电力电子技术王兆安第五版课后习题答案Word文档下载推荐.docx
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ð
2ð
5ð
0
2
a)
图1-43
b)
晶闸管导电波形
c)
解:
Id1=
1
2π
I1=
(Imsin⎤t)2d(⎤t)=
Im
3
+
≈0.4767Im
1ð
I2
Id2=
π
I2=
2
2Im
≈0.6741I
Id3=
∫02Imd(⎤t)=4Im
I3=
Im
4.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
I
∫ð
4Imsin⎤td(⎤t)=2πm(2+1)≈0.2717Im
∫
4Imsin⎤td(⎤t)=πm(2+1)≈0.5434Im
∫4
(Imsin⎤t)d(⎤t)=
Imd(⎤t)=
多少?
这时,相应的电流最大值Im1、Im2、Im3各为多少?
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
Im1≈
0.4767
≈329.35,
Id1≈0.2717Im1≈89.48
Im2≈
0.6741
≈232.90,
Id2≈0.5434Im2≈126.56
Im3=2I=314,
Im3=78.5
5.GTO和普通晶闸管同为PNPN结构,为什么GTO能够自关断,而普通晶闸管不能?
GTO和普通晶闸管同为PNPN结构,由P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2,分
别具有共基极电流增益〈1和〈2,由普通晶闸管的分析可得,〈1+〈2=1是器件临界导通
的条件。
〈1+〈2>1,两个等效晶体管过饱和而导通;
〈1+〈2<1,不能维持饱和导通而
关断。
GTO之所以能够自行关断,而普通晶闸管不能,是因为GTO与普通晶闸管在设计和
工艺方面有以下几点不同:
1)GTO在设计时〈2较大,这样晶体管V2控制灵敏,易于GTO关断;
2)GTO导通时的〈1+〈2更接近于1,普通晶闸管〈1+〈2≥1.15,而GTO则为
〈1+〈2≈1.05,GTO的饱和程度不深,接近于临界饱和,这样为门极控制关断提供了有利
条件;
3)多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小,门极和阴极间的距离大为缩短,使得
P2极区所谓的横向电阻很小,从而使从门极抽出较大的电流成为可能。
6.如何防止电力MOSFET因静电感应应起的损坏?
电力MOSFET的栅极绝缘层很薄弱,容易被击穿而损坏。
MOSFET的输入电容是低
泄漏电容,当栅极开路时极易受静电干扰而充上超过±
20的击穿电压,所以为防止
MOSFET因静电感应而引起的损坏,应注意以下几点:
①一般在不用时将其三个电极短接;
②装配时人体、工作台、电烙铁必须接地,测试时所有仪器外壳必须接地;
③电路中,栅、源极间常并联齐纳二极管以防止电压过高
④漏、源极间也要采取缓冲电路等措施吸收过电压。
7.IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的驱动电路各有什么特点?
IGBT驱动电路的特点是:
驱动电路具有较小的输出电阻,IGBT是电压驱动型器件,
IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。
GTR驱动电路的特点是:
驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿,并有一定的过
冲,这样可加速开通过程,减小开通损耗,关断时,驱动电路能提供幅值足够大的反向基
极驱动电流,并加反偏截止电压,以加速关断速度。
GTO驱动电路的特点是:
GTO要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够的幅
值和陡度,且一般需要在整个导通期间施加正门极电流,关断需施加负门极电流,幅值和
陡度要求更高,其驱动电路通常包括开通驱动电路,关断驱动电路和门极反偏电路三部分。
电力MOSFET驱动电路的特点:
要求驱动电路具有较小的输入电阻,驱动功率小且
电路简单。
8.全控型器件的缓冲电路的主要作用是什么?
试分析RCD缓冲电路中各元件的作
用。
全控型器件缓冲电路的主要作用是抑制器件的内因过电压,du/dt或过电流和di/dt,
减小器件的开关损耗。
RCD缓冲电路中,各元件的作用是:
开通时,Cs经Rs放电,Rs起到限制放电电流的
作用;
关断时,负载电流经VDs从Cs分流,使du/dt减小,抑制过电压。
9.试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。
对IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的优缺点的比较如下表:
器件
优点
开关速度高,开关损耗小,具有耐脉
缺点
IGBT
冲电流冲击的能力,通态压降较低,开关速度低于电力MOSFET,电
输入阻抗高,为电压驱动,驱动功率压,电流容量不及GTO
小
GTR
GTO
电力
MOSFET
耐压高,电流大,开关特性好,通流
能力强,饱和压降低
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
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
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
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
第2章
整流电路
1.单相半波可控整流电路对电感负载供电,L=20mH,U2=100V,求当α=0︒和60︒
时的负载电流Id,并画出ud与id波形。
α=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的一个周期里,以下方程均成立:
L
did
dt
=2U2sin⎤t
考虑到初始条件:
当⎤t=0时id=0可解方程得:
id=
2U2
⎤L
(1−cos⎤t)
Id=
=
(1−cos⎤t)d(⎤t)
=22.51(A)
ud与id的波形如下图:
u2
⎤t
ud
id
当α=60°
时,在u2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u2一个周期中60︒~300︒期间以下微分方程
成立:
考虑初始条件:
当⎤t=60︒时id=0可解方程得:
2U21
⎤L2
(−cos⎤t)
其平均值为
5ð
2⎤L
=11.25(A)
此时ud与id的波形如下图:
0〈
⎤t
2.图2-9为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路,问该变压器还有直流磁化
问题吗?
