VT1承受電源電壓由，其最

大值為四2。這一點與目阻性負載情況有區(qū)別，要尤其注意。

例2?5單相橋式全控整流電路帶電阻性負載與阻感性負教（或>>/?）情況下，晶閘管觸發(fā)

角的移相范圍分別為（）。

A90,90B90,180C180,90D180,180

【答案】C

【解析】此題主要考察對晶閘管觸發(fā)角移相范圍的理解。移相范圍是指使得輸出電壓在最

大值與最小值之間變化的觸發(fā)角的可調范圍。單相橋式金控整流電路帶電阻性負載，觸發(fā)角

為0°時輸出電壓為最大值，觸發(fā)角為180。時輸出電壓為0,因此其移相范圍為180。；單

相橋式全控整流電路帶阻感性負載，有于大電感的存在，輸出電壓的波形中出現負半周波形,

其平均值降低，觸發(fā)角為0°時輸出電壓為最大值，觸發(fā)角為90°時輸出電壓為0,因此其

移相范圍為90°。

例2?6單相橋式全控整流電路，阻感反電勢負載（立負載電壓為〃，反電勢為E,

那么負載電流為（）。

【答案】B

【解析】此題主要考察單相橋式全控整流電路帶阻感反電勢負載的工作情況，由于

a）L?R,因此當時，電感即起續(xù)流作用，與阻感負載相比相當于電感續(xù)流的時間

提前了，該電路的波形分析與阻感負載相同，只是在計算負載電流時，要考慮反電勢的存在,

所以薩。

例2?7以下電路中，存在變壓器鐵心直流磁化現象的有（）。

A單相半波可控整流電路C單相橋式全控整流電路

B單相橋式半控整流電路D單相全波可控整流電路

【答案】A

【解析】此題主要考察對變壓器鐵心直流磁化現象的理解，變壓器鐵心中有直流成分時會

導致鐵心飽和成為變壓器鐵心直流磁化現象，為使變壓器鐵心不飽和，需增大鐵心截面積，

就會增加設備容量。上述選項中，單相半波可控整流電路的負載電流（直流分量）經過變壓

器二次繞組，存在變壓器鐵心直流磁化現象；其它三個電路中，變壓器二次側電流為正、負

半周對稱的交流分量，不存在直流分量，因此不存在變壓器鐵心直流磁化現象。

例2-8三相半波可控整流電路與三相橋式全控整流電路，電阻性負載，晶閘管觸發(fā)角的移

相范圍分別為（）。

A90°,120°B90°,150°C120°,150°D150°,12。°

【答案】A

【解析】此題主要考察對三相可控整流電路的認識，三相可控整流電路與單相可控整流電

路不同，晶閘管觸發(fā)角的起始位置.[即0°）位于自然換用點（以外的過零點作為坐標原點，

。=0°位于M=30°處，而單相可控整流電路的。=0°位于皿=0°處），這是三相可控整流電

路中晶閘管能夠導通的最早時刻，因此三相半波可控整流電路在電阻性負載情況下晶閘管的

移相范圍為150°：又由于三相橋式全控整流電路的負載電壓為線電壓，線電壓的過零點超

前相電壓30°,因此三相橋式全控整流電路在電阻性負載情況卜.晶閘管的移相范圍為

120°。

例2-9三相半波可控整流電路，電阻性負載，晶閘管承受的最高正、反向電壓分別為（）。

A庖2，庖2B庖2，娓Ue屈人夜4D瓜U?,S[6U2

【答案】B

【解析】此題主要考察對三相可控整流電路的分析，三相半波可控整流電路帶中線，輸出

負載電壓為相電壓，晶閘管上承受的電壓為線電壓。當”W3（）°負載電流連續(xù)時，三把的晶

閘管輪流導通，每只晶閘管導通120°,晶閘管上承受的正向線電壓小于變壓滯二次側.相電

壓（a=30°晶閘管上承受的正向線電壓到達最大，此時M2L1.225S〈友力，S為變壓器二

次側相電壓有效值）：當330°負載電流斷續(xù)時，三相品閘管均阻斷，晶閘管上承受的正向

電壓為相電壓，其最大值為庖2。而晶閘管承受的最高反向電壓為八氏。

例2-10三相橋式全控整流電路，電阻性負載，晶閘管承受的最高正、反向電壓分別為（）。

A&2，&2B&2，瘋2C版/?,商2D瘋2，血

【答案】D

【解析】此題主要考察對三相橋式全控整流電路的分析，三相橋式全控整流電路輸出負載

電壓為線電壓，晶閘管上承受的電壓為線電壓。以MVT1為例分析晶閘管上承受的電壓波形

如以卜.圖所示，由圖可見，晶閘管承受的正、反向電壓均為瘋J

例2?11以下電路能夠完成有源逆變的有（）。

A單相橋式全控整流電路C單相全波整流電路

B單相橋式半控整流電路D單相半波可控整流電路

【答案】A、B

【解析】此題主要考察有源逆變產生的條件，由于有源逆變的實現要求輸出電壓為負值，

因此半控整流電路以及單相半波整流電路是不能實現有源逆變的，只有全控整流電路才能實

現有源逆變。

例2-12單相橋式全控整流電路工作在有源逆變狀態(tài)，設變壓器二次側電壓為S，反電勢為

E,負載電壓為由,那么負載電流為（）.

