電力電子技術習題解答

1、電力電子技術習題及解答1晶閘管的導通條件是什么? 導通后流過晶閘管的電流和負載上的電壓由什么決定?答：晶閘管的導通條件是：晶閘管陽極和陽極間施加正向電壓，并在門極和陽極間施加正向觸發(fā)電壓和電流（或脈沖）。導通后流過晶閘管的電流由負載阻抗決定，負載上電壓由輸入陽極電壓UA決定。2晶閘管的關斷條件是什么?如何實現(xiàn)?晶閘管處于阻斷狀態(tài)時其兩端的電壓大小由什么決定?答：晶閘管的關斷條件是：要使晶閘管由正向導通狀態(tài)轉變?yōu)樽钄酄顟B(tài)，可采用陽極電壓反向使陽極電流IA減小，IA下降到維持電流IH以下時，晶閘管內部建立的正反饋無法進行。進而實現(xiàn)晶閘管的關斷，其兩端電壓大小由電源電壓UA決定。3溫度升高時，晶閘管

2、的觸發(fā)電流、正反向漏電流、維持電流以及正向轉折電壓和反向擊穿電壓如何變化？答：溫度升高時，晶閘管的觸發(fā)電流隨溫度升高而減小，正反向漏電流隨溫度升高而增大，維持電流IH會減小，正向轉折電壓和反向擊穿電壓隨溫度升高而減小。4晶閘管的非正常導通方式有哪幾種？答：非正常導通方式有：(1) Ig=0，陽極電壓升高至相當高的數(shù)值；(1) 陽極電壓上升率du/dt過高；(3) 結溫過高。5請簡述晶閘管的關斷時間定義。答：晶閘管從正向陽極電流下降為零到它恢復正向阻斷能力所需的這段時間稱為關斷時間。即。6試說明晶閘管有哪些派生器件？答：快速晶閘管、雙向晶閘管、逆導晶閘管、光控晶閘管等。7型號為KP100-3，維

3、持電流IH=4mA的晶閘管，使用在圖題1.8所示電路中是否合理，為什么?(暫不考慮電壓電流裕量) 圖題1.8 答：（a）因為，所以不合理。(b) 因為, KP100的電流額定值為100，裕量達倍，太大了。（c）因為，大于額定值，所以不合理。8 圖題1.9中實線部分表示流過晶閘管的電流波形，其最大值均為Im，試計算各圖的電流平均值電流有效值和波形系數(shù)。解：圖(a)： IT(AV)=IT= Kf=1.57 圖題19圖(b)： IT(AV)= ImIT=Kf=1.11圖(c)： IT(AV)= ImIT= ImKf=1.26圖(d)： IT(AV)=ImIT= ImKf=1.78圖(e)： IT(A

4、V)=IT=Kf=2.83圖(f)： IT(AV)=IT=Kf=29上題中，如不考慮安全裕量，問額定電流100A的晶閘管允許流過的平均電流分別是多少?解：(a)圖波形系數(shù)為1.57，則有： 1.57=1.57100A , IT(AV) = 100 A(b)圖波形系數(shù)為1.11，則有： 1.11=1.57100A , IT(AV)=141.4A(c)圖波形系數(shù)為1.26，則有： 1.26=1.57100A , IT(AV)=124.6A(d)圖波形系數(shù)為1.78，則有： 1.78=1.57100A , IT(AV)=88.2A(e)圖波形系數(shù)為2.83，則有： 2.83=1.57100A, IT

5、(AV)=55.5A(f)圖波形系數(shù)為2，則有： 2=1.57100A , IT(AV)=78.5A10某晶閘管型號規(guī)格為KP200-8D，試問型號規(guī)格代表什么意義?解：KP代表普通型晶閘管，200代表其晶閘管的額定電流為200A，8代表晶閘管的正反向峰值電壓為800V，D代表通態(tài)平均壓降為。11如圖題1.12所示，試畫出負載Rd上的電壓波形(不考慮管子的導通壓降)。 圖題1.12解：其波形如下圖所示：12單相正弦交流電源，晶閘管和負載電阻串聯(lián)如圖題1.14所示，交流電源電壓有效值為220V。 (1)考慮安全余量，應如何選取晶閘管的額定電壓？ (2)若當電流的波形系數(shù)為Kf=2.22時，通過晶

