2017年华南理工大学《电力电子技术》作业随堂联系模拟试题.docx

.第 2 至第 8 章作业第 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： uAK>0 且 uGK>0 。2. 维持晶闸管导通的条件是什么？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。3. 怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：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。4. 图 1 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I ，试计m算各波形的电流平均值Id1、 I d2、 Id3 与电流有效值 I 1、 I2 、I 3。02052024442a)b)c)图 1图1-43晶闸管导电波形解： a)I d1= 1I m sintd (t) = I m(21 )0.2717 I m2422I 1=1( I m sint )2 d (t ) = I m310.4767I m24242b)I d2 = 1I m sintd (t) = Im (21 )0.5434I m 42I 2 =1( I m sint )2d (t ) =I m310.898 Im2224c)=1I m d (t) =0.25I mI d322 0I3 =12=0.5 I m22 I m d ( t )07. 晶闸管的触发脉冲需要满足哪些条件？.答： A: 触发信号应有足够的功率。B：触发脉冲应有一定的宽度，脉冲前沿尽可能陡，使元件在触发导通后， 阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。 C：触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。第 3 章 整流电路1. 单相半波可控整流电路对电感负载供电， L 20mH ，U2 100V ，求当 0和 60时的负载电流 Id，并画出 ud 与 i d 波形。解：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 d id2U 2 sintd t考虑到初始条件：当t 0 时 i d0可解方程得：id2U 2(1cost )I d1Lcost )d( t )22U 2 (120L=2U 2=22.51(A)Lud 与 i d 的波形如下图：u 202tud02ti d02t当 60时，在 u2 正半周期 60 180 期间晶闸管导通使电感 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 一个周期中 60 300期间以下微分方程成立： L d i d2U 2 sintd t考虑初始条件：当t 60时 i d0 可解方程得：id2U 2( 1cos t)L2其平均值为.I d152U 212U 23(=11.25(A)cos t )d( t ) =23L 22 L此时 ud 与 i d 的波形如下图：u2+0tud+ti dt2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 a=30 时，要求： 作出 ud、 id 和 i 2 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I 2； 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解： ud、 i d 、和 i 2 的波形如下图：u2OtudOtidI dOti2I dOt输出平均电压 Ud、电流 I d，变压器二次电流有效值 I 2 分别为Ud 0.9 U 2 cos 0.9 100 cos3077.97 （ V）I d Ud / R77.97/2 38.99 （ A）I 2I d 38.99 （A）晶闸管承受的最大反向电压为：2 U21002 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：I VTI d2 27.57（ ）A晶闸管的额定电流为：I N（ 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。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。5单相全控桥， 反电动势阻感负载， R=1，L=，E=40V ，U =100V ，L=0.5mH ，当 a=60 2B时求 U d、 I d 与 g 的数值，并画出整流电压ud 的波形。解：考虑 LB 时，有：Ud0.9 U2cosUdUd 2XBI d I d（ UdE） R解方程组得：Ud（ R 0.9 U2cos 2XBE）（ R2XB） 44.55 （V）Ud 0.455 （V）I d4.55 （A）又cos cos() 22 I d X B U即得出cos(60) =0.4798换流重叠角 61.33 60 =1.33 最后，作出整流电压 Ud 的波形如下：u2Otu dOt.6单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 。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0 ，当负载为电阻时， ud 的波形如下：uduaubucOtuduaubucOt当负载为电感时， ud 的波形如下：uduaubucOtuduaubucOt8三相半波可控整流电路， U2=100V ，带电阻电感负载， R=5， L 值极大，当 a=60 时，要求： 画出 ud、 id 和 i VT1 的波形； 计算 Ud、 Id、 I dT 和 IVT 。解： ud、 i d 和 i VT1的波形如下图：.u2=30ubucuaOtuduaubucOtiVT 1Oti dOtUd、 I d 、I dT和 I VT分别如下Ud 1.17 U2cos 1.17 100 cos60 58.5 （V）I dUdR58.5 511.7 （A）I dVT I d 311.7 33.9 （A）I VTI d3 6.755（ ）A9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：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。10三相桥式全控整流电路， U 2=100V ，带电阻电感负载， R=5， L 值极大，当 a=60 时，要求： 画出 ud、 id 和 i VT1 的波形； 计算 Ud、 Id、 I dT 和 IVT 。