电力电子技术王兆安第五版课后习题答案.doc

电力电子技术王兆安第五版课后习题答案目 录第 1 章电力电子件 ······························································ 1 第 2 章整流电路·································································· 4第 3 章直流斩波电路 ·························································· 20第 4 章交流电力控制电路和交交变频电路 ·································· 26第 5 章逆变电路······································································ 31第 6 章PWM 控制技术··············································· ············· 35第 7 章软开关技术································································ 40第 8 章组合变流电路 ···························································· 42第 1 章电力电子器件1. 使晶闸管导通的条件是什么？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或：uAK>0 且 uGK>0。2. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。3. 图 1-43 中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为Im，试计算各波形的电流平均值 Id1、Id2、Id3 与电流有效值 I1、I2、I3。0 ð4ð2ð0 ð4ð 5ð42ð 0ð22ða)图 1-43b)晶闸管导电波形c)解：a)Id1=12ðI1=12ððð4( I m sin ùt) 2 d (ùt) =I m234+12ð 0.4767 Imb)1 ð I 2Id2 =I2 =1 ð 22 I m234+12ð 0.6741Ic)Id3=12ð02 I m d (ùt ) = 4 ImI3 =12ðð20212Im4. 上题中如果不考虑安全裕量,问 100A 的晶闸管能送出的平均电流 Id1、Id2、Id3 各为1I2ð4 I m sinùtd (ùt ) = 2m ( 2 + 1 ) 0.2717 Imð4 I m sinùtd (ùt ) = m ( 2 + 1 ) 0.5434 Imð 4ð ( I m sin ùt) d (ùt ) =1I m d (ùt) =多少？这时，相应的电流最大值 Im1、Im2、Im3 各为多少?解：额定电流 I T(AV) =100A 的晶闸管，允许的电流有效值 I =157A，由上题计算结果知a)Im1 I0.4767 329.35，Id1 0.2717 Im1 89.48b)Im2 I0.6741 232.90,Id2 0.5434 Im2 126.56c)Im3=2 I = 314,Id3=14Im3=78.55. GTO 和普通晶闸管同为 PNPN 结构，为什么 GTO 能够自关断，而普通晶闸管不能？答：GTO 和普通晶闸管同为 PNPN 结构，由 P1N1P2 和 N1P2N2 构成两个晶体管 V1、V2,分别具有共基极电流增益á1 和á 2 ，由普通晶闸管的分析可得，á1 + á 2 =1 是器件临界导通的条件。á1 + á 2 1，两个等效晶体管过饱和而导通；á1 + á 2 1，不能维持饱和导通而关断。GTO 之所以能够自行关断，而普通晶闸管不能，是因为 GTO 与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同：1) GTO 在设计时á 2 较大，这样晶体管 V2 控制灵敏，易于 GTO 关断；2) GTO 导通时的 á1 + á 2 更接近于 1，普通晶闸管 á1 + á 2 1.15，而 GTO 则为á1 + á 2 1.05，GTO 的饱和程度不深，接近于临界饱和，这样为门极控制关断提供了有利条件；3) 多元集成结构使每个 GTO 元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P2 极区所谓的横向电阻很小，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。6. 如何防止电力 MOSFET 因静电感应应起的损坏？答：电力 MOSFET 的栅极绝缘层很薄弱，容易被击穿而损坏。MOSFET 的输入电容是低泄漏电容，当栅极开路时极易受静电干扰而充上超过 ± 20 的击穿电压，所以为防止MOSFET 因静电感应而引起的损坏，应注意以下几点： 一般在不用时将其三个电极短接； 装配时人体、工作台、电烙铁必须接地，测试时所有仪器外壳必须接地； 电路中，栅、源极间常并联齐纳二极管以防止电压过高 漏、源极间也要采取缓冲电路等措施吸收过电压。7. IGBT、GTR、GTO 和电力 MOSFET 的驱动电路各有什么特点？