《电力电子技术》习题

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第1章 电力电子器件

1.1晶闸管的导通条件是什么? 导通后流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定?

答：晶闸管的导通条件是：晶闸管阳极和阳极间施加正向电压，并在门极和阳极间施加正向触发电压和电流（或脉冲）。

导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗决定，负载上电压由输入阳极电压UA决定。

1.2晶闸管的关断条件是什么? 如何实现? 晶闸管处于阻断状态时其两端的电压大小由什么决定?

答：晶闸管的关断条件是：要使晶闸管由正向导通状态转变为阻断状态，可采用阳极电压反向使阳极电流IA减小，IA下降到维持电流IH以下时，晶闸管内部建立的正反馈无法进行。进而实现晶闸管的关断，其两端电压大小由电源电压UA决定。

1.3晶闸管的非正常导通方式有哪几种？

答：非正常导通方式有：(1) Ig=0，阳极电压升高至相当高的数值；(1) 阳极电压上升率du/dt过高；(3) 结温过高。

1.4请简述晶闸管的关断时间定义。

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答：晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需的这段时间称为关断时间。即

tqtrrtgr。

1.5试说明晶闸管有哪些派生器件？

答：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。

1.6请简述光控晶闸管的有关特征。

答：光控晶闸管是在普通晶闸管的门极区集成了一个光电二极管，在光的照射下，光电二极管电流增加，此电流便可作为门极电触发电流使晶闸管开通。主要用于高压大功率场合。

1.7型号为KP100-3，维持电流IH=4mA的晶闸管，使用在图题1.7所示电路中是否合理，为什么?(暂不考虑电压电流裕量)

图题1.7

100V2mAIH50K，所以不合理。

答：（a）因为

IA 13

(b)

IA200V20A10, KP100的电流额定值为100Ａ，裕量达５倍，太大了。

（c）

IA150V150A1，大于额定值，所以不合理。

1.8图题1.8中实线部分表示流过晶闸管的电流波形，其最大值均为Im，试计算各图的电流平均值．电流有效值和波形系数。

图题1．8

1解：图(a)： IT(AV)=20Imsintd(t)Im=

1IT=20(Imsint)2d(t)Im=2

ITKf=IT(AV)=1.57

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1图(b)： IT(AV)=Isintd(t)20m= Im

12IImsint)d(t)ImT=0(=2

ITKf=IT(AV)=1.11

1图(c)： IT(AV)=Imsintd(t)33= 2Im

1I(Imsint)2d(t)1T=

3= I3380.63Im

m

ITKf=IT(AV)=1.26

1图(d)： IT(AV)=2Imsintd(t)33=4Im

1Isint)2d(t)1T=

2(Im3= I6360.52Im

m

ITKf=IT(AV)=1.78

1图(e)： IT(AV)=24IIm0md(t)=8

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1IT=240Imd(t)2Im=22

ITKf=IT(AV)=2.83

1图(f)： IT(AV)=220ImImd(t)=4

1IT=220Imd(t)2Im=2

ITKf=IT(AV)=2

1.9上题中，如不考虑安全裕量，问额定电流100A的晶闸管允许流过的平均电流分别是多少?

解：(a)图波形系数为1.57，则有： 1.57

IT(AV)=1.57100A , IT(AV) = 100 A

(b)图波形系数为1.11，则有： 1.11

IT(AV)=1.57100A , IT(AV)=141.4A

(c)图波形系数为1.26，则有： 1.26

IT(AV)=1.57100A , IT(AV)=124.6A

(d)图波形系数为1.78，则有： 1.78

IT(AV)=1.57100A , IT(AV)=88.2A

(e)图波形系数为2.83，则有： 2.83

IT(AV)=1.57100A, IT(AV)=55.5A

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(f)图波形系数为2，则有： 2

IT(AV)=1.57100A , IT(AV)=78.5A

1.10某晶闸管型号规格为KP200-8D，试问型号规格代表什么意义?