解： ud、 i d 和 i VT1的波形如下：.= 60ubucuua2t1tOuab uac ubcubaucaucb uab uacudOtidOtiVT1OtUd、 I d 、I dT和 I VT分别如下 （ ）Ud2.34U2cos2.34100cos60117 VI dUd R 23.4（ ）1175AI DVT I d 7.8（ ）I VT I d 3 23.43A3 23.4 313.51（ ）A11三相全控桥，反电动势阻感负载， E=200V ，R=1，L=，U2 =220V ，a=60 ，当 L B=0 和 LB =1mH 情况下分别求 Ud、 I d 的值，后者还应求 g 并分别作出 ud 与 iT 的波形。解：当 LB0 时：Ud 2.34 U2cos 2.34 220cos60257.4 （ V）I d（ UdE） R（ 257.4 200） 157.4 （ A）当 LB1mH时Ud 2.34U2 UdcosUd XBI d 3I d（ UdE） R解方程组得：Ud（ 2.34 U2 R cos 3XBE）（ R3XB） 244.15 （ V）I d 44.15 （A）Ud 13.25 （V）又 cos cos() 2XBI d6 U2cos(60) 0.4485 63.35 60 3.35 ud 、I VT1和 I VT2的波形如下：.u2uaubucOtuduab uac ubc u ba uca ucb uab uacOtiVT1IdOtiVT2IdOt12三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： 三相 式全控整流 路，当 阻 ，要求的晶 管移相范 是0 120，当 感 ，要求的晶 管移相范 是0 90。13三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 式全控整流 路的整流 出 中含有 6k（k1、2、3 ）次的 波，其中幅 最大的是 6 次 波。 器二次 流中含有 6k 1( k=1、2、3 ) 次的 波，其中主要的是 5、7 次 波。14三相桥式全控整流电路，U 2=100V ，带电阻电感负载，R=5， L 值极大，当 a=60 时，要求：（ 1）计算 U d、I d、I dT 和 I VT ；（ 2） i2 的 5、 7 次谐波分量的有效值I 25、 I 27；（ 3）输入功率因数。解：（ ）Ud、I d 、I dT 和 I VT分 如下1U2 （ ）Ud2.34cos2.34cos60100117 VI dUd R 23.4（ ）1175AI DVT I d 7.8（ ）I VT I d 3 23.43A3 23.4 313.51（ ）A（ 2）由此可 算出5 次和 7 次 波分量的有效 ：I 256 I d 623.4 （ ）553.65A.I 276 I d 6 23.4 （ ）772.61A（ 3）基波电流的有效值：6 （ ）I 16 I d23.3918.243A基波因数为I1I I 1I d0.955电路的输入功率因数为： cos 0.955 cos60 0.4815使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么？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 >/2 ，使 Ud 为负值。16什么是逆变失败？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。第 4 章 逆变电路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。3什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各有什么特点。答：按照逆变电路直流测电源性质分类，直流侧是电压源的称为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电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？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。.5为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？答：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。第 5 章 直流 -直流变流电路1. 介绍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 t on，由电源 E向 L、R、M供电，在此期间， 。然后使 V 关断一段时间t off，此时电感 L 通uo E过二极管VD向R和M供电，uo 。一个周期内的平均电压UotonE 。输0tont off出电压小于电源电压，起到降压的作用。2. 介绍升压斩波电路工作原理答：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 I 1，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 t on，此阶段电感 L 上积蓄的能量为 EI 1ton 。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 t off ，则在此期间电感 L 释放的能量为U oE I1toff。当电路工作于稳态时，一个周期T 中电感 L 积蓄的能量与释放的能量相等，即：EI 1tonU oE I 1t off化简得：U otont offETEtofftoff式中的 T / toff1 ，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。3在降压斩波电路中，已知 E=200V ， R=10 ，L 值极大， EM=30V ， T=50 s,ton=20 s,计算输出电压平均值 Uo，输出电流平均值 I o。.i OLRuO+EM EM-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= ton E = 20200 =80(V)T50输出电流平均值为I o = U o - EM = 8030 =5(A)R104在下图所示的降压斩波电路中， E=100V ， L=1mH ，R=0.5 ， EM =10V ，采用脉宽调制控制方式， T=20s，当 ton=5s时，计算输出电压平均值 U o，输出电流平均值 Io，计算输出电流的最大和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续。