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.0《电力电子技术》课后习题参考答案
模块一 调光灯
1．晶闸管导通的条件是什么？导通后流过晶闸管的电流由什么决定？晶闸管的关断条件是什么？如何实现？晶闸管导通与阻断时其两端电压各为多少？
解：晶闸管导通的条件是：晶闸管阳极和阴极之间加正向阳极电压。门极和阴极之间加适当的正向阳极电压。
导通后流过晶闸管的电流由主电路电源电压和负载大小决定。 晶闸管的关断条件是：阳极电流小于维持电流。
关断晶闸管可以通过降低晶闸管阳极－阴极间电压或增大主电路中的电阻。
晶闸管导通时两端电压为通态平均电压（管压降），阻断时两端电压由主电路电源电压决定。
2．调试图所示晶闸管电路，在断开负载Rd测量输出电压Ud是否可调时，发现电压表读数不正常，接上Rd后一切正常，请分析为什么？
习题2图
解：当S断开时，由于电压表内阻很大，即使晶闸管门极加触发信号，此时流过晶闸管阳极电流仍小于擎住电流，晶闸管无法导通，电流表上显示的读数只是管子漏电流形成的电阻与电压表内阻的分压值，所以此读数不准。在S合上以后，Rd介入电路，晶闸管能正常导通，电压表的读数才能正确显示。
3．画出图1-35所示电路电阻Rd上的电压波形。
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图1-35 习题3图
解：
4．说明晶闸管型号KP100-8E代表的意义。
解：KP100-8E表示额定电流100A、额定电压8级（800V、通态平均电压组别E（0.7＜UT≤0.8）普通晶闸管。
5．晶闸管的额定电流和其他电气设备的额定电流有什么不同？
解：由于整流设备的输出端所接负载常用平均电流来衡量其性能，所以晶闸管额定电流的标定与其他电器设备不同，采用的是平均电流，而不是有效值，又称为通态平均电流。所谓通态平均电流是指在环境温度为40℃和规定的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170°电阻性负载电路中，当不超过额定结温且稳定时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。
6．型号为KP100－3、维持电流IH＝3mA的晶闸管，使用在习题图所示的三个电路中是否合理？为什么（不考虑电压、电流裕量）？
习题6图
解：（a）图的目的是巩固维持电流和擎住电流概念，擎住电流一般为维持电流的数倍。
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本题给定晶闸管的维持电流IH＝3mA，那么擎住电流必然是十几毫安，而图中数据表明，晶闸管即使被触发导通，阳极电流为100V/50KΩ＝3 mA，远小于擎住电流，晶闸管不可能导通，故不合理。
（b）图主要是加强对晶闸管型号的含义及额定电压、额定电流的理解。
本图所给的晶闸管额定电压为300A、额定电流100A。图中数据表明，晶闸管可能承受
的最大电压为311V，大于管子的额定电压，故不合理。
（c）图主要是加强对晶闸管型号的含义及额定电压、额定电流的理解。
晶闸管可能通过的最大电流有效值为150A，小于晶闸管的额定电流有效值1.57×100
＝157A，晶闸管可能承受的最大电压150V，小于晶闸管的额定电压300V，在不考虑电压、电流裕量的前提下，可以正常工作，故合理。
7．某晶闸管元件测得UDRM＝840V，URRM=980V，试确定此晶闸管的额定电压是多少？ 解：根据将UDRM和URRM中的较小值按百位取整后作为该晶闸管的额定值，将两者较小的840V按教材表1－2取整得800V，该晶闸管的额定电压为8级（800V）。
8．有些晶闸管触发导通后，触发脉冲结束时它又关断是什么原因？
解：晶闸管的阳极加正向电压，门极加正向触发脉冲时，晶闸管被触发导通。此后阳极电流逐渐上升到擎住电流后，去掉触发脉冲，则管子继续导通，知道电流升到负载电流后，进入正常工作状态。如果阳极电流还没有升到擎住电流值就去掉门极脉冲，则晶闸管就不能继续导通而关断。
9．双向晶闸管额定电流的定义和普通晶闸管额定电流的定义有何不同？额定电流为100A的两只普通晶闸管反并联可以用额定电流为多少的双向晶闸管代替？
解：双向晶闸管的额定电流用有效值表示，而普通晶闸管的额定电流是用平均值表示的。 额定电流100A的普通晶闸管，其通过电流的峰值为100A×π=314A，则双向晶闸管的额定电流为314/2=222A。
10．双向晶闸管有哪几种触发方式？一般选用哪几种？ 解：双向晶闸管的触发方式有：
I+ 触发： T1接正电压， T2接负；门极G接正，T2接负。 I- 触发： T1接正，T2接负；门极G为负，T2 接正。 Ⅲ+ 触发T1接负，T2接正，门极G接正，T2接负。 Ⅲ- 触发T1接负， T2接正；门极G接负，T2接正。 一般选用I+和Ⅲ-。
11．说明图所示的电路，指出双向晶闸管的触发方式。
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习题11图
解：S置于位置1：双向晶闸管得不到触发信号，不能导通，负载上无电压
S置于位置2：正半周，双向晶闸管Ⅰ+触发方式导通。负半周，由于二极管VD反偏，双向晶闸管得不到触发信号，不能导通，负载上得到半波整流电压。