AjR3c。D9

RRRR

【答案】B

【解析】此題主要考察有源逆變電路輸出電壓與電流的關系，整流電路工作在有源逆變狀

態(tài)下，輸出電壓反向，為負值；反電勢亦為負值，且|目>|力|,而負載電流的方向與整流

時相同，為正值，因此〃二七二二。

dR

例2?13二相橋式全控變流電路既可以工作在整流狀態(tài)，又可以工作在有源逆變狀態(tài)，當其

為直流電機供電時，以下說法正確的選項是（）。

Aa<90°,變流器工作在整流狀態(tài)，直流電機作電動機運行

B〃<90。，變流器工作在整流狀態(tài)，直流電機作發(fā)電機運行

C?>90°,變流器工作在有源逆變狀態(tài)，直流電機作電動機運行

D〃>90。，變流器工作在有源逆變狀態(tài)，直流電機作發(fā)電機運行

【答案】A、D

【解析】此題主要考察對變流器中能量的傳遞方向，在整流狀態(tài)，變流器向直流電機供電,

直流電機工作在第?象限，作電動機運行；在有源逆變狀態(tài)下，直流電機的能量流向變流器，

直流電機工作在第一象限，作發(fā)電機運行。

例2-14三相橋式全控整流電路共陰極組組晶閘管的觸發(fā)脈沖相差（）；位于同一相的兩

只晶閘管的觸發(fā)脈沖相差（）。

A60°,120°B90°,120°C120°,120°D120°,180°

【答案】D

【解析】此題主要考察三相橋式全控整流電路的觸發(fā)脈沖規(guī)律，共陰極組晶閘管或共陽極

組品閘管分屬于三相，其觸發(fā)脈沖間隔120°,位于同?相的兩只晶閘管不能同時導通，其

觸發(fā)脈沖間隔180°。

例2-15變壓器漏感對整流電路的影響是使整流電路的輸出電壓（），使有源逆變電路的

輸出電壓（）。

A降低，降低B降低，升高C升高，降低D升高，升高

【答案】B

【解析】此題主要考察變壓器漏感對整流電路的影響，在整流狀態(tài)下，變壓器漏感的存在

使得在換向期間，負載電壓為換向的兩相電壓的平均值，比不考慮漏感時降低了；在有源逆

變狀態(tài)下，由于輸出電壓為負值，因此負載電壓比不考慮漏感時升高了。

例2?16單相橋式全控整流電路，大電感負載，S=220V,A=4C,?=60°,試計算：

1）作出負載電壓板、晶閘管電壓“VTI、負載電流id、晶閘管電流ivTI以及變壓器二次側

電流i2的波形；

2）計算小、Id的平均值及，2的有效值；

3）考慮兩倍的平安裕量，選擇適宜的晶閘管；

4）如負載并接續(xù)流二極管，其3、又為多少，作出1）中所要求的波形。

【解析】此題主要考察單相橋式全控整流電路帶阻感負載的工作原理.無續(xù)流二極管情況

下，兩組晶閘管VT1、VT4與VT2、VT3輪流導通180°；在負載兩端并聯(lián)二極管二極管,

晶閘管的導通時間縮短為乙二4,在電源電壓的負半周，二極管導通，導通時間為色。注

7171

意有續(xù)流二極管情況下晶閘管承受電壓的分析。

1）無續(xù)流二極管情況下

2）無續(xù)流二極管情況下

Ud=0.9t/2coscz=0.9x220xcos60=99V

〃=勿/A=99/4=24.75A

I2=Id=24.75A

3）lyj.=I（l/V2=24.75/72=17.5A

/r=7^/1.57=17.5/1.57=11.15A

考慮兩倍平安裕量，可選擇額定電流為30A的晶閘管；

由于晶閘管承受的最高反向電壓為gU2=J5x22O=311V,考慮兩倍平安裕量，可

選擇額定電壓為600V的晶閘管。

4）有續(xù)流二極管情況

U（l=0.9U2（1+cos?）/2=0.9x220x（1+cos60）/2=148.5V

=148.5/4=37.125A

