Controllable Anomalous Dispersion and Group Index Nulling via Bi-Frequency Raman Gain in Rb Vapor for application to Ultraprecision
Rotation Sensing
G.S. Pati, Renu Tripathi, M. Messall, K. Salit and M.S. Shahriar
Department of Electrical Engineering and ComputerScience,
Northwestern University,Evanston IL 60208
PACS Codes: https://www.doczj.com/doc/b45595242.html,, 42.50.-p, 42.50.Nn, 82.70.-y, 39.20.+q, 39.90.+d
We have recently proposed [9], the use of ‘fast-light’ media to obtain
ultrahigh precision rotation sensing capabilities. The scheme relies on
producing a critically anomalous dispersion (CAD), in a suitable dispersive
medium, which is introduced in the arms of a Sagnac interferometer. We
present here an experimental investigation of the anomalous dispersion
properties of bi-frequency Raman gain in Rb vapor, with the goal of using
this medium for producing the CAD condition. A heterodyne phase
measurement technique is used to measure accurately the index variation
associated with the dispersion. The slope of the negative linear dispersion (or
group index) is experimentally varied by more than two orders of magnitude
while changing the frequency separation between pump fields, responsible
for producing gain. Using this result, we have identified the experimental
parameters for achieving a null value of the group index, corresponding to
the CAD condition necessary for enhanced rotational sensitivity.
Resonant dispersion phenomena that originate due to optically induced coherence between atomic levels of alkali atom vapors or rare-earth solids have caused a resurgence of interest in problems that involve light propagation in dispersive media [1-4]. Earlier experiments have reported significantly large values of the linear dispersion n ?ω?
[O(10-8)] in order to demonstrate “ultra-slow light”, which is promising for many applications including photon switching and quantum memory [5-7]. The motivation for our study stems from recent proposals [8,9] that have addressed the subject of light propagation in resonantly dispersive moving media, such as an optical gyroscope, and have predicted conditions under which extreme dispersion can play an important role in sensitivity enhancement. It has been found that the slow-light-related dispersion dramatically modifies the light-drag coefficient to enhance rotational sensitivity of a Sagnac interferometer, but only when measuring the relative motion. In contrast, anomalous or negative dispersion (with appropriate bounds) can enhance the sensitivity of an absolute rotation sensor by many orders of magnitude [9]. To realize the effect of negative dispersion in a resonator gyroscope, we are considering an atomic medium that can exhibit resonant anomalous dispersion with ()o o n n ??ω≈corresponding to a group index 0 < n g << 1, where n o is the mean value of medium index and ωo is the center frequency for resonant dispersion. A higher sensitivity is achieved for value of n g close to its null value [9], a condition known as critically anomalous dispersion (CAD).
The goal of this paper is to report experimental identification of conditions necessary to realize a CAD medium, by using bi-frequency Raman gain in Rb vapor. In earlier experiments [4, 18], the transparent spectral gain region and the negative dispersion associated with gain doublets were used to demonstrate the superluminal propagation of optical pulses, a phenomenon known as “fast light." Anomalous dispersion gives rise to a rephasing of the different frequency components of the pulse, to move the pulse forward in time, an effect that does not violate causality. On the other hand, our application simply relies on a CAD type dispersion characteristic experienced by continuous-wave bi-directional probes in a resonator when the probe frequencies are shifted in opposite directions due to rotation [9]. Under this condition, the steep index gradient leads to a further increase in the frequency splitting between the cavity modes, and thereby, the sensitivity. Another important remark about the CAD medium is the following: most of the experiments done to date intend to achieve large value of negative n g in order to demonstrate significant pulse advancement or superluminal propagation. The typical value of linear dispersion n??ω reported in these experiments ranges anywhere between 10-11 to 10-13 rad-1 sec. In contrast, a CAD medium for our application only requires a value in the range 10-15 rad-1 sec, which is two orders of magnitude smaller. As shown here experimentally, this condition is achievable in bi-frequency Raman gain using experimentally controllable parameter.
Raman gain is observed in a three-level atomic medium under the two-photon resonance condition. It is normally achieved by applying a strong coupling laser that creates both
population inversion and drives one leg of the stimulated Raman process [10-12]. Under this condition, the atomic medium behaves as a laser-like gain medium. Single-pass Raman gain with a large gain coefficient g o (~ 0.35 cm-1) and subnatural linewidth can be achieved using a medium with modest atomic density [N ~ O(1012)] and ground-state dephasing. Experimentally, self-pumped off-resonant Raman gain as high as 12-15 dB has been observed using frequency-detuned coupling (or pump) lasers that have been tuned far below the atomic resonance in 85Rb vapor (~ 1.2 GHz) [13]. Spectral measurements of such gain have also been performed, showing the generation of strong Raman sidebands at anti-Stokes frequencies. However, gain can also be extracted more efficiently using a relatively weak coupling laser intensity and observed over a wide range of frequency detunings, if external optical pumping is used to create a population inversion between the two ground states.
We have used the latter approach to produce bi-frequency Raman gain. It displays a steep negative dispersion in the intermediate region between the two gain regions. Our experiment shows that the dispersion slope can be varied in order to achieve a group index n g close to a zero (or null) value. This experiment has advantages when compared to the use of other absorption phenomena in coherently prepared atomic media that have recently [14, 15, 20] been used to produce negative dispersion. We have measured accurately the magnitude of linear dispersion while varying n g close to the null value using a heterodyne technique. The phase change due to the index variation associated with resonant dispersion has also been measured. The linear bandwidth and dispersion slope for the probe are estimated from these measurements. This provides information
about the sensitivity, dynamic range and operational bandwidth of a CAD medium based resonator gyroscope.
Fig. 1 shows the hyperfine ground states and the excited state manifolds of the D2 line in 85Rb that constitute a Λ-type configuration for an off-resonant Raman excitation. Fig. 2 shows the schematic of our experimental setup. The probe and pump laser beams are obtained from an external cavity frequency-locked CW Ti:Sapphire laser (line width ~ 1 MHz). The frequency difference between them is matched to the ground state splitting in 85Rb (3.0357 GHz), a condition which is known as a two-photon resonance. This is achieved by frequency shifting the probe with respect to the pump using an acousto-optic modulator (AOM), which is not shown in fig.2. While observing the linewidth associated with Raman gain, the probe frequency is continuously scanned around the two-photon resonance. The beams are cross-linearly polarized.
As shown in fig.1, two pump beams of slightly different frequencies are used to generate closely spaced gain peaks, called a gain doublet, in order to produce anomalous dispersion. An incoherent beam from a tapered amplifier diode laser (fig. 2) is used for optical pumping. This beam is frequency-locked to the 5S1/2, F = 2 to 5P3/2, F′ = 3 transition in 85Rb and is orthogonally polarized with respect to the probe beam. The two pump beams and the probe are combined using two beam splitters, one polarizing, and the other non-polarizing at the input end, and made to propagate collinearly in a 10 cm long Rb vapor cell that contains a mixture of the 85 and 87 isotopes. The beams are also focused in the medium to an estimated spot size of 100 μm, which corresponds a
confocal distance of approximately 5 cm. The vapor cell is magnetically shielded using two-layers of μ-metal. During the experiment, the cell is heated to nearly a steady temperature of 100o C using bifilarly wound coils that produce a negligible axial magnetic field. After passing through the vapor cell, the probe beam is separated from all the other beams by using a high extinction (50 dB) prism polarizer.