6、閘管的有效電流為100A，考慮晶閘管的安全余量，應如何選擇晶閘管的額定電流？解：（1）考慮安全余量, 取實際工作電壓的2倍 UT=V, 取600V（2）因為Kf=2.22, 取兩倍的裕量，則：2IT(AV) 得： IT(AV)=111(A) 取100A。圖題1.1413什么叫GTR的一次擊穿?什么叫GTR的二次擊穿?答：處于工作狀態(tài)的GTR，當其集電極反偏電壓UCE漸增大電壓定額BUCEO時，集電極電流IC急劇增大（雪崩擊穿），但此時集電極的電壓基本保持不變，這叫一次擊穿。發(fā)生一次擊穿時，如果繼續(xù)增大UCE，又不限制IC，IC上升到臨界值時，UCE突然下降，而IC繼續(xù)增大（負載效應），這個現(xiàn)象

7、稱為二次擊穿。14怎樣確定GTR的安全工作區(qū)SOA?答：安全工作區(qū)是指在輸出特性曲線圖上GTR能夠安全運行的電流、電壓的極限范圍。按基極偏量分類可分為：正偏安全工作區(qū)FBSOA和反偏安全工作區(qū)RBSOA。正偏工作區(qū)又叫開通工作區(qū)，它是基極正向偏量條件下由GTR的最大允許集電極功耗PCM以及二次擊穿功率PSB，ICM，BUCEO四條限制線所圍成的區(qū)域。反偏安全工作區(qū)又稱為GTR的關斷安全工作區(qū)，它表示在反向偏置狀態(tài)下GTR關斷過程中電壓UCE，電流IC限制界線所圍成的區(qū)域。15GTR對基極驅動電路的要求是什么？答：要求如下：（1）提供合適的正反向基流以保證GTR可靠導通與關斷，（2）實現(xiàn)主電路與

8、控制電路隔離，（3）自動保護功能，以便在故障發(fā)生時快速自動切除驅動信號避免損壞GTR。（4）電路盡可能簡單，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強。16在大功率GTR組成的開關電路中為什么要加緩沖電路?答：緩沖電路可以使GTR在開通中的集電極電流緩升，關斷中的集電極電壓緩升，避免了GTR同時承受高電壓、大電流。另一方面，緩沖電路也可以使GTR的集電極電壓變化率和集電極電流變化率得到有效值抑制，減小開關損耗和防止高壓擊穿和硅片局部過熱熔通而損壞GTR。17與GTR相比功率MOS管有何優(yōu)缺點?答：GTR是電流型器件，功率MOS是電壓型器件，與GTR相比，功率MOS管的工作速度快，開關頻率高，驅動功率小且驅動電

9、路簡單，無二次擊穿問題，安全工作區(qū)寬，并且輸入阻抗可達幾十兆歐。但功率MOS的缺點有：電流容量低，承受反向電壓小。18試簡述功率場效應管在應用中的注意事項。答：（1）過電流保護，（2）過電壓保護，（3）過熱保護，（4）防靜電。19與GTR、VDMOS相比，IGBT管有何特點?答：IGBT的開關速度快，其開關時間是同容量GTR的1/10，IGBT電流容量大，是同容量MOS的10倍；與VDMOS、GTR相比，IGBT的耐壓可以做得很高，最大允許電壓UCEM可達4500V，IGBT的最高允許結溫TJM為150，而且IGBT的通態(tài)壓降在室溫和最高結溫之間變化很小，具有良好的溫度特性；通態(tài)壓降是同一耐壓

10、規(guī)格VDMOS的1/10，輸入阻抗與MOS同。20在SCR、GTR、IGBT、GTO、MOSFET、IGCT及MCT器件中，哪些器件可以承受反向電壓？哪些可以用作靜態(tài)交流開關？答：SCR、GTR、IGBT、GTO、MCT都可承受反向電壓。SCR可以用作靜態(tài)開關。21試說明有關功率MOSFET驅動電路的特點。答：功率MOSFET驅動電路的特點是：輸入阻抗高，所需驅動功率小，驅動電路簡單，工作頻率高。22 什么是整流？它與逆變有何區(qū)別？答：整流就是把交流電能轉換成直流電能，而將直流轉換為交流電能稱為逆變，它是對應于整流的逆向過程。23 單相半波可控整流電路中，如果：(1) 晶閘管門極不加觸發(fā)脈沖；

