电力电子技术答案.docx
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电力电子技术答案
电力电子技术答案
电力电子技术习题解答
习题一
1、晶闸管正常导通的条件是什么,导通后流过的电流由什么决定?
晶闸管关断的条
件是什么,如何实现?
答:
使晶闸管导通的条件是:
晶闸管承受正向阳极电压(UAk>0),并在门极施加触发
电流(UGk>0)o要使晶闸管由导通转为关断,可利用外加反向电压或由外电路作用使流过晶闸管的电流降到维持电流以下,便可使导通的晶闸管关断
2、有时晶闸管触发导通后,触发脉冲结束后它又关断了,是何原因?
答:
这是由于晶闸管的阳极电流Ia没有达到晶闸管的擎住电流(Il)就去掉了触发脉冲,这种情况下,晶闸管将自动返回阻断状态。
在具体电路中,由于阳极电流上升到擎住电流需要一定的时间(主要由外电路结构决定),所以门极触发信号需要保证一定的宽度。
3、图1-32中的阴影部分表示流过晶闸管的电流波形,其最大值均为山,试计算各波
形的电流平均值、有效值。
如不考虑安全裕量,额定电流100A的晶闸管,流过上述电
流波形时,允许流过的电流平均值Id各为多少?
/w/isr
°|兀兀4/32兀7/3E0
(c)
i
HH2兀7/3粧
(d)
&
0
亠t
0
0
兀
兀
兀2兀
(a)
兀2兀
(b)
兀2兀9/4
(e)
二5/42二9/4
(f)
图1-32
习题3附图
解:
(a)Ida1
jrd
、lmSin(t)d(t)=丄21
咗:
0.31831m
iI~1I
:
(Imsin国t)d@t)=JUJ0;(1_cos2①t)d(⑹)=专
-2
m二1
额定电流
平均值为:
(b)
额定电流
平均值为:
(c)
额定电流
平均值为:
(d)
额定电流
平均值为:
100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A,则山=215^314(A);
ImIda-=100A。
Idb=
jr2
、ImSin(.t)d(.t)Im:
0.63661m
Ib二
二1
2
sin-4)d(・,t)=
巴(1-cos2cct)d(朋)=淫
0,
100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A,则lm=』2157“222(A);
Idb=0.6366lm141.33(A)。
Idc=
lmSin(.t)d(・t)=—lm:
0.47751m
I^J1fj[(lmsi^t)2d^t^皑(1—c°s2cot)d(cot)
「3.■-32
im
JI
0.6342Im
38
100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A,则
ldc=0.47751m118.21(A)。
Idd
-Jsin(t)d(t)=丄3I
2…孑
也:
0.23871m
4■:
157
」0634T247.56(A);
I
(1-cos2,t)d(,t)
lmsin,t)2d(,t)=
](£+彳)=0.4485Im
100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A,则lm157350.06(A);
0.4485
ldd=0.2387|m:
83.56(A)。
(e)
Ide=丄°4imd(・t)二
2兀
-Im=0.125lm2二4
J1n
le石『lm2d(cot)^0.3536*
额定电流
100A的晶闸管允许流过的电流有效值为
157A,
则Im
157444.00(A);
0.3536
平均值为:
Ide二0・125lm二55.5(A)o
(f)
1
Idf
JI
;lmd(・t)二一一Im=0.25lm
If
、4壮(・,t)=0.5*
额定电流
100A的晶闸管允许流过的电流有效值为
157A,
则:
-二157=314(A);
0.5
平均值为:
ldf=0.25314=78.5(A)
4、为什么晶闸管不能用门极负脉冲信号关断阳极电流,而GTO却可以?