While observing the maximum probe gain, the average frequency detuning ?o (fig. 1) of the laser fields associated with the Λ-transition is varied by tuning the laser frequency away from the 5S 1/2, F = 3 to 5P 3/2 F ′ = 4 transition. Maximum gain is obtained when ?o is detuned close to 2 GHz below the transition. This also allows the off-resonant probe beam to be completely transmitted through the medium. A single pass probe gain as high as 12 dB has been observed by heating the cell to a higher temperature. Experimentally, significant broadening of the gain linewidth has been observed either by increasing the pump laser intensity or by bringing the average frequency detuning ?o closer to the 5S 1/2, F = 3 to 5P 3/2, F ′ = 4 85Rb resonance. A Raman gain doublet has been observed using bichromatic pump beams that are frequency separated by ? = 2 MHz. These pump beams are generated using two AOMs driven by independent rf sources with frequencies 40 MHz and 42 MHz, respectively. Fig. 3 shows a time-averaged profile of the gain doublet observed as a function of the probe frequency, by varying the difference frequency δ from the two photon resonance condition. Here, ω(21≡ω?ω)2 is defined as the probe frequency and ω1 as the average of the pump frequencies. During observation, the pump intensity is set equal to ~ 0.2 W/cm 2, which corresponds to a pump Rabi frequency of ? ~ 4 GHz. The ratio of pump to probe intensities is set to about 20. A maximum gain of
3.5 dB has been observed in the background of the transmitted probe which varies due to the non-uniformity of the AOM diffraction across the probe scan. The frequency linewidth associated with the gain profiles is found to be ~ 700 KHz and the separation between the gain peaks is equal to δ. Satellite gain peaks around the main peaks are also observed due to additional frequency harmonics generated by our AOM drivers.
Fig. 4a shows Raman gain obtained with no time-averaging and under similar experimental conditions as above. The profile shows a large temporal modulation superimposed on the Raman gain spectrum, predominantly at the same frequency as the frequency separation between the pumps. Modulation at higher harmonic frequencies of ? is also evident from the corresponding power spectrum, which are shown in fig. 5a. Fig. 4b shows a similar gain spectrum with an increased modulation frequency by using pump beams with ? = 4 MHz. The magnitude of modulation was diminished with increasing pump separation due to the finite response time of the detector. In order to verify that the gain modulation is not due to residual pump leakage resulting from any kind of polarization rotation under the gain condition, we performed spectral measurements using a scanning Fabry-Perot (FP) resonator with an FSR ~ 17 GHz. The result of the measurement is shown in fig.6. The probe frequency is adjusted to the resonance condition for observing maximum gain. The dashed line in fig.6 shows a FP scan where we deliberately misaligned the polarization filtering to show the pump leakage for comparison. The solid line in fig.6 shows a scan with virtually no trace of the pump on the frequency-axis, corresponding to a position down-shifted by 3.0357 GHz
with respect to the probe peak. The FP filter used for this purpose has a transmission of nearly 70%, thus confirming negligible pump leakage.
The presence of this temporal modulation may be interpreted as follows. The application of bichromatic pumps to a coherently driven two-level system produces a cascade of virtual excited levels with frequency separations that are integer multiples of the pump difference frequency ?. These virtual levels have different populations. The temporal modulation of the gain spectrum observed in our experiment results from the beating of the amplified probe beam with all coherently scattered Raman signals mediated through these virtual levels. A similar effect has also been discussed in the context of Bloch-Siegert oscillation and qubit rotation [16, 17]. Observations leading to similar modulation effects have also been reported in earlier experiments [18, 19] done using an atomic vapor medium.
The temporal modulation of the gain spectrum also causes modulation of the dispersion induced index profile, which follows from the Kramers-Kronig relation. This has been observed during dispersion measurements in our experiment. In general, index modulation may have a detrimental effect on the performance of a CAD based resonator gyroscope. However, it is actually possible to use this modulation to our advantage. In particular, it can be used to implement a dither modulation in order to overcome the so-called lock-in phenomenon [20] that occurs in a passive resonator from mode-coupling due to backscattering. A precise control over modulation amplitude would be required for this application. On the other hand, the modulation can be eliminated using an alternative
experimental arrangement where the gain is produced by cascading two gain media (or vapor cells), each one being driven by a separate monochromatic pump field. In such a configuration, the probe still sees two gain peaks, and the concomitant dispersion. However, since the two pump frequencies do not interact with the same atoms, there is no temporal modulation of the gain profile.
As stated earlier, a key objective here is to measure accurately the magnitude of the linear dispersion between the two gain regions, while controlling it to achieve a value of n g close to zero. In order to measure the phase due to dispersion or the index variation resulting from Raman gain, we have used a heterodyne method (fig. 2) in our experimental setup. A non-resonant auxiliary or reference wave is produced by frequency shifting a fraction of the probe beam using a 40 MHz AOM. This is then divided in two parts: one is combined with the probe that experiences Raman gain and the other with the unperturbed fraction of the probe that does not propagate through the cell. These two heterodyne RF signals are detected using two fast photodetectors (response time < 10 ns). The phase difference between the two rf signals varies due to dispersion as the probe frequency scans around the gain resonance, and is given by ()L n k ω?=δφ, where k is the magnitude of the wave vector and L is the length of the vapor cell. A low phase noise RF mixer and a low-pass frequency filter (dc to 300 KHz) are used to demodulate the rf signal from the detectors. The amplitude of the demodulated signal is proportional to δφ for 1L )(n k <<ω?, which is valid if 610n
vibrations and allows us to measure accurately the dispersion in the atomic medium under gain resonance [21].
Fig.7 shows the dispersion associated with double Raman gain as calculated from the experimentally measured variation of the phase as a function of the difference frequency detuning δ. A maximum index modulation ?n, which is of the order of 10-6 ,has been observed, with a steep negative dispersion slope (?n/?ω~ 10-12 rad-1sec, n g ~ -1000). Large gain and dispersion slopes are easily achievable experimentally by increasing the coupling laser intensity and/or the cell temperature. Under experimental conditions, the index measurement is highly repeatable and is accurate to about 80%. Several factors such as electronic phase and frequency jitter, gain modulation and intensity noise limit the measurement accuracy. Fig. 8 shows an experimental measurement (non-averaged) where the dispersion slope is varied by changing the frequency separation between the pumps. The slope changes by more than two orders of magnitude before it is limited by the measurement accuracy. For a pump frequency separation ? = 4 MHz in fig.8, a linear dispersion slope ~ 4 x 10-15 rad-1 sec was measured over a bandwidth 0.5 MHz. This corresponds to a negative group index n g value of -8.66. Although our current measurement ability prohibits us from measuring extremely shallow dispersion slopes (4.1 x 10-16 rad-1 sec) near the CAD condition, it clearly demonstrates the controllability to attain the dispersion condition desirable for the gyroscope operation. In order to determine the frequency separation ? at which the n g can be close to zero, we have done a numerical extrapolation to the experimental data for linear dispersion slopes measured from fig. 8. Under the particular experimental conditions chosen for bi-frequency Raman
gain, fig. 9 shows the variation in n g extrapolated as a function of ?. Within our measurement accuracy, it shows that a ? value close to 4.1 MHz can give rise to a value of n g that is nearly equal to zero. As mentioned earlier, the temporal modulation of the phase or index profile due to gain modulation from bi-frequency pumps has also been observed by removing the low-pass filter while demodulating the signal from the detectors. As expected, the bandwidth of the linear negative dispersion region decreases with increasing pump separation. The resulting limitation on the bandwidth of the operation of a CAD-enhanced gyro is not expected to be significant for practical applications.
