电力电子技术 电子工业出版社 课后答案

第1章 电力电子器件习题答案

1.晶闸管导通的条件是什么?关断的条件是什么? 答: 晶闸管导通的条件:

① 应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。

② ②应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。 晶闸管关断的条件:

要关断晶闸管,必须使其阳极电流减小到一定数值以下,或在阳极和阴极加反向电压。 2.为什么要限制晶闸管的通态电流上升率?

答:因为晶闸管在导通瞬间,电流集中在门极附近,随着时间的推移,导通区才逐扩渐大,直到全部结面导通为止。在刚导通时,如果电流上升率di/dt较大,会引起门极附近过热,造成晶闸管损坏，所以电流上升率应限制在通态电流临界上升率以内。 3.为什么要限制晶闸管的断态电压上升率？

答：晶闸管的PN结存在着结电容，在阻断状态下，当加在晶闸管上的正向电压上升率du/dt较大时，便会有较大的充电电流流过结电容，起到触发电流的作用，使晶闸管误导通。因此，晶闸管的电压上升率应限制在断态电压临界上升率以内。

4.额定电流为100A的晶闸管流过单相全波电流时，允许其最大平均电流是多少？ 解：额定电流为100A的晶闸管在不考虑安全裕量的情况下，允许的电流有效值为：

IT?1.57IT(AV)?1.57?100?157A

晶闸管在流过全波电流的时候，其有效值和正弦交流幅值的关系为：

IT?1???0(Imsin?t) d?t?2Im2

其平均值与和正弦交流幅值的关系为：

Id?1???0Imsin?t d?t?2Im?

则波形系数为：

Kf?ITId??22?1.11

则晶闸管在流过全波电流的时候，其平均值为：

Id?ITKf?1571.11?141.1A

所以，额定电流为100A的晶闸管流过单相全波电流时，允许其最大平均电流是141.4A。 5.晶闸管中通过的电流波形如下图所示，求晶闸管电流的有效值、平均值、波形系数及晶闸管额定电流。

解：晶闸管电流的有效值为

IT?12?2??30Im d?t?2Im3?2003?115.5A

1

晶闸管电流的平均值为

Id?12?2??30Im d?t?Im3?2003?66.7A

波形系数为

Kf?ITId?115.566.7?1.732

晶闸管的额定电流为

IT(AV)?IT1.57?(1.5~2)?120A

6.比较GTO与晶闸管的开通和关断，说明其不同之处。 答：GTO与晶闸管开通过程的不同之处：

GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益?1??2数值不同，晶闸管的回路增益?1??2常为1.15左右，而GTO得?1??2略大于1（其中?1和?2分别为P1N1P2和N1P2N2的共基极电流放大倍数，?1比?2小）。

GTO与晶闸管关断过程的不同之处：

GTO处于临界饱和状态时用抽走阳极电流的方法破坏临界饱和状态，能使器件关断，又GTO得门极和阴极是多元并联结构，故也能从门极抽走更大的电流使GTO关断。而晶闸管导通之后处于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断，它是通过使阳极电压减小到零或反向的方法来关断的。

7.电力电子器件为何要设置缓冲电路？说明其作用。有哪些缓冲电路形式？

答：附加各种缓冲电路，不仅能降低浪涌电压、du/dt和di/dt，还能减少器件的开关损耗、避免器件损坏和抑制电磁干扰，提高电路可靠性。

缓冲电路的作用是在电力电子器件开通和关断的过程中减缓其电流或电压上升率，以降低电力电子器件的开关损耗和开关应力。

缓冲电路有耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路两种类型。其中前者有5种缓冲电路形式：RC关断缓冲电路、RCD关断缓冲电路、母线吸收式缓冲电路、开通缓冲电路、复合缓冲电路。

8.简单说明大功率晶体管BJT与小功率晶体管作用有何不同。

答：大功率晶体管耐压高，电流大，开关特性好，主要工作在开关状态。小功率晶体管用于信息处理，注重单管电流放大系数，线性度，频率响应以及噪声和温漂等性能参数。 9.导致BJT二次击穿的因素有哪些？可采取何种措施抑制二次击穿的出现？

答：二次击穿主要是由于器件局部过热引起的，而热点的形成需要能量的积累，即需要一定的电压、电流和一定的时间。因此集电极电压、电流、负载性质、导通脉冲宽度、基极电路的配置，以及材料、工艺等因素都对二次击穿有一定的影响。

为防止BJT二次击穿，尽量避免采用电抗成分过大的负载，并合理选择工作点及工作状态，使之不超过BJT的安全工作区。

10.VDMOS结构会发生二次击穿吗？为什么？ 答：VDMOS结构不会发生二次击穿.因为它是采用垂直导电的双扩散MOS结构,利用两次扩散形成的P型区和N+型区,在硅片表面处的结深之差形成沟道,电流在沟道内沿表面流动,然