S置于位置3：正半周，双向晶闸管Ⅰ+触发方式导通。负半周，双向晶闸管Ⅲ-触发方式导通，负载上得到近似单相交流电压。
12．可关断晶闸管GTO有哪些主要参数？其中哪些参数与普通晶闸管相同？哪些不同？
解：可关断晶闸管GTO的主要参数有：断态重复峰值电压、断态不娼妇峰值电压、反向重复峰值电压和反向不重复峰值电压、开通时间、关断时间等，这些参数定义与普通晶闸管相同。
与普通晶闸管不同的是：
（1）最大可关断阳极电流IATO。也是标称GTO额定电流的参数。与普通晶闸管的额定电流不同。
（2）电流关断增益?off。定义为?off?IATO IGM（3）维持电流与擎住电流。GTO的维持电流和擎住电流的含义和普通晶闸管的含义基本相同。但是，由于GTO的多元集成结构，使得每个GTO远的维持电流和擎住电流不可能完全相同。因此把阳极电流减小到开始出现某些GTO元不能再维持导通时的值称为整个GTO的维持电流；而规定所有GTO元都达到其擎住电流的阳极电流为GTO的擎住电流。
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13．名词解释
控制角（移相角） 导通角 移相 移相范围
控制角?：控制角?也叫触发角或触发延迟角，是指晶闸管从承受正向电压开始到触发脉冲出现之间的电角度。
导通角θ：是指晶闸管在一周期内处于导通的电角度。
移相：是指改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角?的大小。
移相范围：是指一个周期内触发脉冲的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。 14．有一单相半波可控整流电路，带电阻性负载Rd=10Ω，交流电源直接从220V电网获得，试求：
（1）输出电压平均值Ud的调节范围； （2）计算晶闸管电压与电流并选择晶闸管。 解：（1）输出电压的调节范围：0~99V （2）KP20-7
15．单相半波整流电路，如门极不加触发脉冲；晶闸管内部短路；晶闸管内部断开，试分析上述3种情况下晶闸管两端电压和负载两端电压波形。
解：（1）晶闸管门极不加触发脉冲，即晶闸管呈阻断状态，可视作开路，所以输出电压和晶闸管两端电压波形如习题图15（a）所示。
（2）晶闸管内部短路，显然晶闸管两端电压为零，此时输出电压和晶闸管两端电压波形如习题15图b）所示。
（3）晶闸管内部开路，输出电压和晶闸管两端电压波形如习题15（c）所示。
习题15图
16．画出单相半波可控整流电路，当?=60°时，以下三种情况的ud、iT及uT的波形。
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1） 电阻性负载。
2） 大电感负载不接续流二极管。 3） 大电感负载接续流二极管。 解：（1）波形如图
（a）电阻性负载波形图
（b）电感性负载不接续流二极管6
（c）电感性负载接续流二极管
17．中小型发电机采用的单相半波晶闸管自激励磁电路如图，L为励磁电感，发电机满载时相电压为220V，要求励磁电压为40V，励磁绕组内阻为2Ω，电感为0.1H，试求满足励磁要求时，晶闸管的导通角及流过晶闸管与续流二极管的电流平均值和有效值。
习题17图
解：1）先求控制角?
1?cos? 2240cos????1??0.192
0.45220Ud?0.45U2得
?＝101°
则 θT＝180°－101°＝79°
θD＝180°+101°＝281°
由于ωLd=2πfLd=2×3.14×50×0.1=31.4Ω，所以为大电感负载，各电量分别计算如下
Id?Ud40??20A Rd2IdT?180???180??101?Id??20?4.4A
360?360? 7
IT?180???Id?9.4A
360?IdD?180???180??101?Id??20?15.6A
360?360?ID?180???Id?17.6A
360?2U2?311V
2) UTM?UDM?2U2?311V
3）选择晶闸管和续流二极管得型号
UTn?(2~3)UTM?(2~3)?311V?622~933V IT(AV)?(1.5~2)
IT9.4?(1.5~2)A?9~12A 1.571.57取UTn＝700V，IT(AV)＝10A；选择晶闸管型号为KP10－7。
UDn?(2~3)UDM?(2~3)?311V?622~933V ID(AV)?(1.5~2)
ID17.6?(1.5~2)A?16.8~22A 1.571.57取UDn＝700V，ID(AV)＝20A；选择晶闸管型号为ZP20－7。
4）是续流二极管开路造成的。因为发电机励磁线圈为大电感负载，所以输出电压Ud
始终为零或电压很低。
18．某电阻性负载要求0～24V直流电压，最大负载电流Id＝30A，如用220V交流直接供电与用变压器降压到60V供电，都采用单相半波整流电路，是否都能满足要求？试比较两种供电方案所选晶闸管的导通角、额定电压、额定电流值以及电源和变压器二次侧的功率因数和对电源的容量的要求有何不同、两种方案哪种更合理（考虑2倍裕量）？
解：（1） 采用220V电源直接供电，当?=0°时
Ud0＝0.45U2=99V
采用整流变压器降至60V供电，当?=0°时
Ud0＝0.45U2=27V