In conclusion, we have investigated the resonant anomalous dispersion associated with bi-frequency Raman gain in Rb vapor for CAD enhanced rotation sensing. The dispersion slope is continuously tuned by varying the pump frequency separation, in order to achieve a group index close to the null value where the sensitivity enhancement is expected. The experiment also shows that the linearity and the dynamic range of dispersion which govern the performance of a CAD-enhanced gyroscope can be controlled by easily accessible experimental parameters. As such, the work presented here represents a key step in establishing the feasibility of a CAD-enhanced gyroscope.
This work was supported in part by the AFOSR and the ARO MURI program.
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List of Figures:
Fig. 1.Energy level diagram showing optical excitations in 85Rb D2 transitions for stimulated bi-frequency Raman gain
Fig. 2 Experimental arrangement. PBS, polarizing beam splitter, AOM, acousto-optic modulator, D, photodiode
Fig. 3Time-averaged Raman gain doublet using bi-frequency pumps with ? = 2 MHz Fig. 4 Gain modulation using bi-frequency pumps with (a) ? = 2 MHz (b) ? = 4 MHz Fig. 5 Power spectrum of gain doublet showing modulation frequencies at multiples of pump frequency separation for ? = (a) 2 MHz (b) 4 MHz
Fig. 6Spectrum showing transmitted probe and pump through a scanning FP filter at maximum probe gain. Negligible pump leakage (solid line) is observed
compared to the case when polarization filter is misaligned (dashed line). Fig. 7Measured dispersion (?n/?ω ~ -2.65 x 10-13 rad-1 sec, n g ~ 639) associated with bi-frequency Raman gain using the heterodyne technique.
Fig. 8 Heterodyne measurement mapping variation in dispersion slope with pump separation ? (a) 2 MHz, ?n/?ω = -1.08x10-12 rad-1 sec, n g = -2608 (b) 2.5 MHz,
?n/?ω = -1.4x10-13 rad-1 sec, n g = -337.3 (c) 3 MHz, ?n/?ω = -8.05x10-14 rad-1
sec, n g = -193.5 (d) 4 MHz, ?n/?ω = -4x10-15 rad-1 sec, n g = -8.66. These
measurements were done over a bandwidth ?f = 0.5 MHz.
Fig. 9 Group index (n g) change with pump frequency separation (?) estimated from dispersion profiles shown in fig. 8. A numerical extrapolation of experimental
data shows that group index null (n g =0) can be achieved using ?~4.1 MHz, for
the parameters chosen under experimental condition.
F=2F=3
5S
Figure 1. Energy level diagram showing optical excitations in 85Rb D2 transitions for stimulated bi-frequency Raman gain
Phase sensitive
pump
Figure 2 Experimental arrangement. PBS, polarizing beam splitter, AOM, acousto-optic modulator, D, photodiode
00.05
0.1
0.15
0.2
0.250.30.35
0.4
0.450.5
δ (ω2-ω1) (MHz)g a i n m a g . (a .u .)Figure 3 Time-averaged Raman gain doublet using bi-frequency pumps with ?=2MHz.
-2.5-2-1.5-1-0.500.51 1.52 2.50.20.40.60.8δ (ω2-ω1) (MHz)g a i n m a g . (a .u )
00.5
11.5
δ (ω2-ω1) (MHz) g a i n m a g . (a .u )
Figure 4 Gain modulation using bi-frequency pumps with (a) ?= 2 MHz
x 106
50100150
frequency (MHz)p o w e r s p e c t r u m (d B )x 1060
50100150
frequency (MHz)p o w e r s p e c t r u m (d B )Figure 5 Power spectrum of gain doublet showing modulation frequencies at multiples of pump frequency separation for ?=(a)2MHz (b)4MHz.
-20
-15-10-5
frequency (GHz)m a g n i t u d e (d B )Figure 6 Spectrum showing transmitted probe and pump through a
scanning FP filter at maximum probe gain. Negligible pump leakage (solid line)is observed compared to the case when polarization filter is
