电力电子技术离线作业答案

浙江大学远程教育学院

《电力电子技术》课程作业

姓名：

应晓兵 学 号： 715236202001 年级： 15春 学习中心： 建德学习中心 —————————————————————————————

第1章

1．把一个晶闸管与灯泡串联，加上交流电压，如图1-37所示

图 1-37 问：（1）开关S 闭合前灯泡亮不亮？（2）开关S 闭合后灯泡亮不亮？（3）开关S 闭合一段时间后再打开，断开开关后灯泡亮不亮？原因是什么？

答：（1）不亮；（2）亮；（3）不亮，出现电压负半周后晶闸管关断。

2．在夏天工作正常的晶闸管装置到冬天变得不可靠，可能是什么现象和原因？冬天工作正常到夏天变得不可靠又可能是什么现象和原因？

答：晶闸管的门极参数IGT 、UGT 受温度影响，温度升高时，两者会降低，温度升高时，两者会升高，故会引起题中所述现象。

3．型号为KP100-3，维持电流I H ＝4mA 的晶闸管，使用在如图1-38电路中是否合理？为什么？（分析时不考虑电压、电流裕量）

(a) (b) (c)

图 1-38 习题5图

答：（a ）

故不能维持导通

mA I mA A I H d 42002.010501003

=<==?=

R TM U V U >==3112220(b)

而

即晶闸管的最大反向电压超过了其额定电压，故不能正常工作

（c ）

I d =160/1=160A>I H

I T =I d =160A<1.57×100=157A

故能正常工作

4．什么是IGBT 的擎住现象？使用中如何避免？

答：IGBT 由于寄生晶闸管的影响，可能是集电极电流过大（静态擎住效应），也可能是duce/dt 过大（动态擎住效应），会产生不可控的擎住效应。实际应用中应使IGBT 的漏极电流不超过额定电流，或增加控制极上所接电阻RG 的数值，减小关断时的duce/dt ，以避免出现擎住现象。 H d I A I I I >====

9.957.1/...56.15210220

22

第2章

1．出图2-57中①～⑨各保护元件及VD F 、Ｌd 的名称及作用。（LJ 为过流继电器）

图2-57 三相桥式整流电路的保护

答：（1）交流进线电抗器 限流、限du/dt 和di/dt

（2）压敏电阻 过压保护

（3）交流侧阻容保护 过压保护

（4）桥臂电感 限du/dt (由元件换流引起）、di/dt

（5）快熔 过流保护

（6）过压保护电容 限制关断过电压对元件的损害

（7）抑振电阻 防止L 、C 振荡，限制电容放电电流

（8）直流侧压敏电阻 直流侧过压保护

（9）过流继电器 过流时，继电器开路，保护主电路

（10）VDF 续流二极管 为负载电路提供通路，过压保护

（11）Ld 平波电抗器 防止直流电流波动（断流）

2．GTR 、IGBT 等过流保护中，为何要采用检测集射极电压作为保护基准？

答：

1. 如以测量集电极电流I c 为过流保护原则，当I cg 测量误差为

c I ?，则保护电路将在集电极电流为I cg +c I ?时才动作，但此时工作点已经移至线性放大区，到元件关断时已出现高损耗，导致GTR 损坏。

2. 如以测量集射极电压U ce 作为过流保护原则，在相同的相对测量误差下，GTR 工作

点移动较小，元件关断时功耗只略有增加，可保证器件安全。

3. 设基极电流I b 减小Ib ?，当采用电流I c 测量的保护方式时，GTR 关断时工作点已

经进入线性放大区；当采用电压U ce 测量保护时，GTR 关断时工作点仍在饱和区，确保器件安全。

3．GTR、P-MOSFET、IGBT吸收电路的基本结构如何？其减少被保护器件开关损耗的机理如何？

答：缓冲电路的功能包括抑制和吸收二个方面。下图为电路的基本结构。

关断过程：C s与GTR集射极并联，利用C s两端电压不同突变的原理延缓关断时集射极间电压U ce上升的速度，使U ce达最大值之前集电极电流I c已变小，从而使关断过程瞬时功耗变小。R是限制GTR导通时电容的放电电流。

开通过程：L s与GTR串联，延缓了集电极电流的增长速度，且当电流急剧增大时会在其上产生较大压降，使得集射极电压在导通时迅速下降。这样电压、电流出现最大值的时间错开，关断时功耗明显减小。

第3章

1、某电阻负载要求（0～24）V 直流电压，最大负载电流I d ＝30A ，采用单相半波可控整流电路。如交流采用220V 直接供电与用变压器降至60V 供电是否都满足要求？试比较两种方案的晶闸管导通角、额定电压、额定电流、整流电路功率因数以及对电源要求的容量。

