电力电子技术试题__答案

电力电子技术复习题

题型

一. 填空题(每空2分，共20分)

二. 判断题(5小题，每小题2分，共10分)

三. 选择题(5小题，每小题2分，共10分)

四. 简答题(3小题，每小题10分，共30分)

五. 分析题(15分)

电路分析，电压电流波形，整流电路+续流二极管/二象限斩波电路+直流电机负载

六. 计算（15分）

整流电路电压电流/晶闸管的额定参数计算

总成绩: 平时(作业+练习+考勤)15%+实验(考勤+报告)15%+期终70% .

复习题

一，填空/判断/选择

1, 电力电子器件一般工作在_开关_状态。

2, 在通常情况下，电力电子器件功率损耗主要有_通态损耗_，而当器件开关频率较高时，功率损耗主要为开关损耗。

3, 电力二极管的主要类型有普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管。

4, 肖特基二极管的开关损耗明显低于快恢复二极管的开关损耗。

5, 晶闸管的基本工作特性可概括为门极正向有触发则导通、反向截止。

6, 对同一晶闸管，维持电流I H与擎住电流I L在数值大小上的关系是IL约为IH的2–4倍。

7, 晶闸管断态不重复电压U DRM与转折电压U bo数值大小上的关系是U DRM

8, 功率晶体管缓冲保护电路中的二极管要求采用快恢复型二极管，以便与功率晶体管的开关时间相配合。

9, 在如下器件：电力二极管（Power Diode）、晶闸管（SCR）、门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应管（电力MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）中，属于不可控器件的是_电力二极管，属于半控型器件的是_晶闸管，属于全控型器件的是GTO, GTR , 电力, MOSFET, IGBT；属于单极型电力电子器件的有电力MOSFET ，属于双极型器件的有_电力二极管、晶闸管、GTO GTR，属于复合型电力电子器件得有IGBT ；在可控的器件中，容量最大的是晶闸管，工作频率最高的是电力MOSFET ，属于电压驱动的是电力MOSFET 、IGBT，属于电流驱动的是晶闸

管、GTO 、GTR。

电阻负载的特点是电压和电流成正比且波形相同，在单相半波可控整流电阻性负载电路中，晶闸管控制角α的最大移相范围是0-180°。

10, 阻感负载的特点是_流过电感的电流不能突变，在单相半波可控整流带阻感负载并联续流二极管的电路中，晶闸管控制角α的最大移相范围是0-180°，其承受的最大正反向电压均为√2U2 ，续流二极管承受的最大反向电压为_√2U2_（设U2为相电压有效值）。

11, 单相桥式全控整流电路中，带纯电阻负载时，α角移相范围为0-180°，单个晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压分别为√2U2/2和_√2U2_；带阻感负载时，α角移相范围为0-90，单个晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压分别为_√2U2_和_√2U2_；带反电动势负载时，欲使电阻上的电流不出现断续现象，可在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。

12, 电阻性负载三相半波可控整流电路中，晶闸管所承受的最大正向电压U Fm等于_√2U2__，晶闸管控制角α的最大移相范围是_0-150°，使负载电流连续的条件为_a<=30°_(U2为相电压有效值)。13, 逆变电路中，当交流侧和电网连结时，这种电路称为有源逆变，欲实现有源逆变，只能采用_全控电路，当控制角_0_ < α < _90°_时，电路工作在_整流_状态；当控制角_90°_< α < _180°_时，电路工作在_逆变_状态。

14, 把直流电变成交流电的电路称为逆变电路，当交流侧有电源时称为_有源电路，当交流侧无电源时称为_无源电路_。

15, 在整流电路中，能够实现有源逆变的有_单相全波_、_三相桥式整流电路_等（可控整流电路均可），其工作在有源逆变状态的条件是_有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧平均电压_和_晶闸管的控制角a > 90°，使输出平均电压Ud 为负值_。