2

后垂直被漏极接收,具有正温度系数，故没有热点反馈引起的二次击穿,输入阻抗高,跨导的线性度好和工作频率高。

11.功率MOSFET是电压控制器件，是否需要栅极驱动电流？

答：功率MOSFET是电压控制器件，不需要栅极驱动电流。但由于有栅源电容，还是需要很小的一点电流的。

12.功率MOSFET静电保护措施有哪些？

答：功率MOSFET可采取3个方面的静电保护措施：

①应存放在防静电包装袋、导电材料包装袋或金属容器中，不能放在塑料袋或纸袋中。取用器件时应拿器件管壳，而不要拿引线。

②将开关管接入电路时，工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时电烙铁功率应不超过25W，最好是用内热式烙铁，先焊漏极与源极或集电极和发射极，最好使用12～24V的低电压烙铁，且前端作为接地点。

③在测试开关管时，测量仪器和工作台都必须良好接地，并尽量减少相同仪器的使用次数和使用时间，开关管的3个电极未全部接入测试仪器或电路前，不要施加电压，改换测试范围时，电压和电流都必须先恢复到零。

13.IGBT在何种情况下会出现擎住效应？使用中如何避免出现该效应？

答：因为IGBT是4层结构，体内存在一个寄生晶体管，在NPN晶体管的基极与发射极之间存在一个体区短路电阻,P型区的横向空穴流过该电阻会产生一定压降,对J3结来说相当于一个正偏置电压,当输出集电极电流ic大到一定程度时,该正偏置电压使NPN晶体管导通,进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态,于是寄生晶闸管导通,栅极失去控制作用,这就是所谓的擎住效应。

所以，IGBT在使用中,应注意防止过高的du/dt和过大的过载电流。

14.晶闸管并联时，有几种引起电流不平衡的原因？如何抑制？

答：由于并联的各个晶闸管在导通状态时的伏安特性各不相同，却有相同的端电压，因而通过并联器件的电流是不等的。

为了使并联器件的电流均匀分配，除了选用特性比较一致的器件进行并联外，还可采用串联电阻法和串联电感等均流措施。

15．简述产生过电压的原因，对不同的过电压分别采取什么样的保护措施？ 答：引起过电压的原因：

（1） 操作过电压。由断路器的拉闸、合闸、变压器的通电、断电等经常性操作中

的电磁过程引起的过电压。 （2） 浪涌过电压。由雷击等偶然原因引起，从电网进入变换器的过电压，其幅值

远远高于工作电压。 （3） 电力电子器件关断过电压。电力电子器件关断时，由于回路电感在电力电子

器件上产生的过电压。 （4） 过电压和过电流保护动作引起的过电压。某处过电流过电压动作时所产生的电路的过电流过电压抑制过程，可能引起电路其他部分产生过电流过电压。

（5） 泵升过电压。在电力电子变换器—电动机调速系统中，由于电动机回馈制动造成直流侧过电压。

对不同的过电压可采取的保护措施有：

（1） 雷击过电压可在变压器初级接避雷器加以保护。

（2） 二次电压很高或变压比很大的变压器，一次侧合闸时，由于一次、二次绕组

间存在分布电容，高电压可能通过分布电容耦合到二次侧而出现瞬时过电压。

3

对此可采取变压器附加屏蔽层接地或变压器星形中点通过电容接地的方法来

减小电压。

（3） 阻容保护电路是变换器中用得最多的过电压保护措施。 （4） 泵升电压应该采用泄放回路或者将能量回馈电网。

16．简述产生过电流的原因，对不同的过电流分别采取什么样的保护措施？ 答：产生过电流的原因：

（1） 外部出现负载过大、交流电源电压过高或过低、缺相时引起的过电流。

（2） 电力电子变换器内部某一器件击穿或短路、线路绝缘老化失效、直流侧短路、

可逆传动系统产生环流或逆变失败引起的过电流。 （3） 控制线路、触发电路、驱动电路的故障或干扰信号的侵入引起的误动作引起的

过电流。

（4） 配线等人为的错误引起的过电流。

对不同的过电流可采取的保护措施有： （1） 交流进线电抗器。加入进线电抗器或采用漏抗大的整流变压器，利用电感（2）

限制短路电流。

电流检测装置和直流过流继电器。在交流侧设置电流检测装置，利用过电流信号控制触发电路，使触发脉冲后移或使晶闸管关断，使输出直流电压下降，从而抑制过电流。加过流继电器也能实现过流保护，但动作时间大约200ms，不能有效地保护电力电子器件。

（3） （4）

快速熔断器。它是防止变换器过电流损坏的最后一道防线。

直流快速开关。它的动作时间只有2ms,在直流侧过电流时，它可先于快速熔断器动作而达到保护电力电子器件的目的。

17.阐述不同过电流保护的动作时序。

答：①交流进线电抗器。加入进线电抗器或采用漏抗大的整流变压器，利用电感限制短路电流。

②电流检测装置和直流过流继电器。在交流侧设置电流检测装置，利用过电流信号控制触发电路，使触发脉冲后移或使晶闸管关断，使输出直流电压下降，从而抑制过电流。 ③直流快速开关。它的动作时间只有2ms,在直流侧过电流时，它可先于快速熔断器动作而达到保护电力电子器件的目的。

