电力电子技术平时作业答案20200920

电力电子技术平时作业（2020年9月20日，共37题）

一、填空题（12题）

1、电力变换通常分为四大类，交流变直流（整流）、直流变交流（逆变），直流变直流（直流斩波）、交流变交流。

2、晶闸管对触发脉冲的要求是要有足够的驱动功率、触发脉冲前沿要陡幅值要高，和触发脉冲要与晶闸管阳极电压同步。

3、多个晶闸管相并联时必须考虑均流的问题，解决的方法是串专用均流电抗器。

4、逆变电路可以根据直流侧电源性质不同分类，当直流侧是电压源时，称此电路为___电压型_____，当直流侧为电流源时，称此电路为___电流型_____。

5、在正弦波和三角波的自然交点时刻控制开关器件的通断，这种生成SPWM 波形的方法称__自然采样法______，实际应用中，采用____规则采样法____来代替上述方法，在计算量大大减小的情况下得到的效果接近真值。

6、常用的晶闸管有__螺栓式______式、__平板式______式两种。

7、单相半控桥整流电路，带大电感性负载，晶闸管在__触发____时刻换流，二极管则在_电源电压过零点_______时刻换流。

8、过电压产生的原因_浪涌电压_______、_操作过电压_______，可采取___阻容吸收_____、__硒堆______、压敏电阻保护。

9、变频电路所采取的换流方式_自然换流_、___负载换流__、__强迫换流______。

10、门极可关断晶闸管主要参数有_最大可关断阳极电流IATO_、电流关断增益β

__、

off

强擎住电流IL__。

11、电力变换通常分为四大类，即__交流变直流（整流）、_直流变交流（逆变）_______、__直流变直流（直流斩波）、___交流变交流____。

12、斩波器是在接在恒定直流电源和负载电路之间，用于_改变加到负载电路上的直流电压平均值的一种电力电子器件变流装置。

二、简答题(18题)

1.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？

答案：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：u AK>0且u GK>0。

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。

2.晶闸管的触发脉冲要满足哪些要求？

答案：

A:触发信号应有足够的功率。

B：触发脉冲应有一定的宽度，脉冲前沿尽可能陡，使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。

C：触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。

3.实现有源逆变必须满足哪些必不可少的条件？

答案：实现有源逆变必须外接一直流电源，其方向与晶闸管电流方向相同，其数值要稍大于逆变桥电压，才能提供逆变能量。另外变流器必须工作在β<90o，（α>90o）区域，使<0，才能把直流功率逆变为交流功率返送电网。

U

d

4.电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极

管？

答案：电压型逆变器当交流侧为阻感性负载时，需要向电源反馈无功功率。直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂开关器件都反并联了反馈二极管。

而对电流型逆变器来说，当交流侧为阻感负载时，也需要提供无功能量反馈，但直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因反馈无功能量时，直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变器那样要给开关器件反并联二极管。

5.在晶闸管两端并联R、C吸收回路的主要作用有哪些？其中电阻R的作用是什么？

答案：R、C回路的作用是：吸收晶闸管瞬间过电压，限制电流上升率，动态均压作用。R 的作用为：使L、C形成阻尼振荡，不会产生振荡过电压，减小晶闸管的开通电流上升率，降低开通损耗。

6.根据对输出电压平均值进行控制的方法不同，直流斩波电路可有哪三种控制方式？并

简述其控制原理。

答案：第一种调制方式为：保持开关周期不变，改变开关导通时间t on称为脉宽调制。简称“PWM”调制。第二种调制方式为：保持开关导通时间t on不变，改变开关周期，称为频率调制。简称为“PFM”调制。第三种调制方式为：同时改变周期T与导通时间t on。使占空比改变，称为混合调制。

7.单极性和双极性PWM调制有什么区别？

答：三角波载波在信号波正半周期或负半周期里只有单一的极性，所得的PWM波形在半个周期中也只在单极性范围内变化，称为单极性PWM控制方式。

三角波载波始终是有正有负为双极性的，所得的PWM波形在半个周期中有正、有负，则称之为双极性PWM控制方式。

8.什么是逆变失败？逆变失败后有什么后果？形成的原因是什么?