答：IGBT 驱动电路的特点是：驱动电路具有较小的输出电阻，IGBT 是电压驱动型器件，IGBT 的驱动多采用专用的混合集成驱动器。2GTR 驱动电路的特点是：驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿，并有一定的过冲，这样可加速开通过程，减小开通损耗，关断时，驱动电路能提供幅值足够大的反向基极驱动电流，并加反偏截止电压，以加速关断速度。GTO 驱动电路的特点是：GTO 要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够的幅值和陡度，且一般需要在整个导通期间施加正门极电流，关断需施加负门极电流，幅值和陡度要求更高，其驱动电路通常包括开通驱动电路，关断驱动电路和门极反偏电路三部分。电力 MOSFET 驱动电路的特点：要求驱动电路具有较小的输入电阻，驱动功率小且电路简单。8. 全控型器件的缓冲电路的主要作用是什么？试分析 RCD 缓冲电路中各元件的作用。答：全控型器件缓冲电路的主要作用是抑制器件的内因过电压，du/dt 或过电流和 di/dt，减小器件的开关损耗。RCD 缓冲电路中，各元件的作用是：开通时，Cs 经 Rs 放电，Rs 起到限制放电电流的作用；关断时，负载电流经 VDs 从 Cs 分流，使 du/dt 减小，抑制过电压。9. 试说明 IGBT、GTR、GTO 和电力 MOSFET 各自的优缺点。解：对 IGBT、GTR、GTO 和电力 MOSFET 的优缺点的比较如下表：器 件优 点开关速度高，开关损耗小，具有耐脉缺 点IGBT冲电流冲击的能力，通态压降较低， 开关速度低于电力 MOSFET,电输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率 压，电流容量不及 GTO小GTRGTO电 力MOSFET耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过 10kW 的电力电子装置3第 2 章整流电路1. 单相半波可控整流电路对电感负载供电，L20mH，U2100V，求当0°和 60°时的负载电流 Id，并画出 ud 与 id 波形。解：0°时，在电源电压 u2 的正半周期晶闸管导通时，负载电感 L 储能，在晶闸管开始导通时刻，负载电流为零。在电源电压 u2 的负半周期，负载电感 L 释放能量，晶闸管继续导通。因此，在电源电压 u2 的一个周期里，以下方程均成立：Ld idd t= 2U 2 sin ùt考虑到初始条件：当ùt0 时 id0 可解方程得：id =2U 2ùL(1 cosùt)I d =12ð=2ð02U 2ùL2U 2ùL(1 cosùt)d(ùt)=22.51(A)ud 与 id 的波形如下图：u20ð2ðù tud0ð2ðù tid0ð2ðù t当60°时，在 u2 正半周期 60°180°期间晶闸管导通使电感 L 储能，电感 L 储藏的能量在 u2 负半周期 180°300°期间释放，因此在 u2 一个周期中 60°300°期间以下微分方程成立：Ld idd t= 2U 2 sin ùt考虑初始条件：当ùt60°时 id0 可解方程得：id =2U 2 1ùL 24( cosùt)其平均值为I d =12ð5ð3ð32U 2 1ùL 22U 22ùL=11.25(A)此时 ud 与 id 的波形如下图：u20 áud+ùtùtidùt2图 2-9 为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，问该变压器还有直流磁化问题吗？试说明：晶闸管承受的最大反向电压为 2 2U 2 ；当负载是电阻或电感时，其输出电压和电流的波形与单相全控桥时相同。答：具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，该变压器没有直流磁化的问题。因为单相全波可控整流电路变压器二次测绕组中，正负半周内上下绕组内电流的方向相反，波形对称，其一个周期内的平均电流为零，故不会有直流磁化的问题。以下分析晶闸管承受最大反向电压及输出电压和电流波形的情况。 以晶闸管 VT2 为例。当 VT1 导通时，晶闸管 VT2 通过 VT1 与 2 个变压器二次绕组并联，所以 VT2 承受的最大电压为 2 2U 2 。 当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角á 相同时，对于电阻负载：（0）期间无晶闸管导通，输出电压为 0；（）期间，单相全波电路中 VT1 导通，单相全控桥电路中 VT1、VT4 导通，输出电压均与电源电压 u2 相等；()期间，均无晶闸管导通，输出电压为 0；( 2)期间，单相全波电路中 VT2 导通，单相全控桥电路中 VT2、VT3 导通，输出电压等于 u2。对于电感负载：（ ）期间，单相全波电路中 VT1 导通，单相全控桥电路中VT1、VT4 导通，输出电压均与电源电压 u2 相等；（ 2）期间，单相全波电路中 VT2 导通，单相全控桥电路中 VT2、VT3 导通，输出波形等于 u2。可见，两者的输出电压相同，加到同样的负载上时，则输出电流也相同。