(华北电力大学版)电力电子技术课后习题答案

电力电子技术习集 标 * 的习题是课本上没有的，作为习题的扩展 习题一 *  试说明什么是电导调制效应及其作用。 答：当PN结通过正向大电流时，大量空穴被注入基区（通常是N型材料），基区的空穴浓度（少子）大幅度增加，这些载流子来不及和基区的电子中和就到达负极。为了维持基区半导体的电中性，基区的多子（电子）浓度也要相应大幅度增加。这就意味着，在大注入的条件下原始基片的电阻率实际上大大地下降了，也就是电导率大大增加了。这种现象被称为基区的电导调制效应。 电导调制效应使半导体器件的通态压降降低，通态损耗下降；但是会带来反向恢复问题，使关断时间延长，相应也增加了开关损耗。 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？晶闸管由导通变为关断的条件是什么，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）。 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。 *  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其阳极电流IA大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流IH。 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。 3. 图1-30中的阴影部分示流过晶闸管的电流波形，其最大值均为Im，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各位多少？ 图1-30 习题1-4附图 解：（a） 额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则 ；平均值Ida为： （b） 额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则 ；平均值Idb为： （c） 额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则 ；平均值Idc为： （d） 额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则 ；平均值Idd为： （e） 额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则 ： 平均值Ide为： （f） 额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则： 平均值Ide为： * 在图1-31所示电路中，若使用一次脉冲触发，试问为保证晶闸管充分导通，触发脉冲宽度至少要多宽？图中，E=50V；L=0.5H；R=0.5?; IL=50mA（擎住电流）。 图1-31习题1-5附图        图1-32习题1-9附图 解：晶闸管可靠导通的条件是：必须保证当阳极电流上升到大于擎住电流之后才能撤掉触发脉冲。当晶闸管导通时有下式成立： 解之得： 可靠导通条件为： 解得： 即    也即触发脉冲宽度至少要500μs 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：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α1和α2，由普通晶闸管得分析可得，α1＋α2＝1是器件临界导通的条件。α1＋α2>1两个晶体管饱和导通；α1＋α2<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GTO在结构和工艺上有以下几点不同： A  多元集成结构使每个GTO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。 B  GTO导通时α1＋α2更接近1，晶闸管α1＋α2>1.15，而GTO则为α1＋α2≈1.05，饱和程度不深，在门极控制下易于退出饱和。 C  GTO在时，α2较大，晶体管V2控制灵敏，而α1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GTO关断。 * GTO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。 5. 试比较GTR、GTO、MOSFET、IGBT之间的差异和各自的优缺点及主要应用领域。 答：见下表 器件 优点 缺点 应用领域 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次击穿问题 UPS、空调等中小功率中频场合 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 高压直流输电、高压静止无功补偿、高压电机驱动、电力机车地铁等高压大功率场合。 MOSFET 开关速度快，开关损耗小，工作频率高，门极输入阻抗高，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，一般适合于高频小功率场合 开关电源、日用电气、民用军用高频电子产品 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。 电机调速，逆变器、变频器等中等功率、中等频率的场合，已取代GTR。是目前应用最广泛的电力电子器件。         *  请将VDMOS（或IGBT）管栅极电流波形画于图1-32中，并说明电流峰值和栅极电阻有何关系以及栅极电阻的作用。 答： VDMOSFET和IGBT都是电压驱动型器件，由于存在门极电容，其门极电流的波形类似于通过门极电阻向门极电容的充电过程，其峰值电流为Ip＝UGE/RG。栅极电阻的大小对器件的静态和动态开关特性有很大的影响：RG增加，则开通时间、关断时间、开通损耗关断损耗增加； 和位移电流减小；触发电路振荡抑止能力强，反之则作用相反。