电力电子技术课后习题答案(第2—5章).doc

第2章 整流电路

2. 2图2-8为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路,问该变压器还有直流磁化问题吗?试说明:
晶闸管承受的最大反向电压为2U2;
当负载是电阻或电感时，其输出电压和电流的波形与单相全控桥时相同。
答：具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，该变压器没有直流磁化问题。因为单相全波可控整流电路变压器二次侧绕组中，在正负半周上下绕组中的电流方向相反，波形对称，其一个周期内的平均电流为零，故不存在直流磁化的问题。
以下分析晶闸管承受最大反向电压及输出电压和电流波形的情况。
①以晶闸管VT2为例。当VT1导通时，晶闸管VT2通过VT1与2个变压器二次绕组并联，所以VT2承受的最大电压为2U2。
②当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角相同时，对于电阻负载：(O~)期间无晶闸管导通，输出电压为0；(~)期间,单相全波电路中VT1导通，单相全控桥电路中VTl、VT4导通，输出电压均与电源电压U2相等；( ~)期间均无晶闸管导通，输出电压为0；(~2)期间，单相全波电路中VT2导通，单相全控桥电路中VT2、VT3导通，输出电压等于－U2。
对于电感负载： ( ~)期间，单相全波电路中VTl导通，单相全控桥电路中VTl、VT4导通，输出电压均与电源电压U2相等； (~2)期间，单相全波电路中VT2导通，单相全控桥电路中VT2、VT3导通，输出波形等于-U2。
可见，两者的输出电压相同，加到同样的负载上时，则输出电流也相同。

2.3.单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=20，L值极大，当=时，要求：
①作出Ud、Id、和I2的波形；
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。
解：①Ud、Id、和I2的波形如下图：

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=0.9U2cos=0.9×100×cos＝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：
U2=100=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/=27.57(A)
晶闸管的额定电流为：
IN=(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。
2.4.单相桥式半控整流电路，电阻性负载，画出整流二极管在一周内承受的电压波形。
解：注意到二极管的特点:承受电压为正即导通。因此，二极管承受的电压不会出现正的部分。在电路中器件均不导通的阶段，交流电源电压由晶闸管平衡。整流二极管在一周内承受的电压波形如下：

2.5.单相桥式全控整流电路，U2 =100V，负载R=20，L值极大，反电势E=60V，当时，要求：
①作出Ud、Id和I2的波形；；
②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；
③考虑安全裕量,确定晶闸管的额定电压和额定电流。
解：①Ud、Id和I2的波形如下图：

②整流输出平均电压Ud、电流Id、变压器二次测电流有效值I分别为：
Ud=0.9U2cos=O.9×100×cos=77.97(V)
Id=(Ud一E)/R=(77.97一60)/2=9(A)
I2=Id=9(A)
③晶闸管承受的最大反向电压为：
U2=100=141.4(V)
流过每个晶闸管的电流有效值为：
IVT=Id/=6.36(A)
故晶闸管的额定电压为：
UN=(2~3)×141.4=283~424(V)
晶闸管的额定电流为：
IN=(1.5~2)×6.36/1.57=6~8(A)
晶闸管额定电压和电流的具体敢值可按晶闸管产品系列参数选取。

2.6.晶闸管串联的单相半控桥(桥中VT1、VT2为晶闸管)，电路如图2-88所示，U2=100V电阻电感负载,，R=20，L值很大，当=时求流过器件电流的有效值，并作出Ud、Id、IVT、ID的波形。
解：Ud、Id、IVT、ID的波形如下图：

负载电压的平均值为
Ud=
负载电流的平均值为
Id=Ud/R=67.52/2=33.75(A)
流过晶闸管VTl、VT2的电流有效值为
IVT=19.49(A)
流过二极管VD3、VD4的电流有效值为
IVD==27.56(A)
2.7.在三相半波整流电路中，如果a相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流电压Ud的波形。
解：假设=，当负载为电阻时，Ud的波形如下：

当负载为电感时，Ud的波形如下：

2.8.三相半波整流电路，可以将整流变压器的二次绕组分为两段成为曲折接法，每段的电动势相同，其分段布置及其矢量如图所示，此时线圈的绕组增加了一些，铜的用料约增加10%，问变压器铁心是否被直流磁化，为什么?

