自考电力电子变流技术 - 全本书课后答案

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电力系统及其自动化电力电子变流技术

第一章电力半导体器件

习题与思考题解

1-1．晶闸管导通的条件是什么？怎样使晶闸管由导通变为关断？

解：晶闸管导通的条件是：阳极承受正向电压，处于阻断状态的晶闸管，只有在门极加正向触发电压，才能使其导通。门极所加正向触发脉冲的最小宽度，应能使阳极电流达到维持通态所需要的最小阳极电流，即擎住电流ＩＬ以上。导通后的晶闸管管压降很小。

使导通了的晶闸管关断的条件是：使流过晶闸管的电流减小至某个小的数值－维持电流

ＩＨ以下。其方法有二：

１）减小正向阳极电压至某一最小值以下，或加反向阳极电压；２）增加负载回路中的电阻。

1-2．型号为KP100-3的晶闸管，维持电流IH=4mA，使用在题1-2图中的电路中是否合理？为什么（不考虑电压、电流裕量）？

解：根据机械工业部标准JB1144-75规定，ＫＰ型为普通闸管，KP100-3的晶闸管，其中100是指允许流过晶闸管的额定通态平均电流为100A，3表示额定电压为300V。

对于图(a)，假若晶闸管V被触发开通，由于电源为直流电源，则晶闸管流过的最大电流为

IV?100?2?mA? 3500?10因为IV < IH，而IH < IL，IL为擎住电流，通常IL=(2~4) IH。可见，晶闸管流过的最大电流远小于擎住电流，所以，图(a)不合理。

对于图(b)，电源为交流220V，当α=0°时，最大输出平均电压

Ud?0.45U2?0.45?220?99（Ｖ）

平均电流

IVAR?Ud99??9.9(A) R10波形系数

Kf?IV?1.57 IVAR所以，ＩＶ＝Kf 。ＩＶＡＲ＝1.57×9.9＝15.5(A)

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而KP100-3允许流过的电流有效值为IVE＝1.57×100＝157(A)， IL< IV

但电路中晶闸管Ｖ可能承受的最大正反向峰值电压为

UFm?URm?2U?2?220?311(V)>300(V)

所以，图(b)不满足电压指标，不合理。

对于图(c)，电源为直流电源，Ｖ触发导通后，流过Ｖ的最大电流为IV＝150／1＝150(A),即为平均值，亦是有效值。而IVE＝150A，IV＝150(A)<157（A），即IL< IV

1-3．在题图1-3电路中，E=50V，R=0.5Ω，L=0.5H，晶闸管擎住电流为15mA。要使晶闸管导通，门极触发电流脉冲宽度至少应为多少？

解：晶闸管导通后，主回路电压方程为 L主电路电流id按下式由零上升

id?did?Rid?E dtE1?e?tR/L R??晶闸管要维持导通，id必须上升达到擎住电流值以上，在此期间，门极脉冲应继续维持，将Id=15mA代入，得

取e?t501?e?t?15?10?3 0.5???1?t，

t≥150μs。所以，门极触发电流脉冲宽度至少应大于150μs。

1-4．单相正弦交流电源，交流电源电压有效值为220V。晶闸管和负载电阻串联连接。试计算晶闸管实际承受的最大正反向电压。若考虑晶闸管的安全裕量，其额定电压应如何选取？

解：该电路运行可能出现施加于晶闸管上最大正反向峰值电压为

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2U?2?220?310（V）

若考虑晶闸管的安全裕量，通常选择额定电压为正常工作峰值电压的2－3倍。２×310＝620(V),

3×310＝930(V),则选择额定电压为700V～1000V的晶闸管。

1-5．若题1-4中晶闸管的通态平均电流为100A，考虑晶闸管的安全裕量，试分别计算导电角为180°和90°时，电路允许的峰值电流各是多少？

解：在不考虑安全裕量时，选择晶闸管的原则是：使实际运行管子电流的有效值IV1

等于定义管子额定通态平均电流时的电流有效值IVE，即两种情况下，管芯的结温相同并小于或等于额定结温。

当导通角θ＝180°时，

IV1?12?Im2???? Isin?td?t??0m?2则有 Im/2＝1.57IVEAR 所以，晶闸管允许的峰值电流为

Ｉm=2×1.57×100＝314（Ａ）当导通角θ＝90°时，

1 IV1?2?则有

Im2 ????Isin?td?t??2m22??Im22?1.57IVEAR

所以，晶闸管允许的峰值电流为

Im?22?1.57?100?444(A)

考虑取安全裕量数为2时，则当导通角θ＝180°时，电路允许的峰值电流为 Im1=314／2＝157Ａ，当导通角θ＝90°时，电路允许的峰值电流为

Ｉm2＝444／2＝222(A).

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1-6.题1-6图中阴影部分表示晶闸管导电区间。各波形的电流最大值均为Im,试计算各波形电流平均值Id1、Id2、Id3、Id4、Id5，电流有效值I1、I2、I3、I4、I5和它们的波形系数Kf1、

Kf2、Kf3、Kf4、Kf5.

解： Id1?12???0Im.Sin?td??t??Im??0.32Im

1 I1?2?Im2????ISin?td?t??0m?2?0.5Im

Kfe?I1???1.57 Id123Im?0.24Im 4? Id2?12????3Im.Sin?td??t?? I2?12?2??ISin?td??t??0.46Im m?3?? Kf2?0.49Im?1.92

0.23Im3Im?0.48Im 2? Id32?2????3Im.Sin?td??t??2Id2??? I3?22?2??ISin?td??t???3m2I2?0.65Im

Kf3?I30.65Im??1.35 Id30.48ImIm???Im?????0.25Im 2??2?4 Id41?2???20Im.dt?1 I4?2???202Imdt?Im?0.5Im 2Im?2?2 Im4Im2????I????m?0.125Im ?4?84

Kf4?I4Id4 Id51?2???40Im.dt?

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1 I5?2???402Imdt?Im22Im?0.35Im

Kf5?I4?22?2.83

ImId48

1-7．题1-6中如果不考虑安全裕量，问100A晶闸管能送出的电流平均值Id1、Id2、Id3、

Id4、Id5各是多少？这时相应的电流最大值Im1、Im2、Im3、Im4、Im5又是多少？

解：额定通态平均电流IVEAR为100A的晶闸管允许通过电流的有效值为

IVE?IVEAR?kfe1?100?1.57?157A

利用上题结果，图(a)

I1?Im1?IVE?157A 2则 Im1=314(A)

Id1?Im??314?100A 3.14图（b）

I2?0.46Im?IVE?157A

则 Im２=341(A) 图(c)

Id2?0.24Im?81.8A

I3?0.65Im?IVE?157A

则 Im３=241(A) 图(d)

Id3?0.48Im?115.9A

I4?0.5Im?IVE?157A

则 Im４=314(A)

Id4?0.25Im?78.5A

图(e)

I5?122Im?IVE?157A

则 Im5=444(A)

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Id5?Im444??55.5A 88 1-8．晶闸管的额定电流是怎样定义的？有效值和平均值之间有何关系？

解：晶闸管的额定电流即指其额定通态平均电流ＩVEAR .它是在规定的条件下，晶闸管允许连续通过工频正弦半波电流的最大平均值。如教材图1-8所示。

这些条件是：环境温度+４０℃，冷却条件按规定，单相半波整流电路为电阻负载，导通角不小于170℃，晶闸管结温不超过额定值。

额定通态平均电流ＩVEAR的电流等级如教材表１－２所示。通常50Ａ以下的管子分为1、5、10、20、30、50Ａ等级，100－1000Ａ的管子分为100、200、300、400、500、600、800、1000Ａ等级。

额定通态平均电流ＩVEAR与在同一定义条件下的有效值IVE具有如下关系： IVE?Kfe.IVEAR 其中， Kfe?

1-9．导通角θ不同，电流的波形不一样，如何来选择晶闸管的电流容量？

解：导通角θ不同，电流的波形不一样，因而波形系数亦不相同，θ角愈小，波形系数愈大。晶闸管电流的有效值、平均值ＩV1AR 与波形系数Kf1具有如下关系： IV1 = Kf1ＩV1AR

具有相同平均值而波形不同的电流，因波形不同，其有效值是不相同的。流经同一晶闸管发热情况也不相同，因为决定发热的因素是电流的有效值，管芯发热效应是和电流的有效值大小有关。

因此，选择晶闸管额定电流参数的原则是：使电路各种实际运行情况下（特别是最不利的情况）管芯的结温小于或等于额定结温。这样，就能保证晶闸管在实际运行工作时，不致于因电流过载而损坏。

上述这一原则可归结为：使实际运行管子电流波形的有效值ＩV1，等于定义管子额定通态平均电流ＩVEAR时的电流有效值IVE ，即

IVEIVEAR??2 ?1.57 为定义条件下的波形系数。

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IV1?IVE?Kfe.IVEAR 则晶闸管额定电流

IVEAR?IV1I?V1 Kfe1.57 1-10．晶闸管导通后，门极改加适当大小的反向电压，会发生什么情况？

解：晶闸管承受正向阳极电压，并已导通的情况下，门极就失去了控制作用。因此，晶闸管导通后，门极改加适当大小的反向电压，晶闸管将保持导通状态不变。

1-11．门极断路时，晶闸管承受正向阳极电压它会导通吗？若真的导通，是什么情况？

解：门极断路时，晶闸管承受正向阳极电压，有两种情况可造成晶闸管的非正常导通。一是阳极电压UA过高，达到或超过IG＝０时的转折电压UB0时，使漏电流急剧增加；二是UA的电压上升率duA／dt太快。

这两种因素造成的最终结果都是使从N1区通过反向偏置的J2结向P2区（门极区）注入了足够数量的漏电流（空穴流），充当了二等效三极管电路中的基极电流IB2，它相当于从门极提供的IG的作用，使其二等效三极管的α1、α2极快上升至α1＋α2≈１，即1-(α1＋α2)≈０，进而使阳极电流IA大大增加，并只受外电路电阻的限制，晶闸管进入导通状态。

这两种不加门极触发控制信号使晶闸管从阻断状态转入导通状态的情况是非正常工作状态，在实际使用中是不允许的，因为发生此类情况常造成器件的损坏。

1-12．晶闸管的一些派生器件的主要功能和特点是什么？

解：晶闸管的一些派生器件的主要功能和特点如下： (1). 快速晶闸管

快速晶闸管的开关时间短，动态特性比普通晶闸管好，快速晶闸管一般分为两种，一种是主要是关断时间短，另一种是di／dt是耐受量高。主要用于斩波与高频逆变电路。

(2)。双向晶闸管

双向晶闸管是一种五层结构的三端器件，具有四种触发方式，分别为Ⅰ+、Ⅰ-、Ⅲ+、Ⅲ

，其中Ⅰ+、Ⅰ-触发灵敏度较高，Ⅲ_触发灵敏度稍低，较为常用，而Ⅲ+触发灵敏度最低，

一般不用，使用不当会损坏晶闸管。双向晶闸管主要用于交流电路，例如移相调压控制、零

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电压开关和静态开关等。由于其内部工艺结构关系，目前器件的额定电压和额定电流与普通晶闸管相比较还较低，重施加du／dt的能力也较差。