④快速熔断器。它是防止变换器过电流损坏的最后一道防线。

第2章 可控整流器与有源逆变器习题解答

2-1 具有续流二极管的单相半波可控整流电路，电感性负载，电阻为5Ω,电感为0.2H，电源电压U2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，并指出其电压定额。

解：由直流输出电压平均值Ud的关系式：

Ud?0.45U

1?cos?22

已知直流平均电流Id为10A，故得：

Ud?IdR?10?5?50A 可以求得控制角α为：

4

cos??2Ud0.45U2?1?2?500.45?220?1?0

则α=90°。

所以，晶闸管的电流有效值求得，

IVT?12???Idd??t??2???2????Id??2Id?1Id?5A

2?2续流二极管的电流有效值为：IVDR????2?Id?8.66A

2U2，考虑2~3倍安全

晶闸管承受的最大正、反向电压均为电源电压的峰值UM?裕量，晶闸管的额定电压为

UTN??2~3?UM??2~3??311?622~933V

续流二极管承受的最大反向电压为电源电压的峰值UM?量，续流二极管的额定电压为

UTN??2~3?UM??2~3??311?622~933V

2U2，考虑2~3倍安全裕

2-2 具有变压器中心抽头的单相双半波可控整流电路如图2-44所示，问该变压器是否存在直流磁化问题。试说明晶闸管承受的最大反向电压是多少？当负载是电阻或者电感时，其输出电压和电流的波形与单相全控桥时是否相同。

解：因为单相双半波可控整流电路变压器二次测绕组中，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。 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：

（1） 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22U2。

（2）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

5

电路中VT2、VT3导通，输出电压等于?u2。 对于电感负载：

（?~???）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；（???~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。 2-3 单相桥式全控整流电路，电阻性负载，U① 输出电压Ud和输出电流Id； ② 晶闸管额定电压和额定电流。 解：（1）输出电压平均值为：

2??220V，RL?2?，??30，试计算

Ud?0.9U输出电流为：

1?cos?22?0.9?220?1?cos302??184.7V

Id?UdRL?184.72?92.35A

（2）晶闸管承受的最大反向电压为电源电压的峰值2U2，考虑2~3倍的安全裕量，晶闸管的额定电压为

UTN??2~3?UM?622~933V

晶闸管流过的电流为负载电流的一半，

IT?U2Rsin2?4?????2??76A

考虑1.5~2倍的安全裕量，晶闸管的额定电流为：

IT(AV)?(1.5~2)IT1.57?73~96A

2-4 单相桥式全控整流电路，U2?100V，负载中RL?2?，L值极大，反电势E=60V，当α=30°时，求：

（1）画出ud,id和i2的波形；

（2）整流输出平均电压Ud、电流Id及变压器二次侧电流有效值I2；

6

（3）考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。 解：(1) ud,id,和i2的波形如下图：

（2）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?cos30??77.97?V?Id?Ud?ER?77.97?602?8.99A

I2?Id?8.99?A?

（3）晶闸管承受的最大反向电压为：

2U2?1002?141.4(A)

考虑2~3倍的安全裕量，晶闸管的额定电压为：

UTN?(2~3)?141.4?283~424(V)

流过晶闸管的电流有效值为：

IT?Id2?6.34(A)

考虑1.5~2倍的安全裕量，晶闸管的额定电流为：

7

IT?AT??(1.5~2)?6.34/1.57?6.06~8.08(A)

2-5 单相桥式全控整流电路接电阻性负载，要求输出电压0~100V连续可调，30V以上要求负载电流达到20A。采用由220V变压器降压供电，最小控制角?

（1）交流侧电流有效值；

（2）选择晶闸管电压、电流定额。 解：（1）交流侧输出电压有效值为：

Ud?1min?30.试求：

?????2U2sin?td??t?=0.9U21?cos?2

?min=30°，此时输出电压最大，代入上式得到：

Ud?0.9U21?cos?2?0.9U21?cos302?100

得，U2=119V

Ud=30~100V变化时，Id?20A，由于在30V时，导通角小，因此此时的电流有效值

最大，此时R=1.5?，触发角为

Ud?0.9U21?cos?2?0.9?119?1?cos?2?30

??116

交流侧电流有效值为： I2?U2R12?sin2???????38A

（2）晶闸管承受的最大正反向电压的最大值为2U2，考虑2~3倍的安全裕量，晶闸管电压定额为：

UTN?(2~3)2U2?(282.8~424)V

晶闸管电流是输出电流的二分之一，考虑1.5~2倍的安全裕量， 则晶闸管的额定电流为：

IT(AV)?(1.5~2)IT1.57?(1.5~2)I21.572?26~34A

2-6 在单相桥式全控整流电路中，若有一晶闸管因为过流烧毁断路，画出此时输出电压波形。如果有一晶闸管因为过流烧成短路，结果又会怎样？

解：假设VT1因为过流烧毁断路，则整流电压ud波形与单相半波整流电路的波形一样，

8

相位差180度。

假设VT1因过流而短路，则当晶闸管VT2导通时，将发生电源相间短路，使得VT2也可能因为过流而烧毁。如果VT2因为过流烧毁断路，则整流电压ud波形如上图所示，相位差180度；如果VT2因为过流烧毁而短路，则会引起变压器和电源过流。