因此在损耗容许的条件下，RG可选大些以保证器件的安全，具体选择要根据实际电路选。典型的应用参数为：＋UGE＝15V，－UGE＝－(5~10)V，RG＝10～50欧 *  全控型器件的缓冲吸收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：缓冲电路的主要作用是抑止器件在开关过程中出现的过高的 、 和过电压，减小器件的开关损耗保证器件工作在安全范围之内。 RCD缓冲电路中主要是为了防止器件关断过程中的过电压。器件关断时，负载电流经二极管D向吸收电容C充电，使器件两端的电压由0缓慢上升，减缓 ，一方面可以抑止过电压，一方面可以减小关断损耗；开通时，吸收电容的能量经电阻R向器件放电，为下次关断做好准备，电阻R的作用是限制放电电流的大小、抑止缓冲电路的振荡。 *  限制功率MOSFET应用的主要原因是什么？实际使用时如何提高MOSFET的功率容量？ 答：限制功率MOSFET应用的主要原因是其电压、电流容量难以做大。因为MOSFET是单极性器件，所以通态损耗较大，其通态电阻为 。高压大电流时，其通态电阻（对应损耗）达到令人难以接受的程度（目前的市场水平最大为1200V/36A）。 实际使用时由于MOSFET具有正的温度系数，可以方便地采用多管串并联的方法来提高其功率容量。 习题二 1*．具有续流二极管的单相半波可控整流电路，带阻感性负载，电阻为5?，电感为0.2H，电源电压的有效值为220V，直流平均电流为10A，试计算晶闸管和续流二极管的电流有效值，并指出晶闸管的电压定额（考虑电压2-3倍裕度）。 解：本题困难，可不作为习题要求。 电路上图所示。设触发角为α，则在α～π期间晶闸管导通，其直流输出电压Ud如图（b）所示；在0～α和π～2π＋α期间，续流二极管导通，直流输出电压为0，则直流平均电压为 带入已知参数可得 ，即 。 设晶闸管开始导通时的电流值为I0，晶闸管关断、二极管开始导通时的电流值为I1，则在晶闸管导通期间的回路方程为： 由（1）可得方程的通解为 （4） 带入式（2）的初值条件，解得 将上式带入（4）并将已知参数带入可得 将式（3）的条件带入得 （5） 当二极管导通时，电流表达式为 在ωt=2π＋π/2处，i=I0，可得I1和I0之间的关系 （6） 由（5）、（6）可解得 则得电流的完全表达式如下 （7） 按照（7）用解析方法求解晶闸管和二极管的电流有效值非常复杂，为简化计算，用I1和I0之间的直线段来代替实际的曲线方程（由于L较大，这种代替不会带来很大误差）。 则晶闸管和二极管的电流有效值分别为 从图（g）可以看出，晶闸管承受的反压为电源电压峰值，即 ，考虑3倍安全余量可选耐压1000V的晶闸管。 2．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30 V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αmin＝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α＝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 欧， 单相全控整流的直流输出电压为 直流输出最大为100V，且此时的最小控制角为αmin＝30°，带入上式可求得 （1） αmin＝30°时， （2）晶闸管的电流有效值和承受电压峰值分别为 考虑3倍余量，选器件耐压为168×3＝500V；电流为(55.3/1.57)×3＝100A （3） 3．试作出图2-7所示的单相桥式半控整流电路带大电感负载，在α＝30°时的ud、id、iVT1、iVD4的波形。并计算此时输出电压和电流的平均值。 解： 输出电压和电流的平均值分别为： 4．单相桥式全控整流电路，U2＝100V，负载中R＝2 ?，L值极大，反电动势E＝60V，当α＝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Ud、电流Id，以及变压器二次侧电流有效值I2。 解：整流输出电压平均值Ud、电流Id，以及变压器二次侧电流有效值I2分别为： 在 5. 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R=4Ω，电源电压U2=220V，α=π/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3题 （2） （3） 6． 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α＝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180度，见下图。 共阳极接法的三相半波可控的整流电路在α＝30°时的ud、iVT1、uVT1的波形如下图 7. 三相半波可控整流电路带大电感性负载，α＝π/3，R=2Ω，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： 按裕量系数2确定晶闸管的电流定额为： ；电压定额为： * 三相半波共阴极接法的整流电路中，如果c相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和大电感性负载下整流的输出电压Ud（α＝300）。 解：电阻负载时波形如下图： 大电感负载时的波形为： ***  三相桥式全控整流电路中，如果c相上桥臂晶闸管（第5号管）的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和大电感性负载下整流的输出电压Ud（α＝600）。 解：电阻负载时波形如下图： 解释：当3、4号晶闸管导通（直流输出为Uba）完即将切换到4、5号晶闸管导通时，由于5号晶闸管触发丢失，且由于是电阻负载，在本该4、5导通的区间内由于Uba为负值，所以3号管被加反压关断，整流输出为0。在随后本该5、6管导通区间，由于5号管丢失脉冲，回路也没法导通，输出还是0。随着6、1的再次导通，进入下一个循环。 