(3)。逆导晶闸管

逆导晶闸管是将逆阻型晶闸管和大功率二极管集成在一个管芯上，与普通晶闸管相比，具有正向压降小、关断时间短、温度特性较好、额定结温高等优点。同时，消除了晶闸管与二极管之间的连线电感，减小了换流时间，使晶闸管承受反向偏压的时间增长，提高了换流能力。而且减少了装置的元件数目，缩小了体积，提高了经济性能。主要适用于逆变电路和斩波电路。

(4).可关断晶闸管（ＧＴＯ）

可关断晶闸管ＧＴＯ（Gate Turn-off Thyristor）既可用门极正脉冲信号控制其导通，又可用门极负脉冲信号控制其关断的逆阻型三端器件。与普通晶闸管相比，ＧＴＯ快速性好，工作频率高，控制方便，其最高耐压容量目前稍逊于普通晶闸管。

ＧＴＯ与普通晶闸管的关断机理不同，有两个重要的特征参数需要特别注意，分别为最大可关断电流ＩＡＴＯ和电流关断增益β

off

。其定义分别为

最大可关断电流ＩＡＴＯ：表征用门极负脉冲控制信号可关断的最大阳极电流，它是用来表征ＧＴＯ容量大小的参数。

电流关断增益β流ＩＧmin的比值，即

通常ＧＴＯ的β

off

：电流关断增益的定义为阳极电流ＩＡ与使其关断所需的最小门极电

?off?IA

?IGminoff

只有５左右，但是，ＧＴＯ的导通或关断只需一个窄脉冲电流即可，

它需要的是瞬时功率，尽管关断时需要较大的负门极电流，但平均功率较小。因此，ＧＴＯ的平均激励功率，比相同容量的大功率晶体管小。

1-13．何谓功率晶体管的开关特性？用图描述它的开关过程。

功率晶体管的开关特性是描述功率晶体管在开关过程中的开关时间、电流电压、开关损耗等参数的性能。

功率晶体管ＧＴＲ的开关时间可用开通时间ton和关断时间toff来表示，即 ton=td+tr toff=ts+tf

其中，td为延迟时间，tr为上升时间，ts为存值得时间，tf为下降时间。

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开关损耗发生在器件的开关过程中，瞬态功率损耗为 ?p=iCuc

维持的时间长了，就有可能导致管子产生二次击穿。总开关损耗与开关频率（开关次数）有关，开关频率愈高，总开关损耗愈大。

各种参数的开关性能描述图参阅教材P18~19中的图1-15和图1-16。

1-14．描述功率晶体管的二次击穿特性？

解：二次击穿现象在发射结正偏压、零偏压和反偏压都可能发生，其特性曲线参阅教材P19中的图１－１７。

现以零偏压曲线OEBGH来说明二次击穿现象的发生过程。当ＵＣＥ增大到ＵＳＢ，即达到Ｅ点时，集电极电压达到通常所说的击穿电压，集电结发生雪崩击穿，这就是一次击穿。

由于一次击穿效应，晶体管的电流迅速上升到Ｂ点，达到ＩＳＢ，即达到了二次击穿触发功率ＰＳＢ，进入了二次击穿区。但并不立即产生二次击穿，而需要一个触发时间来积累触发能量临界值，一旦达到这个临界值，管压突然从Ｂ点ＵＳＢ减小到Ｇ点的低电压区（10～15V），同时电流急剧增大。如果没有适当的保护措施，电流将继续沿ＧＨ曲线增大到Ｈ点，造成管子的永久性损坏。这种从高电压小电流向低电压大电流跃变的现象，称为晶体管的二次击穿。

二次击穿触发时间τ，对于不同类型的二次击穿，时间的长短相差很大，短的几乎是瞬时的，晶体管的状态不能稳定在Ｂ～Ｇ区域内，而且Ｇ点是不可逆的，即使电路的保护措施可使晶体管回到触发前的状态，但二次击穿已在管子内部留下了损害伤痕，性能变坏，重复几次仍然使管子永久性失效。

1-5．为什么功率晶体管在开关瞬变过程中容易被击穿？可采取什么措施防止？

解：在电路开关转换瞬变过程中，电路将产生过高的电压或电流，有可能达到二次击穿触发功率ＰＳＢ＝ＩＳＢ．ＵＳＢ，进而达到二次击穿临界触发能量ＥＳＢ＝ＰＳＢτ＝ＩＳＢＵＳＢτ，产生二次击穿。

采用错开关期间瞬变电流和电压最大值相位的缓冲吸收保护电路，减小开关期间的瞬时功率，是破坏二次击穿产生的条件，抑制二次击穿的有效措施。

1-16．功率晶体管反偏安全工作区很大，如何应用？

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解：在实际应用中，功率晶体管基极回路采用足够的反向偏置电压，或者在若关断功率晶体管时，驱动电路产生负脉冲关断电压，使晶闸管工作在反向偏置工作区，来提高管子的电压承受能力。

1-17．绝缘栅双极型功率晶体管（IGBT）有何突出的优点？

解：绝缘栅双极型功率晶体管（IGBT）是兼备功率场效应管MOSFET的栅极电压激励、高速开关特性和GTR的大电流低导通电阻特性于一体的复合型器件。 1-18．MOS栅控晶闸管（MCT）有何突出的优点？

解：MOS栅控晶闸管（MCT）是将MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率与快速的开关特性与晶闸管的高电压大电流特性结合在一起的新型复合器件。

1-19．功率集成电路PIC的基本结构组成如何？

解：功率集成电路PIC至少包含一个半导体功率器件和一个独立功能电路的单片集成电路， PIC分为两大类：一类是高压集成电路HVIC，它是高耐压功率电子器件与控制电路的单片集成；另一类是智能功率集成电路SPIC(Smart Power-IC)，它是功率电子开关器件与控制电路、保护电路、故障监测电路以及传感器等电路的多种功能电路的集成。

第二章单相可控整流电路

习题与思考题解

2-1．什么是整流？它是利用半导体二极管和晶闸管的哪些特性来实现的？

解：整流电路是一种AC／DC变换电路，即将交流电能变换为直流电能的电路，它是利用半导体二极管的单向导电性和晶闸管是半控型器件的特性来实现的。

2-2．某一电热装置（电阻性负载），要求直流平均电压为75V，电流为20A，采用单相半波可控整流电路直接从220V交流电网供电。计算晶闸管的控制角α、导通角θ、负载电流有效值，并选择晶闸管。解：(1)整流输出平均电压

Ｕd=

12???2?2U2sin?.td(?.t)=

12????2U2sin?.td(?.t)

电力系统及其自动化电力电子变流技术

1?cos??1?cos?? U2???0.45U2?22??2 cosα=

2Ud2?75?1??1?0.5152

0.45U20.45?220则控制角α≈60° 导通角θ=π-α=120° (2).负载电流平均值

Id=

Ud=20(A) R则 R＝Ud／Id＝75／20=3.75Ω 负载电流有效值I，即为晶闸管电流有效值IV1，所以

?U2U21????d??t?=2 I=IV1=sin?t?R2?????R? (3).当不考虑安全裕量时

IV1=kfeIVEAR=1.57IVEAR

21???＝37.6(A) sin2??4?2?则晶闸管通态平均电流 IVEAR=IV1 /1.57=37.4 /1.57=23.9(A) 晶闸管可能承受的最大正反向电压为

2U2?2?220?311(V)

所以，可选择额定通态平均电流为30A、额定电压为400V的晶闸管。

按裕量系数2，可选择额定通态平均电流为50A、额定电压为700V的晶闸管。

2-3．带有续流二极管的单相半波可控整流电路，大电感负载保证电流连续。试证明输出整流电压平均值Ud?管承受电压uV1的波形。解：Ｕd=

2U21?cos?，并画出控制角为α时的输出整流电压ud、晶闸

?212???2?2U2sin?.td(?.t)=

12????2U2sin?.td(?.t)

1?cos??1?cos?? U2???0.45U2?22??2控制角为α时的输出整流电压ud、晶闸管承受电压uV1的波形参阅教材P31中的图2-3（b）、(c)、(d)和(h)。

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2-4．将单相半波可控整流电路中电阻负载和电感性负载的工作原理作个比较，找出差别，并画出电阻负载输出电压ud、电流id和晶闸管电压uV1波形；写出Ud、Id计算公式。解：电阻性负载电路

输出电流id 与输出电压ud相位相同，波形相似。晶闸管导通区间从α至π，导通角θ＝π－α。ud波形从α至变压器二次电压正变负的过零点。电感性负载电路

由于电感的储能作用，输出电流id 与输出电压ud相位不相同，电流id滞后于电压ud。而且，电流id不能随电压ud突变。晶闸管导通区间从α开始并超过π过零点，导通角θ>π－α。ud波形从α开始至变压器二次电压正变负的过零点后，进入负半周。导通角θ的大小，与负载电感值L有关，L越大，储能越多，θ亦越大，ud波形进入变压器二次电压负半周的部分亦越多，输出电压的平均值Ud亦下降的越多。当负载为大电感负载时，Ud近似等于零，此时输出平均电流Id亦很小。

电阻负载输出电压ud、电流id和晶闸管电压uV1波形参阅教材Ｐ27中的图2-1。

电阻负载Ud、Id计算公式如下： (1)整流输出平均电压Ｕd=

12???2?2U2sin?.td(?.t)=

12????2U2sin?.td(?.t)

= (2).负载电流平均值

1?cos??1?cos?? U2???0.45U2?22??2 Id=

Ud R 2-5．单相半波大电感负载可控整流电路中，带续流二极管和不带续流二管在输出电压ud和电流id、晶闸管电压uV1和电流iV1、续流二极管电压uV2和电流iV2波形上有何区别。写出带续流二极管时ud、id、iV1、iV2的平均值和有效值计算公式。

解：不带续流二管时，当负载为大电感负载时，输出电压ud波形与横坐标所围的正负面积相等，Ud近似等于零，此时输出平均电流Id亦很小。输出电压ud和电流id、晶闸管电压uV1和电流iV1的波形参阅教材P30中的图2-2。其中，iV1的波形与id的波形相同。