5( cosùt)d(ùt) =3单相桥式全控整流电路，U2100V，负载中 R2，L 值极大，当30°时，要求：作出 ud、id、和 i2 的波形；求整流输出平均电压 Ud、电流 Id，变压器二次电流有效值 I2；考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：ud、id、和 i2 的波形如下图：u2OudðùtOidOi2OááðIdIdùtùtùt输出平均电压 Ud、电流 Id，变压器二次电流有效值 I2 分别为Ud0.9 U2 cos0.9×100×cos30°77.97（V）IdUd /R77.97/238.99（A）I2Id 38.99（A）晶闸管承受的最大反向电压为：2 U2100 2 141.4（V）考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：UN（23）×141.4283424（V）具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。流过晶闸管的电流有效值为：IVTId 2 27.57（A）晶闸管的额定电流为：IN（1.52）×27.571.572635（A）具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。4单相桥式半控整流电路，电阻性负载，画出整流二极管在一周内承受的电压波形。解：注意到二极管的特点：承受电压为正即导通。因此，二极管承受的电压不会出现正的部分。在电路中器件均不导通的阶段，交流电源电压由晶闸管平衡。整流二极管在一周内承受的电压波形如下：6PDF created with pdfFactory Pro trial version u20ð2ðùtuVD20uVD40ùtùt5单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中 R=2，L 值极大，反电势 E=60V，当á=30°时，要求： 作出 ud、id 和 i2 的波形； 求整流输出平均电压 Ud、电流 Id，变压器二次侧电流有效值 I2； 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：ud、id 和 i2 的波形如下图：u2Oudðù tOidáðIdù tOi2áIdIdù tOù t整流输出平均电压 Ud、电流 Id，变压器二次侧电流有效值 I2 分别为Ud0.9 U2 cos0.9×100×cos30°77.97(A)Id (UdE)/R(77.9760)/29(A)I2Id 9(A)晶闸管承受的最大反向电压为：2 U2100 2 141.4（V）流过每个晶闸管的电流的有效值为：IVTId 2 6.36（A）故晶闸管的额定电压为：UN(23)×141.4283424（V）7PDF created with pdfFactory Pro trial version 晶闸管的额定电流为：IN(1.52)×6.361.5768（A）晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。6. 晶闸管串联的单相半控桥（桥中 VT1、VT2 为晶闸管），电路如图 2-11 所示，U2=100V，电阻电感负载，R=2，L 值很大，当á=60°时求流过器件电流的有效值，并作出 ud、id、iVT、iD 的波形。解：ud、id、iVT、iD 的波形如下图：u2Oð2ðùtudOidIdùtiVT1 OIdùtiVD2OOð+áIdùtùt负载电压的平均值为：U d =1ððð32U 2 sin ùtd(ùt) = 0.9U 21 + cos(ð / 3)267.5（V）负载电流的平均值为：IdUdR67.52233.75（A）流过晶闸管 VT1、VT2 的电流有效值为：IVT13Id19.49（A）流过二极管 VD3、VD4 的电流有效值为：IVD23Id27.56（A）7. 在三相半波整流电路中，如果 a 相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流电压 ud 的波形。解：假设á = 0° ，当负载为电阻时，ud 的波形如下：8PDF created with pdfFactory Pro trial version udOudOáuauaububucucù tù t当负载为电感时，ud 的波形如下：udOudOuauaububucucù tù t8三相半波整流电路，可以将整流变压器的二次绕组分为两段成为曲折接法，每段的电动势相同，其分段布置及其矢量如图 2-60 所示，此时线圈的绕组增加了一些，铜的用料约增加 10%，问变压器铁心是否被直流磁化，为什么？ABCCNnBNAa1b1c1c2c1a2b2c2a2nb1a1b2图 2-60变压器二次绕组的曲折接法及其矢量图答：变压器铁心不会被直流磁化。原因如下：变压器二次绕组在一个周期内：当 a1c2 对应的晶闸管导通时，a1 的电流向下流，c2 的电流向上流；当 c1b2 对应的晶闸管导通时，c1 的电流向下流，b2 的电流向上流；当 b1a2 对应的晶闸管导通时，b1 的电流向下流，a2 的电流向上流；就变压器的一次绕组而言，每一周期中有两段时间（各为 120°）由电流流过，流过的电流大小相等而方向相反，故一周期9PDF created with pdfFactory Pro trial version 内流过的电流平均值为零，所以变压器铁心不会被直流磁化。