2022年《电力电子技术》习题答案 .pdf

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1、优秀学习资料欢迎下载第 2 章电力电子器件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： uAK0 且 uGK0。2. 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？答：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。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

2、、Id2、 Id3与电流有效值I1、I2、I3。0022244254a)b)c)图1-430图 1-43 晶闸管导电波形解： a) Id1=214)(sinttdIm=2mI(122)0.2717 ImI1=42)()sin(21tdtIm=2mI21430.4767 Imb) Id2 =14)(sinttdIm=mI(122)0.5434 ImI2 =42)()sin(1tdtIm=22mI21430.6741Imc) Id3=2120)(tdIm=41ImI3 =202)(21tdIm=21Im4. 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

3、多少？这时，相应的电流最大值Im1、 Im2、Im3各为多少 ? 解：额定电流I T(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) Im14767.0I329.35，Id10.2717 Im189.48 b) Im26741.0I232.90, Id20.5434 Im2126.56 c) Im3=2 I = 314, Id3=41Im3=78.5 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - -

4、 - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载5. 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？答： 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1和2，由普通晶闸管的分析可得，1+2=1 是器件临界导通的条件。1+21，两个等效晶体管过饱和而导通；1+21，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2较大，这样晶体管V2控制灵敏，易于GTO 关断；2) GTO导通时的1+2

5、更接近于1，普通晶闸管1+21.15，而GTO则为1+21.05， 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。6. 如何防止电力MOSFET因静电感应应起的损坏？答：电力 MOSFET的栅极绝缘层很薄弱，容易被击穿而损坏。MOSFET的输入电容是低泄漏电容，当栅极开路时极易受静电干扰而充上超过20 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： 一般在不用时将其三个电极短接； 装配时人体、工作台

6、、电烙铁必须接地，测试时所有仪器外壳必须接地； 电路中，栅、源极间常并联齐纳二极管以防止电压过高 漏、源极间也要采取缓冲电路等措施吸收过电压。7. IGBT 、GTR 、GTO 和电力 MOSFET的驱动电路各有什么特点？答： 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

7、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。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载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

8、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 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MOSF

9、ET, 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的电力电子装置第 3 章整流电路3单相桥式全控整流电路，U2100V，负载中R2，L 值极大，

10、当 30 时，要求：作出ud、id、和 i2的波形；求整流输出平均电压Ud、电流 Id，变压器二次电流有效值I2；解： ud、id、和 i2的波形如下图：u2OtOtOtudidi2OtIdId输出平均电压Ud、电流 Id，变压器二次电流有效值I2分别为名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载Ud0.9 U2 cos 0.9100cos30 77.97（V）Id Ud/ R77.97

11、/ 2 38.99（A）I2 Id38.99（A）5单相桥式全控整流电路，U2=100V ，负载中R=2，L 值极大，反电势E=60V ，当=30 时，要求：作出 ud、id和 i2的波形；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；考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解： ud、id和 i2的波形如下图：u2OtOtOtudidi2OtIdIdId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 0.9 U2 cos 0.9100cos3077.97(A) Id(UdE)/R(77.97 60)/29(A) I2 Id9(A) 晶闸管承受的

12、最大反向电压为：2U21002141.4（V）流过每个晶闸管的电流的有效值为：IVTId 26.36（A）故晶闸管的额定电压为：UN(23) 141.4283424（ V）晶闸管的额定电流为：IN(1.52)6.361.5768（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。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VT1不能导通，整流电压ud波形如下：名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料

13、- - - - - - - - - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载udOt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。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=60时，要求： 画出 ud、id和 iVT1的波形； 计算 Ud、Id、IdT和 IVT。解： ud、id和 iVT1的波形如下：= 60 u2uduabuacubcubaucaucbuabuacuaubucOtt1OtidtOtOiVT1Ud、

14、Id、 IdT和 IVT分别如下Ud 2.34U2cos 2.34100cos60 117（V）IdUdR117523.4（A）IDVTId323.43 7.8（A）IVTId323.4313.51（A）30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0 180 ，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 。第 4 章逆

15、变电路名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载1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。2换流方式各有那几种？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

16、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。第 5 章直流 -直流变流电路1简述图5-1a 所示的降压斩波电路工作原理。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ton，由电源 E 向 L、R、M 供电， 在此期间， uoE。然后使 V 关断一段时间toff，此时电感L 通过二极管VD 向 R和 M 供电

17、， uo0。一个周期内的平均电压UoEtttoffonon。输出电压小于电源电压，起到降压的作用。2在图 5-1a 所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10，L 值极大， EM=30V ，T=50s, ton=20s,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Uo=ETton=5020020=80(V) 输出电流平均值为Io =REUMo-=103080=5(A) 4简述图 5-2a 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I1

18、，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Uo。设 V 处于通态的时间为ton，此阶段电感L 上积蓄的能量为on1tEI。当 V 处于断态时E 和 L 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toff，则在此期间电感L 释放的能量为off1otIEU。当电路工作于稳态时，一个周期T名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载中电感

19、 L 积蓄的能量与释放的能量相等，即：off1oon1tIEUtEI化简得：EtTEtttUoffoffoffono式中的1/offtT，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。 5在图 5-2a 所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当T=40s，ton=25s 时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值 Io。解：输出电压平均值为：Uo =EtToff=50254040=133.3(V) 输出电流平均值为：Io =RUo=203.133=6.667(A) 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

20、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Ttu0L0d当 V 处于通态期间，uL = E；而当 V 处于断态期间，uL = - uo。于是：offoontUtE所以输出电压为：EEtTtEttU1ononoffono改变导通比，输出电压既可以比电源电压高

21、，也可以比电源电压低。当01/2 时为降压，当 1/21 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，EL1V 回路和 R L2C V 回路分别流过电流。当V 处于断态时，EL1CVD 回路和 RL2VD 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5-5b 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uC的脉动足够小时。 当开关 S合到 B 点时，B 点电压 uB=0，A 点电压 uA= - uC；相反，当S合到 A 点时， uB= uC， uA=0。因此， B 点电压 uB的平均名师归纳

22、总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载值为CoffBUTtU（UC为电容电压uC的平均值），又因电感L1的电压平均值为零，所以CoffBUTtUE。另一方面， A 点的电压平均值为ConAUTtU，且 L2的电压平均值为零，按图5-5b 中输出电压Uo的极性，有ConoUTtU。于是可得出输出电压Uo与电源电压 E 的关系：EEtTtEttU1ononoffono两个电路实现的功能是一致的

23、，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 6 章交流 -交流变流电路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=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 。解： =0 时的输出电压最大，为1021omax)sin2(1UtdtUU此时负载电流最大，为RURUI1omaxomax因此最大输出功率为RUIUP21maxomaxomax输出功率为最大输出功率的80% 时，有：RUPP21maxo)8.0(8.0此时，

24、1o8 .0 UU又由22sin1oUU解得 =60.54名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - 优秀学习资料欢迎下载同理，输出功率为最大输出功率的50% 时，有：1o5 .0 UU又由22sin1oUU=903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

25、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。名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -精心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - -