电力电子技术习题与解答.docx
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电力电子技术习题与解答
思考题与习题
2.1什么是整流?
它与逆变有何区别?
答:
整流就是把交流电能转换成直流电能,而将直流转换为交流电能称为逆变,它是对应于整流的逆向过程。
2.2单相半波可控整流电路中,如果:
(1)晶闸管门极不加触发脉冲;
(2)晶闸管内部短路;
(3)晶闸管内部断开;
试分析上述三种情况负载两端电压ud和晶闸管两端电压uT的波形。
答:
(1)负载两端电压为0,晶闸管上电压波形与U2相同;
(2)负载两端电压为U2,晶闸管上的电压为0;
(3)负载两端电压为0,晶闸管上的电压为U2。
2.3某单相全控桥式整流电路给电阻性负载和大电感负载供电,在流过负载电流平均值相同的情况下,哪一种负载的晶闸管额定电流应选择大一些?
答:
带大电感负载的晶闸管额定电流应选择小一些。
由于具有电感,当其电流增大时,在电感上会产生感应电动势,抑制电流增加。
电阻性负载时整流输出电流的峰值大些,在流过负载电流平均值相同的情况下,为防此时管子烧坏,应选择额定电流大一些的管子。
2.4某电阻性负载的单相半控桥式整流电路,若其中一只晶闸管的阳、阴极之间被烧断,试画出整流二极管、晶闸管两端和负载电阻两端的电压波形。
解:
设α=0,T2被烧坏,如下图:
2.5相控整流电路带电阻性负载时,负载电阻上的Ud与Id的乘积是否等于负载有功功率,为什么?
带大电感负载时,负载电阻Rd上的Ud与Id的乘积是否等于负载有功功率,为什么?
答:
相控整流电路带电阻性负载时,负载电阻上的平均功率不等于负载有功功率。
因为负载上的电压、电流是非正弦波,除了直流Ud与Id外还有谐波分量和,负载上有功功率为>。
相控整流电路带大电感负载时,虽然Ud存在谐波,但电流是恒定的直流,故负载电阻Rd上的Ud与Id的乘积等于负载有功功率。
2.6某电阻性负载要求0~24V直流电压,最大负载电流Id=30A,如采用由220V交流直接供电和由变压器降压到60V供电的单相半波相控整流电路,是否两种方案都能满足要求?
试比较两种供电方案的晶闸管的导通角、额定电压、额定电流、电路的功率因数及对电源容量的要求。
解:
采用由220V交流直接供电当时:
Udo=0.45U2=0.45220=99V
由变压器降压到60V供电当时:
Ud=0.45U2=0.4560=27V
因此,只要调节都可以满足输出0~24V直流电压要求。
(1)采用由220V交流直接供电时:
,
Ud==24V时
取2倍安全裕量,晶闸管的额定电压、额定电流分别为622V和108A。
电源提供有功功率
电源提供视在功率
电源侧功率因数
(2)采用变压器降压到60V供电:
,
Ud==24V时 ,
取2倍安全裕量,晶闸管的额定电压、额定电流分别为168.8V和65.4A。
变压器二次侧有功功率
变压器二次侧视在功率
电源侧功率因数
2.7某电阻性负载,Rd=50Ω,要求Ud在0~600V可调,试用单相半波和单相全控桥两种整流电路来供给,分别计算:
(1)晶闸管额定电压、电流值;
(2)连接负载的导线截面积(导线允许电流密度j=6A/mm2);
(3)负载电阻上消耗的最大功率。
解:
(1)单相半波时,,
晶闸管的最大电流有效值
晶闸管额定电流为IT(AV)12(A)
晶闸管承受最大电压为=1885V
取2倍安全裕量,晶闸管的额定电压、额定电流分别为4000V和30A。
所选导线截面积为
负载电阻上最大功率
(2)单相全控桥时,,
负载电流有效值(Kf=1.11)
晶闸管的额定电流为IT(AV)6(A)IT=
晶闸管承受最大电压为=1885V
取2倍安全裕量,晶闸管的额定电压、额定电流分别为4000V和20A。
所选导线截面积为
负载电阻上最大功率
2.8整流变压器二次侧中间抽头的双半波相控整流电路如图题2.8所示。
(1)说明整流变压器有无直流磁化问题?
