第一章 电力电子器件
1.1 使晶闸管导通的条件是什么？
答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正相阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或者UAK >0且UGK>0
1.2 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。
1.3 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，I
3
解:a) Id1=
Im21Π
ωt=+1)≈0.2717Im (Imsin()42Π22ΠΠ
1ΠIm312
I1=(Imsin)()ϖtdwt=+≈0.4767Im Π
2Π4242Π
b) Id2=
1ΠIm2
ϖtdwt=+1)=0.5434Im (Imsin()ΠΠ422
1Π2Im312
I2=(Imsin)()ϖtdwt=+≈0.6741Im Π
Π4242Π
121
dtIm()ω=Im c) Id3=
2Π∫041221
Im()dωt=Im I3=
2Π∫02
1.4.上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶阐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≈
Π
Π
I
≈329.35A, Id1≈0.2717Im1≈89.48A
0.4767I
b) Im2≈≈232.90A, Id2≈0.5434Im2≈126.56A
0.6741
1
c) Im3=2I=314 Id3=Im3=78.5
4
1.5.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和普通晶阐管同为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
1 两个等效晶体益α1和α2，由普通晶阐管的分析可得，α1+α2=1是器件临界导通 的条件。α1+α2＞
管过饱和而导通；α1+α2＜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：
l)GTO在设计时α2较大,这样晶体管V2控制灵敏,易于GTO关断;
2)GTO导通时α1+α2的更接近于l,普通晶闸管α1+α2≥1.5,而GTO则为α1+α2≈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。 1.6.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: 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。
1.7.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。 1.8.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。
1.9.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 IGBT GTR
优点
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 耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低
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
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
缺点
开关速度低于电力MOSFET,电压,电流容量不及GTO 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
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
GTO
电力MOSFET
1.10什么是晶闸管的额定电流？
答：晶闸管的额定电流就是它的通态平均电流，国标规定：是晶闸管在环境温度为 。
40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温所允许的最大工频正弦半波电流的平均值。 1.11为什么要限制晶闸管断电电压上升律du/dt?
答：正向电压在阻断状态下，反向结J2相当的一个电容加在晶闸管两端电压上升率过大，就会有过大的充电电流，此电流流过J3,起到触发电流的作用，易使晶闸管误触发，所以要限制du/dt。 1.12．为什么要限制晶闸管导通电流上升率di/dt?
答：在晶闸管导通开始时刻，若电流上升过快，会有较大的电流集中在门集附近的小区域内，虽然平均电流没有超过额定值，但在小的区域内局部过热而损坏了晶闸管，所以要限制通态di/dt. 1.13电力电子器件工作时产生过电压的原因及防止措施有哪些？ 答：产生原因：
a. 由分闸,合闸产生的操作过电压 b. 雷击引起的雷击过电压
c. 晶闸管换相过程中产生的换相电压。并联续流=集管令控元件的换相时产生的换相电压
措施：
压触发电阻，交流侧RC抑制电路，直流侧RC控制电路，直流侧RC抑制电路，变压器屏蔽层，避雷器，器件关断过电压RC抑制电路。
第2章 整流电路
2..1.单相半波可控整流电路对电感负载供电,Z =20mH,U2=100V,求当α=0°时和60°时的负载电流Id,并画出Ud与Id波形。 解:
α=0°时,在电源电压U2的正半周期晶闸管导通时,负载电感L储能,在晶闸管开始导通时刻,负载电流为零。
在电源电压U2的负半周期,负载电感L释放能量,晶闸管继续导通。因此,在电源电压U2的一个周期里,以下方程均成立:
L
考虑到初始条件：当ωt=0时id=0可解方程：
did
=2U2sinωt dt
Id＝
2U2
1－cosωt） ωL
Id=
12Π2U2
1－cosωt）d(ωt)
2Π∫0ωL
=
Ud与Id的波形如下图：
2U2
=22.51(A) ωL
当a=60°时,在U2的正半周期60°~180°期间, 晶闸管导通使电惑L储能,电感L储藏的能量在U2负半周期
180°~300°期间释放,因此在U2的一个周期中60°~300°期间，以下微分方程成立：
didL=U2sinωt dt
考虑到初始条件：当ωt=60°时id=0可解方程得：
id=
其平均值为
2U21
－cosωt) dt2
132U21U2
Id=11.25（A) (tdtcos)()−=ωωΠ
2Π3ωL22ωL
5Π
此时Ud与id的波形如下图：
2. 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22U2;
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侧绕组中,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22U2。
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;(O~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VTl、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)期问,单相全波电路中VTl导逼,单相全控桥电路中VTl、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。 2.3.单相桥式全控整流电路,U2=100V,负载中R=20Ω,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:
2U2=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/2=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。
2.4.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。
解: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下
:
2.5.单相桥式全控整流电路,U2 =100V,负载R=20Ω,L值极大,反电势E=60V,当时,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,变压器二次测电流有效值I分别为: Ud=0.9U2cosα=O.9×100×cos30°=77.97(V) Id=(Ud一E)/R=(77.97一60)/2=9(A) I2=Id=9(A) ③晶闸管承受的最大反向电压为:
2U2=1002=141.4(V)
流过每个晶闸管的电流的有效值为: IVT=Id/2=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敢值可按晶闸管产品系列参数选取。
2.6.晶闸管串联的单相半控桥(桥中VT1、VT2为晶闸管),电路如图2-11所示,U2=100V电阻电感负载, R=20,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。 解: Ud、Id、IVT,ID的波形如下图
:
负载电压的平均值为:
Ud=
1Π
Π2U2sinωtd(ωt)=0.9U2Π3
1+cos(
2
Π
)
=67.59(V)
负载电流的平均值为:
Id=Ud/R=67.52/2=33.75(A) 流过晶闸管VTl、VT2的电流有效值为: IVT=
1
Id=19.49(A) 3
流过二极管VD3、VD4的电流有效值为:
IVD=
2
Id=27.56(A) 3
2.7.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：
2.8.三相半波整流电路,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,其分段布置及其矢量如图所示,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
?
