电力电子器件42108.doc

第2章 电力电子器件2 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）。或者UAK >0且UGK>03 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，即IAIH。关断条件：去掉阳极所加的正向电压，或给阳极施加反向电压；设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下，即IAIH。4. 解： a) Id1= I1= b) Id2=I2= c) Id3= I3=5. 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) Im1A, Id10.2717Im189.48Ab) Im2 Id2 c) Im3=2I=314 Id3= 第3章 整流电路1. 解: 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:考虑到初始条件：当时id=0可解方程：ud与id的波形如下图： 当=时,在u2的正半周期期间, 晶闸管导通使电惑L储能,电感L储藏的能量在u2负半周期期间释放,因此在u2的一个周期中期间，以下微分方程成立：考虑到初始条件：当时id=0可解方程得：id=其平均值为Id=此时ud与id的波形如下图：2. 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。 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2U2。 当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角相同时,对于电阻负载;(0)期间无晶闸管导通,输出电压为0；()期间,单相全波电路中VT1导通,单相全控桥电路中VT1、VT4导通,输出电压均与电源电压u2相等;( +)期间均无晶闸管导通,输出电压为0;( + 2)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;( +)期问,单相全波电路中VT1导通,单相全控桥电路中VT1、VT4导通,输出电压均与电源电压u2相等;( + 2+)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。3. 解:ud、id、和i2的波形;如下图: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=0.9U2cos=0.9×100×cos77.97（V） IdUd/R=77.97/2=38.99(A) I2= Id =38.99(A)晶闸管承受的最大反向电压为: U2=100=141.4(V) 考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为: UN=(23)×141.4=283424(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/=27.57(A) 晶闸管的额定电流为: IN=(1.52)×27.57/1.57=2635(A) 具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。4. 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:5. 解:ud、id、和i2的波形如下图:整流输出平均电压Ud、电流Id,变压器二次测电流有效值I2分别为: Ud=0.9U2cos=0.9×100×cos=77.97(V) Id=(UdE)/R=(77.9760)/2=9(A) I2=Id=9(A)晶闸管承受的最大反向电压为: U2=100=141.4(V) 流过每个晶闸管的电流的有效值为: IVT=Id/=6.36(A) 故晶闸管的额定电压为: UN=(23)×141.4=283424(V)晶闸管的额定电流为: IN=(1.52)×6.36/1.57=68(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。6. 解: ud、id、iVT、iD的波形如下图:负载电压的平均值为: Ud =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=19.49(A) 流过二极管VD3、VD4的电流有效值为: IVD=27.56(A)7. 解:假设=,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：9. 答:三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法,a、b两相之间换相的自然换相点不是同一点。它们在相位上相差10. 答:相差11. 解: ud、id、iVT1的波形如下图:Ud、Id、IdvT和IVT分别如下 Ud=1.17U2cos=1.17×100×cos=58.5(V) IdUd /R=58.5/5=11.7(A) IdvT= Id /3=11.7/3=3.9(A) IVT= Id /=6.755(A)12. 答:假设VTl不能导通,整流电压波形如下: 假设VTl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. 解:ud、id、iVT1的波形如下:Ud、Id、IdvT和IVT分别如下 Ud =2.34U2cos=2.34×100×cos=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. 解:考虑LB时,有: Ud =0.9U2cosUd Ud =2XB Id / Id(Ud -E)/R解方程组得: 15. 解:考虑LB时，有: Ud =1.17U2cos-Ud Ud =3XB Id /2 Id(Ud -E)/R解方程组得: Ud Ud =6.7(V) Id =44.63(A) 又因为： 即得出: cos()=0.752 换流重叠角: = ud与iVTl和iVT2的波形如下:26. 答:条件有二:直流侧要有电动势,其极性须和晶闸管的导通方向一致,其值应大于变流电路直流侧的平均电压;要求晶闸管的控制角使Ud为负值。29. 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。防止逆变失败的方法有: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,留出充足的换向裕量角等。30. 