答:
GTC和普通晶闸管同为PNPN吉构,由P1NP2和N1P2N2构成两个晶体管V、V2分别具有共基极电流增益a1和a2,由普通晶闸管得分析可得,a1+a2=1是器件临界导通
的条件。
a1+a2>1两个晶体管饱和导通;a1+a2<1不能维持饱和导通而关断。
GTO能关断,而普通晶闸管不能是因为GTC在结构和工艺上有以下几点不同:
A多元集成结构使每个GTC元的阴极面积很小,门极和阴极的距离缩短,从而使从门极抽出较大的电流成为可能。
BGTO导通时a1+a2更接近1,晶闸管a1+a2>1.15,而GTC则为a1+a2〜1.05,饱和程度不深,在门极控制下易于退出饱和。
CGTO在设计时,a2较大,晶体管V2控制灵敏,而a1很小,这样晶体管V1的集电极电流不大,易于从门极将电流抽出,从而使GTC关断。
5、GTC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?
答:
二者都是电流型驱动型器件,其开通和关断都要求有相应的触发脉冲,要求其触发电流脉冲的上升沿陡且实行强触发。
GTR要求在导通期间一直提供门极触发电流信
号,而GTO当器件导通后可以去掉门极触发电流信号;GTO的电流增益(尤其是关断电
流增益很小)小于GTR无论是开通还是关断都要求触发电流有足够的幅值和陡度,其对触发电流信号(尤其是关断门极负脉冲电流信号)的要求比GTR高。
6、试比较GTRGTOMOSFETIGBT之间的差异和各自的优缺点
答:
见下表
器件
优点
缺点
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,电流驱动型需要驱动功率大,驱动电路复杂,存在2次击穿冋题
GTO
电压、电流容量很大,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,驱动功率很大,驱动电路复杂,开关频率低
MOSFET
开关速度快,开关损耗小,工作频率咼,门极输入阻抗咼,热稳定性好,需要的驱动功率小,驱动电路简单,没有2次击穿问题
电流容量小,耐压低,通态损耗较大,一般适合于咼频小功率场合
IGBT
开关速度高,开关损耗小,通态压降低,电压、电流容量较高。
门极输入阻抗高,驱动功率小,驱动电路简单
开关速度不及电力MOSFET电压、电流容量不及GTO
习题二
1、单相桥式全控整流电路接电阻性负载,要求输出电压在0〜100V连续可调,输出电
压平均值为30V时,负载电流平均值达到20A。
系统采用220V的交流电压通过降压变压器供电,且晶闸管的最小控制角amin=30°,(设降压变压器为理想变压器)。
试
求:
(1)变压器二次侧电流有效值I2;
(2)考虑安全裕量,选择晶闸管电压、电流定额;
(3)作出a=60°时,Ud、id和变压器二次侧i2的波形。
解:
由题意可知负载电阻^Ud^30=1.5欧,
Id20
单相全控整流的直流输出电压为Ud二刘2(1cos:
)
兀
直流输出电压最大平均值为100V,且此时的最小控制角为amin=30°,带入上式
可求得
匕=‘00“Z19(V)
V2X1.866
(1)
I2
a
:
'79.33
兀-a
ji
sin2:
2二
(2)晶闸管的电流有效值和承受电压峰值分别为
Ivt
78.18
:
55.28(A)
UVT=沁2=168.29(V)
考虑3倍余量,选器件耐压为168X3=500V;额定电流为(55.28/1.57)X3
=100A
(3)
Udi
jff
、4
r\.
0
「屮/3
n/31
/I
*
*jL、—*
id」
s
/
¥—
K-
0
i2」
h.
%h
A
r1
、
A
\
z‘
•r
J
!
/⑹匚丿
0
©t
2、试作出图2-7(第44页)所示的单相桥式半控整流电路带大电感负载,在a=30
时的w、id、ivti、ivd4的波形。
并计算此时输出电压和电流的平均值。
解:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
.0
iVT1
iVD4
0
.iVT2
iJ^fV2
'id
L
Ud
R
U2*
0
Udj
*‘t
id
3
Id
kt
0
Id
la:
0U
ivd;
0
0
Id_T_
输出电压和电流的平均值分别为:
b
dH
1+cosot
5=0.9丄0.84丄
2
Id二巴=0.9出
RR
1亠cos、:
2
=0.84
U2
3、单相桥式全控整流电路,12=100V,负载中R=2?