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所以只要适当调节?角，上述两种方案均满足输出0～24V直流电压的要求。 （2）采用220V电源直流供电，因为Ud?0.45U2
1?cos?，其中在输出最大时，U2
2＝220V，Ud＝24V，则计算得?≈121°，θT＝180°－121°＝59°
晶闸管承受的最大电压为UTM＝2 U2＝311V 考虑2倍裕量，晶闸管额定电压UTn=2UTM=622V 流过晶闸管的电流有效值是IT＝
U2Rdπ??sin2??，其中，?≈121°，2π4πRd?Ud24??0.8? Id30则IT＝84A
考虑2倍裕量，则晶闸管额定电流应为TT(AV)?IT84?2??107A 1.571.57因此，所选晶闸管的额定电压要大于622V，额定电流要大于107A。 电源提供的有功功率
P?I2Rd?842?0.8?5644.8W
电源的视在功率
S?U2I2?U2I?220?84?18.48W
电源侧功率因数
cos??P?0.305 S1?cos?2（3）采用整流变压器降至60V供电，U2＝60V，Ud＝24V，由Ud?0.45U2计算得?≈39°，θT＝180°－39°＝141°
晶闸管承受的最大电压为UTM＝2 U2＝84.9V
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考虑2倍裕量，晶闸管额定电压UTn=2UTM=169.8V 流过晶闸管的电流有效值是IT＝
U2Rdπ??sin2???51.4A 2π4π考虑2倍裕量，则晶闸管额定电流应为TT(AV)?IT51.4?2??65.5A 1.571.57因此，所选晶闸管的额定电压要大于169.8V ，额定电流要大于65.5A。 电源提供的有功功率
P?I2Rd?51.42?0.8?2113.6W
电源的视在功率
S?U2I2?U2I?60?51.4?3.08W
电源侧功率因数
cos??P?0.685 S通过以上计算可以看出，增加了变压器后，使整流电路的控制角减小，所选晶闸管的额定电压、额定电流都减小，而且对电源容量的要求减小，功率因数提高。所以，采用整流变压器降压的方案更合理。
19．试述晶闸管变流装置对门极触发电路的一般要求。 解：
1）触发信号应有足够的功率。
2）触发脉冲应有一定的宽度，脉冲前沿尽可能陡，使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。
3）触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。 20．单结晶体管触发电路中，削波稳压管两端并接移只大电容，可控整流电路能工作吗？为什么？
解：不能工作。因为单结晶体管触发电路得同步使靠稳压管两端得梯形波电压过零实现得，使电容充电得开始时刻与主电路一一对应。如果接上滤波电容，电路就没有过零点，因
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此电路不能正常工作。
21．单结晶体管张驰振荡电路是根据单结晶体管的什么特性组成工作的？振荡频率的高低与什么因素有关？
解：单结晶体管张驰振荡电路是根据单结晶体管的负阻特性组成工作的。 根据振荡电路的频率f?1T11ReC1??可以看出，频率与充电电阻Re和电容容量C有
关。
22．用分压比为0.6的单结晶体管组成振荡电路，若Ubb＝20V，则峰点电压UP为多少？如果管子的b1脚虚焊，电容两端的电压为多少？如果是b2脚虚焊（b1脚正常），电容两端电压又为多少？
解：峰点电压UP＝ηUbb＋0.7＝12.7V
如果管子的b1脚虚焊，电容两端的电压为20V 如果是b2脚虚焊（b1脚正常），电容两端电压0.7V
23．单相桥式全控整流电路中，若有一只晶闸管因过电流而烧成短路，结果会怎样？若这只晶闸管烧成断路，结果又会怎样？
答：若有一晶闸管因为过流而烧成断路，则单相桥式全控整流电路变成单相半波可控整流电路。如果这只晶闸管被烧成短路，会引起其他晶闸管因对电源短路而烧毁，严重时使输入变压器因过流而损坏。
24．在单相桥式全控整流电路带大电感负载的情况下，突然输出电压平均值变得很小，且电路中各整流器件和熔断器都完好，试分析故障发生在何处？
答：续流二极管断路。
25．单相桥式全控整流电路，大电感负载，交流侧电压有效值为220V，负载电阻Rd
为4Ω，计算当??60?时，直流输出电压平均值Ud、输出电流的平均值Id；若在负载两端并接续流二极管，其Ud、Id又是多少？此时流过晶闸管和续流二极管的电流平均值和有效值又是多少？画出上述两种情形下的电压电流波形。
解：不接续流二极管时，由于是大电感负载，故
Ud?0.9U2cos??0.9?220?cos60??99V
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Id?接续流二极管时
Ud99?A?24.8A Rd4Ud?0.9U21?cos?1?0.5?0.9?220??148.5V 22Id?Ud148.5?A?37.1A Rd4IdT?IT????180??60?Id??37.1?12.4A 2?360????180??60?Id??37.1?21.4A 2?360?2??60?Id?Id??37.1?12.4A 2??180?IdVD?IVD??60?Id??37.1?21.4A ?180?不接续流二极管时波形如图题25图（a）所示；接续流二极管时波形如图题25图（b）所示。
