电力电子技术习题及解答

电力电子技术习题及解答内容摘要：

波稳压管 wD 两端如并接滤波电容， 20 电路能否正常工作 ?如稳压管损坏断开，电路又会出现什么情况 ? 答：在 稳压管 wD 两端如并接滤波电容 后， 电路能否正常工作。 如稳压管损坏断开 ， 单结晶体管 上峰值电压太高，不利于 单结晶体管 工作。 三相半波 相 控整流电路 带 电动机负载并串入足够大的电抗器， 相电压有效值 U2=220V，电动机负载电流为 40A，负载回路总电阻为 ，求当 α=60176。 时流过晶闸管的电流平均值与有效值、电动机的反电势。 解 ：电流平均值为： IdT=31 Id=40/3= 电流有效值为： AIIIddT ??? 设电动机的反电势为 ED，则回路方程为： LdDd RIEU ?? 而 VUttdUUd )(s i n23/2 1 656 22??? ? ?? ?? ?? ???? 所以 VE D ???? Ld的电动机负载，已知变压器二次电压为 100V，变压器每相绕组折合到二次侧的漏感 L1 为 100μ H，负载电流为 150A，求： (1)由于 漏抗引起的换相压降； (2)该压降所对应整流装置的等效内阻及 α=0176。 时的换相重叠角。 解： (1) ?? 23 1 dIXU ? 1501010050236 ??????? ??? (2) ??? ???? ? )62(c osc os 211 UI d 21 ?11)1006 150101005021(c os 61 ?? ?????? ?? ? 等效内阻 ??? AVr 晶闸管装置中不采用过电压、过电流保护，选用较高电压和电流等级的晶闸管行不行 ? 答：晶闸管装置中必须采用过电压、过电流保护，而不能用高电压、高电流的晶闸管代替， 因为在电感性负载装置中，晶闸管在开关断过程中，可能会出现过冲阳极电压，此时极易损坏晶闸管。 当未采取过电流保护，而电路过载或短路时更易损坏晶闸管。 什么是有源逆变。 有源逆变的条件是什么。 有源逆变有何作用。 答：如果将逆变电路交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电，反送到电网上去称为有源逆变。 有源逆变的条件： （ 1） 一定要有直流电动势，其极性必须与晶闸管的导通方向一致，其值应稍大于变流器直流侧的平均电压； （ 2） 变流器必须工作在 2??? 的区域内使 Ud0。 有源逆 变的作用： 它可用于直流电机的可逆调速，绕线型异步电动机的串级调速，高压电流输电太阳能发电等方面。 无源逆变电路和有源逆变电路有何区别。 答：有源逆变电路是把逆变电路的交流侧接到电网上，把直流电逆变成同频率的交流反送到电网去。 无源逆变电路的交流侧直接接到负载，将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流供给负载。 有源逆变最小逆变角受哪些因素限制。 为什么。 22 答：最小有源逆变角受晶闸管的关断时间 tq折合的电角度 ? 、换相重叠角 ? 以及安全裕量角 ?? 的限制。 如果不能满足这些因素的要求的话，将导致逆变失败。 第 3 章 思考题与习题 开关器件的开关损耗大小同哪些因素有关。 答：开关损耗与开关的频率和变换电路的形态性能等因素有关。 试比较 Buck电路和 Boost 电路的异同。 答；相同点： Buck 电路和 Boost 电路多以主控型电力电子器件（如 GTO， GTR，VDMOS 和 IGBT 等）作为开关器件，其开关频率高，变换效率也高。 不同点： Buck 电路在 T 关断时，只有电感 L 储存 的能量提供给负载，实现降压变换，且输入电流是脉动的。 而 Boost 电路在 T 处于通态时，电源 Ud向电感 L充电，同时电容 C 集结的能量提供给负载，而在 T 处于关断状态时，由 L 与电源E 同时向负载提供能量，从而实现了升压，在连续工作状态下输入电流是连续的。 试简述 BuckBoost 电路同 Cuk 电路的异同。 答：这两种电路都有升降压变换功能，其输出电压与输入电压极性相反，而且两种电路的输入、输出关系式完全相同， BuckBoost 电路是在关断期内电感 L 给滤波电容 C 补充能量，输出电流脉动很大，而 Cuk 电路中接入了 传送能量的耦合电容 C1，若使 C1足够大，输入输出电流都是平滑的，有效的降低了纹波，降低了对滤波电路的要求。 试说明直流斩波器主要有哪几种电路结构。 试分析它们各有什么特点。 答：直流斩波电路主要有降压斩波电路（Ｂ uck），升压斩波电路（Ｂ oost），升降压斩波电路（Ｂ uck－Ｂ oost）和库克（Ｃ ook）斩波电路。 降压斩波电路是：一种输出电压的平均值低于输入直流电压的变换电路。 它主要用于直流稳压电源和直流直流电机的调速。 升压斩波电路是：输出电压的平均值高于输入电压的变换电路，它可用于直流 23 稳压电源和 直流电机的再生制动。 升降压变换电路是输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反。 主要用于要求输出与输入电压反向，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。 库克电路也属升降压型直流变换电路，但输入端电流纹波小，输出直流电压平稳，降低了对滤波器的要求。 试分析反激式和正激式变换器的工作原理。 答：正激 变换器： 当开关管 T 导通时，它在高频变压器初级绕组中储存能量，同时将能量传递到次级绕组，根据变压器对应端的感应电压极性，二极管 D1导通，此时 D2 反向截止，把能量储存到电感 L 中，同时 提供负载电流 OI ；当开关管 T截止时，变压器次级绕组中的电压极性反转过来，使得续流二极管 D2导通（而此时 D1反向截止），储存在电感中的能量继续提供电流给负载。 变换器的输出电压为： dO DUNNU 12? 