图 变压器二次绕组的曲折接法及其矢量图
答：变压器铁心不会被直流磁化。原因如下：
变压器二次绕组在一个周期内，当a1c2对应的晶闸管导通时，al的电流向下流，c3的电流向上流；当clb2对应的晶闸管导通时，cl的电流向下流，b2的电流向上流；当bla2对应的晶闸管导通时，bl的电流向下流，a2的电流向上流；就变压器的一次绕组而言，每一周期中有两段时间(各为)有电流流过，流过的电流大小相等而方向相反，故一周期内流过的电流平均值为零，所以变压器铁心不会被直流磁化。

2.9.三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a、b两相的自然换相点是同一点吗？如果不是，它们在相位上差多少度？
答：三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a、b两相之间换相的的自然换相点不是同一点。它们在相位上相差。

2.10.有两组三相半波可控整流电路，一组是共阴极接法，一组是共阳极接法，如果它们的触发角都是，那么共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲对同一相来说，例如都是a相，在相位上差多少度？
答：相差。

2.ll.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＝时，要求：
①画出Ud、Id和IVT1的波形；
②计算Ud、Id、IdT和IVT。
解：①Ud、Id和IVT1的波形如下图：

②Ud、Id、IdT和IVT分别如下
Ud=1.17U2cos=1.17×100×cos=58.5(V)
Id＝Ud/R=58.5/5=11.7(A)
IdVT=Id/3=11.7/3=3.9(A)
IVT=Id/=6.755(A)

12.在三相桥式全控整流电路中，电阻负载，如果有一个晶闸管不能导通，此时的整流电压Ud波形如何？如果有一个晶闸管被击穿而短路，其他晶闸管受什么影响？
答：假设VTl不能导通，整流电压波形如下：

假设VT1被击穿而短路，则当晶闸管VT3或VT5导通时，将发生电源相间短路，使得VT3、VT5也可能分别被击穿。

2.13.三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=时，要求：
①画出Ud、Id和IVT1的波形
②计算Ud、Id、IdT和IVT
解：①Ud、Id和IVT1的波形如下：

②Ud、Id、IdT和IVT分别如下
Ud=2.34U2cos=2.34×100×cos=117(V)
Id=Ud/R=117/5=23.4(A)
IDVT =Id/3=23.4/3=7.8(A)
IVT=Id/=23.4/=13.51(A)
2.14.单相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有哪些次数的谐波？其中幅值最大的是哪一次？变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波？其中主要的是哪儿次？
答：单相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有2K (K=l、2、3…)次谐波，其中幅值最大的是2次谐波。变压器二次侧电流中含有2K+l(K=Ⅰ、2,3……)次即奇次谐波，其中主要的有3次、5次谐波。

2.15.三相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有哪些次数的谐波？其中幅值最大的是哪一次？变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波？其中主要的是哪几次？
答：三相桥式全控整流电路的整流输出电压中含有6K(K=l、2、3……)次的谐波，其中幅值最大的是6次谐波。变压器二次侧电流中含有6K+l(K=l、2、3……)次的谐波，其中主要的是5、7次谐波。

2.16.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，晶闸营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。

整流电路多重化的主要目的是什么?
答：整流电路多重化的目的主要包括两个方面：一是可以使装置总体的功率容量大，二是能够减少整流装置所产生的谐波和无功功率对电网的干扰。

2.17.使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么?
答：条件有二：
①直流侧要有电动势，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要求晶闸管的控制角使Ud为负值。

2.18.什么是逆变失败？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。
防止逆变夫败的方法有：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等。

2.19.单相桥式全控整流电路、三相桥式全控整流电路中，当负载分别为电阻负载或电感负载时，要求的晶闸管移相范围分别是多少？
答：单相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，要求的晶闸管移相范围是0~，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是0~。
三相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，要求的晶闸管移相范围是0~，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是0~。

2.20.试说明PWM控制的基本原理。
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 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。
以正弦PWM控制为例。把正弦半波分成N等分，就可把其看成是N个彼此相连的脉 冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积(冲量)相等，就得到PWM波形。各PWM脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。可见，所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。

2.21.什么是PWM整流电路？它和相控整流电路的工作原理和性能有何不同？
答：PWM整流电路就是采用PWM控制的整流电路，通过对PWM整流电路的适当控制，可以使其输入电流十分接近正弦波且和输入电压同相位，功率因数接近l。
相控整流电路是对晶闸管的开通起始角进行控制，属于相控方式。其交流输入电流中含有较大的谐波分量，且交流输入电流相位滞后于电压，总的功率因数低。
PWM整流电路采用SPWM控制技术为斩控方式。其基本工作方式为整流，此时输 入电流可以和电压同相位，功率因数近似为l。
PWM整流电路可以实现能量正反两个方向的流动，既可以运行在整流状态，从交流侧向直流侧输送能量；也可以运行在逆变状态，从直流侧向交流侧输送能量。而且这两种方式都可以在单位功率因数下运行。
此外，还可以使交流电流超前电压，交流电源送出无功功率，成为静止无功功率发生器。或使电流比电压超前或滞后任一角度。

