第一章 电力电子器件
一、本章主要内容及重点与难点
【主要内容】
本章主要讨论电力电子器件的分类以及典型电力电子器件的结构、电气符号、工作原理、基本特性与主要参数。在学习过程中，主要应掌握以下内容：
1．电力电子器件的概念与特征； 2. 电力电子器件的分类；
3. 电力二极管的工作原理、基本特性与主要参数； 4. 晶闸管（SCR）的工作原理、基本特性与主要参数；
5. 几种典型全控型电力电子器件（GTO；GTR；PowerMOSFET；IGBT）的工作原理、基本特性与主要参数；
6. 上述全控型电力电子器件的性能比较。 【重点与难点】
本章重点在于半控型器件——晶闸管，要重点掌握晶闸管的的结构、电气符号、开关规律、静态特性以及主要参数。（重点应该再加上MOS和IGBT，因为这2种器件应用应用很广很重要。）
本章难点在于晶闸管额定电流、额定电压的定义以及实际使用中如何选择晶闸管的参数。
二、典型习题解析
例1-1 下列对晶闸管特性的叙述中，正确的是（ ）。
A 晶闸管属于电流驱动双极型器件 C 晶闸管触发导通后，门极就失去了控制作用 B 晶闸管具有单向导电性 D 晶闸管的擎住电流大于维持电流 【答案】A、B、C、D
【解析】本题主要考察对晶闸管特性的熟悉程度，四个选项的描述均正确。A选项考察晶闸
管的分类；B选项考察半导体器件的特点；C选项考察晶闸管的开关特性；D选项考察晶闸管的主要参数
例1-2 双向晶闸管的额定电流是以（ ）定义的；GTO的额定电流是以（ ）定义的。 A 平均值 B 有效值 C 最大值 D 瞬时值 【答案】B，C
【解析】本题主要考察双向晶闸管与GTO额定电流的定义，双向晶闸管的正向伏安特性与
反向伏安特性相同，用于交流电路中，其额定电流是以有效值定义的。GTO的阳极电流如过大，可能会出现无法由门极控制关断的情况，因此其额定电流是以最大可关断阳极电流定义的。
例1-3 下列电力电子器件中，存在电导调制效应的是（ ）。
A GTO B GTR C PowerMOSFET D IGBT 【答案】A、B、D
【解析】本题主要考察对电导调制效应的理解，电导调制效应仅在双极型器件中起作用，单
极型器件仅有一种载流子参与导电，因此不存在电导调制效应。题目中所列选项仅
PowerMOSFET为单极型器件，故为排除项。
例1-4 下列电力电子器件中，电流容量最大的是（ ）；开关频率最高的是（ ）。 A GTO B GTR C PowerMOSFET D IGBT 【答案】A，C
【解析】本题主要考察全控型电力电子器件的特点，GTO导通时饱和程度较深，适用于高
压大容量场合，PowerMOSFET属于单极型器件，没有少子的存储效应，因此开关速度较快，适用于高频电路。
例1-5 下列电力电子器件中，（ ）的驱动功率较小。 A SCR B GTO C GTR D IGBT 【答案】D 【解析】本题主要考察对电压型驱动电路与电流型驱动电路的区别，电压型驱动电路的输入
阻抗高，要求的驱动功率小，驱动电路简单，上述器件中仅有IGBT为电压驱动型器件。
例1-6 晶闸管刚由断态转入通态并且去掉门极信号，仍能维持其导通所需的最小阳极电流，
称为（ ）。
A. 维持电流 B. 擎住电流
C. 浪涌电流
D. 额定电流
【答案】A
【解析】本题主要考察晶闸管维持电流的定义，晶闸管触发导通后，维持其导通所必须的最
小电流为维持电流。
例1-7 由于二次击穿现象对GTR的危害极大，因此规定了GTR的安全工作区，此安全工
作区由（ ）曲线组成。 A. 2条 B. 3条
C. 4条
D. 5条
【答案】C 【解析】本题主要考察GTR安全工作区的限制条件，GTR的安全工作区由集电极最大电流、
最高工作电压、最大耗散功率与二次击穿临界线四条曲线限制。
例1-8下列电气符号中，GTO的电气符号是（ ）。
A. B C. D.
【答案】A
【解析】本题主要考察对电气符号的认识，A为GTO，B为逆导晶闸管，C为双向晶闸管，
D为晶闸管。
例1-9图1-1所示电路，一只晶闸管与灯泡串联，加上直流电压U，开关S闭合前灯泡亮不亮？ ，原因是 ；开关S闭合后灯泡亮不亮？ ，原因是 ；开关S闭合一段时间后再打开，断开开关后灯泡亮不亮？ ，原因是 。
SEU
图1-1
【答案】不亮；没有门极触发脉冲，晶闸管处于断态；亮；晶闸管承受正向电压且门极有触
发脉冲，导通；亮；晶闸管导通后门极即失去控制作用。
【解析】本题主要考察对晶闸管开关规律的理解。晶闸管导通必须同时具备两个条件，一是
正向阳极电压，二是具有门极触发脉冲；一旦晶闸管导通后，内部正反馈过程形成，门极就失去了控制作用。
例1-10 图1-2所示电路，U1=100V，R=1Ω，触发角α=0°，考虑两倍安全裕量，选择合适的晶闸管。
~ U1R
图1-2
【答案】晶闸管的额定电压UT=282V，可选择300V的器件 晶闸管的额定电流IT=90A，可选择100A的器件 【解析】本题考查对晶闸管额定电流与额定电压的定义以及如何选择晶闸管的额定参数。晶
闸管的额定电压一般选择器件所承受的最高正、反向电压中的较大值，本题中晶闸
管承受的最高正、反反向电压均为2U1?2?100V?141V，考虑两倍安全裕量，UVT=282V，可选择300V的器件；晶闸管的额定电流是按正弦半波电流的平均值定义的，选择器件则按照有效值相等的原则，由于α=0°，流过晶闸管的电流波形为正弦半波，因此晶闸管的额定电流IT?量，IT=90A，可选择100A的器件。
三、课后习题解答
1. 晶闸管正常导通的条件是什么，导通后流过的电流由什么决定？晶闸管关断的条件是什么，如何实现？
答：晶闸管正常导通的条件是：
1）晶闸管承受正向阳极电压（UAK>0）；
2）在门极施加触发电流（UGK>0，这里还得加上IG>0，电流驱动器件，光写有电压不严谨）。
晶闸管关断的条件是：流过晶闸管的电流降低到维持电流以下（IA 要使晶闸管由导通转为关断，可利用外加反向电压或由外电路作用使流过晶闸管的电流降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。 2. 有时晶闸管触发导通后，触发脉冲结束后它又关断了，是何原因？ 答：这是由于触发脉冲宽度不够或电路中电感较大（尤其是在阻感负载情况下），晶闸管的 0.45U10.45?100考虑两倍安全裕??45A， R1阳极电流IA没有达到晶闸管的擎住电流（IL）就去掉了触发脉冲，此时，晶闸管将自动返回阻断状态。因此，在具体电路中，由于阳极电流上升到擎住电流需要一定的时间（主要由外电路结构决定），所以门极触发信号需要保证一定的宽度。 3. 图1-3中的阴影部分表示流过晶闸管的电流波形，其最大值均为Im，试计算各波形的电流平均值、有效值。如不考虑安全裕量，额定电流100A的晶闸管，流过上述电流波形时，允许流过的电流平均值Id各为多少？ i0i0i0?/4?(e)?/3?4?/3(c)2?7?/3?(a)i2??t0i?(b)2??t?t0i?/3?(d)2?7?/3?t2?9?/4?t0?/4?5?/4(f)2?9?/4?t 图1-3 解：（a）Ida?12???0Imsin(?t)d(?t)??2I12Im?m?0.3183Im 2??Im22?1 Ia?2??0(Imsin?t)d(?t)???0I1(1?cos2?t)d(?t)?m 22额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则Im?2?157?314(A)； 平均值为：Ida?（b）Idb?1Im??100A。 2Im?0.6366Im Im2????0Imsin(?t)d(?t)???Ib?1??0(Imsin?t)d(?t)?2??0I1(1?cos2?t)d(?t)?m 22?51(2)?额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则Im?27A； 平均值为：Idb?0.6366Im?141.33(A)。 （c）Idc?1???3?Imsin(?t)d(?t)??33Im?0.4775Im 2?Im2Ic?1???(Imsin?t)d(?t)?2???3?11?3(1?cos2?t)d(?t)?Im(?)?0.6342Im 2?38额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则Im?平均值为：Idc?0.4775Im?118.21(A)。 （d）Idd?12?157 ?247.56(A)； 0.6342??I3?msin(?t)d(?t)?3I13Im?m?0.2387Im 2?24?Id?12???3?(Imsin?t)d(?t)?2Im22???3?1(1?cos2?t)d(?t)?21?3(?)?0.4485Im 2?38额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则Im?平均值为：Idd?0.2387Im?83.56(A)。 1（e）Ide?2??157 ?350.06(A)； 0.4485?40Imd(?t)??1?Im?0.125Im 2?41Ie?2??40Im2d(?t)?0.3536Im 额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则Im?平均值为：Ide?0.125Im?55.5(A)。 （f）Idf?If?157 ?444.00(A)； 0.35361???40Imd(?t)??401?Im?0.25Im ?4??1Im2d(?t)?0.5Im 额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则：Im?平均值为： Idf?0.25?314?78.5(A) 157 ?314(A)； 0.54、为什么晶闸管不能用门极负脉冲信号关断阳极电流，而GTO却可以？ 答：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α1和α2，由普通晶闸管得分析可得，α1＋α2＝1是器件临界导通的条件。α1＋α2>1两个晶体管饱和导通；α1＋α2<1不能维持饱和导通而关断。 GTO能关断，而普通晶闸管不能是因为GTO在结构和工艺上有以下几点不同： 1） 多元集成结构使每个GTO元的阴极面积很小，门极和阴极的距离缩短，从而使从 门极抽出较大的电流成为可能。 