第2章 電力電子器件

《第2章 電力電子器件》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《第2章 電力電子器件（21頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 第2至第8章作業(yè) （黎華） 第2章?電力電子器件 1.?使晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？ 答：使晶閘管導(dǎo)通的條件是：晶閘管承受正向陽極電壓，并在門級施加觸發(fā)電流（脈沖）。或：UAK﹥0且UGK﹥0. 2.?維持晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？ 答：維持晶閘管導(dǎo)通的條件是使晶閘管的電流大于能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流，即維持電流。 3.?怎樣才能使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷？ 答：要使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷，可利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下，即降到維持電流以下，便可使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。 4.?圖1中陰影部分為晶閘管處于通態(tài)區(qū)間的電流波形，各波形的電流最

2、大值均為Im，試計算各波形的電流平均值Id1、Id2、Id3與電流有效值I1、I2、I3。 圖1 晶閘管導(dǎo)電波形 解：a） b） C） 7.?晶閘管的觸發(fā)脈沖需要滿足哪些條件？ ?答：A觸發(fā)信號應(yīng)有足夠的功率 B觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖前沿盡可能陡，使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)通 C觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求 第3章?整流電路 ?1.?單相半波可控整流電路對電感負(fù)載供電，L＝20mH，U2＝100V，求當(dāng)α＝0°和60°時的負(fù)載電流Id，并畫出ud與id波形。 解

3、：α＝0°時，在電源電壓u2的正半周期晶閘管導(dǎo)通時，負(fù)載電感L儲能，在晶閘管開始導(dǎo)通時刻，負(fù)載電流為零。在電源電壓u2的負(fù)半周期，負(fù)載電感L釋放能量，晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通，因此，在電源電壓u2的一個周期里。以下方程均成立： ： 考慮到初始條件：當(dāng)時，id=0可解方程得： id ud與id波形如下圖： 當(dāng)α＝0°時，在u2半周期60°~180°期間晶閘

4、管導(dǎo)通使電感L儲能，電感L儲藏的能量在U2 負(fù)半周期180°~300°期間釋放，因此在u2一個周期中60°~300°期間以下微分方程成立： 考慮到初始條件：當(dāng)600時，id=0可解方程得： id 其平均值為 此時ud與id波形如下圖 2．單相橋式全控整流電路，U2＝100V，負(fù)載中R＝2Ω，L值極大，當(dāng)α＝30°時，要求：①作出ud、id、和i2的波形；②求整流輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓器二次電流有效值I2；③考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。 解：①作出ud、id、和i2的波形如圖下： ②輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓

5、器二次電流有效值I2 分別為 Ud=0.9 U2 cosα=0.9×100×cos30°=77.97（V） （A） (A) ③晶閘管承受的最大反向電壓為： （V） 考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為： U你=（2~3）×141.4=283~424（V） 具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。 流過晶閘管的電流有效值： （A） 晶閘管的額定電流為： （A） 具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。 ?3．單相橋式全控整流電路，U2=100V，負(fù)載中R=2Ω，L值極大，反電勢E=60V，當(dāng)a=30°時，要求： ①?作出ud、id和i2的波形； ②?求整流輸出平均電壓U

6、d、電流Id，變壓器二次側(cè)電流有效值I2； ③?考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。 解：①?作出ud、id和i2的波形如下圖： ②?流輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓器二次側(cè)電流有效值I2分別為： Ud=0.9 U2 cos a=0.9×100×cos30°=77.97（A） Id=（Ud -E）/R=（77.97-60）/2=9（A） I2=Id=9（A） ③?晶閘管承受的最大反向電壓為： （A） 流過每個晶閘管的電流的有效值為： （A） 故晶閘管的額定電壓為： UN=（2~3）×141.4=238~424（V） 晶閘管的