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，当负载为电感负载时,要求的晶闸管移相范围是0。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，当负载为电感负载时,要求的晶闸管移相范围是0补充题： 1. 答案：单相：2，U2, 1 三相： 62. 答案： 单相桥式：，U2，2 三相半波： 33. 答案：单相桥式0，0；三相半波0，；三相桥式0，第4章 逆变电路1. 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. 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。3. 答：按照逆变电路直流侧电源性质分类,直流侧是电压源的逆变电路称为电压型 逆变电路,直流侧是电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。电压型逆变电路的主要特点是： 直流侧为电压源,或并联有大电容,相当于电压源。直流侧电压基本无脉动,直流回路呈现低阻抗。 由于直流电压源的钳位作用,交流侧输出电压波形为矩形波,并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥各臂都并联了反馈二极管。 电流型逆变电路的主要特点是： 直流侧串联有大电感,相当于电流源。直流侧电流基本无脉动,直流回路呈现高阻抗。 电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径,因此交流侧输出电流为矩形波,并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向,因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。4. 答：在电压型逆变电路中,当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电容起 缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥各臂都并联了反馈二极管。当输出交流电压和电流的极性相同时,电流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压电流极性相反时,由反馈二极管提供电流通道。 在电流型逆变电路中,直流电流极性是一定的,无功能量由直流侧电感来缓冲。当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时,电流并不反向,依然经电路中的可控开关器件流通,因此不需要并联反馈二极管。5. 解：， ， 6. 答：假设在t时刻触发VT2、VT3使其导通,负载电压u。就通过VT2、VT3施加在VTl、VT4上,使其承受反向电压关断,电流从VTl、VT4向VT2、VT3转移，触发VT2、VT3时刻t必须在u。过零前并留有足够的裕量,才能使换流顺利完成。7. 答：二极管的主要作用,一是为换流电容器充电提供通道,并使换流电容的电压能够得以保持,为晶闸管换流做好准备;二是使换流电容的电压能够施加到换流过程中刚刚关断的晶闸管上,使晶闸管在关断之后能够承受一定时间的反向电压,确保晶闸管可靠关断，从而确保晶闸管换流成功。以VTl和VT3之间的换流为例,串联二极管式电流型逆变电路的换流过程可简述如下:给VT3施加触发脉冲,由于换流电容C13电压的作用,使VT3导通而VTl被施以反向电压而关断。直流电流Id从VTl换到VT3上,C13通过VDl、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电,如图5-16b所示。因放电电流恒为/d,故称恒流放电阶段。在C13电压Uc13下降到零之前,VTl一直承受反压,只要反压时间大于晶闸管关断时间rq，就能保证可靠关断。Uc13降到零之后在U相负载电感的作用下,开始对C13反向充电。如忽略负载冲电阻 的压降,则在Uc13=0时刻后,二极管VD3受到正向偏置而导通,开始流过电流,两个二极管同时导通,进入二极管换流阶段,如图5-16c所示。随着C13充电电压不断增高,充电电流逐渐减小,到某一时刻充电电流减到零,VDl承受反压而关断,二极管换流阶段结束。之后,进入VT2、VT3稳定导逗阶段,电流路径如图5-6d所示。8. 答：逆变电路多重化的目的之一是使总体上装置的功率等级提高,二是可以改善输出电压的波形。因为无论是电压型逆变电路输出的矩形电压波,还是电流型逆变电路输出的矩形电流波,都含有较多谐波,对负载有不利影响,采用多重逆变电路,可以把几个矩形波组合起来获得接近正弦波的波形。 逆变电路多重化就是把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来,使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消,就可以得到较为接近正弦波的波形。组合方式有串联多重和并联多重两种方式。串联多重是把几个逆变电路的输出串联起来,并联多重是把几个逆变电路的输出并联起来。 串联多重逆变电路多用于电压型逆变电路的多重化。 并联多重逆变电路多用于电流型逆变电路的多重化。补充：1. 解：图4-62. 解：，矩形波，Ud , ,3. 答案：，矩形波，0.78Id4. 答案：电压换流：给晶闸管加反向电压使其关断的换流。 电流换流：现使晶闸管的电流为0，而后导通反并联二极管使其加上反向电压的换流。 纵向换流：换流发生在同一相上下两桥臂间进行的换流。 横向换流：换流使在上桥臂组或下桥臂组内进行换流。5. 答案：6. 答案：Ud, -Ud, 0; +Ud, -Ud，+Ud/2, -Ud/2，0第6章 交流电力控制电路和交交变频电路 1. 解: =O时的输出电压最大,为 U0max= 此时负载电流最大,为 I0max= 因此最大输出功率为 Pmax=Uomax Iomax= 输出功率为最大输出功率的80%时,有: P= Uo Io =80% 此时, Uo = 又由 Uo=U1 解得 同理,输出功率为最大输出功率的50%时,有: Uo = 又由 Uo = U1 2. 解: L=2×50×2×10-3=0.628 R=0.5, 开通角的变化范围51.47°180°负载电流的最大有效值发生在时, 负载电流是正弦波 Pmax= Io2R=37.55KW 已知，根据图4-4得IVTNIVT=IVTN， I0= IVT已知，根据图4-3得P= Io2R， S= U1 Io， 3. 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。补充题：1 答案：；，；，；，22 答案：0，19