2） GTO导通时α1＋α2更接近1，晶闸管α1＋α2>1.15，而GTO则为α1＋α2≈1.05，饱 和程度不深，在门极控制下易于退出饱和。 3） GTO在设计时，α2较大，晶体管V2控制灵敏，而α1很小，这样晶体管V1的集 电极电流不大，易于从门极将电流抽出，从而使GTO关断。 5、GTO与GTR同为电流控制器件，前者的触发信号与后者的驱动信号有哪些异同？ 答：1）GTO与GTR驱动信号的相同之处在于： GTO与GTR都是电流型驱动型器件，其开通和关断都要求有相应的触发脉冲，要求其触发电流脉冲的上升沿陡且实行强触发。 2）GTO与GTR驱动信号的区别在于： GTR要求在导通期间一直提供门极触发电流信号，而GTO当器件导通后可以去掉门极触发电流信号；GTO的电流增益（尤其是关断电流增益很小）小于GTR，无论是开通还是关断都要求触发电流有足够的幅值和陡度，其对触发电流信号（尤其是关断门极负脉冲电流信号）的要求比GTR高。 6、试比较GTR、GTO、MOSFET、IGBT之间的差异和各自的优缺点。 答： GTR、GTO、MOSFET、IGBT之间的差异及各自的优缺点如下表所示： 器 件 GTR 优 点 耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低 电压、电流容量很大，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，开关损耗小，工作频率高，门极输入阻抗高，热稳定性好，需要的驱动功率小，驱动电路简单，没有2次击穿问题 开关速度高，开关损耗小，通态压降低，电压、电流容量较高。门极输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单 缺 点 开关速度低，电流驱动型需要驱动功率大，驱动电路复杂，存在2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，驱动功率很大，驱动电路复杂，开关频率低 电流容量小，耐压低，通态损耗较大，一般适合于高频小功率场合 GTO MOSFET IGBT 开关速度不及电力MOSFET，电压、电流容量不及GTO。 四、补充习题 1．试说明什么是电导调制效应及其作用。 答：当PN结通过正向大电流时，大量空穴被注入基区（通常是N型材料），基区的空穴浓 度（少子）大幅度增加，这些载流子来不及和基区的电子中和就到达负极。为了维持基区半导体的电中性，基区的多子（电子）浓度也要相应大幅度增加。这就意味着，在大注入的条件下原始基片的电阻率实际上大大地下降了，也就是电导率大大增加了。这种现象被称为基区的电导调制效应。 电导调制效应使半导体器件的通态压降降低，通态损耗下降；但是会带来反向恢复问题，使关断时间延长，相应也增加了开关损耗。 2. 在图1-4所示电路中，若使用一次脉冲触发，试问为保证晶闸管充分导通，触发脉冲宽度至少要多宽？图中，E=50V；L=0.5H；R=0.5?; IL=50mA（擎住电流）。 UGSVTERLtiG t 图1-4 解：晶闸管可靠导通的条件是：必须保证当阳极电流上升到大于擎住电流之后才能撤掉触 发脉冲。当晶闸管导通时有下式成立： E?Ldi?Ri dtR?tE解之得： i?(1?eL) R可靠导通条件为： i?IL?0.05 0.5R?t?tE50L解得： 0.05?(1?e)?(1?e0.5) R0.5即 t?ln100?5e?4s 100?0.05 t?500us 3. 请画出VDMOS（或IGBT）管栅极电流波形，并说明电流峰值和栅极电阻有何关系以及栅极电阻的作用。 答：VDMOSFET和IGBT都是电压驱动型器件，由于存在门极电容，其门极电流的波形类 似于通过门极电阻向门极电容的充电过程，其峰值电流为Ip＝UGE/RG。栅极电阻的大小对器件的静态和动态开关特性有很大的影响：RG增加，则开通时间、关断时间、开 通损耗关断损耗增加； dUCE和位移电流减小；触发电路振荡抑止能力强，反之则作用dt相反。因此在损耗容许的条件下，RG可选大些以保证器件的安全，具体选择要根据实际电路选。典型的应用参数为：＋UGE＝15V，－UGE＝－(5~10)V，RG＝3～50欧。 UGStiGt 4. 限制功率MOSFET应用的主要原因是什么？实际使用时如何提高MOSFET的功率容量？ 答：限制功率MOSFET应用的主要原因是其电压、电流容量难以做大。因为MOSFET是单 极性器件，所以通态损耗较大，其通态电阻为RDSonU2.5（公式应该是正比于，用等?S号不合适）。高压大电流时，当额定电压比较高且电流大时，其通态电阻（对应损耗）达到令人难以接受的程度（目前的市场水平最大为IXYS公司的器件1200V/38A）。 实际使用时，由于MOSFET具有正的温度系数，可以方便地采用多管并联的方法来提高其功率容量。 第二章 相控整流电路 一、本章主要内容及重点与难点 【主要内容】 本章主要讨论各种相控整流电路的工作原理、波形分析及数值计算方法。在学习过程中，主要应掌握以下内容： 1. 单相桥式全控整流电路的工作原理、波形分析及数值计算； 2. 单相桥式半控整流电路的工作原理、波形分析及数值计算； 3. 三相半波可控整流电路的工作原理、波形分析及数值计算； 4. 三相桥式全控整流电路的工作原理、波形分析及数值计算； 5. 变压器漏感对整流电路的影响； 6. 有源逆变的概念、有源逆变产生的条件及逆变失败； 7. 电容滤波的不可控整流电路分析； 8. 整流电路的谐波与无功功率及其影响。 【重点与难点】 本章重点在于分析不同电路结构、不同负载形式下的相控整流电路的工作原理与波形，主要包括以下内容： 1. 理解“可控”的概念，在分析问题时充分考虑晶闸管的开关规律； 2. 注意负载性质不同对整流电路中晶闸管开关的影响，尤其是大电感的影响； 3. 不同电路结构、不同负载形式相控整流电路中晶闸管的移相范围、导通时间； 4. 负载电压、负载电流、晶闸管所承受的电压、、晶闸管电流、变压器二次侧电流波 形分析； 5. 有源逆变的概念及其实现的条件； 6. 如何分析有源逆变电路； 7. 变压器漏感的存在对整流电路和有源逆变电路的影响。 本章难点在于不同电路结构、不同负载形式相控整流电路的波形分析。 二、典型习题解析 例2-1 如图2-1所示的单相桥式半控整流电路中续流二极管VD的作用有（ ）。 A 减轻晶闸管的负担 C 防止出现失控现象 B 提高整流电压的平均值 D 起电压钳位作用 VT1VT2Tu2bi2idaudVDLRVD3VD4 图2-1 【答案】A、B、C 【解析】 本题主要考察对半控整流电路的认识，半控整流电路在正常工作时与全控整流电路相同，但是在阻感负载下，如果一只晶闸管的脉冲丢失，可能会造成一只晶闸管导通，两只二极管轮流导通的“失控”现象，这主要是由于二极管是不可控器件，不具备正向承压能力造成的。因此通常采用在负载两端反并联续流二极管的方法。同时，该续流二极管在电源 电压的负半周为负载电流提供了通路，既减轻了晶闸管的负担，又提高了输出负载电压的数值。 例2-2如图2-1所示的单相桥式半控整流电路，?L??R，触发角为α，负载电流为Id，流过晶闸管的电流有效值为（ ）。 A ???Id B 2??????????Id C Id D Id ?2??【答案】B 【解析】 本题主要考察单相桥式半控整流电路的工作情况，由于续流二极管VD的存在，在电源电压的负半周，负载电流经VD流通，而不再流经晶闸管，因此在电源电压的一个周期内，每只晶闸管导通时间为 ??????，因此流过晶闸管的电流有效值为Id。 ?? 例2-3 如图2-1所示的带续流二极管的单相桥式半控整流电路与单相桥式全控整流电路，同样是电阻性负载，设变压器二次侧电压为U2，则晶闸管承受的最高正向电压为（ ）。 A 222U2，U2 B U2，2U2 C 2222U2，2U2 D 22U2，2U2 【答案】C 【解析】 本题主要考察带续流二极管的单相桥式半控整流电路与单相桥式全控整流电路在电阻负载下晶闸管承受正向电压的区别，以uVT1为例，由于单相桥式半控整流电路中的二极管承受正向电压则导通，因此在电源电压的正半周，晶闸管VT1的触发脉冲到来之前（电阻性负载，VT2已关断），与二极管VD4串联的晶闸管VT1承受全部电源电压，其最大值为2U2；而单相桥式全控整流电路全部采用可控器件，注意晶闸管导通的两个条件，同样以uVT1为例，在电源电压的正半周，晶闸管VT1的触发脉冲到来之前，VT1~VT4四只晶闸管均阻断，因此VT1与VT4共同承担电源电压，即uVT1= u2/2，其最大值为 2U2。 2 例2-4单相桥式全控整流电路，阻感性负载，?L??R。设变压器二次侧电压为U2，则晶闸管承受的最高正、反向电压分别为（ ）。 A 222U2，U2 B U2，2U2 C 2222U2， 2U2 D 22U2，2U2 【答案】D 【解析】 本题主要考察单相桥式全控整流电路在阻感负载下的工作情况。由于?L??R，因此在任一瞬间总有一组晶闸管导通，而导通的晶闸管对未导通的晶闸管产生影响，即给未导通的晶闸管施加了反向电压。以uVT1为例，VT2导通时使得VT1承受电源电压u2，其最大值为2U2。这一点与电阻性负载情况有区别，要尤其注意。 例2-5单相桥式全控整流电路带电阻性负载与阻感性负载（?L??R）情况下，晶闸管触发角的移相范围分别为（ ）。 A 90?，90? B 90?，180? C 180?，90? D 180?，180? 【答案】C 【解析】 本题主要考察对晶闸管触发角移相范围的理解。移相范围是指使得输出电压在最大值与最小值之间变化的触发角的可调范围。单相桥式全控整流电路带电阻性负载，触发角为0°时输出电压为最大值，触发角为180°时输出电压为0，因此其移相范围为180°；单相桥式全控整流电路带阻感性负载，有于大电感的存在，输出电压的波形中出现负半周波形，其平均值降低，触发角为0°时输出电压为最大值，触发角为90°时输出电压为0，因此其移相范围为90°。 例2-6单相桥式全控整流电路，阻感反电势负载（?L??R），负载电压为Ud，反电势为E，则负载电流为（ ）。 