浙大远程电力电子离线作业

浙江大学远程教育学院

《电力电子技术》课程作业

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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？

解：（1）开关S闭合前，灯泡不亮。

（2）开关S闭合后，灯泡亮。

（3）灯泡不亮，因为晶闸管已关断。

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？

解：

在夏天，晶闸管触发电路调试好后正常工作，但到冬天随着温度变化，U GT和I GT的数值增大。所以原来调整好的触发电路数值已不够，则晶闸管装置变得不可靠。

在冬天，晶闸管触发电路调试好后正常工作，到了夏天随着温度变化，U GT和I GT数值变低了，收外界干扰，出现误导通，所以变得不可靠。

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

解： （a ）mA I mA A I H d 42002.010

50100

3

=<==?=

，

,H d I I < 无法导通，不合理。

（b ）

A I 2010

200

2==

H I A I I >==7.1257.1/2d

V

U TM 8.2822200==

V

V 3008.282<

能正常工作

（c ） H I A I >==1601/160d A Id I T 160==

A A 15710057.1160=?>

不能正常工作

4．什么是IGBT 的擎住现象？使用中如何避免？ 解：

（1）IGBT 的擎住效应有静态擎住和动态擎住

静态擎住：IC 上升，Rbr 压降使NPN 通，经正反馈，寄生等效晶闸管通，IGBT

栅极失去控制作用。

动态擎住：关断时产生，J2结反压很快建立， 大，此电流

可 在R br 上产生NPN 管导通的正向偏压从而产生擎住现象。

（2）使用时应注意

使I C

R G 上升，使关断速度下降，减小重加 避免动态擎住

dt dU

C ce j 2,dt dU ce ,dt dU

ce

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

解：

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LC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、VD F续流二级管为负载电路提供通路，过压保护、提高Ud

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？

解：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（Δ

U-ce/U-ceg＝ΔI c/I cg），GTR工作点仅移至A2点，仍处于准饱和状态，元件关断时功耗只略有增加，可保证器件安全。因此采用测量U-ce变化来检测工作状态、实现过流保护是安全、可靠的。

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？

解：

GTR的关断过程 GTR的关断吸收电路原理曲线关断原理电路

上图为断开时，减小元件的损耗就是在电流变小的过程中电压推迟升高，加装一个电容，避免大电流高电压同时产生。避免损耗出现。

GTR的开通过程 GTR的开通吸收电路原理曲线开通原理电路

上图为开通时，减小元器件的损耗就是在电压变小的过程中推迟电流的升高，加装一个电感，避免大电流高电压同时产生。

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。

解： 1、 220V 供电 2、 60V 供电 U d =0.45U 2(1+cosa)/2

A=121°(38.9°),θ=180°-a=59°(141.1°)

)37.51(4.81)

cos 1(2)

(22sin 2A A I I d =+-+=

ααππαπ

π

α

παπππ

α22sin 41212

2

2-+

=???

? ??=?d d d

R U dw R U I 2

cos 145.0)cos 1(222

2α

απ+=+==

d d d d d R U R U R U I I T(A V)=(1.5~2)I 2/1.57=80.35~107.13A(49.1~64.4A) U Tm =2202=311V(84.84V)

U R =(2~3)U Tm =622.3~933.4V(167.7~254.6V)

)

3082(185021.84220)

685.0(3105.022sin 41cos 221222VA VA I U S I U UI s p =?===-+===

π

α

παπ?

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。

解：（1）无续流二极管

U d =0.9U 2cosa=0.9×220×cos60°=99V I d = U d /R d =99/4=24.75A (2) 有续流二极管

V U U d 5.1482

60cos 12209.02cos 19.02=+??=+=ο

α

I d = U d /R d =37.125A

A I I d T 33.1237360

601802d =?-=-=

παπ

A I I d T 34.2137360

60

1802=?-=-=

παπ

A I I d dT 33.12371806022=?==

πα A I I d T 34.2137180

60

22=?==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。

解：

U d =1.17U 2cosa =1.17×220×cos45°=182V I d =U d /R d =182/10=182.A I dT =I d /3=18.2/3=6.1A

A I I T 5.103

2.183d ===

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。

解：[]

V U U d 9.186)4530cos(1220675.0)6cos(

1675.02=++??=??

?

??