答：(1) 220V 供电

21c o s 0.45,2

d U U +Φ= 1cos 240.452202

α+=?? 121α=

18059θα?=-=

23084.1()d I A =

== 2()(1.52)80.35107.13()1.57

T AV I I A ==→～

220311()TM U V ==

(23)622.3933.4()R TM U U V ==→～

cos 0.3105Φ=== 12222084.118502()18.5()S U I VA KVA ==?==

（2）60V 供电

1cos 240.45602

α+=?? 38.9α=

180141.1θα?=-=

23051.37()d I A ===

2()(1.52)49.164.4()1.57

T AV I I A ==→～

6084.85()TM U V ==

(23)169.7254.6()R TM U U V ==→～

cos 0.685Φ=== 1226051.373082() 3.082()S U I VA KVA ==?==

2、单相桥式可控整流电路，带电阻—大电感负载，R d ＝4Ω，变压器次级电压有效值U 2＝220V 。试计算当控制角α＝60°时，直流电压、电流平均值。如果负载两端并接一续流二极管，其直流电压、电流平均值又是多少？并求此时流过晶闸管和续流二极管的电流平均值、有效值，画出两种情况下的输出电压、电流波形。

答：（1）无续流二极管

U d = 0.9U 2cos α= 0.9×220×cos60o = 99 V

I d = U d /R d = 99/4 =24.75 A

(2) 有续流二极管

V U U d 5.1482

60cos 12209.02cos 19.02=+??=+=

α I d = U d /R d =37.125 A

A I I d dT 33.1237360

601802=?-=-=παπ A I I d T 34.2137360601802=?-=-=

παπ A I I d dT 33.1237180

6022=?==πα A I I d T 34.2137180

6022=?==

πα

3、三相半波可控整流电路，大电感负载，U 2＝220V ，R d ＝10Ω，求α＝45°时直流平均

电压U d ，晶闸管电流平均值及有效值，并画出输出直流电压u d 及晶闸管电流i T 波形。

答：U d = 1.17U 2cos α ＝ 1.17×220×cos45o = 182 V

I d = U d /R d = 182/10 = 18.2 A

I dT = I d /3 = 18.2/3 = 6.1 A

T 10.5A I ===

4、上题如负载两端并接续流二极管，此时直流平均电压U d 及直流平均电流I d 多少？晶闸管及续流二极管的电流平均值及有效值各多少？并画出输出直流电压u d ，晶闸管及续流二极管电流波形。 答：V U U d 9.186)]4530cos(1[220675.0)]6cos(1[675.02=++??=++= απ

A R U I d

d d 69.18==

A I I I d d dT 45.536045150360150=-=-= α A I I d T 1.10360

150=-= α A I I d dDF 34.2360

)30(3=-=α A I I d DF 6.6360

)30(3=-=α

5、三相桥式全控整流电路对电阻—电感—反电势负载供电。E ＝200V ，R d ＝1Ω，L d 数值很大，U 2＝220V ，α＝60°，当(1) L B ＝0；（2）L B ＝1mH 时，分别求U d 、I d 和换流重叠角μ。

答：（1）22.34cos 2.34220cos 60257.5()2B d d mX U U I V απ

=-=??= /257.5/157.5()d d d I U R A ===

0μ=

（2）33

257.5257.510314257.50.3d d d d U U I I π-=-?=-??=-

200d d d d U E I R U I -=?=+

257.520044.23()1.3

d I A -== 200244.23()d d d U I R V =+=

3cos cos()0.0515sin d B

d I X m ααμπ--+=== cos(60)0.50.0515μ+=-

63.3660 3.36μ=-=

6、三相半波可控整流电路带电阻性负载，a 相晶闸管VT 1触发脉冲丢失，试画出α＝15°及α＝60°时的直流电压u d 波形，并画出α＝60°时b 相VT 2管两端的电压u T2波形。

答：

7、图3-39中的两个电路，一个工作在整流—电动机状态，另一个工作在逆变—发电机状态。试求

(1) 画出U d ，E ，i d 的方向；

(2) 说明Ｅ与U d 的大小关系；

(3) 当α与β的最小值均为30°，控制角α的移相范围。

图3-39

答：（1）

整流—电动机 逆变—发电机

（2） U d > E E > U d

（3）30°～150°

8、三相半波逆变电路，U 2＝100V ，E ＝30V ，R d ＝1Ω，L d 足够大，保证电流连续。试求α＝90°时I d ＝？如若β＝60°时，I d ＝？为什么？