图 变压器二次绕组的曲折接法及其矢量图
答: 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,al的电流向下流,c3的电流向上流;当clb2对应的晶闸管导通时,cl的电流向下流,b2的电流向上流;当bla2对应的晶闸管导通时,bl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。
2.9.三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?
答: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°
2.10.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? 答:相差180°
2.ll.三相半波可控整流电路,U2=100V,带电阻电感负载,R=50Ω,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)
12.在石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VTl不能导通,整流电压波形如下
:
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。
2.13.三相桥式全控整流电路,U2 =100V,带电阻电感负载R=50Ω,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)
2.14.单相全控桥,反电动势阻感负载,R=1Ω,L=∞,E=40V, U2=100V,LB=0.5mH,当α=60°时,求Ud、Id与γ的数值,
并画出整流电压Ud的波形。 解:考虑LB时,有:
Ud=0.9U2cosα-Δud Δud=2XBId/Π
Id＝(Ud-E)/R 解方程组得:
2.15.三相半波可控整流电路,反电动势阻感负载,U2=100V, R=1Ω,L= B=lrnH, 求当α=30°时、E=50V时Ud、Id、
γ的值并作出Ud与IVTl和IVT2的波形。
解:考虑LB时，有:
Ud=1.17U2cosα-Δud Δud=3XBId/2Π
Id＝(Ud-E)/R
解方程组得:
Ud＝(ΠR1.17U2cosα+3XBE)/(2ΠR+3XB)=94.63(V) △Ud=6.7(V) Id=44.63(A) 又因为：
cosα−cos(α+γ)=2IdXB/U2 即得出
cos(30°＋γ)=0.752 换流重叠角
γ =41.28°−30°=11.28°
Ud与IVTl和IVT2的波形如下
:
2.16.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?其中主要的是哪儿次?
答:单相桥式全控整流电路,其整流输出电压中含有2K (K=l、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+l(K=Ⅰ、2,3……)次即奇次谐波,其中主要的有3次、5次谐波。
2.17.三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?
答:三相桥式全控整流电路的整流输出电压中含有6K(K=l、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6K+l(K=l、2、3……)次的谐波,其中主要的是5、7次谐波。 2.18.试计算第2.3题中I2的3、5、7次谐波分量的有效值I23,I25,I27解:在第3题中己知电路为单相全控桥,其输出电流平均值为
Id=38.99 (A) 于是可得:
I23=22Id/3Π=22 ×38.99/3Π =11.7(A) I25=22Id/3Π=22 x38.99/5Π=7.02(A) I37=22Id/3Π=22 X38.99/7Π=5.01(A)
2.19.带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式次、47次、49次等,即24K± 1(K=l, 2,3...)次谐波,整流全控整流电路相比有何主要异同?
输出电压中含有24、48等即24K(K=1,2,3...)次谐波。
答:带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式2.22.使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么? 全控整流电路相比有以下异同点:
①三相桥式电路是两组三相半波电路串联,而双反
答:条件有二:
①直流侧要有电动势,其极性须和晶闸管的导
星形电路是两组三相半波电路并联,且后者需要用平衡通方向一致,其值应大于变流电路直流侧的平均电压; 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,晶闸营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。
2.20.整流电路多重化的主要目的是什么?
②要求晶闸管的控制角α;
Π
使Ud为负值。 2
2.23.什么是逆变失败?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。
防止逆变夫败的方法有: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
答:整流电路多重化的目的主要包括两个方面,一是可以的换向裕量角β等。 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。
2.24.单福桥式全控整流电路、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?
2.21.十二脉波、二十四脉波整流电路的整流输出电压和答:单相桥式全控整流电路,当负载为电阻负载时,要求的
交流输入电流中各含哪些次数的谐 波? 晶闸管移相范围是0~180°，当负载为电感负载时,要求答:12脉波电路整流电路的交流输入电流中含有ll次、13的晶闸管移相范围是O~90°。 次、23次、25次等即12K±l(K=1,2,3....)次谐涉,整流输三相桥式全控整流电路,当负载为电阻负载时,要求出电压中含有12、24等即12K(K=1,2,3...)次谐波。
的晶闸管移相范围是0~120°，当负载为电感负载时,要
24脉波整流电路的交流输入电流中含有23次、25求的晶闸管移相范围是O~90°
2.25某一电阻负载，要求输出直流电压Ua=0---24v,最大负载电流Id=30A。采用单相半波可控整流电路。用220V直接供电或用变压器降压到60V供电。计算两种方案下，不考虑完全裕量时，晶闸管的导通角θ，额定电流IN, 额定电压UN,电源的功率因数和电源容量。 解：①U2=220v时
