电力电子技术试卷11-12（含简答题答案）

山东科技大学2011—2012学年第一学期

《现代电力电子技术》考试试卷

班级 姓名 学号 题号 一 二 三 四 总得分 评卷人 审核人 得分 一、（本题30分，每小题3分）

晶闸管三相桥式全控整流电路，R-L负载。已知整流变压器二次电压U2=220V，直流回路R=10Ω，L足够大，α=30°。作以下计算或绘图：

1.整流输出直流电压Ud；

2.流过晶闸管的电流有效值IVT； 3.整流变压器副边相电流有效值I2； 4.晶闸管承受的最大电压Um； 5.负载取用的有功功率P；

6.整流电路的功率因数λ； 7.绘制负载电压ud的波形； 8.绘制晶闸管电压uVT1的波形； 9.绘制晶闸管电流iVT1的波形；

10.绘制变压器副边a相电流ia的波形。 二、（本题25分，第4小题9分，其余各小题4分）

斩波电路如图所示。输人电压为27V±10％，保持输出电压为15V不变，电路的最大输出功率为100W，最小功率为10W。IGBT饱和导通电阻RT＝0.2Ω，轻载时关断时间为5μs，忽略开通时间，若工作频率为20 kHz。

LiEiLIoT+i+uL-G+-D+-EuDVDuCCRUo-iC1.求占空比D变化范围；

2.保证整个工作范围内电感电流连续时的电感L值；

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3.当输出纹波电压?Uo?100mV时，求滤波电容C值； 4.如电感临界电流的平均值ILB=4A，求临界电感LB值，并求在最小输出功率时的占空比；

5.如电感的等效电阻RL=0.025Ω，在最低输出电压最大输出功率时，求最大占空比和效率。 三、（本题25分，每小题2.5分）回答下列问题：

1.晶闸管导通和关断的条件是什么？.晶闸管可否作线性放大器使用？为什么？

2.在有源逆变的整流系统中，逆变颠覆的原因是什么？ 3.谐振开关逆变技术的主要思想是什么？

4. 简述现代电力电子技术主要研究的内容及其应用领域。 5. 试以三相桥式全控整流电路为例分析交流侧电抗对整流电路的影响。

6.逆变电路多重化的目的是什么？如何实现？串联多重和并联多重逆变电路各用于什么场合？

7什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？

8换流方式有哪几种？各有什么特点？

9试分别简述升压型斩波电路和Cuk斩波电路的基本原理，并比较其异同点。

10.交流调压电路和交流调工电路有什么区别？二者各运用于什么样的负载？为什么？ 四、（本题20分）晶闸管单相桥式有源逆变电路

1.如果U2=100V，|E| =60V，R=5Ω，在Id=2A时α为多少？ 2.此时流过晶闸管的电流有效值是多少？ 3.直流电源供出的功率是多少？ 4.交流电源向变流器汲取的功率是多少？

谐振开关电路的，开关器件在零电压或者零电流条件下切换，这样理论上开关损耗为零，使得器件动态过程大为改观，缓冲电路也成为多余，散热器的尺寸明显减小，开关器件可以再高可靠性和高效率条件下工作。

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1.晶闸管导通和关断的条件是什么？晶闸管可否作线性放大器使用？为什么？

答：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。

晶闸管关断的条件是：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。

晶闸管不能作线性放大器使用，MOS管，在开通的一小段门极电压范围内事线性放大的，但是不稳定，因为MOS管会受到工作温度的影响，导致门极电压导通特性的微小变化，这种变化很少有人来设计反馈电路来抑制。

2.在有源逆变的整流系统中，逆变颠覆（失败）的原因是什么？

答：（1）定义：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。

（2）防止逆变失败的方法：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β等。

（3）逆变颠覆（失败）的原因：课本P85 对应第2题

3.谐振开关逆变技术的主要思想是什么？ （软开关） P187

答：主要解决电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可

以大幅度提高。通过在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压线降到零，关断前电流先降到零，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低他们的变化率，从而大大减小甚至消除开关损耗。同时，谐振过程限制了开关过程中的电压和电流的变化率，这使得开关噪声也明显减小。

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4.简述现代电力电子技术主要研究的内容及其应用领域。

答：现代电力电子技术主要研究的内容：（1）电力电子器件，例如IGBT，电力MOSFET等；（2）电力电子电路，例如AC/DC，DC/DC，AC/AC，DC/AC等。

应用领域：电力电子技术的应用范围十分广泛，它不仅用于一般工业，也广泛应用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。

5.试以三相桥式全控整流电路为例分析交流侧电抗对整流电路的影响。P63

答： 出现换相重叠角?，整流输出电压平均值Ud降低；整流电路的工作状态增多，例如三相桥的工作状态有6种增加至12种；晶闸管的di减小，有利于晶闸管的安全开通；换相时晶闸管电

dt压出现缺口，产生正的du，可能使晶闸管误导通为此必须加吸

dt收电路；换向使电网电压出现缺口，成为干扰源。

6. 逆变电路多重化的目的是什么？如何实现？串联多重和并联多重逆变电路各用于什么场合？

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。

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并联多重逆变电路多用于电流型逆变电路得多重化。

7. 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。（P100 P106）

答：按照逆变电路直流测电源性质分类，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：

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。

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。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：

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。

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。

8. 换流方式各有那几种？各有什么特点？P99

答：换流方式有4种：器件换流、电网换流、负载换流、强迫换流。

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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，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。

9. 试分别简述升降压斩波电路和Cuk斩波电路的基本原理，并比较其异同点。（图见课本P127）

答：升降压斩波电路的基本原理：当可控开关V处于通态时，电源E经V向电感L供电使其贮存能量，此时电流为i1，方向如图3-4中所示。同时，电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后，使V关断，电感L中贮存的能量向负载释放，电流为i2，方向如图5-4所示。可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反。

稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即

?u0TLdt?0

当V处于通态期间，uL = E；而当V处于断态期间，uL = - uo。于是：

E?ton?Uo?toff 所以输出电压为：

Uo?tont?E?onE?E toffT?ton1??改变导通比?，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电

压低。当0

Cuk斩波电路的基本原理：当V处于通态时，E—L1—V回路

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和R—L2—C—V回路分别流过电流。当V处于断态时，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD回路分别流过电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。该电路的等效电路如图5-5b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换。

假设电容C很大使电容电压uC的脉动足够小时。当开关S合到B点时，B点电压uB=0，A点电压uA= - uC；相反，当S合到

tA点时，uB= uC，uA=0。因此，B点电压uB的平均值为UB?offUCT（UC为电容电压uC的平均值），又因电感L1的电压平均值为零，

t所以E?UB?offUC。另一方面，A点的电压平均值为

TtUA??onUC，且L2的电压平均值为零，按图5-5b中输出电压

TtUo的极性，有Uo?onUC。于是可得出输出电压Uo与电源电压E

T的关系：

tt?Uo?onE?onE?E

toffT?ton1?? 两个电路实现的功能是一致的，均可方便的实现升降压斩波。与升降压斩波电路相比，Cuk斩波电路有一个明显的优点，其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。

10. 交流调压电路和交流调功电路有什么区别？二者各运用于什么样的负载？为什么？

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

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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。

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