UdU?EU?EU?E B d C d D 2 RRRR【答案】B 【解析】 本题主要考察单相桥式全控整流电路带阻感反电势负载的工作情况，由于 A ?L??R，因此当Ud?E时，电感即起续流作用，与阻感负载相比相当于电感续流的时间 提前了，该电路的波形分析与阻感负载相同，只是在计算负载电流时，要考虑反电势的存在，所以Id?Ud?E。 R 例2-7 下列电路中，存在变压器铁心直流磁化现象的有（ ）。 A 单相半波可控整流电路 C 单相桥式全控整流电路 B 单相桥式半控整流电路 D 单相全波可控整流电路 【答案】A 【解析】 本题主要考察对变压器铁心直流磁化现象的理解，变压器铁心中有直流成分时会导致铁心饱和成为变压器铁心直流磁化现象，为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，就会增加设备容量。上述选项中，单相半波可控整流电路的负载电流（直流分量）经过变压器二次绕组，存在变压器铁心直流磁化现象；其它三个电路中，变压器二次侧电流为正、负半周对称的交流分量，不存在直流分量，因此不存在变压器铁心直流磁化现象。 例2-8 三相半波可控整流电路与三相桥式全控整流电路，电阻性负载，晶闸管触发角的移相范围分别为（ ）。 A 90°，120° B 90°，150° C 120°，150° D 150°，120° 【答案】A 【解析】 本题主要考察对三相可控整流电路的认识，三相可控整流电路与单相可控整流电路不同，晶闸管触发角的起始位置（α=0°）位于自然换相点（以ua的过零点作为坐标原点，α=0°位于ωt=30°处，而单相可控整流电路的 α=0°位于ωt=0°处），这是三相可控整流电路中晶闸管能够导通的最早时刻，因此三相半波可控整流电路在电阻性负载情况下晶闸管的移相范围为150°；又由于三相桥式全控整流电路的负载电压为线电压，线电压的过零点超前相电压 30°，因此三相桥式全控整流电路在电阻性负载情况下晶闸管的移相范围为120°。 例2-9 三相半波可控整流电路，电阻性负载，晶闸管承受的最高正、反向电压分别为（ ）。 A 2U2，2U2 B 2U2，6U2 C 6U2，2U2 D 6U2，6U2 【答案】B 【解析】 本题主要考察对三相可控整流电路的分析，三相半波可控整流电路带中线，输出负载电压为相电压，晶闸管上承受的电压为线电压。当α≤30°负载电流连续时，三相的晶闸管轮流导通，每只晶闸管导通120°，晶闸管上承受的正向线电压小于变压器二次侧相电压（α=30°晶闸管上承受的正向线电压达到最大，此时u2L=1.225U2<2U2，U2为变压器二次侧相电压有效值）；当α>30°负载电流断续时，三相晶闸管均阻断，晶闸管上承受的正向 电压为相电压，其最大值为2U2。而晶闸管承受的最高反向电压为6U2。 例2-10 三相桥式全控整流电路，电阻性负载，晶闸管承受的最高正、反向电压分别为（ ）。 A 2U2，2U2 B 2U2，6U2 C 6U2，2U2 D 6U2，6U2 【答案】D 【解析】 本题主要考察对三相桥式全控整流电路的分析，三相桥式全控整流电路输出负载电压为线电压，晶闸管上承受的电压为线电压。以uVT1为例分析晶闸管上承受的电压波形如下图所示，由图可见，晶闸管承受的正、反向电压均为6U2。 例2-11 下列电路能够完成有源逆变的有（ ）。 A 单相桥式全控整流电路 C 单相全波整流电路 B 单相桥式半控整流电路 D 单相半波可控整流电路 【答案】A、B 【解析】 本题主要考察有源逆变产生的条件，由于有源逆变的实现要求输出电压为负值，因此半控整流电路以及单相半波整流电路是不能实现有源逆变的，只有全控整流电路才能实现有源逆变。 例2-12 单相桥式全控整流电路工作在有源逆变状态，设变压器二次侧电压为U2，反电势为E，负载电压为Ud，则负载电流为（ ）。 A E?UdU?EU?EU?E B d C d D 2 RRRR【答案】B 【解析】 本题主要考察有源逆变电路输出电压与电流的关系，整流电路工作在有源逆变状态下，输出电压反向，为负值；反电势亦为负值，且E?Ud，而负载电流的方向与整流时相同，为正值，因此Id?Ud?E。 R 例2-13 三相桥式全控变流电路既可以工作在整流状态，又可以工作在有源逆变状态，当其为直流电机供电时，下列说法正确的是（ ）。 A α<90°，变流器工作在整流状态，直流电机作电动机运行 B α<90°，变流器工作在整流状态，直流电机作发电机运行 C α>90°，变流器工作在有源逆变状态，直流电机作电动机运行 D α>90°，变流器工作在有源逆变状态，直流电机作发电机运行 【答案】A、D 【解析】 本题主要考察对变流器中能量的传递方向，在整流状态，变流器向直流电机供电，直流电机工作在第一象限，作电动机运行；在有源逆变状态下，直流电机的能量流向变流器，直流电机工作在第二象限，作发电机运行。 例2-14 三相桥式全控整流电路共阴极组组晶闸管的触发脉冲相差（ ）；位于同一相的两只晶闸管的触发脉冲相差（ ）。 A 60°，120° B 90°，120° C 120°，120° D 120°，180° 【答案】D 【解析】 本题主要考察三相桥式全控整流电路的触发脉冲规律，共阴极组晶闸管或共阳极组晶闸管分属于三相，其触发脉冲间隔120°，位于同一相的两只晶闸管不能同时导通，其触发脉冲间隔180°。 例2-15 变压器漏感对整流电路的影响是使整流电路的输出电压（ ），使有源逆变电路的输出电压（ ）。 A 降低，降低 B 降低，升高 C 升高，降低 D 升高，升高 【答案】B 【解析】 本题主要考察变压器漏感对整流电路的影响，在整流状态下，变压器漏感的存在使得在换向期间，负载电压为换向的两相电压的平均值，比不考虑漏感时降低了；在有源逆变状态下，由于输出电压为负值，因此负载电压比不考虑漏感时升高了。 例2-16 单相桥式全控整流电路，大电感负载，U2=220V，R=4Ω，α=60°，试计算： 1） 作出负载电压ud、晶闸管电压uVT1、负载电流id、晶闸管电流iVT1以及变压器二次侧 电流i2的波形； 2） 计算Ud、Id的平均值及I2的有效值； 3） 考虑两倍的安全裕量，选择合适的晶闸管； 4） 如负载并接续流二极管，其Ud、Id又为多少，作出1）中所要求的波形。 idVT1Tu1i2u2aLbVT2VT4VT3udR 【解析】 本题主要考察单相桥式全控整流电路带阻感负载的工作原理。无续流二极管情况下，两组晶闸管VT1、VT4与VT2、VT3轮流导通180°；在负载两端并联二极管二极管，晶闸管的导通时间缩短为 ????，在电源电压的负半周，二极管导通，导通时间为。注??意有续流二极管情况下晶闸管承受电压的分析。 1）无续流二极管情况下 udo?tuVT1o?tido?tiVT1o?ti2o2）无续流二极管情况下 ?t Ud?0.9U2cos??0.9?220?cos60??99V Id?Ud/R?99/4?24.75A I2?Id?24.75A 3）IVT?Id/2?24.75/2?17.5A IT?IVT/1.57?17.5/1.57?11.15A 考虑两倍安全裕量，可选择额定电流为30A的晶闸管； 由于晶闸管承受的最高反向电压为2U2?选择额定电压为600V的晶闸管。 4）有续流二极管情况 2?220?311V，考虑两倍安全裕量，可 Ud?0.9U2(1?cos?)/2?0.9?220?(1?cos60?)/2?148.5 V Id?Ud/R?148.5/4?37.125A udo?tuVT1o?tido?tiVT1o?ti2o?t 例2-17 三相桥式全控整流电路，阻感反电势负载，ωL>>R，U2=220V，R=2Ω，E=200V，α=60°，试计算： 1） 作出负载电压ud、晶闸管电压uVT1、负载电流id、晶闸管电流iVT1、iVT4以及变压器二 次侧电流ia的波形； 2） 计算Ud、Id的平均值及Ia的有效值； 3） 若VT1的触发脉冲消失，分析负载电压ud及晶闸管电压uVT1的波形。 VT1VT3VT5TniaabcudidRLEVT4VT6VT2 【解析】 本题主要考察三相桥式全控整流电路带阻感反电势负载情况。阻感反电势负载的波形分析与阻感负载相同，大电感情况下负载电流连续、平直，每只晶闸管导通120°。 1）波形分析如下图所示 uduabuacubcubaucaucbuabuac0?tuVT11uabuacubcubaucaucbuabuac0?tid0?tiVT10?tiVT4?t0ia0?t 422） Ud?2.3Uc?os?2.?34?220??cos60 V 257.4Id?Ud?E257.4?200??28.7A R22Id?23.42A 3Ia?3） VT2触发脉冲到来，开通，VT6承受反向电压关断，由于VT1触发脉冲丢失，VT5继续导通，此时VT2、VT5导通，ud =0uduabuacubcubaucaucbuabuac0?tVT1脉冲丢失，大电感的存在使得之前导通的VT5 、VT6不能关断，继续导通，ud =ucbuVT11uabuacubcubaucaucbuabuac0?tVT1脉冲丢失，大电感的存在使得VT5 不能关断，继续导通，直到VT3导通，uVT1=uac 例2-18 三相桥式全控整流电路，电阻负载，试作出VT1触发脉冲丢失情况下的负载电压ud及晶闸管电压uVT1的波形。 【解析】以α=60°为例。VT1触发脉冲丢失后，分析电阻性负载与阻感负载情况下分析负载电压ud及晶闸管电压uVT1波形的关键在于VT1脉冲到来之前导通的晶闸管是否关断？何时会关断？电阻性负载情况，线电压uca过零后VT5、VT6即关断，ud=0，直至VT2、VT3导通时ud=ubc。 uca过零 ，VT5 、VT6关断，VT3的触发脉冲到来之前，ud =0uduabuacubcubaucaucbuabuac0?tVT1脉冲丢失，之前导通的VT5 、VT6不能关断，继续导通，ud =ucbVT1脉冲丢失，VT5、VT6 继续导通至uca过零，uVT1=uac由于此时b相电压最低，VT6有触发脉冲，能够导通，但由于VT1的触发脉冲丢失不能形成电流通路，VT6实际上处于虚通状态，uVT1=uabuVT11uabuacubcubaucaucbuabuac0?t由于此时c相电压最低，VT2有触发脉冲，VT6向VT2换流，VT2导通，由于VT1的触发脉冲丢失同样不能形成电流通路，VT2实际上处于虚通状态，uVT1=uac 例2-19 三相桥式全控整流电路，如图所示，线电压Uab=400V，R=10Ω，L极大， 1） 当β=600，E= ?306V时，能否实现有源逆变？