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带续流二极管时，由于续流二极管的作用，晶闸管从α开始导通，至变压器二次电压正变负的过零点时，由于电感应电动势的作用使续流二级管导通，晶闸管被迫关断，所以，晶闸管导通区间从α至π，导通角θ＝π－α。由于负载为大电感负载，所以负载电流id脉动很小，近似为一平行横坐标的直线，晶闸管电流iV1、续流二极管电流iV2近似为正向矩形波，导通角分别为θ＝π－α和θ＝π＋α。

输出电压ud和电流id、晶闸管电压uV1和电流iV1、续流二极管电压uV2和电流iV2波形参阅教材P31中的图2-3。

带续流二极管时ud、id、iV1、iV2的平均值和有效值计算公式如下：（１）输出电压的平均值Ud为 Ud=0.45U2 （２）输出电压的有效值值U为 U =

1?cos? 212?????2U2sin?td??t?=U2?21??? sin2??4?2? （３）输出电流的平均值Id为 Id? （４）输出电流的有效值值I为 I ＝Id? （５）晶闸管的平均电流IV1AR为 IV1AR= （６）晶闸管电流的有效值IV1为 IV1=

Ud RUd R12????Idd??.t?????Id 2?12?????Idd(?t)?2???.Id 2????.Id 2? （７）续流二极管的平均电流IV2AR为

1 IV2AR=

2? （８）续流二极管电流的有效值IV2为

???0Idd??.t??1 IV2=

????0Idd??.t??2???.Id 2?13

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2-6．有一单相桥式全控整流电路，负载为电阻性，要求α=30°时，Ud=80V，Id=7A。计算整流变压器的副边电流I2，按照上述工作条件选择晶闸管。解：Id=Ud／R，则R=Ud／Id=80／70=1.14Ω

Ud=0.9U2×(1+cosα)／2 则 U2=95V 82.12 (A)

I2?22???2?2U2?U??d?t＝2sin?t?R?R??21??? ＝sin2??2??IV1?I22?58(A)

IVEAR=IV1／kfe =58／1.57≈37 (A) 考虑裕量系数2，

２×37＝74(A)

22U2?2?2?95?268.7(V)

选额定电流100A、额定电压300V的晶闸管。

2-7．单相全控桥式整流电路接大电感负载，已知U2=100V，R=10Ω，α=45°。（1）负载端不接续流二极管V4，计算输出整流电压、电流平均值及晶闸管电流有效值。（2）负载端接续流二极管V4，计算输出整流电压、电流平均值及晶闸管、续流二级管电流有效值。画出ud、id、iV11、iV4及变压器次级电流i2的波形。解：（1）负载端不接续流二极管V4时输出电压平均值为 Ud?22?????02U2sin?.t?d?.t??22?U2cos??0.9U2cos?

＝0.9×100×0.707≈63.7(V) 输出直流电流平均值为 Id?Ud?6.37(A) R 14

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晶闸管电流的有效值为 IV1?

(2）负载端接续流二极管V4时输出电压平均值 Ud?12??????2Idd??.t?=

12Id≈4.5(A)

22????2U2sin?.td??.t??0.9U21?cos??0.9?100?0.854?76.8(V) 2 输出直流电流平均值为 Id?Ud?7.68(A) R 晶闸管与整流二极管电流的有效值IV1、IV2为 IV1?IV2?12????2Idd??.t?????Id 2? ?135?7.68?4.70(A) 360 续流二极管电流的有效值IV4为 IV4? 变压器二次电流的有效值I2为

22???02Idd??.t???45Id=?7.68?3.84(A) ?1801 I2?2? ???I??2d???Id?d??.t??2????Id ?2IV1?2?4.70?6.65 (A)

接续流二极管时的ud、id、iV11、iV4及变压器次级电流i2的波形参阅教材Ｐ41中的图2-8。

2-8．单相桥式半控整流电路接电阻性负载，要求输出整流电压0～100V连续可调，30V以上时要求负载电流能达到20A。当（1）采用220V交流电网直接供电；2）采用变压器降压供电，最小控制角α

min

=30°，试分析比较二种供电方式下晶闸管的导通角和电流有效值、

交流侧电流有效值及电源容量。

解：（1）采用220V交流电网直接供电时

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Ud?0.9Ud 当输出平均电压Ｕd为100V时则 cos??1?cos? 22Ud2?100?1??1?0.0101

0.9U20.9?220 当输出平均电压Ud为30V时

?min?90?

则 cos??2Ud2?30?1??1??0.6970

0.9U20.9?220

?max?134?

导通角θ＝π－α，所以晶闸管导通角θ＝90°～46°。

要求在此导通角范围之间，均能输出20A负载电流，故应在最小θ即最大α晶闸管电流有效值和变压器二次电流有效值。 Id=20A,则晶闸管平均电流IV1AR＝Id／2=10A 当α＝134°=134π／180=0.7444π时波形系数为

Kf1? 晶闸管电流的有效值为

IV1?Kf1IV1AR?3.22?10?32.2（Ａ）交流侧电流的有效值为 I2? 交流电源容量为

S2?I2U2?45.5?220?10010VA?10.01KVA

2）采用变压器降压供电时

Ud=0.9 U2 当α

min

max

时，计算

?sin2??2?(???)2(1?cos?)?3.22

2IV1?45.5（Ａ）

1?cos? 2=30°时，输出电压为100V，则变压器二次电压为

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U2? 当Ud=30V时的最大控制角α

为

2Ud2?100??119(V) ?0.9?1?cos??0.91?cos30??max

cos?max? α

2Ud2?30?1??1?0.4398

0.9U20.9?119max

≈116°

晶闸管导通角θ＝π－α，则θ＝150°～64°

要求在此导通角范围之间，均能输出20A负载电流，故应在最小θ即最大α晶闸管电流有效值和变压器二次电流有效值。 Id=20A,则晶闸管平均电流IV1AR＝Id／2=10A 当α＝116°=116π／180=0.6444π时波形系数为

Kf1? 晶闸管电流的有效值

IV1?Kf1IV1AR?2,69?10?26.9（Ａ）变压器二次电流的有效值 I2? 变压器二次容量

S2?I2U2?38.0?119?4522VA?4.52KVA

可见，在可控整流电路输出较低电压时，采用变压器供电有利于降低所用晶闸管的额定电流和额定电压，以及交流电源的容量。因为采用变压器供电可使可控整流电路在较小控制角α和较低的变压器二次电压下运行。

2-9．单相桥式半控整流电路，由220V经变压器供电，负载为大电感性并接有续流二极管。要求输出整流电压20～80V连续可调，最大负载电流为20A，最小控制角α试计算晶闸管、整流管、续流二极管的电流平均值、有效值以及变压器容量。解：1、在最小控制角α

min

minmax

时，计算

?sin2??2?(???)2(1?cos?)?2.69

2IV1?38.0（Ａ）

＝30°。

和最大整流输出电压时，计算变压器二次电压U2

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U2?2Ud2?80??95.3(V) ?0.9?1?cos??0.91?cos30??2、在最小整流输出电压时计算出最大控制角α当Ud=20V时的最大控制角α

max

为

cos?max?则 α

2Ud2?20?1??1??0..5336

0.9U20.9?95.3max

=122°

3、在最不利的条件下，计算各器件的电流有效值和变压器二次有效值I2，因为晶闸管、整流管、续流二极管电流有效值涉及管芯的发热和合理选择器件的电流额定容量。变压器二次电流I2涉及变压器容量的选择，这些量的计算必须以电路运行中的最大值为基础，以保证器件和设备的安全运行。

晶闸管与整流二极管电流的平均值IV!AR、IV2AR与有效值IV1、IV2 其最大值出现在α

min

=30°时,所以

IV1AR?IV2AR???150??Id??20?8.3Ａ ?2?360

IV1?IV2???150??Id??20?12.9Ａ

2?360?续流二极管电流的平均值IV4AR与有效值IV4 其最大值出现在α

max

=122°时，所以

IV4AR?122??Id??20?13.6Ａ ?180? IV4?122??Id??20?16.5A ??180变压器二次电流的有效值I2 其最大值出现在α I2? 则变压器二次容量

S2?I2U2?18.2?95.3?1734.5VA?1.7KVA

min

=30°时,所以

12???I??2d???Id?d??.t??2????Id?2IV1?18.2A ? 18

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2-10．单相桥式全控整流电路和单相桥式半控整流电路接大电感负载，负载两端并接续流二极管的作用是什么？两者的作用是否相同？

解：单相桥式全控整流电路大电感负载整流输出平均电压为 Ud?22?????02U2sin?.t?d?.t??22?U2cos??0.9U2cos?

其负载两端并接续流二极管是为了使交流电源电压进入负半周时，由续流二极管续流，使晶闸管关断，提高整流输出电压的平均值。整流输出平均电压为 Ud?0.9Ud1?cos? 2 单相桥式半控整流电路接大电感负载，负载两端并接续流二极管的作用是为了避免失控现象的发生，保证整流电路的安全运行。整流输出平均电压亦为 Ud?0.9Ud

2-11．单相可控整流电路供电给电阻负载或蓄电池充电（反电势负载），在控制角α相同，负载电流平均值相等的条件下，哪一种负载晶闸管的额定电流值大一些？为什么？

解：反电动势负载电路中晶闸管的额定电流大一些。因为当控制角为α时，电阻性负载时，晶闸管的导通角θ＝π-α。

而反电动势式负载时，当α小于不导电角δ时，θ＝π-2δ；当α大于不导电角δ时，晶闸管的导通角θ＝π-α-δ。

所以，反电动势负载时的波形系数Kf1大于电阻性负载时的波形系数Kf2。当负载电流平均值相等的条件下，反电动势负载时的晶闸管电流的有效值大于电阻性负载时的晶闸管电流的有效值。因此，反电动势负载晶闸管的额定电流大一些。

2-12．直流电动机负载的特点及其等效电路如何？串接平波电抗器的意义何在？解：直流电动机反电动势负载，其等效电路为一直流反电动势和电阻串联。

由于反电势的作用，晶闸管的导通角变小，负载电流将出现断续，通常反电势负载的内阻又很小，所以输出同样的平均电流，峰值电流很大，因而电流的有效值大，要求电源的容量亦大。对于直流电动机负载，将使其机械特性变软，整流换相时产生火花。

1?cos? 2 19

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为使负载电流连续，克服上述缺点，常在反电势负载的整流输出端串联平波电抗器，其目的是利用电感的储能作用来平衡电流的脉动和延长晶闸管的导通时间。