电感负载时波形如下图： 解释：当3、4号晶闸管导通（直流输出为Uba）完即将切换到4、5号晶闸管导通时，由于5号晶闸管触发丢失，没法给3号管提供反压使之关断，且由于是电感负载，所以3号管将会继续导通。这时实际导通的管子还是3、4两个晶闸管，即整流输出仍为Uba。在随后本该5、6管导通区间，4号管被导通的6号管关断，直流电流通过3、6两管形成的短路回路续流，直流输出是0。随着6、1的再次导通，进入下一个循环。 8．三相桥式全控整流电路，U2＝100V，带阻感性负载，R＝5 ?，L值极大，当α＝60°，试求： （1）作出ud、id和iVT1的波形； （2）计算整流输出电压平均值Ud、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） （2） （3）由功率因数的定义知： （4）按2倍余量估算，晶闸管的电压定额为： ； 晶闸管的电流定额为： 9．三相桥式不控整流电路带阻感性负载，R＝5 ?，L＝∞，U2＝220V，XB=0.3 ?，求Ud、Id、IVD、I2和γ的值，并作出ud、iVD1和i2的波形。 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0时的情况，则 解上述2个方程可得： 二极管的电流平均值为： 变压器二次侧电流有效值为： 由  可得 ud、iVD1和i2的波形的波形如下： 10．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——直流侧应有能提供逆变能量的直流电动势，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——变流器直流侧输出直流平均电压必须为负值，即α>π/2，Ud<0。 以上两条件必须同时满足，才能实现有源逆变。 11．什么是逆变失败？如何防止逆变失败？ 答：但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β的角度有一最小限制，留出充足的换向余量角。 12. 三相全控桥变流器，已知L足够大、R=1.2Ω、U2=200V、EM= -300V，电动机负载处于发电制动状态，制动过程中的负载电流66A，此变流器能否实现有源逆变？求此时的逆变角β。 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。 三相全控桥变流器处于有源逆变时有 （1） 而 ，即 解（1）式可得： 13．三相全控桥变流器，带反电动势阻感负载， R＝1 ?，L＝∞，U2＝220V，LB=1mH，当EM＝－400V，β＝60°时求Ud、Id和γ的值，此时送回电网的有功功率是多少？ 解： 带入已知参数解上2式，可得 ； 由换流重叠角公式可得： 即 送回电网的有功功率为： 14．三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。 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。 15．试计算第4题中i2的3、5、7次谐波分量的有效值I23、I25、I27，并计算此时该电路的输入功率因数。 解：由第4题的解答可知：Id＝9A，则 基波有效值  输入功率因数  16．试计算第8题中的i2的5、7次谐波分量的有效值I25、I27。 解：由第8题的解答可知：Id＝23.4A，则 17. 三相晶闸管整流器接至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α＝15°，不计重叠角 ，试求： (1) 相移功率因数cosφ1、整流器的功率因数λ； (2) 整流测直流电压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） （2） （3）基波电流有效值 总电流有效值  有功功率      无功功率      （4） 总谐波畸变率  18．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？ 答：晶闸管整流电路的功率因数由畸变因子 和位移因子 构成，表达式为 功率因数主要由整流触发角 和整流电路的电路结构决定。 19. 综述抑制相控整流电路网侧电流谐波的措施。 答：抑制网侧电流谐波的措施主要有： 1选择合适的输入电压（可采用输入变压器），在满足控制和调节范围的情况下尽可能减小控制角α。 2网侧设置补偿电容器和有针对性的滤波器。 3增加整流相数，即采用多相整流器，可使网侧电流更加接近正弦波。 4利用多重化技术进行波形叠加，以消除某些低次谐波。 5 利用有源滤波技术进行滤波。 20. 综述改善相控整流电路网侧功率因数的措施。 答：改善功率因数的途径主要有： 1选择合适的输入电压，在满足控制和调节范围的情况下尽可能减小控制角α。 2增加整流相数，改善交流电流的波形，减少谐波成分。 3设置补偿电容器和有针对性的滤波器。 4对于直流电抗滤波的整流器，换相重叠角会使谐波电流减小，可适当增加变压器的漏感。 5对于电容滤波的整流器，直流侧加装平波电感。 习题三 1. 一升压换流器由理想元件构成，输入Ud在8~16V之间变化，通过调整占空比使输出U0=24V固定不变，最大输出功率为5W，开关频率20kHz，输出端电容足够大，求使换流器工作在连续电流方式的最小电感。 解：由U0=24V固定不变，最大输出功率为5W可知 当输入Ud为8V间时 输入Ud为16V时 则实际工作时的占空比范围为： 由电流断续条件公式可得 即 在 范围内是单调下降的，在1/3处有最大值，所以 2. 一台运行在20kHz开关频率下的升降压换流器由理想元件构成，其中L=0.05mH，输入电压Ud=15V，输出电压U0=10V，可提供10W的输出功率，并且输出端电容足够大，试求其占空比D。 解： 3．在图3-1所示的降压斩波电路中，已知E=100V，R=0.5Ω，L=1mH，采用脉宽调制控制方式，T=20μs，当ton＝5μs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＝3μs时，重新进行上述计算。 解：（1） （2） ，所以电流连续。 （3）同（2） ，所以电流也是连续的。