11、(2) 晶閘管內部短路；(3) 晶閘管內部斷開；試分析上述三種情況負載兩端電壓ud和晶閘管兩端電壓uT的波形。答：（1）負載兩端電壓為0，晶閘管上電壓波形與U2相同；（2）負載兩端電壓為U2，晶閘管上的電壓為0；（3）負載兩端電壓為0，晶閘管上的電壓為U2。24某單相全控橋式整流電路給電阻性負載和大電感負載供電，在流過負載電流平均值相同的情況下，哪一種負載的晶閘管額定電流應選擇大一些?答：帶大電感負載的晶閘管額定電流應選擇小一些。由于具有電感，當其電流增大時，在電感上會產(chǎn)生感應電動勢，抑制電流增加。電阻性負載時整流輸出電流的峰值大些，在流過負載電流平均值相同的情況下，為防此時管子燒壞，應選擇額

12、定電流大一些的管子。25某電阻性負載的單相半控橋式整流電路，若其中一只晶閘管的陽、陰極之間被燒斷，試畫出整流二極管、晶閘管兩端和負載電阻兩端的電壓波形。解：設=0，T2被燒壞，如下圖： 26相控整流電路帶電阻性負載時，負載電阻上的Ud與Id的乘積是否等于負載有功功率，為什么?帶大電感負載時，負載電阻Rd上的Ud與Id的乘積是否等于負載有功功率，為什么?答：相控整流電路帶電阻性負載時，負載電阻上的平均功率不等于負載有功功率。因為負載上的電壓、電流是非正弦波，除了直流Ud與Id外還有諧波分量和，負載上有功功率為。相控整流電路帶大電感負載時，雖然Ud存在諧波，但電流是恒定的直流，故負載電阻Rd上的U

13、d與Id的乘積等于負載有功功率。27某電阻性負載，Rd=50,要求Ud在0600V可調，試用單相半波和單相全控橋兩種整流電路來供給，分別計算：(1) 晶閘管額定電壓、電流值；(2) 連接負載的導線截面積(導線允許電流密度j=6Amm2)；(3) 負載電阻上消耗的最大功率。解：（1）單相半波時,晶閘管的最大電流有效值 晶閘管額定電流為 IT(AV)12(A) 晶閘管承受最大電壓為 =1885V 取2倍安全裕量，晶閘管的額定電壓、額定電流分別為4000V和30A。所選導線截面積為 負載電阻上最大功率 （2）單相全控橋時,負載電流有效值 (Kf=1.11)晶閘管的額定電流為 IT(AV)6(A) I

14、T=晶閘管承受最大電壓為 =1885V取2倍安全裕量，晶閘管的額定電壓、額定電流分別為4000V和20A。所選導線截面積為 負載電阻上最大功率 28整流變壓器二次側中間抽頭的雙半波相控整流電路如圖題2.8所示。(1) 說明整流變壓器有無直流磁化問題?(2) 分別畫出電阻性負載和大電感負載在=60時的輸出電壓Ud、電流id的波形，比較與單相全控橋式整流電路是否相同。若已知U2=220V，分別計算其輸出直流電壓值Ud。（3）畫出電阻性負載=60時晶閘管兩端的電壓uT波形，說明該電路晶閘管承受的最大反向電壓為多少? 圖題2.8解：（1）因為在一個周期內變壓器磁通增量為零，所以沒有直流磁化。（2）其波