求此时的Ud 、Id ； 2） 作出负载电压ud、晶闸管电压uVT1、负载电流id、晶闸管电流iVT1、iVT4以及变压器二次侧电流ia的波形。 VT1VT3VT5TniaabcudidRLME 【解析】本题主要考察三相桥式全控整流电路实现有源逆变的条件以及在有源逆变条件下电路的波形分析。分析有源逆变电路的波形与整流电路的方法相同，需注意的是逆变角不同于触发角，α+β=π。注意有源逆变电路波形与整流电路波形的区别。一是晶闸管触发相位的影响，二是在有源逆变工作状态下，晶闸管工作在电源电压的负半周，输出负载电压波形大部分位于负半周，而晶闸管在大部分时间内承受正向电压。 1） 当β=600，E= ?306V时 VT4VT6VT2Ud??2.34U2cos???2.34Uab3cos???2.34?400cos60???270.2V 3由于E?Ud，因此可以实现有源逆变。 Id?2） Ud?E?270.2?(?306)??3.58A R10uduabuacubcubaucaucbuabuac0?tuVT11uabuacubcubaucaucbuabuac0?tid0?tiVT10?tiVT40?tia0?t 例2-20 试作出三相半波可控整流电路工作于有源逆变状态下，VT3触发脉冲丢失情况下的负载电压ud波形，并说明会造成什么后果？ 【解析】分析方法与例18相同。在有源逆变状态下，触发脉冲丢失易产生逆变失败。例如下图中VT3触发脉冲丢失后，之前导通的VT2会继续导通到正半波。当VT1再次获得触发脉冲时，由于此时ub>ua，因此VT1承受反压而无法导通，输出电压ud为正值，和直流电动势同极性，造成短路，即逆变失败。因此有源逆变电路的触发电路一定要工作可靠。 uduaubucuaoωt 三、课后习题解答 1. 单相桥式全控整流电路接电阻性负载，要求输出电压在0～100V连续可调，输出电压平均值为30 V时，负载电流平均值达到20A。系统采用220V的交流电压通过降压变压器供电，且晶闸管的最小控制角αmin＝30°，（设降压变压器为理想变压器）。试求： 1）变压器二次侧电流有效值I2； 2）考虑安全裕量，选择晶闸管电压、电流定额； 3）作出α＝60°时，ud、id和变压器二次侧i2的波形。 解：由题意可知负载电阻R?Ud30??1.5欧， Id202U2单相全控整流的直流输出电压为Ud?(1?cos?) ?直流输出电压最大平均值为100V，且此时的最小控制角为αmin＝30°，带入上式可求得 100?U2??119(V) 2?1.8661）I2?U2U1?2U2sin?t2?()d?t?R???RR???sin2????sin2? ??79.33??2??2?sin?? αmin＝30°时，I2max?79.33?6??3?78.18(A) ?2?2）晶闸管的电流有效值和承受电压峰值分别为 IVT?I2max2?78.18?55.2A8()2 UVT?2U2?168.29(V) 考虑3倍余量，选器件耐压为168×3＝500V；额定电流为(55.28/1.57)×3＝100A 3） udo?3?tido?ti2o?t 2. 试作出单相桥式半控整流电路带大电感负载，在α＝30°时的ud、id、iVT1、iVD4的波形。并计算此时输出电压和电流的平均值。 VT1VT2Tu2bi2idaudVDLRVD3VD4 解： u2oud?t??tIdId???IdId???IdIdidooiVT1iVD4iVT2iVD3o?t?t?t?t?toiVDoi2o? 输出电压和电流的平均值分别为： Ud?0.9U2Id?1?cos??0.84U2 2UdU1?cos?U?0.92??0.842 RR2R 3. 单相桥式全控整流电路，U2＝100V，负载中R＝2 ?，L值极大，反电动势E＝60V，当α＝30°时，试求： 1）作出ud、id和i2的波形； 2）求整流输出电压平均值Ud、电流Id，以及变压器二次侧电流有效值I2。 idVT1VT3Tu1i2u2ELaudbVT2VT4R 解：整流输出电压平均值Ud、电流Id，以及变压器二次侧电流有效值I2分别为： 3?0.9?10?02U?E77.9?460??8.97A() Id?dR2I2?Id?8.97A()Ud?0.9U2c?os?V77.94() u2oudoido0i2oIdId?t?t?tId?t 4. 某一大电感负载采用单相半控桥式整流接有续流二极管的电路，负载电阻R=4Ω，电源电压U2=220V，α=π/3，求： 1) 输出直流平均电压和输出直流平均电流； 2) 流过晶闸管（整流二极管）的电流有效值； 3) 流过续流二极管的电流有效值。 解：1）电路波形图见第2题 Ud?0.9U21?cos??0.9?220?0.75?148.5(V)2 Ud148.5Id???37.125(A)R42）IVT?12?1???3?Id2d(?t)?Id3?37.1253?21.43(A) 3）ID???30Id2d(?t)?Id3?21.43(A) 5. 三相半波可控整流电路的共阴极接法和共阳极接法，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？试作出共阳极接法的三相半波可控的整流电路在 α＝30°时的ud、iVT1、uVT1的波形。 解：a、b两相的自然换相点不是同一点，它们在相位上差180度，见下图。 Tu2abVT2cVT1LidudRVT3udua共阴极换相点共阴极三相半波ubuco共阳极换相点?tTu2abVT2cVT1LidudR VT3共阳极三相半波共阳极接法的三相半波可控的整流电路在α＝30°时的ud、iVT1、uVT1的波形如下图 udoiVT1oidouVT1ouaubucαubucua?t?t?t?tubauca 6. 三相半波可控整流电路带大电感性负载，α＝π/3，R=2Ω，U2=220V，试计算负载电流Id，并按裕量系数2确定晶闸管的额定电流和电压。 解：Ud?1.17U2cos??1.17?220?0.5?128.7(V) Id?Ud128.7??64.35(A) R212?IVT??2?30Id2d(?t)?Id3?0.577Id?37.13(A) 按裕量系数2确定晶闸管的电流定额为： 6U2?2?1077?1200(V) IVT?2?47.30?50(A)；电压定额为：1.57 7. 三相桥式全控整流电路，U2＝100V，带阻感性负载，R＝5 ?，L值极大，当α＝60°，试求： 1）作出ud、id和iVT1的波形； 2）计算整流输出电压平均值Ud、电流Id，以及流过晶闸管电流的平均值IdVT和有效值IVT； 3）求电源侧的功率因数； 4）估算晶闸管的电压、电流定额。 解：1） u2??= π/3uaubuco?tuducbuabuacubcubaucaucbuabuaco?tidoiVT1 ?t?t0 2）Ud?2.34U2cos??2.34?100?0.5?117(V) Id?Ud117??23.4(A) R5Id?7.8A( )3Id3?13.5A1( ) IdVT? IVT? 3）由功率因数的定义知：??I1cos?1?0.955cos??0.955*0.5?0.4775 I 4）按2倍余量估算，晶闸管的电压定额为：6U2?2?6?100?2?489.90?500(V)； 晶闸管的电流定额为： IVT13.51?2??2?17.21?20(A) 1.571.57 8. 三相桥式不控整流电路带阻感性负载，R＝5 ?，L＝∞，U2＝220V，XB=0.3 ?，求Ud、Id、IVD、I2和γ的值，并作出ud、iVD1和i2的波形。 解：三相桥式不控整流电路相当于三相桥式全控整流电路在触发角为0度时的情况，则 Ud?2.34U2cos??mXb6?0.3Id?2.34U2cos??Id2?2? UUId?d?dR5 代入已知量联立求解上述2个方程可得：??Ud?486.90(V) I?97.38(A)?d 二极管的电流平均值为：IVD?Id97.38??32.46(A) 332Id?79.51(A) 3 变压器二次侧电流有效值为：I2? 由 cos??cos(???)?2XBId6U22XBId2?0.3?97.38 1?cos????0.1084；cos??0.8916；??26.93? 6U26?220 可得 ud、iVD1和i2的波形的波形如下： u2??= 0uaubucoⅠⅡⅢⅣⅤⅥuabuacubcubaucaucbuabuac?tudo?tiVD1oi2o?t?t 9. 请说明整流电路工作在有源逆变时所必须具备的条件。 答：(1) 外部条件——直流侧应有能提供逆变能量的直流电动势，其极性与晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧的平均电压。(2) 内部条件——变流器直流侧输出直流平均电压必须为负值，即α>π/2，Ud<0。以上两条件必须同时满足，才能实现有源逆变。 10. 什么是逆变失败？如何防止逆变失败？ 答：当变流器工作于逆变工况时，一旦由于触发脉冲丢失、突发电源缺相或断相等原因造成换流失败，将使输出电压Ud进入正半周，与EM顺向连接，由于回路电阻很小，造成很大的短路电流，这种情况叫逆变失败或逆变颠覆。 为了保证逆变电路的正常工作，必须1）选用可靠的触发器，2）正确选择晶闸管的参数，3）采取必要的措施，减小电路中du/dt和di/dt的影响，以免发生误导通，4）保证交流电源的质量，5）逆变角β的角度有一最小限制，留出充足的换向余量角。 11. 三相全控桥式变流器，已知L足够大、R=1.2Ω、U2=200V、EM= ―300V，电动机运行于发电制动状态，制动过程中的负载电流为66A，问此时变流器能否实现有源逆变？若能求此时的逆变角β。 解：电动机处于发电制动状态可以提供逆变能量，满足有源逆变的外部条件，可以实现有源 逆变。三相全控桥式变流器处于有源逆变时有： Ud?2.34U2cos??2.34U2cos(???) （1） Ud?EMU?300，即 66?d，Ud??220.8(V) R1.2将Ud??220.8(V)带入（1）式可得： 而 Id??220.8?2.34?200?cos(???)；??61.85?或??118.15??90?。 12. 