(1+cosα1)
22Ud2×24 Cosα=——1=－1= －0.5 0.45U20.45×220
Ud=0.45U2
α1 ＝120° θ1=180°－120°＝60°
Ud24
===0.8Ω Rd30
sin2Π−2
+=83A 4Π2Π
电流平均值 Id=30A Rd=
电流有效值 I ==
UU2
==RdRd
额定电流IN≥
I83.4===53A 1.571.57
2×220=311V
额定电压UN≥ Udm=2U2= 功率因数 Cosϕ==
1Π−α
==0.302 sin2α+
4Π2Π
电源视在功率 S1=U2I=220×83.4=18.36KVA ②
U2=60v时
θ2=141° IN≥33.8A UN≥84.2
Cosϕ2=0.71 S2=3.18KVA
2.26 阻感负载，电感极大，电阻Rd=5Ω,电路为此有连续二极管的单相半控桥电路，输入电压U2=220V,当控制角
α＝260°时，求流过晶闸管平均电流值IdT有效值IT,流过续流二极管电流平均值IDd有效值ID
解： 整流的平均电压
1+cosα1+cos60°
=0.9×220=149V22
Ud149
负载平均电流： Id===30A
5Rd
180−60Π−α
流过晶闸管电流平均值IdT=Id=×30=10A
2Π360
Ud=0.9U2
电流有效值 IT=
Π−2
Id=17.3A 2Π
260Id=×30=10A
180Π
260Id=×30=17.3A
180Π
电流续流二极管电流平均值 IDd=
有效值 IDd=
2.28单相全控桥式电路，电阻性负载，控制角α=60°
画出电气原理图，整流电压Ud波形图，任意晶闸管在一个周期内两端电压波形图，变压器付边电流i2波形图，变压器付边电流I2波形图 解： 见P47图2－5
2.29三相半波可控整流电路，电压极大，电阻Rd=2Ω U2=220V,当α=60°，求出按续流二极管和不按续流二
极管两种电路结构下的整流电压，整流电流并选择晶闸管。
解： ①按续流二极管的时
Ud=0.675×U2⎢1+cos⎜
⎡⎣⎛Π⎞⎤
+α⎟⎥ ⎝6⎠⎦ΠΠ⎤
+)⎥=135V 63⎦
=0.675×200⎢1+cos(Id=
⎡⎣
Ud135
==67.5A
2Rd
150°−−60Id=×67.5=33.75A
360°360IT
=31−−42A 1.57
IT=
晶闸管：IN＞ （1.5~2）
UN＞（2~3）6U2=700~1000V
②不接续流二极管
Ud=1.17U2cos60°=117V
Id=
Ud117
==58.5A
2Rd
11Id=×58.5=33.75A 33IT
=31~42A 1.57
IT=
晶闸管：IN＞（1.5~2）
UN＞（2~3）U2＝750~1000V
2.30单相半波可控整流电路中，脉冲间隔τ= ( ),晶闸管最大导通角θ可控整流电路中的τ＝（ ），θ
max
=（ ），晶闸管承受的θmax=
（ ），晶闸管可以承受的最大电压Udm=（ ），整流电压的脉动次数m=（ ）；三相桥式
max
＝（ ）, Udm=( ), m=( )。
答案：单相：2Π，Π，2U2, 1
三相：
Π2
,Π,6U2, 6 33
max
2.31单相桥式电路中脉冲间隔τ＝（ ），晶闸管最大导通θm=( );三相半波电路中τ＝（ ），θ答案： 单相桥式： Π，Π，2U2，2 三相半波：
=（ ），晶闸管承受的最大电压
Udm=( ), 整流电压脉冲次数m=( ); 三相半波电路中τ= ( ),整流电压脉动次数
max
= （ ），Udm= ( ), m= ( );
Π2
,Π,6U2, 3 33
2.32电阻性负载：单相桥式电路，脉冲移相范围α=( ),电流开始断续时αk＝（ ）;三相半波电路脉冲移相范围α＝（ ），电流开始断续时αk＝（ ）;三相桥式电路脉冲移相范围α＝（ ），电流开始断续时αk＝（ ）
答案：单相桥式0――Π，0；三相半波0――150°，30°；三相桥式0――－120°，60°
2.33．三相半波可控整流电路对直流电动机供电，当α=60°，理想空载转速n0=1000rpm,在α=30°时，理想
空载转速n01=( );
α2=90°时，理想空载转速n02=( ), α3=120°, n03=( )
答案：1000rpm, 866rpm, 500rpm
2.34.电路形式为两组三相桥式并联可逆电路，负载为直流电动机，请画出：电气原理图和直流电动机运行四个象限变流器的工作情况（电动机运行状态，变流器工作状态，整流电压极性，直流电动机反电势极性，主电路电流方向） 答案：p89 图2－5b , c
2.35.电路形式为三相半波电路，负载为电阻，当α=30°时，请画出电气原理图，整流电压波形图，脉冲序列，
晶闸管T1在一个周期内承受电压波形图。 答案：P52图2－12a,图2－13
2.36．电路形式为三相桥式可控整流电路，负载电极大，当α=90°请画出电气原理图，整流电压Ud波形图，脉
冲序列，晶闸管T1在一个周期内承受电压UT1波形图。
答案：P59图2－24
第4章 交流电力控制电路和交交变频电路
4.1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=O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。
解: α=O时的输出电压最大,为
解得
α=60.54°
同理,输出功率为最大输出功率的50%时,有: Uo=.5U1 又由
Uo=U1
1
(2U1sinωt)=U1 Uomax=
Π∫0
此时负载电流最大,为
Iomax=
Π
sin2αΠ−α
+
2ΠΠ
uomaxU1
=
RR
因此最大输出功率为
输出功率为最大输出功率的80%时,有:
U12
Pmax=Uomax Iomax=
R
此时,
Uo=0.8U1 又由
Uo=U1
sin2Π− +
2ΠΠ
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
特点?
4.3.是TCR,什么是TSC?它们的基本原理是什么?各有何 答:TCR是晶闸管控制电抗器。TSC是晶闸管投切电容
α=90°
4.2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。
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角α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。
4.4单相交交变频电路和直派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,两组可控整流路中哪丁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。
4.5.交交变频电路的最高输出频率是多少?制约输出频率提高的因素是什么?