题25波形图
26．单相桥式全控整流电路带大电感负载时，它与单相桥式半控整流电路中的续流二极管的作用是否相同？为什么？
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解：作用不同。全控整流电路电感性负载时，其输出电压波形出现负值，使输出电压平均值降低，因此，负载两端接上续流二极管后，输出电压波形中不再有负值，可以提高输出平均电压，以满足负载的需要。
半控桥电路电感性负载时，由于本身的自然续流作用，即使不接续流二极管，其输出电压波形也不会出现负值。但是一旦触发脉冲丢失，会使晶闸管失控。因此仍要再负载两端街上续流二极管，防止失控。
27．某一电阻负载，要求0～100V连续可调，30 V以上时要求负载电流能达到20A，采用单相桥式半控整流电路，如果由220V交流电直接供电，试计算晶闸管导通角、电流平均值和有效值，交流侧电路有效值和对电源容量的要求。如果经降压变压器供电，考虑最小控制角?min?30?，计算变压器一次、二次电压；一次、二次电流有效值以及变压器容量，并说明如以??0?时选用整流变压器，将产生什么后果。
答案：α=116o，I2=38A，S=4500W，KP50-4
28．单相半控桥电路，对恒温电炉供电。已知电炉的电阻为34Ω，直接由220V交流电网输入，试选择晶闸管的型号，并计算电炉的功率。
答案：KP5-7 P=1.42Kw
29．单相桥半控整流电路，对直流电动机供电，加有电感量足够大的平波电抗器和续流二极管，变压器二次侧电压220V，若控制角??60?，且此时负载电流Id?30A，计算晶闸管、整流二极管和续流二极管的电流平均值及有效值，以及变压器的二次侧电流I2、容量S。
解：由于平波电抗器的电感量足够大，所以可视为大电感负载，整流输出电流的波形为以水平直线。
当??60?时，晶闸管的平均电流为
IdT????180??60?Id??30?10A 2?360?IdD?IdT?10A
整流二极管的电流平均值与晶闸管的电流平均值相等
晶闸管电流有效值为
IT????180??60?Id??30A?17.3A 2?360?13
整流二极管和晶闸管的电流有效值为
ID?IT?17.3A
续流二极管的电流平均值为
IdVD?IVD?变压器的二次侧电流为
?60?Id??30?10A ?180??60?Id??30?17.3A ?180?I2?电源容量为
???180??60?Id??30A?24.5A ?180?S?I2U2?24.5?220?5390W
30．单相交流调压电路，负载阻抗角为30°，问控制角α的有效移相范围有多大？ 答：30°~180°
31．单相交流调压主电路中，对于电阻－电感负载，为什么晶闸管的触发脉冲要用宽脉冲或脉冲列？
答：对于交流调压电路电感性负载，由于电感的作用，在电源电压由正向负过零时，负载中电流要滞后一定?角度才能到零，即管子要继续导通到电源电压的负半周才能关断。晶闸管的导通角θ不仅与控制角?有关，而且与负载的功率因数角?有关。控制角越小则导通角越大，负载的功率因数角?越大，表明负载感抗大，自感电动势使电流过零的时间越长，因而导通角θ越大。
下面分三种情况加以讨论。 （1）?>?
由图1-62可见，当?>?时，θ<180°，即正负半周电流断续，且?越大，θ越小。可见，?在?~180°范围内，交流电压连续可调，电流电压波形如图1-62(a)所示。 （2）?＝?
由图1-62可知，当?＝?时，θ=180°，即正负半周电流临界连续。相当于晶闸管失去控制，电流电压波形如图1-62(b)所示。
（3）?＜?
此种情况若开始给VT1管以触发脉冲，VT1管导通，而且θ>180°。如果触发脉冲为
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窄脉冲，当ug2出现时，VT1管的电流还未到零，VT1管关不断，VT2管不能导通。当VT1管电流到零关断时，ug2脉冲已消失，此时VT2管虽已受正压，但也无法导通。到第三个半波时，ug1 又触发VT1导通。这样负载电流只有正半波部分，出现很大直流分量，电路不能正常工作。因而电感性负载时，晶闸管不能用窄脉冲触发，可采用宽脉冲或脉冲列触发。
32．一台220V/10kW的电炉，采用单相交流调压电路，现使其工作在功率为5kW的电路中，试求电路的控制角α、工作电流以及电源侧功率因数。
解：电炉是电阻性负载。220V、10kW的电炉其电流有效值应为I?要求输出功率减半，即I2值减小1/2，故工作电流应为I?10000?45.5A 22045.52?32.1A
输出功率减半，即U值减小1/2，则α=90° 功率因数cosφ=00.707
33．单相交流调压电路如图，U2＝220V，L=5.516mH，R＝1Ω，试求： 1） 控制角α的移相范围。 2） 负载电流最大有效值。 3） 最大输出功率和功率因数。
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习题34图
解：1）单相交流调压电感性负载时，控制角α的移相范围是?~?
??arctan?LR?arctan2??50?5.516?60?
1所以控制角α的移相范围是60°~π。
2）因α=?时，电流为连续状态，此时负载电流最大。
I?