三相全控桥式变流器，带反电动势阻感负载，已知R＝1 ?，L＝∞，U2＝220V，LB=1mH，当EM＝－400V，β＝60°时求Ud、Id和γ的值，及此时送回电网的有功功率是多少？ 解：Ud?2.34U2cos??Id?Ud?EM R?Ud??290.31(V) ?Id?109.69(A)2XBId6U2?2?0.3142?109.692206?0.1279 mXb6??LBId?2.34U2cos??Id 2?2? 代入已知量联立求解上述2个方程可得：? 由换流重叠角公式可得：cos??cos(???)?cos(1200??)??0.1279?cos120???0.6279；即 ??8.90? 送回电网的有功功率为：P?EMId?Id2R?400?109.69?109.692?1?31.84(kW)。 13. 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？其中最大的是哪一次？变压器二次电流中含有哪些次数的谐波？其中主要的是哪几次？对于m相全控整流电路呢？ 答：三相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有6k（k=1、2、3…）次的谐波，其中最 大的是6次谐波。 变压器二次电流中含有6k±1（k=1、2、3…）次的谐波，其中主要的是哪5、7次谐波。 对于m相全控整流电路，其整流输出电压中含有2mk（k=1、2、3…）次的谐波，其中最大的是2m次谐波。 变压器二次电流中含有2mk±1（k=1、2、3…）次的谐波，其中主要的是哪2mk±1次谐波。 14. 试计算第3题（单相桥式全控整流电路）中i2的3、5、7次谐波分量的有效值I23、I25、I27，并计算此时该电路的输入功率因数。 解：由第3的解答可知：I2?Id?8.97(A)，则 I23?22Id22?8.9722Id22?8.97??2.69(A)；I25???1.62A 3?3?5?5? I27?22Id22?8.97??1.15(A) 7?7?22Id基波有效值 I21?输入功率因数 ????22?8.97??8.08(A) I18.08cos??co?s?1?I8.970.9?0 7794co?s?30。0. 15. 试计算第7题（三相桥式全控整流电路）中的i2的5、7次谐波分量的有效值I25、I27。 解：由第7的解答可知：Id?I25?Ud117??23.4(A)，则 R56Id6Id6?23.46?23.4??3.65(A)；I27???2.61(A)。 5?5?7?7? 16. 三相晶闸管桥式全控整流器接至10.5kV交流系统。已知10kV母线的短路容量为150MVA，整流器直流侧电流Id＝400A，触发延迟角α＝15°，不计重叠角?，试求： 1) 基波功率因数cosφ1、整流器的功率因数λ； 2) 整流侧直流电压Ud； 3) 有功功率、无功功率和交流侧基波电流有效值； 4) 截止到23次的各谐波电流的大小、总谐波畸变率。 解：1）cos?1?cos??cos15??0.9659 ??0.955cos?1?0.955?0.9659?0.9224 2）Ud?2.34U2cos??2.34?3）基波电流有效值 I21?10.53?cos15??13.70(kV) 6?400?311.88(A) 6?Id?? 总电流有效值 I2?22Id??400?326.60(A) 33 有功功率 P?S??3?10.5?326.60?0.9224?5478.80(kW) 无功功率 Q?S2?P2?(3?10.5?326.60)2?5478.802?2294.13(kVAR) 4）仅含有6k±1（k=1、2、3…）次的谐波， I25?I211?I217?I223?65?Id?65??400?62.38(A)；I27?67?Id?67??400?44.55(A) 6666Id??400?28.35(A)；I213?Id??400?23.99(A) 11?11?13?13?6666Id??400?18.35(A)；I219?Id??400?16.41(A) 17?17?19?19?66Id??400?13.56(A)；总谐波畸变率为： 23?23??ITHDi?n?22322nI21?100b.382?44.552?28.352?23.992?18.352?16.412?13.562??100% 311.88?28.76% 17. 晶闸管整流电路的功率因数是怎么定义的？它与那些因素有关？ 答：晶闸管整流电路的功率因数由畸变因子v和位移因子cos?1构成，表达式为： ??v?cos?1?I1cos? I具体而言：由移相触发角?和整流电路的结构决定。 四、补充习题 1. 三相半波共阴极接法的整流电路中，如果c相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和大电感性负载下整流的输出电压ud（α＝300）。 解：电阻负载时波形如下图： u2??=30°uaubuco?tuduaubucuao?t 大电感负载时的波形为： u2??=30°uaubuco?tuduaubucuao?t 2. 三相桥式全控整流电路中，如果c相上桥臂晶闸管（第5号管）的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和大电感性负载下整流的输出电压ud（α＝600）。 解：电阻负载时波形如下图： u2??= π/3uaubuco?tuducbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucao?t6112233461 分析：当3、4号晶闸管导通（直流输出为Uba）完即将切换到4、5号晶闸管导通时，由于5号晶闸管触发丢失，且由于是电阻负载，在本该4、5号晶闸管导通的区间内由于uba为负值，所以3号晶闸管被加反压关断，整流输出为0。在随后本该5、6号晶闸管导通区间，由于5号管丢失脉冲，回路也没法导通，输出还是0。随着6、1号晶闸管的再次导通，进入下一个循环。 电感负载时波形如下图： u2??= π/3uaubuco?tuducbuabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucao?t61122334343661 分析：当3、4号晶闸管导通（直流输出为uba）完即将切换到4、5号晶闸管导通时，由于 5号晶闸管触发丢失，没法给3号晶闸管提供反压使之关断，且由于是电感负载，所以3号晶闸管将会继续导通。这时实际导通的管子还是3、4两个晶闸管，即整流输出仍为Uba。在随后本该5、6管导通区间，4号管被导通的6号管关断，直流电流通过3、6号两晶闸管形成的短路回路续流，直流输出是0。随着6、1号晶闸管的再次导通，进入下一个循环。 3．一般三相可控整流装置中，如果电源三相进线相序接反，会产生什么问题？ 答：三相可控整流装置的三相交流电源相序接反会出现缺相或乱相的情况，即该导通的晶闸管不导通，不该导通的晶闸管导通。在单脉冲和双脉冲触发的三相桥式电路中，原来调整好的移相范围会前移60°，使系统不能正常工作，所以晶闸管装置的进线相序必须符合规定。 4. 综述抑制相控整流电路网侧电流谐波的措施。 答：抑制网侧电流谐波的措施主要有： 1) 选择合适的输入电压（可采用输入变压器），在满足控制和调节范围的情况下尽可能减小控制角α。 2) 网侧设置补偿电容器和有针对性的滤波器。 3) 增加整流相数，即采用多相整流器，可使网侧电流更加接近正弦波。 4) 利用多重化技术进行波形叠加，以消除某些低次谐波。 5) 利用有源滤波技术进行滤波。 5. 综述改善相控整流电路网侧功率因数的措施。 答：改善功率因数的途径主要有： 1) 选择合适的输入电压，在满足控制和调节范围的情况下尽可能减小控制角α。 2) 增加整流相数，改善交流电流的波形，减少谐波成分。 3) 设置补偿电容器和有针对性的滤波器。 4) 对于直流电抗滤波的整流器，换相重叠角会使谐波电流减小，可适当增加变压器的漏感。 5) 对于电容滤波的整流器，直流侧加装平波电感。 第三章 直流斩波电路与交流电力变换电路 一、本章主要内容及重点与难点 【主要内容】 本章主要讨论直流斩波电路与交流电力变换电路的工作原理，主要应掌握以下内容： 1. 降压直流斩波电路的工作原理、波形分析及数值计算； 2. 升压直流斩波电路的工作原理、波形分析及数值计算； 3. 升降压直流斩波电路的工作原理、波形分析及数值计算； 4. 交流调压电路的工作原理、波形分析及数值计算； 5. 交流调功电路的工作原理； 6. 交流无触点开关的工作原理及其应用。 【重点与难点】 本章重点在于非隔离型直流斩波电路的分析方法；不同类型交流电力控制电路的控制方法、控制目的及其分析方法。主要包括以下内容： 1. 在分析直流斩波电路时，充分考虑电路中电感、电容的作用及其特点； 2. 交流调压电路与交流调功电路的区别； 3. 交流调功电路与交流无触点开关的区别； 4. 交流调压电路的工作原理、波形分析与数值计算 本章难点在于三相交流调压电路输出负载电压及晶闸管承受电压的波形分析。 二、典型习题解析 例3-1 直流斩波电路完成的电力变换功能是（ ）。 A AC→DC B DC→AC C AC→AC D DC→DC 【答案】D 【解析】 本题主要考察直流斩波电路的功能。直流斩波电路是将一种形式的直流电能转换为另一种形式直流电能的电路，因此完成的是DC→DC变换。 例3-2 交流电力变换电路不能完成（ ）的变换。 A 电压 B 电流 C 频率 D 相位 【答案】C 【解析】 本题主要考察交流电力变换电路的功能。交流电力变换电路是将一种形式的交流电转换为另一种形式交流电的电路，能够改变交流电的电压、电流以及相位，但不能改变交流电的频率，这也是交流电力控制电路与交交变频电路的区别。 例3-3直流斩波电路的控制方式有（ ）。 A 定频调宽控制 B 定宽调频控制 C 调频调宽控制 D PWM控制 【答案】A、B、C、D 【解析】本题主要考察直流斩波电路的控制方式。直流斩波电路可采用定频调宽控制、定宽调频控制、调频调宽控制等控制方式。其中应用较广的是定频调宽控制方式，而PWM控制是最典型的一种定频调宽控制方式。 