L值极大,反电动势E=60V,
当a=30°时,试求:
(1)作出Ud、id和i2的波形;
(2)求整流输出电压平均值U、电流Id,以及变压器二次侧电流有效值丨2。
解:
整流输出电压平均值U、电流Id,以及变压器二次侧电流有效值I2分别为:
Ud“9U2COS-0.9100—77.94(V)
2
_Ud-E
-R
77.94-60
2
:
■8.97(A)
12=ld=8.97(A)
iJT^V
12
a
L
Ud
U2
R
U2
*t
0
id
J
a)
b
申
Pm
PM
Cm
0
7
'iff
Al
\M1F
恳t
Ud
id*
0
0
R=4Q,
4、某一大电感负载采用单相半控桥式整流接有续流二极管的电路,负载电阻
电源电压L2=220V,a=n/3,求:
(1)输出直流平均电压和输出直流平均电流;
(2)流过晶闸管(整流二极管)的电流有效值;
(3)流过续流二极管的电流有效值。
解:
(1)电路波形图见第2题
Ud=0.9U2—=0.92200.75=148.5(V)
2
Id
148.5
4
=37.125(A)
(2)
山需賈呻)二才穿町如)
(3)
ID
21.43(A)
180度,见下图
VTi
VT2
cVT3
L
id
Ud
R
共阴极三相半波
Ub
Ud&
共阳极换相点
ia
共阴极换相点
Ua
共阳极三相半波
id
R
5、三相半波可控整流电路的共阴极接法和共阳极接法,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?
试作出共阳极接法的三相半波可控的整流电路在a=30°时的Ud、iVT1、UVT1的波形。
解:
a、b两相的自然换相点不是同一点,它们在相位上差多少
共阳极接法的三相半波可控的整流电路在a=30°时的Ud、ivTi、UVT1的波形如下图
iVT1JL
Uc
Ua
--t
id
UVT#,
UbaUca
--t
6、三相半波可控整流电路带大电感性负载,a=n13,F=2Q,U2=220V,试计算负载
电流Id,并按裕量系数2确定晶闸管的额定电流和电压。
解:
Ud=1.17U2COS:
=1.172200.5=128.7(V)
128.7
2
=64.35(A)
R
Id
:
•0.5771
:
-37.13(A)
按裕量系数2确定晶闸管的电流定额为:
出247.3050(A);电压定额
1.57
为:
6U22-1077:
1200(V)
7、三相桥式全控整流电路,U2=100V,带阻感性负载,R=5?
L值极大,当a=
60°,试求:
(1)作出Ud、id和S的波形;
(2)计算整流输出电压平均值U、电流Id,以及流过晶闸管电流的平均值IdVT和有效值IVT;
(3)求电源侧的功率因数;
(4)估算晶闸管的电压、电流定额。
解:
(1)
⑵Ud=2.34U2COS:
=2.341000.5=117(V)
Ud
二平-23.4(A)
需二牛=7.8(A)
&J:
13.51(A)
3
(3)由功率因数的定义知:
■=11cos=0.955cos=0.955*0.5=0.4775
I1
(4)按2倍余量估算,晶闸管的电压定额为:
6U22=61002:
489.90:
500(V);
晶闸管的电流定额为:
特2二需2w(A)
8、三相桥式不控整流电路带阻感性负载,R=5?
L=r,U=220V,Xb=0.3?
,求
U、Id、IVD、I2和Y的值,并作出Ud、iVD1和i2的波形
0度时的情况,
解:
三相桥式不控整流电路相当于三相桥式全控整流电路在触发角为贝V
mXb6汇0.3
Ud=2.34U2cos-Id=2.34U2COSId
2兀2兀
UdUd
Id二二
R5
代入已知量联立求解上述
2个方程可得:
Ud=486.90(V)
Id=97.38(A)
二极管的电流平均值为:
心苧竽®6⑴
变压器二次侧电流有效值为:
d
:
79.51(A)
2xI
由cosa-cos(a中?
