（华北电力大学版）电力电子技术课后习题答案

电力电子技术答案

电力电子技术习题集

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中的阴影部分表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？

i?(a)i?/3i0?/4?(e)?4?/3(c)2?7?/3i2??ti?(b)2??t?ti?/3?(d)2?7?/3?t2?9?/4?t0?/4?5?/4(f)2?9?/4?t

图1-30 习题1-4附图

解：（a）Ida? Ia?12???0Imsin(?t)d(?t)??2I12Im?m?0.3185Im 2??Im22?12??0(Imsin(?t))d(?t)???0I1cos(2?t)(?)d(?t)?m 222第 1 页 共 37 页

电力电子技术答案

额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则Im?Ida?ImIa ?314A；平均值Ida为：

0.5??100A

（b）Idb???11?0Imsin(?t)d(?t)??2?Im?0.6369Im

Im2?Ib???0(Imsin(?t))d(?t)?2??0I1cos(2?t)(?)d(?t)?m 222额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则Im?2Ib?222A；平均值Idb为：Idb?0.6369Im?141.4A （c）Idc?1???3?Imsin(?t)d(?t)?3Im?0.4777Im 2?Ic?1???3?(Imsin(?t))d(?t)?2Im21cos(2?t)1?3(?)d(?t)?(?)?0.6343Im ??322?38??额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则Im?Idc为：Idc?0.4777Im?118A （d）Idd?12?Ic?247.5A；平均值0.6343??I3?msin(?t)d(?t)?3I13Im?m?0.2388Im 2?24?1Id?2?Im2??3(Imsin(?t))d(?t)?2??21cos(2?t)1?3(?)d(?t)?(?)?0.4486Im ?3222?38??额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则Im?为：Idd?0.2388*350?90.7A 1（e）Ide?2?Ie??Id?350A；平均值Idd

0.4486?40mId(?t)??401?Im?0.125Im 2?412??Im2d(?t)?0.3536Im

额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则Im?平均值Ide为：Ide?0.125*444?55.5A （f）Idf?1?Ie?444A： 0.3536??40mId(?t)??401?Im?0.25Im ?4If???1Im2d(?t)?0.5Im

额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则：Im?平均值Ide为： Idf?0.25*314?78.5A

第 2 页 共 37 页

If0.5?314A

电力电子技术答案

* 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）。

UGSLTEtRiGt 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： E?Ldi?Ri dtR?tE解之得：i?(1?eL)

R可靠导通条件为：i?IL?0.05

0.5R?t?tE50L解得：0.05?(1?e)?(1?e0.5)

R0.5即 t?ln100?5e?4s

100?0.05 t?500us

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在设计时，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。

第 3 页 共 37 页

电力电子技术答案

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 GTR 优点 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 缺点 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 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 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 应用领域 UPS、空调等中小功率中频场合 GTO 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。 开关电源、日用电气、民用军用高频电子产品 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 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：

UGStiGt

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；

dUCE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dt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

dUdI、和过电压，减小dtdt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

第 4 页 共 37 页

电力电子技术答案

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

dU，一方面可以抑dt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RDSonU2.5。高压大电流时，其通态电阻（对?S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。

Ta)VTidiVDudVDu1u2uVTLRu2b)udc)00?t1?t?tidd)I0iVT0I1IdId?t?e)iVDf)0?-??+?t?t?t

uVTg)00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

第 5 页 共 37 页

电力电子技术答案

eaiaPLLi?sin-cosipicibC32i?CiqLPFLPFipi?fCiafC23i?fiq??????icfibfiahibhich

图8-28习题8

答：该方法的思想是把满足ia+ib+ic=0的三相电流经过不含零序分量的Park变换得到了ip、iq。该方法中，需用到与a相电网电压电同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号-cosωt，它们由一个锁相环PLL和一个正、余弦信号发生电路得到。根据定义可以计算出ip、iq，经LPF滤波得出ip、iq的直流分量ip、iq。这里，ip、iq是由iaf、ibf、icf所产生的，因此由ip、

iq即可计算出iaf、ibf、icf，进而计算出iah、ibh、ich。当要检测谐波和无功电流之和时，只需

断开图8-28中计算iq的通道即可。而如果只需检测无功电流，则只要对iq进行反变换即可。

习题九

1. 同步机励磁系统有何主要作用？

答：励磁系统担负着电力系统无功功率的调整任务；电压稳定性控制和系统稳定性控制。其中在系统发生短路故障时，励磁系统还需要提供强行励磁，强行励磁比正常励磁电流大，电压高，以使继电保护装置快速动作切除故障，维护系统稳定。励磁系统的可靠性和工作稳定性对电力系统的安全可靠运行起着至关重要的作用。