例2-17三相橋式全控整流電路，阻感反電勢負載，（oL?Rt%=220V,/?=2Q,E=200V,

a=60°,試計算：

1）作出負載電壓"八晶閘管電壓〃VTI、負載電流認晶閘管電流ivn、i、，T4以及變壓器二

次側電流器的波形；

2）計算3、A,的平均值及，0的有效值；

3）假設VT1的觸發(fā)脈沖消失，分析負載電壓即及晶間管電壓的波形。

【解析】此題主要考察「相橋式全控整流電路帶阻感反電勢負載情況。阻感反電勢負載的

波形分析與阻感負載相同，大電感情況下負載電流連續(xù)、平直，每只晶閘管導通120°。

I）波形分析如以下圖所示

2)=2.34U?cosa=2.34x220xcos60=257,4V

J7-E_257.4-200

<z=28.7A

一R-T~

|/(/=23.42A

3〕

例2-18三相橋式全控整流電路，電阻負載，試作出VT1觸發(fā)脈沖喪失情況下的負載電壓

“d及晶閘管電壓的波形。

【解析】以a=60°為例。VT1觸發(fā)脈沖喪失后，分析電阻性負載與阻感負載情況下分析負

載電壓應及晶閘管電壓〃、f波形的關鍵在于VT1脈沖到來之前導通的晶閘管是否關斷？何

時會關斷？電阻性負載情況，線電壓心過零后VT5、VT6即關斷，“尸0,直至VT2、VT3

導通時im

例2?19三相橋式全控整流電路，如下圖，線電壓Uub=400V,R=10C,L極大，

1)當*=60。，月=-306V時，能否實現有源逆變？求此時的〃、Idi

2)作出負載電壓板、晶閘管電壓“VT】、負載電流辦晶閘管電流ivn、ivT4以及變壓器

二次側電流右的波形。

【解析】此題主要考察三相橋式全控整流電路實現有源逆變的條件以及在有源逆變條件下電

路的波形分析。分析有源逆變電路的波形與整流電路的方法相同，需注意的是逆變角不同于

觸發(fā)角，a+為心注意有源逆變電路波形與整流電路波形的區(qū)別。一是晶閘管觸發(fā)相位的影

響，二是在有源逆變工作狀態(tài)下，品閘管工作在電源電壓的負半周，輸出負載電壓波形大局

部位于負半周，而晶閘管在大局部時間內承受正向電壓,

1)當夕=600,E=-306V時

[]400

U(l=-2.34(72cos/7=-2.34cos=-2.34x^=-cos60=-270.2V

由于因因此可以實現有源逆變。

-2702—(—306)

=3.58A

d~R~io-

2)

例2-20試作出三相半波可控整流電路工作于有源逆變狀態(tài)下，VT3觸發(fā)脈沖喪失情況下的

負載電壓如波形，并說明會造成什么后果？

【解析】分析方法與例18相同。在有源逆變狀態(tài)下，觸發(fā)脈沖喪失易產生逆變失敗。例如

以下圖中VT3觸發(fā)脈沖喪失后，之前導通的VT2會繼續(xù)導通到正半波。當VT1再次獲得觸

發(fā)脈沖時，由于此時〃b＞必，因此VT1承受反壓而無法導通，輸出電壓〃”為正值，和直流電

動勢同極性，造成短路，即逆變失敗。因此有源逆變電路的觸發(fā)電路一定要工作可靠。

三、課后習題解答

I.單相橋式全控整流電路接電阻性負載，要求輸出電壓在0?100V連續(xù)可調，輸出電壓平

均值為3。V時，負載電流平均值到達20A。系統(tǒng)采用220V的交流電壓通過降壓變壓器供

電，且晶閘管的最小控制角amin=30。，(設降壓變壓器為理想變壓器)。試求：

1)變壓器二次側電流有效值V

2)考慮平安裕量，選擇晶閘管電壓、電流定額；

3)作出a=60。時，〃八id和變壓器二次側i2的波形。

解：由題意可知負載電阻/?=5=應=1.5歐，

"20

單相全控整流的直流輸出電壓為U"=(1+cosa)

兀

直流輸出電壓最大平均值為100V,且此時的最小控制角為斯加=30。，帶入上式可求得

-Ct,sin2?