解：KP代表普通型晶闸管，200代表其晶闸管的额定电流为200A，8代表晶闸管的正反向峰值电压为800V，D代表通态平均压降为0.6VUT0.7V。

1.11如图题1.11所示，试画出负载Rd上的电压波形(不考虑管子的导通压降)。

图题1.11

解：其波形如下图所示：

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1.12在图题1.12中，若要使用单次脉冲触发晶闸管T导通，门极触发信号（触发电压为脉冲）的宽度最小应为多少微秒（设晶闸管的擎住电流IL=15mA）？

图题1.12

diARiAEdt解：由题意可得晶闸管导通时的回路方程：

LELiA(1e)R可解得 ，  =R=1

t要维维持持晶闸管导通，iA(t)必须在擎住电流IL以上，即

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50(1et)151030.5

t150106150s， 所以脉冲宽度必须大于150µs。

1.13单相正弦交流电源，晶闸管和负载电阻串联如图题1.13所示，交流电源电压有效值为220V。

(1)考虑安全余量，应如何选取晶闸管的额定电压？

(2)若当电流的波形系数为Kf=2.22时，通过晶闸管的有效电流为100A，考虑晶闸管的安全余量，应如何选择晶闸管的额定电流？

图题1.13

解：（1）考虑安全余量, 取实际工作电压的2倍

UT=22022622V, 取600V

（2）因为Kf=2.22, 取两倍的裕量，则：

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2IT(AV)2.22100A

得： IT(AV)=111(A) 取100A。

1.14 GTR对基极驱动电路的要求是什么？

答：要求如下：

（1）提供合适的正反向基流以保证GTR可靠导通与关断，

（2）实现主电路与控制电路隔离，

（3）自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号避免损坏GTR。

（4）电路尽可能简单，工作稳定可靠，抗干扰能力强。

1.15在大功率GTR组成的开关电路中为什么要加缓冲电路?

答：缓冲电路可以使GTR在开通中的集电极电流缓升，关断中的集电极电压缓升，避免了

duGTR同时承受高电压、大电流。另一方面，缓冲电路也可以使GTR的集电极电压变化率dt和集

di电极电流变化率dt得到有效值抑制，减小开关损耗和防止高压击穿和硅片局部过热熔通而损坏

GTR。

第2、3章 单相、三相可控整流电路

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2.1 什么是整流？它与逆变有何区别？

答：整流就是把交流电能转换成直流电能，而将直流转换为交流电能称为逆变，它是对应于整流的逆向过程。

2.2 单相半波可控整流电路中，如果：

(1) 晶闸管门极不加触发脉冲；

(2) 晶闸管内部短路；

(3) 晶闸管内部断开；

试分析上述三种情况负载两端电压ud和晶闸管两端电压uT的波形。答：（1）负载两端电压为0，晶闸管上电压波形与U2相同；

（2）负载两端电压为U2，晶闸管上的电压为0；

（3）负载两端电压为0，晶闸管上的电压为U2。

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2.3某单相全控桥式整流电路给电阻性负载和大电感负载供电，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择大一些?

答：带大电感负载的晶闸管额定电流应选择小一些。由于具有电感，当其电流增大时，在电感上会产生感应电动势，抑制电流增加。电阻性负载时整流输出电流的峰值大些，在流过负载电流平均值相同的情况下，为防此时管子烧坏，应选择额定电流大一些的管子。

2.4某电阻性负载要求0~24V直流电压，最大负载电流Id=30A，如采用由220V交流直接供电和由变压器降压到60V供电的单相半波相控整流电路，是否两种方案都能满足要求?试比较两种供电方案的晶闸管的导通角、额定电压、额定电流、电路的功率因数及对电源容量的要求。

解：采用由220V交流直接供电当0时：

Udo=0.45U2=0.45220 =99V

由变压器降压到60V供电当0时：

Ud=0.45U2=0.4560 =27V

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因此，只要调节 都可以满足输出0~24V直流电压要求。

(1) 采用由220V交流直接供电时：

U0.45U1cosd22，

Ud==24V时 121 18012159

UT2U2311V

1I2U2T2[sint]2dt84A0R

RUd24I300.8d

ITT(AV)I1.57841.5754A

取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为622V和108A。电源提供有功功率

PI22R8420.85644.8W 电源提供视在功率 SU2I28422018.58kVA

P电源侧功率因数

PFS0.305

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(2) 采用变压器降压到60V供电：

1cos2，

Ud0.45U2Ud==24V时 39, 18039141

UT2U284.4V

IT2U212[sint]dt51.38A20R

RUd240.8Id30

IT(AV)IT51.3832.7A1.571.57

取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为168.8V和65.4A。

2PIR51.380.82112W 2变压器二次侧有功功率

2变压器二次侧视在功率 SU2I26051.383.08kVA

P0.68S

电源侧功率因数

PF2.5某电阻性负载，Rd=50Ω,要求Ud在0~600V可调，试用单相半波和单相全控桥两种整

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流电路来供给，分别计算：

(1) 晶闸管额定电压、电流值；

(2) 连接负载的导线截面积(导线允许电流密度j=6A／mm2)；

(3) 负载电阻上消耗的最大功率。

UdUd600解：（1）单相半波0时,U60020.450.451333V,IdR12Ad50

晶闸管的最大电流有效值 IT1.57Id18.8A

T晶闸管额定电流为 IIT(AV)