2. 同步发电机全静态励磁系统有何优点？

答：这种静态励磁系统缩短了发电机轴系，降低了造价，减小了振动因素，因此更适合大型发电机组，尤其是单元式发电机组。此外，它有很强的实际瞬时响应和故障后的高强励能力和容易维修的优点。

3. 同步电动机励磁用整流器有何特点？

答：1）在直流电压输出为额定值的40％～100％时，能在额定电流下连续运行。

2)恒电流励磁系统要求当电网电压波动在80%~105%额定值之间和励磁绕组电阻的热态值增加不大于1O％的条件下，励磁电流保证士5％的精度。 3)恒无功功率调节的励磁系统，要求在同步电动机负载从空载至2倍额定负载范围内变动时，同步电动机无功功率变动不大于10％。 4)装置具备一定的强励能力。

4. 什么是自控式无换向器电动机？有何优缺点？

答：无换向器电动机是近年发展起来的一种新型调速电机。它的构造和交流同步机相同，没有换向器，但其工作原理、特性及调速方式却与直流机相似，因此称这种电动机为无换向器直流电动机，简称无换向器电动机。由于它采用晶闸管电源供电，所以也称做晶闸管电动机。 优缺点：

第 36 页 共 37 页

电力电子技术答案

(1)调速性能优良，与直流电机特性相似，可均匀无级调速，调速范围可达10:l至50:l； (2)结构简单，无机械换向器，不会产生火花，便手维护，适应恶劣环境和易燃易爆场合，容易做到大容量，高转速和高电压；

(3)起动特性不如直流机好，但比一般交流机好，起动转矩较大，起动电流不很大，起动方便，运行稳定；

(4)功率因数和效率与直流系统相似，但比一般交流系统要好，可方便地实现四象限运行； (5)目前还存在过载能力低的问题，附加的控制装置较复杂，系统的工作可靠性很大程度上取决于变频器和控制系统的可靠程度。

5. 自控式无换向器电动机的转速调整是如何实现的？ 答：无换向器电机与带有三个换向片的直流机在原理上基本相同，只不过是由晶闸管开关和位置检测器代替了直流机的机械换向器和电刷来进行换向而已。无换向器电动机随着转子的旋转，周期地触发和关断相应的晶闸管，使电枢磁场和磁极磁场保持相对静止关系，其相位差为φ角。两个磁场相互作用的结果产生电机的运动，并在很大程度上决定了该电机运行性能。无换向器电动机的电枢磁场不是独立不变的，而是直接由转子转速来控制的。如果电机转速改变，那么位置检测器的输出信号频率也改变，变频器的输出频率即电枢的旋转磁场转速也发生变化，使之保持与励磁磁场的相对位置不变，基于这种电动机变频器的输入频率是由电动机本身的转子位置检测器给定的，因此电机的转速调整是通过调整直流电压的高低来实现的，这和直流电动机调速是相同的。无换向器电动机有三种调速方式：

(1)改变直流电压Ud。在晶闸管整流器输入为交流的情况下可以通过改变控制角α来实现。这类似直流电动机改变电枢电压的调速方法；

(2)改变励磁电流If或磁通φ。这相当于直流电动机的改变磁通(弱磁)的调速方法； (3)改变换流超前角γ0

也可象直流机那样改变电枢回路电阻来调速，但有功损耗太大，一般不采用这种调速方法，实际中多采用第一种即改变α角调节直流电压的调速方法。

6为什么自控式无换向器电动机在低速时会出现明显的转矩脉动？

答：实际中无换向器电动机每相绕组通过的不是持续的直流电，而是脉动的直流电，因此电动机产生的瞬时转矩是脉动的。转矩的脉动情况与开始通电时绕组与转子的相对位置有关。由于在任何瞬间三相绕组中有一相通过正向电流，另一相通过反向电流，因而每一相正、负电流产生的转矩在时间上相差180o，电机的合成转矩就是两相绕组转矩之和。为了采用反电势换流，一般γ0要超前一个角度在这种情况下，电动机的转矩波动是很大的。当电机在高速运转时，由于转动部分的惯性作用，这种转矩的波动往往反映不出来，但在低速运转时，则将使速度发生较大的波动。

第 37 页 共 37 页

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9a4f.html