电力电子学期末试题
河北科技师范学院
2006-2007学年1学期电气工程专业本科04《电力电子学》期末试卷A卷答案
一、简答题（本大题共5小题，共35分）
1、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？（5分）
答；维持晶闸管导通，要求：
导通期间，如果门极电流为零，阳极电流需大于维持电流。晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，电流大于能维持导通所需的擎住电流。（2.5分）
要使晶闸管由导通变为关断，可采用的方法是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维持电流以下。（2.5分）2、图1所示为GTR的一种驱动电路，试给出二极管VD2的作用原理。（5分）
答：二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成贝
克嵌位电路，可使GTR导通时处于临界饱和状
态。（2分）
当负载轻时，如果V5的发射极电流全部注入V，
会使V过饱和，关断时退饱和时间延长。（1分）
有了贝克嵌位电路以后，当V过饱和使得集电
极电位低于基极电位时，VD2就会自动导通，使
多余的驱动电流流入集电极，维持o
U bc≈。这
样，就使得V导通时始终处于临界饱和。（2分）
3、单相全控桥式整流电路，其整流输出的电压中含有哪些次数的谐波？其中幅值最大的是哪一次？变压器二次电流中含有哪些次数的谐波？其中主要的是哪几次？（5分）
答：单相全控桥式整流电路，其整流输出的电压中含有()???
=,
,
,3
2
1
2k
k次谐波，其中幅值最大的是2次谐波。（2.5分）单相全控桥式整流电路，变压器二次电流中含有???
=
+
=,
,
,
,3
2
1
1
2k
k
n次数的谐波，其中主要的是3、5、7次。（2.5分）4、交流电力电子开关和机械开关相比有何优点和缺点。（5分）
答：和机械开关相比，交流电力电子开关开关响应速度快，没有触点，寿命长，可以频繁控制通断。（4分）
控制线路较复杂；其缺点是关断时没有明显的回路断开点，必须与机械式隔离开关串联使用才能保证回路检修时的电气安全。（1分）5、电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流性逆变电路中没有反馈二极管？（5分）
图1 GTR驱动电路
答：电压型逆变电路当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功的作用，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联反馈二极管。
（2.5分）
电流型逆变电路当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样给开关器件反并联二极管。 （2.5分）
6、什么是SPWM 波形的自然采样法？绘图说明什么是SPWM 波形的规则采样法？和自然采样法相比，规则采样法有什么优缺点？（6分）
答：按照SPWM 控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交
点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成SPWM 波形的方法
称为自然采样法。（2分）
规则采样法取三角波两个正峰值之间为一个采样周期，如图所
示，在三角波的负峰值时刻对正弦信号波采样而得到D 点，过
D 点作一水平线和三角波分别交于A 点和B 点，在A 点时刻和
B 时刻控制开关器件的通断。得到的脉冲宽度和自然采样法得
到的脉冲宽度非常接近。（2分）
和自然采样法相比，规则采样法是一种应用较广的工程实用方
法，其效果接近于自然采样法，但计算量却比自然采样法小得
多。缺点是波形不如SPWM 波形样很接近正弦波。 （1分）
7、试说明图2所示利用可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流变流电路带交流电动机负载时的工作原理？（4分）
答：当负载回馈能量时，中间直流电压升高，使不
可控整流电路停止工作（2分），可控变流器工作于
有源逆变状态，中间直流电压极性不变，而电流反
向，通过可控变流器将电能反馈回电网（2分）。
二、（17分）三相桥式全控整流电路，三相交流电源变压器二次星形联结，相电压V U 2202=，带阻感负载，,,∞=Ω=L R 10当060=α时要求：1）在图3中画出直流电压d u 、直流电流d i 、晶闸管VT1电压1VT u 和电流1VT i 的波形；2）计算直流电压d U 、电流d I 、晶闸管电流平均值dVT I 和有效值VT I 、变压器二次电流有效值2I 、交流侧功率因数λ。
解：1）见图3，d u （3分）、d i （1分）、1VT u （3分）、1VT i （2分）；
2）直流电压平均值：V U U d 42576022034234202.cos .cos .=??==α（1分） 直流电流平均值：A R U I d d 742510
4257..===（1分）
图2 利用可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流变流电路
SPWM 波形的规则采样法（1分）
