10电力电子技术 计算部分例题.docx
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10电力电子技术计算部分例题
10电力电子技术计算部分例题2013.01
第一章
1.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:
uAK>0且uGK>0。
3.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。
图1-43晶闸管导电波形
解:
a)Id1=
=
(
)
0.2717Im
I1=
=
0.4767Im
b)Id2=
=
(
)
0.5434Im
I2=
=
0.6741Im
c)Id3=
=
Im
I3=
=
Im
4.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
8.全控型器件的缓冲电路的主要作用是什么?
试分析RCD缓冲电路中各元件的作用。
答:
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。
9.试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。
解:
对IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的优缺点的比较如下表:
器件
优点
缺点
IGBT
①开关速度高且开关损耗小;②具有耐脉冲电流冲击能力;③通态压降较低;④输入阻抗高,为电压驱动,驱动功率小
①开关速度低于电力MOSFET;②电压、电流容量不及GTO
GTR
①耐压高、电流大;②开关特性好,通流能力强,饱和压降低
①开关速度低,微电流驱动;②所需驱动功率大;③驱动电路复杂,存在着二次击穿
GTO
①电压、电流容量大,适用于大功率场合;②具有电导调制效应,其通流能力很强
①电流关断增益很小;②关断时门极负脉冲电流大;③开关速度低,驱动功率大,驱动电路复杂,开关频率低
电力MOSFET
①开关速度快,输入阻抗高,热稳定性好;②所需驱动功率小且驱动电路简单;③工作频率不高,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
第二章
2.图2-9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
U2;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。
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的问题。
因为单相全波可控整流电路变压器二次测绕组中,正负半周内上下绕组内电流的方向相反,波形对称,其一个周期内的平均电流为零,故不会有直流磁化的问题。
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2
U2。
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α相同时,对于电阻负载:
(0~α)期间无晶闸管导通,输出电压为0;(α~π)期间,单相全波电路中VT1导通,单相全控桥电路中VT1、VT4导通,输出电压均与电源电压u2相等;(π~π+α)期间,均无晶闸管导通,输出电压为0;(π+α~2π)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:
(α~π+α)期间,单相全波电路中VT1导通,单相全控桥电路中VT1、VT4导通,输出电压均与电源电压u2相等;(π+α~2π+α)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。
3.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。
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=0.9U2cosα=0.9×100×cos30°=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=1002=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。
5.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,变压器二次侧电流有效值I2分别为:
Ud=0.9U2cosα=0.9×100×cos30°=77.97(A)
Id=(Ud-E)/R=(77.97-60)/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的有效值为:
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数值可按晶闸管产品系列参数选取。
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α=0°,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:
11.三相半波可控整流电路,U2=100V,带电阻电感负载,R=5Ω,L值极大,当α=60°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=1.17U2cosα=1.17×100×cos60°=58.5(V)
Id=Ud∕R=58.5∕5=11.7(A)
IdVT=Id∕3=11.7∕3=3.9(A)
IVT=Id∕3=6.755(A)
13.三相桥式全控整流电路,U2=100V,带电阻电感负载,R=5Ω,L值极大,当α=60°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=2.34U2cosα=2.34×100×cos60°=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)
26.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α>π/2,使Ud为负值。
29.什么是逆变失败?
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。
第三章
2.换流方式各有哪几种?
各有什么特点?
答:
换流方式有4种:
①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。
②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。
③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。
④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:
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。
5.三相桥式电压型逆变电路,180°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:
输出相电压的基波幅值为:
第四章
6.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i1,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uL对时间的积分为零,即:
当V处于通态期间,uL=E;而当V处于断态期间,uL=-uo。
于是:
第五章
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α=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α。
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=0.5Ω,L=2mH。
试求:
①开通角α的变化范围;②负载电流的最大有效值;③最大输出功率及此时电源侧的功率因数;④当α=π/2时,晶闸管电流有效值,晶闸管导通角和电源侧功率因数。
3.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周波,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。
4.什么是TCR,什么是TSC?
它们的基本原理是什么?
各有何特点?
答:
TCR是晶闸管控制电抗器。
TSC是晶闸管投切电容器。
二者的基本原理如下:
TCR是利用电抗器来吸收电网中的无功功率(或提供感性的无功功率),通过对晶闸管开通角α角的控制,可以连续调节流过电抗器的电流,从而调节TCR从电网中吸收的无功功率的大小。
TSC则是利用晶闸管来控制用于补偿无功功率的电容器的投入和切除来向电网提供无功功率(提供容性的无功功率)
二者的特点是:
TCR只能提供感性的无功功率,但无功功率的大小是连续的。
实际应用中往往配以固定电容器(FC),就可以在从容性到感性的范围内连续调节无功功率。
TSC提供容性的无功功率,符合大多数无功功率补偿的需要。
其提供的无功功率不能连续调节,但在实用中只要分组合理,就可以达到比较理想的动态补偿效果。
5.单相交交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路有什么不同?