7”9.”33、I-T:---+-----

V7i2萬

兀.n

兀---sin—

%加=30。時，/,11m=79.33、一+1=78.18（4）

V冗2乃

2）晶閘管的電流有效值和承受電壓峰值分別為

考慮3倍余量,選器件耐壓為168X3=500V；額定電流為（55.28/1.57）X3=100A

3）

2.試作出單相橋式半控整流電路帶大電感負載，在a=30。時的“八力、IVTI>ivz的波形。

并計算此時輸出電壓和電流的平均值。

解：

輸出電壓和電流的平均值分別為：

3.單相橋式全控整流電路，S=100V,負載中K=2Q,L值極大，反電動勢E=60V,當

（1=30。時，試求：

1）作出〃d、id和iz的波形；

2）求整流輸出電壓平均值Ud、電流/d，以及變壓器二次側電流有效值心。

解：整流輸出電壓平均值小、電流入以及變壓淵二次側電流有效值上分別為；

4.某一大電感負載采用單相半控橋式整流接有續(xù)流二極管的電路，負載電阻K=4Q,電源

電壓S=220V,a=n/3,求：

1）輸出直流平均電壓和輸出直流平均電流；

2）流過晶閘管（整流二極管）的電流有效值；

3）流過續(xù)流二極管的電流有效值。

解：1）電路波形圖見第2題

2)*21.43(4)

2d(的)=長21.43(A)

3)

5.三相半波可控整流電路的共陰極接法和共陽極接法,兩相的自然換相點是同一點嗎？

如果不是，它們在相位上差多少度？試作出共陽極接法的三相半波可控的整流電路在

a=30"時的〃d、/VTI>WVTI的波形。

解：。、力兩相的自然換相點不是同一點，它們在相位上差180度，見以下圖。

共陽極接法的三相半波可控的整流電路在a=30。時的劭、ivn、的波形如以下圖

6.三相半波可控整流電路帶大電感性負載，a=n/3,R=2C,S=220V,試計算負載電流11i，

并按裕量系數2確定晶閘管的額定電流和電壓。

解：=1.17t/2cosc?=1.17x220x0.5=128.7（V）

按裕最系數2確定晶閘管的電流定額為：-^K2?47.30^50（4）；電壓定額為：

1.57

7647,x2?1077?1200(V)

7.三相橋式全控整流電路，S=100V,帶阻感性負載，R=5Q,乙值極大，當a=60。,

試求：

1)作出〃d、id和ivn的波形；

2)計算整流輸出電壓平均值Ud、電流/d，以及流過晶閘管電流的平均值/dVT和有效值/VT；

3)求電源側的功率因數；

4)估算晶閘管的電壓、電流定額。

解：1)

2)Ud=2.34U2cosa=2.34x100x0.5=117")

3)由功率因數的定義如：A=-^cos^,=0.955cosa=0.955*0.5=0.4775

4)按2倍余量估算，晶閘管的電壓定額為：V6L/,x2=>/6x100x2^489.90^500(V)；

晶閘管的電流定額為：-^x2=-^x2?17.21?20(4)

1.571.57

8.三相橋式不控整流電路帶阻感性負載，R=5Q,L=e,S=220V,小產0.3Q,求“、

/d、/VD、和7的值，并作出“d、ivDl和的波形。

解：三相橋式不控整流電路相當于三相橋式全控整流電路在觸發(fā)角為0度時的情況，那么

代入量聯(lián)立求解上述2個方程可得：K=：蚓°，)

Id=97.38(A)

二極管的電流平均值為：/0=〃■=%?才32.46(A)

33

變壓器二次側電流有效值為：八=息產79.51(A)

2X1

由cosa-cos(a+/)=p?/可得

Ru?