2-7 单相桥式全控整流电路中给电阻性负载供电和给反电势负载蓄电池供电，在流过负载电流平均值相同的情况下，哪一种负载的晶闸管额定电流应选得大一些？为什么？

答：反电势负载蓄电池时晶闸管额定电流应该大一些。因为在反电动势负载时，晶闸管导通角变小，波形系数变大，负载电流平均值相同的情况下，有效值电流变大，故要求晶闸管的额定电流比较大。

2-8三相半波整流电路中，如果U相电压消失，试画出在电阻性负载与电感性负载下的整流电压波形

解 假设α=0，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

2-9 三相半波可控整流电路，电阻性负载。已知U2?220V,RL?20?，当α=90°时，试计算Ud,Id并画出uT1,id,ud波形。

解：由输出电压平均值的关系式可求得：

Ud?0.675U21?cos???6?????0.675?220??1?cos??6??2???74.25V

输出电流平均值为：

Id?Ud74.25??3.7125A RL202-10 三相半波整流电路，已知U2?110V,RL?0.5?，大电感负载，当α=45°时，试计算Ud,Id并画出uT1,id,ud波形。如果在负载端并接续流二极管，试计算流过晶闸管的电流平均值IdT、有效值IT和续流二极管的电流平均值IdDR、有效值IDR。 解：由输出电压平均值的关系式可求得：

Ud?1.17U2cos??1.17?110?cos45?91V

输出电流平均值为：

?Id?UdRL?910.5?182A

并接续流二极管时，输出电压平均值为:

Ud?0.675U2[1?cos(???输出电流平均值为：

6)]?93.47V

Id?UdRL?93.470.510

?186.94A

第三章 交流-交流变换器习题解答

3-1. 在交流调压电路中，采用相位控制和通断控制各有什么优缺点？为什么通断控制适用于大惯性负载？ 答：相位控制：

优点：输出电压平滑变化。 缺点：含有较严重的谐波分量 通断控制：

优点：电路简单，功率因数高。 缺点：输出电压或功率调节不平滑。

由于惯性大的负载没有必要对交流电路的每个周期进行频繁的控制，所以可以采用通断控制。对时间常数比较小负载的工作产生影响。

3-2. 单相交流调压电路，负载阻抗角为30°，问控制角α的有效移相范围有多大？如为三相交流调压电路，则α的有效移相范围又为多大？

答：单相交流调压电路，负载阻抗角为30°，控制角α的有效移相范围是30°-180°；如为三相交流调压电路，α的有效移相范围是30°-150°。

3-3. 一电阻性负载加热炉由单相交流调压电路供电，如α=0°时为输出功率最大值，试求功率为80%，50%时的控制角α。 解：α＝0时的输出电压最大，为

Uomax?1????02U2sin?t?2d?t?U2 此时负载电流最大，为

UomaxRU2R Iomax??因此最大输出功率为

Pomax?UomaxIomax?U22R 输出功率为最大输出功率的80%时，有：

16

P?0.8Pomax?0.8?U22R

又由

Uo?U2sin2?2?????? Po?UoR2?1sin2????(?)R2?? 化简得

2??sin2??0.4?

由图解法解得

α=60°

同理，输出功率为最大输出功率的50%时，有：

α=90°

3-4. 单相交流调压电路，电源电压220V，电阻负载R=9Ω,当α=30°时，求： （1）输出电压和负载电流； （2）晶闸管额定电压和额定电流； （3）输出电压波形和晶闸管电压波形。 解：(1)负载上交流电压有效值为

12U0?U2?sin2???????220?12?sin?3????6??216V 负载电流为

I0?U0

RL?2169?24A (2)晶闸管承受的正反向电压最大值是2U2，考虑到2-3倍的安全裕量，晶闸管的额定电压应该为

UTN??2~3?2U2??622~933?V

晶闸管流过的电流有效值为

IT?I02?241.414?17A

考虑到1.5~2倍的安全裕量，晶闸管的额定电流为

17

IT?AV???1.5~2?IT1.57??16.24~21.67?A

3-5. 如图3-35所示为单相晶闸管交流调压电路，其中

U2?220V，L?5.516mH.，R?1?.，求：

（1）触发角的移相范围； （2）负载电流的最大有效值； （3）最大输出功率和功率因数。 解：（1）负载阻抗角为：

??arctan?

??L??2??50?0.005516????arctan???601?R???

