電力電子技術(shù)第四版三四章課后答案.doc

第3章 直流斬波電路 1簡述圖3-1a所示的降壓斬波電路工作原理。答：降壓斬波器的原理是：在一個控制周期中，讓V導(dǎo)通一段時間ton，由電源E向L、R、M供電，在此期間，uoE。然后使V關(guān)斷一段時間toff，此時電感L通過二極管VD向R和M供電，uo0。一個周期內(nèi)的平均電壓Uo。輸出電壓小于電源電壓，起到降壓的作用。 2在圖3-1a所示的降壓斬波電路中，已知E=200V，R=10，L值極大，EM=30V，T=50s,ton=20s,計(jì)算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。解：由于L值極大，故負(fù)載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為Uo=80(V)輸出電流平均值為Io =5(A) 3在圖3-1a所示的降壓斬波電路中，E=100V， L=1mH，R=0.5，EM=10V，采用脈寬調(diào)制控制方式，T=20s，當(dāng)ton=5s時，計(jì)算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io，計(jì)算輸出電流的最大和最小值瞬時值并判斷負(fù)載電流是否連續(xù)。當(dāng)ton=3s時，重新進(jìn)行上述計(jì)算。解：由題目已知條件可得：m=0.1=0.002 當(dāng)ton=5s時，有=0.01ar=0.0025 由于=0.249m所以輸出電流連續(xù)。 此時輸出平均電壓為Uo =25(V) 輸出平均電流為Io =30(A) 輸出電流的最大和最小值瞬時值分別為Imax=30.19(A)Imin=29.81(A)當(dāng)ton=3s時，采用同樣的方法可以得出：=0.0015 由于=0.149m所以輸出電流仍然連續(xù)。 此時輸出電壓、電流的平均值以及輸出電流最大、最小瞬時值分別為：Uo =15(V)Io =10(A)Imax=10.13(A)Imin=9.873(A) 4簡述圖3-2a所示升壓斬波電路的基本工作原理。答：假設(shè)電路中電感L值很大，電容C值也很大。當(dāng)V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為I1，同時電容C上的電壓向負(fù)載R供電，因C值很大，基本保持輸出電壓為恒值Uo。設(shè)V處于通態(tài)的時間為ton，此階段電感L上積蓄的能量為。當(dāng)V處于斷態(tài)時E和L共同向電容C充電并向負(fù)載R提供能量。設(shè)V處于斷態(tài)的時間為toff，則在此期間電感L釋放的能量為。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即：化簡得：式中的，輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。 5在圖3-2a所示的升壓斬波電路中，已知E=50V，L值和C值極大，R=20，采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng)T=40s，ton=25s時，計(jì)算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。解：輸出電壓平均值為：Uo =133.3(V)輸出電流平均值為：Io =6.667(A) 6試分別簡述升降壓斬波電路和Cuk斬波電路的基本原理，并比較其異同點(diǎn)。答：升降壓斬波電路的基本原理：當(dāng)可控開關(guān)V處于通態(tài)時，電源E經(jīng)V向電感L供電使其貯存能量，此時電流為i1，方向如圖3-4中所示。同時，電容C維持輸出電壓基本恒定并向負(fù)載R供電。此后，使V關(guān)斷，電感L中貯存的能量向負(fù)載釋放，電流為i2，方向如圖3-4所示?？梢姡?fù)載電壓極性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反。穩(wěn)態(tài)時，一個周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即當(dāng)V處于通態(tài)期間，uL = E；而當(dāng)V處于斷態(tài)期間，uL = - uo。于是：所以輸出電壓為：改變導(dǎo)通比a，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當(dāng)0a 1/2時為降壓，當(dāng)1/2a 1時為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。