1-cosy=2J'd_2x(^3x97.38。［934.cos/=0.8916；y?26.93°

國人x/6x220

?d>/VDI和12的波形的波形如下：

9.請說明整流電路工作在有源逆變時所必須具備的條件。

答：(1)外部條件——直流側應有能提供逆變能量的直流電動勢，其極性與晶閘管導通

方向一致，其值大于變流器直流側的平均電壓。(2)內部條件——變流器直流側輸出直流平

均電壓必須為負值，即a>W2,Ud<0。以上兩條件必須同時滿足，才能實現有源逆變。

10.什么是逆變失?。咳绾畏乐鼓孀兪?？

答：當變流器工作于逆變工況時，一旦由于觸發(fā)脈沖喪失、突發(fā)電源缺相或斷相等原因

造成換流失敗，將使輸出電壓Ud進入正半周，與EM順向連接，由于回路電阻很小，造成

很大的短路電流，這種情況叫逆變失敗或逆變顛覆。

為了保證逆變電路的正常工作，必須1)選用可靠的觸發(fā)器，2)正確選擇品閘管的參

數，3)采取必要的措施，減小電路中d〃/d/和did的影響，以免發(fā)生誤導通，4)保證交流

電源的質量，5)逆變角￡的角度有一最小限制，留出充足的換向余量角。

11.三相全控橋式變流器，L足夠大、K=1.2O、S=200V、EM=-300V,電動機運行于發(fā)

電制動狀態(tài)，制動過程中的負載電流為66A,問此時變流器能否實現有源逆變？假設能求

此時的逆變角時

解：電動機處于發(fā)電制動狀態(tài)可以提供逆變能量，滿足有源逆變的外部條件，可以實現有源

逆變。三相全控橋式變流器處于有源逆變時有：

Ud=2.34U,coscr=2.34Z7,cos(^-/7)(1)

而〃/，一%,即66=""+3?&=—220.8(6

R1.2

將U.=-220.8(丫)帶入(1)式可得：

-220.8=2.34x2(X)xcos(乃一力)；/=61.85?；騛=118.15。＞90°。

12.三相全控橋式變流器，帶反電動勢阻感負載，R=la,L=00,S=220V,LB=1HIH,

當&I=-400V,夕=60。時求g、/d和y的值，及此時送回電網的有功功率是多少？

解：Ud=2.34ZAcosa-些〃=2.34U,cosa-^%”

2z-21

=-790.3l(V)

代人量聯(lián)立求解上述2個方程可得:

/,=109.69(A)

2X/2x0.3142x109.69

由換流重疊角公式可得:cosa-cos(a+/)=~二'、'=0.1279

2205/6

cos(120°+/)=-0.1279-cosl200=-0.6279:即y=8.90°

送回電網的有功功率為：尸=區(qū)/卜//R=4()0x109.69-109.692x1=31.84(kW)。

13.三相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有哪些次數的諧波？其中最大的是哪一

次？變壓器二次電流中含有哪些次數的諧波？其中主要的是哪幾次？對于m相全控整流電

路呢？

答：三相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有6k(k=l、2、3…)次的諧波，其中最

大的是6次諧波。

變壓器二次電流中含有6k±1(k=l、2、3…)次的諧波，其中主要的是哪5、7次諧波。

對于m相全控整流電路，其整流輸出電壓中含有2mk(k=l,2、3…)次的諧波，其中

最大的是2m次諧波。

變壓器二次電流中含有2mk±l(k=l、2、3…)次的諧波，其中主要的是哪2mk±l次

諧波。

14.試計算第3題(單相橋式全控整流電路)中〃的3、5、7次諧波分量的有效值小、/2S、

727,并計算此時該電路的輸入功率因數。

解：由第3的解答可知：，2=〃=8.97(A),那么

,2^x8.97_272x8.97,_.