9三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a、b 两相的自然换相点是同一点吗？如果不是，它们在相位上差多少度？答：三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a、b 两相之间换相的的自然换相点不是同一点。它们在相位上相差 180°。10有两组三相半波可控整流电路，一组是共阴极接法，一组是共阳极接法，如果它们的触发角都是á，那末共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲对同一相来说，例如都是 a 相，在相位上差多少度？答：相差 180°。11三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5，L 值极大，当á=60°时，要求： 画出 ud、id 和 iVT1 的波形； 计算 Ud、Id、IdT 和 IVT。解：ud、id 和 iVT1 的波形如下图：u2Oá =30uaubucùtudOáuaubucùtiVT1OidOùtùtUd、Id、IdT 和 IVT 分别如下Ud1.17U2cosá1.17×100×cos60°58.5（V）IdUdR58.5511.7（A）IdVTId311.733.9（A）IVTId 3 6.755（A）12在三相桥式全控整流电路中，电阻负载，如果有一个晶闸管不能导通，此时的整10PDF created with pdfFactory Pro trial version °流电压 ud 波形如何？如果有一个晶闸管被击穿而短路，其他晶闸管受什么影响？答：假设 VT1 不能导通，整流电压 ud 波形如下：udOùt假设 VT1 被击穿而短路，则当晶闸管 VT3 或 VT5 导通时，将发生电源相间短路，使得VT3、VT5 也可能分别被击穿。13三相桥式全控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5，L 值极大，当á=60°时，要求： 画出 ud、id 和 iVT1 的波形； 计算 Ud、Id、IdT 和 IVT。解：ud、id 和 iVT1 的波形如下：á = 60°u2 uaubucOùt1ùtudOidOiVT1O uab uac ubc uba uca ucb uab uacùtùtùtUd、Id、IdT 和 IVT 分别如下Ud2.34U2cosá2.34×100×cos60°117（V）IdUdR117523.4（A）IDVTId323.437.8（A）IVTId 3 23.4 3 13.51（A）11PDF created with pdfFactory Pro trial version 14单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1，L=，E=40V，U2=100V，LB=0.5mH，当á=60°时求 Ud、Id 与ã 的数值，并画出整流电压 ud 的波形。解：考虑 LB 时，有：Ud0.9U2cosUdUd2XBIdId（UdE）R解方程组得：Ud（R 0.9U2cos2XBE）（R2XB）44.55（V）Ud0.455（V）Id4.55（A）又cosá cos(á + ã ) 2 I d X B U2即得出cos(60° + ã ) =0.4798换流重叠角ã 61.33° 60°=1.33°最后，作出整流电压 Ud 的波形如下：u2OudãùtOáùt15三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，U2=100V，R=1，L=，LB=1mH，求当á=30°时、E=50V 时 Ud、Id、ã 的值并作出 ud 与 iVT1 和 iVT2 的波形。解：考虑 LB 时，有：Ud1.17U2cosUdUd3XBId2Id（UdE）R解方程组得：Ud（R 1.17U2cos3XBE）（2R3XB）94.63（V）Ud6.7（V）Id44.63（A）又12PDF created with pdfFactory Pro trial version cosá cos(á + ã ) 2 I d X B 6 U2即得出cos(30° + ã ) =0.752换流重叠角ã 41.28° 30°=11.28°ud、iVT1 和 iVT2 的波形如下：u2uaubucOudáuaubucOiVT1IdùtOiVT2OããIdùtùt16三相桥式不可控整流电路，阻感负载，R=5，L=，U2=220V，XB=0.3，求Ud、Id、IVD、I2 和ã 的值并作出 ud、iVD 和 i2 的波形。解：三相桥式不可控整流电路相当于三相桥式可控整流电路0°时的情况。Ud2.34U2cosUdUd3XBIdIdUdR解方程组得：Ud2.34U2cos（13XB/R）486.9（V）Id97.38（A）又cosá cos(á + ã ) 2 I d X B 6 U2即得出cosã =0.892换流重叠角ã 26.93°13PDF created with pdfFactory Pro trial version 二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为IVDId397.38332.46（A）ud、iVD1 和 i2a 的波形如下：I2a23Id79.51（A）u2O ùt1uaubucùtudOiVD1 uab uac ubc uba uca ucb uab uacIdùtOi2aOIdùtùt17三相全控桥，反电动势阻感负载，E=200V，R=1，L=，U2=220V，á=60°，当LB=0 和LB=1mH 情况下分别求 Ud、Id 的值，后者还应求ã 并分别作出 ud 与 iT 的波形。