电力电子技术自测习题集 NESOYWord下载.docx
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属于单极型电力电子器件的有电力MOSFET,属于双极型器件的有PowerDiode、SCR、GTO、GTR,属于复合型电力电子器件的有IGBT;
在可控的器件中,容量最大的是GTO,工作频率最高的是电力MOSFET,属于电压驱动的是电力MOSFET、IGBT,属于电流驱动的是SCR、GTO、GTR。
简答题:
26.电力电子器件是如何定义和分类的?
同处理信息的电子器件相比,它的特点是什么?
27.应用电力电子器件的系统组成如题图1-27所示,试说明其中保护电路的重要意义?
28.二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂N区的欧姆电阻,阻值较高且为常量,为何二极管在正向电流较大时管压降仍然很低?
29.二极管在恢复阻断能力时为什么会形成反向电流和反向电压过冲?
这与它们的单相导电性能是否矛盾?
这种反向电流在电路使用中会带来什么问题?
30.使晶闸管导通的条件是什么?
答:
使晶闸管导通的条件:
晶闸管承受正向阳极电压,并在门极施加触发电流(脉冲)。
或:
uAK>
0且uGK>
0,直到晶闸管电流达到擎住电流IL以上。
31.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?
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。
32.GTO和普通晶闸管同为PNPN结构,为什么GTO能够自关断,而普通晶闸管不能?
GTO和普通晶闸管同为PNPN结构,由P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2,分别具有共基极电流增益
和
,由普通晶闸管的分析可得,
+
=1是器件临界导通的条件。
>1,两个等效晶体管过饱和而导通;
<1,不能维持饱和导通而关断。
GTO之所以能够自行关断,而普通晶闸管不能,是因为GTO与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同:
1)GTO在设计时
较大,这样晶体管V2控制灵敏,易于GTO关断;
2)GTO导通时的
更接近于1,普通晶闸管
1.15,而GTO则为
1.05,GTO的饱和程度不深,接近于临界饱和,这样为门极控制关断提供了有利条件;
3)多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小,门极和阴极间的距离大为缩短,使得P2极区所谓的横向电阻很小,从而使从门极抽出较大的电流成为可能。
33.GTR的安全工作区是如何定义的?
如题图1-33所示,GTR带电感性负载时,如果不接二极管VD会产生什么问题?
有了二极管VD是否还要加缓冲电路呢?
34.如何防止电力MOSFET因静电感应应起的损坏?
电力MOSFET的栅极绝缘层很薄弱,容易被击穿而损坏。
MOSFET的输入电容是低泄露电容,当栅极开路时极易受静电干扰而充上超过±
20V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。
35.晶闸管的触发电路有哪些要求?
36.GTO与GTR同为电流控制器件,前者的触发信号与后者的驱动信号有哪些异同?
37.IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的驱动电路各有什么特点?
IGBT驱动电路的特点是:
驱动电路具有较小的输出电阻,IGBT是电压驱动型器件,IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。
GTR驱动电路的特点是:
驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿,并有一定的过冲,这样可加速开通过程,减小开通损耗,关断时,驱动电路能提供幅值足够大的反向基极驱动电流,并加反偏截止电压,以加速关断速度。
GTO驱动电路的特点是:
GTO要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够的幅值和陡度,且一般需要在整个导通期间施加正门极电流,关断需施加负门极电流,幅值和陡度要求更高,其驱动电路通常包括开通驱动电路,关断驱动电路和门极反偏电路三部分。
电力MOSFET驱动电路的特点:
要求驱动电路具有较小的输入电阻,驱动功率小且电路简单。
38.全控型器件的缓冲电路的主要作用是什么?
试分析RCD缓冲电路中各组件的作用。
全控型器件缓冲电路的主要作用是抑制器件的内因过电压,du/dt或过电流和di/dt,减小器件的开关损耗。
RCD缓冲电路中,各元件的作用是:
开通时,Cs经Rs放电,Rs起到限制放电电流的作用;
关断时,负载电流经VDs从Cs分流,使du/dt减小,抑制过电压。
39.试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。
器件
优点
缺点
IGBT
开关速度高,开关损耗小,具有耐脉冲电流冲击的能力,通态压降较低,输入阻抗高,为电压驱动,驱动功率小。
开关速度低于电力MOSFET,电压,电流容量不及GTO
GTR
耐压高,电流大,开关特性好,通流能力强,饱和压降低。
开关速度低,为电流驱动,所需驱动功率大,驱动电路复杂,存在二次击穿问题。
GTO
电压、电流容量大,适用于大功率场合,具有电导调制效应,其通流能力很强。
电流关断增益很小,关断时门极负脉冲电流大,开关速度低,驱动功率大,驱动电路复杂,开关频率低。
电力
MOSFET
开关速度快,输入阻抗高,热稳定性好,所需驱动功率小且驱动电路简单,工作频率高,不存在二次击穿问题。
电流容量小,耐压低,一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
计算题:
40.晶闸管在单相正弦有效值电压220V时工作,若考虑晶闸管的安全裕量为2.5,其电压定额应选多大?