答:一般来讲,构成交交变频电路的两组变流电路的脉波数越多,最高输出频率就越高。当交交变频电路中采用常用的6脉波三相桥式整流电路时,最高输出频率不应高于电网频率的1/3~1/2。当电网频率为50Hz时,交交变频电路输出的上限频率为20Hz左右。
当输出频率增高时,输出电压一周期所包含的电网电压段数减少,波形畸变严重,电压波形畸变和由此引起的电流波形畸变以及电动机的转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。
4.6交交变频电路的主要特点和不足是什么?其主要用途因数;能量可双向流动,适用于交流电动机的四象限运行;不通过中间直流环节而直接实现变频,效率较高。
矩阵式交交变频电路的主要缺点是:所用的开关器件为18个,电路结构较复杂,成本较高,控制方法还不算成熟;输出输入最大电压比只有0.866,用于交流电机调速时输出电压偏低。
因为矩阵式变频电路有十分良好的电气性能,使输是什么?
答:交交变频电路的主要特点是:
只用一次变流效率较高;可方便实现四象限工作;低频输出时的特性接近正弦波。 交交变频电路的主要不足是:
接线复杂 如采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管;受电网频率和变流电路脉波数的限制,输出频率较低;输出功率因数较低;输入电流谐波含量大,频谱复杂。
主要用途:500千瓦或1000千瓦以下的大功率、低转速的交流调速电路,如轧机主传动装置、鼓风机、球磨机等场合。
4.7.三相交交变频电路有那两种接线方式?它们有什么区别?
答:三相交交变频电路有公共交流母线进线方式和输出星形联结方式两种接线方式。 两种方式的主要区别在于:
公共交流母线进线方式中,因为电源进线端公用,所以三组单相交交变频电路输出端必须隔离。为此,交流电动机三个绕组必须拆开,共引出六根线。
而在输出星形联结方式中,因为电动机中性点和变频器中中性点在一起;电动机只引三根线即可,但是因其三组单相交交变频器的输出联在一起,其电源进线必须隔离,因此三组单相交交变频器要分别用三个变压器供电。
4.8.在三相交交变频电路中,采用梯形波输出控制的好处是什么?为什么?
答：在三相交交变频电路中采用梯形波控制的好处是可以改善输入功率因数。
因为梯形波的主要谐波成分是三次谐波,在线电压中,三次谐波相互抵消,结果线电压仍为正弦波。在这种控制方式中,因为桥式电路能够较长时间工作在高输出电压区域(对应梯形波的平顶区), α角较小,因此输入功率因数可提高15%左右。
4.9..试述矩阵式变频电路的基本原理和优缺点。为什么说这种电路有较好的发展前 景? 答:矩阵式变频电路的基本原理是：
对输入的单相或三相交流电压进行斩波控制,使输出成为正弦交流输出。
矩阵式变频电路的主要优点是:输出电压为正弦波;输出频率不受电网频率的限制;输入电流也可控制为正弦波且和电压同相;功率因数为l,也可控制为需要的功率出电压和输入电流均为正弦波,输入功率因数为l,且能量双向流动,可实现四象限运行;其次,和目前广泛应用的交直交变频电路相比,虽然多用了6个开关器件,却省去直流侧大电容,使体积减少,且容易实 现集成化和功率模块化。随着当前器件制造技术的飞速进步和计算机技术的日新月异,矩阵式变频电路将有很好的发展前景。
4.10．三相三线制交流调压电路，电阻负载，开通角α＝（ ）；其中当电路处于三个晶闸管导通和两个晶，每个晶闸管导通时间θ1＝（ ）；当电路处于任一时刻都是两个闸管导通交替状态的时，α1＝（ ）
，晶闸管的导通时间θ2＝（ ）；当电路处于两个晶闸管导通的和无晶闸管晶闸管导通时α2＝（ ）
，晶闸管的导通时间θ3＝（ ） 导通的交替状态时α3＝（ ）
答案：0°——150°；0°——60°，180°―α；60°——90°，120°；90°——150°，300°－2α 4.20单相交流调压电阻负载，移相角α1=( ),电阻感负载，移相范围α2＝（ ） 答案：0——Π，ϕ——Π
4.21降压斩波电路，如图：P101图3－1 VT的开关周期是T=
1T
s,导通时间，E=100V, L=50mH.R=1Ω 3003
−3
求：负载U0, I0 ，流过UT和VD的电流IdT , IdD ;输入功率和负载功率Pi , PR解：X=ωL=2ΠfL=2Π×300×50×10
Ud=
=65.9Ω X〉R
T2Ton100Ud33.3==33.3V , Id===33.3A
31TR
1
IdT=
T
IdD=
∫
T3T0
idt=
Id
=11.1A 3
2
Id=22.2A 3
1T
T
T3
IDdt=
1Pi=
T
∫
T30
E
EiTdt=
T
∫
T3T0
idt=EIdT=100×11.1=1.11KW
PR=UdIa=33.3×33.3=1.11KW
4.22单相交流调压，阻感负载，UF=220V, L=5.5mH, R=1Ω
求：移相角α＝？最大负载电流有效值I=?最大输出功率Pmax=?功率因数Cosϕ=?