7、額定電流為： IN=（1.5~2）×6.36/1.57=6~8（A） 晶閘管額定電壓和電流的具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。 4．單相橋式半控整流電路，電阻性負(fù)載，畫出整流二極管在一周內(nèi)承受的電壓波形。 解：注意到二極管的特點：承受電壓為正即導(dǎo)通。因此，二極管承受的電壓不會出現(xiàn)正的部分。在電流中器件均不導(dǎo)通的階段，交流電源電壓由晶閘管平衡。 整流二極管在一周內(nèi)承受的電壓波形圖如下： 5．單相全控橋，反電動勢阻感負(fù)載，R=1Ω，L=∞，E=40V，U2=100V，LB=0.5mH，當(dāng)a=60°時求Ud、Id與g 的數(shù)值，并畫出整流電壓ud的波形。 解：考慮LB 有：

8、 Ud=0.9U2 cosα-△Ud △Ud=2XBId / π Id=（Ud -E）/ R 解：方程組得： Ud=()/（V） 又 既得出 換流重疊角 最后，作出整流電壓Ud的波形圖如下： 6．單相橋式全控整流電路中，當(dāng)負(fù)載分別為電阻負(fù)載或電感負(fù)載時，要求的晶閘管移相范圍分別是多少？ 答：單相橋式全控整流電路，當(dāng)負(fù)載為電阻負(fù)載時，要求的晶閘管移相范圍是0~1800

9、，當(dāng)負(fù)載為電感負(fù)載時，要求的晶閘管移相范圍是0~900 7.?在三相半波整流電路中，如果a相的觸發(fā)脈沖消失，試?yán)L出在電阻性負(fù)載和電感性負(fù)載下整流電壓ud的波形。 解：α=00，當(dāng)負(fù)載為電阻時，ud的波形圖如下 當(dāng)負(fù)載為電感是，ud的波形圖如下 ? 8．三相半波可控整流電路，U2=100V，帶電阻電感負(fù)載，R=5Ω，L值極大，當(dāng)a=60°時，要求： ①?畫出ud、id和iVT1的波形； ②?計算Ud、Id、IdT和IVT。 解：①?畫出ud、id和iVT1的波形圖如下 ②?Ud、Id、IdT和IVT分別如下 （V） （A） （A） （A）

10、 9．在三相橋式全控整流電路中，電阻負(fù)載，如果有一個晶閘管不能導(dǎo)通，此時的整流電壓ud波形如何？如果有一個晶閘管被擊穿而短路，其他晶閘管受什么影響？ 答：假設(shè)VT1不能導(dǎo)通，整流電壓ud 波形圖如下 假設(shè)VT1被擊穿而短路，則當(dāng)晶閘管VT3或VT5導(dǎo)通時，將發(fā)生電源相間短路，使得VT3、VT5也可能分別被擊穿。 10．三相橋式全控整流電路，U2=100V，帶電阻電感負(fù)載，R=5Ω，L值極大，當(dāng)a=60°時，要求： ①?畫出ud、id和iVT1的波形； ②?計算Ud、Id、IdT和IVT。 解：①?畫出ud、id和iVT1的波形圖如下 ②?Ud、Id、IdT

11、和IVT分別如下 （V） （A） （A） （A） 11．三相全控橋，反電動勢阻感負(fù)載，E=200V，R=1Ω，L=∞，U2=220V，a=60°，當(dāng)①LB=0和②LB=1mH情況下分別求Ud、Id的值，后者還應(yīng)求g 并分別作出ud與iT的波形。 解：①當(dāng)LB=0時： （V） （A） ②LB=1mH時 解方程組得： （V） （V） 又 ud與i

12、T的波形如下： 12．三相橋式全控整流電路中，當(dāng)負(fù)載分別為電阻負(fù)載或電感負(fù)載時，要求的晶閘管移相范圍分別是多少？ 答：三相橋式全控整流電路，當(dāng)負(fù)載為電阻負(fù)載時，要求的晶閘管移相范圍是0~1200，當(dāng)負(fù)載為電感負(fù)載是，要求的晶閘管移相范圍是0~900 13．三相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有哪些次數(shù)的諧波？其中幅值最大的是哪一次？變壓器二次側(cè)電流中含有哪些次數(shù)的諧波？其中主要的是哪幾次？ 答：三相橋式全控整流電流的整流輸出電壓中含有6K（K=1/2/3…..）次的諧波，其中幅值最大的是6次諧波，變壓器二次測電流中含有6K±1 （K=1、2、3……）次的諧波，其中主要