41.流经晶闸管的电流波形如题图1-41所示。
试计算电流波形的平均值、有效值及波形系数。
若取安全裕量为2,问额定电流为100A的晶闸管,其允许通过的电流平均值和最大值为多少?
42.在题图1-42电路中,E=50V,R=0.5W,L=0.5H,晶闸管擎住电流为15mA。
要使晶闸管导通,门极触发脉冲宽度至少应为多少?
43.题图1-43中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形,各波形的电流最大值均为Im,试计算各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3与电流有效值I1、I2、I3。
解:
a)Id1=
=
(
)
0.2717Im
I1=
0.4767Im
b)Id2=
0.5434Im
I2=
0.6741I
c)Id3=
Im
I3=
44.上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶闸管能送出的平均电流Id1、Id2、Id3各为多少?
这时,相应的电流最大值Im1、Im2、Im3各为多少?
解:
额定电流IT(AV)=100A的晶闸管,允许的电流有效值I=157A,由上题计算结果知
a)Im1
329.35,Id1
0.2717Im1
89.48
b)Im2
232.90,Id2
0.5434Im2
126.56
c)Im3=2I=314,Id3=
Im3=78.5
第二章整流电路
1.电阻负载的特点是电压与电流成正比,在单相半波可控整流电阻性负载电路中,晶闸管控制角α的最大移相范围是0°
~180°
。
2.阻感负载的特点是流过电感的电流不能发生突变,在单相半波可控整流带阻感负载并联续流二极管的电路中,晶闸管控制角α的最大移相范围是0°
,其承受的最大正反向电压均为
,续流二极管承受的最大反向电压为
(设U2为相电压有效值)。
3.单相桥式全控整流电路中,带纯电阻负载时,α角移相范围为0°
,单个晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压分别为
;
带阻感负载时,α角移相范围为0°
~90°
带反电动势负载时,欲使电阻上的电流不出现断续现象,可在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。
4.单相全控桥反电动势负载电路中,当控制角α大于不导电角d时,晶闸管的导通角q=π-d-α;
当控制角α小于不导电角d时,晶闸管的导通角q=π-2d。
5.从输入输出上看,单相桥式全控整流电路的波形与单相全波的波形基本相同,只是后者适用于低输出电压的场合。
6.电阻性负载三相半波可控整流电路中,晶闸管所承受的最大正向电压UFM等于
,晶闸管控制角α的最大移相范围是150°
,使负载电流连续的条件为α≤30°
(U2为相电压有效值)。
7.三相半波可控整流电路中三个晶闸管的触发脉冲相位按相序依次互差120°
,当它带阻感负载时,a的移相范围为0°
8.三相桥式全控整流电路带电阻负载工作中,共阴极组中处于通态的晶闸管对应的是最高的相电压,而共阳极组中处于导通的晶闸管对应的是最低的相电压;
这种电路α角的移相范围是0°
~120°
,ud波形连续的条件是α≤60°
9.对于三相半波可控整流电路,考虑换相重迭角的影响,将会使得输出电压平均值Ud减小。
10.电容滤波单相不可控整流带电阻负载电路中,空载时,输出电压为
,随负载加重Ud逐渐趋近于
,通常设计时,应取RC≥
T,此时输出电压为(U2为相电压有效值)Ud≈1.2U2。
11.电容滤波三相不可控整流带电阻负载电路中,电流id断续和连续的临界条件是
,电路中的二极管承受的最大反向电压为
U2。
12.实际工作中,整流电路输出的电压是周期性的非正弦函数,当α从0°
变化时,整流输出的电压ud的谐波幅值随α的增大而增大,当α从90°
变化时,整流输出的电压ud的谐波幅值随α的增大而减小。
13.三相桥式全控整流电路带阻感负载时,设交流侧电抗为零,直流电感L为足够大。
当α=30°
时,三相电流有效值与直流电流的关系为I=
Id,交流侧电流中所含的谐波次数为
,其整流输出电压中所含的谐波次数为
。
14.带平衡电抗器的双反星形可控整流电路适用于低电压大电流的场合,当它带电感负载时,移相范围是0°
,带电阻负载时,移相范围是0°
;
如果不接平衡电抗器,则每管最大的导通角为60°
,每管的平均电流为1/6Id。
15.多重化整流电路可以提高功率因数,其中移相多重联结有并联多重联结和串联多重联结两大类。
16.逆变电路中,当交流侧和电网连结时,这种电路称为有源逆变,欲实现有源逆变,只能采用全控整流电路,当控制角0<
α<
π/2时,电路工作在整流状态;
π/2<
α<
π时,电路工作在逆变状态。
17.在整流电路中,能够实现有源逆变的有单相全控桥、三相全控桥等(可控整流电路均可),其工作在有源逆变状态的条件是π/2<
α使Ud为负值和要有直流电动势,其极性需和晶闸管的导通方向一致,其值应大于变流器直流侧的平均电压。
18.晶闸管直流电动机系统工作于整流状态,当电流连续时,电动机的机械特性为一组硬特性曲线,当电流断续时,电动机的理想空载转速将降低,随α的增加,进入断续区的电流增加。
19.直流可逆电力拖动系统中电动机可以实现四象限运行,当其处于第一象限时,电动机作电动机运行,电动机正转,正组桥工作在整流状态;
当其处于第四象限时,电动机做发电回馈制动运行,电动机反转,反组桥工作在逆变状态。
20.大、中功率的变流器广泛应用的是晶闸管相位控制方式触发电路,同步信号为锯齿波的触发电路,可分为三个基本环节,即脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相和同步环节。
21.如题图2-21所示的单相桥式半控整流电路中可能发生失控现象,何为失控,怎样抑制失控?