触发角α的变化范围为：

60≤α＜180

0

0

（2）当α =φ时，输出电压最大为U2，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为

Iomax?220R???L?22?110A

(3) 最大输出功率为

Pomax?I2omax

R???L??110222?1?100??5.516?10??3?2?24.2?KW?

实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦，即

cos??cos60o?0.5

3-6 一台220V，10KW的电炉，采用晶闸管单相交流调压，现使其工作在5KW，试求电路的控制角α、工作电流及电源侧功率因数。

解：电炉可看为纯电阻性负载，由此可求得电阻值为：

R?U2P?4.84???

电炉工作在5KW时，电压有效值为：

U0?22U2?155.5?V?

由关系式：

18

U0?U12 带入数据求得控制角为：

2?sin2??????

??90? 工作电流为：

I0?U0R ?32.1?A?

电源侧功率因数为：

cos??I0RU2I02?32.1?4.84220?32.12?0.7062

3-7. 晶闸管反并联的单相交流调压电路，输出电路U2?220V，R?5?。如晶闸管开通100个电源周期，关断80个电源周期，求：

（1）输出电压平均值； （2）输出平均功率； （3）输入功率因数；

（4）单个晶闸管的电流有效值。 解：（1）由题意可得关系式，

U0?100180U2

代入数据求得输出电压有效值为：

U0?164V

（1）输出平均功率为：

P?U20R?5.379?KW?

（3）输入功率因数为：

cos??I0RU2I02?32.8?5220?32.82?0.75

(4)单个晶闸管的电流有效值为：

IT?I02?32.82?23.2A

19

3-8 试分析带电阻性负载的三相Y形调压电路，在控制角α=30°, 45°，120°，135°四

种情况下的晶闸管导通区间分布及主电路输出波形。

解：（1）控制角α=30°时，各区间晶闸管的导通、负载电压情况

00?t 0~30 0030~60 0060~90 0090~120 1200~15001500~1800 VT1 、VT2 VT3导通 晶闸管 导通情况 uRUVT5、VT6 导通 0 VT5、VT6 VT1导通 VT6、VT1 导通 (1/2) uuv VT6、VT1、 VT1 、VT2 VT2导通 导通 uu uu (1/2) uuw uu （2）控制角α=45°时，各区间晶闸管的导通、负载电压情况 ?t 0~45 00450~60 0600~105 01050~12001200~16501650~1800 VT6、VT1、VT2导通 VT1 、VT2 导通 VT1 、VT2 VT3导通 晶闸管 导通情况 uRUVT5、VT6 导通 VT5、VT6 VT1导通 VT6、VT1 导通 0 uu (1/2) uuv uu (1/2) uuw uu 00（3）控制角α=120°时各区间晶闸管的导通、负载电压情况

12000000000?t 0~30 30~60 60~90 90~120 晶闸管 导通情况 uRU0~1500150~180 VT1~VT6 均不导通 0 VT4、VT5 导通 (1/2) uuw VT1~VT6 均不导通 0 VT5、VT6 导通 0 VT1~VT6 均不导通 0 VT6、VT1 导通 (1/2) uuv （4）控制角α=135°时各区间晶闸管的导通、负载电压情况

?t 0~15 0015~30 0030~75 0075~90 0090~135 001350~15001500~1800 VT6、VT1 导通 (1/2) uwv VT1~VT6 均不导通 0 晶闸管 导通情况 uRUVT1~VT6 均不导通 0 VT4、VT5 导通 (1/2) uuw VT1~VT6 均不导通 0 VT5、VT6 导通 0 VT1~VT6 均不导通 0 输出波形参见书125-128页

3-9 采用晶闸管反并联的三相交流调功电路，线电压U1=380V，对称负载电阻R=2Ω，三

20

角形连接，若采用通断控制，导电时间为15个电源周期，负载平均功率为43.3KW，求控制周期和通断比。

解：已知负载平均功率为43.3KW，可求得输出电压有效值为：

U0?P3R?43.33?10?2?170V3

由关系式 U0?nNU2，

式中U2为相电压，负载角接，所以相电压就是线电压， 代入数据可求得，控制周期为N=75 故通断比为

1560?0.25

3-10 交流调压电路用于变压器类负载时，对触发脉冲有何要求？如果两个半周波形不对称，会导致什么后果？

答：用于变压器大电感性负载时，要求触发脉冲采用宽脉冲，触发角应该大于90°； 如果两个半周波形不对称，会存在偶次谐波，对电源影响与干扰较大；也会有直流磁化现象。 3-11 单相交-交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路有什么不同？ 答：单相交交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路的电路组成是相同的，均由两组反并联的可控整流电路组成。但两者的功能和工作方式不同。单相交交变频电路是将交流电变成不同频率的交流电，通常用于交流电动机传动，两组可控整流电路在输出交流电压一个周期里，交替工作各半个周期，从而输出交流电。而直流电动机传动用的反并联可控整流电路是将交流电变为直流电，两组可控整流电路中哪一组工作由电动机工作状态的需要决定，并没有像交交变频电路那样的固定的周期交替工作。