晶闸管电流有效值：A I I d VT 8514742557703
1
...=?==（1分） 晶闸管电流平均值：A I I d dVT 85874253
131..=?==（1分） 变压器二次电流有效值：A I I d VT 2174258160
32=?==..（1分） 三相桥式全控整流电路大电感负载，基波因数：9550.≈=π
ν（1分） 位移因数：5060011.cos cos cos ====α?λ（1分）
功率因数：477505095501...=?==νλλ（1分）
三、（10分）三相全控桥变流器，反电动势阻感负载，,,∞=Ω=l R 2，三相交流电源线电压V U L 2202=，交流侧漏电感,mH L B 1=当负载电动势,V E M 300-=逆变角060=β时求直流电压d U 、电流d I 与换相重叠γ的值，此时送回电网的有功功率P 是多少？
解：交流侧漏抗：Ω=??===-314010131423.fL L X B πω（0.5分）
触发角：00120180=-=βα（0.5分）
输出电压：d d B
d d I I X U U U 30614831203220
34234202..cos .cos .--=-?=?-=πα（2分）
直流输出电流A I R E U I d M d d 83652300306148...=+--=-=（2分） V I U
d d 341688365306148306148......-=?--=--=（1分）
换相重叠角：()13290220
2836531402622...cos cos =???==+-U I X d
B γαα039.=γ（2分） 送回电网有功功率：W I U P d d 11082836534168=?=-=..（2分）
四、（8分）图4所示升压斩波电路中，已知L V E ,60=和C 值极大，Ω=20R ，采用脉宽调制控制方式，当s t s T on μμ3040==,时，计算输出电压平均值0U 、和输出电流平均值0I 。
解：占空比：75040
30.===T t on α（2分） 电流连续，输出电压平均值：
V E U 2406075
011110=?-=-=.α（3分） 输出电流平均值：
A R U I 1220
24000===（3分） 五、（10分）试推导图5所示Zeta 斩波电路输入电压和输出电压关系。
解：当V 处于通态时，E-V-L 1回路和E-V-C 1-L 2-R
回路导通：E U A =（2分）
当V 处于断态时，L 1-C1-VD 回路和L 2-R-VD 回路导
通：1C A U U -=。 （2分）
电感、电容不消耗能量，一周期内电感电压平均值
为零，所以一周期内：
A 点平均电压0=A U 。 （2分） 电容C 1平均电压01U U C =（2分）
而()0101=--=-=U E U T t E T t U C off on A αα 从而E U α
α-=10（2分）
六、（10分）一单相交流调压器，电源为工频V Hz 25050,，阻感串联作为负载，其中mH L R 21=Ω=,。试求：1）开通角α的变化范围；2）负载电流的最大有效值；3）最大输出功率及此时电源侧的功率因数；4）当3πα=时，晶闸管电流有效值、晶闸管导通角（查图4-3曲线图）和电源侧功率因数；
解：1）阻抗角03
133********.arctan arctan =??==-R L
ω?（1分） 开通角α的移相范围为001801332<<α.（1分）
2）当?α=时，输出电流连续，输出电压取得最大输出有效值V U U 25010==max （1分） 负载阻抗：()()Ω=?+=+=181100203141222..L R Z ω
输出电流取得最大有效值：A Z U I 7211181
125000..max max ===
（1分） 3）当?α=时，负载电流连续， 图4 升压斩波电路 图5 Zeta 斩波电路
输出功率取得最大有效值：W R I P 4481717211220=?==.max max （1分）
电源侧功率因数：847013320..cos cos cos ====α?λ （1分）
4）当3πα=时，由于01332.=?，查表的0140=θ（1分） ()()
A
Z U I VT 5965279077780458413321401332120140180140181122502200
0001.....cos .cos sin .cos cos sin =+?=++-??=++-=
ππ?θ?αθθπ（1分） A I I VT 5136596220..=?==
54605
1362501513620120...=??===I U R I S P λ（2分）
七、（10分）三相桥式电压型逆变电路，0180导电方式，V U d 200=。试求输出相电压的基波幅值m UN U 1和有效值1UN U 、输出线电压的基波幅值m UV U 1和有效值1UV U 、输出线电压中5次谐波的有效值5UV U 和7次谐波的有效值7UV U 。
解：输出相电压的基波幅值：V U U d m UN 3127200221.=?==
ππ（1.5分） 输出相电压的基波有效值：V U U m UN UN 9023127211===
.（1.5分） 输出线电压的基波幅值：V U U d m UV 522020032321.=??==
