电力电子课后部分答案文档

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1、一、2使晶闸管导通的条件是什么？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）。或：uAK0且uGK0。9. 试列举典型的宽禁带半导体材料.基于这些宽禁带半导体材料的电力电子器件在哪些方面性能优于硅器件？答：典型的是碳化硅、氮化镓、金刚石等材料。具有比硅宽得多的禁带宽度，宽禁带半导体材料一般都具有比硅高的多的临界雪崩击穿电场强度和载流子饱和飘逸速度的，较高的热导率和相差不大的载流子迁移率，且具有比硅器件高的多的耐受高温电压的能力，低得多的通感电阻，更好的导热性能和热稳定性以及更浅的耐受高温的和射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级的提高。三、2. 单相半波可

2、控整流电路对电感负载供电，L20mH，U2100V，求当0和60时的负载电流Id，并画出ud与id波形。解：0时，在电源电压u2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u2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u2的一个周期里，以下方程均成立： 考虑到初始条件：当wt0时id0可解方程得：=22.51(A) ud与id的波形如下图： 当60时，在u2正半周期60180期间晶闸管导通使电感L储能，电感L储藏的能量在u2负半周期180300期间释放，因此在u2一个周期中60300期间以下微分方程成立： 考虑初始条件：当wt60

3、时id0可解方程得：其平均值为=11.25(A) 此时ud与id的波形如下图： 3单相桥式全控整流电路，U2100V，负载中R2，L值极大，当30时，要求：作出ud、id、和i2的波形； 求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2；考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：ud、id、和i2的波形如下图：输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2分别为Ud0.9 U2 cos0.9100cos3077.97（V）IdUd /R77.97/238.99（A）I2Id 38.99（A） 晶闸管承受的最大反向电压为：U2100141.4（V）考虑安全裕量，晶闸管的额

4、定电压为：UN（23）141.4283424（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：IVTId27.57（A）晶闸管的额定电流为：IN（1.52）27.571.572635（A）具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。5单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=2，L值极大，反电势E=60V，当a=30时，要求： 作出ud、id和i2的波形； 求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2； 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：ud、id和i2的波形如下图： 整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2分别为Ud0.9 U

5、2 cos0.9100cos3077.97(A)Id (UdE)/R(77.9760)/29(A)I2Id 9(A) 晶闸管承受的最大反向电压为：U2100141.4（V）流过每个晶闸管的电流的有效值为：IVTId 6.36（A）故晶闸管的额定电压为：UN(23)141.4283424（V） 晶闸管的额定电流为：IN(1.52)6.361.5768（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11三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5，L值极大，当a=60时，要求：（1）画出ud、id和iVT1的波形；（2）计算Ud、Id、IdT和IVT。解：ud、id和i

6、VT1的波形如下图： Ud、Id、IdT和IVT分别如下Ud1.17U2cosa1.17100cos6058.5（V）IdUdR58.5511.7（A）IdVTId311.733.9（A）IVTId6.755（A）13三相桥式全控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5，L值极大，当a=60时，要求： 画出ud、id和iVT1的波形； 计算Ud、Id、IdT和IVT。解：ud、id和iVT1的波形如下： Ud、Id、IdT和IVT分别如下Ud2.34U2cosa2.34100cos60117（V）IdUdR117523.4（A）IDVTId323.437.8（A）IVTId23.413

7、.51（A）四、2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。3什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各有什么特点。答：按照逆变电

8、路直流测电源性质分类，直流侧是电压源的逆变电路称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的逆变电路称为电流型逆变电路电压型逆变电路的主要特点是：直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。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，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。电流型逆变电路的主要特点是：直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗

9、。电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。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要给开关器件反并联二极管。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：在电压型逆变电路中，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，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。当输出交流电压和电流的极性相同时，电

10、流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压电流极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。在电流型逆变电路中，直流电流极性是一定的，无功能量由直流侧电感来缓冲。当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时，电流并不反向，依然经电路中的可控开关器件流通，因此不需要并联反馈二极管。五、1简述图5-1a所示的降压斩波电路工作原理。答：降压斩波器的原理是：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，uoE。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，uo0。一个周期内的平均电压Uo。输出电压小于电源电压，起到降压的作用。 2在图5-1a所示的降压斩波电路中，

11、已知E=200V，R=10，L值极大，EM=30V，T=50s,ton=20s,计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为Uo=80(V)输出电流平均值为Io =5(A)4简述图5-2a所示升压斩波电路的基本工作原理。答：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。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

12、间电感L释放的能量为。当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即：化简得：式中的，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。 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=20，采用脉宽调制控制方式，当T=40s，ton=25s时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。解：输出电压平均值为：Uo =133.3(V)输出电流平均值为：Io =6.667(A)第六章 交流交流变流电路 1. 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=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。解：=0时的

13、输出电压最大，为此时负载电流最大，为因此最大输出功率为输出功率为最大输出功率的80%时，有：此时，又由解得=60.54同理，输出功率为最大输出功率的50%时，有：又由=90 2一单相交流调压器，电源为工频220V，阻感串联作为负载，其中R=0.5，L=2mH。试求：开通角的变化范围；负载电流的最大有效值；最大输出功率及此时电源侧的功率因数；解：负载阻抗角为：=arctan（）=arctan（）=0.89864=51.49 开通角的变化范围为：即0.89864当=时，输出电压最大，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为Pomax=37.532(KW)功率因数为实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗

14、角的余弦，即cosj=0.62274交交变频电路的最高输出频率是多少？制约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1/31/2Error! No bookmark name given.。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。3. 单极性和双极性 PWM 调制有什么区

15、别？三相桥式 PWM 型逆变电路中，输出相电压（输出端相对于直流电源中点的电压）和线电压 SPWM波形各有几种电平？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。三相桥式 PWM型逆变电路中，输出相电压有两种电平：0.5Ud和-0.5Ud。输出线电压有三种电平Ud、0、- Ud。5什么是异步调制？什么是同步调制？两者各有何特点？分段同步调制有什么优点？答：载波信号和调制信号不保持同步的调制方式

16、称为异步调制。在异步调制方式中，通常保持载波频率fc 固定不变，因而当信号波频率fr 变化时，载波比N 是变化的。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。这样，当信号波频率较低时，载波比N 较大，一周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后 1/4周期脉冲不对称产生的不利影响都较小，PWM波形接近正弦波。而当信号波频率增高时，载波比N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大，有时信号波的微小变化还会产生 PWM脉冲的跳动。这就使得输出 PWM波和正弦波的差异

17、变大。对于三相 PWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。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。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。当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的载波频率fc 也很低。fc 过低时由调制带来的谐波不易滤除。当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声。当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc 会过高，使开关器件难以承受。此外，同步调制方式比异步调制方式复杂一些。分段同步调制是把逆变电路的输出频率划分为若干段，每个频段的载波比一定，不同频段采用不同的载波比。其优点主要是，在高频段采用较低的载波比，使载波频率不致过高，可限制在功率器件允许的范围内。而在低频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。