)=£d可得
g6U2
1_cosF=2XBId_=20.397.38:
0.1084;cosUO.8916;:
26.93
V6U276x220
Ud、iVD1和i2的波形的波形如下:
U
U
2
3
9、请说明整流电路工作在有源逆变时所必须具备的条件。
答:
(1)外部条件一一直流侧应有能提供逆变能量的直流电动势,其极性与晶闸
管导通方向一致,其值大于变流器直流侧的平均电压。
(2)内部条件一一变流器直流
侧输出直流平均电压必须为负值,即a>n/2,Ud<0。
以上两条件必须同时满足,才能
实现有源逆变。
10、什么是逆变失败?
如何防止逆变失败?
答:
当变流器工作于逆变工况时,一旦由于触发脉冲丢失、突发电源缺相或断相等原因造成换流失败,将使输出电压Ud进入正半周,与Em顺向连接,由于回路电阻很
小,造成很大的短路电流,这种情况叫逆变失败或逆变颠覆。
为了保证逆变电路的正常工作,必须1)选用可靠的触发器,2)正确选择晶闸管
的参数,3)采取必要的措施,减小电路中du/dt和di/dt的影响,以免发生误导通,4)保证交流电源的质量,5)逆变角卩的角度有一最小限制,留出充足的换向余量角。
11、三相全控桥式变流器,已知L足够大、R=1.2◎、U=200V、Ef—300V,电动机运
行于发电制动状态,制动过程中的负载电流为66A,问此时变流器能否实现有源逆
变?
若能求此时的逆变角卩。
解:
电动机处于发电制动状态可以提供逆变能量,满足有源逆变的外部条件,可以实现有源逆变。
三相全控桥式变流器处于有源逆变时有:
Ud=2.34U2cos;:
=2.34U2cos(叮「药
(1)
而Id=Ud_Em,即66=Ud300,Ud-—220.8(V)
R1.2
将Ud=~220.8(V)带入
(1)式可得:
-220.8=2.34200cosg「:
:
);一:
=61.85或:
=118.1590。
12、三相全控桥式变流器,带反电动势阻感负载,已知R=1?
L=丰U=220V,
LB=1mH当Em=-400V,卩=60°时求U、Id和丫的值,及此时送回电网的有功功率是多少?
解:
Ud=2.34U2COS:
mXbI
Id
2二
=2.34U2co^6LB
Id
._Ud—Em
I^^_
代入已知量联立求解上述
2个方程可得:
U
d
Id
--290.31(V)
=109.69(A)
由换流重叠角公式可得:
cos-・_cos(-・•)=2XBh=20.3142109.69=0.1279V6U2220ys
cos(120°)=-0.1279-COS120=-0.6279
;即=8.90
送回电网的有功功率为:
P=EmId-ld2R=400109.69—109.6921=31.84(kW)。
13、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?
其中最大的是
哪一次?
变压器二次电流中含有哪些次数的谐波?
其中主要的是哪几次?
对于m相
全控整流电路呢?