3-12. 如何控制交-交变频器的正反组晶闸管，才能获得按正弦规律变化的平均电路？答：运行中正、反两组变流器的触发角α随时间线性变化，可以实现输出电压平均值为正弦波。改变触发角α的变化率，可使输出电压平均值变化的速率变化，即改变了输出电压的频率；改变触发角α的变化范围，可改变了输出电压的最大值，即改变了交流电压的有效值。同时，正、反组交流器按规定频率不停地切换，以输出频率可变的交流电。 3-13. 交-交变频电路的有环流控制和无环流控制各有何优缺点？

答：有环流控制的优点：两组变换器之间流过环流，可以避免出现电流断续现象并可消除电流死区，从而使变频器的输出特性得以改善，还可提高输出上线频率。

缺点：因为要在两组变换器之间要设置环流电抗器，变压器两次侧也需双绕组，使设备成本提高，环流还会增加装置的损耗，增加设计容量。

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无环流控制的优点：保证了负载电流反向时无环流，输出效率比有环流方式高。

缺点：系统留有了一定的死区时间，使输出电压的波形畸变增大；此外，负载电流发生断续时，相同α角时的输出电压被抬高，也造成输出波形的畸变。电流死区和电流断续的影响限制了输出频率的提高。

3-14.三相交-交变频电路有哪两种连接方式？它们有什么区别？

答：三相交交变频电路有公共交流母线进线方式和输出星形联结方式两种接线方式。 两种方式的主要区别在于： 公共交流母线进线方式中，因为电源进线端公用，所以三组单相交交变频电路输出端必须隔离。为此，交流电动机三个绕组必须拆开，共引出六根线。

而在输出星形联结方式中，因为电动机中性点不和变频器中性点接在一起，电动机只引三根线即可，但是因其三组单相交交变频器的输出联在一起，其电源进线必须隔离，因此三组单相交交变频器要分别用三个变压器供电。

第四章 直流直流变换器习题解答

4-1 降压型斩波电路，直流电压为80V，负载电阻为10Ω，斩波频率为50kHz，导通比为0.5。

(1) 画出各电流波形。

(2) 求输出电压和电流的平均值。 解：

toffT I20t1t2 Ts?1fU0Ud?150kHz?20?s

D??0.5

U0?0.5Ud?0.5?80?40V

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?4A

R104-2 在降压变换器中，认为所有的元件都是理想的。通过控制占空比D保持输出电压不变，Uo=5V，输入电压为10~40V，Po≥5W，fs=50kHz，为保证变换器工作在电流连续模式，计算要求的最小电感量。 I0??U040解：fs?50kHz,Ts?1fs?20?s

?在该变换器中，u0?U0?5V不变，

P0?U0I0?5 即 I0?P0U0?1A

要求在电流连续模式下的最小电感，电感电流在电流临界情况下。 当输入电压为10~40V时，D=0.5～0.125 在输出电压不变时，由ILB?TsUo2ILBTsUo2L(1?D)得，

?6L?(1?D)?20?10?52?1(1?D)?25~43.75?H

当D=0.125~0.5变化时，保持连续的电感的取值如上式，所以保持在整个工作范围内连续的最小电感是43.75μH

4-3 在降压变换器中，认为所有的元件都是理想的，假设输出电压Uo=5V，fs=20kHz，L=1mH，C=470μF，当输入电压为12.6V，Io=200mA，计算输出电压的纹波。 解：

因为 Ts?1/fs?1/20?0.05ms 假设 电路工作在电路连续的模式下， 所以有：D?UO/Ud?5/12.6=0.397 电路在临界状态下时，有

IOB?DTS(Ud?Uo)/2L=0.397?0.05?10?3?(12.6?5)/2?10?3?75.4mA

由于IOB?IO，所以电路工作在电流连续模式下， 电压纹波为 ?Uo?TsUo8LC2(1?D)?(50?10?6)?5?928?470?10(1?0.379)?2.065mV

输出电压的纹波2.065mV

4-5 在升压型斩波器电路中，直流电压为100V，RL =50Ω，ton =80 μs，toff=20 μs，设电感和电容的值足够大。

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(1) 画出uo、iC的波形。 (2) 计算输出电压Uo。 解：(1):

iDID=IoOuotontofftΔUoUotDTs(1-D)Ts (2) 因为在此升压斩波电路中，电感和电容的值足够大,所以电路在连续状态下工作. ?D?tonton?toff11?D?8080?201?0.8

?U0??Ud?1?0.8?100?500V

. ?输出电压U0为500V

4-6 在升压变换器中，认为所有的元件都是理想的。输入电压为8~16V，输出电压Uo=24V，fs=20kHz，C=470μF， Po≥5W，为保证变换器工作在电流连续模式，计算要求的最小电

感量。 解：因为

，

在保证U0不变的情况下，P?U0I0?5W 即 ：I0?524当 Ud?8~16V变化时， 占空比 D?1~233要是电路工作在电流连续模式下，应使负载电流Io≥IoB

1TS?