习题1 选择题 (1) 一运动质点在某瞬时位于矢径),(y x r 的端点处，其速度大小为 (A)dt dr (B)dt r d (C)dt r d | | (D) 22)()(dt dy dt dx + [答案：D] (2) 一质点作直线运动，某时刻的瞬时速度s m v /2=，瞬时加速度2 /2s m a -=，则一秒钟后质点的速度 (A)等于零 (B)等于-2m/s (C)等于2m/s (D)不能确定。 [答案：D] (3) 一质点沿半径为R 的圆周作匀速率运动，每t 秒转一圈，在2t 时间间隔中，其平均速度大小和平均速率大小分别为 (A) t R t R ππ2, 2 (B) t R π2,0 (C) 0,0 (D) 0,2t R π [答案：B] 填空题 (1) 一质点，以1 -?s m π的匀速率作半径为5m 的圆周运动，则该质点在5s 内，位移的大小是 ；经过的路程是 。 [答案： 10m ； 5πm] (2) 一质点沿x 方向运动，其加速度随时间的变化关系为a=3+2t (SI)，如果初始时刻质点的速度v 0为5m·s -1，则当t 为3s 时，质点的速度v= 。 [答案： 23m·s -1 ] (3) 轮船在水上以相对于水的速度1V 航行，水流速度为2V ，一人相对于甲板以速度3V 行走。如人相对于岸静止，则1V 、2V 和3V 的关系是 。 [答案： 0321=++V V V ]
一个物体能否被看作质点，你认为主要由以下三个因素中哪个因素决定： (1) 物体的大小和形状； (2) 物体的内部结构； (3) 所研究问题的性质。 解：只有当物体的尺寸远小于其运动范围时才可忽略其大小的影响，因此主要由所研究问题的性质决定。 下面几个质点运动学方程，哪个是匀变速直线运动？ （1）x=4t-3；（2）x=-4t 3+3t 2+6；（3）x=-2t 2+8t+4；（4）x=2/t 2-4/t 。 给出这个匀变速直线运动在t=3s 时的速度和加速度，并说明该时刻运动是加速的还是减速的。（x 单位为m ，t 单位为s ） 解：匀变速直线运动即加速度为不等于零的常数时的运动。加速度又是位移对时间的两阶导数。于是可得（3）为匀变速直线运动。 其速度和加速度表达式分别为 2 2484 dx v t dt d x a dt = =+== t=3s 时的速度和加速度分别为v =20m/s ，a =4m/s 2。因加速度为正所以是加速的。 在以下几种运动中，质点的切向加速度、法向加速度以及加速度哪些为零哪些不为零？ (1) 匀速直线运动；(2) 匀速曲线运动；(3) 变速直线运动；(4) 变速曲线运动。 解：(1) 质点作匀速直线运动时，其切向加速度、法向加速度及加速度均为零； (2) 质点作匀速曲线运动时，其切向加速度为零，法向加速度和加速度均不为零； (3) 质点作变速直线运动时，其法向加速度为零，切向加速度和加速度均不为零； (4) 质点作变速曲线运动时，其切向加速度、法向加速度及加速度均不为零。 ｜r ?｜与r ? 有无不同?t d d r 和d d r t 有无不同? t d d v 和t d d v 有无不同?其不同在哪里?试举例说明． 解：（1）r ?是位移的模，?r 是位矢的模的增量，即r ?12r r -=，12r r r -=?； （2） t d d r 是速度的模，即t d d r ==v t s d d . t r d d 只是速度在径向上的分量. ∵有r r ?r =（式中r ?叫做单位矢），则 t ?r ?t r t d d d d d d r r r += 式中 t r d d 就是速度在径向上的分量，
变电所母线桥的动稳定校验 随着用电负荷的快速增长，许多变电所都对主变进行了增容，并对相关设备进行了调换和校验，但往往会忽视主变母线桥的动稳定校验，事实上此项工作非常重要。当主变增容后，由于阻抗发生了变化，短路电流将会增大许多，一旦发生短路，产生的电动力有可能会对母线桥产生破坏。特别是户内母线桥由于安装时受地理位置的限制，绝缘子间的跨距较长，受到破坏的可能性更大，所以应加强此项工作。 下面以我局35kV/10kv胡店变电所#2主变增容为例来谈谈如何进行主变母线桥的动稳定校验和校验中应注意的问题。 1短路电流计算 图1为胡店变电所的系统主接线图。(略) 已知#1主变容量为10000kVA，短路电压为7.42%，#2主变容量为12500kVA，短路电压为7.48%(增容前短路电压为7.73%)。 取系统基准容量为100MVA，则#1主变短路电压标么值 X1＝7.42/100×100×1000/10000＝0.742， #2主变短路电压标么值 X2＝7.48/100×100×1000/12500＝0.5984 胡店变电所最大运行方式系统到35kV母线上的电抗标么值为0.2778。 ∴#1主变与#2主变的并联电抗为： X12=X1×X2/(X1+X2)＝0.33125； 最大运行方式下系统到10kV母线上的组合电抗为： X＝0.2778+0.33125＝0.60875
∴10kV母线上的三相短路电流为：Id=100000/0.60875*√3*10.5，冲击电流：I sh=2.55I =23032.875A。 d 2动稳定校验 (1)10kV母线桥的动稳定校验： 进行母线桥动稳定校验应注意以下两点： ①电动力的计算，经过对外边相所受的力，中间相所受的力以及三相和二相电动力进行比较，三相短路时中间相所受的力最大，所以计算时必须以此为依据。 ②母线及其支架都具有弹性和质量，组成一弹性系统，所以应计算应力系数，计及共振的影响。根据以上两点，校验过程如下： 已知母线桥为8×80mm2的铝排，相间中心线间距离为210mm，先计算应力系数： ∵频率系数N f＝3.56，弹性模量E＝7×10.7 Pa，单位长度铝排质量M＝1.568kg/m，绝缘子间跨距2m，则一阶固有频率: f’=(N f/L2)*√(EI/M)=110Hz 查表可得动态应力系数β＝1.3。 ∴单位长度铝排所受的电动力为： f ph＝1.73×10-7I sh2/a×β＝568.1N/m ∵三相铝排水平布置，∴截面系数W＝bh2/6＝85333mm3，根据铝排的最大应力可确定绝缘子间允许的最大跨距为： L MAX=√10*σal*W/ f ph=3.24m ∵胡店变主变母线桥绝缘子间最大跨距为2m，小于绝缘子间的最大允许跨距。
电子电力课后习题答案 第一章电力电子器件 1.1 使晶闸管导通的条件是什么？ 答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正相阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。 或者U AK >0且U GK >0 1.2 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。 1.3 图1－43中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为 I m ，试计算各波形的电流平均值I d1 、I d2 、I d3 与电流有效值I 1 、I 2 、I 3 。 解：a) I d1= Im 2717 .0 )1 2 2 ( 2 Im ) ( sin Im 2 1 4 ≈ + = ?π ω π π π t I 1= Im 4767 .0 2 1 4 3 2 Im ) ( ) sin (Im 2 1 4 2≈ + = ?π ? π π π wt d t b) I d2= Im 5434 .0 )1 2 2 ( 2 Im ) ( sin Im 1 4 = + = ?wt d t π π ? π I 2= Im 6741 .0 2 1 4 3 2 Im 2 ) ( ) sin (Im 1 4 2≈ + = ?π ? π π π wt d t c) I d3= ?= 2 Im 4 1 ) ( Im 2 1π ω π t d I 3= Im 2 1 ) ( Im 2 1 2 2= ?t dω π π 1.4.上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶阐管能送出的平均电流I d1、I d2 、I d3 各为多 少?这时，相应的电流最大值I m1、I m2 、I m3 各为多少? 解：额定电流I T(AV) =100A的晶闸管，允许的电流有效值I=157A,由上题计算结果知 a) I m1 35 . 329 4767 .0 ≈ ≈ I A, I d1 ≈0.2717I m1 ≈89.48A