例3-4升降压斩波电路（BOOST-BUCK Converter），采用定频调宽控制方式，当占空比0 【答案】A 【解析】本题主要考察升降压斩波电路输出电压的范围，升降压斩波电路的输入、输出电压关系为U0?DUi，当占空比0 例3-5下列直流斩波电路中，属于反极性斩波电路的是（ ）。 A BOOST-BUCK斩波电路 B Cuk斩波电路 C Sepic斩波电路 D Zeta斩波电路 【答案】A、B 【解析】本题主要考察直流斩波电路的输出电压的极性。根据BOOST-BUCK斩波电路与Cuk斩波电路的工作原理及电流流通路径可知，其负载电压的极性与电源电压极性相反。而Sepic斩波电路和Zeta斩波电路的负载电压极性与电源电压极性相同。 例3-6下列电路中，哪一种不属于交流电力控制电路（ ）。 A 交流调压电路 B 交流调功电路 C 交流电力电子开关 D 交交变频电路 【答案】D 【解析】本题主要考察交流电力控制电路的功能。交流调压电路、交流调功电路以及交流电力电子开关在进行交流电能变换时均不能该变电路的频率，属于交流电力控制电路范围，而交交变频电路可以改变交流电能的频率，故不属于交流电力控制电路。 例3-7交流调压电路采用的控制方式为（ ），控制目的是（ ）。 A 相位控制、负载电压有效值 C 通断控制、负载电压有效值 B 相位控制、负载功率平均值 D 通断控制、负载功率平均值 【答案】A 【解析】本题主要考察交流调压电路与交流调功电路的区别。交流调压电路是通过对晶闸管触发角的控制来改变负载电压有效值的电路。交流调功电路是以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数与断态周期数的比来调节输出功率平均值的电路。 例3-8下列说法正确的是（ ）。 A 交流调功电路对晶闸管的控制时刻是任意的 B 交流调功电路的控制目的是调节负载功率的平均值 C 对交流电力电子开关的控制没有明确的控制目的 D 交流电力电子开关的控制目的是调节负载功率的平均值 【答案】B、C 【解析】本题主要考察交流调功电路与交流电力电子开关的区别。交流调功电路是以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数与断态周期数的比来调节输出功率平均值的电路，因此其控制晶闸管的开关时刻为交流电压的过零点。交流电力电子开关的作用等同于机械开关，它没有明确的控制目的，只是根据需要接通或者断开电路。 例3-9支路控制三角形联结三相交流调压电路的典型应用是（ ）。 A TSC B TCR C SVC D SVG 【答案】B 【解析】本题主要考察对支路控制三角形联结三相交流调压电路的应用，TSC是晶闸管投切电容器，是交流电力电子开关的典型应用；TCR为晶闸管控制电抗器，为支路控制三角形联结三相交流调压电路的一个典型用例，可以调节电路从电网中吸收的无功功率，TCR 配以固定电容器，则成为SVC；SVC是静止无功补偿器；SVG为静止无功发生器，均用于无功功率的补偿。 例3-10三相交流调压电路的触发角α=0°与三相桥式全控整流电路的触发角α=0°的关系是（ ）。 A 相同 B 有时相同 C 不相同 D 不确定 【答案】C 【解析】本题主要考察三相交流调压电路触发角初始位置与三相桥式全控整流电路的触发角初始位置的区别。三相交流调压电路的触发角α=0°位于相电压的过零点（例如，晶闸管VT1的α=0°触发脉冲位于A相电压ua的过零点）。三相桥式全控整流电路的触发角α=0°位于三相电压的自然换相点（例如，晶闸管VT1的α=0°触发脉冲位于A、B相电压ua、ua的交点）。二者之间相差30°电角度。 例3-11单相交流调压电路，阻感负载，负载阻抗角为φ，触发角α的影响范围为（ ）。 A [0~π] B [φ~π] C [0~π/2] D [φ~π/2] 【答案】B 【解析】本题主要考察单相交流调压电路带阻感负载时晶闸管的移相范围。单相交流调压电路的触发角α>φ时，晶闸管才能按控制要求开关，实现调压的目的。若α<φ时触发晶闸管，输出的电压为一含暂态分量的正弦波，不能实现调压控制，因此其移相范围为[φ~π]。 例3-12三相交流调压电路，星形联结，无中线，电阻负载，触发角α的移相范围为（ ）。 A [0~π/2] B [0~2π/3] C [0~5π/6] D [0~π] 【答案】B 【解析】本题主要考察三相交流调压电路带电阻负载时晶闸管的移相范围。星星联结无中线的三相交流调压电路，在触发角α>90°后，电路处于两只晶闸管导通与无晶闸管导通的交替状态，负载电压为有晶闸管导通的两相间线电压的1/2，当线电压过零时，晶闸管关断，而线电压的相位超前相电压30°，因此触发角α的移相范围为[0~5π/6]。以A相为例分析如下图所示： uan'uab2uauac2o?2?ωtuab过零，无晶闸管导通，输出电压为0，触发角α已移至最大值 例3-13交流调功电路，设总控制周期为M，其中负载与电源接通的周波数为N，输入功率为P1，输入电压为U1，则负载功率P0与负载电压分U0别为（ ）。 A P0?NNNN， C ，U?U1 U?UPP?P001101MMMMB P0?NNN， D PP?PU?U101，U0?01MMMNU1 M【答案】C 【解析】本题主要考察交流调功电路的工作原理。交流调功电路通过对晶闸管的通断控制来调节负载的平均功率，负载上的电压依然为交流电，应计算其有效值，而不是平均值，因此C选项正确。 例3-14 试推导Sepic斩波电路和Zeta斩波电路的输入输出关系。 【解析】本题主要考察Sepic斩波电路和Zeta斩波电路的分析方法。分析直流斩波电路的输出电压一般利用电感的特性，即在稳态条件下，电感两端电压在一个周期内的平均值为零。 Sepic斩波电路 L1C1VDuiVL2Cu0R 当开关V闭合时有：uL1?Ui，uL2??Uc1 当开关V断开时有：uL1?Ui?Uc1?U0，uL2?U0 利用 ? ?Uc1D?U0(1?D)?0 因此 U0?T0uLdt?0 可得：UiD?(Ui?Uc1?U0)(1?D)?0 DUi 1?DVC1L2Zeta斩波电路 uiL1VDCu0R 当开关V闭合时有：uL1?Ui，uL2?Ui?Uc1?Uc2 当开关V断开时有：uL1??Uc1，uL2??Uc2 利用 ?可得：UiD?Uc1(1?D)?0 T0uLdt?0 )? 0 (Ui?Uc1?Uc1)D?Uc2(1?D因此U0?DUi 1?D 例3-15 试绘制出Cuk斩波电路的等效电路。 【解析】本题主要考察Cuk斩波电路的工作原理。 Cuk斩波电路如下图所示： L1C1L2uiVVDCu0R 分析时，将器件V可等效为一开关S，当器件V开通时，相当于开关S闭合，电流回路为ui—L1—V与R—L2—C1—V，也就是说，当V开通时，电感L1充电储能，同时电容C1向C电容充电并向负载R放电形成下正上负的电压极性，同时对L2充电，由于C1的电压作用，二极管VD关断；当器件V关断时，相当于开关S断开，电流回路为ui—L1—C—VD与R—L2—C—VD，即电源、电感L1向电容C1充电，C1上电压极性为左正右负，电感L1向电容C1转移能量，电感L2续流导致二极管VD开通，L2向电容C充电并向负载R放电。等效电路分别如下图所示： V导通时等效电路为 L1iL1C1+S L2iL2C+u0Rui V断开时等效电路为 L1iL1C1+S L2iL2C+u0Rui 例3-16 如图所示的升压斩波电路，占空比为D，电流连续，试作出给定驱动信号下的电感电压uL、电感电流iL以及开关电压uV、开关电流iV、电容电流uc、负载电流i0和电容电流ic的波形。 LVDiLiVGiCi0+VuCV-u0EuCRui uGEot 【解析】本题主要考察升压斩波电路的工作原理与波形分析。 由于负载电流连续，因此在理想情况下，i0的波形为一直线，其平均值为I0。 当器件V导通时，uV=0；电感电压uL=ui；iV=iL 电感电压波形分析： diL?I?LL1?Ui dtDTU因此 ?IL1?iDT，由于电流连续，因此电路在稳态条件下工作时电感电流始终大 L由于 uL?L于零，得到如下图所示的V导通段电感电流波形。 电容电流波形分析：根据小纹波近似原理，U0为恒定值，ic??当器件V关断时，uV=u0；电感电压uL=ui-u0；iV=0 电感电压波形分析： 由于 uL?L因此 ?IL2?U0?I0 RdiL?IL2?L?Ui?U0 dt(1?DT)Ui?U0(1?DT) 得到如下图所示的V截止段电感电流波形。 LU电容电流波形分析：根据小纹波近似原理，U0为恒定值，ic?iL?0?iL?i0 R电容电压波形分析：忽略负载电流脉动，在器件V导通期间，电容上的放电量反映了电容峰-峰电压的脉动量，即 IDTI0D1DT1DT?UC??iCdt??i0dt?0? C0C0CfCuGEouVUi-U0touLoi0oiLoiVoiCouCU0oILmax-ILminILmaxILminILmaxILminU0-UiUittI0tttΔII0tΔUCt 例3-17 单相交流调压电路带阻感负载，若U1=220V，L=5.516mH，R=1Ω，试求： 1）触发延迟角的移相范围； 2）负载电流最大有效值； 3）最大输出功率和功率因数。 VT1IVT2RL ~U1【解析】本题主要考察单相交流调压电路带阻感负载时的工作原理。 1）单相交流调压电路在阻感性性负载下，触发角的移相范围为[φ，180°]。 2??50?5.516?60? R1 因此触发角的移相范围为[60°，180°] 2）在α=φ时，负载电流最大，因此 ??tg?1?L?tg?1 I?U1220??110A 2Z1?(2??50?5.516) 3）最大功率为 P?U1Icos??220?110?cos60??12.1kW cos??cos??2cos60??0.5 例3-18 支路控制三角形联结的三相交流调压电路有何优点？ 【解析】本题主要考察支路控制三角形联结的三相交流调压电路的工作原理。该电路实际上也是由三个单相交流调压电路构成，不同的是每一相的负载电压为线电压，由于接成闭合三角形，所以线电流的三次谐波分量为零，这是该电路的突出优点。 例3-19 如图所示三相交流调压电路，试做出开关S闭合与断开两种情况下的A相输出电压ua与晶闸管VT1两端电压uVT1的波形。 iVT1aunubVT5aVT3Uan’aVT4bVT6cucVT2负载n' 【解析】本题主要考察星形联结的三相交流调压电路带中线与不带中线情况的区别。