Cuk斬波電路的基本原理：當(dāng)V處于通態(tài)時，EL1V回路和RL2CV回路分別流過電流。當(dāng)V處于斷態(tài)時，EL1CVD回路和RL2VD回路分別流過電流。輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。該電路的等效電路如圖3-5b所示，相當(dāng)于開關(guān)S在A、B兩點(diǎn)之間交替切換。假設(shè)電容C很大使電容電壓uC的脈動足夠小時。當(dāng)開關(guān)S合到B點(diǎn)時，B點(diǎn)電壓uB=0，A點(diǎn)電壓uA= - uC；相反，當(dāng)S合到A點(diǎn)時，uB= uC，uA=0。因此，B點(diǎn)電壓uB的平均值為（UC為電容電壓uC的平均值），又因電感L1的電壓平均值為零，所以。另一方面，A點(diǎn)的電壓平均值為，且L2的電壓平均值為零，按圖3-5b中輸出電壓Uo的極性，有。于是可得出輸出電壓Uo與電源電壓E的關(guān)系： 兩個電路實(shí)現(xiàn)的功能是一致的，均可方便的實(shí)現(xiàn)升降壓斬波。與升降壓斬波電路相比，Cuk斬波電路有一個明顯的優(yōu)點(diǎn)，其輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動很小，有利于對輸入、輸出進(jìn)行濾波。 7試?yán)L制Speic斬波電路和Zeta斬波電路的原理圖，并推導(dǎo)其輸入輸出關(guān)系。解：Sepic電路的原理圖如下：Sepic斬波電路 在V導(dǎo)通ton期間，uL1=EuL2= uC1在V關(guān)斷toff期間uL1E-uo-uC1uL2= -uo 當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，電感L1、L2的電壓平均值均為零，則下面的式子成立E ton + (E-uo-uC1) toff =0uC1 ton-uo toff=0由以上兩式即可得出Uo= Zeta電路的原理圖如下： 在V導(dǎo)通ton期間，uL1= EuL2= E - uC1-uo在V關(guān)斷toff期間uL1 uC1uL2= -uo 當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，電感L1、L2的電壓平均值均為零，則下面的式子成立E ton + uC1 toff =0(E-uo-uC1) ton-uo toff=0由以上兩式即可得出Uo= 8分析圖3-7a所示的電流可逆斬波電路，并結(jié)合圖3-7b的波形，繪制出各個階段電流流通的路徑并標(biāo)明電流方向。解：電流可逆斬波電路中，V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，由電源向直流電動機(jī)供電，電動機(jī)為電動運(yùn)行，工作于第1象限；V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，把直流電動機(jī)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊答伒诫娫矗闺妱訖C(jī)作再生制動運(yùn)行，工作于第2象限。圖3-7b中，各階段器件導(dǎo)通情況及電流路徑等如下：V1導(dǎo)通，電源向負(fù)載供電： V1關(guān)斷，VD1續(xù)流： V2導(dǎo)通，L上蓄能： V2關(guān)斷，VD2導(dǎo)通，向電源回饋能量 9對于圖3-8所示的橋式可逆斬波電路，若需使電動機(jī)工作于反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，試分析此時電路的工作情況，并繪制相應(yīng)的電流流通路徑圖，同時標(biāo)明電流流向。解：需使電動機(jī)工作于反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)時，由V3和VD3構(gòu)成的降壓斬波電路工作，此時需要V2保持導(dǎo)通，與V3和VD3構(gòu)成的降壓斬波電路相配合。 當(dāng)V3導(dǎo)通時，電源向M供電，使其反轉(zhuǎn)電動，電流路徑如下圖： 當(dāng)V3關(guān)斷時，負(fù)載通過VD3續(xù)流，電流路徑如下圖： 10多相多重?cái)夭娐酚泻蝺?yōu)點(diǎn)？