3）最大功率
U2220V??110A
2Z1?（1.732) 15
P?U2Icos??U2Icos??(220?110?cos60?)W?12.1kW
cos??cos??cos60??0.5
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模块二 三相可控整流电源
1、 简述锯齿波同步触发电路的基本组成。
答：锯齿波同步触发电路由同步环节、锯齿波形成及脉冲移相环节、脉冲形成放大和输出环节、双脉冲形成环节和强触发环节组成。
2、 锯齿波同步触发电路中如何实现触发脉冲与主回路电源的同步？
答：根据触发电路的同步电压us与对应晶闸管阳极电压uu之间的相位关系、整流变压器的解法，确定同步变压器的解法来实现。
3、 锯齿波触发电路中如何改变触发脉冲产生的时刻，达到移相的目的？
答：改变控制电压Uc就可以改变ub4的波形与横坐标(时间)的交点，也就改变了V4转为导通的时刻，即改变了触发脉冲产生的时刻，达到移相的目的。
4、 锯齿波触发电路中输出脉冲的宽度由什么来决定？ 答：脉冲宽度由C3反向充电的时间常数(τ3=C3R14)来决定 5、 试述锯齿波触发电路中强触发环节的工作原理。
答：变压器二次侧30V电压经桥式整流，电容和电阻π形滤波，得到近似50V的直流电压，当V8导通时，C6经过脉冲变压器、R17（C5）、V8迅速放电，由于放电回路电阻较小，电容C6两端电压衰减很快，N点电位迅速下降。当N点电位稍低于15 V时，二极管VD10由截止变为导通，这时虽然50 V电源电压较高，但它向V8提供较大电流时，在R19上的压降较大，使R19的左端不可能超过15 V，因此N点电位被钳制在15V。当V8由导通变为截止时，50V电源又通过R19向C6充电，使N点电位再次升到50V，为下一次强触发做准备。
6、 试说明集成触发电路的优点。
答：体积小、温漂小、功耗低、性能稳定、工作可靠。 7、 KC04移相触发器包括哪些基本环节？
答：KC04移相触发器由同步、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成及放大输出等环节组成。
8、 西门子TCA785集成触发电路的内部主要包括哪几部分？
答：主要由“同步寄存器”、“基准电源”、“锯齿波形成电路”、“移相电压”和“锯齿波比较电路”和“逻辑控制功率放大”等功能块组成。
9、 说明以8031单片机组成的三相桥式全控整流电路的触发系统工作原理。
答：8031单片机内部有两个16位可编程定时器／计数器T0、T1，将其设置为定时器
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方式1，则16位对机器周期进行计数。首先将初值装入TL(低8位)及TH(高8位)，启动定时器，即开始从初值加1计数，当计数值溢出时，向CPU发出中断申请，CPU响应后执行相应的中断程序。在中断程序中，让单片机发出触发信号，因此改变计数器的初值，就可改变定时长短。
10、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：当触发脉冲宽度分别为10°，如图所示，当触发脉冲ug1触发U相晶闸管，则U相晶闸管导通。当ug2触发V相晶闸管时，这时U相电压高于V相电压，所以V相晶闸管不导通，U相晶闸管继续导通。过了自然换相点后，尽管V相电压高于U相电压，但V相晶闸管的触发脉冲已消失，所以V相晶闸管仍不导通。U相晶闸管导通到过零点关断。这样下去，接着导通的是W相晶闸管。由此可以看出，由于晶闸管间隔导通而出现了输出波形相序混乱现象，这是不允许的。
11、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。
解：Ud=1.17U2cosα=182V Id=Ud/Rd=182/10=18.2A IdT=1/3 *Id=6.1A IT=0.577Id=10.5A
12、在图题12图所示电路中，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。
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题12图
解：（1）熔断器1FU熔断时输出电压波形如图b所示，凡与U相有关的线电压均不导通。
（2）熔断器2FU熔断时输出电压波形如图c所示，V字头线电压不导通。
（3）熔断器2FU、3FU熔断时输出电压波形如图d所示，凡VW字头线电压均不导通。
13、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
?IT?1.57?IdT?62.8A (K=1.57)
f
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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=1.17U2 U2=Ud/1.17
0o????30?时
IT?U2Rd12?3(?cos2?)2?32
?
Id1.1712?3(?)?23.5A2?32
14、三相全控桥式整流电路带大电感负载，负载电阻Rd=4Ω，要求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
?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
Id?Ud220V??55ARd4?
又因为
所以IdT=18.33A，取2倍的裕量IdTmax=36.67(A) 选择KP50—5的晶闸管。
15、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：不行。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
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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。
16、有源逆变的工作原理是什么？实现有源逆变的条件是什么？变流装置有源逆变工作时，其直流侧为什么能出现负的直流电压？
答：实现有源逆变的条件：
（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Ud<0。
在可控整流时，电流 I d 只能由直流电压 U d 产生， u d 的波形必须正面积大于负面积，才能使平均电压 U d 大于 0 ，产生 I d 。现在的情况与整流不同，在变流器直流侧存在与 I d 同方向的电势 E ，当控制角α增大到大于 90 度时，尽管晶闸管的阳极电位处于交流电压大部分为负半周的时刻，但由于 E 的作用，晶闸管仍能承受正压而导通。因此，只有 E 在数值上大于 U d ，变流器在触发脉冲作用下，晶闸管仍能轮流导通 180 度，维持 I d 流通。 u d 波形由于负面积大于正面积，平均电压 U d 小于 0