2-13．串平波电抗器电动机负载与大电感负载在单相全控桥整流电路中，输出电压波形一样吗？为什么？电动机的反电动势Ed不起作用吗？

解：在理想的情况下，二种电路输出电压的波形是一样的。

因为平波电抗器电感量的选择原则是：在最小的负载电流Idmin（低速轻载情况下）时，保证负载电流连续，即晶闸管导电角θ=180°。这是在最不利情况下，为保证电流连续选择的电感L值，当负载电流大于Idmin时，L的储能增多，电流就不会不连续。当负载电流连续时，其输出电压的波形与大电感负载电路相同

电动机的反电动势Ed不是不起作用，串平波电抗器的反电势负载电流连续时，晶闸管导通角θ=180°，波形与大电感负载时相同，输出电压U d交流分量几乎全部降落在电抗器上，反电势负载（例如直流电动机）上的电压脉动很小，负载电流id波形基本平直，可以近似看成为平行于横坐标的直线，晶闸管电流波形为180°的矩形波。所以，各种参数之间的数量关系，也与大电感负载时相同。只是由于反电势的作用，负载电流的平均值为

Id=(Ud-E)/R，

2-14．对单相大电感性负载可控整流电路，画图说明全控桥和半控桥输出电压ud、晶闸管电流iV1和变压器二次电流i2波形的差别。半控桥加续流二极管与其不加续流二极管时又有何差别？

解：单相全控桥大电感性负载可控整流电路，输出电压ud、晶闸管电流iV1和变压器二次电流i2波形如教材P37中的图2-6(d)、(f)、(g)、（h）所示。晶闸管导电角为θ=π，对应桥臂对管轮流导通和关断，电流iV1波形为为180°的正向矩形波。变压器二次电流i2波形为正负180°的矩形波。当α>0°时，输出电压u d波形将进入交流电源的负半周。

半控桥加接续流二极管V4后，输出电压ud和变压器二次电流i2的波形与不接续流二极管V4时相同，如教材P41中的图2-8(d)、(j)所示。而晶闸管和整流二极管的导电角为θ=π-α。图2-8（f）和图2-8 (i)波形上有斜线的部分不再存在，这部分的导电功能由续流二极管V4来代替，如教材图2-8（l）所示。

不加续流二极管时，晶闸管的导通角和整流二极管的导电角为θ=π，但图2-8（f）和图2-8 (i)波形上有斜线的部分对应的α期间，为同一桥臂的晶闸管和整流二极管续流期间。

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半控桥不加续流二极管和加接续流二极管两种情况的输出电压ud波形是相同的，在α角对应的区间，输出电压ud为零。变压器二次电流i2波形为正负π-α的矩形波，在α角对应的区间，由于是续流期间，变压器二次电流i2为零。但接续流二极管电路，在续流期间，晶闸管和整流二极管全部关断。

第三章可控整流电路

习题与思考题解

3-1．分别画出三相半波可控整流电路电阻负载和大电感负载在α为60°、90°的输出电压和晶闸管电压、电流、变压器二次电流i2的波形图。晶闸管导通角各为多少？输出电压各为多少？

解：

(1)电阻性负载

α=60°时，输出电压和晶闸管电压、电流波形参阅教材P48中的图3-4，其中晶闸管电流波形可在图3-4(c)中读出，变压器二次相电流i2的波形图与相对应相的晶闸管电流波形相同。

α=90°时，可参照上述波形，将控制角α移至90°处开始即可，晶闸管仍导通至相电压正变负的过零点处。

由于α>30°时，ud波形断续，每相晶闸管导电期间为α至本相的正变负过零点，故有

晶闸管导通角为 θ＝π-α-30° 整流输出电压平均值

Ud?

32????6??2U2sin?.td??.t???32?????????U2?1?cos??????0.675U2?1?cos?????2??6???6????当α=60°时，θ=90°，Ｕd=0.675U2 。

当α=90°时，θ=60°，Ｕd=0.675U2[1-0.5]=0.3375U2 。 (2)大电感负载

α=60°时，输出电压和晶闸管电压、电流波形参阅教材P49中的图3-5，变压器二次相电流i2的波形图与相对应相的晶闸管电流波形相同。

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α=90°时，可参照上述波形，将控制角α移至90°处开始即可，但晶闸管导通角仍为θ＝120°。

由于大电感负载电流连续，则晶闸管导通角为 θ＝120°

整流输出平均电压为

3 Ud?2???5???6??2U2sin?.td??.t??636U2cos??1.17U2cos? 2?当α=60°时，θ=120°，Ｕd=1.17U2cos60°=0.585U2。当α=90°时，θ=120°，Ｕd=1.17U2cos90°=0

3-2．三相半波可控整流电路向大电感性负载供电，已知U2=220V、R=11.7Ω。计算α=60°时负载电流id、晶闸管电流iV1、变压器副边电流i2的平均值、有效值和晶闸管上最大可能正向阻断电压值。改为电阻负载，重复上述计算。

解：(1)大电感负载整流输出平均电压为

Ud?1.17U2cos??1.17?220?0.5?128.7(V)

负载电流平均值为 Id?负载电流有效值为

I?Id?晶闸管电流的平均值IV1AR为 IV1AR?晶闸管电流的有效值为 IV1?变压器二次电流平均值为

Ud128.7??11(Ａ) R11.7Ud128.7??11(Ａ) R11.711Id??11?3.7(A) 3313Id?13?11?6.35(Ａ)

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I2AR?IV1AR?变压器二次电流有效值为

11Id??11?3.7(A) 33 I2?IV1?13Id?13?11?6.35(Ａ)

三相半波可控整流电路可能出现的最大正向阻断电压为 uFM?6U2?6?220?538.9(V) 当α=60°时的实际正向阻断电压为 u(2)电阻性负载

由于α>30°时，Ud波形断续，每相晶闸管导电期间为α至本相的正变负过零点，故有

整流输出电压平均值

3??6Usin60?6?220??466.8(V) 2F23Ud?2?

???6??2U2sin?.td??.t???32?????????U2?1?cos??????0.675U2?1?cos?????2??6???6???? ?148.6(V)

负载电流平均值为 Id?负载电流有效值为

Ud148.6??12.7(Ａ) R11.7I?32??2U2sin?t?U??d??t??2?6???R?R????23?5?1?2??????sin?2???? ?2??62?3?? ≈16.3(A)

晶闸管电流的平均值IV1AR为 IA1VR?11Id??12.7?4.2(A) 3323

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晶闸管电流的有效值为

IV1?2U2sin?t?U1??d??t??2??2??6???RR????21?5?1?2??????sin?2????

2??623???? ?13I≈9.4(A)

变压器二次电流平均值为

I2AR?IA1VR?变压器二次电流有效值为

I2?IV1?9.4(Ａ)

由于α>30°，负载电流出现断续，所以，电路可能出现的最大正向阻断电压为 uFM?

3-3．某电解装置系电阻性负载，要求输出电压Ud=220V，输出电流Id=400A，采用经整流变压器的三相半波可控整流电路，电源是三相380V的交流电网，考虑α

min=30°，估

11Id??12.7?4.2(A) 332U2?2?220?311(V)

算此时整流变压器的次级容量S2，并与α=0°时的次级容量S20作比较，然后加以说明。最后选择晶闸管。

解：由于α≤30°，整流输出平均电压 Ud?1.17U2cos? 则 U2?Ud

1.17cos?(1).当α=α

min=30°时，U2?Ud220?217.1(V) ＝

1.17cos?1.17?0.866 R?Ud220??0.55(Ω) Id400变压器二次相电流有效值为

I2?IV1?12???5???6??6?2U2sin?t?U??d??t??2??RR??24

212??2??3?? ?cos2??3?2??

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217.1?0.6342?250.3(A) 0.55则S2=3U2I2=3×217.1×250.3=163020.4(VA)≈163(KVA)

(2).当α＝0°时，

U20?Ud220??188(V)

1.17cos?1.17则 I20? ?12???5???6??6?2U2sin?t?U??d??t??2??RR??212??2??3?? ?cos2??3?2??1.17?0.6864?234.6(A) 0.55则S20=3U20I20=3×188×234.6=132314.4(VA)≈132.3(KVA)

从上可见，S2>s20。说明可控整流电路的设计，应尽量使其在较小的控制角α下运行。这样，在输出同样大小负载电流时，使整流晶闸管电流和变压器二次电流、电压的有效值较小，可降低器件和变压器的额定容量。

由于晶闸管电流的有效值IV1=I2=250.3A

当不考虑安全裕量时IVEAR=IV1／1.57=250.3／1.57=159.4(A) 晶闸管承受的最高电压峰值为6U2?6?217.1?531.8(V) 按裕量系数2

2×159.4=318.8(A) 2×531.8=1063.6(V)

选择额定通态平均电流为400A，额定电压为1200V的晶闸管。

3-4．在三相半波可控整流电路中，如果控制脉冲出现在自然换相点以前，可能出现什么情况，能否换相？画出波形图分析说明。

解：出现在换相点之前的触发脉冲，不能完成晶闸管的换相。

电阻负载波形图参阅教材P47中的图3-3（b）、（c）、（d）和P48中的图3-3（a）、（b）、（c），当触发B相晶闸管V12的触发脉冲2出现在自然换相点S之前时，则B相晶闸管V12承受反向电压不能导通，A相晶闸管V1１将继续导通至该相相电压过零点，id波形中的iV12及其与之对应部分的输出电压ud波形均为零。

大电感负载的波形参阅教材P49中的图3-5（b）、（d），当触发B相晶闸管V12的触发脉冲出现在自然换相点S之前时，则B相晶闸管V12承受反向电压不能导通，不能完成

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换相，此期间iV12的波形为零。而A相晶闸管V1１将继续导通至该相相电压过零点，并进入负半周，直到c相晶闸管V13的触发脉冲到来，V13被触发导通为止。与之对应部分的输出电压ud波形进入交流电源的负半周，正半周的波头不再存在。

3-5．在有交流电感时的三相半波可控整流电路（如图3-7（a）所示）：（1）换流期间交流电抗上的压降有什么规律？（2）换流期间输出点的电压呈现什么规律？（3）以一对元件换流为例来说明上述规律。（4）以交流一相为例写出换流压降的表达式。（5）分别描述α=30°和60°时整流输出电压波形图。（6）写出交流电抗对输出电压平均值影响的表达式。

解：(1).换流期间交流电抗上的压降为参与换流（换相）的二相的线电压的1／2。（2）换流期间输出点的电压瞬时值为参与换流（换相）的二相相电压之和的1／2。 (3).以A相的晶闸管V11向B相的晶闸管V12换流为例，换流期间输出点的电压瞬时值为：

ud?1?uB?uA? 2(4). 以A相的晶闸管V11向B相的晶闸管V12换流为例，换流期间交流电抗上的压降，即换流压降为：

uLC?1uBA 2(5). α=30°时整流输出电压波形，参阅教材P51中的图3-7(b)，α=60°时整流输出电压波形参照教材P51中的图3-7(b)，移至α=60°起始即可，但波形延至每相晶闸管导通角为θ＝120°+γ。其中，γ为换相重叠角。

(6). 换流期间交流电抗上的压降，即换流压降的影响将使输出电压平均值下降，输出平均电压将为

Ud?Ud??Ud?