习题1 1.1选择题 (1) 一运动质点在某瞬时位于矢径),(y x r 的端点处，其速度大小为 (A)dt dr (B)dt r d (C)dt r d | | (D) 22)()(dt dy dt dx + [答案：D] (2) 一质点作直线运动，某时刻的瞬时速度s m v /2=，瞬时加速度2 /2s m a -=，则一秒钟后质点的速度 (A)等于零 (B)等于-2m/s (C)等于2m/s (D)不能确定。 [答案：D] (3) 一质点沿半径为R 的圆周作匀速率运动，每t 秒转一圈，在2t 时间间隔中，其平均速度大小和平均速率大小分别为 (A) t R t R ππ2, 2 (B) t R π2,0 (C) 0,0 (D) 0,2t R π [答案：B] 1.2填空题 (1) 一质点，以1 -?s m π的匀速率作半径为5m 的圆周运动，则该质点在5s 内，位移的大小是 ；经过的路程是 。 [答案： 10m ； 5πm] (2) 一质点沿x 方向运动，其加速度随时间的变化关系为a=3+2t (SI)，如果初始时刻质点的速度v 0为5m·s -1，则当t 为3s 时，质点的速度v= 。 [答案： 23m·s -1 ] (3) 轮船在水上以相对于水的速度1V 航行，水流速度为2V ，一人相对于甲板以速度3V 行走。如人相对于岸静止，则1V 、2V 和3V 的关系是 。 [答案： 0321=++V V V ]
1.3 一个物体能否被看作质点，你认为主要由以下三个因素中哪个因素决定： (1) 物体的大小和形状； (2) 物体的内部结构； (3) 所研究问题的性质。 解：只有当物体的尺寸远小于其运动范围时才可忽略其大小的影响，因此主要由所研究问题的性质决定。 1.4 下面几个质点运动学方程，哪个是匀变速直线运动？ （1）x=4t-3；（2）x=-4t 3+3t 2+6；（3）x=-2t 2+8t+4；（4）x=2/t 2-4/t 。 给出这个匀变速直线运动在t=3s 时的速度和加速度，并说明该时刻运动是加速的还是减速的。（x 单位为m ，t 单位为s ） 解：匀变速直线运动即加速度为不等于零的常数时的运动。加速度又是位移对时间的两阶导数。于是可得（3）为匀变速直线运动。 其速度和加速度表达式分别为 2 2484 dx v t dt d x a dt = =+== t=3s 时的速度和加速度分别为v =20m/s ，a =4m/s 2。因加速度为正所以是加速的。 1.5 在以下几种运动中，质点的切向加速度、法向加速度以及加速度哪些为零哪些不为零？ (1) 匀速直线运动；(2) 匀速曲线运动；(3) 变速直线运动；(4) 变速曲线运动。 解：(1) 质点作匀速直线运动时，其切向加速度、法向加速度及加速度均为零； (2) 质点作匀速曲线运动时，其切向加速度为零，法向加速度和加速度均不为零； (3) 质点作变速直线运动时，其法向加速度为零，切向加速度和加速度均不为零； (4) 质点作变速曲线运动时，其切向加速度、法向加速度及加速度均不为零。 1.6 ｜r ?｜与r ? 有无不同?t d d r 和d d r t 有无不同? t d d v 和t d d v 有无不同?其不同在哪里?试举例说明． 解：（1）r ?是位移的模，?r 是位矢的模的增量，即r ?12r r -=，12r r r -=?； （2） t d d r 是速度的模，即t d d r ==v t s d d . t r d d 只是速度在径向上的分量. ∵有r r ?r =（式中r ?叫做单位矢），则 t ?r ?t r t d d d d d d r r r += 式中 t r d d 就是速度在径向上的分量，
电力电子技术期末考试 试题及答案 Coca-cola standardization office【ZZ5AB-ZZSYT-ZZ2C-ZZ682T-ZZT18】
电力电子技术试题 第1章电力电子器件 1.电力电子器件一般工作在__开关__状态。 2.在通常情况下，电力电子器件功率损耗主要为__通态损耗__，而当器件开关频率较高时，功率损耗主要为__开关损耗__。 3.电力电子器件组成的系统，一般由__控制电路__、_驱动电路_、_主电路_三部分组成，由于电路中存在电压和电流的过冲，往往需添加_保护电路__。 4.按内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，电力电子器件可分为_单极型器件_、_双极型器件_、_复合型器件_三类。 5.电力二极管的工作特性可概括为_承受正向电压导通，承受反相电压截止_。 6.电力二极管的主要类型有_普通二极管_、_快恢复二极管_、_肖特基二极管_。 7.肖特基二极管的开关损耗_小于_快恢复二极管的开关损耗。 8.晶闸管的基本工作特性可概括为__正向电压门极有触发则导通、反向电压则截止__。 9.对同一晶闸管，维持电流IH与擎住电流IL在数值大小上有IL__大于__IH 。 10.晶闸管断态不重复电压UDSM与转折电压Ubo数值大小上应为，UDSM_大于__Ubo。 11.逆导晶闸管是将_二极管_与晶闸管_反并联_（如何连接）在同一管芯上的功率集成器件。 的__多元集成__结构是为了便于实现门极控制关断而设计的。 的漏极伏安特性中的三个区域与GTR共发射极接法时的输出特性中的三个区域有对应关系，其中前者的截止区对应后者的_截止区_、前者的饱和区对应后者的__放大区__、前者的非饱和区对应后者的_饱和区__。 14.电力MOSFET的通态电阻具有__正__温度系数。 的开启电压UGE（th）随温度升高而_略有下降__，开关速度__小于__电力MOSFET 。 16.按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的性质，可将电力电子器件分为_电压驱动型_和_电流驱动型_两类。 的通态压降在1/2或1/3额定电流以下区段具有__负___温度系数，在1/2或1/3额定电流以上区段具有__正___温度系数。 18.在如下器件：电力二极管（Power Diode）、晶闸管（SCR）、门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应管（电力MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）中，属于不可控器件的是_电力二极管__，属于半控型器件的是__晶闸管_，属于全控型器件的是_GTO 、GTR 、电力
母线电动力及动热稳定性计算 1 目的和范围 本文档为电气产品的母线电动力、动稳定、热稳定计算指导文件，作为产品结构设计安全指导文件的方案设计阶段指导文件，用于母线电动力、动稳定性、热稳定性计算的选型指导。 2 参加文件 表1 3 术语和缩略语 表2 4 母线电动力、动稳定、热稳定计算 4.1 载流导体的电动力计算 4.1.1 同一平面内圆细导体上的电动力计算
? 当同一平面内导体1l 和2l 分别流过1I 和2I 电流时（见图1），导体1l 上的电动力计 算 h F K I I 4210 π μ= 式中 F ——导体1l 上的电动力（N ） 0μ——真空磁导率，m H 60104.0-?=πμ； 1I 、2I ——流过导体1l 和2l 的电流（A ）； h K ——回路系数，见表1。 图1 圆细导体上的电动力 表1 回路系数h K 表 两导体相互位置及示意图 h K 平 行 21l l = ∞=1l 时，a l K h 2= ∞≠1l 时，?? ? ???-+=l a l a a l K h 2)(12 21l l ≠ 22 2) ()(1l a m l a l a K h ++-+= 22)()1(l a m +-- l a m =
? 当导体1l 和2l 分别流过1I 和2I 电流时，沿1l 导体任意单位长度上各点的电动力计 算 f 124K f I I d μ= π 式中 f ——1l 导体任意单位长度上的电动力（m N ）； f K ——与同一平面内两导体的长度和相互位置有关的系数，见表2。 表2 f K 系数表
4.1.2 两平行矩形截面导体上的电动力计算 两矩形导体（母线）在b ＜＜a ，且b ＞＞h 的情况下，其单位长度上的电动力F 的 计算见表3。 当矩形导体的b 与a 和h 的尺寸相比不可忽略时，可按下式计算 712 210x L F I I K a -=? 式中 F -两导体相互作用的电动力，N ； L -母线支承点间的距离，m ； a -导体间距，m ； 1I 、2I -流过两个矩形母线的电流，A ； x K -导体截面形状系数； 表3 两矩形导体单位长度上的电动力 4.1.3 三相母线短路时的电动力计算