当ton=3s时，重新进行上述计算。i OLRuO+EM EM-解：由题目已知条件可得：m= EM = 10 =0.1E 100 = L = 0.001 =0.002 R 0.5当 t on=5s 时，有= T =0.01= ton =0.0025由于e1 = e0. 00251 =0.249>me1e0.011所以输出电流连续。此时输出平均电压为Uo = ton E =1005 =25(V)T20输出平均电流为.I o = U o - EM= 25 10 =30(A)R 0.5输出电流的最大和最小值瞬时值分别为I max1eE1e 0. 00250.1100=1em=e0 .01=30.19(A)R10.5I mine1Ee0.002510.1100=e1m=1=29.81(A)Re0.010.5当 t on=3 s 时，采用同样的方法可以得出： =0.0015由于e1e0.0151me1= e0.011=0.149>所以输出电流仍然连续。此时输出电压、电流的平均值以及输出电流最大、最小瞬时值分别为：Uo = tonE =1003 =15(V)T20I o = U o - EM=1510 =10(A)R0.5I max1e 0.00150.1100=10.13(A)=1e 0.010.5I mine0. 001510.1100=9.873(A)=e0 .0110.55在升压斩波电路中，已知 E=50V ， L 值和 C 值极大， R=10 ，采用脉宽调制控制方式，当 T=40s， ton=20 s时，计算输出电压平均值 U o，输出电流平均值 I o。解：输出电压平均值为：oT E=40=100(V)U =t off5040 20输出电流平均值为：.I o = U o = 100 =10(A)R 10第 6 章 交流 -交流变流电路1一单相交流调压器，电源为工频220V ，阻感串联作为负载，其中R=0.5 ，L=2mH 。试求：开通角 的变化范围； 负载电流的最大有效值；最大输出功率及此时电源侧的功率因数；当 = 时，晶闸管电流有效值，晶闸管导通角和电源侧功率因数。2解：负载阻抗角为： =arctan （ L ）=arctan （ 250 210 3）=0.89864=51.49 R0.5开通角 的变化范围为： <即0.89864 <当 =时，输出电压最大，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为2Pomax2220R =37.532(KW)= I o max R( L)2R2功率因数为Pomax375320.6227U 1 I o 220 273.98实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦，即cos0.6227 = 时，先计算晶闸管的导通角，由式（4-7 ）得2-sin(+-0.89864)=sin(0.89864) etan22解上式可得晶闸管导通角为： =2.375=136.1 也可由图 4-3 估计出的值。此时，晶闸管电流有效值为U 1sin cos(2)I VTZcos2.=220 2.375sin 2.375 cos(0.89864 2.375) =123.2(A)20.803cos0.89864电源侧功率因数为I o2 RU1 I o其中：I o2I VT =174.2(A)于是可得出I o2 R174.220.5U 1I o2200.3959174.22. 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U omax1 (2U 1 sint )2 d t U 10此时负载电流最大，为U omaxU 1I omaxRR因此最大输出功率为 Pmax U omax I o maxU 12R输出功率为最大输出功率的80%时，有：P(0.8U 1)20.8Po maxR此时，U o0.8U 1又由U oU 1sin 22解得 =60.54 同理，输出功率为最大输出功率的 50%时，有：U o0.5U 1又由U osin 2U 12=90.第 7 章 PWM 控制技术1介绍 PWM 控制的基本原理。答：PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。在采样控制理论中有一条重要的结论： 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时， 其效果基本相同， 冲量即窄脉冲的面积。 效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理2. 单极性和双极性PWM 调制有什么区别？三相桥式PWM 型逆变电路中， 输出相电压 （输出端相对于直流电源中点的电压）和线电压SPWM 波形各有几种电平？答：三角波载波在信号波正半周期或负半周期里只有单一的极性，所得的PWM波形在半个周期中也只在单极性范围内变化，称为单极性PWM控制方式。三角波载波始终是有正有负为双极性的，所得的 PWM波形在半个周期中有正、有负，则称之为双极性 PWM控制方式。三相桥式 PWM型逆变电路中，输出相电压有两种电平：0.5 Ud 和-0.5 Ud 。输出线电压有三种电平Ud 、 、-Ud。03什么是异步调制？什么是同步调制？两者各有何特点？分段同步调制有什么优点？答：载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。 在异步调制方式中，通常保持载波频率 f c 固定不变，因而当信号波频率 f r 变化时，载波比 N是变化的。载波比 N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。分段同步调制是把逆变电路的输出频率划分为若干段，每个频段的载波比一定，不同频段采用不同的载波比。 其优点主要是， 在高频段采用较低的载波比， 使载波频率不致过高， 可限制在功率器件允许的范围内。 而在低频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。4. 根据对输出电压平均值进行控制的方法不同，直流斩波电路可有哪三种控制方式？并简述其控制原理。.第一种调制方式为：保持开关周期不变，改变开关导通时间t on 称为脉宽调制。简称“ PWM”调制。第二种调制方式为：保持开关导通时间t on 不变，改变开关周期，称为频率调制。简称为“PFM”调制。第三种调制方式为：同时改变周期 T 与导通时间 t on。使占空比改变，称为混合调制。5. PWM 逆变电路的控制方法主要有哪几种？解： PWM逆变电路的常用控制方