13、的是5、6次諧波。 14．三相橋式全控整流電路，U2=100V，帶電阻電感負(fù)載，R=5Ω，L值極大，當(dāng)a=60°時，要求：（1）計算Ud、Id、IdT和IVT；（2）i2的5、7次諧波分量的有效值I25、I27；（3）輸入功率因數(shù)。 解：（1）計算Ud、Id、IdT和IVT分別如下 （V） （A） （A） （A） （2）由此

14、可計算出5次和6次諧波分量的有效值： （A） （A） （3）基波電流的有效值： （A） 基波因數(shù)為 電路的輸入功率應(yīng)數(shù)為： 15．使變流器工作于有源逆變狀態(tài)的條件是什么？ 答：條件有二： 1、直流測要有電動勢，其極性須和晶閘管的導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)大于交流電路直流測的平均電壓。 2、要求晶閘管的控制角α＞π/⒉使Ud 為負(fù)值。 16．什么是逆變失?。咳绾畏乐鼓?/p>

15、變失??？ 答：叛變運行時，一旦發(fā)生換流失敗，外接的直流電源就會通過晶閘管電路形成短路，或者使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變?yōu)轫樝虼?lián)，由于叛變電路內(nèi)阻很小，形成很大的短路電流，稱為叛變失敗或者叛變顛覆。 防止叛變失敗的方法有;采用精確可靠的觸發(fā)電路，使用性能良好的晶閘管，保證交流電源的質(zhì)量，留出充足的換向裕量角β等。 ? 第4章?逆變電路 ?1．無源逆變電路和有源逆變電路有何不同？ 答：兩種電路的不同主要是： 有源叛變電路的交流側(cè)接電網(wǎng)，即交流側(cè)接有電源。而無源叛變電路的交流側(cè)直接和負(fù)載聯(lián)接。 2．換流方式各有那幾種？各有什

16、么特點？ 答：換流方式有4種: 器件換流：利用全器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。全控型器件采用此換流方式 電網(wǎng)換流：由電網(wǎng)提供電流壓，只要把負(fù)的電網(wǎng)加在欲換流的器件上即可 負(fù)載換流：由負(fù)載提供換流電壓，當(dāng)負(fù)載為電容性負(fù)載即負(fù)載電流超前于負(fù)載電壓時，可實現(xiàn)負(fù)載換流 強迫換流：設(shè)置附加換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反向電壓換流稱為強迫換流通常是利用附加電容上的能量實現(xiàn)，也稱電容換流 晶閘管電路不能采用器件換流，根據(jù)電路形式的不同采用電網(wǎng)換流、負(fù)載換流和強迫換流3種方式。 3．什么是電壓型逆變電路？什么是電流型逆變電路？二者各

17、有什么特點。 答：按照叛變電路直流測電源性質(zhì)分類，直流側(cè)的電源的稱為叛變電路稱為電壓型叛變電路，直流側(cè)是電流的叛變路稱為電流型叛變電路 電壓型叛變電路的主要特點是： 1、直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源，直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。 2、由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)，而交流側(cè)輸出電流波形和相位因數(shù)負(fù)載阻抗情況的不同而不同。 3、當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，叛變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。 電流型叛變電路的主要特點是： 1

18、、直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當(dāng)于電流源，直流側(cè)電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。 2、電路中開關(guān)器件的作用僅是改變直流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且于負(fù)載阻抗角無關(guān)，而交流側(cè)輸出電壓波形和相位側(cè)因負(fù)載阻抗情況的不同而不同 3、當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時需要提供無功功率，直流電感起緩沖無功能量的作用，因為反饋無功能量時直流并不反向，因此不必像電壓型叛變電路那樣要給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。 4．電壓型逆變電路中反饋二極管的作用是什么？? 答：在電壓型叛變電路中，當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用，為了給交流側(cè)向直流反饋的無功能量提供通道，叛變橋各臂都并