/,,=-----=----------?2.69(A)；=-----=---------?1.62A

343萬57t5不

基波有效值/,.=4"=辿咨巴。8.08(A)

乃乃

Ix()R

輸入功率因數％二＞cosw=——xcosa=0.90xcos30°=0.7794。

I18.97

15.試計算第7題(三相橋式全控整流電路)中的i2的5、7次諧波分量的有效值〃5、，27。

解：由第7的解答可知：/“="=112=23.4(A),那么

R5

限76x23.4屈L75x23.4

I-,.=----=--------?3.65(A)：=----=--------a2.61(A)。

5乃5乃-7乃74

16.三相晶閘管橋式全控整流器接至10.5kV交流系統(tǒng)。10kV母線的短路容量為150MVA,

整流器直流側電流/d=40M,觸發(fā)延遲角〃=15。，不計重疊角了,試求：

1)基波功率因數cos仰、整流器的功率因數人

2)整流側直流電壓S;

3）有功功率、無功功率和交流側基波電流有效值；

4）截止到23次的各諧波電流的大小、總諧波畸變率。

解：1）cos（px=cosa=cos15°?0.9659

2)Utl=2.34U2cosa=2.34x-!^^xcosl5°?13.70(A:V)

3）基波電流有效值/”==—x400?311.88(A)

總電流有效值/2=x400=326.60(A)

有功功率夕=5義=73x10.5x326.60x0.9224x547g.80伏卬)

無功功率Q=-尸=J(6x10.5x326.60)2—5478.802=2294.13(&E4R)

4）僅含有6k±1（k=l、2、3…）次的諧波,

—x400?62.38(A)；I21=400=44.55(A)

5TTtn

=Y^-/Z=-j^-x400?28.35(A)；/213

211=—l1l=—x400=23.99(A)

13公13〃

=理巫、400女18.35(4)；

=—/.=—x400?16.4l(4)

\1TT〃17乃21919”〃19萬

G=~^"〃="^~x400a13.56（人）；總諧波畸變率為：

23;r23兀

17.晶閘管整流電路的功率因數是怎么定義的？它與那些因素有關？

答：晶閘管整流電路的功率因數由畸變因子】，和位移因子cos處構成，表達式為：

具體而言：由移相觸發(fā)角a和整流電路的結構決定。

四、補充習題

1.三相半波共陰極接法的整流電路中，如果c相的觸發(fā)肽沖消失，試繪出在電阻性負載和大

電感性負載下整流的輸出電壓〃d（?=30?）o

解：電阻負載時波形如以下圖：

大電感負載時的波形為：

2.三相橋式全控整流電路中，如果c相上橋臂晶閘管〔第5號管）的觸發(fā)脈沖消失，試繪

出在電阻性負載和大電感性負載下整流的輸出電壓“d（a=60。）。

解.：電阻負載時波形如以卜圖：

分析：當3、4號晶閘管導通（直流輸出為必』完即將切換到4、5號晶閘管導通時，由于

5號晶閘管觸發(fā)喪失，且由于是電阻負載，在本該4、5號晶閘管導通的區(qū)間內由于〃ba為負

值，所以3號晶閘管被加反壓關斷，整流輸出為0。在隨后本該5、6號晶閘管導通區(qū)間，

由于5號管喪失脈沖，回路也沒法導通，輸出還是0。隨著6、1號晶閘管的再次導通，進

入下一個循環(huán)。

電感負載時波形如以下圖：

分析：當3、4號晶閘管導通（直流輸出為四1完即將切換到4、5號晶閘管導通時，由于

5號晶閘管觸發(fā)喪失，沒法給3號晶閘管提供反壓使之美斷，且由于是電感負載，所以3號

晶閘管將會繼續(xù)導通。這時實際導通的管子還是3、4兩個品閘管，即整流輸出仍為“

在隨后本該5、6管導通區(qū)間，4號管被導通的6號管關斷，直流電流通過3、6號兩晶閘管

形成的短路回路續(xù)流，直流輸出是0。隨著6、1號晶閘管的再次導通，進入下一個循環(huán)。

3.一般三相可控整流裝置中，如果電源三相進線相序接反，會產生什么問題？

答：三相可控整流裝置的三相交流電源相序接反會出現缺相或亂相的情況，即該導通的晶閘

管不導通，不該導通的晶閘管導通。在單脈沖和雙脈沖觸發(fā)的三相橋式電路中，原來調

整好的移相范圍會前移60°,使系統(tǒng)不能正常工作，所以晶閘管裝置的進線相序必須符

合規(guī)定。

4.綜述抑制相控整流電路網側電流諧波的措施。

答：抑制網側電流諧波的措施主要有：

1）選擇適宜的輸入電壓（可采用輸入變壓器），在滿足控制和調節(jié)范圍的情況下盡可能

減小控制角a。

2）網側設置補償電容器和有針對性的濾波器。

3）增加整流相數，即采用多相整流器，可使網側電流更加接近正弦波。

4）利用多重化技術進行波形疊加，以消