答案：逆变失败指的是：逆变过程中因某种原因使换流失败，该关断的器件末关断，该导通的器件末导通。从而使逆变桥进入整流状态，造成两电源顺向联接，形成短路。

逆变失败后果是严重的，会在逆变桥与逆变电源之间产生强大的环流，损坏开关器件。

产生逆变失败的原因：一是逆变角太小；二是出现触发脉冲丢失；三是主电路器件损坏；四是电源缺相等。

9.什么是逆变失败？如何防止逆变失败？

答：逆变运行时，一旦发生换流失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或

者使变流器的输出平均电压和直流电动势变为顺向串联，由于逆变电路内阻很小，形成很大的短路电流，称为逆变失败或逆变颠覆。

防止逆变失败的方法有：采用精确可靠的触发电路，使用性能良好的晶闸管，保证交流电源的质量，留出充足的换向裕量角β等。

10.换流方式各有那几种？各有什么特点？

答：换流方式有4种：

器件换流：利用全控器件的自关断能力进行换流。全控型器件采用此换流方式。

电网换流：由电网提供换流电压，只要把负的电网电压加在欲换流的器件上即可。

负载换流：由负载提供换流电压，当负载为电容性负载即负载电流超前于负载电压时，可实现负载换流。

强迫换流：设置附加换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压换流称为强迫换流。通常是利用附加电容上的能量实现，也称电容换流。

晶闸管电路不能采用器件换流，根据电路形式的不同采用电网换流、负载换流和强迫换流3种方式。

11.软开关电路可以分为哪几类？

答案：根据电路中主要的开关元件开通及关断时的电压电流状态，可将软开关电路分为零电压电路和零电流电路两大类；根据软开关技术发展的历程可将软开关电路分为准谐振电路，零开关PWM电路和零转换PWM电路。

12.PWM逆变电路的控制方法主要有哪几种？简述异步调制与同步调制各有哪些优缺点？

答案：PWM逆变电路的常用控制方法有两种，一是计算法；二是调制法。其中调制法又可分为两种，一是异步调制法；二是同步调制法。通常异步调制法是保持载波频率不变，信号频率根据需要而改变时，载波比是变化的。优点是：信号频率较低时载波比较大，一周期内脉冲数较多，输出较接近正弦波。缺点是：正负半周脉冲数不相等，对称性差。因此，希望采用较高的载波频率，以克服在信号频率较高时仍能保持较大的载波比。同步调制时，保持载波比为常数，并在变频时使载波和信号波保持同步变化。优点是：信号波一周内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的，对称性好。缺点是：当逆变频率较低时，载波频率也很低，造成调制谐波不易滤除；逆变频率较高时，调制载波频率也过高，使开关器件的开关频率过高而难以承受。

13.PWM控制的基本原理是什么？

答：PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

在采样控制理论中有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理。

14、什么是异步调制？什么是同步调制？两者各有何特点？

答：载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。异步调制的主要特点是：在信号波的半个周期内PWM波的脉冲个数不固定相位也不固定正负半周期的脉冲不对称

半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。同步调制的主要特点是：在同步调制方式中，

信号波频率变化时载波比N不变，信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。

15、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：①三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；

②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。

③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。

16、交交变频电路的主要特点和不足是什么？其主要用途是什么？

答：交交变频电路的主要特点是：只用一次变流，效率较高；可方便实现四象限工作；低频输出时的特性接近正弦波。交交变频电路的主要不足是：接线复杂，如采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管；受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；输出功率因数较低；输入电流谐波含量大，频谱复杂。

主要用途：500千瓦或1000千瓦以下的大功率、低转速的交流调速电路，如轧机主传动装置、鼓风机、球磨机等场合。

17、在移相全桥零电压开关PWM电路中，如果没有谐振电感Lr，电路的工作状态将发生哪些变化，哪些开关仍是软开关，哪些开关将成为硬开关？

答: 如果没有谐振电感Lr，电路中的电容CS1，CS2与电感L仍可构成谐振电路，而电容CS3，CS4将无法与Lr构成谐振回路，这样，S3、S4将变为硬开关，S1、S2仍为软开关。