15、形如下圖所示，與單相全控橋式整流電路相同。電阻性負載： 感性負載： (3)其波形如下圖所示，晶閘管承受的最大反向電壓為。29 三相半波相控整流電路帶大電感負載，Rd=10，相電壓有效值U2=220V。求=45時負載直流電壓Ud、流過晶閘管的平均電流IdT和有效電流IT，畫出ud、iT2、uT3的波形。解：因為： ，Ud=1.17=182Vud、iT2、uT3波形圖如下所示：30在圖題2.11所示電路中，當=60時，畫出下列故障情況下的ud波形。(1) 熔斷器1FU熔斷。 (2) 熔斷器2FU熔斷。(3) 熔斷器2FU、3FU同時熔斷。圖題2.11解：這三種情況下的波形圖如下所示： (a) (b

16、) (c)31現(xiàn)有單相半波、單相橋式、三相半波三種整流電路帶電阻性負載，負載電流Id都是40A，問流過與晶閘管串聯(lián)的熔斷器的平均電流、有效電流各為多大?解：設單相半波：IdT=Id=40A (Kf=1.57)單相橋式：IdT=Id=20A三相半波：IdT=Id=13.3A當時 Ud=1.17UU=Ud/1.17時 32三相全控橋式整流電路帶大電感負載，負載電阻Rd=4，要求Ud從0220V之間變化。試求： (1)不考慮控制角裕量時，整流變壓器二次線電壓。(2)計算晶閘管電壓、電流值，如電壓、電流取2倍裕量，選擇晶閘管型號。 解：（1）因為Ud=2.34U；不考慮控制角裕量，時（2）晶閘管承受最

17、大電壓為取2倍的裕量,URM=460.6V晶閘管承受的平均電流為IdT=Id又因為所以IdT=18.33A，取2倍的裕量IdTmax=36.67(A)選擇KP505的晶閘管。33 三相半波相控整流電路帶電動機負載并串入足夠大的電抗器，相電壓有效值U2=220V，電動機負載電流為40A，負載回路總電阻為0.2，求當=60時流過晶閘管的電流平均值與有效值、電動機的反電勢。解：電流平均值為：IdT=Id=40/3=13.3 電流有效值為：設電動機的反電勢為ED，則回路方程為：而 所以 34三相全控橋電路帶串聯(lián)Ld的電動機負載，已知變壓器二次電壓為100V，變壓器每相繞組折合到二次側的漏感L1為100

18、H，負載電流為150A，求： (1)由于漏抗引起的換相壓降； (2)該壓降所對應整流裝置的等效內阻及=0時的換相重疊角。解：(1) (2) 等效內阻35什么是有源逆變？有源逆變的條件是什么？有源逆變有何作用？答：如果將逆變電路交流側接到交流電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流電，反送到電網(wǎng)上去稱為有源逆變。有源逆變的條件：（1） 一定要有直流電動勢，其極性必須與晶閘管的導通方向一致，其值應稍大于變流器直流側的平均電壓；（2） 變流器必須工作在的區(qū)域內使Ud0。有源逆變的作用：它可用于直流電機的可逆調速，繞線型異步電動機的串級調速，高壓電流輸電太陽能發(fā)電等方面。36無源逆變電路和有源逆變電路有何區(qū)

19、別？答：有源逆變電路是把逆變電路的交流側接到電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流反送到電網(wǎng)去。無源逆變電路的交流側直接接到負載，將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流供給負載。37有源逆變最小逆變角受哪些因素限制？為什么？答：最小有源逆變角受晶閘管的關斷時間tq折合的電角度、換相重疊角以及安全裕量角的限制。如果不能滿足這些因素的要求的話，將導致逆變失敗。38試比較Buck電路和Boost電路的異同。答；相同點：Buck電路和Boost電路多以主控型電力電子器件（如GTO，GTR，VDMOS和IGBT等）作為開關器件，其開關頻率高，變換效率也高。不同點：Buck電路在T關斷時，只有電感L儲存的能量

20、提供給負載，實現(xiàn)降壓變換，且輸入電流是脈動的。而Boost電路在T處于通態(tài)時，電源Ud向電感L充電，同時電容C集結的能量提供給負載，而在T處于關斷狀態(tài)時，由L與電源E同時向負載提供能量，從而實現(xiàn)了升壓，在連續(xù)工作狀態(tài)下輸入電流是連續(xù)的。40試說明直流斬波器主要有哪幾種電路結構？試分析它們各有什么特點？答：直流斬波電路主要有降壓斬波電路（uck），升壓斬波電路（oost），升降壓斬波電路（uckoost）和庫克（ook）斬波電路。降壓斬波電路是：一種輸出電壓的平均值低于輸入直流電壓的變換電路。它主要用于直流穩(wěn)壓電源和直流直流電機的調速。升壓斬波電路是：輸出電壓的平均值高于輸入電壓的變換電路，它可