ππ（1.5分） 输出线电压的基波有效值：V U U m UV UV 91552
5
220211..===（1.5分）
输出线电压的5次谐波有效值：V n U U U d m UV UV 2315220032232255.=??=?==π
π（2分） 输出线电压的7次谐波有效值：V n U U U d m UV UV 3227220032232255.=??=?==π
π（2分）
河北科技师范学院
2006-2007学年1学期电气工程专业本科04《电力电子学》期末试卷B 卷答案
一、简答题（本大题共5小题，共35分）
1、使晶闸管导通的条件是什么？（5分）
答、晶闸管阳极和阴极间承受正向电压， （2.5分） 门极与阴极间有足够的触发电流。 （2.5分）
2、单相桥式全控整流电路、三相桥式全控整流电路中，当负载分别为纯电阻负载或大电感负载时，晶闸管的α角移相范围分别是多少？（6分）
答：单相桥式全控整流电路纯电阻负载，晶闸管的α角移相范围是001800-；（1.5分） 单相桥式全控整流电路大电感负载，晶闸管的α角移相范围是00900-；（1.5分） 三相桥式全控整流电路纯电阻负载，晶闸管的α角移相范围是001200-；（1.5分） 三相桥式全控整流电路大电感负载，晶闸管的α角移相范围是00900-；（1.5分）
3、无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？（4分）
答：有源逆变电路交流侧接有交流电源； （2分） 无源逆变电路交流侧直接和负载连接； （2分）
4、使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么？（4分）
答：变流器工作于有源逆变状态的条件是：
1）要有直流电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流电路直流侧的平均电压。 （2分）
2）要求晶闸管的控制角2πα>，使d U 为负值。 （2分）
5、什么是交流电力控制电路？交流调压电路和交流调功电路有何区别？各用于什么样的负载？（5分）
答：把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流电力，这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。 （1分） 在每个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。 （1分） 交流调压电路广泛用于灯光控制、异步电机软启动、异步电机调速、供电系统中无功功率的调节，在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。 （1分） 以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断态周期数的比，可以方便地调节输出功率的平均值，这种电路称为交流调功电路。 （1分） 交流调功电路常用于电炉的温度控制。 （1分）
6、换流方式有哪些？各有什么特点？（6分）
答：换流方式有：
1）器件换流。特点是利用全控性器件的自关断能力进行换流。 （1.5分）
2）电网换流。特点是由电网提供换流电压，借助于电网电压实现换流，换流时把负的电网电压施加在欲关断的管上使其关断。 （1.5分）
3）负载换流。特点是由负载提供换流电压，负载电流的相位超前于负载电压，负载为电容性
负载。 （1.5分）
4）强迫换流。特点是设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流使其关断，强迫换流通常利用附加电容上所储存的能量来实现。 （1.5分）
7、何为双PWM 电路？其优、缺点是什么？（5分）
答：整流电路和逆变电路都采用PWM 控制的间接交流变流电路，简称为双PWM 电路。（2分） 优点：1）通过对整流电路进行PWM 控制，可以使输入电流为正弦波并且与电源电压同相位，因而输入功率因数为1，并且中间直流电路的电压可以调节。 （1分）
2）当负载为电动机时，电动机可以运行在电动运行状态，也可以工作在再生制动状态。改变输出交流的相序即可使电动机正传或反转。 （1分） 缺点：由于整流电路和逆变电路均为PWM 控制且需要采用全控型器件，所以控制复杂，成本也偏高，实际应用还不多。 （1分）
二、（17分）三相半波可控整流电路，V U 1002=，带阻感负载，∞=Ω=L R ,20，当060=α时，要求：1）在图1中画出直流电压d u 、直流电流d i 、晶闸管VT1电压1VT u 和电流1VT i 的波形；2）计算直流电压d U 、电流d I 、晶闸管电流平均值dVT I 和有效值VT I 、变压器二次电流有效值2I 。
解：1）见图1d u （3分）、d i （1.5分）、1VT u （3分）、1VT i （2分）；
2）直流电压平均值：V U U d 5586010017117102.cos .cos .=??==α（1.5分） 直流电流平均值：A R U I d d 925220
558..===（1.5分） 晶闸管电流有效值：A I I d VT 691925257703
1...=?==（1.5分） 晶闸管电流平均值：A I I d dVT 975092523
131..=?==（1.5分） 变压器二次电流有效值：A I I d 69.1925.23