3-6．在三相桥式整流电路中，为什么三相电压的六个交点就是对应桥臂的自然换流点？并说明各交点所对应的换流元件都有哪些？

'363XcU2cos??Id 2?2?电力系统及其自动化电力电子变流技术

解：三相桥式整流电路中，每只二级管承受的是相邻二相的线电压，承受正向电压时导通，反向电压时截止。三相电压的六个交点是其各线电压的过零点，是二级管承受正反向电压的分界点，所以，是对应桥臂的自然换流点。

参阅教材P55中的图3-9(a)、(b)，相电压正半周的交点分别是共阴极组二极管的自然换相点，即R是V25→V21，S是V21→V23，T是V23→Ｖ25的自然换流点；相电压负半周的交点分别是共阳极组二极管的自然换相点，即U是V26→V22，V是V22→V24，W是V24→V26的自然换流点。

3-7．根据图3-9（a）所示三相不控桥式整流电路说明：（1）在U点是哪两个元件换流？（2）每一个元件的导通角为多少？（3）输出电压ud的平均值为多少？

（4）画出元件V22的电压波形，并说明元件的反峰电压为多少？解：(1).U点是V26→V22换流。 (2).每一个元件的导通角为θ＝120°。 (3).输出电压ud的平均值为 Ud?36?U2?2.34U2

(4). V22的电压波形参阅教材P55中的图3-9(e) ,将波形依次后移60°，即将R点起始的波形移至Ｕ点起画即可。V22从Ｕ点起始导通120°，端电压为０；之后依次分别承受线电压uAC和uＢC各120°。元件的反峰电压为6U2，即线电压的峰值。

3-8．在理想的三相全控桥式整流电路中，当控制角α=0°、α=30°时，回答下列各问：（1）各换流点分别为哪些元件换流？（2）各元件的触发脉冲相位及波形？（3）各元件的导通角为多少？

（4）同一相的两个元件的触发信号在相位上有何关系？（5）输出电压ud的波形及表达式。

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解：(1). 当控制角α=0°时，各晶闸管的触发脉冲发自各自的自然换相点，即R是V25→V21，S是V21→V23，T是V23→V25的换流点； U是V26→V22，V是V22→V24，W是V24→V26的换流点。

当控制角α=30°时，各晶闸管的触发脉冲依次相对各自的自然换相点后移30°，以上各管的换流从此位置开始。

(2).按V11、V12、V13、V14、V15、V16顺序，单脉冲触发时，每隔６0°依次为每一晶闸管发一个触发脉冲。双脉冲触发时，按V11—V12、V12—V13、V13－V14、V14－V15、V15－V16、V16－V11顺序，每隔６0°依次为相邻一对晶闸管同时各发一个触发脉冲。

当控制角α=0°时的触发脉冲波形及相位参阅教材P57中的图3-11(d)和(c)。当控制角α=30°时，各晶闸管的触发脉冲依次相对上图后移30°即可。 (3).各晶闸管的导通角为θ＝120°。

(4). 同一相的两个晶闸管的触发信号在相位上相差180°。 (5). 输出电压ud的波形

当控制角α=0°时，参阅教材P55中的图3-9(c)。输出电压ud的表达式 Ud?36?U2cos??2.34U2

当控制角α=60°时，参阅教材P58中的图3-12(b)，须将α=30°的波形依次后移30°，变换成α=60°的波形。

输出电压ud的表达式 Ud?

3-9三相全控桥式整流电路，L=0.2H，Rd=4Ω。要求Ud在0--220V之间变化。试求 (1).整流变压器次级相电压U2；

(2).计算晶闸管电压、电流值，如果电压、电流按裕量系数2计算，选择晶闸管； (3)变压器次级电流有效值I2； (4)计算整流变压器次级容量S2。

36?U2cos??2.34U2cos60??1.17U2

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解：?L?2?fL?2?3.14?50?0.2?62.8(Ω)，而Rd=4(Ω)，所以，ωL>>Rd，按大电感负载情况计算，三相全控桥式整流电路，相当于最小控制角α

(1) 计算.整流变压器次级相电压U2

Ud=2.34U2,，则U2=220／2.34≈94(V)

(2).计算晶闸管电压、电流值，如果电压、电流按裕量系数2计算，选择晶闸管晶闸管承受的最大峰电压为

UV1m?6U2?230.35(V) 按裕量系数2计算，则U=230.25×2=460.5(V)，选额定电压500V晶闸管。 Id?min=0°

Ud220??55（A） R411Id??50?16.7(A) 33 IV1AR? IV1?13Id?31.75(A)

IV131.75??20.2Ａ 1.571.57则 AV1EAR?按裕量系数2计算，则20.2×2=40.4(A),选额定通态平均电流为50A的晶闸管。 (3). 计算变压器次级电流有效值I2 I2?(4).计算整流变压器次级容量S2

S2=3U2I2=3×94×44.9=12661.8(VA)≈12.66(KVA)

3-10．三相桥式大电感性负载全控整流电路，变压器副边线电压380V、负载电阻11.7Ω、α=60°。画出ud、id、iV1、i2波形；计算输出电压ud、负载电流id、晶闸管电流iV1、变压器副边电流i2的平均值、有效值。

解：ud、id、iV1、i2波形参阅教材P58中的图3-12，须将α=30°的波形依次后移30°，变换成α=60°的波形。

输出电压平均值

2Id?44.9(A) 3 29

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Ud?2.34U2cos??2.34?(V)

输出电压有效值

U2L3?cos??1.35U2Lcos??1.35?380?0.5?256.56 U =

2?????3??3??6U2sin?td??t?=3U2?2?1??3??cos2???? ??32? ＝3U2L?1??3???≈291(v) cos2?????32?Ud256.5??22（A） R11.7负载电流平均值 Id?负载电流有效值Ｉde=Ｉd=22(A) 晶闸管电流平均值 IV1AR?晶闸管电流的效值 IV1?1Id?7.3(A) 313Id?12.7(A)

变压器二次电流平均值 I2AR=0(A) 变压器二次电流有效值

I2?

3-11．龙门刨床，其工作台由60kW、220V、305A的直流电动机拖动。由三相桥式全控整流电路供电。整流变压器初、次级线电压分别为380V和220V。要求起动电流限制在500A。当负载电流降至10A时，电流仍保持连续。计算控制角理论上最小值α的额定值。

解：Ud?2.34U2cos??2.34?min及晶闸管

2IV1?12.7?2?17.96?A??18?A?

U2L3?cos??1.35U2Lcos?

cos??则α≈42.2°，即理论上的最小α

Ud220??0.7407

1.35U2L1.35?220min≈42.2°

启动时最大负载电流Idmax=500A，此时晶闸管电流的有效值

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IV1max?13Idmax?13?500?288.7(A)

则 AVEAR?

IV1max288.7??183.9Ａ 1.571.57晶闸管承受的最大正反向峰电压为6U2，即为线电压的峰值，为按裕量系数2

2×183.9=387.8(A) 2×311=622(V)

选择额定通态平均电流为400A，额定电压为700V的晶闸管。

3-12．三相全控桥式整流器的单脉冲触发方式的脉冲宽度为什么要大于60°？解：三相全控式整流桥电路，必须有一个共阴极组的和另一个共阳极组的二个不同相的晶闸管同时导通，才能形成通过负载的导电回路。为了保证全控桥在初始工作合闸（启动工作）时能形成电流回路，或者由于电流断续后能再次导通，必须对两组中应导通的两个晶闸管同时加有触发脉冲。

单脉冲触发方式又称宽脉冲触发方式，要求脉冲宽度大于60°，小于120°，通常取90°左右。这种方法实质上是用一个宽脉冲来代替两个相隔60°的窄脉冲，即在按规定触发时刻给某一个晶闸管加触发脉冲时，前一号晶闸管触发脉冲还未消失，如教材P57中的图3-11(d)所示。这就保证了两组晶闸管中，各有一个管子同时加有触发脉冲，使电路在启动，电流连续或断续的工况下，都能正常工作。

2U2L?2?220?311（Ｖ）

第四章有源逆变电路

习题与思考题解

4-1．逆变电路必须具备什么条件才能进行逆变工作？解：逆变电路必须同时具备下述两个条件才能产生有源逆变：

1 变流电路直流侧应具有能提供逆变能量的直流电源电势Ed，其极性应与晶闸管的导电电流方向一致。

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2. 变流电路输出的直流平均电压Ud的极性必须为负（相对于整流时定义的极性），以保证与直流电源电势Ed构成同极性相连，且满足Ud

4-2单相全控桥式逆变电路与单相桥式（二极管）整流电路有何差别？是否所有的整流电路都可以用来作为逆变电路？

解：单相全控桥式逆变电路是DC／AC变换电路，是单相全控桥式变流电路工作于逆变状态，其负载为反电动势负载，控制角为α>90°的情况。

单相桥式（二极管）整流电路是AC／DC 变换电路，是单纯的整流电路，相当于单相全控桥式变流电路工作于整流状态，控制角α=0°时的情况。

不是所有的整流电路都可以用来作为逆变电路。例如，单相、三相半控桥式变流电路，带续流二极管的变流电路都只能工作于整流状态，不能用来作为逆变电路。

4-3．逆变电路工作时为什么会产生短路事故？

解：变流器工作在逆变状态时，如果因丢失脉冲、移相角超出范围、甚至突发电源缺相或断相等情况时，都有可能发生换相失败，将使变流器输出的直流电压Ud进入正半周范围，Ud的极性由负变正，与直流侧直流电源电势Ed形成顺向串联，造成短路事故（因逆变电路的内阻R很小）。这种情况称为逆变失败。或称为逆变颠覆。

4-4．为什么要限制逆变角的最小值β

min？选择βmin值时应考虑哪些因素？

min。

解：为了避免逆变电路发生逆变失败，所以，必须限制逆变角的最小值β 最小逆变角β

min

的选取要考虑三个因素，即

换相重叠角γ；

晶闸管关断时间toff对应的电角度δ；安全裕量角θ0。故有

4-5．在图4-2（c）中，当α>90°时,为什么必须Ed>Ud才能正常逆变工作，Ed与Ud间的差值由何因素决定。如果Ed=Ud和Ed

min

≥γ+δ+θ0 32

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解：因为当α>90°,必须Ed>Ud时，才能满足逆变工作条件。只有当Ed>Ud时，变流电路直流侧的电源电势Ed才能提供逆变能量，进而实现有源逆变。