答:
三相桥式全控整流电路,其整流输出电压中含有6k(k=1、2、3…)次的谐波,其
中最大的是6次谐波。
变压器二次电流中含有6k±1(k=1、2、3…)次的谐波,其中主要的是哪5、7次谐波。
对于m相全控整流电路,其整流输出电压中含有2mk(k=1、2、3…)次的谐波,
其中最大的是2m次谐波。
变压器二次电流中含有2mk±1(k=1、2、3…)次的谐波,其中主要的是哪2mk±1次谐波。
23、
14、试计算第3题(单相桥式全控整流电路)中i2的3、5、7次谐波分量的有效值II25、I27,并计算此时该电路的输入功率因数。
解:
由第3题的解答可知:
12=ld-8.97(A),贝V
I23
22Id228.97
3兀
:
、2.69(A);—互=^^1.62A
I27
2-2Id228.97
1.15(A)
基波有效值121
二但:
.8.08(A)
I808
输入功率因数‘十。
…両沁“90cos30"7794。
15、试计算第7题(三相桥式全控整流电路)中的i2的5、7次谐波分量的有效值|25、
I27o
解:
由第7题的解答可知:
Id=UL-23.4(A),则
R5
6Id623.4
I25
5二5二
:
3.65(A)
I27
壬丄空2.61(A)o
16、三相晶闸管桥式全控整流器接至10.5kV交流系统。
已知10kV母线的短路容量为
150MVA整流器直流侧电流Id=400A,触发延迟角a=15°,不计重叠角Y,试
求:
(1)基波功率因数COS01、整流器的功率因数入;
(2)整流侧直流电压Ud;
(3)有功功率、无功功率和交流侧基波电流有效值;
(4)截止到23次的各谐波电流的大小、总谐波畸变率。
解:
(1)cos1=cos:
-cos15'00.9659
怎=0.955cos1=0.9550.9659:
0.9224
⑵Ud
=2.34U2cos:
=2.34
10.5
3
cos15:
13.70(kV)
(3)基波电流有效值
厂厂
121二一6^=上400311.88(A)
nji
总电流有效值
400:
326.60(A)
有功功率
310.5326.600.9224■5478.80(kW)
无功功率
q»S2_P2=.(310.5326.60)2-5478.80:
2294.13(kVAR)
(4)仅含有6k±1
(k=1、2、3…)次的谐波,
I25
6400"2.38(A);127
6|6
1d
亍1“无400、44.55(A)
I211
640^.28.35(A);
11■:
17、
答:
_6Id
6
13二
"137:
卫I
d
19二
19二
I213
1219
400:
23.99(A)
400:
16.41(A)
I217J
177:
ccd
23二
1223
THDj
100%
丄400“8.35(A);
17二
6
6400:
-13.56(A);总谐波畸变率为:
23二
.62.3844.5528.3523.9918.3516.4113.56
100%
311.88
=28.76%
晶闸管整流电路的功率因数是怎么定义的?
它与那些因素有关?
晶闸管整流电路的功率因数由畸变因子v和位移因子cos1构成,表达式为:
■=vcos、
11
=—cos•蔦
I
具体而言:
由移相触发角:
•和整流电路的结构决定。
习题二
5W,
1.(*)一升压换流器由理想元件构成,输入输出U0=24V固定不变,最大输出功率为使换流器工作在连续电流方式的最小电感。
解:
由Uo=24V固定不变,最大输出功率为
Ud在8〜16V之间变化,通过调整占空比使开关频率20kHz,输出端电容足够大,求
5W可知
R%241152」
当输入
P5
Ud为8V时
U。
1—
82
Ud—D&-1
1-D8
243
输入Ud为16V时
1
161
U。
11%C*1
Ud—D16—1
1一口6
243
则实际工作时的占空比范围为:
D=-
3
由电流断续条件公式可得
2
L_D(1_D)
RT一2
2
即lDd-D)RT
2
D(1-D)在D=1〜?
范围内是单调下降的,在1/3处有最大值,所以
33
=0.43mH
D(1—D)2RT弓1
121
)2*115.2*-
320000
2
解:
5一1^匸“為二競二⑷
3•在图3-1所示的降压斩波电路中,已知U=100V,R=0.5Q,L=1mH采用脉宽调制
控制方式,T=20口s,当ton=5口s时,试求:
(1)输出电压平均值UO、输出电流的平均值Io;
(2)(*)输出电流的最大和最小瞬时值(由于课本上没讲,这一问是否可以取消?
),判断负载电流是否断续;
(3)(*)当ton=3口s时,重新进行上述计算。
"R
25
05
=50A
解:
5
(1)U0「DUj100「25V
20
⑵mW00
E100
0.001
0.5
=0.002
20*10
0.002
=0.01
"丄=0.0025
T
e°.°025
乎“249•卄0,所以电流连续。
1-尹E
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