2Π×50×5.5×10−3UL
=arctan=60° 解：（1）ϕ=arctan
1R
所以 60°≤α≤180°
（2）α=ϕ时， 电流连续，电流最大
I=
U1220==110A
−3Z+2Π×50×5.5×10(3) P=U1Icosϕ=U1I2cosα=220×110×cos60°=12.1KW 4.23.画出上题中U1, U0, I0, UVT, 的波形
解： 见P113 图4－2
4.25电路，负载电流i0和负载电压U0如下图所示，请填出P组，N组在不同时间内的工作状态 在0到t1期间， P组工作在（ ）状态，N组工作在（ ）状态； 在t1到t2期间， P组工作在（ ）状态，N组工作在（ ）状态； 在t2到t3期间， P组工作在（ ）状态，N组工作在（ ）状态； 在t3到t4期间， P组工作在（ ）状态，N组工作在（ ）状态； 答案：整流，阻断；逆变，阻断；阻断，整流；阻断，逆变
第一章 电力电子器件
1.1 使晶闸管导通的条件是什么？
答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正相阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或者UAK >0且UGK>0
1.2 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。
1.3 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，I
3
解:a) Id1=
Im21Π
ωt=+1)≈0.2717Im (Imsin()42Π22ΠΠ
1ΠIm312
I1=(Imsin)()ϖtdwt=+≈0.4767Im Π
2Π4242Π
b) Id2=
1ΠIm2
ϖtdwt=+1)=0.5434Im (Imsin()ΠΠ422
1Π2Im312
I2=(Imsin)()ϖtdwt=+≈0.6741Im Π
Π4242Π
121
dtIm()ω=Im c) Id3=
2Π∫041221
Im()dωt=Im I3=
2Π∫02
1.4.上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶阐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≈
Π
Π
I
≈329.35A, Id1≈0.2717Im1≈89.48A
0.4767I
b) Im2≈≈232.90A, Id2≈0.5434Im2≈126.56A
0.6741
1
c) Im3=2I=314 Id3=Im3=78.5
4
1.5.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和普通晶阐管同为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
1 两个等效晶体益α1和α2，由普通晶阐管的分析可得，α1+α2=1是器件临界导通 的条件。α1+α2＞
管过饱和而导通；α1+α2＜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：
l)GTO在设计时α2较大,这样晶体管V2控制灵敏,易于GTO关断;
2)GTO导通时α1+α2的更接近于l,普通晶闸管α1+α2≥1.5,而GTO则为α1+α2≈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。 1.6.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: 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。
1.7.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。 1.8.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。
1.9.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 IGBT GTR
优点
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 耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低
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
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
缺点
开关速度低于电力MOSFET,电压,电流容量不及GTO 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
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
GTO
电力MOSFET
1.10什么是晶闸管的额定电流？
答：晶闸管的额定电流就是它的通态平均电流，国标规定：是晶闸管在环境温度为 。
40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温所允许的最大工频正弦半波电流的平均值。 1.11为什么要限制晶闸管断电电压上升律du/dt?
答：正向电压在阻断状态下，反向结J2相当的一个电容加在晶闸管两端电压上升率过大，就会有过大的充电电流，此电流流过J3,起到触发电流的作用，易使晶闸管误触发，所以要限制du/dt。 1.12．为什么要限制晶闸管导通电流上升率di/dt?
答：在晶闸管导通开始时刻，若电流上升过快，会有较大的电流集中在门集附近的小区域内，虽然平均电流没有超过额定值，但在小的区域内局部过热而损坏了晶闸管，所以要限制通态di/dt. 1.13电力电子器件工作时产生过电压的原因及防止措施有哪些？ 答：产生原因：
a. 由分闸,合闸产生的操作过电压 b. 雷击引起的雷击过电压
c. 晶闸管换相过程中产生的换相电压。并联续流=集管令控元件的换相时产生的换相电压
措施：
压触发电阻，交流侧RC抑制电路，直流侧RC控制电路，直流侧RC抑制电路，变压器屏蔽层，避雷器，器件关断过电压RC抑制电路。
第2章 整流电路
2..1.单相半波可控整流电路对电感负载供电,Z =20mH,U2=100V,求当α=0°时和60°时的负载电流Id,并画出Ud与Id波形。 解:
α=0°时,在电源电压U2的正半周期晶闸管导通时,负载电感L储能,在晶闸管开始导通时刻,负载电流为零。
在电源电压U2的负半周期,负载电感L释放能量,晶闸管继续导通。因此,在电源电压U2的一个周期里,以下方程均成立:
L
考虑到初始条件：当ωt=0时id=0可解方程：
did
=2U2sinωt dt
Id＝
2U2
1－cosωt） ωL
Id=
12Π2U2
1－cosωt）d(ωt)
2Π∫0ωL
=
Ud与Id的波形如下图：
2U2
=22.51(A) ωL
当a=60°时,在U2的正半周期60°~180°期间, 晶闸管导通使电惑L储能,电感L储藏的能量在U2负半周期
180°~300°期间释放,因此在U2的一个周期中60°~300°期间，以下微分方程成立：
didL=U2sinωt dt
考虑到初始条件：当ωt=60°时id=0可解方程得：
id=
其平均值为
2U21
－cosωt) dt2
132U21U2
Id=11.25（A) (tdtcos)()−=ωωΠ
2Π3ωL22ωL
5Π
此时Ud与id的波形如下图：
2. 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22U2;
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侧绕组中,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22U2。
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;(O~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VTl、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)期问,单相全波电路中VTl导逼,单相全控桥电路中VTl、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。 2.3.单相桥式全控整流电路,U2=100V,负载中R=20Ω,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:
2U2=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/2=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。
2.4.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。
解: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下
:
2.5.单相桥式全控整流电路,U2 =100V,负载R=20Ω,L值极大,反电势E=60V,当时,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,变压器二次测电流有效值I分别为: Ud=0.9U2cosα=O.9×100×cos30°=77.97(V) Id=(Ud一E)/R=(77.97一60)/2=9(A) I2=Id=9(A) ③晶闸管承受的最大反向电压为:
2U2=1002=141.4(V)
流过每个晶闸管的电流的有效值为: IVT=Id/2=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敢值可按晶闸管产品系列参数选取。
2.6.晶闸管串联的单相半控桥(桥中VT1、VT2为晶闸管),电路如图2-11所示,U2=100V电阻电感负载, R=20,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。 解: Ud、Id、IVT,ID的波形如下图
:
负载电压的平均值为:
Ud=
1Π
Π2U2sinωtd(ωt)=0.9U2Π3
1+cos(
2
Π
)
=67.59(V)
负载电流的平均值为:
Id=Ud/R=67.52/2=33.75(A) 流过晶闸管VTl、VT2的电流有效值为: IVT=
1
Id=19.49(A) 3
流过二极管VD3、VD4的电流有效值为:
IVD=
2
Id=27.56(A) 3
2.7.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：
2.8.三相半波整流电路,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,其分段布置及其矢量如图所示,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
?