Ed与Ud间的差值由主电路所限制的电流的大小决定，即通过控制角α(逆变控制角β)

的大小来确定。

Ed=Ud时，变流电路将处于等待状态，Ed

4-6．在图4-2中，设交流电源变压器二次电压U2=280V，变流电路为单相全控桥式电路，R=0.2Ω,L=∞。试求当电动机起重重物时，负载电流Id=200A且反电势Ed=180V时，变流电路的控制角α应为何值？变流电路处于什么工作状态？解： Id?Ud?Ed R则 Ud=IdR+Ed=200×0.2+180=220（V）

Ud?0.9U2cos?Ud220cos????0.873

0.9U20.9?280??29? 由于α< 90°，Ud >Ed，所以，变流电路处于整流工作状态。

4-7．在题4-6所给电路条件下，设电动机降落重物时起制动作用的负载电流Id=200A，与电动机转速对应的反电势Ed为－180V，试求此时的变流器控制角应为何值？并分析其能量传输关系。

解： Id?Ud?Ed R则 Ud=IdR+Ed=200×0.2－180=－140V

Ud?0.9U2cos? cos??Ud?140???0.5556

0.9U20.9?280??124? 由于???，Ud?Ed，则变流电路处于有源逆变工作状态，电动机处于发电2运行，输出的直流电能通过变流器转变为交流电能反送给电网。

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4-8．试绘出单相和三相全控桥式逆变电路当β=45°时的输出电压波形、晶闸管的电流波形、以及晶闸管V11的端电压波形，并分析晶闸管承受电压的情况（设L=∞）。解：单相全控桥式的输出电压波形、晶闸管的电流波形、以及晶闸管V11的端电压波形参阅教材P66中的图4-2(c)。由于L=∞，晶闸管的电流波形可画成180°的矩形波。晶闸管的导通角为θ=180°，此期间两端电压近似为零，关断后的β角对应期间承受反向电压，之后的α角对应期间承受正向电压。

三相全控桥式逆变电路的输出电压波形、晶闸管的电流波形、以及晶闸管V11的端电压波形参阅教材P74中的图4-5的中间β=45°的一段。由于L=∞，晶闸管的电流波形可在该导通期间画成120°的矩形波。

晶闸管的导通角为θ=120°，此期间两端电压近似为零，关断后本相晶闸管按相序分别承受与相邻二相的线电压各120°。例如，A相共阴极组晶闸管V11，导通的120°期间，两端电压近似为零，关断后首先承受线电压uAB120°,转而承受线电压uAC120°。其中关断后的β角对应期间承受线电压uAB首先是反向电压。

逆变电路中，晶闸管在关断后的β角对应期间承受的是反向电压，其余绝大部分时间均承受正向电压。

4-9．在图4-5的三相桥式电路中，设交流电源线电压有效值U2l=200V,L=∞，R=1.5Ω。如要求电动机在制动过程中保持制动电流Id=10A恒定不变，试问：当电动机反电势Ed=－200V时，逆变角β应为何值？当Ed降至于－100V、－50V、0V时逆变角分别应为何值？解： Id? 当Ed＝－200V时，

则 Ud=IdR+Ed=10×1.5－200=－185V

Ud?Ed RUd?2.34U2cos???2.34U2cos???1.35U2Lcos??Ud185cos????0.68521.35U2L1.35?200

??47?

当Ed＝－100V时，

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则 Ud=IdR+Ed=10×1.5－100=－85V

Ud?2.34U2cos???2.34U2cos???1.35U2Lcos??Ud85cos????0.31481.35U2L1.35?200

??72? 当Ed＝－50V时，

则 Ud=IdR+Ed=10×1.5－50=－35V

Ud?2.34U2cos???2.34U2cos???1.35U2Lcos?cos???Ud35??0.12961.35U2L1.35?200

??83? 当Ed逐渐下降至0V时，电路电流Id亦将下降为0A，因而Ud＝0V，则β=90°，此时电流电路输出电压的正负面积相等。

4-10．试列举三种产生逆变失败的情况，并说出应注意哪些安全保护措施。解：1.产生逆变失败的情况主要有以下几个方面： (1)触发电路工作不可靠

触发电路不能及时、准确地为各晶闸管提供脉冲，如丢失脉冲或脉冲延迟等，均能导致换相失常或换相失败，参阅教材P72中的图4-4(b)和(c)。

脉冲延迟即使不出现图4-4 (c)的严重情况，也将使逆变角β过小，导致换相时间不足，产生逆变失败。

所谓换相时间，即是需被关断的晶闸管承受反压的时间，即逆变角β区间所对应的时间，如果这个时间短了，晶闸管承受的反压时间不够，不能恢复正向阻断能力而造成逆变失败。 (2)晶闸管出现故障

晶闸管性能不合格，或设计电路时参数选择不当，以致出现晶闸管该阻断时不能阻断，该导通不能导通，均将导致逆变失败。 (3)交流电源失常

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在有源逆变工作状态下，交流电源的突然停电或缺相，由于直流电势Ed的存在，原来导通的晶闸管仍会导通，但此时变流电路交流侧已失去了同直流电势极性相反的交流电压，直流电势将通过晶闸管短路，或原来导通的晶闸管使ud进入导通相的正半周（缺相时）极性变正，造成逆变失败。

2.逆变失败将造成严重的后果，应采取的安全保护措施如下： (1)正确选择晶闸管参数和缓冲保护电路 (2)正确设计稳定可靠的触发电路例如具有不丢脉冲，最小逆变角β (3)设置完善的系统保护装置

例如能对系统过流、过压、交流电源缺相、欠压、断电等故障及时检测，并采取相应的保护操作。

4-11．换流重叠角的产生给逆变电路带来哪些不利影响？

解：由于变压器漏感和线路电感等因素的影响，晶闸管的换流（换相）不能瞬时完成，均需一定的时间即换相重叠角γ所对应的时间。如果逆变角β<γ，将使换相不能完成，造成逆变失败。

4-12．单相全控桥反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，U2=100V，当Ed=－99V，β=60°时，求Ud、Id的数值。解：

min限制、抗干扰能力强等性能。

Ud?0.9U2cos???0.9U2cos???0.9?100?cos60???45(V)

Id?Ud?Ed?45?99??54(A) R1 4-13．三相半波变流电路，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，U2=100V，当Ed=－150V，β=30°时，求Ud、Id的数值。解：

Ud?1.17U2cos???1.17U2cos???1.17?100?cos30???101(V)

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Id?

Ud?Ed?101?150??49(A) R1 4-14．三相全控桥式变流电路，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，U2=220V，当Ed=－400V，β=60°时，求Ud、Id的数值。此时送回电网的平均功率为多少？解：

Ud?2.34U2cos???2.347U2cos???2.34?220?cos60???257.4(V)

Id?Ud?Ed?257.4?400??142.6(A) R1 由于L=∞，输出电流有效值（忽略谐波） I =Id 网恻有功功率为

2 Pd?IdR?IdEd=142.62?1?142.6???400???36705.24(W)≈

-36.7(KW)

送回电网的平均功率为36.7(KW)

4-15．三相桥式变流电路，已知U2L=230V，反电势阻感负载，主回路R =0.8Ω，L=∞，假定电流连续且平滑，当Ed=-290V，β=30°时，计算输出电流平均值、输出电流有效值（忽略谐波）、晶闸管的电流平均值和有效值。解：

Ud?2.34U2cos???2.34U2cos???1.35U2Lcos???1.35?230?cos30??269(V) 输出电流平均值

Id? 输出电流有效值

Ud?Ed?269?290??26(A) R0.8 37

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I?2I??IN?Id?26（Ａ） 2dn?1? 晶闸管的电流平均值为 IV1AR? 晶闸管电流有效值为 IV1?

4-16．试叙述反并联（双重）变流电路的四象限运行条件。

解：反并联（双重）变流电路参阅教材P69中的图4-3（a）。其四象限运行条件如下：

第一象限，电动机正转作电动运行，变流器1工作在整流状态，α1<π/2，Ed

第二象限，电动机正转作发电运行，变流器2工作在逆变状态，α2>π/2，Ed>Ud2。此时Ud2、Ed的极性均为上正下负，电动机供出电能，经变流器2回馈给电网。

第三象限，电动机反转作电动运行，变流器2工作在整流状态，α2<π/2，Ed

第四象限，电动机反转作发电运行，变流器1工作在逆变状态α1>π/2，Ed>Ud1，此时，Ud1、Ed的极性均为上负下正，电动机供出电能，经变流器1回馈给电网。流过电动机的电流与第二象限工作时相反。

可见，由反并联（双重）变流电路控制的可逆系统中，电动机从电动运行转变为发电制动运行，由于电动机的旋转方向不变，故电动机电势Ed的方向不变，相应工作于整流和逆变状态的变流器不能在同一组全控桥内实现。具体地说，由一组桥整流，电网供出能量使电动机作电动运转，逆变必须通过反并联的另一组桥来实现，将电动机作发电制动运行产生的直流电能回馈给电网。

4-17．试指出晶闸管相控变流器的主要特征。

解：几种典型晶闸管相控变流器的主要特征如下：

11Id??26?8.67（Ａ） 331Id?15(A) 3 38

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接续流二极管的单相半波可控变流电路——脉动频率为fS；可工作于第一象限接续流二极管的单相半控桥式变流电路——脉动频率为2fS；可工作于第一象限单相全控桥式变流电路——脉动频率为2fS；可工作于第一象限和第四象限

单相反并联（双重）全控桥式变流电路——脉动频率为2fS；可工作于第一、二、三、四象限

三相半波可控变流电路脉动频率为3fS；可和第四象限

接续流二极管的三相半控桥式变流电路——脉动频率为3fS；可工作于第一象限三相全控桥式变流电路脉动频率为6fS；可工作于第一象限和第四象限

三相反并联（双重）全控桥式变流电路——脉动频率为6fS；可工作于第一、二、三、四象限

其中，fS为交流电源频率。

可见，接续流二极管的变流电路只能工作于第一象限。

4-18．试根据高压直流输电的功率流向，指出中间直流环节两侧变流器的工作状态。解：高压直流输电系统原理结构参阅教材P79中的图4-6（a）。

变流器Ⅰ和变流器Ⅱ均可根据功率的流向工作在整流状态或逆变状态。若使功率从左向右传输，则调整控制角α，使变流器Ⅰ工作于整流状态，变流器Ⅱ工作于有源逆变状态，Ud1和Ud2的极性均为上正下负，且满足Ud1>Ud2。若使功率从右向左传输，则变流器Ⅱ整流，变流器Ⅰ逆变，Ud1和Ud2的极性均为上负下正，且满足Ud1