电力电子技术答案 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：uAK>0且uGK>0。 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。 2-4图2-27中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为I m ，试计算各波形的电流平均值I d1、I d2、I d3与电流有效值I 、I 、I 。 πππ4 π4 π2 5π4a) b)c) 图1-43 图2-27 晶闸管导电波形 解：a) I d1= π21?π πωω4 )(sin t td I m =π2m I (122+)≈0.2717 I m I 1= ?π πωωπ 4 2 )()sin (21 t d t I m =2m I π 2143+≈0.4767 I m b) I d2 = π1?π πωω4)(sin t td I m =π m I ( 12 2 +)≈0.5434 I m I 2 = ? π π ωωπ 4 2) ()sin (1 t d t I m = 2 2m I π 21 43+ ≈0.6741I m c) I d3=π21?2 )(π ωt d I m =41 I m I 3 =? 2 2 ) (21π ωπt d I m = 2 1 I m 2-5上题中如果不考虑安全裕量,问100A 的晶阐管能送出的平均电流I d1、I d2、I d3各为多少?这时，相应的电流最大值I m1、I m2、 I m3各为多少? 解：额定电流I T(AV)=100A 的晶闸管，允许的电流有效值I=157A,由上题计算结果知 a) I m1≈4767.0I ≈329.35， I d1≈0.2717 I m1≈89.48 b) I m2≈ 6741 .0I ≈232.90, I d2≈0.5434 I m2≈126.56 c) I m3=2 I = 314, I d3= 4 1 I m3=78.5 2-6 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? 答：GTO 和普通晶阐管同为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 1α和2α， 由普通晶阐管的分析可得， 121=+αα是器件临界导通的条件。1 21＞αα+两个等效晶体管过饱和而导通；
《电力电子技术》试卷1答案 一、填空（每空1分，36分） 1、请在正确的空格内标出下面元件的简称： 电力晶体管GTR；可关断晶闸管GTO；功率场效应晶体管MOSFET；绝缘栅双极型晶体管IGBT；IGBT是MOSFET和GTR的复合管。 2、晶闸管对触发脉冲的要求是要有足够的驱动功率、触发脉冲前沿要陡幅值要高和触发脉冲要与晶闸管阳极电压同步。 3、多个晶闸管相并联时必须考虑均流的问题，解决的方法是串专用均流电抗器。 4、在电流型逆变器中，输出电压波形为正弦波，输出电流波形为方波。 5、型号为KS100-8的元件表示双向晶闸管晶闸管、它的额定电压为800V伏、额定有效电流为100A。 6、180°导电型三相桥式逆变电路，晶闸管换相是在同一桥臂上的上、下二个元件之间进行；而120o导电型三相桥式逆变电路，晶闸管换相是在不同桥臂上的元件之间进行的。 7、当温度降低时，晶闸管的触发电流会增加、正反向漏电流会下降；当温度升高时，晶闸管的触发电流会下降、正反向漏电流会增加。 8、在有环流逆变系统中，环流指的是只流经逆变电源、逆变桥而不流经负载的电流。环流可在电路中加电抗器来限制。为了减小环流一般采控用控制角α大于β的工作方式。 9、常用的过电流保护措施有快速熔断器、串进线电抗器、接入直流快速开关、控制快速移相使输出电压下降。（写出四种即可） 10、双向晶闸管的触发方式有Ⅰ+、Ⅰ-、Ⅲ＋、Ⅲ-四种。 二、判断题,（每题1分，10分）（对√、错×） 1、在半控桥整流带大电感负载不加续流二极管电路中，电路出故障时会出现失 控现象。（√） 2、在用两组反并联晶闸管的可逆系统，使直流电动机实现四象限运行时，其中 一组逆变器工作在整流状态，那么另一组就工作在逆变状态。（×） 3、晶闸管串联使用时，必须注意均流问题。（×） 4、逆变角太大会造成逆变失败。（×） 5、并联谐振逆变器必须是略呈电容性电路。（√） 6、给晶闸管加上正向阳极电压它就会导通。（×） 7、有源逆变指的是把直流电能转变成交流电能送给负载。（×） 8、在单相全控桥整流电路中，晶闸管的额定电压应取U2。（×） 9、在三相半波可控整流电路中，电路输出电压波形的脉动频率为300Hz。（×） 10、变频调速实际上是改变电动机内旋转磁场的速度达到改变输出转速的目的。 （√） 三、选择题（每题3分，15分）
筠连县分水岭煤业有限责任公司 井 下 高 压 电 缆 热 稳 定 性 校 验 计 算 书 巡司二煤矿 编制：机电科 筠连县分水岭煤业有限责任公司
井下高压电缆热稳定校验计算书 一、概述： 根据《煤矿安全规程》第453条及456条之规定，对我矿入井高压电缆进行热稳定校验。 二、确定供电方式 我矿高压供电采用分列运行供电方式，地面变电所、井下变电所均采用单母线分段分列供电方式运行，各种主要负荷分接于不同母线段。 三、井下高压电缆明细： 矿上有两趟主进线，引至巡司变电站不同母线段，一趟931线，另一趟925线。井下中央变电所由地面配电房10KV输入。 入井一回路：MYJV22-8.7/10KV 3*50mm2--800m(10KV) 入井二回路：MYJV22-8.7/10KV 3*50mm2--800m(10KV) 四、校验计算 1、井下入井回路高压电缆热稳定性校验 已知条件：该条高压电缆型号为，MYJV22-8.7/10KV 3*50mm2 ,800m，电缆长度为800m=0.8km。 （1）计算电网阻抗 查附表一，短路电流的周期分量稳定性为 电抗：X=0.072*0.8=0.0576Ω； 电阻：R=0.407*0.8=0.3256 Ω； (2)三相短路电流的计算
A Z I 5.174693305 .0310000 3v 3=?== ∞ （3）电缆热稳定校验 由于断路器的燃弧时间及固有动作时间之和约为t=0.05S; 查附表二得热稳定计算系数取K=142; 故电缆最小热值稳定截面为 23mm 51.2705.0142/5.17469t )/(min ===∞）（K I S Smin<50mm 2 故选用 MYJV 22 -8.7/10KV 3*50 电缆热稳定校验合格，符合要求。 附表一：三相电缆在工作温度时的阻抗值（Ω/Km ） 电缆截面S （mm 2 ） 4 6 10 16 2 5 35 50 70 95 120 150 185 240 交联聚乙烯 R 4.988 3.325 2.035 1.272 0.814 0.581 0.407 0.291 0.214 0.169 0.136 0.11 0.085 X 0.093 0.093 0.087 0.082 0.075 0.072 0.072 0.069 0.069 0.069 0.07 0.07 0.07 附表二 不同绝缘导体的热稳定计算系数 绝缘材料 芯线起始温度（° C ） 芯线最高允许温度（°C ） 系数K 聚氯乙烯 70 160 115（114） 普通橡胶 75 200 131 乙丙橡胶 90 250 143（142） 油浸纸绝缘 80 160 107 交联聚乙烯 90 250 142
0-1.什么是电力电子技术? 电力电子技术是应用于电力技术领域中的电子技术；它是以利用大功率电子器件对能量进行变换和控制为主要内容的技术。国际电气和电子工程师协会（IEEE）的电力电子学会对电力电子技术的定义为：“有效地使用电力半导体器件、应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。” 0-2.电力电子技术的基础与核心分别是什么? 电力电子器件是基础。电能变换技术是核心. 0-3.请列举电力电子技术的 3 个主要应用领域。 电源装置;电源电网净化设备;电机调速系统;电能传输和电力控制;清洁能源开发和新蓄能系统;照明及其它。 0-4.电能变换电路有哪几种形式?其常用基本控制方式有哪三种类型? AD-DC整流电;DC-AC逆变电路;AC-AC交流变换电路;DC-DC直流变换电路。 常用基本控制方式主要有三类：相控方式、频控方式、斩控方式。 0-5.从发展过程看，电力电子器件可分为哪几个阶段? 简述各阶段的主要标志。可分为：集成电晶闸管及其应用；自关断器件及其应用；功率集成电路和智能功率器件及其应用三个发展阶段。集成电晶闸管及其应用：大功率整流器。自关断器件及其应用：各类节能的全控型器件问世。功率集成电路和智能功率器件及其应用：功率集成电路（PIC），智能功率模块（IPM）器件发展。 0-6.