图 变压器二次绕组的曲折接法及其矢量图
答: 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,al的电流向下流,c3的电流向上流;当clb2对应的晶闸管导通时,cl的电流向下流,b2的电流向上流;当bla2对应的晶闸管导通时,bl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。
2.9.三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?
答: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°
2.10.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? 答:相差180°
2.ll.三相半波可控整流电路,U2=100V,带电阻电感负载,R=50Ω,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)
12.在石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VTl不能导通,整流电压波形如下
:
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。
2.13.三相桥式全控整流电路,U2 =100V,带电阻电感负载R=50Ω,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)
2.14.单相全控桥,反电动势阻感负载,R=1Ω,L=∞,E=40V, U2=100V,LB=0.5mH,当α=60°时,求Ud、Id与γ的数值,
并画出整流电压Ud的波形。 解:考虑LB时,有:
Ud=0.9U2cosα-Δud Δud=2XBId/Π
Id＝(Ud-E)/R 解方程组得:
2.15.三相半波可控整流电路,反电动势阻感负载,U2=100V, R=1Ω,L= B=lrnH, 求当α=30°时、E=50V时Ud、Id、
γ的值并作出Ud与IVTl和IVT2的波形。
解:考虑LB时，有:
Ud=1.17U2cosα-Δud Δud=3XBId/2Π
Id＝(Ud-E)/R
解方程组得:
Ud＝(ΠR1.17U2cosα+3XBE)/(2ΠR+3XB)=94.63(V) △Ud=6.7(V) Id=44.63(A) 又因为：
cosα−cos(α+γ)=2IdXB/U2 即得出
cos(30°＋γ)=0.752 换流重叠角
γ =41.28°−30°=11.28°
Ud与IVTl和IVT2的波形如下
:
2.16.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?其中主要的是哪儿次?
答:单相桥式全控整流电路,其整流输出电压中含有2K (K=l、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+l(K=Ⅰ、2,3……)次即奇次谐波,其中主要的有3次、5次谐波。
2.17.三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?
答:三相桥式全控整流电路的整流输出电压中含有6K(K=l、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6K+l(K=l、2、3……)次的谐波,其中主要的是5、7次谐波。 2.18.试计算第2.3题中I2的3、5、7次谐波分量的有效值I23,I25,I27解:在第3题中己知电路为单相全控桥,其输出电流平均值为
Id=38.99 (A) 于是可得:
I23=22Id/3Π=22 ×38.99/3Π =11.7(A) I25=22Id/3Π=22 x38.99/5Π=7.02(A) I37=22Id/3Π=22 X38.99/7Π=5.01(A)
2.19.带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式次、47次、49次等,即24K± 1(K=l, 2,3...)次谐波,整流全控整流电路相比有何主要异同?
输出电压中含有24、48等即24K(K=1,2,3...)次谐波。
答:带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式2.22.使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么? 全控整流电路相比有以下异同点:
①三相桥式电路是两组三相半波电路串联,而双反
答:条件有二:
①直流侧要有电动势,其极性须和晶闸管的导
星形电路是两组三相半波电路并联,且后者需要用平衡通方向一致,其值应大于变流电路直流侧的平均电压; 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,晶闸营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。
2.20.整流电路多重化的主要目的是什么?
②要求晶闸管的控制角α;
Π
使Ud为负值。 2
2.23.什么是逆变失败?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。
防止逆变夫败的方法有: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
答:整流电路多重化的目的主要包括两个方面,一是可以的换向裕量角β等。 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。
2.24.单福桥式全控整流电路、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?
2.21.十二脉波、二十四脉波整流电路的整流输出电压和答:单相桥式全控整流电路,当负载为电阻负载时,要求的
交流输入电流中各含哪些次数的谐 波? 晶闸管移相范围是0~180°，当负载为电感负载时,要求答:12脉波电路整流电路的交流输入电流中含有ll次、13的晶闸管移相范围是O~90°。 次、23次、25次等即12K±l(K=1,2,3....)次谐涉,整流输三相桥式全控整流电路,当负载为电阻负载时,要求出电压中含有12、24等即12K(K=1,2,3...)次谐波。
的晶闸管移相范围是0~120°，当负载为电感负载时,要
24脉波整流电路的交流输入电流中含有23次、25求的晶闸管移相范围是O~90°
2.25某一电阻负载，要求输出直流电压Ua=0---24v,最大负载电流Id=30A。采用单相半波可控整流电路。用220V直接供电或用变压器降压到60V供电。计算两种方案下，不考虑完全裕量时，晶闸管的导通角θ，额定电流IN, 额定电压UN,电源的功率因数和电源容量。 解：①U2=220v时