19、聯(lián)了反饋二極管，當(dāng)輸出交流電壓的極性相同時，電流經(jīng)電路中的可控制開關(guān)器件流通，而當(dāng)輸出電壓電流極性相反時，由反饋二極管提供電流通道。 5．為什么電流型逆變電路中沒有反饋二極管？ 答;在電流型叛變電路中，之路電流極性是一定的，無功能量由直流側(cè)電感來緩沖，當(dāng)需要從交流側(cè)直流反饋無功能量時，電流并不反向，依然經(jīng)電路中的可控制開關(guān)器件流通，因此不需要并聯(lián)反饋二極管。 ? 第5章?直流-直流變流電路 1.?介紹降壓斬波電路工作原理 答：降壓斬波器的原理是，在一個控制周期中，讓V導(dǎo)通一段時間ton，由電源E向L、R、M供電，在此期間，uo =E o 然后使V關(guān)斷一段時間ton，此時電感L通過二

20、級管VD向R和M供電，uo =0 o 一個周期內(nèi)的平均電壓。輸出電壓小于電源電壓，起到降壓作用。 2.?介紹升壓斬波電路工作原理 答：假設(shè)電路中電感L值很大，電容C值也很大，當(dāng)V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為I1同時電容C上的電壓向負(fù)載R供電，因C值很大，基本保持輸出電壓為恒值UO，設(shè)V處于通態(tài)的時間為ton，此階段電感L上積蓄的能量為EI1ton。當(dāng)V處于斷態(tài)時E和L共同向電容C充電并向負(fù)載R提供能量。設(shè)V處于斷態(tài)的時間為toff，則在此期間電感L釋放的能量為（Uo-E）I1toff。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即： 化簡得：

21、 式中的T/toff≥1,輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。 3．在降壓斬波電路中，已知E=200V，R=10Ω，L值極大，EM=30V，T=50μs,ton=20μs,計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。 解：由于L值極大，故負(fù)載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為 （V） 輸出電流平均值為 （A） 4．在下圖所示的降壓斬波電路中，E=100V，?L=1mH，R=0.5Ω，EM=10V，采用脈寬調(diào)制控制方式，T=20μs，當(dāng)ton=5μs時，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io，計算輸

22、出電流的最大和最小值瞬時值并判斷負(fù)載電流是否連續(xù)。當(dāng)ton=3μs時，重新進(jìn)行上述計算。 5．在升壓斬波電路中，已知E=50V，L值和C值極大，R=10Ω，采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng)T=40μs，ton=20μs時，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。 ? ?解：由題目已知條件可得： = ? 由于 所以輸出電流連續(xù)。 此時輸出平均電壓為(V) 輸出平均電流為(A)

23、輸出電流的最大和最小值瞬時值為分別為 當(dāng)ton=3μs時，采用同樣的方法可以得出：αρ=0.0015 由于 所以輸出電流仍然連續(xù)。 此時輸出電壓，電流的平均值以及輸出電流最大、最小瞬時值分別為： （V） （A） （A） (A) 第6章?交流-交流變流電路 ?1．一單相交流調(diào)壓器，電源為工頻220V，阻感串聯(lián)作為負(fù)載，其中R=0.5Ω，L=2mH。試求：①開通角α的變化范圍；②負(fù)載電流的最大有效值；③最大輸出功率及此時電源側(cè)的功率因數(shù)；④當(dāng)α=時，晶閘管電流有效值，晶閘管導(dǎo)通角和電源側(cè)功率因數(shù)。 解：1、負(fù)載阻抗角為

24、 開通角的變化范圍為： 即 3、當(dāng)時，輸出電壓最大，負(fù)載電流也為最大，此時輸出功率最大 功率因數(shù)為 實際上，此時的功率因數(shù)也就是負(fù)載阻抗角的余弦，即 4、時，先計算晶閘管的導(dǎo)通角，由式（4-7）得 解上式可得晶閘管導(dǎo)通角為 2.?一調(diào)光臺燈由單相交流調(diào)壓電路供電，設(shè)該臺燈可看作電阻負(fù)載，在α=0時輸出功率為最大值，試求功率為最大輸出功率的80%，50%時的開通角α。 解：α=0時的輸出電壓最大，為