16, 直流斩波电路完成的是直流到_直流_的变换。

17, 直流斩波电路中最基本的两种电路是_降压斩波电路 _和_升压斩波电路_。

17, 斩波电路有三种控制方式：脉冲宽度调制（PWM）、_频率调制_和_（ton和T都可调，改变占空比）混合型_。

18, 斩波电路用于拖动直流电动机时，降压斩波电路能使电动机工作于第_1_象限，升压斩波电路能使电动机工作于第_2_象限，_电流可逆斩波_电路能使电动机工作于第1和第2象限。

19, 改变频率的电路称为_变频电路_，变频电路有交交变频电路和_矩阵式变频_电路两种形式，前者又称为_周波变流器_，后者也称为_矩阵交换器_。

20, 单相调压电路带电阻负载，其导通控制角a的移相范围为0-180°，随a 的增大，Uo_降低_，功率因数_降低_。

21, 把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路称为_交交变频电路_。

22, 换流方式的种类有_器件换流，电网换流，强迫换流，负载换流_。

23, 电力电子主电路与控制电路之间电气隔离的基本方法有_光隔离，磁隔离_。

24, 电力电子器件过电压保护的主要方法有_RC过电压抑制器，反向阻断式RC电路，雪崩二极管，金属氧化物压敏电阻，硒堆，和转折二极管（BOD）。

25, 电力电子器件过电流保护的主要方法有_快速熔断器，直流快速断路器，过电流继电器_。

二, 简答/分析

1, 电力电子器件是如何定义和分类的？同处理信息的电子器件相比，它的特点是什么？

答:按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类:a,半控型器件,b全控型器件c,不可控器件.。按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类:电流驱动型,电压驱动型。按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间有效信号的波形，分为两类：脉冲触发型，电平控制型。按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类:单极型器件,双极型器件,复合型器件。

2, 使晶闸管导通的条件是什么？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：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）。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的最小电流。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。

3, 降压斩波电路的结构与工作原理;升压斩波电路的结构与工作原理;

答：降压斩波电路工作原理、电路图：在一个控制周期中，让V导通一段时间ton，由电源E 向L、R、M供电，在此期间，uo＝E。然后使V关断一段时间toff，此时电感L通过二极管VD 向R 和M 供电，uo＝0。一个周期内的平均电压。输出电压小于电源电压，起到降压的作用。

升压斩波电路的基本工作原理：假设电路中电感L 值很大，电容C 值也很大。当V 处于通态时，电源E 向电感L 充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R 供电，因C值很大，基本保持输出电压为恒值Uo。设V 处于通态的时间为ton，此阶段电感L 上积蓄的能量为1 on EI t 。当V处于断态时E和L共同向电容C充电并向负载R 提供能量。设V处于断态的时间为toff，则在此期间电感L 释放的能量为.

4, 交流调压电路和交流调功电路有什么区别？二者各运用于什么样的负载？为什么？

答：控制方式不同。前者是在交流电源的每个周期对输出电压波形进行控制。而后者将负载与交流电源接通几个周波，再断开几个周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。在供用电系统中，还常用于对无功功率的连续调节。此外，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。

如采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联；同样，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联。这都是十分不合理的。采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都不太大也不太小，在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。交流调功电路常用于电炉温度这样时间常数很大的控制对象。由于控制对象的时间常数大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁控制。 5, 画出阻感负载单相桥式全控整流电路图并说明说明续流二极管的作用。

6, 用面积等效原理说明如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替正弦半波。

面积等效原理：

分别将如图所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L 电路）上，如图a 所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图b 所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N 等分，看成N 个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化. 7, 用SPWM 波形说明PWM 控制的基本原理。