(2)分别画出电阻性负载和大电感负载在α=60°时的输出电压Ud、电流id的波形,比较与单相全控桥式整流电路是否相同。
若已知U2=220V,分别计算其输出直流电压值Ud。
(3)画出电阻性负载α=60°时晶闸管两端的电压uT波形,说明该电路晶闸管承受的最大反向电压为多少?
图题2.8
解:
(1)因为在一个周期内变压器磁通增量为零,所以没有直流磁化。
(2)其波形如下图所示,与单相全控桥式整流电路相同。
电阻性负载:
感性负载:
(3)其波形如下图所示,晶闸管承受的最大反向电压为。
2.9带电阻性负载三相半波相控整流电路,如触发脉冲左移到自然换流点之前15°处,分析电路工作情况,画出触发脉冲宽度分别为10°和20°时负载两端的电压ud波形。
解:
三相半波相控整流电路触发脉冲的的最早触发时刻在自然换流点,如触发脉冲左移到自然换流点之前15°处,触发脉冲宽度为10°时,不能触发晶闸管,ud=0。
触发脉冲宽度为15°时,能触发晶闸管,其波形图相当于α=0°时的波形。
2.10三相半波相控整流电路带大电感负载,Rd=10Ω,相电压有效值U2=220V。
求α=45°时负载直流电压Ud、流过晶闸管的平均电流IdT和有效电流IT,画出ud、iT2、uT3的波形。
解:
1.17
因为:
220V,
Ud=1.17=182V
ud、iT2、uT3波形图如下所示:
2.11在图题2.11所示电路中,当α=60°时,画出下列故障情况下的ud波形。
(1)熔断器1FU熔断。
(2)熔断器2FU熔断。
(3)熔断器2FU、3FU同时熔断。
图题2.11
解:
这三种情况下的波形图如下所示:
(a)
(b)
(c)
2.12现有单相半波、单相桥式、三相半波三种整流电路带电阻性负载,负载电流Id都是40A,问流过与晶闸管串联的熔断器的平均电流、有效电流各为多大?
解:
设
单相半波:
IdT=Id=40A
(Kf=1.57)
单相桥式:
IdT=Id=20A
三相半波:
IdT=Id=13.3A
当时Ud=1.17UU=Ud/1.17
时
2.13三相全控桥式整流电路带大电感负载,负载电阻Rd=4Ω,要求Ud从0~220V之间变化。
试求:
(1)不考虑控制角裕量时,整流变压器二次线电压。
(2)计算晶闸管电压、电流值,如电压、电流取2倍裕量,选择晶闸管型号。
解:
(1)因为Ud=2.34U;不考虑控制角裕量,时
(2)晶闸管承受最大电压为
取2倍的裕量,URM=460.6V
晶闸管承受的平均电流为IdT=Id
又因为
所以IdT=18.33A,取2倍的裕量IdTmax=36.67(A)
选择KP50—5的晶闸管。
2.14单结晶体管触发电路中,作为Ubb的削波稳压管两端如并接滤波电容,电路能否正常工作?
如稳压管损坏断开,电路又会出现什么情况?
答:
在稳压管两端如并接滤波电容后,电路能否正常工作。
如稳压管损坏断开,单结晶体管上峰值电压太高,不利于单结晶体管工作。
2.15三相半波相控整流电路带电动机负载并串入足够大的电抗器,相电压有效值U2=220V,电动机负载电流为40A,负载回路总电阻为0.2Ω,求当α=60°时流过晶闸管的电流平均值与有效值、电动机的反电势。
解:
电流平均值为:
IdT=Id=40/3=13.3
电流有效值为:
设电动机的反电势为ED,则回路方程为:
而
所以
2.16三相全控桥电路带串联Ld的电动机负载,已知变压器二次电压为100V,变压器每相绕组折合到二次侧的漏感L1为100μH,负载电流为150A,求:
(1)由于漏抗引起的换相压降;
(2)该压降所对应整流装置的等效内阻及α=0°时的换相重叠角。
解:
(1)
(2)
等效内阻
2.17晶闸管装置中不采用过电压、过电流保护,选用较高电压和电流等级的晶闸管行不行?