答:
单相交交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路的电路组成是相同的,均由两组反并联的可控整流电路组成。
但两者的功能和工作方式不同。
单相交交变频电路是将交流电变成不同频率的交流电,通常用于交流电动机传动,两组可控整流电路在输出交流电压一个周期里,交替工作各半个周期,从而输出交流电。
而直流电动机传动用的反并联可控整流电路是将交流电变为直流电,两组可控整流电路中哪一组工作并没有像交交变频电路那样的固定交替关系,而是由电动机工作状态的需要决定。
第六章
1.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的环节上时,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等份,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π/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。
3.单极性和双极性PWM调制有什么区别?
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。
6.什么是SPWM波形的规则化采样法?
和自然采样法比规则采样法有什么优点?
答:
规则采样法是一种在采用微机实现时实用的PWM波形生成方法。
规则采样法是在自然采样法的基础上得出的。
规则采样法的基本思路是:
取三角波载波两个正峰值之间为一个采样周期。
使每个PWM脉冲的中点和三角波一周期的中点(即负峰点)重合,在三角波的负峰时刻对正弦信号波采样而得到正弦波的值,用幅值与该正弦波值相等的一条水平直线近似代替正弦信号波,用该直线与三角波载波的交点代替正弦波与载波的交点,即可得出控制功率开关器件通断的时刻。
比起自然采样法,规则采样法的计算非常简单,计算量大大减少,而效果接近自然采样法,得到的SPWM波形仍然很接近正弦波,克服了自然采样法难以在实时控制中在线计算,在工程中实际应用不多的缺点。
第七章
1.高频化的意义是什么?
为什么提高开关频率可以减小滤波器的体积和重量?
为什么提高关频率可以减小变压器的体积和重量?
答:
高频化可以减小滤波器的参数,并使变压器小型化,从而有效的降低装置的体积和重量。
使装置小型化,轻量化是高频化的意义所在。
提高开关频率,周期变短,可使滤除开关频率中谐波的电感和电容的参数变小,从而减轻了滤波器的体积和重量;对于变压器来说,当输入电压为正弦波时,U=4.44.f.N.B.S,当频率f提高时,可减小N、S参数值,从而减小了变压器的体积和重量。
第八章
1.什么是组合变流电路?
答:
组合变流电路是将某几种基本的变流电路(AC/DC、DC/DC、AC/AC、DC/DC)组合起来,以实现一定新功能的变流电路。
2.试阐明图8-1间接交流变流电路的工作原理,并说明该电路有何局限性。
答:
间接交流变流电路是先将交流电整流为直流电,在将直流电逆变为交流电,图8-1所示的是不能再生反馈电力的电压型间接交流变流电路。
该电路中整流部分采用的是不可控整流,它和电容器之间的直流电压和直流电流极性不变,只能由电源向直流电路输送功率,而不能由直流电路向电源反馈电力,这是它的一个局限。
图中逆变电路的能量是可以双向流动的,若负载能量反馈到中间直流电路,导致电容电压升高。
由于该能量无法反馈回交流电源,故电容只能承担少量的反馈能量,这是它的另一个局限。
3.试分析图8-2间接交流变流电路的工作原理,并说明其局限性。
答:
图8-2是带有泵升电压限制电路的电压型间接交流变流电路,它是在图8-1的基础上,在中间直流电容两端并联一个由电力晶体管V0和能耗电阻R0组成的泵升电压限制电路。
当泵升电压超过一定数值时,使V0导通,把从负载反馈的能量消耗在R0上。
其局限性是当负载为交流电动机,并且要求电动机频繁快速加减速时,电路中消耗的能量较多,能耗电阻R0也需要较大功率,反馈的能量都消耗在电阻上,不能得到利用。
4.试说明图8-3间接交流变流电路是如何实现负载能量回馈的。
答:
图8-3为利用可控变流器实现再生反馈的电压型间接交流变流电路,它增加了一套变流电路,使其工作于有源逆变状态。
当负载回馈能量时,中间直流电压上升,使不可控整流电路停止工作,可控变流器工作于有源逆变状态,中间直流电压极性不变,而电流反向,通过可控变流器将电能反馈回电网。
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