8, 电力电子器件的系统组成如题图9-10所示，试说明其中保护电路的重要意义？

9, 电力电子器件缓冲电路的主要作用是什么？试分析图9-14中开通缓冲电路和关断缓冲电路的作用和工作原理。

答:其作用是抑制电力电子器件的内因过电压, du/dt 或者过电流和di/dt,减小器件的开关损耗。

R

L VT1

VT2

VT3 u 2

U1

u d i d

a

b

VT4

10, 晶闸管的触发电路有哪些要求？

答：①触发电路发U 的触发信号应具有足够大的功率，即触发电压和电流必须大于晶闸管的控制极触发电压UGT 、控制极触发电流IGT ，使控制极的工作点在控制极伏安特性的可靠触发区内，但瞬时功率和平均功率都不能超过控制极瞬时功率极限和控制极平均功率线， ②不该触发时，触发电路因漏电流产生的漏电压应小于控制极不触发电压UGT 。

③由于晶闸管的导通需要一定的时间，不是一触就通，只有当晶闸管的阳极电流即主回路的电流上升到晶闸管的电流IL 以上时，管子才能导通，所以触发脉冲信号应有足够的宽度，一般为20～50μs ，电感性负载应加入到1ms ，相当于50Hz 正弦波的18。电角度。 ④触发脉冲前沿要陡，特别是串并联使用的晶闸管，要采用强触发措施。

⑤触发脉冲应与主回路同步，且有足够的移相范围。例如电阻性负载下的三相半波和三相全控桥整流电路，移相范围务别为0。- 150。和0。～120。，而电感性负载（电流连续）时，皆为0。～90。。

内容涉及实验，要求结合实验实际电路和内容进行解释 三，计算题： 作业题的类型

2-4, 图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。

2π2π

2ππππ4

π

4

π2

5π

4a)

b )

c)

图1-43

解：a) I d1=

π

21?

π

π

ωω4

)(sin t td I m =

π

2m I (

12

2

+)≈0.2717 I m

I 1=

?π

π

ωωπ

4

2

)

()sin (21t d t I m =

2

m I π

214

3+≈

0.4767 I m

b) I d2 =

π

1

?

π

π

ωω4

)(sin t td I m =

π

m I (

12

2+)≈0.5434 I m

I 2 =

?

π

π

ωωπ

4

2

)

()sin (1

t d t I m =

22m I π

214

3+≈

0.6741I m

c) I d3=

π

21?

2

)(π

ωt d I m =4

1

I m

I 3 =

?

2

2

)

(21π

ωπ

t d I m =2

1

I m

2-5. 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I d1、I d2、I d3各为多少？这时，

相应的电流最大值I m1、I m2、I m3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) I m1≈4767

.0I ≈

329.35，

I d1≈0.2717 I m1≈89.48 b) I m2≈

6741

.0I ≈

232.90,

I d2≈0.5434 I m2≈126.56 c) I m3=2 I = 314,

I d3=41

I m3=78.5

3-1. 单相半波可控整流电路对电感负载供电，L ＝20mH ，U 2＝100V ，求当α＝0?和60?时的负载电流I d ，并画出u d 与i d 波形。

解：α＝0?时，在电源电压u 2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u 2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u 2的一个周期里，以下方程均成立：

t U t

i L ωsin 2d d 2d =

考虑到初始条件：当ωt ＝0时i d ＝0可解方程得：

)

cos 1(22

d t L

U i ωω-=

?

-=

π

ωωωπ

20

2

d )

(d )cos 1(221t t L

U I

=

L

U ω2

2=2

u d 与i d 的波形如下图：

0π

2π

ωt

u 2

0π

2π

ωt

u d 0π

2π

ωt

i d

当α＝60°时，在u 2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u 2负半周期180?~300?期间释放，因此在u 2一个周期中60?~300?期间以下微分方程成立：

t U t

i L ωsin 2d d 2d =

考虑初始条件：当ωt ＝60?时i d ＝0可解方程得：

)cos 2

1

(22d t L U i ωω-=

其平均值为

)(d )cos 21(2213

53

2d t t L U I ωωωπ

π

π

-=

?=L

U ω222=11.25(A)