变化

24

由临界连续状态下 IoB为，

TSU02LIOB?D(1?D)

2L?TSU02IOBD(1?D)

2由书中图4-13（b）可知，D在0.33~0.67内电流临界连续最小值与D是单调变化的，电感的取值为

2?102??5L??24524?D?(1?D)?85~170.67?H2

在整个工作范围内保证连续的最小电感是170.67μH。

4-7 在升压变换器中，认为所有的元件都是理想的，输出电压Uo=24V，输入电压为12V，fs=20kHz，L=150μH，C=470μF， Io=500mA，计算输出电压的纹波。 解：因为 所有元件都是理想的，假设电路工作在电流连续模式下，

U0Ud11?D2412 则有 ??

所以， D=0.5

又因为 在D=0.5 ，电路工作在临界状态时，

TSU02L0.05?24?102?150?10?3IOB?D(1?D)?2?6?0.5?0.5?500mA

2所以，此时电路工作在电流临界连续模式下，

I0U0UdCfs纹波电压 ?U0??24?0.512?470?10?6?20?103=106.4mV

输出电压的纹波106.4mV

4-10 在降压-升压变换器中，认为所有的元件都是理想的。输入电压为8~40V，输出电压Uo=15V，fs=20kHz，C=470μF， Po≥2W，为保证变换器工作在电流连续模式，计算要求的最小电感量。

解： Ts?1/fs?1/20?0.05ms

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在U0不变的情况下，要保证电路工作在电流连续模式下， 且保持 P0?U0I0?5W 即 I0?215

又因为在电流连续模式下， U0UdD1?D158~401523~311??

所以，D 取值区间为

由书中图4-20（b）可知，在整个工作范围内，电流临界连续值与D是单调变化的，电感的取值为

TSU02I05?10?152（1?D)?0.34~1.49mH

2?2/15?5L?(1?D)?2在整个工作范围内保证连续的最小电感是1.49mH

4-11 在降压-升压变换器中，认为所有的元件都是理想的，输出电压Uo=15V，输入电压为12V，fs=20kHz，L=150μH，C=470μF， Io=500mA，计算输出电压的纹波。 解：元件都是理想元件，假设工作在连续模式下， 由 得

当D=5/9时，在临界状态下有：

IoB?TsU2L0D1?D?U0Ud?1512

D=5/9

?1?D?25?????1???0.49A 2?150?9?50?152IoB?IO，电路工作在电流连续模式下

可以得，

IoDTsC500?10??3?U0?9?6470?10?5?0.05?10?3?29.5mV

输出电压的纹波29.5mV

第五章

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1.换流方式有哪几种?各有什么特点? 答:换流方式有4种:

③ 器件换流。利用全控型器件的自关断能力进行换流称为器件换流。

④ 电网换流。由电网提供换流电压称为电网换流。这种换流方式应用于由交流电网供电的

电路中，它是利用电网电压自动过零并变负的性能来实现换流的。 ⑤ 负载换流。由负载提供换流电压称为负载换流。这种换流方法多用于直流电源供电的负

载电路中。 ⑥ 强迫换流。设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换

流方式称为强迫换流。换流回路的作用是利用储能元件中的能量，产生一个短暂的换流

脉冲，使原来导通的晶闸管电流下降到零，再使它承受一段时间反压，便可关断。强迫换流通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称电容换流。 2.什么是电压型和电流型逆变器？它们各有什么特点？ 答：⑴直流侧是电压源的逆变器称为电压型逆变器。

电压型逆变器的特点如下：

①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。

②由于直流电压源的箝位作用，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随负载阻抗情况的不同而不同。

③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。逆变桥各臂反并联的二极管为交流侧向直流侧反馈无功能量提供了通道。

④ 直流侧向交流侧传送的功率是脉动的。因为直流电源电压无脉动，故传送功率的脉动由直流侧电流的脉动来实现。

⑵直流侧电源为电流源的逆变器称为电流型逆变器。 电流型逆变器有如下特点：

①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。 ②各开关管仅是改变直流电流流通途径，交流侧输出电流波形为矩形波，与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形常接近正弦波。 ③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功率能量的作用。因反馈无功能量时电流并不反向，故开关管不必反并联二极管。 ④直流侧向交流侧传送的功率是脉动的。因直流电流无脉动，故传送功率的脉动由直流电压的脉动来实现。

3.简述几种交流-直流-交流变频器是如何调压？是如何变频的？是如何改变相序的？ 答：电压型方波变频器是通过改变直流侧的电压改变输出交流电的电压幅值和有效值；通过改变开关管导通和关断的时间改变输出交流电的频率；改变逆变桥上开关管的导通顺序改变输出交流电的相序。

PWM变频器是通过改变调制比M改变输出电压u0基波的幅值，所以，SPWM调制是通过改变调制波ur的幅值实现变压功能的。改变正弦调制波的频率时，可以改变输出电压u0的基波频率。通过改变三相参考波的相序改变输出电压相序的。 4.电压型逆变器中反馈二极管的作用是什么？

答：在电压型逆变器中，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

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电压电流极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。

5.三相桥式电压型逆变器，导电方式，Ud?100V，试求输出线电压的基波幅值Uuv1M和有效值Uuv1、线电压的5次谐波有效值Uuv5、输出相电压的基波幅值UuN1M和有效值Uuv1。 解：输出线电压的基波幅值

Uuv1M?23Ud?1.1Ud?1.1?100?110V?