答：多相多重?cái)夭娐芬蛟陔娫磁c負(fù)載間接入了多個結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路，使得輸入電源電流和輸出負(fù)載電流的脈動次數(shù)增加、脈動幅度減小，對輸入和輸出電流濾波更容易，濾波電感減小。 此外，多相多重?cái)夭娐愤€具有備用功能，各斬波單元之間互為備用，總體可靠性提高。第4章 交流電力控制電路和 交交變頻電路 1. 一調(diào)光臺燈由單相交流調(diào)壓電路供電，設(shè)該臺燈可看作電阻負(fù)載，在=0時輸出功率為最大值，試求功率為最大輸出功率的80%，50%時的開通角。解：=0時的輸出電壓最大，為此時負(fù)載電流最大，為因此最大輸出功率為輸出功率為最大輸出功率的80%時，有：此時，又由解得=60.54同理，輸出功率為最大輸出功率的50%時，有：又由=90 2一單相交流調(diào)壓器，電源為工頻220V，阻感串聯(lián)作為負(fù)載，其中R=0.5，L=2mH。試求：開通角的變化范圍；負(fù)載電流的最大有效值；最大輸出功率及此時電源側(cè)的功率因數(shù)；當(dāng)=時，晶閘管電流有效值，晶閘管導(dǎo)通角和電源側(cè)功率因數(shù)。解：負(fù)載阻抗角為：=arctan（）=arctan（）=0.89864=51.49 開通角的變化范圍為：即0.89864當(dāng)=時，輸出電壓最大，負(fù)載電流也為最大，此時輸出功率最大，為Pomax=37.532(KW)功率因數(shù)為實(shí)際上，此時的功率因數(shù)也就是負(fù)載阻抗角的余弦，即cosj=0.6227 =時，先計(jì)算晶閘管的導(dǎo)通角，由式（4-7）得sin(+-0.89864)=sin(-0.89864)解上式可得晶閘管導(dǎo)通角為：=2.375=136.1也可由圖4-3估計(jì)出q 的值。此時，晶閘管電流有效值為=123.2(A)電源側(cè)功率因數(shù)為其中：=174.2(A)于是可得出 3交流調(diào)壓電路和交流調(diào)功電路有什么區(qū)別？二者各運(yùn)用于什么樣的負(fù)載？為什么？答：交流調(diào)壓電路和交流調(diào)功電路的電路形式完全相同，二者的區(qū)別在于控制方式不同。 交流調(diào)壓電路是在交流電源的每個周期對輸出電壓波形進(jìn)行控制。而交流調(diào)功電路是將負(fù)載與交流電源接通幾個周波，再斷開幾個周波，通過改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制）及異步電動機(jī)的軟起動，也用于異步電動機(jī)調(diào)速。在供用電系統(tǒng)中，還常用于對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。此外，在高電壓小電流或低電壓大電流直流電源中，也常采用交流調(diào)壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。如采用晶閘管相控整流電路，高電壓小電流可控直流電源就需要很多晶閘管串聯(lián)；同樣，低電壓大電流直流電源需要很多晶閘管并聯(lián)。這都是十分不合理的。采用交流調(diào)壓電路在變壓器一次側(cè)調(diào)壓，其電壓電流值都不太大也不太小，在變壓器二次側(cè)只要用二極管整流就可以了。這樣的電路體積小、成本低、易于設(shè)計(jì)制造。交流調(diào)功電路常用于電爐溫度這樣時間常數(shù)很大的控制對象。由于控制對象的時間常數(shù)大，沒有必要對交流電源的每個周期進(jìn)行頻繁控制。 4什么是TCR，什么是TSC？它們的基本原理是什么？各有何特點(diǎn)？答：TCR是晶閘管控制電抗器。TSC是晶閘管投切電容器。 二者的基本原理如下： TCR是利用電抗器來吸收電網(wǎng)中的無功功率（或提供感性的無功功率），通過對晶閘管開通角a角的控制，可以連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器的電流，從而調(diào)節(jié)TCR從電網(wǎng)中吸收的無功功率的大小。 TSC則是利用晶閘管來控制用于補(bǔ)償無功功率的電容器的投入和切除來向電網(wǎng)提供無功功率（提供容性的無功功率）。二者的特點(diǎn)是：TCR只能提供感性的無功功率，但無功功率的大小是連續(xù)的。實(shí)際應(yīng)用中往往配以固定電容器（FC），就可以在從容性到感性的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率。