解：当 LB0 时：Ud2.34U2cos2.34×220×cos60°257.4（V）Id（UdE）R（257.4200）157.4（A）当 LB1mH 时Ud2.34U2cosUdUd3XBIdId（UdE）R解方程组得：Ud（2.34U2R cos3XBE）（R3XB）244.15（V）Id44.15（A）Ud13.25（V）又 cosá cos(á + ã ) 2XBId 6 U2cos(60° + ã ) 0.448563.35°60°3.35°14PDF created with pdfFactory Pro trial version ud、IVT1 和 IVT2 的波形如下：u2OuaubucùtudOiVT1OiVT2O uab uacId ubc uba uca ucb uab uacIdùtùtùt18单相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有哪些次数的谐波？其中幅值最大的是哪一次？变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波？其中主要的是哪几次？答：单相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有 2k（k=1、2、3）次谐波，其中幅值最大的是 2 次谐波。变压器二次侧电流中含有 2k1（k1、2、3）次即奇次谐波，其中主要的有 3 次、5 次谐波。19三相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有哪些次数的谐波？其中幅值最大的是哪一次？变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波？其中主要的是哪几次？答：三相桥式全控整流电路的整流输出电压中含有 6k（k1、2、3）次的谐波，其中幅值最大的是 6 次谐波。变压器二次侧电流中含有 6k±1(k=1、2、3)次的谐波，其中主要的是 5、7 次谐波。20试计算第 3 题中 i2 的 3、5、7 次谐波分量的有效值 I23、I25、I27。解：在第 3 题中已知电路为单相全控桥，其输出电流平均值为Id38.99（A）于是可得：I232 2 Id32 2 ×38.99311.7（A）I252 2 Id52 2 ×38.9957.02（A）I272 2 Id72 2 ×38.9975.01（A）15PDF created with pdfFactory Pro trial version 21试计算第 13 题中 i2 的 5、7 次谐波分量的有效值 I25、I27。解：第 13 题中，电路为三相桥式全控整流电路，且已知Id23.4（A）由此可计算出 5 次和 7 次谐波分量的有效值为：I25 6 Id5 6 ×23.453.65（A）I27 6 Id7 6 ×23.472.61（A）22试分别计算第 3 题和第 13 题电路的输入功率因数。解：第 3 题中基波电流的有效值为：I12 2 Id2 2 ×38.9935.1（A）基波因数为íI1II1Id35.138.990.9电路的输入功率因数为：ëí cosá 0.9 cos30°0.78第 13 题中基波电流的有效值：I1 6 Id 6 ×23.3918.243（A）基波因数为íI1II1Id0.955电路的输入功率因数为：ëí cosá 0.955 cos60°0.4823带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有何主要异同？答：带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有以下异同点：三相桥式电路是两组三相半波电路串联，而双反星形电路是两组三相半波电路并联，且后者需要用平衡电抗器；当变压器二次电压有效值 U2 相等时，双反星形电路的整流电压平均值 Ud 是三相桥式电路的 1/2，而整流电流平均值 Id 是三相桥式电路的 2 倍。在两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系是一样的，整流电压 ud 和整流电流 id 的波形形状一样。24整流电路多重化的主要目的是什么？答：整流电路多重化的目的主要包括两个方面，一是可以使装置总体的功率容量大，二是能够减少整流装置所产生的谐波和无功功率对电网的干扰。16PDF created with pdfFactory Pro trial version 2512 脉波、24 脉波整流电路的整流输出电压和交流输入电流中各含哪些次数的谐波？答：12 脉波电路整流电路的交流输入电流中含有 11 次、13 次、23 次、25 次等即 12k±1、（k=1，2，3···）次谐波，整流输出电压中含有 12、24 等即 12k（k=1，2，3···）次谐波。24 脉波整流电路的交流输入电流中含有 23 次、25 次、47 次、49 次等，即 24k±1（k=1，2，3···）次谐波，