输出线电压的有效值

UUV1?UUV1m2?6Ud?0.78Ud?78?V?

?输出线电压中五次谐波uUV5的表达式为：

23Ud5?uUV5?sin5?t

其有效值为：

UUV5?23Ud52??15.59?V?

输出相电压的基波幅值 ?输出相电压的有效值

UuN1?UuN1M2?UuN1M?2Ud?0.637Ud?0.637?100?63.7V

2Ud??0.45Ud?0.45?100?45V

6.SPWM逆变器有哪些优点？其开关频率的高低有什么利弊？ 答：SPWM逆变器优点如下：

①输出电压或电流波形接近正弦，谐波分量小。

②调频、调压都由逆变器完成，仅有一个可控功率级，从而简化了主电路和控制电路的结构，使装置的体积小、重量轻、造价低、可靠性高。

③输出频率和电压都在逆变器内控制和调节，其响应的速度取决于控制回路，而与直流回路的滤波参数无关，所以调节速度快，并且可使调节过程中频率和电压的配合同步，以获得好的动态性能。

④直流电压可由二极管整流获得，交流电网的输入功率因数与逆变器输出电压的大小和频率无关而接近1；若有数台装置，可由同一台不可控整流器输出作直流公共母线供电。 载波频率即SPWM的开关频率愈高，谐波含量愈少，SPWM的基波就越接近期望的正弦波。但SPWM的开关频率也不宜过高，因为开关管工作频率提高，开关损耗和换流损耗会随之增加。

7.正弦脉冲宽度调节控制方式中的单极性调制和双极性调制有何不同？

答：在正弦参考波ur的半个周期内，三角波载波uc只在正极性或负极性一种极性范围内变

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化，所得到的SPWM波也只在单个极性范围内变化，这是单极性SPWM控制方式；双极性SPWM控制方式，即在正弦参考波ur的半个周期内，三角波载波uc有正有负，所得到的SPWM波也有正有负，但是正半周内，正脉冲较负脉冲宽，负半周则反之。

8.SPWM基于什么原理？何谓调制度？画出半周期脉冲数k=7的单极性调制波形。

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。

以正弦PWM控制为例。把正该半波分成N等份，就可以把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于?/N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积(冲量)相等，就得到PWM波形。SPWM脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，SPWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到SPWM波形。可见，所得到的SPWM波形和期望得到的正弦波等效。

一般将正弦参考波ur的幅值与三角波载波uc的峰值之比定义为调制度?，亦称调制比或调制系数。

9.什么是同步调制方式和异步调制方式？SPWM中，同步调制和异步调制各有什么优缺点？

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fc固定不变，因而当参考信号频率fr变化时，载波比N是变化的。 异步调制的主要特点是：

在信号波的半个周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1／4周期的脉冲也不对称。

这样，当信号频率较低时，载波比N较大，一周期内的脉冲数较多，正负半周期的脉冲不对称和半周期内前后1／4周期的脉冲不对称产生的不利影响都较小，PwM波形接近正弦波。

而当信号波频率增高时，载波比N减小，一周期内的脉冲数减小，PWM脉冲不对称的影响就变大，有时信号波的微小变化产生PWM脉冲的跳动，这就使得输出PWM波和正弦波的差异变大。对于三相PWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。

载波比N等于常数，并在变频时使载波频率和信号波频率保持同步的方式称为同步调制。

同步调制的主要特点是：

在同步调制方式小，信号波频率变化时载波比N不变，信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。

当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的载波频率fc也很低。fc过低时由调制带来的谐波不易滤除。当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声。

如考虑低频时性能时，当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc会过高，使开关器件难以承受。

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10.SPWM控制的逆变电路，若参考波频率为400Hz,载波比为15，则开关管的开关频率为多少？一周期内有多少个脉冲波？ 解：由N?fcfr可知，载波频率fc?Nfr?15?400?6000Hz，一周内有600个脉冲。

11.SPWM波的生成有哪些方法？

答：SPWM波的生成方法大体上有3种：第一种是采用模拟电路产生；第二种是采用专用集成电路产生；第三种是由微型计算机直接产生。 12.什么是自然采样法和规则采样法？

答：按照SPWM控制的基本原理，可在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关管的通断，这种生成SPWM波形的方法称为自然采样法。规则采样法是一种应用较广的工程使用方法，它的效果非常接近自然采样法。

13.逆变器多重化的目的是什么？如何实现？

答：逆变电路多重化的目的：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。可以采用并联或串联的方

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