TSC提供容性的無功功率，符合大多數(shù)無功功率補(bǔ)償?shù)男枰?。其提供的無功功率不能連續(xù)調(diào)節(jié)，但在實(shí)用中只要分組合理，就可以達(dá)到比較理想的動態(tài)補(bǔ)償效果。5單相交交變頻電路和直流電動機(jī)傳動用的反并聯(lián)可控整流電路有什么不同？答：單相交交變頻電路和直流電動機(jī)傳動用的反并聯(lián)可控整流電路的電路組成是相同的，均由兩組反并聯(lián)的可控整流電路組成。但兩者的功能和工作方式不同。單相交交變頻電路是將交流電變成不同頻率的交流電，通常用于交流電動機(jī)傳動，兩組可控整流電路在輸出交流電壓一個周期里，交替工作各半個周期，從而輸出交流電。而直流電動機(jī)傳動用的反并聯(lián)可控整流電路是將交流電變?yōu)橹绷麟?，兩組可控整流電路中哪一組工作并沒有像交交變頻電路那樣的固定交替關(guān)系，而是由電動機(jī)工作狀態(tài)的需要決定。 6交交變頻電路的最高輸出頻率是多少？制約輸出頻率提高的因素是什么？答：一般來講，構(gòu)成交交變頻電路的兩組變流電路的脈波數(shù)越多，最高輸出頻率就越高。當(dāng)交交變頻電路中采用常用的6脈波三相橋式整流電路時，最高輸出頻率不應(yīng)高于電網(wǎng)頻率的1/31/2。當(dāng)電網(wǎng)頻率為50Hz時，交交變頻電路輸出的上限頻率為20Hz左右。當(dāng)輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所包含的電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴(yán)重，電壓波形畸變和由此引起的電流波形畸變以及電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。 7交交變頻電路的主要特點(diǎn)和不足是什么？其主要用途是什么？答：交交變頻電路的主要特點(diǎn)是： 只用一次變流，效率較高；可方便實(shí)現(xiàn)四象限工作；低頻輸出時的特性接近正弦波。交交變頻電路的主要不足是：接線復(fù)雜，如采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用36只晶閘管；受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低；輸出功率因數(shù)較低；輸入電流諧波含量大，頻譜復(fù)雜。 主要用途：500千瓦或1000千瓦以下的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路，如軋機(jī)主傳動裝置、鼓風(fēng)機(jī)、球磨機(jī)等場合。 8 三相交交變頻電路有那兩種接線方式？它們有什么區(qū)別？答：三相交交變頻電路有公共交流母線進(jìn)線方式和輸出星形聯(lián)結(jié)方式兩種接線方式。兩種方式的主要區(qū)別在于：公共交流母線進(jìn)線方式中，因?yàn)殡娫催M(jìn)線端公用，所以三組單相交交變頻電路輸出端必須隔離。為此，交流電動機(jī)三個繞組必須拆開，共引出六根線。而在輸出星形聯(lián)結(jié)方式中，因?yàn)殡妱訖C(jī)中性點(diǎn)不和變頻器中性點(diǎn)接在一起，電動機(jī)只引三根線即可，但是因其三組單相交交變頻器的輸出聯(lián)在一起，其電源進(jìn)線必須隔離，因此三組單相交交變頻器要分別用三個變壓器供電。 9 在三相交交變頻電路中，采用梯形波輸出控制的好處是什么？為什么？答：在三相交交變頻電路中采用梯形波控制的好處是可以改善輸入功率因數(shù)。 因?yàn)樘菪尾ǖ闹饕C波成分是三次諧波，在線電壓中，三次諧波相互抵消，結(jié)果線電壓仍為正弦波。在這種控制方式中，因?yàn)闃蚴诫娐纺軌蜉^長時間工作在高輸出電壓區(qū)域（對應(yīng)梯形波的平頂區(qū)），a角較小，因此輸入功率因數(shù)可提高15%左右。 10試述矩陣式變頻電路的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)。為什么說這種電路有較好的發(fā)展前景？答：矩陣式變頻電路的基本原理是：對輸入的單相或三相交流電壓進(jìn)行斬波控制，使輸出成為正弦交流輸出。矩陣式變頻電路的主要優(yōu)點(diǎn)是：輸出電壓為正弦波；輸出頻率不受電網(wǎng)頻率的限制；輸入電流也可控制為正弦波且和電壓同相；功率因數(shù)為1，也可控制為需要的功率因數(shù)；能量可雙向流動，