17、单相半控桥能否实现有源逆变？ 答：不能。
18、设单相桥式整流电路有源逆变电路的逆变角为??60?，试画出输出电压ud的波形图。
答：见教材
19、导致逆变失败的原因是什么？有源逆变最小逆变角受哪些因素限制？最小逆变角一般取为多少？
答：逆变失败的原因主要有：
(1)触发电路工作不可靠例如脉冲丢失、脉冲延迟等。
(2)晶闸管本身性能不好在应该阻断期间晶闸管失去阻断能力，或在应该导通时而不能导通。
(3)交流电源故障例如突然断电、缺相或电压过低。
(4)换相的裕量角过小主要是对换相重叠角y估计不足，使换相的裕量时间小于晶闸管的关断时间。
逆变状态允许采用的最小逆变角应为 βmin=δ+y+θ′
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式中，δ为晶闸管关断时间￡。折合的角度，约为4°～5°；y为换相重叠角，它与负载电流，IL和变压器漏抗成正比，约为15°～20°；θ′为安全裕量角，考虑脉冲不对称，一般取10°。
综上所述，得出βmin=30°～35°。 20、试举例说明有源逆变有哪些应用？
答： (1)直流可逆电力传动系统 ，多用于可逆轧机、矿井提升机、电梯、龙门刨床等。电动机正转时由Ⅰ组桥供电、反转时由Ⅱ组桥供电，因而两组桥输出直流电压反极性并联，故习惯上称之为反并联可逆线路。
(2)绕线转子异步电动机串级调速
(3)高压直流输电。高压直流输电是利用升压变压器将交流电升压后，通过晶闸管整流电路变成直流电，经过远距离传送，再利用三相全控桥电路将直流电转换成交流电，经降压变压器降压，供负载使用。
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模块三 开关电源
1、在DC/DC变换电路中所使用的元器件有哪几种，有何特殊要求？
答：在DC/DC变换电路中，经常使用的有大功率晶体管GTR、场效应晶体管MOSFET和绝缘门极晶体管IGBT，在小功率开关电源上大多使用大功率晶体管GTR和场效应晶体管MOSFET。
2、大功率晶体管GTR的基本特性是什么？ 答：静态特性和动态特性。
3、大功率晶体管GTR有哪些主要参数？
答：GTR除了电流放大倍数、直流电流增益、集电极于发射极间漏电流和发射极间的饱和压降、开通时间和关断时间外，主要参数还包括最高工作电压、最大工作电流、最大耗散功率和最高工作结温等。
4、什么是GTR的二次击穿？有什么后果？
答：二次击穿是指器件发生一次击穿后，集电极电流急剧增加，在某电压电流点将产生向低阻抗高速移动的负阻现象。一旦发生二次击穿就会使器件受到永久性损坏。
5、可能导致GTR二次击穿的因素有哪些？可采取什么措施加以防范？ 答：产生二次击穿的原因主要是管内结面不均匀、晶格缺陷等。
防止二次击穿的办法是：①应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多。②必须有电压电流缓冲保护措施。
6、说明功率场效应晶体管（功率MOSFET）的开通和关断原理及其优缺点。 功率场效应晶体管（功率MOSFET）的开通和关断原理：
导通：在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子-电子吸引到栅极下面的P区表面。 当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。
截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。
优点：工作频率高（可达100kHz以上），属电压控制型器件，所需驱动功率小。 缺点：通态压降大，开通损耗相应较大、容量小。
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7、功率MOSFET有哪些主要参数？
答：功率MOSFET的主要参数有：跨导、开启电压、开通时间、关断时间、漏极电压、栅源电压、漏极最大允许电流IDM、极间电容、电压上升率等。
8、使用功率MOSFET时要注意哪些保护措施？ 答：见教材。
9、试述直流斩波电路的主要应用领域。
答：斩波电路主要应用于电力牵引。如：地铁、电力机车、无轨电车、电瓶搬运车等直流电动机的无极调速上。
10、简述教材图3-30（a）所示的降压斩波电路的工作原理。 答：见教材。
11、教材图3-30（a）所示的斩波电路中，U=220V，R=10Ω，L、C足够大，当要求U0=40V时，占空比k=？
解：k=40/220=0.19
12、简述图3-31（a ）所示升压斩波电路的基本工作原理。 答：见教材
13、在图3-31（a ）所示升压斩波电路中，已知U=50V，R=20Ω，L、C足够大，采用脉宽控制方式，当T=40μs，ton=25μs时，计算输出电压平均值Uo和输出电流平均值Io。
解：U0=133.3V；I0=6.67A
14、试分析正激电路和反激电路中的开关和整流二极管在工作时承受的最大电压、最大电流和平均电流。
答：见教材。
15、试分析全桥、半桥和推挽电路中的开关和整流二极管在工作时承受的最大电压、最大电流和平均电流。
答：见教材。
16、试比较几种隔离型DC/DC电路的优缺点。
答：单端正激型DC—DC电路的优缺点：可方便地实现直流输入和直流输出端之间的隔离、电压调整率好、带负载能力强、输出电压中的纹波小、能方便地实现多路输出、对功率晶体管存储时间的一致性要求不高、但利用率和效率都低。
单端反激型DC—DC电路的优缺点：开环情况下，不允许不接负载，否则有击穿功率管的危险；功率晶体管截止期间承受的反压比较高；可方便实现交流电网和DC/DC变换器
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输出端之间的隔离；能方便地实现多路输出)保持占空比q在最佳范围内的情况下，可通过改变高频变压器的一、二次绕组的匝比n，使电源满足稳压范围要求。
推挽型DC—DC电路的优缺点：输出功率比较大；驱动电路简单；会因磁心饱和出现集电极电流尖峰而导致晶体管损坏；高频变压器的利用率低；对功率晶体管的耐压要求高。
半桥DC—DC电路的优缺点：高频变压器利用率高；截止晶体管集一射极间承受的电压低 ；抗不平衡能力强；输出脉冲顶部倾斜；输出功率较小。
17、已知如图所示的DC/DC变换电路，如要求输出电压为24V，负载电阻为R＝0.4Ω，晶闸管和二极管通态压降分别1.2V和1V，占空比为0.5，匝数比N2/N1=0.5，求：
1） 平均输入电流Ii。
