西安交通大学《电力电子技术》教材的参考答案

第1章电力电子器件1.使晶闸管导通的条件是什么？答：使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：uAK0且uGK0。2.维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。要使晶闸管由导通变为关断，可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。3.图1-43中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为Im，试计算各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3与电流有效值I1、I2、I3。0022244254a)b)c)图1-430图1-43晶闸管导电波形解：a)Id1=π214)(sinttdIm=π2mI(122)0.2717ImI1=42)()sin(21tdtIm=2mI21430.4767Imb)Id2=π14)(sinttdIm=πmI(122)0.5434ImI2=42)()sin(1tdtIm=22mI21430.6741Imc)Id3=π2120)(tdIm=41ImI3=202)(21tdIm=21Im4.上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶闸管能送出的平均电流Id1、Id2、Id3各为多少？这时，相应的电流最大值Im1、Im2、Im3各为多少?西安交通大学《电力电子技术》教材的参考答案-1-解：额定电流IT(AV)=100A的晶闸管，允许的电流有效值I=157A，由上题计算结果知a)Im14767.0I329.35，Id10.2717Im189.48b)Im26741.0I232.90,Id20.5434Im2126.56c)Im3=2I=314,Id3=41Im3=78.59.试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。解：对IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的优缺点的比较如下表：器件优点缺点IGBT开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTOGTR耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低电力MOSFET开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置西安交通大学《电力电子技术》教材的参考答案-2-第2章整流电路3．单相桥式全控整流电路，U2＝100V，负载中R＝2Ω，L值极大，当α＝30°时，要求：①作出ud、id、和i2的波形；②求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2；③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：①ud、id、和i2的波形如下图：u2OtOtOtudidi2OtIdId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＝0.9U2cosα＝0.9×100×cos30°＝77.97（V）Id＝Ud/R＝77.97/2＝38.99（A）I2＝Id＝38.99（A）③晶闸管承受的最大反向电压为：2U2＝1002＝141.4（V）考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：UN＝（2~3）×141.4＝283~424（V）具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。流过晶闸管的电流有效值为：IVT＝Id∕2＝27.57（A）晶闸管的额定电流为：IN＝（1.5~2）×27.57∕1.57＝26~35（A）具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。西安交通大学《电力电子技术》教材的参考答案-3-5．单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=2Ω，L值极大，反电势E=60V，当=30时，要求：①作出ud、id和i2的波形；②求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2；③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：①ud、id和i2的波形如下图：u2OtOtOtudidi2OtIdIdId②整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2分别为Ud＝0.9U2cosα＝0.9×100×cos30°＝77.97(A)Id＝(Ud－E)/R＝(77.97－60)/2＝9(A)I2＝Id＝9(A)③晶闸管承受的最大反向电压为：2U2＝1002＝141.4（V）流过每个晶闸管的电流的有效值为：IVT＝Id∕2＝6.36（A）故晶闸管的额定电压为：UN＝(2~3)×141.4＝283~424（V）晶闸管的额定电流为：IN＝(1.5~2)×6.36∕1.57＝6~8（A）晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。13．三相桥式全控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5Ω，L值极大，当=60时，要求：①画出ud、id和iVT1的波形；②计算Ud、Id、IdT和IVT。解：①ud、id和iVT1的波形如下：西安交通大学《电力电子技术》教材的参考答案-4-=60°u2uduabuacubcubaucaucbuabuacuaⅠⅡⅢⅣⅤⅥubucOtt1OtidtOtOiVT1②Ud、Id、IdT和IVT分别如下Ud＝2.34U2cos＝2.34×100×cos60°＝117（V）Id＝Ud∕R＝117∕5＝23.4（A）IDVT＝Id∕3＝23.4∕3＝7.8（A）IVT＝Id∕3＝23.4∕3＝13.51（A）14．