反激 变换器 ：当开关管 T 导通，输入电压 Ud 便加到变压器 TR 初级 N1上，变压器储存能量。 根据变压器对应端的极性，可得次级 N2 中的感应电动势为下正上负，二极管 D 截止，次级 N2中没有电流流过。 当 T 截止时， N2中的感应电动势极性上正下负，二极管 D 导通。 在 T 导通期间储存在变压器中的能量便通过二极管D 向负载释放。 在工作的过程中，变压器起储能电感的作用。 24 输出电压为 dO UDDNNU ??? 112 试分析全桥式变换器的工作原理。 答：当 ug1 和 ug4 为高电平， ug2 和 ug3 为低电平，开关管 T1和 T4导通， T2和T3 关断时，变压器建立磁化电流并向负载传递能量；当 ug1 和 ug4 为低电平， ug2 和ug3 为高电平，开关管 T2和 T3导通， T1和 T4关断，在此期间变压器建立反向磁化电流，也向负载传递能量，这时磁芯工作在 B－ H 回线的另一侧。 在 T T4 导通期间 (或 T2和 T3 导通期间 )，施加在初级绕组 NP 上的电压约等于输入电压 Ud。 与半桥电路相比，初级绕组上的电压增加了一倍，而每个开关管的耐压仍为输入电压。 有一开关频率为 50kHz的 Buck变换电路工作在电感电流连续的情况下，L=，输入电压 Ud=15V，输出电压 U0=10V (1) 求占空比 D的大小； (2) 求电感中电流的峰 峰值Δ I； (3) 若允许输出电压的纹波Δ U0/U0=5%，求滤波电容 C 的最小值。 25 解：（ 1）DUUd 10 ?， 15100 ??? dUUD （ 2） AfL DDUf L U UUUI dd OdOL )()1()( 33 ???? ???????? ? (3)因为 2200 ))(1(2 ftDUU c??? ? kHzf 50? LCfc ?2 1? 则 22 ))(1( ffD c?? ? )1( 222Dff c ??? ? )1050( 1 62332m i n ???????? ????? ?? FLfDC181。 F 图题 ，器件 T的开关频率为100kHz，电路输入电压为交流 220V，当 RL两端的电压为 400V 时： (1) 求占空比的大小； (2) 当 RL=40Ω时，求维持电感电流连续时的临界电感值； (3) 若允许输出电压纹波系数为 ，求滤波电容 C的最小值。 题图 26 解 :（１）由题意可知： DUU d??10 00U UUD d ??? 400220400?? = （２）102 300 ????? ?dKS UIDTL ＝ ＝ H? （其中 ARUIK 104040000 ???） （３）CRDTUU L S?? 00, FUR UDTC L s ? 500 ?????? ? 在 Boost变换电路中，已知 Ud=50V， L值和 C值较大， R=20Ω，若采用脉宽调制方式，当 Ts=40μ s， ton=20μ s时，计算输出电压平均值 U0和输出电流平均值 I0。 解：dof f of fon UtttU ???0＝ VDU d ??? 由于Ｌ和Ｃ的值都比较大， ARUI 52020000 ???? 有一开关频率为 50kHz的库克变换电路，假设输出端电容足够大，使输出电压保持恒定，并且元件的功率损耗可忽略，若输入电压 Ud=10V，输出电压U0 调节为 5V 不变。 试求 : (1) 占空比； (2) 电容器 C1两端的电压 Uc1； (3) 开关管的导通时间和关断时间。 27 解： (1) 因为 dUDDU ?? 10 － 则 31105 5 ??? ???? dO O UU UD (注 意 VUo 5?? ) (2) VUDU dC 151031111 11 ?????? (3) sDTton ? 131 3 ????? sTDt of f ? 132)1( 3 ?????? ? 28 第 4 章 思考题与习题 什么是电压型和电流型逆变电路。 各有何特点。 答：按照逆变电路直流侧电源性质分类，直流侧为电压源的逆变电路称为电压型逆变电路，直流侧为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： （ 2） 直流侧为电压源，或并联有大电容，相当 于电压源。 直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。 （ 3） 由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，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，其波形接近于三角波或正弦波。 （ 4） 当交流侧为阻感性负载时，需提供无功功率，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二极管。 （ 5） 逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故功率的脉动是由交流电压来提供。 （ 6） 当用于交 — 直 — 交变频器中，负载为电动机时，如果电动机工作在再生制 动状态，就必须向交流电源反馈能量。 因直流侧电压方向不能改变，所以只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给交 — 直整流桥再反并联一套逆变桥。 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，直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。 （ 2） 因为各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为 29 矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形和相位因负载阻抗角的不同而。