1.5712(A)

晶闸管承受最大电压为 URM2U2=1885V

取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为4000V和30A。所选导线截面积为

SIJ18.863.13mm2

负载电阻上最大功率 P2RITR17.7kW

Ud600（2）单相全控桥0时,U20.90.9667V,IdUdR60012Ad50

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负载电流有效值 I1.11Id13.3A (Kf=1.11)

IIT1.57晶闸管的额定电流为 IT(AV)6(A) IT=2

晶闸管承受最大电压为 URM2U2=1885V

取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为4000V和20A。

所选导线截面积为

SI13.32.22mm2J6

2PIR8.9kW R负载电阻上最大功率

2.6 整流变压器二次侧中间抽头的双半波相控整流电路如图题2.6所示。

(1) 说明整流变压器有无直流磁化问题?

(2) 分别画出电阻性负载和大电感负载在α=60°时的输出电压Ud、电流id的波形，比较与单相全控桥式整流电路是否相同。若已知U2=220V，分别计算其输出直流电压值Ud。

（3）画出电阻性负载α=60°时晶闸管两端的电压uT波形，说明该电路晶闸管承受的最大反向电压为多少?

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图题2.6

解：（1）因为在一个周期内变压器磁通增量为零，所以没有直流磁化。（2）其波形如下图所示，与单相全控桥式整流电路相同。

1cos0.9电阻性负载： U9U220(1cos600)d0.222148.5V

感性负载： Ud0.9U2cos99V

(3)其波形如下图所示，晶闸管承受的最大反向电压为22U2。

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2.7带电阻性负载三相半波相控整流电路，如触发脉冲左移到自然换流点之前15°处，分析电路工作情况，画出触发脉冲宽度分别为10°和20°时负载两端的电压 ud波形。

解：三相半波相控整流电路触发脉冲的的最早触发时刻在自然换流点，如触发脉冲左移到自然换流点之前15°处，触发脉冲宽度为10°时，不能触发晶闸管， ud=0。触发脉冲宽度为20°时，能触发晶闸管，其波形图相当于α=0°时的波形。

2.8 三相半波相控整流电路带大电感负载，Rd=10Ω，相电压有效值U2=220V。求α=45°时负载直流电压Ud、流过晶闸管的平均电流IdT和有效电流IT，画出ud、iT2、uT3的波形。

5解：

16Ud2U2sintd(t)2/361.17U2cos

0因为：U2220V ，45

Ud=1.17U2cos45=182V

IdUd182V18.2ARd10

IdTT1IdId6.1A23

ITT1IdId10.5A23

ud、iT2、uT3波形图如下所示：

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2.9 在图题2.9所示电路中，当α=60°时，画出下列故障情况下的ud波形。(1) 熔断器1FU熔断。

(2) 熔断器2FU熔断。

(3) 熔断器2FU、3FU同时熔断。

图题2.9

解：这三种情况下的波形图如下所示：

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(a)

(b)

(c)

2.10现有单相半波、单相桥式、三相半波三种整流电路带电阻性负载，负载电流Id都是40A，问流过与晶闸管串联的熔断器的平均电流、有效电流各为多大?

解：设0

单相半波：IdT=Id=40A

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IT1.57IdT62.8A (Kf=1.57)

1单相桥式：IdT=2Id=20A

IT1Id28.3A2

1三相半波：IdT=3Id=13.3A

当0时 Ud=1.17U2U2=Ud/1.17

0o30时

ITU2Rd123(cos2)232

Id123()23.5A1.17232

2.11三相全控桥式整流电路带大电感负载，负载电阻Rd=4Ω，要求整流电路输出的平均电压Ud从0~220V之间变化。试求：

(1)不考虑控制角裕量时，整流变压器二次线电压。

(2)计算晶闸管电压、电流值，如电压、电流取2倍裕量，选择晶闸管型号。

解：（1）因为Ud=2.34U2cos；不考虑控制角裕量，0时

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U2Ud94V2.34

U2l3U2168.2V

（2）晶闸管承受最大电压为6U2230.3V

取2倍的裕量,URM=460.6V

1晶闸管承受的平均电流为IdT=3Id

又因为

IdUd220V55ARd4

所以IdT=18.33A，取2倍的裕量IdTmax=36.67(A)