(1+cosα1)
22Ud2×24 Cosα=——1=－1= －0.5 0.45U20.45×220
Ud=0.45U2
α1 ＝120° θ1=180°－120°＝60°
Ud24
===0.8Ω Rd30
sin2Π−2
+=83A 4Π2Π
电流平均值 Id=30A Rd=
电流有效值 I ==
UU2
==RdRd
额定电流IN≥
I83.4===53A 1.571.57
2×220=311V
额定电压UN≥ Udm=2U2= 功率因数 Cosϕ==
1Π−α
==0.302 sin2α+
4Π2Π
电源视在功率 S1=U2I=220×83.4=18.36KVA ②
U2=60v时
θ2=141° IN≥33.8A UN≥84.2
Cosϕ2=0.71 S2=3.18KVA
2.26 阻感负载，电感极大，电阻Rd=5Ω,电路为此有连续二极管的单相半控桥电路，输入电压U2=220V,当控制角
α＝260°时，求流过晶闸管平均电流值IdT有效值IT,流过续流二极管电流平均值IDd有效值ID
解： 整流的平均电压
1+cosα1+cos60°
=0.9×220=149V22
Ud149
负载平均电流： Id===30A
5Rd
180−60Π−α
流过晶闸管电流平均值IdT=Id=×30=10A
2Π360
Ud=0.9U2
电流有效值 IT=
Π−2
Id=17.3A 2Π
260Id=×30=10A
180Π
260Id=×30=17.3A
180Π
电流续流二极管电流平均值 IDd=
有效值 IDd=
2.28单相全控桥式电路，电阻性负载，控制角α=60°
画出电气原理图，整流电压Ud波形图，任意晶闸管在一个周期内两端电压波形图，变压器付边电流i2波形图，变压器付边电流I2波形图 解： 见P47图2－5
2.29三相半波可控整流电路，电压极大，电阻Rd=2Ω U2=220V,当α=60°，求出按续流二极管和不按续流二
极管两种电路结构下的整流电压，整流电流并选择晶闸管。
解： ①按续流二极管的时
Ud=0.675×U2⎢1+cos⎜
⎡⎣⎛Π⎞⎤
+α⎟⎥ ⎝6⎠⎦ΠΠ⎤
+)⎥=135V 63⎦
=0.675×200⎢1+cos(Id=
⎡⎣
Ud135
==67.5A
2Rd
150°−−60Id=×67.5=33.75A
360°360IT
=31−−42A 1.57
IT=
晶闸管：IN＞ （1.5~2）
UN＞（2~3）6U2=700~1000V
②不接续流二极管
Ud=1.17U2cos60°=117V
Id=
Ud117
==58.5A
2Rd
11Id=×58.5=33.75A 33IT
=31~42A 1.57
IT=
晶闸管：IN＞（1.5~2）
UN＞（2~3）U2＝750~1000V
2.30单相半波可控整流电路中，脉冲间隔τ= ( ),晶闸管最大导通角θ可控整流电路中的τ＝（ ），θ
max
=（ ），晶闸管承受的θmax=
（ ），晶闸管可以承受的最大电压Udm=（ ），整流电压的脉动次数m=（ ）；三相桥式
max
＝（ ）, Udm=( ), m=( )。
答案：单相：2Π，Π，2U2, 1
三相：
Π2
,Π,6U2, 6 33
max
2.31单相桥式电路中脉冲间隔τ＝（ ），晶闸管最大导通θm=( );三相半波电路中τ＝（ ），θ答案： 单相桥式： Π，Π，2U2，2 三相半波：
=（ ），晶闸管承受的最大电压
Udm=( ), 整流电压脉冲次数m=( ); 三相半波电路中τ= ( ),整流电压脉动次数
max
= （ ），Udm= ( ), m= ( );
Π2
,Π,6U2, 3 33
2.32电阻性负载：单相桥式电路，脉冲移相范围α=( ),电流开始断续时αk＝（ ）;三相半波电路脉冲移相范围α＝（ ），电流开始断续时αk＝（ ）;三相桥式电路脉冲移相范围α＝（ ），电流开始断续时αk＝（ ）
答案：单相桥式0――Π，0；三相半波0――150°，30°；三相桥式0――－120°，60°
2.33．三相半波可控整流电路对直流电动机供电，当α=60°，理想空载转速n0=1000rpm,在α=30°时，理想
空载转速n01=( );
α2=90°时，理想空载转速n02=( ), α3=120°, n03=( )
答案：1000rpm, 866rpm, 500rpm
2.34.电路形式为两组三相桥式并联可逆电路，负载为直流电动机，请画出：电气原理图和直流电动机运行四个象限变流器的工作情况（电动机运行状态，变流器工作状态，整流电压极性，直流电动机反电势极性，主电路电流方向） 答案：p89 图2－5b , c
2.35.电路形式为三相半波电路，负载为电阻，当α=30°时，请画出电气原理图，整流电压波形图，脉冲序列，
晶闸管T1在一个周期内承受电压波形图。 答案：P52图2－12a,图2－13
2.36．电路形式为三相桥式可控整流电路，负载电极大，当α=90°请画出电气原理图，整流电压Ud波形图，脉
冲序列，晶闸管T1在一个周期内承受电压UT1波形图。
答案：P59图2－24
第4章 交流电力控制电路和交交变频电路
4.1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=O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。
解: α=O时的输出电压最大,为
解得
α=60.54°
同理,输出功率为最大输出功率的50%时,有: Uo=.5U1 又由
Uo=U1
1
(2U1sinωt)=U1 Uomax=
Π∫0
此时负载电流最大,为
Iomax=
Π
sin2αΠ−α
+
2ΠΠ
uomaxU1
=
RR
因此最大输出功率为
输出功率为最大输出功率的80%时,有:
U12
Pmax=Uomax Iomax=
R
此时,
Uo=0.8U1 又由
Uo=U1
sin2Π− +
2ΠΠ
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
特点?
4.3.是TCR,什么是TSC?它们的基本原理是什么?各有何 答:TCR是晶闸管控制电抗器。TSC是晶闸管投切电容
α=90°
4.2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。
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角α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。
4.4单相交交变频电路和直派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,两组可控整流路中哪丁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。
4.5.交交变频电路的最高输出频率是多少?制约输出频率提高的因素是什么?