答：（1）U d = 1.17U 2cos α = 1.17×220×cos90o = 0 V

A R

U E I d d 30=-= (2) U d = -1.17U 2cos β = 1.17×100×cos60o = -58.5 V

E U d > ，故不满足逆变条件

I d = 0

第4章

1．直流—直流（DC —DC ）变换有哪几种控制方式？它们又是如何具体实现的？ 答：

2．简述Boost-Buck 变换电路与C úk 变换电路的异同点。

答：(1) C úk 变换电路输入电源电流和输出负载电流均连续，脉动小，有利于滤波

(2) C úk 变换电路借助电容传递能量，Boost-Buck 变换电路借助电感传递能量，故C úk 变换电路的电容器C 中的脉动电流大，要求电容量大。

(3) C úk 变换电路VT 导通时要流过电感L 1和L 2的电流，故功率开关的峰值电流大。

(4) Boost-Buck 变换电路与C úk 变换电路功能相同，两者都是升降压变换器。

控制方式有：

（1）时间比控制：

脉宽控制：

斩波频率固定不变，改变导通时间实现。

频率控制：

固定斩波器导通时间，改变斩波周期。

混合控制：

既改变斩波频率，又改变导通时间

（2）瞬时值控制

1．阐述和区分：1）有源逆变和无源逆变；2）逆变与变频；3）交—直—交变频和交—交变频。

答：(1)将直流电逆变成电网频率的恒频率交流并输送给电网的称为有源逆变。将直流电逆变成频率可变的交流电并直接提供给用电负载，称为无源逆变。

(2)只有无源逆变才能实现变频，但无源逆变不等于变频，变频是指将一种频率的交流电转化成另一种频率的交流电的过程

(3)交—直—交变频将一种频率的交流经整流变换成直流，再经无源逆变变换成频率可变的交流。交—交变频是将一种频率的交流电转换成另一种频率的交流电。

2．晶闸管无源逆变器有几种换流方式？负载谐振换流式逆变器和强迫换流式逆变器中的电容器C的作用有何异、同？

答：换流方式有：

（1）电网换流（2）负载谐振式换流（2）强迫换流

强迫换流式逆变器利用电容储能实现晶闸管的强迫关断；负载谐振换流式逆变器则利用负载中电感和电容形成的震荡特性，使电流自动过零。

3．PWM调制有哪些方法？它们各自的出发点是什么？

答：正弦脉宽控制：着眼于如何生成一个变频变压的正弦电压源

电流滞环控制：着眼于如何在负载中生成一个变频变幅值的正弦电流源

电压空间矢量控制：着眼于如何控制三相逆变器的功率开关动作来改变施加在电机上的端电压，使电机内部形成尽可能圆形的磁场。

4．什么是单极性、双极性PWM？什么是同步调制、异步调制、混合同步调制？各有什么优、缺点？

答：单极性调制：半周期内调制波、载波以及输出的SPWM波形都具有单一极性的调制方式。

双极性调制：半周期内，调制波、载波以及输出SPWM波均有正、负极性的电压交替出现的调制方式。

同步调制：载波频率随调制波频率成比例变化，在任何输出频率下保持每半周期内的输出脉冲数不变。

异步调制：在任何时候保持载波频率不变，此时半周期内的输出脉冲在不同输出频率下均不同。

混合（分段）同步调制：综合采用同步调制和异步调制的方法。

同步调制的优点：波形稳定，正负半周完全对称，只含奇次谐波。

缺点：低频时输出电压谐波含量比高频时大的多，低频输出特性不好。

异步调制的优点：可以增加低频输出脉冲，改善输出特性。

缺点：正负半轴的输出波形不能完全对称，会出现偶次谐波，也会影响输出特性。

混合（分段）同步调制综合了以上两种调制方法的优点。

1．交流调压电路用于变压器类负载时，对触发脉冲有何要求？如果正、负半周波形不对称时会导致什么后果？

答：

（1）用于变压器类负载时，触发脉冲要求：πα?≤≤；采用宽度大于60 的宽脉冲或后沿固定、前沿可调、最大宽度可达180 的脉冲列触发。

（2）如果正负半周波形不对称，则输出电流为单向脉冲波，有很大直流分量，会对电机、电源变压器类小电阻、大电感负载带来严重危害，此时应考虑改用宽脉冲触发方式。

2．交—交变频电路最高输出频率与输入频率之间有何约束关系？限制输出频率提高的因素是什么？

答：

一般来讲，构成交交变频电路的两组变流电路的脉波数越多，最高输出频率就越高。当交交变频电路中采用常用的6脉冲波三相桥式整流电路时，最高输出频率不应高于电网频率的1/3~1/2。当电网频率为50Hz 时，交交变频电路输出的上限频率为20Hz 左右。

当输出频率增高时，输出电压一周期所包含的电网电压段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变和由此引起的电流波形畸变以及电动机的转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。