电力电子技术复习题

2-1与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结构特点才使得其具有耐受高压和大电流的能力？答：1.电力二极管大都采用垂直导电结构，使得硅片中通过电流的有效面积增大，显著提高了二极管的通流能力。2.电力二极管在P区和N区之间多了一层低掺杂N区，也称漂移区。低掺杂N区由于掺杂浓度低而接近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导体，由于掺杂浓度低，低掺杂N区就可以承受很高的电压而不被击穿。2-2.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。2-3.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。2-11常见的全控型电力电子器件有哪些？答：门极可关断晶闸管,电力晶闸管，电力场效应晶体管，绝缘栅双极晶体管。3-1单相半波可控整流电路对电感负载供电，L=20Mh，U2=100V，求当0时和60时的负载电流Id，并画出Ud与Id波形。解：0时，在电源电压U2的正半周期晶闸管导通时，负载电感L储能，在晶闸管开始导通时刻，负载电流为零。在电源电压U2的负半周期，负载电感L释放能量，晶闸管继续导通。因此，在电源电压U2的一个周期中下列方程成立：tUdtdiLdsin22考虑到初始条件：当0t时id=0可解方程：）－（＝tcos1LU2I2d20d)(dtcos1LU221It）－（)(51.22U22ALUd与Id的波形如下图：当a=60时，在U2的正半周期60~180期间，晶闸管导通使电感L储能，电感L储藏的能量在U2负半周期180~300期间释放，因此在U2的一个周期中60~300期间，下列微分方程成立：tUdtdiLdsin22考虑到初始条件：当60t时id=0可解方程得：id=)cos2122tdtU－（其平均值为Id=35322)(25.11L2U2)()cos21(221AtdtLU＝此时Ud与id的波形如下图：3-5单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载R=20，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：②整流输出平均电压Ud、电流Id、变压器二次测电流有效值I分别为：Ud=0.9U2cos=O.9×100×cos30=77.97(V)Id=(Ud一E)/R=(77.97一60)/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敢值可按晶闸管产品系列参数选取。3-30单相桥式全控整流电路、三相桥式全控整流电路中，当负载分别为电阻负载或电感负载时，要求的晶闸管移相范围分别是多少？答：单相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，要求的晶闸管移相范围是0~180，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是0~90。三相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，要求的晶闸管移相范围是0~120，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是0~90。4-l无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？答：两种电路的不同主要是：有源逆变电路的交流侧接电网即交流侧接有电源。而无源逆变电路的交流侧直接和负载联接。4-2换流方式各有那儿种？各有什么特点？答：换流方式有4种：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，只要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追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。4-3什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？答：按照逆变电路直流测电源性质分类，直流侧是电压源的称为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持点是：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，直流测电惑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。4-5三相桥式电压型逆变电路，180º导电方式，Ud=100V。试求输出相电压的基波幅值UUN1m和有效值UUN1﹑输出线电压的基波幅值UUV1m和有效值UUV1﹑输出线电压中5次谐波的有效值UUV5。解：)(7.63637.021VUUUddmUN)(4545.0211VUUUdmUNUN)(1101.1321VUUUddmUV)(7878.06211VUUUUddmUVUV)(6.15578515VUUUVUV5-1简述图3-la所示的降压斩波电路工作原理。答：降压斩波器的原理是：在一个控制周期中，让V导通一段时间ont。，由电源E向L、R、M供电，在此期间，Uo=E。然后使V关断一段时间offt，此时电感L通过二极管VD向R和M供电，Uo=0。一个周期内的平均电压0onoffEtUt输出电压小于电源电压,起到降压的作用。5-4简述图3-2a所示升压斩波电路的基本工作原理。答：假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。当V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为1I,同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，基本保持输出电压为恒值0U。设V处于通态的时间为ont，此阶段电感L上积蓄的能量为E1Iont。当V处于断态时E和己共同向电容C充电并向负载R提供能量。设V处于断态的时间为offt，则在此期间电感L释放的能量为0()UE1Iofft；当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即：101()onoffEItUEIt化简得：0onoffoffoffttTUEEtt式中的T／offt1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。5-9对于图3-8所示的桥式可逆斩波电路，若需使电动机工作于反转电动状态，试分析此时电路的工作情况，并绘制相应的电流流通路径图，同时标明电流流向。解：需使电动机工作于反转电动状态时，由V3和VD3构成的降压斩波电路工作，此时需要V2保持导通，与V3和VD3构成的降压斩波电路相配合。当V3导通时，电源向M供电，使其反转电动，电流路径如下图：当V3关断时，负载通过VD3续流，电流路径如下图：6-3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。6-5交交变频电路的主要特点和不足是什么？其主要用途是什么？答：交交变频电路的主要特点是：只用一次变流效率较高；可方便实现四象限工作，低频输出时的特性接近正弦波。交交变频电路的主要不足是：接线复杂，如采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管；受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；输出功率因数较低；输入电流谐波含量大，频谱复杂。主要用途：500千瓦或1000千瓦以下的大功率、低转速的交流调速电路，如轧机主传动装置、鼓风机、球磨机等场合。6-8试述矩阵式变频电路的基本原理和优缺点。为什么说这种电路有较好的发展前景？答：矩阵式变频电路的基本原理是：对输入的单相或三相交流电压进行斩波控制，使输出成为正弦交流输出。矩阵式变频电路的主要优点是：输出电压为正弦波；输出频率不受电网频率的限制；输入电流也可控制为正弦波且和电压同相；功率因数为l，也可控制为需要的功率因数；能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行；不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。矩阵式交交变频电路的主要缺点是：所用的开关器件为18个，电路结构较复杂，成本较高，控制方法还不算成熟；输出输入最大电压比只有0.866，用于交流电机调速时输出电压偏低。因为矩阵式变频电路有十分良好的电气性能，使输出电压和输入电流均为正弦波，输入功率因数为l，且能量双向流动，可实现四象限运行；其次，和目前广泛应用的交直交变频电路相比，虽然多用了6个开关器件，却省去直流侧大电容，使体积减少，且容易实现集成化和功率模块化。随着当前器件制造技术的飞速进步和计算机技术的日新月异，矩阵式变频电路将有很好的发展前景。7-1试说明PWM控制的基本原理。答：PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。在采样控制理论中有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理以正弦PWM控制为例。把正弦半波分成N等份，就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到PWM波形。各PWM脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。可见，所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。7-3单极性和双极性PWM调制有什么区别？三相桥式