单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，E=40V，U2=100V，LB=0.5mH，当=60时求Ud、Id与的数值，并画出整流电压ud的波形。解：考虑LB时，有：Ud＝0.9U2cosα－ΔUdΔUd＝2XBId∕πId＝（Ud－E）∕R解方程组得：Ud＝（πR0.9U2cosα＋2XBE）∕（πR＋2XB）＝44.55（V）ΔUd＝0.455（V）Id＝4.55（A）又∵cos－)cos(＝2BdXI∕U2即得出)60cos(=0.4798换流重叠角西安交通大学《电力电子技术》教材的参考答案-5-＝61.33°60°=1.33°最后，作出整流电压Ud的波形如下：OtOtudu215．三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，U2=100V，R=1Ω，L=∞，LB=1mH，求当=30时、E=50V时Ud、Id、的值并作出ud与iVT1和iVT2的波形。解：考虑LB时，有：Ud＝1.17U2cosα－ΔUdΔUd＝3XBId∕2πId＝（Ud－E）∕R解方程组得：Ud＝（πR1.17U2cosα＋3XBE）∕（2πR＋3XB）＝94.63（V）ΔUd＝6.7（V）Id＝44.63（A）又∵cos－)cos(＝2BdXI∕6U2即得出)30cos(=0.752换流重叠角＝41.28°30°=11.28°ud、iVT1和iVT2的波形如图。西安交通大学《电力电子技术》教材的参考答案-6-udiVT1tOtOIduaubuciVT2tOIdOuaubucu216．三相桥式不可控整流电路，阻感负载，R=5Ω，L=∞，U2=220V，XB=0.3Ω，求Ud、Id、IVD、I2和的值并作出ud、iVD和i2的波形。解：三相桥式不可控整流电路相当于三相桥式可控整流电路α＝0°时的情况。Ud＝2.34U2cosα－ΔUdΔUd＝3XBId∕πId＝Ud∕R解方程组得：Ud＝2.34U2cosα∕（1＋3XB/πR）＝486.9（V）Id＝97.38（A）又∵cos－)cos(＝2BdXI∕6U2即得出cos=0.892换流重叠角＝26.93°二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为IVD＝Id∕3＝97.38∕3＝32.46（A）I2a＝32Id＝79.51（A）ud、iVD1和i2a的波形如下：西安交通大学《电力电子技术》教材的参考答案-7-u2udiVD1tOtOtOtOuaubuct1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥi2aIdId第二章17．三相全控桥，反电动势阻感负载，E=200V，R=1Ω，L=∞，U2=220V，=60，当①LB=0和②LB=1mH情况下分别求Ud、Id的值，后者还应求并分别作出ud与iT的波形。解：①当LB＝0时：Ud＝2.34U2cosα＝2.34×220×cos60°＝257.4（V）Id＝（Ud－E）∕R＝（257.4－200）∕1＝57.4（A）②当LB＝1mH时Ud＝2.34U2cosα－ΔUdΔUd＝3XBId∕πId＝（Ud－E）∕R解方程组得：Ud＝（2.34πU2Rcosα＋3XBE）∕（πR＋3XB）＝244.15（V）Id＝44.15（A）ΔUd＝13.25（V）又∵cos－)cos(＝2XBId∕6U2)60cos(＝0.4485γ＝63.35°－60°＝3.35°ud、IVT1和IVT2的波形如下：西安交通大学《电力电子技术》教材的参考答案-8-u2udiVT1tOtOtOuaubucuabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥIdiVT2tOId18．单相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有哪些次数的谐波？其中幅值最大的是哪一次？变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波？其中主要的是哪几次？答：单相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有2k（k=1、2、3…）次谐波，其中幅值最大的是2次谐波。变压器二次侧电流中含有2k＋1（k＝1、2、3……）次即奇次谐波，其中主要的有3次、5次谐波。19．三相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有哪些次数的谐波？其中幅值最大的是哪一次？变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波？其中主要的是哪几次？答：三相桥式全控整流电路的整流输出电压中含有6k（k＝1、2、3……）次的谐波，其中幅值最大的是6次谐波。变压器二次侧电流中含有6k1(k=1、2、3……)次的谐波，其中主要的是5、7次谐波。20．试计算第3题中i2的3、5、7次谐波分量的有效值I23、I25、I27。解：在第3题中已知电路为单相全控桥，其输出电流平均值为Id＝38.99（A）于是可得：I23＝22Id∕3π＝22×38.99∕3π＝11.7（A）I25＝22Id∕5π＝22×38.99∕5π＝7.02（A）I27＝22Id∕7π＝22×38.99∕7π＝5.01（A）21．试计算第13题中i2的5、7次谐波分量的有效值I25、I27。解：第13题中，电路为三相桥式全控整流电路，且已知Id＝23.4（A）西安交通大学《电力电子技术》教材的参考答案-9-由此可计算出5次和7次谐波分量的有效值为：I25＝6Id∕5π＝6×23.4∕5π＝3.65（A）I27＝6Id∕7π＝6×23.4∕7π＝2.61（A）22．试分别计算第3题和第13题电路的输入功率因数。解：①第3题中基波电流的有效值为：I1＝22Id∕π＝22×38.99∕π＝35.1（A）基波因数为＝I1∕I＝I1∕Id＝35.1∕38.99＝0.9电路的输入功率因数为：＝cos＝0.9cos30°＝0.78②第13题中基波电流的有效值：I1＝6Id∕π＝6×23.39∕π＝18.243（A）基波因数为＝I1∕I＝I1∕Id＝0.955电路的输入功率因数为：＝cos＝0.955cos60°＝0.4825．求12脉波、24脉波整流电路的整流输出电压和交流输入电流中各