带中线情况下，每一相与中线构成电流通路，电路的工作情况与单相交流调压电路相同，波形分析亦于单相交流调压电路相同。以α=90°为例分析，波形如下图所示： Suan?uaouVT1?2?uao?2? 不带中线情况下，每一相要借助另外两相形成电流通路，根据电路的工作情况，可将晶闸管触发角的移相范围分成三个区间： 1）0≤α<π/6 电路处于三只晶闸管导通与两只晶闸管导通的交替状态，每只晶闸管导通角度为π-α。以α=π/6为例的波形分析如下： α=π/6时触发VT1，在该时刻之前，VT5与VT6导通，与a相无关，故 a相负载电压为零，VT1触发后，VT5、VT6与VT1导通，a相负载电压为ua；经过π/6后，uc过零变负，VT5关断， VT6与VT1导通，a相负载电压为 uab/2；再经过π/6后，触发VT2，VT6、 VT1与VT2导通，a相负载电压为ua；再经过π/6后，ub过零变正，VT6关断，VT1与VT2导通，a相负载电压为 uac/2；再经过π/6后，触发VT3，VT1、VT2与VT3导通，a相负 载电压为ua；再经过π/6后，ua过零变负，VT1关断，VT2与VT3导通，与a相无关，a相负载电压为0；同理，可分析负半周的负载电压波形。 由于VT1、VT4反并联，因此无论在VT1、VT4导通的时间内uVT1=0。在VT2、VT3导通期间，uVT1?uab?ubn?；在VT5、VT6导通期间，uVT1?uac?ucn?。 ug1234561ouan?55661616112212233234334455445566ωt导通的晶闸管uuabuaac22ubucuaoωtuVT1uabuacuabuuaca22ubucoωt 2）π/6≤α<π/2 任一时刻都是两只晶闸管导通，每只晶闸管导通角度为2π/3。以α=π/2 为例的波形分析如下： α=π/2时触发VT1，此时VT5由于uc过零变负而关断，VT6与VT1导通，a相负载电压为 uab/2；经过π/3后，触发VT2，此时VT6由于ub过零变正而关断，VT1与VT2导 通，a相负载电压为 uac/2；再经过π/3后，触发VT3，此时VT1由于ua过零变负而关断， VT2与VT3导通，与a相无关，a相负载电压为0；同理，可分析负半周的负载电压波形。 VT1两端的电压分析同α=π/6情况。 ug1234561ouan?ωt56611223344556导通的晶闸管uabuauac22ubucuaoωtuVT1uabuacuacabuua22ubucoωt 2）π/2≤α<5π/6 电路处于两只晶闸管导通与无晶闸管导通的交替状态，每只晶闸管导通角为 5???。以α=2π/3为例的波形分析如下： 3α=2π/3时触发VT1，此时VT5由于uc过零变负已关断，由于ub VT6与VT1导通，a相负载电压为 uab/2；经过π/6后，ub>ua，VT6承受反向电压关断， 负载电压为零；再经过π/6后，由于uc uac/2；再经过π/6后，由于uc>ua，VT1承受反向电压关断，负载电压为零。同理，可分 析负半周的负载电压波形。 VT1两端的电压分析同上，只是在无晶闸管导通期间，uVT1?ua； ug6123456ouan?ωt56无14523无无无无无6156234导通的晶闸管uabuauac22ubucuaoωtuVT1uabuacuabuuaca22ubucoωt 例3-20 分析例17所示的三相交流调压电路在缺失脉冲情况下的A相输出电压ua与晶闸管VT1两端电压uVT1的波形。 【解析】本题主要考察三相交流调压电路的故障情况分析，以VT1缺失触发脉冲为例，分析α=π/2时的波形如下： uan?uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucauaVT1缺失脉冲，对应的A相负载电压为0ubucuaubcoVT2、VT3导通，对应的A相负载电压为0ωtuVT1对应VT6补脉冲，VT6虚通对应VT2主脉冲，VT2虚通uabuacubcubaucaucbuabuacubcubaucaVT5、VT6导通uaubucuaubucVT6承受反压，无晶闸管导通oωtVT2、VT3导通VT4导通 三、 课后习题解答 1．一升压换流器由理想元件构成，输入Ud在8~16V之间变化，通过调整占空比使输出U0=24V固定不变，最大输出功率为5W，开关频率20kHz，输出端电容足够大，求使换流器工作在连续电流方式的最小电感。 解：由U0=24V固定不变，最大输出功率为5W可知 U02242R???115.2? P5当输入Ud为8V时 U0?182Ud?D8?1?? 1?D82431161Ud?D16?1?? 1?D16243输入Ud为16V时 U0?则实际工作时的占空比范围为：D?由电流断续条件公式可得 LD(1?D)2 ?RT2D(1?D)2RT即L? 2D(1?D)2在D?12~ 3312~范围内是单调下降的，在1/3处有最大值，所以 33111(1?)2*115.2*D(1?D)RT3320000?0.43mH L??222 2．一台运行在20kHz开关频率下的升降压换流器（图3-7）由理想元件构成，其中L=0.05mH，输入电压Ui=15V，输出电压U0=10V，可提供10W的输出功率，并且输出端电容足够大，试求其占空比D。 解：U0?? 3．在图示的降压斩波电路中，已知Ui=100V，R=0.5Ω，L=1mH，采用脉宽调制控制方式，T=20μs，当ton＝5μs时，试求： 1）输出电压平均值UO、输出电流的平均值IO； 2）输出电流的最大和最小瞬时值，判断负载电流是否断续； 3）当ton＝3μs时，重新进行上述计算。 U0D10Ui?D???0.4V 1?DU0?Ui10?15VLuiVDCu0R 解：1）U0?DUi?I0?5100?25V 20U025??50A R0.52）m?EM0??0 E100L0.001??0.002 R0.5T??20*10?6????0.01 ?0.002???ton??0.0025 e???1e0.0025?1?0.01?0.249?m?0，所以电流连续。 e??1e?1ImaxImin1?e???E1?e?0.0025100?(?m)?(?0)?50.2A R0.51?e??1?e?0.01e???1Ee0.0025?1100?(??m)?(0.01?0)?49.8A R0.5e?1e?13）同2） U0?DE?3100?15V20 U015I0???30AR0.5???ton??0.0015 e???1e0.0015?1?0.01?0.149?m?0，所以电流也是连续的。 e??1e?11?e???E1?e?0.0015100Imax?(?m)?(?0)?30.13A???0.01R0.51?e1?e e???1Ee0.0015?1100Imin?(??m)?(0.01?0)?29.9AR0.5e?1e?1 4．在图3-1所示降压斩波电路中，已知E=600V，R=0.1Ω，L=∞，EM=350V，采用脉宽调制控制方式，T=1800μs，若输出电流IO=100A， 试求： 1）输出电压平均值UO和所需的ton值； 2）作出u0、i0以及iG、iD的波形。 VEiGiDLioR+VDuoMEM- 图3-1 电流型降压斩波电路 解：1）I0?U0?EM?U0?I0R?EM?100?0.1?350?360V RtonU360E?ton?0T??1800?1080?s TE600U0?2）各点波形见下图： iGtonu0tofftEti0iDtt 5．升压斩波电路为什么能使输出电压高于电源电压？ 答：其一是由于升压斩波器的电路结构使电路中的电感具有电压泵升作用，其二是电容的电压维持能力。当高频开关闭合时，输入电源向电感储存能量，当开关断开时，电感的储存能量向负载放电。开关的导通比D越大则电感储能越多，输出电压越高并由电容保持，输出电压与输入电压有如下关系：U0?1Ui。 1?D 6．在图示的升压斩波电路中，已知Ui=50V，L值和C值极大，R=20Ω，采用脉宽调制控制方式，当T=40μs，ton＝25μs时，计算输出电压平均值UO和输出电流的平均值IO。 LVDiLiVGiCi0+VuCV-u0EuCRui 解：U0?1Ui?1?D11Ui??50?133.33V ton1?0.6251?TI0?U0133.33??6.67A R20 7．说明降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路的输出电压范围。 答：降压斩波电路的输出电压范围：U0?0~Ui； 升压斩波电路的输出电压范围：U0?Ui~?，应避免D接近于1； 升降压斩波电路的输出电压范围（仅大小）：U0?0~?，应避免D接近于1。 8．在图示升降压斩波电路中，已知Ui=100V，R=0.5Ω，L和C极大，试求： 1）当占空比D＝0.2时的输出电压和输出电流的平均值； 2）当占空比D＝0.6时的输出电压和输出电流的平均值，并计算此时的输入功率。 VVDuiLCu0R 解：1）U0??I0?D0.2Ui???100??25V 1?D1?0.2U0?25???50A R0.5D0.6Ui???100??150V 1?D1?0.62）U0??I0?U0150????300A R0.5P?U0I0?(?150)?(?300)?45kW 9．试说明升降压斩波电路（Buck-Boost）与Cuk斩波电路的异同点。 答：相同点： 1） 二者都可以通过对占空比的调节来改变输出电压的大小，均能完成升降压的功能。 2） 二者均为反极性斩波电路，输出电压极性与输入电压极性相反。 不同点： 1） 升降压斩波电路的输入、输出均为脉动电流，为了平滑必须在输出端增加滤波装置， 从而使电路结构复杂，对提高系统的可靠性不利。 2） Cuk斩波电路的输入、输出回路均有电感，因此输入电源电流和输出负载电流都是 连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。 10．在单相交流调压器中，电源电压U1=120V，电阻负载R=10Ω，触发角α=900，试计算：负载电压有效值UO、负载电流有效值IO、负载功率PO和输入功率因数λ 。 解：Uo?I0?11π??12(2Usin?t)d(?t)?Usin2???120?sin2?900?11?