选择KP50—5的晶闸管。

2.12 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0.2Ω，求当α=60°时流过晶闸管的电流平均值与有效值、电动机的反电势。

1解：电流平均值为：IdT=3Id=40/3=13.3

电流有效值为：

ITId30.511Id23A

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设电动机的反电势为ED，则回路方程为：

UdEDIdRL

16Ud2U2sintd(t)1.17U2cos128.7V2/365而

所以 ED128.7400.2120.7V

2.13三相全控桥电路带串联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100μH，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=0°时的换相重叠角。

3X1Id32501001061501.5VU22解：(1)

(2)

cos1(cos21Id6U2)

cos(112501001061506100)11

等效内阻

r1.5V0.01150A

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第4章 有源逆变电路

4.1 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的区域内使Ud<0。

（2） 变流器必须工作在

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。

4.2 有源逆变最小逆变角受哪些因素限制？为什么？

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。

4.3 无源逆变电路和有源逆变电路有何区别？

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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。

第5章 交流调压电路与斩波电路

5.1晶闸管相控整流电路和晶闸管交流调压电路在控制上有何区别？

答：相控整流电路和交流调压电路都是通过控制晶闸管在每一个电源周期内的导通角的大小（相位控制）来调节输出电压的大小。但二者电路结构不同，在控制上也有区别。

相控整流电路的输出电压在正负半周同极性加到负载上，输出直流电压。

交流调压电路，在负载和交流电源间用两个反并联的晶闸管T1 、T2 或采用双向晶闸管T相联。当电源处于正半周时，触发T1 导通，电源的正半周施加到负载上；当电源处于负半周时，触发T2 导通，电源负半周便加到负载上。电源过零时交替触发T1、T2 ，则电源电压全部加到负载。输出交流电压。

5.2交流调压和交流调功电路有何区别？

答：交流调功能电路和交流调压电路的电路形式完全相同，但控制方式不同。

交流调压电路都是通过控制晶闸管在每一个电源周期内的导通角的大小（相位控制）来调节输出电压的大小。

晶闸管交流调功能电路采用整周波的通、断控制方法，例如以n个电源周波为一个大周期，

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改变导通周波数与阻断周波数的比值来改变变换器在整个大周期内输出的平均功率，实现交流调功。

5.3一电阻炉由单相交流调压电路供电，如=0°时为输出功率最大值，试求功率为80%，50%时的控制角。

1解：=0°时为输出电压最大值

U0max0(2Usint)2dtU1

U0max负载上最大电流为

I0maxRU1R

2输出最大功率

PmaxUomaxIomaxU1R

8U2输出功率为80%时，

P0.8P(0.1)maxR， Uo0.8U1

而

UoU12sin2aa1

故 60.54

输出功率为最大值的50%时， (0.5U1)2

P0.5PmaxR， Uo0.5U1

1a而

UoU12sin2a

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故 90

5.4 试说明降压斩波电路（Ｂuck），升压斩波电路（Ｂoost）各有什么特点？

答：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，它可用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。

第10章 PWM型无源逆变电路

10.1 试说明PWM控制的工作原理。

答：将一个任意波电压分成N等份，并把该任意波曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应任意波等份的中点重合，得到一系列脉冲列。这就是PWM波形。但在实际应用中，人们采用任意波与等腰三角形相交的方法来确定各矩形脉冲的宽度。

PWM控制就是利用PWM脉冲对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替所需要的波形。

10.2单极性和双极性 PWM调制有什么区别？

解：单极性ＰＷＭ控制方式在调制信号Ur的正半个周期或负半个周期内，三角波载波是单极性输出的，所得的ＰＷＭ波也是单极性范围内变化的。而双极性ＰＷＭ控制方式中，三角波载波

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始终是有正有负，而输出的ＰＷＭ波是双极性的。

10.3 试说明PWM控制的逆变电路有何优点？

答：PWM电路优点如下：

（1 ）可以得到所需波形的输出电压，满足负载需要；

（2）整流电路采用二极管整流，可获得较高的功率因数；

（3）只用一级可控的功率环节，电路结构简单；

（4）通过对输出脉冲的宽度控制就可以改变输出电压的大小，大大的加快了逆变器的响应速度。

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