此时u d 与i d 的波形如下图：

ωt

u d

i d

+

+ωt

ωt

u 2

0α

+

+

3-3．单相桥式全控整流电路，U 2＝100V ，负载中R ＝2Ω，L 值极大，当α＝30°时，要求：①作出u d 、i d 、和i 2的波形；

②求整流输出平均电压U d 、电流I d ，变压器二次电流有效值I 2； ③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。 解：①u d 、i d 、和i 2的波形如下图：

u 2

O ωt

O ωt

O ωt

u d

i d i 2

O

ωt

I d

I d

π

π

α

α

②输出平均电压U d 、电流I d ，变压器二次电流有效值I 2分别为

U d ＝0.9 U 2 cos α＝0.9×100×cos30°＝77.97（V ）

I d ＝U d /R ＝77.97/2＝38.99（A ）

I 2＝I d ＝38.99（A ）

③晶闸管承受的最大反向电压为：

2U 2＝1002＝141.4（V ）

考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：

U N ＝（2~3）×141.4＝283~424（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：

I VT ＝I d ∕2＝27.57（A ）

晶闸管的额定电流为：

I N ＝（1.5~2）×27.57∕1.57＝26~35（A ）

具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。

例3-1．单相桥式全控整流电路，U 2=100V ，负载中R =2Ω，L 值极大，反电势E =60V ，当α=30?时，要求：

① 作出u d 、i d 和i 2的波形；

② 求整流输出平均电压U d 、电流I d ，变压器二次侧电流有效值I 2； ③ 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。 解：①u d 、i d 和i 2的波形如下图：

u 2

O ωt

O ωt

O ωt

u d

i d i 2

O

ωt

I d

I d

I d

π

π

α

α

②整流输出平均电压U d 、电流I d ，变压器二次侧电流有效值I 2分别为

U d ＝0.9 U 2 cos α＝0.9×100×cos30°＝77.97(A)

I d ＝(U d －E )/R ＝(77.97－60)/2＝9(A)

I 2＝I d ＝9(A)

④ 闸管承受的最大反向电压为：

2U 2＝1002＝141.4（V ）ki

流过每个晶闸管的电流的有效值为：

I VT ＝I d ∕2＝6.36（A ）

故晶闸管的额定电压为：

U N ＝(2~3)×141.4＝283~424（V ）

晶闸管的额定电流为：

I N ＝(1.5~2)×6.36∕1.57＝6~8（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。

3-14．单相全控桥，反电动势阻感负载，R =1Ω，L =∞，E =40V ，U 2=100V ，L B =0.5mH ，当α=60?时求U d 、I d 与γ 的数值，并画出整流电压u d 的波形。 解：考虑L B 时，有：

U d ＝0.9U 2cos α－ΔU d ΔU d ＝2X B I d ∕π I d ＝（U d －E ）∕R

解方程组得：

U d ＝（πR 0.9U 2cos α＋2X B E ）∕（πR ＋2X B ）＝44.55（V ）

ΔU d ＝0.455（V ） I d ＝4.55（A ）

又∵

αcos －)cos(γα+＝2B d X I ∕U 2

即得出

)60cos(γ+?=0.4798

换流重叠角

γ ＝ 61.33°- 60°=1.33°

最后，作出整流电压U d 的波形如下：

O

α

ωt

O ωt

γ

u d

u 2

15．三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，U 2=100V ，R =1Ω，L =∞，L B =1mH ，求当α=30?时、E =50V 时U d 、I d 、γ 的值并作出u d 与i VT1和i VT2的波形。 解：考虑L B 时，有：