2.22在PWM整流电路中，什么是间接电流控制？什么是直接电流控制？
答：在PWM整流电路中，间接电流控制是按照电源电压、电源阻抗电压及PWM整流器输入端电压的相量关系来进行控制，使输入电流获得预期的幅值和相位，由于不需要引入交流电流反馈，因此称为间接电流控制。
直接电流控制中，首先求得交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，经过比较进行跟踪控制，使输入电流跟踪指令值变化。因为引入了交流电流反馈而称为直接电流控制。

第3章 直流-直流变流电路
1. DC/DC变换器有哪些应用？
答：DC/DC变换器已被广泛应用于直流电动机调速、蓄电池充电、开关电源等方面。特别是在电力牵引方面，如地铁、电气机车等。

2．什么是脉宽调制的占空比？以降压斩波电路为例，说明负载对斩波电路的输出电压有什么影响？
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。，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，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。
3．在图3-1所示的降压斩波电路中，已知Ud＝200V，R=10Ω，L值极大，EM＝30V。采用脉宽调制控制方式，当T＝50μs ，ton＝20μs时，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

输出电流平均值为

5．简述Error! Reference source not found.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,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。设V处于通态的时间为，此阶段电感L上积蓄的能量为E。当V处于断态时E和己共同向电容C充电并向负载R提供能量。设V处于断态的时间为，则在此期间电感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T／1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。
6．在Error! Reference source not found.所示的升压斩波电路中，已知Ud＝50V，L值和C值极大，R=20Ω，采用脉宽调制控制方式，当T＝40μs，ton＝25μs时，计算输出电压平均值Uo和输出电流平均值Io。
解：输出电压平均值为：

输出电流平均值为：

7．试分别简述升降压斩波电路和Cuk斩波电路的基本原理，并比较其异同点。
答：升降压斩波电路的基本原理：当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其贮存能量，此时电流为，方向如图。3-4中所示。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中贮存的能量向负载释放，电流为i2，方向如图3-4所示。可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反。
稳态时，一个周期T内电感L两端电压对时间的积分为零，即

当V处于通态期间，=E：而当V处于断态期间。于是：

改变导通比，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0<<l／2时为降压，当l／2<<l时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。
Cuk斩波电路的基本原理：当V处于通态时，E——V回路和R—-C—V回路分别流过电流。当V处于断态时，回路和R--VD回路分别流过电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。该电路的等效电路如图3-5b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换。
假设电容C很大使电容电压的脉动足够小时。当开关S合到B点时，B点电压=0，A点电压；相反，当S合到A点时，，。因此，B点电压的平均值为(Uc为电容电压“c的平均值)，又因电感Ll的电压平均值为零，所以。另一方面，A点的电压平均值为，且的电压平均值为零，按图3—5b中输出电压Uo的极性，有。于是可得出输出电压Uo与电源电压E的关系：

两个电路实现的功能是一致的，均可方便的实现升降压斩波。与升降压斩波电路相比，Cuk斩波电路有一个明显的优点，其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。

第4章 逆变电路
4.l.无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？
答：两种电路的不同主要是：
有源逆变电路的交流侧接电网即交流侧接有电源。而无源逆变电路的交流侧直接和负载联接。

4.2.换流方式各有那儿种？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追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。

4.3.什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：按照逆变电路直流测电源性质分类，直流侧是电压源的称为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持点是：
①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。
②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。
③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：
①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。
②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。
③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流测电惑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。

4.4.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。

4.5.三相桥式电压型逆变电路，180º导电方式，Ud=100V 。试求输出相电压的基波幅值UUN1m 和有效值UUN1﹑输出线电压的基波幅值UUV1m和有效值 UUV1﹑输出线电压中5次谐波的有效值UUV5 。
解：

4.8..逆变电路多重化的目的是什么？如何实现？串联多重和并联多重逆变电路备用于什么场合？
答：逆变电路多重化的目的之一是使总体上装置的功率等级提高，二是可以改善输出电压的波形。因为无论是电压型逆变电路输出的矩形电压波，还是电流型逆变电路输出的矩形电流波，都含有较多谐波，对负载有不利影响，采用多重逆变电路，可以把几个矩形波组合起来获得接近正弦波的波形。
逆变电路多重化就是把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。组合方式有串联多重和并联多重两种方式。串联多重是把几个逆变电路的输出串联起来，并联多重是把几个逆变电路的输出并联起来。
串联多重逆变电路多用于电压型逆变电路的多重化。
并联多重逆变电路多用于电流型逆变电路的多重化。

第5章
5.1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：:交流调压电路和交流调功电路的电路形式完全相同，二者的区别在于控制方式不同。
交流调压电路是在交流电源的每个周期对输出电压波形进行控制。而交流调功电路是将负载与交流电源接通几个波，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。

5.2.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1/3~1/2。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。

5.3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。