答:一般来讲,构成交交变频电路的两组变流电路的脉波数越多,最高输出频率就越高。当交交变频电路中采用常用的6脉波三相桥式整流电路时,最高输出频率不应高于电网频率的1/3~1/2。当电网频率为50Hz时,交交变频电路输出的上限频率为20Hz左右。
当输出频率增高时,输出电压一周期所包含的电网电压段数减少,波形畸变严重,电压波形畸变和由此引起的电流波形畸变以及电动机的转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。
4.6交交变频电路的主要特点和不足是什么?其主要用途因数;能量可双向流动,适用于交流电动机的四象限运行;不通过中间直流环节而直接实现变频,效率较高。
矩阵式交交变频电路的主要缺点是:所用的开关器件为18个,电路结构较复杂,成本较高,控制方法还不算成熟;输出输入最大电压比只有0.866,用于交流电机调速时输出电压偏低。
因为矩阵式变频电路有十分良好的电气性能,使输是什么?
答:交交变频电路的主要特点是:
只用一次变流效率较高;可方便实现四象限工作;低频输出时的特性接近正弦波。 交交变频电路的主要不足是:
接线复杂 如采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管;受电网频率和变流电路脉波数的限制,输出频率较低;输出功率因数较低;输入电流谐波含量大,频谱复杂。
主要用途:500千瓦或1000千瓦以下的大功率、低转速的交流调速电路,如轧机主传动装置、鼓风机、球磨机等场合。
4.7.三相交交变频电路有那两种接线方式?它们有什么区别?
答:三相交交变频电路有公共交流母线进线方式和输出星形联结方式两种接线方式。 两种方式的主要区别在于:
公共交流母线进线方式中,因为电源进线端公用,所以三组单相交交变频电路输出端必须隔离。为此,交流电动机三个绕组必须拆开,共引出六根线。
而在输出星形联结方式中,因为电动机中性点和变频器中中性点在一起;电动机只引三根线即可,但是因其三组单相交交变频器的输出联在一起,其电源进线必须隔离,因此三组单相交交变频器要分别用三个变压器供电。
4.8.在三相交交变频电路中,采用梯形波输出控制的好处是什么?为什么?
答：在三相交交变频电路中采用梯形波控制的好处是可以改善输入功率因数。
因为梯形波的主要谐波成分是三次谐波,在线电压中,三次谐波相互抵消,结果线电压仍为正弦波。在这种控制方式中,因为桥式电路能够较长时间工作在高输出电压区域(对应梯形波的平顶区), α角较小,因此输入功率因数可提高15%左右。
4.9..试述矩阵式变频电路的基本原理和优缺点。为什么说这种电路有较好的发展前 景? 答:矩阵式变频电路的基本原理是：
对输入的单相或三相交流电压进行斩波控制,使输出成为正弦交流输出。
矩阵式变频电路的主要优点是:输出电压为正弦波;输出频率不受电网频率的限制;输入电流也可控制为正弦波且和电压同相;功率因数为l,也可控制为需要的功率出电压和输入电流均为正弦波,输入功率因数为l,且能量双向流动,可实现四象限运行;其次,和目前广泛应用的交直交变频电路相比,虽然多用了6个开关器件,却省去直流侧大电容,使体积减少,且容易实 现集成化和功率模块化。随着当前器件制造技术的飞速进步和计算机技术的日新月异,矩阵式变频电路将有很好的发展前景。
4.10．三相三线制交流调压电路，电阻负载，开通角α＝（ ）；其中当电路处于三个晶闸管导通和两个晶，每个晶闸管导通时间θ1＝（ ）；当电路处于任一时刻都是两个闸管导通交替状态的时，α1＝（ ）
，晶闸管的导通时间θ2＝（ ）；当电路处于两个晶闸管导通的和无晶闸管晶闸管导通时α2＝（ ）
，晶闸管的导通时间θ3＝（ ） 导通的交替状态时α3＝（ ）
答案：0°——150°；0°——60°，180°―α；60°——90°，120°；90°——150°，300°－2α 4.20单相交流调压电阻负载，移相角α1=( ),电阻感负载，移相范围α2＝（ ） 答案：0——Π，ϕ——Π
4.21降压斩波电路，如图：P101图3－1 VT的开关周期是T=
1T
s,导通时间，E=100V, L=50mH.R=1Ω 3003
−3
求：负载U0, I0 ，流过UT和VD的电流IdT , IdD ;输入功率和负载功率Pi , PR解：X=ωL=2ΠfL=2Π×300×50×10
Ud=
=65.9Ω X〉R
T2Ton100Ud33.3==33.3V , Id===33.3A
31TR
1
IdT=
T
IdD=
∫
T3T0
idt=
Id
=11.1A 3
2
Id=22.2A 3
1T
T
T3
IDdt=
1Pi=
T
∫
T30
E
EiTdt=
T
∫
T3T0
idt=EIdT=100×11.1=1.11KW
PR=UdIa=33.3×33.3=1.11KW
4.22单相交流调压，阻感负载，UF=220V, L=5.5mH, R=1Ω
求：移相角α＝？最大负载电流有效值I=?最大输出功率Pmax=?功率因数Cosϕ=?
2Π×50×5.5×10−3UL
=arctan=60° 解：（1）ϕ=arctan
1R
所以 60°≤α≤180°
（2）α=ϕ时， 电流连续，电流最大
I=
U1220==110A
−3Z+2Π×50×5.5×10(3) P=U1Icosϕ=U1I2cosα=220×110×cos60°=12.1KW 4.23.画出上题中U1, U0, I0, UVT, 的波形
解： 见P113 图4－2
4.25电路，负载电流i0和负载电压U0如下图所示，请填出P组，N组在不同时间内的工作状态 在0到t1期间， P组工作在（ ）状态，N组工作在（ ）状态； 在t1到t2期间， P组工作在（ ）状态，N组工作在（ ）状态； 在t2到t3期间， P组工作在（ ）状态，N组工作在（ ）状态； 在t3到t4期间， P组工作在（ ）状态，N组工作在（ ）状态； 答案：整流，阻断；逆变，阻断；阻断，整流；阻断，逆变