21、用于直流穩(wěn)壓電源和直流電機的再生制動。升降壓變換電路是輸出電壓平均值可以大于或小于輸入直流電壓，輸出電壓與輸入電壓極性相反。主要用于要求輸出與輸入電壓反向，其值可大于或小于輸入電壓的直流穩(wěn)壓電源。庫克電路也屬升降壓型直流變換電路，但輸入端電流紋波小，輸出直流電壓平穩(wěn)，降低了對濾波器的要求。41有一開關頻率為50kHz的Buck變換電路工作在電感電流連續(xù)的情況下，L=0.05mH，輸入電壓Ud=15V，輸出電壓U0=10V求占空比D的大小；解：（1）， 42圖題3.8所示的電路工作在電感電流連續(xù)的情況下，器件T的開關頻率為100kHz，電路輸入電壓為交流220V，當RL兩端的電壓為400V時：(

22、1) 求占空比的大小； 題圖3.8解:（）由題意可知： =0.4543在Boost變換電路中，已知Ud=50V，L值和C值較大，R=20，若采用脈寬調制方式，當Ts=40s，ton=20s時，計算輸出電壓平均值U0和輸出電流平均值I0。解：由于和的值都比較大，44什么是電壓型和電流型逆變電路？各有何特點？答：按照逆變電路直流側電源性質分類，直流側為電壓源的逆變電路稱為電壓型逆變電路，直流側為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：（2） 直流側為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。（3） 由于直流電壓源的鉗位作用，交流側電壓波形

23、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，其波形接近于三角波或正弦波。（4） 當交流側為阻感性負載時，需提供無功功率，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)了二極管。（5） 逆變電路從直流側向交流側傳送的功率是脈動的，因直流電壓無脈動，故功率的脈動是由交流電壓來提供。（6） 當用于交直交變頻器中，負載為電動機時，如果電動機工作在再生制動狀態(tài)，就必須向交流電源反饋能量。因直流側電壓方向不能改變，所以只能靠改變直流電流的方向來實現(xiàn)，這就需要給交直整流橋再反并聯(lián)一套逆變橋。電流型逆變電路的主要特點是：（

24、1） 直流側串聯(lián)有大電感，相當于電流源，直流電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。（2） 因為各開關器件主要起改變直流電流流通路徑的作用，故交流側電流為矩形波，與負載性質無關，而交流側電壓波形和相位因負載阻抗角的不同而不同。（3） 直流側電感起緩沖無功能量的作用，因電流不能反向，故可控器件不必反并聯(lián)二極管。（4） 當用于交直交變頻器且負載為電動機時，若交直變換為可控整流，則很方便地實現(xiàn)再生制動。45 電壓型逆變電路中的反饋二極管的作用是什么？答：在電壓型逆變電路中，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

25、反饋二極管。當輸出交流電壓與電流的極性相同時，電流經(jīng)電路中的可控開關器件流通，而當輸出電壓與電流極性相反時，由反饋二極管提供電流通道。46為什么在電流型逆變電路的可控器件上要串聯(lián)二極管？解：由于全電路開關管采用自關斷器件，其反向不能承受高電壓，所以需要在各開關器件支路串入二極管。47試說明PWM控制的工作原理。答：將一個任意波電壓分成N等份，并把該任意波曲線每一等份所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，且矩形脈沖的中點與相應任意波等份的中點重合，得到一系列脈沖列。這就是PWM波形。但在實際應用中，人們采用任意波與等到腰三角形相交的方法來確定各矩形脈沖的寬度。PWM控制就是利用PWM脈沖對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替所需要的波形。48單極性和雙極性 PWM調制有什么區(qū)別？解：單極性控制方式在調制信號的正半個周期或負半個周期內，三角波載波是單極性輸出的，所得的波也是單極性范圍內變化的。而雙極性