U d ＝1.17U 2cos α－ΔU d ΔU d ＝3X B I d ∕2π I d ＝（U d －E ）∕R

解方程组得：

U d ＝（πR 1.17U 2cos α＋3X B E ）∕（2πR ＋3X B ）＝94.63（V ）

ΔU d ＝6.7（V ） I d ＝44.63（A ）

又∵

αcos －)cos(γα+＝2B d X I ∕6U 2

即得出

)30cos(γ+?=0.752

换流重叠角

γ ＝ 41.28°- 30°=11.28°

u d 、i VT1和i VT2的波形如下：

u d

i V T 1

ωt

O ωt

O γ

I d

u a u b u c

α

i V T 2

ωt

O

γ

I d

O u a

u b

u c

u 2

16．三相桥式不可控整流电路，阻感负载，R =5Ω，L =∞，U 2=220V ，X B =0.3Ω，求U d 、I d 、I VD 、I 2和γ 的值并作出u d 、i VD 和i 2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α＝0°时的情况。

U d ＝2.34U 2cos α－ΔU d

ΔU d ＝3X B I d ∕π I d ＝U d ∕R

解方程组得：

U d ＝2.34U 2cos α∕（1＋3X B /πR ）＝486.9（V ）

I d ＝97.38（A ）

又∵

αcos －)cos(γα+＝2B d X I ∕6U 2

即得出

γ

cos =0.892

换流重叠角

γ ＝26.93°

二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为

I VD ＝I d ∕3＝97.38∕3＝32.46（A ）

I 2a ＝

3

2 I d ＝79.51（A ）

u d 、i VD1和i 2a 的波形如下：

u 2

u d

i V D 1ωt

O

ωt

O ωt

O ωt

O u a

u b

u c

ωt 1

u a b u a c u bc u ba u c a u c b

u a b u a c

ⅠⅡⅢⅣⅤⅥi 2a I d

I d

5-2．在图5-1a 所示的降压斩波电路中，已知E =200V ，R =10Ω，L 值极大，E M =30V ，T =50μs ,t on =20μs ,计算输出电压平均值U o ，输出电流平均值I o 。

解：由于L 值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为

U o =

E

T t on =

50

20020?=80(V)

输出电流平均值为

I o =

R E U M

o -=

10

3080-=5(A)

5．在图5-2a 所示的升压斩波电路中，已知E =50V ，L 值和C 值极大，R =20Ω，采用脉宽调制控制方式，当T =40μs ，t on =25μs 时，计算输出电压平均值U o ，输出电流平均值I o 。 解：输出电压平均值为：

U o =

E

t T off

=

50

25

4040?-=133.3(V)

输出电流平均值为：

I o =

R

U o =

20

3.133=6.667(A)

例5-2 在图5-1a 所示的降压斩波电路中，E =100V ， L =1mH ，R =0.5Ω，E M =10V ，采用脉宽调制控制方式，T =20μs ，当t on =5μs 时，计算输出电压平均值U o ，输出电流平均值I o ，计算输出电流的最大和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续。 解：由题目已知条件可得：

m =E

E M =

100

10=0.1 τ=

R

L =

5

.0001.0=0.002

当t on =5μs 时，有

ρ=

τ

T =0.01 αρ=

τ

on

t =0.0025

由于

1

1--ρ

αρe

e

=

1

101

.00025.0--e

e

=0.249>m

所以输出电流连续。 此时输出平均电压为

U o =

E

T t on =

20

5100?=25(V)

输出平均电流为

I o =

R E U M

o -=

5

.01025-=30(A)

输出电流的最大和最小值瞬时值分别为

I max =R

E

m e e ???? ??-----ραρ

11=5

.0100

1.01101.00025

.0???? ??-----e e =30.19(A)

I min =R

E

m e e ???

? ??---11ραρ

=5

.01001.011

01.00025

.0???

? ??---e e =29.81(A)

例5-3 在图5-2a 所示的升压斩波电路中，已知E =50V ，L 值和C 值极大，R =20Ω，采用脉宽调制控制方式，当T =40μs ，t on =25μs 时，计算输出电压平均值U o ，输出电流平均值I o 。

解：输出电压平均值为：U o =

E

t T off

=

50

25

4040?-=133.3(V)

o =

R

U

o=

20

3.

133

=6.667(A)

输出电流平均值为I