1312=?==（1.5分）
三、（源相电压V U 2202=，060=α，交流侧漏电感,mH L B 1=求直流电压d U 、电流d I 与换相重叠γ的值和交流侧输入的有功功率P 。
解：交流侧漏抗：Ω=??===-314010131423.fL L X B πω（1分）
直流输出电压：d d B d d I I X U U U 30425736022034234202..cos .cos .-=-?=?-=π
α（2分） 直流输出电流A I R E U I d d d 7462
150304257...=--=-=（2分） V I U d d 4243746304257304257......=?-=-=（1分）
换相重叠角：()054420220
674631402622...cos cos =???==+-U I X d
B γαα0543.=γ（2分）
交流输入有功功率：W I U P d d 113677464243=?==..（2分）
四、（8分）图2所示的降压斩波电路中，已知L R V E ,,Ω==15250值极大，V E M 40=。采用脉宽调制控制方式，当s t s T on μμ2050==,时，计算输出电压平均值0U 、和输出电流平均值0I 。
解：占空比：4050
20.===T t on α（2分） 电流连续，所以负载电压平均值：
V E U 100250400=?==.α（3分）
输出电流平均值：
A R E U I M 415
4010000=-=-=（3分） 图2 降压斩波电路
五、（10分）试推导图3所示Sepic 斩波电路输入电压和输出电压关系。
解：当V 处于通态时，E-L 1-V 回路和L 2-C 1-V 回
路导通：1C A U U -= （2分）
当V 处于断态时，E-L 1-C1-VD-负载回路和L 2-VD-
负载回路导通：0U U A =。 （2分）
电感不消耗能量，一周期内电感电压平均值为
零，所以一周期内：
A 点平均电压0=A U 。 （2分）
电容C 1平均电压E U C =1 （2分） 而()()01001=-+-=+-=U E U T t U T t U off C on A αα，从而E U α
α-=10 （2分）
六、（10分）一单相交流调压器，电源为工频V Hz 20050,，阻感串联作为负载，其中mH L R 150=Ω=,.。试求：1）开通角α的变化范围；2）附在电流的最大有效值；3）最大输出功率及此时电源侧的功率因数；4）当3πα=时，晶闸管电流有效值、晶闸管导通角（查图4-3曲线图）和电源侧功率因数；
解：1）阻抗角03
133250101314..arctan arctan =??==-R L
ω? （1分） 开通角α的移相范围为001801332<<α. （1分）
2）当?α=时，输出电流连续，输出电压取得最大输出有效值V U U 20010==max （1分） 负载阻抗：()()Ω=?+=+=590400010314502222...L R Z ω
输出电流取得最大有效值：A Z U I 83385904
020000..max max ===
（1分） 3）当?α=时，负载电流连续，
电源侧功率因数：847013320..cos cos cos ====α?λ （1分） 输出功率取得最大有效值：kW I U P 5.57847.08.338200max 0max 0max =??==λ （1分）
4）当3πα=时，由于01332.=?，查表的0140=θ （1分）
（1分） ()()
A
Z U I VT 4154527907778014135133214013321201401801405904022002200
0001.....cos .cos sin .cos cos sin =+?=++-??=++-=ππ?θ?αθθπ （1分） A I I VT 42184154220..=?
==
图3 Sepic 斩波电路
()[]()[]V U U 184280120120143118014020022210001
0=+-+?=+-+=sin sin .sin sin θααππθ
54604
21820050421820120....=??===I U R I S P λ （2分） 七、（10分）三相桥式电压型逆变电路，0180导电方式，V U d 150=。试求输出相电压的基波幅值m UN U 1和有效值1UN U 、输出线电压的基波幅值m UV U 1和有效值1UV U 、输出线电压中5次和7次谐波的有效值5UV U 和7UV U 。
解：输出相电压的基波幅值：V U U d m UN 595150221.=?==
ππ （1.5分） 输出相电压的基波有效值：V U U m UN UN 5672595211..===
（1.5分） 输出线电压的基波幅值：V U U d m UV 416515032321.=??==
ππ （1.5分） 输出线电压的基波有效值：V U U m UV UV 1172
4
165211===. （1.5分） 输出线电压的5次谐波有效值：V n U U U d m UV UV 4235215032232255.=??=?==π
π （2分） 输出线电压的7次谐波有效值：V n U U U d m UV UV 7167215032232255.=??=?==ππ （2分）