传统电力电子技术与现代电力电子技术各自特征是什么? 传统电力电子技术的特征：电力电子器件以半控型晶闸管为主，变流电路一般 为相控型，控制技术多采用模拟控制方式。 现代电力电子技术特征：电力电子器件以全控型器件为主，变流电路采用脉宽 调制型，控制技术采用PWM数字控制技术。 0-7.电力电子技术的发展方向是什么? 新器件：器件性能优化，新型半导体材料。高频化与高效率。集成化与模块化。数字化。绿色化。 1-1.按可控性分类，电力电子器件分哪几类? 按可控性分类，电力电子器件分为不可控器件、半控器件和全控器件。 1-2.电力二极管有哪些类型?各类型电力二极管的反向恢复时间大约为多少? 电力二极管类型以及反向恢复时间如下： 1）普通二极管，反向恢复时间在5us以上。 2）快恢复二极管，反向恢复时间在5us以下。快恢复极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者在100ns 以下，甚至达到20~30ns，多用于高频整流和逆变电路中。 3）肖特基二极管，反向恢复时间为10～40ns。 1-3.在哪些情况下，晶闸管可以从断态转变为通态? 维持晶闸管导通的条件是什么? 1、正向的阳极电压； 2、正向的门极电流。两者缺一不可。阳极电流大于维持电流。
习题1 1.1选择题 (1) 一运动质点在某瞬时位于矢径),(y x r 的端点处，其速度大小为 (A)dt dr (B)dt r d (C)dt r d | | (D) 22)()(dt dy dt dx + [答案：D] (2) 一质点作直线运动，某时刻的瞬时速度s m v /2=，瞬时加速度2 /2s m a -=，则 一秒钟后质点的速度 (A)等于零 (B)等于-2m/s (C)等于2m/s (D)不能确定。 [答案：D] (3) 一质点沿半径为R 的圆周作匀速率运动，每t 秒转一圈，在2t 时间间隔中，其平均速度大小和平均速率大小分别为 (A) t R t R ππ2, 2 (B) t R π2,0 (C) 0,0 (D) 0,2t R π [答案：B] 1.2填空题 (1) 一质点，以1 -?s m π的匀速率作半径为5m 的圆周运动，则该质点在5s 内，位移的大小是 ；经过的路程是 。 [答案： 10m ； 5πm] (2) 一质点沿x 方向运动，其加速度随时间的变化关系为a=3+2t (SI)，如果初始时刻质点的 速度v 0为5m ·s -1 ，则当t 为3s 时，质点的速度v= 。 [答案： 23m ·s -1 ] (3) 轮船在水上以相对于水的速度1V 航行，水流速度为2V ，一人相对于甲板以速度3V 行走。如人相对于岸静止，则1V 、2V 和3V 的关系是 。 [答案： 0321=++V V V ]
1.3 一个物体能否被看作质点，你认为主要由以下三个因素中哪个因素决定： (1) 物体的大小和形状； (2) 物体的内部结构； (3) 所研究问题的性质。 解：只有当物体的尺寸远小于其运动范围时才可忽略其大小的影响，因此主要由所研究问题的性质决定。 1.4 下面几个质点运动学方程，哪个是匀变速直线运动？ （1）x=4t-3；（2）x=-4t 3+3t 2+6；（3）x=-2t 2+8t+4；（4）x=2/t 2 -4/t 。 给出这个匀变速直线运动在t=3s 时的速度和加速度，并说明该时刻运动是加速的还是减速的。（x 单位为m ，t 单位为s ） 解：匀变速直线运动即加速度为不等于零的常数时的运动。加速度又是位移对时间的两阶导数。于是可得（3）为匀变速直线运动。 其速度和加速度表达式分别为 2 2484 dx v t dt d x a dt = =+== t=3s 时的速度和加速度分别为v =20m/s ，a =4m/s 2 。因加速度为正所以是加速的。 1.5 在以下几种运动中，质点的切向加速度、法向加速度以及加速度哪些为零哪些不为零？ (1) 匀速直线运动；(2) 匀速曲线运动；(3) 变速直线运动；(4) 变速曲线运动。 解：(1) 质点作匀速直线运动时，其切向加速度、法向加速度及加速度均为零； (2) 质点作匀速曲线运动时，其切向加速度为零，法向加速度和加速度均不为零； (3) 质点作变速直线运动时，其法向加速度为零，切向加速度和加速度均不为零； (4) 质点作变速曲线运动时，其切向加速度、法向加速度及加速度均不为零。 1.6 ｜r ?｜与r ? 有无不同?t d d r 和d d r t 有无不同? t d d v 和t d d v 有无不同?其不同在哪里?试举例说明． 解：（1）r ?是位移的模，?r 是位矢的模的增量，即r ?12r r -=，12r r r -=?； （2） t d d r 是速度的模，即t d d r ==v t s d d . t r d d 只是速度在径向上的分量. ∵有r r ?r =（式中r ?叫做单位矢），则 t ?r ?t r t d d d d d d r r r += 式中 t r d d 就是速度在径向上的分量，
井下高压开关、供电电缆动热稳定性校验 一、-350中央变电所开关断路器开断能力及电缆热稳定性校验 1 23 G 35kV 2 Uz%=7.5△P N.T =12kW △P N.T =3.11kW S N.T =8MVA 6kV S1点三相短路电流计算： 35kV 变压器阻抗： 2 22.1. u %7.5 6.30.37()1001008z N T N T U Z S ?===Ω? 35kV 变压器电阻：2 22.1.22. 6.30.0120.007()8 N T N T N T U R P S =?=?=Ω 35kV 变压器电抗：10.37()X = ==Ω 电缆电抗：02(x )0.415000.08780 0.66()1000 1000i L X ??+?== =Ω∑ 电缆电阻：02(x )0.11815000.118780 0.27()1000 1000 i L R ??+?== =Ω∑ 总阻抗： 21.370.66) 1.06( Z ==Ω S1点三相短路电流：(3)1 3.43()d I KA === S2点三相短路电流计算： S2点所用电缆为MY-3×70+1×25，长400米，变压器容量为500KV A ，查表的：(2)2d I =2.5KA
S2点三相短路电流：32 d d =2.88I I KA = 1、架空线路、入井电缆的热稳定性校验。已知供电负荷为3128.02KV A ，电压为6KV ，需用系数0.62，功率因数cos 0.78φ=，架空线路长度1.5km ，电缆长度780m (1)按经济电流密度选择电缆，计算容量为 3128.020.62 2486.37cos 0.78 kp S KVA φ?= ==。 电缆的长时工作电流Ig 为239.25 Ig === A 按长时允许电流校验电缆截面查煤矿供电表5-15得MYJV42-3×185-6/6截面长时允许电流为479A/6kV 、大于239.25A 符合要求。 (2)按电压损失校验，配电线路允许电压损失5%得 60000.1300Uy V ?=?=，线路的实际电压损失 109.1L U COS DS φφ?====，U ?小于300V 电压损失满足要求 (3)热稳定性条件校验，短路电流的周期分量稳定性为 电缆最小允许热稳定截面积： 3 2min d =S I mm 其中：i t ----断路器分断时间，一般取0.25s ； C----电缆热稳定系数，一般取100，环境温度35℃，电缆温升不超过120℃时，铜芯电缆聚乙烯电缆熔化温度为130℃，电
第二章： 1.晶闸管的动态参数有断态电压临界上升率du/dt和通态电流临界上升率等，若 du/dt过大，就会使晶闸管出现_ 误导通_，若di/dt过大，会导致晶闸管_损坏__。 2.目前常用的具有自关断能力的电力电子元件有电力晶体管、可关断晶闸管、 功率场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管几种。简述晶闸管的正向伏安特性 答: 晶闸管的伏安特性 正向特性当IG=0时，如果在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过。 如果正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低，晶闸管本身的压降很小，在1V左右。 如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态，IH称为维持电流。 3.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：uAK>0且uGK>0。 4.在如下器件：电力二极管（Power Diode）、晶闸管（SCR）、门极可关断晶闸管 （GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应管（电力MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）中，属于半控型器件的是 SCR 。 5.晶闸管的擎住电流I L 答：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。 6.晶闸管通态平均电流I T(AV) 答：晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。 7.晶闸管的控制角α（移相角） 答：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用a表示,也称触发角或控制角。