18.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正负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：

①一般在不用时将其三个电极短接；

②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；

③电路中，栅、源极间常并联齐纳二极管以防止电压过高

④漏、源极间也要采取缓冲电路等措施吸收过电压。

三．计算题绘图 （7题）

1. 如图所示的降压斩波电路中，已知E=100V ，R=10Ω，L 值极大，E M =30V ，T=50μs ，ton=20μs ，计算输出电压平均值Uo ，输出电流平均值Io 。

M L R

E M u O

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 =2010050?=40(V)

输出电流平均值为

I o =R

E U M o -=403010-=2(A)

2. 在图示升压斩波电路中，已知E=50V ，负载电阻R=20Ω，L 值和C 值极大，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 0，输出电流平均值I 0。

答案：

133O OFF

T

U E V T =

= 6.7O

O U I A R

=

=

3. 如下图所示的三相半波可控整流电路，相电压U 2=100V ，带电阻电感负载，R=5Ω，L 值极大，当α=60?时，求：（1）画出u d 、i d 和i VT1的波形；（2）计算U d 、I d 、I dT 和I VT 。

R

a b c u d i d

解：①u d 、i d 和i VT1的波形如下图：

ωt

i u

②U d 、I d 、I dT 和I VT 分别如下

U d ＝1.17U 2cos α＝1.17×100×cos60°＝58.5（V ） I d ＝U d ∕R ＝58.5∕5＝11.7（A ） I dVT ＝I d ∕3＝11.7∕3＝3.9（A ） I VT ＝I d ∕3＝6.755（A ）

4. 一调光台灯由单相交流调压电路供电，设该台灯可看作电阻负载，在α=0时输出功率为最大值，试求功率为最大输出功率的80%，50%时的开通角α。 解：α=0时的输出电压最大，为

10

21omax )sin 2(1

U t d t U U ==

?

π

ωωπ

此时负载电流最大，为R

U R U I 1

omax omax =

=

因此最大输出功率为R

U I U P 2

1max o max o max ==

输出功率为最大输出功率的80%时，有：

R

U P P 2

1max o )8.0(8.0==

此时，

1o 8.0U U =

又由

π

α

ππα-+=22sin 1

o U U 解得

α=60.54°

同理，输出功率为最大输出功率的50%时，有： 1o 5.0U U = 又由

π

α

ππα-+=22sin 1o U U

α=90°

5. 如图所示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，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2倍安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。

答案：（1）u d 、i d 、和i 2的波形如下图：

u 2O ωt

O ωt

O ωt

u d

i d i 2O

ωt

I d

I d

π

π

αα

（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 ＝2×141.4＝283（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 ＝2×27.57∕1.57＝35（A ）

具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。

6.单相桥式全控整流电路,U2=100V ,负载中R=20Ω,L 值极大α=30?时, 要求:①作出Ud 、Id 、和I2的波形;

π

2π

u 2ω

②求整流输出平均电压Ud、电流Id,变压器二次电流有效值I2;

③考虑安全裕量,确定晶闸管的额定电压和额定电流。

②输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2分别为Ud=0.9U2cosα=0.9×100×cos?30＝77.97（V）

Id＝Ud/R=77.97/2=38.99(A)

I2=Id=38.99(A)

③晶闸管承受的最大反向电压为:

2U2=1002=141.4(V)

考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为:

UN=(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:

IVT=Id/2=27.57(A)

晶闸管的额定电流为:

IN=(1.5~2)×27.57/1.57=26~35(A)

7.指出下图中①～⑦各保护元件及VD、Ld的名称和作用。

解：①星形接法的硒堆过电压保护；

②三角形接法的阻容过电压保护；

③桥臂上的快速熔断器过电流保护；

④晶闸管的并联阻容过电压保护；

⑤桥臂上的晶闸管串电感抑制电流上升率保护；

⑥直流侧的压敏电阻过电压保护；

⑦直流回路上过电流快速开关保护；VD是电感性负载的续流二极管；Ld是电动机回路的平波电抗器；