答:
晶闸管装置中必须采用过电压、过电流保护,而不能用高电压、高电流的晶闸管代替,因为在电感性负载装置中,晶闸管在开关断过程中,可能会出现过冲阳极电压,此时极易损坏晶闸管。
当未采取过电流保护,而电路过载或短路时更易损坏晶闸管。
2.18什么是有源逆变?
有源逆变的条件是什么?
有源逆变有何作用?
答:
如果将逆变电路交流侧接到交流电网上,把直流电逆变成同频率的交流电,反送到电网上去称为有源逆变。
有源逆变的条件:
(1)一定要有直流电动势,其极性必须与晶闸管的导通方向一致,其值应稍大于变流器直流侧的平均电压;
(2)变流器必须工作在的区域内使Ud<0。
有源逆变的作用:
它可用于直流电机的可逆调速,绕线型异步电动机的串级调速,高压电流输电太阳能发电等方面。
2.19无源逆变电路和有源逆变电路有何区别?
答:
有源逆变电路是把逆变电路的交流侧接到电网上,把直流电逆变成同频率的交流反送到电网去。
无源逆变电路的交流侧直接接到负载,将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流供给负载。
2.20有源逆变最小逆变角受哪些因素限制?
为什么?
答:
最小有源逆变角受晶闸管的关断时间tq折合的电角度、换相重叠角以及安全裕量角的限制。
如果不能满足这些因素的要求的话,将导致逆变失败。
第3章思考题与习题
3.1开关器件的开关损耗大小同哪些因素有关?
答:
开关损耗与开关的频率和变换电路的形态性能等因素有关。
3.2试比较Buck电路和Boost电路的异同。
答;相同点:
Buck电路和Boost电路多以主控型电力电子器件(如GTO,GTR,VDMOS和IGBT等)作为开关器件,其开关频率高,变换效率也高。
不同点:
Buck电路在T关断时,只有电感L储存的能量提供给负载,实现降压变换,且输入电流是脉动的。
而Boost电路在T处于通态时,电源Ud向电感L充电,同时电容C集结的能量提供给负载,而在T处于关断状态时,由L与电源E同时向负载提供能量,从而实现了升压,在连续工作状态下输入电流是连续的。
3.3试简述Buck-Boost电路同Cuk电路的异同。
答:
这两种电路都有升降压变换功能,其输出电压与输入电压极性相反,而且两种电路的输入、输出关系式完全相同,Buck-Boost电路是在关断期内电感L给滤波电容C补充能量,输出电流脉动很大,而Cuk电路中接入了传送能量的耦合电容C1,若使C1足够大,输入输出电流都是平滑的,有效的降低了纹波,降低了对滤波电路的要求。
3.4试说明直流斩波器主要有哪几种电路结构?
试分析它们各有什么特点?
答:
直流斩波电路主要有降压斩波电路(Buck),升压斩波电路(Boost),升降压斩波电路(Buck-Boost)和库克(Cook)斩波电路。
降压斩波电路是:
一种输出电压的平均值低于输入直流电压的变换电路。
它主要用于直流稳压电源和直流直流电机的调速。
升压斩波电路是:
输出电压的平均值高于输入电压的变换电路,它可用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。
升降压变换电路是输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压,输出电压与输入电压极性相反。
主要用于要求输出与输入电压反向,其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。
库克电路也属升降压型直流变换电路,但输入端电流纹波小,输出直流电压平稳,降低了对滤波器的要求。
3.5试分析反激式和正激式变换器的工作原理。
答:
正激变换器:
当开关管T导通时,它在高频变压器初级绕组中储存能量,同时将能量传递到次级绕组,根据变压器对应端的感应电压极性,二极管D1导通,此时D2反向截止,把能量储存到电感L中,同时提供负载电流;当开关管T截止时,变压器次级绕组中的电压极性反转过来,使得续流二极管D2导通(而此时D1反向截止),储存在电感中的能量继续提供电流给负载。
变换器的输出电压为:
反激变换器:
当开关管T导通,
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