2） 流过开关管的平均电流、峰值电流、有效值电流。 3） 开关管承受的峰值电压。 解： 1）IO?UO24??60A R0.4Ii?N2I2?0.5I2?30A N12）晶闸管平均电流为:IdT?峰值电流为：30A 3）电流有效值为：IT?1Ii?15A 21Ii?21.2A 218、什么是硬开关？什么是软开关？二者的主要差别是什么？
答：硬开关在开关转换过程中，由于电压、电流均不为零，出现了电压、电流的重叠，导致开关转换损耗的产生；同时由于电压和电流的变化过快，也会使波形出现明显的过冲产生开关噪声。具有这样的开关过程的开关被称为硬开关。
如果在原有硬开关电路的基础上增加一个很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助网络，在开关过程前后引入谐振过程，使开关开通前电压先降为零，具有这样开关过程的开关称为软开关。
硬开关的开关转换损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降，最终阻碍开关频率的进一步提高。软开关可以消除开程中电压、电流重叠的现象，降低、甚至消除开关损耗和开关噪声。
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模块四 中频感应加热电源
1、感应加热的基本原理是什么？加热效果与电源频率大小有什么关系？
答：感应加热原理为产生交变的电流，从而产生交变的磁场，再利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。
感应器的热效率与感应器中选用隔热层时所决定的热损有关。又因频率越高，直接加热层就越浅，要使工件表面和芯部获得接近的温度只能靠长时间的传导，但传热时间过长，热量在周围介质中损失就过多，以致热效率降低，而且达不到快速透热的效果。
频率太高会使工件加热不均匀。这时直接加热层太浅，工件外表面温度很高，甚至已开始熔化，而内部尚未达到所需温度。减少每个工件的加热功率，并延长每个工件的加热时间可以解决这个问题，即可以加长感应器的线圈，让感应器中的工件多一点，若总功率及送料速度不变，则每个工件所获得的功率将减小，而加热时间加长，这样，直接加热层的热量来得及传到工件内部去，工件的温度就可均匀，而总效率仍不变。
2、中频感应加热炉的直流电源的获得为什么要用可控整流电路？ 答：可以通过可控整流电路的移相调压来实现功率调节。 3、试简述平波电抗器的作用？
答：平波电抗器在电路中起的作用有：（1）续流：保证逆变器可靠工作。（2）平波：使整流电路得到的直流电流比较平滑。（3）电气隔离：它连接在整流和逆变电路之间起到隔离作用。（4）限制电路电流的上升率di/dt值：逆变失败时，保护晶闸管。
4、中频感应加热与普通的加热装置比较有哪些优点？中频感应加热能否用来加热绝缘材料构成的工件？
答：中频感应加热的优点：（1）非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触。
（2）加热效率高，速度快，可以减小表面氧化现象。 （3）容易控制温度，提高加工
精度。（4）可实现局部加热。（5）可实现自动化控制。（6）可减小占地，热辐射，噪声和灰尘。
感应加热时利用涡流在金属中造成很强的热效应，使金属材料发热。所以中频感应加热不能用来加热绝缘材料构成的工件。
5、中频感应加热电源主要应用在哪些场合？
答：感应加热的最大特点是将工件直接加热，工人劳动条件好、工件加热速度快、温度容易控制等，因此应用非常广泛。主要用于淬火、透热、熔炼、各种热处理等方面。
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6、感应加热装置中，整流电路和逆变电路对触发电路的要求有何不同？
答：逆变触发电路必须满足：①输出电压过零之前发出触发脉冲，超前时间tδ=φ/ω。 ②在感应炉中，感应线圈的等效电感L和电阻R随加热时间而变化，震荡回路的谐振频率f0也是变化的，为了保证工作过程中，f＞ f0且f ≈f0。要求触发脉冲的频率随之自动改变。要求频率自动跟踪。③为了触发可靠，输出的脉冲前沿要陡，有一定的幅值和宽度。④必须有较强的抗干扰能力。
7、逆变电路常用的换流方式有哪几种？ 答：常用的电力变流器的换流方式有以下几种：
（1）负载谐振换流 由负载谐振电路产生一个电压，在换流时关断已经导通的晶闸管，一般有串联和并联谐振逆变电路，或两者共同组成的串并联谐振逆变电路。
（2）强迫换流 附加换流电路，在换流时产生一个反向电压关断晶闸管。 （3）器件换流 利用全控型器件的自关断能力进行换流。
8、单相并联谐振逆变电路的并联电容有什么作用？电容补偿为什么要过补偿一点？ 答：单相并联谐振逆变电路的并联电容的作用：与感性负载构成并联谐振，为负载提供无功功率，提高装置的功率因数；自然换流及可靠关断晶闸管。
C值要过补偿一些，这样才能使等效负载呈容性，电流就会超前电压一定角度，达到自然换流及可靠关断晶闸管的目的。
9、单相并联谐振逆变电路中，为什么必须有足够长的引前触发时间tf。
答：为了可靠关断晶闸管，不导致逆变失败，晶闸管需要一段时间才能恢复阻断能力，换流结束以后，还要让VT1、VT4承受一段时间的反向电压。这个时间应该大于晶闸管的关断时间tq。为了保证可靠换流。应该在电压uo过零前触发VT2、VT3。这个时间称为触发引前时间。
10、单相串联谐振逆变电路利用负载进行换相，为保证换相应满足什么条件？ 答：为保证换相，应满足：晶闸管反压时间大于晶闸管关断时间tq。 11、 试简述中频感应加热装置的调试步骤和方法。调试过程中注意事项。 答：见教材。
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模块五 变频器
1、请查资料，列举5种不同厂家的变频器。 答：西门子、三菱、森兰、惠丰、富士、台达等。
2、观察日常生活中使用变频器的场合，列举一个例子，简述其原理。 答：变频调速恒压供水系统。
工作原理：设备投入运行前，首先应设定设备的工作压力等相关运行参数，设备运行时，由压力传感器连续采集供水管网中的水压及水压变化率信号，并将其转换为电信号传送至变频控制系统，控制系统将反馈回来的信号与设定压力进行比较和运算，如果实际压力比设定压力低，则发出指令控制水泵加速运行，如果实际压力比设定压力高，则控制水泵减速运行，当达到设定压力时，水泵就维持在该运行频率上。如果变频水泵达到了额定转速（频率），经过一定时间的判断后，如果管网压力仍低于设定压力，则控制系统会将该水泵切换至工频运行，并变频启动下一台水泵，直至管网压力达到设定压力；反之，如果系统用水量减少，则系统指令水泵减速运行，当降低到水泵的有效转速后，则正在运行的水泵中最先启动的水泵停止运行，即减少水泵的运行台数，直至管网压力恒定在设定压力范围内。主泵停止工作，副泵进行供水也为变频恒压供水方式，进一步提高了工作效率，节约了能源。