4-19．试说明大型同步发电机励磁系统在“励磁”和“灭磁”两种工况下，变流器的工作状态和能量流向。

解：大型同步发电机励磁系统结构简图参阅教材P79中的图4-7。

(1）励磁运行时，励磁变压器TF接于母线，变流器工作于整流状态，系统母线提供的交流电能，通过变流器U整流，转变为直流电能，供给发电机励磁绕组进行励磁。 (2）灭磁运行时，增大控制角α>90°将变流器U拉入有逆变工作状态，励磁绕组内储存的磁场能通过工作于有源逆变状态的变流器，经TF以电能形式反馈回电网。

4-20．试述过电压保护的两种基本方法。

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解：常用的抑制过电压的基本方法有二种，即用非线性元件限制过电压的幅值；用储能元件吸收可能产生过电压的能量，并用电阻将其消耗。实际应用时，要视电路的不同部位的需要采用不同的方法，同一部位也可同时采用二种方法。

4-21．试说明交流侧阻容过电压保护和非线性元件过电压保护电路的几种接线形式。解：交流侧阻容保护电路连接方式参阅教材P81中的图4-8。图4-8(a)为单相接法，图4-8(b)和图4-8(c)分别为三相?形和?形连接方法，图4-8(d)为整流式接法。

交流侧非线性元件过电压保护电路，如压敏电阻保护电路参阅教材 P82中的图4-10，接线方式与图4-8(a)、(b)、(c)相同。其他非线性元件保护的连接方法也都与此类同。

4-22．试述直流侧过电压保护电路的连接方法。

解：直流侧的过电压保护，同样可采用阻容保护和非线性元件保护方法，其连接位置为变流装置的直流侧的快速开关或熔断器FU 之前，参阅教材P82中的图4-11。图4-11中的P和M之间即为阻容或非线性保护元件所连接的位置，图中所连接的保护元件是压敏电阻。

4-23．试说明晶闸管关断过电压RC保护电路的原理。

解：晶闸管在关断过程中，电流从最大值很快下降为0，将在变压器的漏电感Lc上产生很大的过电压LC.div/dt，作用在晶闸管上。并联在每只晶闸管上的RC回路可抑制晶闸管的关断过电压。当晶闸管关断过程中，变压器电流可以通过RC续流，减小了div/dt，从而抑制了过电压。电阻可以限制晶闸管再导通时，电容C向晶闸管放电的电流上升率，并阻尼可能产生的LC振荡。

4-24．用作过电流保护的三种常用电器是什么？其速度的快慢有何差别。解：可用作过电流保护的三种常用电器有快速熔断器、快速开关和过流继电器。快速熔断器流过的电流越大，其熔断时间越短，当流过短路电流时，其熔断时间可达5ms(目前最快的可达1ms量级)。在额定电流下，工作时不熔断，可长期工作。快速开关的全分断时间为10ms，只用于直流电路。

过流继电器的动作时间一般为几百毫秒(ms)，分为直流和交流两种。

4-25．试述反馈控制过电流保护电路的原理及特点？

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解：反馈控制过流保护原理框参阅教材P83中的图4-12。

正常工作时，电压比较器整定为输出高电平，控制变流装置工作于??90?的整流工作状态。当变流器发生短路时，来自电流互感器的过流信号，经整流后，与过流整定值比较，使比较器输出低电平，控制变流器装置立即转入?>90?的逆变工作状态。由于?突然增大，使变流器输出电压迅速降低，不仅控制了短路电流，还可将储存在电感中的能量以电能的形式反馈给电网。当能量释放完毕，晶闸管的电流下降到维持电流以下自行关断，且无触点。所以，不存在快速熔断器、快速开关和过流继电器等保护电器那种分断大电流动作过程产生的过电压现象。动作速度比上述任何一种过流保护电器都快。

4-26．为什么说快速熔断器用作晶闸管的最终过流保护手断比较合适？

解：因为晶闸管的过载能力受结温限制，我国标准规定风冷器件的额定结温为115?C，水冷器件为100?C。在规定的冷却条件下，晶闸管通过2倍额定通态平均电流时，可耐受的时间为0.5S；通过3倍时，可耐受时间为60ms；通过6倍时，可耐受时间为20ms。所以可根据不同过载程度晶闸管的耐受能力，采取分级过电流保护措施。

快速熔断器之所以用作最终保护手段比较合适，是因为三种保护电器的动作时间各不相同，快速熔断器的动作时间最短，速度最快。为了避免快熔的频繁熔断和更换，使快熔只在发生可能危及晶闸管的更大过流时才熔断，起到最后的保护作用。。

因此，在留有适当的裕量选定了晶闸管及与其配合的快熔之后，将同时装设的快速开关或过流继电器的动作值整定得稍低一些（过流继电器最低）。这样，当发生过流时，过流继电器或快速开关会首先动作，虽然动作速度不如快熔，但只要整定电流不超过晶闸管过载耐受时间区段，就不会危害晶闸管，同样也不会使快熔熔断。

第五章晶闸管变流器的触发电路

习题与思考题解

5-1．晶体管主电路对触发电路的要求是什么？解：1.触发信号应具备足够大的触发功率。

晶闸管的触发是用一个小功率输入去控制一个大功率输出。由于一般采用脉冲信号的形式作为触发信号，所以其触发电压、电流均可超过额定触发电压、额定触发电流，只要触发功率不超过门极峰值功率和平均功率即可。

2.触发脉冲应具有一定的宽度，且前沿尽可能陡。

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晶闸管的导通需要时间，因而，要求触发脉冲的宽度必须大于导通时间。以保证晶闸管的导通电流上升到擎住电流以上，为了快速而可靠的触发大功率晶闸管，通常触发脉冲的前沿尽可能陡，并叠加一个强触发脉冲。对于工频电路而言，一般脉冲宽度大于18，即1ms。

3.触发脉冲必须与主电路同步。

由于晶闸管只有承受正向电压时才能触发导通，所以要求其触发脉冲的输出及时准确，且能够保证不同周期，相同?角时的触发时刻相同。

4.触发脉冲的相位可以按要求移动。

触发脉冲相位在一定的范围内进行移动的过程，就是改变控制角?的过程，从而实现变流电路主电路输出电压在一定范围内的调节。

5-2．什么是垂直控制原理？什么是横向控制原理？

解：垂直控制原理的触发系统组成结构框图参阅教材P87中的图5—1。

每个晶闸管都各自拥有一套独立的同步信号产生电路（1B——6B）、移相控制电路（1C——6C）、脉冲整形和功放电路（1D——6D）。垂直控制原理可分为单脉冲触发方式和双脉冲触发方式两种基本组成结构。

横向控制原理的组成结构框图参阅教材P87中的图5—2。

1A为同步变压器，1B为同步信号发生器，1C为移相控制电路，F为6倍频脉冲信号发生器，E为环行分配器和译码器，1D—6D为脉冲整形与功率放大电路，1A、1B、1C是共用的。

横向控制的工作原理是将主电路选定的满足相位要求的电网电压信号，经同步变压器送到同步信号发生器1B中，1B产生的同步信号经1C转换，变成一个与主电路同步的移相控制脉冲。该脉冲经6倍频脉冲信号发生器F产生一个6倍于同步移相控制信号频率的控制脉冲，即在每个同步移相控制脉冲信号周期，产生6个互相依次间隔为60 的脉冲，这组连续脉冲通过环形分配器和译码器产生脉冲宽度大于60，且组间依次间隔为60的6组脉冲，分别送到6个脉冲整形与放大电路，经整形放大后送到相对应的晶闸管的门极一阴极间。

5-3．移相控制有那两种实现方式？

解：移相控制电路的原理是通过输入控制信号与同步信号的比较来产生可移相的触发脉冲，其实现的方式可通过调节输入控制信号电压的幅度，或改变同步信号（例如锯齿波）的斜率两种方法来实现。

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5-4．单结晶体管触发电路的工作原理是什么？实现同步的方法如何？

解：单结晶体管触发电路的工作原理是利用单结晶体管的负阻效应构成单结晶体管振荡电路。该电路的的供电电源采用通过同步变压器构成的全波整流电路，并将整流输出直流脉动电压通过稳压管限幅削波，形成对应主电路交流电压过零点的梯形波同步信号电压。这样，在单结晶体管的第一基极b1就可获得对应控制角?的触发脉冲（尖脉冲），通过调节发射极电路中的电阻Re（或电容C）实现改变控制角?的目的。详细情况可参阅教材P91中的图5-5。

单结晶体管触发电路实现同步的方法是通过采用对应主电路交流电压过零点的梯形波直流电源，作为单结晶体管振荡电路的电源，从而，使单结晶体管的基极回路的ReC充电电路，每半个周期对应主电路交流电压的过零点（自然换流点），每次都从0V开始充电。这样，b1基极输出的第一个尖脉冲即是对应控制角?的位置。

5-5．触发电路怎样实现对初始相位的控制？

解：为了控制触发电路的初始相位，可在输入控制信号（移相电压）端再叠加一个初始相位调整电压（或称偏移电压）输入，以达到限制最小控制角?min及移相范围的目的。

5-6．防止晶体管误触发有那些措施？解：防止晶体管误触发可采取如下措施：

(1)触发电路电源变压器、同步变压器应具有静电隔离，脉冲变压器必要时亦可加静电隔离屏蔽层。

(2)尽量避免控制极电路靠近大的电感性元件，也不要与大电流的母线靠得太近。脉冲电路的输入线及输出到晶闸管门极的控制线采用屏蔽线。

(3)选用有较大触发电流的晶闸管，使得较小的干扰脉冲不能使晶闸管被触发。 (4)在晶闸管的控制极和阴极间并联0.01—0.1uF的电容，也可减小干扰，但由于电容会使正常触发脉冲的前沿变缓，所以要注意电容的选择不要过大。

(5)在晶闸管的控制极和阴极间加反向偏置电压，一般为3.0V左右，可用固定负压或二极管、稳压管等实现。

(6)脉冲电路的电源应加滤波器，为了消除电解电容器电感的影响，应并联一只小容量的金属纸介或陶瓷、独石电容，以吸收高频干扰。

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5-7．试说明KC04芯片引脚1和15的输出脉冲在相位上的特点和控制方法。解：引脚1和15的输出脉冲为互差180?的两个触发脉冲，为正脉冲。

经放大后再经过隔离措施即可驱动触发相位相差180?的两只晶闸管，如单相、三相全控桥同一桥臂上的上下两只晶闸管。

每一片的引脚1输出用于触发共阴组晶闸管，引脚15输出用于触发同一桥臂上的共阳组晶闸管。再经一级驱动、脉冲变压器隔离送到每只晶闸管的门极g—阴极k之间。

用KC04组成的三相全控桥式变流器触发系统实际应用电路参阅教材P95中的图5-8，共用三片KC04。

第六章无源逆变电路

习题与思考题解

6-1.无源逆变电路和有源逆变电路的区别有哪些?