?++=οοαπ

69.18==

d

d

d R U I A 45.5360

45150360150=-=-=d d

dT

I I I οοα A A I I d T 1.10360150=-=ο

οα

A I I d dDF

34.2360

)30(3=-=οα

A I I d DF

6.6360

)30(3=-=οα

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＝30°，当(1) L B ＝0；（2）L B ＝1mH 时，分别求U d 、I d 和换流重叠角μ。 解：（1）U d ′=2.34U 2cosa=2.34×220×cos60°=257.5V

I d =(U d -E)/R d =57.5A μ = 0

(2) U d = U d ′- △U d = 257.5-mXBId/2π=257.5-0.3 I d U d =E+I d R d 即 U d -E=I d R d

得I d =44.23A U d =244.23V

0515.062)(cos 2

==

+-U X I u coa B

d αα

COS(60°+μ)=0.5-0.0515

Μ=63.36°-60°=3.36°

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。

解：

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

解：

d U E < d U E >

控制角α的移相范围： 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？

解：(1) V U U 090cos 10017.1cos 17.12d =??==ο

α

A R

U E I d

d 30=-=

(2) V U U d 5.5890cos 10017.1cos 17.12-=??-=-=ο

β

E U d > 故不满足逆变条件 0≈d I

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？

解：

斩波器有两种基本控制方式：时间比控制和瞬时值控制。

时间比控制又包括脉宽控制、频率控制、综合控制。

时间比控制：通过改变斩波器的通、断时间而连续控制输出电压的大小

瞬时值控制：在恒值（恒压或恒流）控制或波形控制中，常采用瞬时值控制的斩波方式。

2．简述Boost-Buck变换电路与Cúk变换电路的异同点。

解：

Boost -Buck变换电路的特点是：（1）输出电压U0可以小于（降压）、也可以大于（升压）输入电压E；（2）输出电压与输入电压反极性。

Cúk变换器也是一种升降压变换器，输出电压可以比输入电压低、也可以比输入电压高，而且输出与输入电压具有反极性关系。

Cùk变换器与Boost -Buck变换器的变换功能相同，但也有差异：

1）Cùk变换器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）Cùk变换器借助电容传输能量，Boost -Buck变换器借电感传输能量，故Cùk变换器的电容器C1中脉动电流大，要求电容量大。

3）Cùk变换器VT导通时要流过电感L1和L2的电流，故功率开关的峰值电流大。

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。

解：

1）将直流电逆变成电网频率的恒频交流并输送给电网的称有源逆变；

将直流电逆变成频率可变的交流电并直接供给用电负载，称为无源逆变；

2）将直流电变换成交流电，即DC-AC变换称为逆变，是将交流电变换成直流电（AC-DC 变换）的逆过程。只有无源逆变能实现变频，但无源逆变不等于变频。

变频是指将一种频率的交流电变换成另一种频率的交流电的过程，

3）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可变频率交流的交—直—交变换，

将一种频率的交流直接变换成另一种可变频率交流的交—交变换。

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？

常用的晶闸管换流方法有：

（1）负载谐振式换流

利用负载回路中形成的震荡特性，使电流自动过零，只要负载电流超前于电压时间大于tq，即能实现换流，分串，并联。

（2）强迫换流

附加换流环节，任何时刻都能换流。

3．PWM调制有哪些方法？它们各自的出发点是什么？

（1）采样法

采样法分自然采样法和规则采样法。规则采样法还可分为对称规则采样法和不对称规则采样法。

以一个正弦波为基准波（称为调制波），用一列等幅的三角波（称为载波）与基准正弦波相交，由它们的交点确定逆变器的开关模式。

（2）指定谐波消去法

指定谐波消去法是将逆变电路与负载作为一个整体进行分析，从消去对系统有害的某些指定次数谐波出发来确定SPWM波形的开关时刻，使逆变器输出电压接近正弦。

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？

单极性调制：半周期内调制波与载波均只有单一的极性，输出单一的极性SPWM波形双极性调制：任何半周期内调制波、载波及输出SPWM波均有正、负极性的电压交替出现。

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：在任何时候均保持载波频率不变，此时半周期内的输出脉冲数在不同输出频率下均不同

混合同步调制：考虑到低频时异步调制有利、高频时同步调制较好，所以实用中采取了分段同步调制的折衷方案，即：将整个输出频率范围分为几个频率段，除在低频段采用异步调制外，其他各段均设置一适当载波比，即载波频率与调制波频率之比，实施同步调制。这样在某一确定频率段内，随着输出频率增大载波频率增加，但始终保持确定的半周期输出脉冲数目不变。随着运行频率的提高，减小载波比，以保持功率器件的开关频率在一个合理的范围。当输出频率达到额定值后，将脉宽调制方式改为方波输出，以充分利用直流电源电压。

第6章

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？

解：

（1）要求宽脉冲

（2）正、负半周波形不对称时会导致出现大电流，损坏变压器类负载。

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？

解：最高输出频率为输入频率的1/3~1/2

交—交变频电路输出电压是由多段电源电压片段“拼凑”而成。一个输出周期内拼接的电源电压段数越多，输出电压波形越接近正弦。当输出频率增高时，输出电压一周内所包含的电源电压段数减少，波形将严重偏离正弦，致使输出电力谐波增加，因而限制了最高输出频率。由于每段电源电压的平均持续时间决定于变流电路的脉波数，增加构成交—交变频电路的两组变流器脉波数可改善输出波形，提高输出频率上限。常用6脉波三相桥式变频电路的上限频率不能高于电网频率的1/3~1/2，约20Hz。