3、变频调速在电动机运行方面的优势主要体现在哪些方面？ 答：变频调速在电动机运行方面的优势主要体现在：
变频调速很容易实现电动机的正、反转。只需要改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。
变频调速系统起动大都是从低速开始，频率较低，加、减速时间可以任意设定，故加、减速间时比较平缓，起动电流较小，可以进行较高频率的起停。
变频调速系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能量消耗在制动电阻上，也可回馈给供电电网，但回馈给电网需增加专用附件，投资较大。除此之外，变频器还具有直流制动功能，需要制动时，变频器给电动机加上一个直流电压，进行制动，则无需另加制动控制电路。
4、变频器有哪些种类？其中电压型变频器和电流型变频器的主要区别在哪里？ 答：按能量变换情况，可将变频器分成两大类：交-交变频器和交-直-交变频器。交-直-交变频器又有电压型变频器和电流型变频器。
电压型变频器和电流型变频器的主要区别
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特点名称 储能元件 输出波形的特点 回路构成上的特点 电容器 电压型变频器 电抗器 电流型变频器 电压波形为矩形波 电流波形近似正弦波 有反馈二极管 直流电源并联大容量 电容（低阻抗电压源） 电流波形为矩形波 电压波形为近似正弦波 无反馈二极管 直流电源串联大电感 （高阻抗电流源） 电动机四象限运转需要再生用变流器 电动机四象限运转容易 特性上的特点 适用范围 负载短路时产生过电流 开环电动机也可能稳定运转 适用于作为多台电机同步运行时的供电电源但不要求快速加减的场合 负载短路时能抑制过电流 电动机运转不稳定需要反馈控制 适用于一台变频器给一台电机供电的单电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求 5、交-直-交变频器主要由哪几部分组成，试简述各部分的作用。 答：交-直-交变频器主要由主电路、控制电路和保护电路组成。
主电路包括整流电路、逆变电路和中间环节。其中：整流电路的作用是将外部的工频交流电源转换为直流电，给逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。中间环节的作用是对整流电路的输出进行平滑滤波，以保证逆变电路和控制电路能够获得质量较高的直流电源。逆变电路的作用是将中间环节输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。
控制电路包括主控制电路、信号检测电路、驱动电路、外部接口电路以及保护电路。 控制电路的主要功能是将接受的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据驱动要求为变频器主电路提供必要的驱动信号，并对变频器以及异步电动机提供必要的保护、输出计算结果。
保护电路作用是：接受从电压、电流采样电路以及其他传感器输入的信号，结合功能中预置的限值，进行比较和判断，若出现故障，停止发出SPWM信号，使变频器中止输出；输出报警信号；向显示器输出故障信号。
6、简述绝缘门极晶体管IGBT结构及工作原理。 答：见教材。
7、对IGBT的栅极驱动电路有哪些要求？IGBT的专用驱动电路有哪些？试列举3种。
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答：见教材。
8、IGBT的缓冲电路有哪些，试详细分析某一种电路的工作原理。 答：见教材。
9、IGBT管与GTR管相比，主要有哪些优缺点？
答： IGBT管允许的开关频率比GTR高一个数量级（GTR的最高开关频率只有2kHz，而IGBT可达20kHz）。IGBT控制极的功耗要比GTR的基极功耗小得多。
10、IGBT管主要参数有哪些？ 答：见教材。
11、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。
12、PWM逆变电路有何优点？
答：用不控整流，输入功率因数高；用（PWM）逆变，输出谐波可以减小。 13、单极性和双极性PWM有什么区别？
答： 单极性PWM逆变器是指逆变器输出的半个周期中，被调制成的脉冲输出电压只有一种极性，正半周为+Ud和零，负半周为-Ud和零。
双极性PWM逆变器是指逆变器输出的每半个周期都被调制成在±Ud之间变化的等幅不等宽脉冲列。
14、什么叫异步调制？什么叫同步调制？两者各有什么特点？
答：载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。在异步调制方式中，通
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常保持载波频率fc 固定不变，因而当信号波频率fr变化时，载波比N是变化的。
异步调制的主要特点是： 在信号波的半个周期内，PWM 波的脉冲个数不固定，相位
也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。这样，当信号波频率较低时，载波比N较大，一周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4 周期脉冲不对称产生的不利影响都较小，PWM 波形接近正弦波。而当信号波频率增高时，载波比N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大，有时信号波的微小变化还会产生PWM 脉冲的跳动。这就使得输出PWM波和正弦波的差异变大。对于三相PWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。
载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。 同步调制的主要特点是：在同步调制方式中，信号波频率变化时载波比N不变，信号波
一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的载波频率fc也很低。fc过低时由调制带来的谐波不易滤除。当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声。当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc会过高，使开关器件难以承受。
此外，同步调制方式比异步调制方式复杂一些。
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