22.单相全波可控整流电路与单相桥式全控整流电路从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的,那么二者是否有区别呢?
23.三相半波整流电路,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,其分段布置及其向量如题图2-23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?
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,a1的电流向下流,c2的电流向上流;
当c1b2对应的晶闸管导通时,c1的电流向下流,b2的电流向上流;
当b1a2对应的晶闸管导通时,b1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120)由电流流过,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。
24.三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?
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180°
25.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α,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?
相差180°
26.题图2-26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:
①晶闸管承受的最大反向电压为2
②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。
27.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,其它晶闸管受什么影响?
28.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?
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0~180,当负载为电感负载时,要求的晶闸管移相范围是0~90。
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0~120,当负载为电感负载时,要求的晶闸管移相范围是0~90。
29.三相全控桥,电动机负载,要求可逆,整流变压器的接法是D,y-5,采用NPN锯齿波触发器,并附有滞后30°
的RC滤波器,决定晶闸管的同步电压和同步变压器的联结形式。
30.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?
其中主要的是哪几次?
单相桥式全控整流电路,其整流输出电压中含有2k(k=1、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+1(k=1、2、3……)次即奇次谐波,其中主要的有3次、5次谐波。
31.三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?
三相桥式全控整流电路的整流输出电压中含有6k(k=1、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6k1(k=1、2、3……)次的谐波,其中主要的是5、7次谐波。
32.变压器漏感对整流电路有何影响?
33.无功功率和谐波对公用电网分别有那些危害?
34.单相桥式不可控整流带电容滤波电路和三相桥式不可控整流带电感电路,它们交流侧谐波组成有什么规律?
35.整流电路的输出电压和电流是周期性的非正弦波,试以α=0°
为例,分析此时整流电压、电流中的谐波关系。
36.12脉波、24脉波整流电路的整流输出电压和交流输入电流中各含哪些次数的谐波?
12脉波电路整流电路的交流输入电流中含有11次、13次、23次、25次等即12k1(k=1,2,3·
·
)次谐波,整流输出电压中含有12、24等即12k(k=1,2,3·
)次谐波。
24脉波整流电路的交流输入电流中含有23次、25次、47次、49次等,即24k1(k=1,2,3·
)次谐波,整流输出电压中含有24、48等即24k(k=1,2,3·
37.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?
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。
38.整流电路多重化的主要目的是什么?
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。
39.使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么?
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α>
π/2,使Ud为负值。
40.什么是逆变失败?
如何防止逆变失败?
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。
41.晶闸管通态平均电流IT=100A,当流过晶闸管的实际电流如题图2-41所示,求允许平均电流Id的值(不考虑环境温度与安全裕量)?
42.单相半波可控整流电路对电感负载供电,L=20mH,U2=100V,求当α=0°
和60°
时的负载电流Id,并画出ud与id波形。
43.单相桥式全控整流电路,U2=100V,负载中R=2Ω,L值极大,当α=30°
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。
44.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。
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图3-18所示。
45.单相桥式全控整流电路,U2=100V,负载中R=2Ω,L值极大,反电势E=60V,当a=30°
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;
46.单相桥式全控整流电路带电阻负载工作,设交流电压有效值U2=220V,控制角α=π/3rad,负载电阻Rd=5W,试求:
(1)输出电压的平均值Ud;
(2)输出电流有效值I。
47.三相桥式全控整流电路带电阻负载工作,设交流电压有效值U2=400V,负载电阻Rd=10W,控制角α=p/2rad,试求:
(1)输出电压平均值Ud;
(2)输出电流平均值Id。
48.晶闸管串联的单相半控桥(桥中VT1、VT2为晶闸管,电路如题图2-48所示,U2=100V,电阻电感负载,R=2Ω,L值很大,当α=60°
时求流过器件电流的有效值,并作出ud、id、iVT、iD的波形。
49.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
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