《电力电子技术》试卷 一．填空（共15分，1分/空） 1.电力电子技术通常可分为（）技术和（）技术两个分支。 2.按驱动电路信号的性质可以将电力电子器件分为（）型器件和（）型器件两类，晶闸管属于其中的（）型器件。 3.晶闸管单相桥式全控整流电路带反电动势负载E时（变压器二次侧电压有效值为U ，忽略主电路 2 各部分的电感），与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ称为（）角，数量关系为δ=（）。 4.三相桥式全控整流电路的触发方式有（）触发和（）触发两种，常用的是（）触发。 5.三相半波可控整流电路按联接方式可分为（）组和（）组两种。 6.在特定场合下，同一套整流电路即可工作在（）状态，又可工作在（）状态，故简称变流电路。 7.控制角α与逆变角β之间的关系为（）。 二．单选（共10分，2分/题） 1．采用（）是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。 A.直流断路器 B. 快速熔断器 C.过电流继电器 2．晶闸管属于（）。 A.不可控器件 B. 全控器件 C.半控器件 3．单相全控桥式整流电路，带阻感负载（L足够大）时的移相范围是（）。 A．180O B.90O C.120O 4．对三相全控桥中共阴极组的三个晶闸管来说，正常工作时触发脉冲相位应依次差（）度。 A.60 B. 180 C. 120 5．把交流电变成直流电的是（）。 A. 逆变电路 B.整流电路 C.斩波电路 三．多选（共10分，2分/题） 1．电力电子器件一般具有的特征有。 A.所能处理电功率的大小是其最重要的参数 B.一般工作在开关状态 C.一般需要信息电子电路来控制 D.不仅讲究散热设计，工作时一般还需接散热器 2．下列电路中，不存在变压器直流磁化问题的有。 A.单相全控桥整流电路 B.单相全波可控整流电路 C.三相全控桥整流电路 D.三相半波可控整流电路 3．使晶闸管关断的方法有。 A.给门极施加反压 B.去掉阳极的正向电压 C.增大回路阻抗 D.给阳极施加反压 4．逆变失败的原因有。 A.触发电路不可靠 B.晶闸管发生故障 C.交流电源发生故障 D.换相裕量角不足 5．变压器漏抗对整流电路的影响有。 A.输出电压平均值降低 B.整流电路的工作状态增多 C.晶闸管的di/dt减小 D.换相时晶闸管电压出现缺口 四．判断（共5分,1分/题） 1.三相全控桥式整流电路带电阻负载时的移相范围是150O。（） 2.晶闸管是一种四层三端器件。（）
*作品编号：DG13485201600078972981* 创作者：玫霸* 筠连县分水岭煤业有限责任公司 井 下 高 压 电 缆 热 稳 定 性 校 验 计 算 书 巡司二煤矿
编制：机电科 筠连县分水岭煤业有限责任公司 井下高压电缆热稳定校验计算书 一、概述： 根据《煤矿安全规程》第453条及456条之规定，对我矿入井高压电缆进行热稳定校验。 二、确定供电方式 我矿高压供电采用分列运行供电方式，地面变电所、井下变电所均采用单母线分段分列供电方式运行，各种主要负荷分接于不同母线段。 三、井下高压电缆明细： 矿上有两趟主进线，引至巡司变电站不同母线段，一趟931线，另一趟925线。井下中央变电所由地面配电房10KV输入。 入井一回路：MYJV22-8.7/10KV 3*50mm2--800m(10KV) 入井二回路：MYJV22-8.7/10KV 3*50mm2--800m(10KV) 四、校验计算 1、井下入井回路高压电缆热稳定性校验 已知条件：该条高压电缆型号为，MYJV22-8.7/10KV 3*50mm2 ,800m，电缆长度为800m=0.8km。 （1）计算电网阻抗 查附表一，短路电流的周期分量稳定性为
电抗：X=0.072*0.8=0.0576Ω； 电阻：R=0.407*0.8=0.3256 Ω； (2)三相短路电流的计算 （3）电缆热稳定校验 由于断路器的燃弧时间及固有动作时间之和约为t=0.05S; 查附表二得热稳定计算系数取K=142; 故电缆最小热值稳定截面为 Smin<50mm2故选用 MYJV22 -8.7/10KV 3*50 电缆热稳定校验合格，符合要求。 附表一：三相电缆在工作温度时的阻抗值（Ω/Km）
20××－20××学年第一学期期末考试 《电力电子技术》试卷(A) （时间90分钟 满分100分） （适用于 ××学院 ××级 ××专业学生） 一、 填空题（30分,每空1分）。 1．如下器件：电力二极管（Power Diode ）、晶闸管（SCR ）、门极可关断晶闸管（GTO ）、电力晶体管（GTR ）、电力场效应管（电力MOSFET ）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT ）中，属于不可控器件的是________，属于半控型器件的是________，属于全控型器件的是________；属于单极型电力电子器件的有________，属于双极型器件的有________，属于复合型电力电子器件得有 ________；在可控的器件中，容量最大的是________，工作频率最高的是________，属于电压驱动的是________，属于电流驱动的是________。（只写简称） 2．单相桥式全控整流电路中，带纯电阻负载时，α角移相范围为 _，单个晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压分别为 和 ；带阻感负载时，α角移相范围为 ，单个晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压分别为 和 。 3．直流斩波电路中最基本的两种电路是 和 。 4．升降压斩波电路呈现升压状态时，占空比取值范围是__ _。 5．与CuK 斩波电路电压的输入输出关系相同的有 、 和 。 6．当采用6脉波三相桥式电路且电网频率为50Hz 时，单相交交变频电路的输出上限频率约为 。 7．三相交交变频电路主要有两种接线方式，即 _和 。 8．矩阵式变频电路是近年来出现的一种新颖的变频电路。它采用的开关器件是 ；控制方式是 。 9．逆变器按直流侧提供的电源的性质来分，可分为 型逆变器和 型逆变器。 10．把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路称为 。 二、简答题（18分,每题6分）。 1．逆变电路多重化的目的是什么？如何实现？串联多重和并联多重逆变电路各应用于什么场合？ 2．交流调压电路和交流调功电路有什么异同？ 3．功率因数校正电路的作用是什么？有哪些校正方法？其基本原理是什么？ 三、计算题（40分，1题20分，2题10分，3题10分）。 1．一单相交流调压器，电源为工频220V ，阻感串联作为负载，其中R=0.5Ω，L=2mH 。 试求：①开通角α的变化范围；②负载电流的最大有效值；③最大输出功率及此时电源侧的功率因数；④当2πα＝时，晶闸管电流有效值，晶闸管导通角和电源侧功率因数。 2．.三相桥式电压型逆变电路，工作在180°导电方式，U d =200V 。试求输出相电压的基波幅值U UN1m 和有效值U UN1、输出线电压的基波幅值U UV1m 和有效值U UV1、输出线电压中7次谐波的有效值U UV7。 3 ．如图所示降压斩波电路E=100V ，L 值极大，R=0.5Ω，E m =10V ，采用脉宽调制控制方式，T=20μs ，当t on =5μs 时，计算输出电压平均值U o ，输出电流平均值