π?2?π2?ππ?π?2?84.85V U084.85??8.49A R10P?U0I0?84.85?8.49?720.38W P720.38??0.707 S120?8.49?? 11．一电阻性负载加热炉有单相交流调压电路供电，在α＝00时位输出功率最大值，试求输出功率分别为80％及50％最大功率时的触发角α。 U02U121π??解：输出功率：P??(sin2??) RR2?π 当：P?0.8Pmax即： U12 ?0.8R1π??sin2???0.8?sin(2?)?2???0.4???1.2566，得：??60.54? 2?π（注意上式中α应用弧度计算） 又当：P?0.5Pmax 即： 1π??sin2???0.5?sin(2?)?2????，得：??90? 2?π 12．一晶闸管单相交流调压器带阻感性负载，电源电压为220V的交流电源，负载R=10Ω，L=1mH，试求： 1）触发角α的移相范围； 2）最大负载电流的有效值； 3）最大输出功率及此时电源侧的功率因数； 4）当α＝900时，晶闸管电流的有效值、晶闸管导通角和电源侧功率因数。 解：1）负载阻抗角为：??arctan(?LR)?arctan(314?0.001)?1.8?，所以触发角的移相范围为：10??1.8?~180? 2）当触发角为????1.8?时，输出电压最大，负载电流也达到最大，即 Imax?U1(?L)?R22?220(314?0.001)?1022?21.99A 3）Pmax?Imax2R?21.992?10?4835.60W；??cos??cos1.8??0.9995 4）当触发角α＝900时，先计算晶闸管的导通角 由式sin(90????1.8?)?sin(90??1.8?)e当α＝900时，导通角为900，使计算简化 U0?U1I0???tan1.8?，可得导通角。 也可查图3－30得出估计值，方法是：因??1.8?，所以负载可认为是纯电阻负载， U?1?[sin(2?)?sin(2??2?)]?1?155.56V， ??2U0(?L)?R22?155.56(314?0.001)?1022?15.55A ??U01??0.707 U12 13．某单相反并联调功电路，采用过零触发。电源电压U1=220V，电阻负载R=1Ω，控制的设定周期TC内，使晶闸管导通0.3s，断开0.2s，使计算送到电阻负载上的功率与假定晶闸管一直导通时所送出的功率。 解：假定晶闸管一直导通时，所送出的功率为： PmaxU122202???48.4kW R1N0.3Pmax??48.4?29.04kW M0.2?0.3晶闸管导通0.3s，断开0.2s，送到电阻负载上的功率为： P? 14．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。 交流调压是在交流电源的每个周期都对输出电压进行控制；而交流调功电路是在一定的周期内接通几个电源周期，再断开几个周期，通过改变接通和断开的比来宏观上调节输出电压的有效值。 交流调压电路广泛用于灯光控制以及异步电机的软启动，也可用于异步电机的小范围调速，在一些简单的场合可以取代变压器实现降压，这样的电路体积小成本低；交流调功电路常用于电炉等大时间常数的负载，由于负载的时间常数远大于工频周期，没有必要对交流电源的每个周期都进行控制，这样可以简化控制。 15．用一对反并联的晶闸管和使用一只双向晶闸管进行交流调压时，他们的主要差别是什么？ 答：二者主电路结构形式和控制效果相同，差别主要是触发脉冲不同。用一对反并联的晶闸 管时，必须对2个晶闸管采用分别触发控制，2个晶闸管的触发脉冲波形对称、互差180 度；而采用双向晶闸管，控制脉冲只需一路，脉冲间隔也是180度。另外对于大功率场合由于双向晶闸管的容量限制，普遍采用一对晶闸管反并联结构。 16．反并联的晶闸管和负载接成内三角形的三相交流调压电路，问该电路有何优点？ 答：1）负载接成内三角形的三相交流调压电路，每一相都可以当作独立的单相交流调压电 路进行控制，只是这时的每相负载的电压为交流输入的线电压。三相负载的控制不像星型接法那样互相影响，每相控制具有相对独立性。 2）各相负载电流中的3及3的倍数次谐波具有相同的相位，在负载三角形内形成环流，所以输入的线电流中不含有3及3的倍数次谐波，电源侧输入电流的谐波比星形接法的电路要小。 17．什么是TCR？什么是TSC？它们的基本原理是什么？各有何特点？ 答：TCR（Thyristor Controlled Reactor）是晶闸管控制电抗器的简称；TSC（Thyristor Switched Capacitor）是晶闸管投切电容器的简称。 二者的基本原理如下： TCR是利用电抗器来向电网中提供感性无功的装置。通过对晶闸管的触发控制角的控制，可以调节加到电抗器上的交流电压，也即可以连续调节流过电抗器的电流，从而能够调节电抗器向电网吸收的感性无功功率的大小。由于TCR只能从电网吸收感性无功，所以在实际使用中往往需要配以固定电容器（FC），这样就可以在容性到感性的范围内连续调节装置向系统提供的无功了。 TSC则是利用晶闸管来投入或切除连接到电网的电容器，这样可以控制电容器从电网吸收容性无功的大小，减小投切电容器时的冲击电流，使电容器可以迅速频繁投切。TSC符合大多数无功补偿的要求，但是其补偿是有级调节的，不能连续调节无功，但只要设计合理还是可以达到较理想的动态补偿效果的。 第四章 无源逆变电路 一、本章主要内容及重点与难点 【主要内容】 本章主要讨论换流方式以及无源逆变电路的工作原理，主要应掌握以下内容： 1. 逆变的概念以及有源逆变电路与无源逆变电路的区别； 2. 换流方式及其应用； 3. 电压型逆变电路的特点、工作原理及其波形分析； 4. 电流型逆变电路的特点、工作原理及其波形分析； 【重点与难点】 本章重点在于理解“换流”的概念，体会无源逆变电路中的换流问题，进而分析无源逆变电路的工作原理。主要包括以下内容： 1. 电压型逆变电路的特点；三相桥式电压型逆变电路的工作原理及其波形分析； 2. 电流型逆变电路的特点；谐振型逆变电路的工作原理及其波形分析； 3. 无源逆变电路的谐波分析。 本章难点在于无源逆变电路的“换流”问题以及三相桥式电压型逆变电路的工作原理及其波形分析。 二、典型习题解析 例4-1 采用晶闸管的无源逆变电路能够采用的换流方式有（ ）。 A 器件换流 B 电网换流 C 负载换流 D 强迫换流 【答案】C、D 【解析】本题主要考察换流方式的应用。由于晶闸管是半控型器件，不具备自关断能力，因此不能采用器件换流方式；无源逆变电路交流侧接负载而不是交流电网，因此不能采用电网换流方式。采用晶闸管的无源逆变电路能够采用的换流方式只有负载换流与强迫换流方式。 例4-2 电压型逆变电路的输出电压波形为（ ）。 A 矩形波 B 三角波 C 正弦波 D 与负载性质有关 【答案】A 【解析】本题主要考察电压型逆变电路的特点。电压型逆变电路的直流侧为电压源，器件的开通与关断只改变负载电压的方向，其波形为矩形波，而与负载的性质无关。 例4-3 并联谐振型电流逆变电路的输出电压波形为（ ）。 A 矩形波 B 三角波 C 正弦波 D 与负载性质有关 【答案】C 【解析】本题主要考察谐振型电流逆变电路的特点。电流型逆变电路的直流侧为电流源，器件的开通与关断只改变负载电流的方向，其波形为矩形波，与负载的性质无关，负载电压的波形取决于负载的性质。并联谐振型电流逆变电路工作在容性小失谐状态，因此其负载电压波形为正弦波。 例4-4 三相桥式电压型逆变电路的负载线电压中含有的谐波分量为（ ）次。 A 2k±1 （k>1） B 3k±1 （k≥1） C 6k±1 （k≥1） D 12k±1 （k≥1） 【答案】C 【解析】本题主要考察无源逆变电路的谐波分析。三相桥式电压型逆变电路的负载线电压为 宽度为120°的矩形波，经傅立叶级数分析可得其谐波成份为6k±1次。 例4-5 三相桥式电压型逆变电路的负载线电压中含有的谐波分量为（ ）次。 A 2k±1 （k>1） B 3k±1 （k≥1） C 6k±1 （k≥1） D 12k±1 （k≥1） 【答案】C 【解析】本题主要考察无源逆变电路的谐波分析。三相桥式电压型逆变电路的负载线电压为宽度为120°的矩形波，经傅立叶级数分析可得其谐波成份为6k±1次。 例4-6 单相桥式电流谐振型逆变电路，直流侧电流为100A，其输出负载电流的基波有效值为（ ）。 A 90A B 100A C 110A D 120A 【答案】C 【解析】本题主要考察单相桥式电流谐振型逆变电路的谐波分析。单相桥式电流谐振型逆变电路的负载电流为矩形波，经傅立叶级数分析可得其谐波成份为各次奇次谐波，基波电流有效值为4Id2?，因此直流侧电流为100A时输出负载电流的基波有效值为90A。 例4-7 若要改变单相全桥电压型逆变电路的输出负载电压，可采用下列方法（ ）。 A 调节直流侧电压 C 调节电路工作频率 B 调节直流侧电流 D 采用移相调压方式 【答案】A、D 【解析】本题主要考察单相桥式电压型逆变电路的工作原理。在180°导电方式下，电压型逆变电路负载电压为数值恒定、宽度为180°的矩形波，其大小取决于直流侧电压的大小。若要改变电压型逆变电路的输出电压。亦可采取移相调压方式，负载电压为宽度为θ的矩形波，通过改变角θ的大小也可实现调压的目的。 例4-8 三相桥式电压型逆变电路，180°导电方式，已知桥V1的触发信号，试画出V2~V6的触发信号以及A相负载电压uA的波形、线电压uAB的波形并分析不同情况下的等效电路。 uGE1ot 【解析】本题主要考察三相桥式电压型逆变电路的换流过程及工作原理。三相桥式电压型逆变电路在180°导电方式下V1~V6的触发信号依次间隔60°，每只管子导通180°，因此V2~V6的触发脉冲如下图（a）~（f）所示，在任意时刻总有三只管子导通，采用纵向换流 方式。 uGE1a)ouGE2t1t2t3t4t5t6tb)ouGE3tc)ouGE4td)ouGE5e)touGE6f)touANg)touABh)tot 在0~t1区间，V5、V6、V1有脉冲信号，为导通状态，因此等效电路及各相负载电压分别如图所示： CRUd3Ud+-RAUd32UdNR?3B 在t1~t2区间，V6、V1、V2有脉冲信号，为导通状态，因此等效电路为： A+-R32UdUdBdR?3UNRC?Ud3