试说明:
①晶闸管承受的最大反向电压为22U2;
②当负载是电阻或电感时,
其输出电压和电流的波形与单相全控桥时相同。
具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路,该变压器没有直流磁化的问题。
因为单相全波可控整流电路变压器二次测绕组中,正负半周内上下绕组内电流的方向
相反,波形对称,其一个周期内的平均电流为零,故不会有直流磁化的问题。
以下分析晶闸管承受最大反向电压及输出电压和电流波形的情况。
①以晶闸管VT2为例。
当VT1导通时,晶闸管VT2通过VT1与2个变压器二次绕组
并联,所以VT2承受的最大电压为22U2。
②当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角〈相同时,对于电阻负载:
(0~α)期间无晶闸管导通,输出电压为0;
(α~π)期间,单相全波电路中VT1导通,
单相全控桥电路中VT1、VT4导通,输出电压均与电源电压u2相等;
(π~π+α)期间,均
无晶闸管导通,输出电压为0;
(π+α~2π)期间,单相全波电路中VT2导通,单相全控
桥电路中VT2、VT3导通,输出电压等于−u2。
对于电感负载:
(α~π+α)期间,单相全波电路中VT1导通,单相全控桥电路中
VT1、VT4导通,输出电压均与电源电压u2相等;
(π+α~2π+α)期间,单相全波电
路中VT2导通,单相全控桥电路中VT2、VT3导通,输出波形等于−u2。
可见,两者的输出电压相同,加到同样的负载上时,则输出电流也相同。
5
(−cos⎤t)d(⎤t)=
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。
①ud、id、和i2的波形如下图:
O
i2
〈
Id
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)
4.单相桥式半控整流电路,电阻性负载,画出整流二极管在一周内承受的电压波形。
注意到二极管的特点:
承受电压为正即导通。
因此,二极管承受的电压不会出现正的
部分。
在电路中器件均不导通的阶段,交流电源电压由晶闸管平衡。
整流二极管在一周内承受的电压波形如下:
6
PDFcreatedwithpdfFactoryProtrialversion
uVD2
uVD4
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。
①ud、id和i2的波形如下图:
②整流输出平均电压Ud、电流Id,变压器二次侧电流有效值I2分别为
=77.97(A)
Id=(Ud-E)/R=(77.97-60)/2=9(A)
I2=Id=9(A)
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:
7
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。
6.晶闸管串联的单相半控桥(桥中VT1、VT2为晶闸管),电路如图2-11所示,U2=100V,
电阻电感负载,R=2Ω,L值很大,当〈=60︒时求流过器件电流的有效值,并作出ud、id、
iVT、iD的波形。
ud、id、iVT、iD的波形如下图:
iVT1O
iVD2
+〈
负载电压的平均值为:
Ud=
2U2sin⎤td(⎤t)=0.9U2
1+cos(ð
/3)
=67.5(V)
负载电流的平均值为:
Id=Ud∕R=67.52∕2=33.75(A)
流过晶闸管VT1、VT2的电流有效值为:
IVT=
Id=19.49(A)
流过二极管VD3、VD4的电流有效值为:
IVD=
Id=27.56(A)
7.在三相半波整流电路中,如果a相的触发脉冲消失,试绘出在电阻性负载和电感性
负载下整流电压ud的波形。
假设〈=0︒,当负载为电阻时,ud的波形如下:
8
ua
ub
uc
当负载为电感时,ud的波形如下:
8.三相半波整流电路,可以将整流变压器的二次绕组分为两段成为曲折接法,每段
的电动势相同,其分段布置及其矢量如图2-60所示,此时线圈的绕组增加了一些,铜的用
料约增加10%,问变压器铁心是否被直流磁化,为什么?
A
B
C
N
n
a1
b1
c1
c2
a2
b2
图2-60
变压器二次绕组的曲折接法及其矢量图
变压器铁心不会被直流磁化。
原因如下:
变压器二次绕组在一个周期内:
当a1c2对应的晶闸管导通时,a1的电流向下流,c2的
电流向上流;
当c1b2对应的晶闸管导通时,c1的电流向下流,b2的电流向上流;
当b1a2对
应的晶闸管导通时,b1的电流向下流,a2的电流向上流;
就变压器的一次绕组而言,每一
周期中有两段时间(各为120︒)由电流流过,流过的电流大小相等而方向相反,故一周期
9
内流过的电流平均值为零,所以变压器铁心不会被直流磁化。
9.三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法,a、b两相的自然换相点是同一点
吗?
如果不是,它们在相位上差多少度?
三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法,a、b两相之间换相的的自然换相点不
是同一点。
它们在相位上相差180°
。
10.有两组三相半波可控整流电路,一组是共阴极接法,一组是共阳极接法,如果它
们的触发角都是〈,那末共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲对同一相来说,例如
都是a相,在相位上差多少度?
相差180°
11.三相半波可控整流电路,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。
①ud、id和iVT1的波形如下图:
〈=30ua
iVT
②Ud、Id、IdT和IVT分别如下
Ud=1.17U2cos〈=1.17×
cos60°
=58.5(V)
Id=Ud∕R=58.5∕5=11.7(A)
IdVT=Id∕3=11.7∕3=3.9(A)
IVT=Id∕3=6.755(A)
12.在三相桥式全控整流电路中,电阻负载,如果有一个晶闸管不能导通,此时的整
又∵
cos〈-cos(〈+©
)=2IdXB∕U2
即得出
cos(60︒+©
)=0.4798
换流重叠角
©
=61.33°
−60°
=1.33°
最后,作出整流电压Ud的波形如下:
15.三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。
考虑LB时,有:
Ud=1.17U2cosα-ΔUd
ΔUd=3XBId∕2π
Id=(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)
12
)=2IdXB∕6U2
cos(30︒+©
)=0.752
=41.28°
−30°
=11.28°
ud、iVT1和iVT2的波形如下:
iVT1
iVT2
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