解：无源逆变电路就是将直流电能转换为某一固定频率或可变频率的交流电能，并且直接供给负载使用的逆变电路。

有源逆变电路就是将直流电能转换为交流电能后，又馈送回交流电网的逆变电路。这里的“源”即指交流电网，或称交流电源。

6-2.什么是电压型逆变电路和电流型逆变电路?各有什么特点?

解：根据逆变器直流侧电源性质的不同可分为两种，直流侧是电压源的称为电压型逆变器，直流侧是电流源的称为电流型逆变器。

电压型逆变器，其中间直流环节以电容贮能，具有稳定直流侧电压的作用。直流侧电压无脉动、交流侧电压为矩形波，多台逆变器可以共享一套直流电源并联运行。由于PWM（脉宽调制）技术的出现和发展，使得电压和频率的调节均可在逆变过程中由同一逆变电路完成，应用更为普遍。

电流型逆变器，中间直流环节以电感贮能，具有稳定直流侧电流的作用。它具有直流侧电流无脉动、交流侧电流为矩形波和便于能量回馈等特点。一般用于较大功率的调速系统中，如大功率风机、水泵等。

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6-3.试说明电压型逆变电路中续流二极管的作用。

解：对于电感性负载，由于电感的储能作用，当逆变电路中的开关管关断时，负载电流不能立即改变方向，电流将保持原来的流向，必须通过与开关管反向并联的大功率二极管进行续流，来释放电感中储存的能量，这就是电压型逆变电路中续流二极管的作用。

若电路中无续流二极管，开关管关断时，由于电感中的电流将产生很大电流变化率，从而在电路中引起很高的过电压，对电路的器件或绝缘产生危害。

6-5.脉冲宽度调制的原理是什么？正弦脉宽调制信号是怎样产生的？什么是调制比？什么是载波比？

解：脉冲宽度调制（PWM）技术原理是依据当在一个惯性环节的输入端，施加面积相同，但形状不同的脉冲信号时，该环节的输出响应中，低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异，而且输入信号的脉冲越窄，输出响应的差别越小。

正弦脉冲宽度调制（SPWM）信号波形，通常是用等腰三角形波作为载波，用正弦波作为调制波，在两个波形的交点处控制主电路开关器件的开通、关断，就可在主电路输出端产生与正弦波输出响应相似的波形。

（1）调制比M＝Urm／Ucm

其中，Urm为正弦调制波电压的幅值， Ucm为三角形载波电压的幅值。（2）载波比(频率比) K=fc/fr

其中，fr为正弦调制波的频率,fc为三角波的频率。

6-6.正弦脉冲宽度调制控制方式中的单极性调制和双极性调制有何不同？

解：单极性调制时，调制波为正弦波电压，载波在正半周时为正向三角波，负半周时为负向三角波。主电路输出电压正半周为正向SPWM波形，负半周为负向SPWM波形，其瞬时有+Ud、0V、-Ud三种。参阅教材P107中的图6-8。

双极性调制时，调制波为正弦波电压，载波为正负三角波。主电路输出电压为正负SPWM波形，其瞬时只有+Ud、-Ud两种。参阅教材P108中的图6-9。

6-13.．逆变电路多重化的目的是什么，如何实现？有何优点？

解：逆变电路多重化的目的是为了抑制和削减逆变器输出的谐波成份，以避免对负载以至电网产生较大的影响。

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多重化控制就是以多个逆变电路在输出端叠加，各个逆变器用相同的频率不同的相位工作，使输出的多个不同相位的矩形波组合叠加起来，达到减少输出谐波的目的。

通过多重化结构，可以使输出u0中有选择的消除某些次谐波，增多多重化结构中的逆变器组数，可以消除更多的谐波，同时，还可以增大逆变器的输出功率。

第七章直流斩波电路

习题与思考题解

7-1.DC/DC变换电路的主要形式和工作特点是什么？

解：.DC/DC变换器有两种主要的形式，一种是逆变整流型，另一种是斩波电路控制型。逆变整流型是将直流电压逆变成一个固定的高频交流电压，将这个交流电压经变压器变为要求的交流电压，再整流成所需要的直流电压。逆变电路一般采用恒压恒频控制，它适用于小功率的电源变换和变压比较大的变换中。

斩波电路控制型可选用多种脉冲调制方式做为控制输入，适用于不需要隔离的场合和升压、降压比不大的场合。

7-3.斩波电路常用的三种控制方式是什么？

解：斩波电路常用的三种控制方式是：

（1）时间比控制方式；（2）瞬时值控制方式；（3）时间比和瞬时值结合的控制方式。

7-4.试述斩波电路时间比控制方式中的三种控制模式。

解：斩波电路时间比控制方式中的三种控制模式为：（1）定频调宽控制模式

定频就是指开关元件的开、关频率固定不变，也就是开、关周期T固定不变，调宽是指通过改变斩波电路的开关元件导通的时间Ton来改变导通比Kt值，从而改变输出电压的平均值。

（2）定宽调频控制模式

定宽就是斩波电路的开关元件的导通时间Ton固定不变，调频是指用改变开关元件的开关周期T来改变导通比Kt。（3）调频调宽混合控制模式

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这种方式是前两种控制方式的综合，是指在控制驱动的过程中，即改变开关周期T，又改变斩波电路导通时间Ton的控制方式。通常用于需要大幅度改变输出电压数值的场合.

7-7.试述晶闸管器件的关断方法及工作过程。

解：在直流斩波电路中，由于主开关晶闸管始终承受直流电源的正向电压，因此，导通后不能自关断，所以，必须增设辅助关断电路，即强迫换流电路。

例如，LC自由振荡辅助关断电路和辅助晶闸管关断电路，它们都是利用主晶闸管开通后，通过LC自由振荡向电容Ｃ储能，使电容C上的电压uc的极性，在晶闸管需要关断时为反向电压，进而达到用电容C上的电压uc关断晶闸管目的。

7-8.定频调宽和定宽调频控制方式的区别是什么？对输出滤波电路有何要求？

解：（1）定频调宽控制方式，开关元件的开、关频率（周期）固定不变，通过改变斩波电路的开关元件导通的时间Ton来改变导通比Kt值，从而改变输出电压的平均值。由于这种控制方式的开关频率固定不变，故输出电压的频率也是固定的，因而电路中的高次谐波滤出比较容易实现，是一种使用较普遍的电路之一。

（2）定宽调频控制方式，开关元件的导通时间Ton固定不变，用改变开关元件的开关周期T来改变导通比Kt，达到改变输出电压的平均值。

由于开关周期T随输出电压的不同要求而改变，所以，斩波电路输出电压的频率也要同时发生变化，因此，滤波器设计要以电路中出现的最低次谐波为准。

7-9.降压型斩波电路和升压型斩波电路的电容、电感、二极管各起什么作用？解：降压型斩波电路中，电感L和电容C的主要作用是滤波，同时电感L的储能将保持负载电流的连续，电容C可稳定输出电压UO。二极管为主开关管关断时的负载电流续流二极管。

升压型斩波电路中，电感L为开关管开通（模式1）时的储能元件，电容C为开关管关断（模式2）时的储能元件。二极管为两种模式转换过程中的隔离开关元件，开关管开通（模式1）时二极管关断，开关管关断（模式2）时二极管开通。

7-10.试述二种晶闸管斩波电路的工作过程。

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解：1. 脉宽固定晶闸管斩波电路的工作过程分三个阶段： (1) 晶闸管导通阶段

t1触发晶闸管导通，向负载提供电流，同时L1C回路通过晶闸管自由振荡，经过半个周期后，电容电压uC被反向充电到－Ud，电流iC变为０V。随后振荡电流iC又反向流过晶闸管，当iC达到负载电流iO的t2时刻，晶闸管电流下降为0A，进入关断恢复阶段。

晶闸管的导通时间Ton=t2-t1，一旦电路参数固定之后，这一时间是固定的。故称该电路为脉宽固定斩波电路，脉宽时间主要由换流电路中的电感L1和电容C决定，并与决定负载电流的负载参数R和L有关。

(2) 晶闸管恢复正向阻断能力阶段

电容电压uC=－Ud时，给晶闸管施加反向电压的同时，负载电流换流到通过L1、C和负载向电容充电，直到t3时刻电容电压uC下降到0V，在这期间（t3-t2），晶闸管承受反向电压，恢复了正向阻断能力。

(3) 二极管续流阶段

电容C继续充电到uC=+Ud的时刻t4时，iC下降，由于电感L感应电势的作用，二极管V21导通续流，负载电流从L1C回路换流到通过二极管流过。当L足够大时可一直维持到下一次触发晶闸管导通的时刻。

详细参阅教材P119~120中的有关部分。

2. 脉宽可调晶闸管斩波电路的工作过程分下述三个阶段 (1)主晶闸管开通阶段

在t1时刻触发主晶闸管V11导通，电源Ud通过V11供给负载电流。同时，已充电为+Ud的电容器C通过V11、L1、V22回路产生自由振荡放电，经过L1C振荡的半个周期到达时刻t2时，uC=-Ud，iC=0，V22电流i22下降为0，V22截止。二极管V22承受uC的反压不能导通，所以振荡停止。从t2时刻起主晶闸管V11只通过负载的电流，一直维持到触发辅助晶闸管V12导通的t3时刻为止。

(2)触发辅助晶闸管，强迫关断主晶闸管阶段

t3时刻，触发辅助晶闸管V12导通，电容电压uC通过V12、V11放电，给主晶闸管V11

施加反压，使其迅速关断。V11关断后，电容C通过V12、负载L和R继续放电，到t4时刻，电容电压uc=0。之后，C继续充电，直到uC=+Ud 的t5时刻为止。

可见，改变辅助晶闸管的触发时刻，可以调整斩波电路输出的脉冲宽度，故称该电路为脉宽可调斩波电路。

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(3)辅助晶闸管自关断，续流二极管续流阶段

t5时刻，uC=+Ud，iC=0，V12电流下降到维持电流以下自行关断。二极管V21开始导通续流，直到下一个周期开始再次触发主晶闸管为止。

详细参阅教材P120~121中的有关部分。

第八章驱动电路与缓冲保护电路

习题与思考题解

8-1．功率晶体管对驱动电路的要求是什么？解：功率晶体管对驱动电路的要求为： 1.驱动电路与主电路要实现电气隔离。

由于主电路的电压较高，而控制电路的电压一般较低，必须有良好的电气隔离性能，才能保证驱动控制电路的安全，并提高抗干扰能力。 2.驱动电流要有足够陡的前沿和足够大的峰值。