25、 此時負(fù)載電流最大，為 因此最大輸出功率 輸出功率最大輸出功率的80%時，有 此時 又由 解得 同時，輸出功率為最大輸出功率的50%時，有： 又由 ? 第7章?PWM控制技術(shù) ? 1．介紹PWM控制的基本原理。 答：PWM控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系脈沖快遞進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所得需要波形。在采樣控制理論中有一條重要的結(jié)論，沖量相等而形狀不

26、同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積，效果基本相同是環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同，上述原理稱為面積等效原理。 2.?單極性和雙極性PWM調(diào)制有什么區(qū)別？三相橋式PWM型逆變電路中，輸出相電壓（輸出端相對于直流電源中點的電壓）和線電壓SPWM波形各有幾種電平？ 答：三角波載波載信號波正半周期或負(fù)半周期里只有單一的極性，所得的PWM波形在半個周期中也只有單極性范圍內(nèi)變化，稱為單極性PWM控制方式。 三角波載波始終是有正有負(fù)為雙極性的，所得的PWM波形在半個周期中有正有負(fù)，則稱之為雙極性PWM控制方式。 三相橋式PWM型叛變電路中，輸出相等電壓有兩種電平：0.5

27、Ud和-0.5Ud。輸出線電壓有三種電平U d、0、U do ?3．什么是異步調(diào)制？什么是同步調(diào)制？兩者各有何特點？分段同步調(diào)制有什么優(yōu)點？ 答： 4.?根據(jù)對輸出電壓平均值進(jìn)行控制的方法不同，直流斬波電路可有哪三種控制方式？并簡述其控制原理。 答：第一種調(diào)制方式為：保持開關(guān)周期不變，改變開關(guān)導(dǎo)通時間ton 稱為脈寬調(diào)制，簡稱“PWM”調(diào)制。第二種調(diào)制方式為：保持開關(guān)導(dǎo)通時間ton不變，改變開關(guān)周期，稱為頻率調(diào)制，簡稱為“PFM”調(diào)制，第三種調(diào)至方式為：同時改變周期T與導(dǎo)通時間ton。使占空比改變，稱為混合調(diào)制 5.?PWM逆變電路的控制方法主要有哪幾種？? ?答：PWM叛變電路的

28、常用控制方法有兩種，一種是計算法，第二種是調(diào)制法，其中調(diào)制法又可分為兩種，意識異步調(diào)制法，二是同步調(diào)制法。 第8章?軟開關(guān)技術(shù) 1．軟開關(guān)電路可以分為哪幾類？? 答：根據(jù)電路中主要的開關(guān)元件開通及關(guān)斷時的電壓電流狀態(tài)，可將軟件開關(guān)電路分為零電路和零電流電路兩大類，根據(jù)軟件開關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可將軟件開關(guān)電路分為準(zhǔn)諧振電路，零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。 2．在移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路中，如果沒有諧振電感Lr，電路的工作狀態(tài)將發(fā)生哪些變化，哪些開關(guān)仍是軟開關(guān)，哪些開關(guān)將成為硬開關(guān)？ 答：如果沒有諧振電感Lr， 電路中的電容Cs1，Cs2與電感L扔可構(gòu)成諧振電路，而電容Cs3.Cs4將無法與Lr 構(gòu)成諧振回路，這樣S3、S4將變?yōu)橛查_關(guān)，S1、S2扔為軟開關(guān)。 3．在零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路中，輔助開關(guān)S1和二極管VD1是軟開關(guān)還是硬開關(guān)，為什么？ 答：在S1 開通時，US1不等于零，在S1 關(guān)斷時，其上電流也不為零，因此S1 為硬開關(guān)，由于電感Lr的存在，S1 開通時電流上升率受限制，降低了S1 的開通損耗。由于電感Lr的存在，使VD1的電流逐步下降到零，自然關(guān)斷，因此VD1為軟開關(guān)