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第4章 交流电力控制电路和交交变频电路1．一调光台灯由单相交流调压电路供电,设该台灯可看作电阻负载,在α=O 时输出 功率为最大值,试求功率为最大输出功率的80%,50%时的开通角α。
解: α=O 时的输出电压最大,为Uomax=1)sin 2(101U t U =∏⎰∏ω 此时负载电流最大,为Iomax=RU R u o 1max = 因此最大输出功率为输出功率为最大输出功率的80%时,有:Pmax=Uomax Iomax=RU 21 此时,Uo=18.0U又由Uo=U1∏-∏+∏αα22sin 解得︒=54.60α同理,输出功率为最大输出功率的50%时,有:Uo=15.0U又由Uo=U1∏-∏+∏αα22sin︒=90α3．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：交流调压电路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。
交流调压电路是在交流电源的每个周期对输出电压波形进行控制。
而交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周波，再断开几个周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。
交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。
在供用电系统中，还常用于对无功功率的连续调节。
此外，在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。
如采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联；同样，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联。
这都是十分不合理的。
采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都不太大也不太小，在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。
这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。
交流调功电路常用于电炉温度这样时间常数很大的控制对象。
由于控制对象的时间常数大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁控制。
4．什么是TCR？什么是TSC？它们的基本原理是什么？各有何特点？答:TCR是晶闸管控制电抗器.TSC是晶闸管投切电容器.二者的基本原理如下;TCR是利用电抗器来吸收电网中的无功功率(或提供感性的无功功率),通过对晶闸管开通角角的控制,可以连续调节流过电抗器的电流,从而调节TCR从电网中吸收的无功功率的大小. TSC则是利用晶闸管来控制用于补偿无功功率的电容器的投入和切除来向电网提供无功功率(提供容性的无功功率).二者的特点是:TCR只能提供感性的无功功率,但无功功率的大小是连续的.实际应用中往往配以固定电容器(FC),就可以在从容性到感性的范围内连续调节无功功率.TSC提供容性的无功功率,符合大多数无功功率补偿的需要.其提供的无功功率不能连续调节但在实用中只要分组合理,就可以达到比较理想的动态补偿效果.5．单相交交变频电路和直派电动机传动用的反并联可控整流电路有什么不同？答:单相交交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路的电路组成是相同的,均由两组反并联的可控整流电路组成.但两者的功能和工作方式不同.单相交交变频电路是将交流电变成不同频率的交流电,通常用于交流电动机传动,两组可控整流电路在输出交流电压一个周期里,交替工作各半个周期,从而输出交流电.而直流电动机传动用的反并联可控整流电路是将交流电变为直流电,两组可控整流路中哪丁组工作并没有像交交变频电路那样的固定交替关系,而是由电动机工作状态的需要决定.6．交交变频电路的最高输出频率是多少？制约输出频率提高的因素是什么？答：一般来讲，构成交交变频电路的两组变流电路的脉波数越多，最高输出频率就越高。
习题四4-1 电路如题图4-1所示，i (t )=10mA 、R =10k Ω、L =1mH 。
开关接在a 端为时已久，在t =0时开关由a 端投向b 端，求t ≥0时，u (t )、i R (t )和i L (t )，并绘出波形图。
解：本题是求零输入响应，即在开关处于a 时，主要是电感储能，当开关投向b 后，讨论由电感的储能所引起的响应。
所以对图(a)t ≥0时的电路可列出00≥=+t Ri dtdiL L L及 i L (0)=i (t )=10(mA ) 其解为：0)(1010)(710≥==--t mA e et i t tL τS R L 73310101010--=⨯==τ 则 0)(10010101010))(0()1)(0()(77101033≥-=⨯⨯⨯-=-=-==-----t V e e e LR Li e Li dt di L t u t ttL t L L L τττ 而 0)(10)()(710≥-=-=-t mA e t i t i t L R其波形图见图(b)、图(c)所示。
4-2 电路如题图4-2所示，开关接在a 端为时已久，在t =0时开关投向b 端，求3Ω电阻中的电流。
解：因为 )(623)0(V u c =⨯= （注意：当稳态以后电容为开路，所以流过1Ω和电容串联支路的电流为零，因此电容两端的电压就是并联支路2Ω支路两端的电压）当开关投向b 时电流的初始值为)(236)0()0(A R u i c ===S RC i 3130)(=⨯===∞τ，故根据三要素法得： 0)(2)(31≥=-t A e t i t4-3 电路如题图4-3所示，开关在t <0时一直打开，在t =0时突然闭合。
求u (t )的零输入响应和零状态响应。
解：因为u (t )=u c (t )，所以求出u c (t )即可。
方法一：直接用三要素法：（注意，开关闭合以后，时间常数由两个电阻并联后，再与电容构成RC 电路）L (t ) i (t L(a)10(b) (c) 题图4-1 习题4-1电路及波形图(t )题图4-2 习题4-2电路S C R 23)1//2(0=⨯==τ)(32)2//1(1)()(221)0(V u V u c c =⨯=∞=⨯= 所以)1(322)322(32))()0(()()(5.05.05.0≥-+=-+=∞-+∞=----t ee e eu u u t u tt t tc c c c 零状态响应零输入响应τ方法二：分别求出零输入响应和零状态响应（可以直接解微分方程，也可以直接利用结论）零输入响应：02)(215.05.00'≥=⨯==---t e V e eU u tt tc τ零状态响应：0))(1(32)1(11212)1(5.05.0"≥-=-⨯+⨯=-=---t V e e eRI u t t ts cτ4-4 电路如题图4-4所示，已知 ⎩⎨⎧≥<=010)(t t t u s 且u c (0)=5V 。
第3章 直流斩波电路1．简述图3-1a 所示的降压斩波电路工作原理。
答：降压斩波器的原理是：在一个控制周期中，让V 导通一段时间t on ，由电源E 向L 、R 、M 供电，在此期间，u o ＝E 。
然后使V 关断一段时间t off ，此时电感L 通过二极管VD 向R 和M 供电，u o ＝0。
一个周期内的平均电压U o ＝E t t t ⨯+offon on。
输出电压小于电源电压，起到降压的作用。
2．在图3-1a 所示的降压斩波电路中，已知E =200V ，R =10Ω，L 值极大，E M =30V ，T =50μs,t on =20μs,计算输出电压平均值U o ，输出电流平均值I o 。
解：由于L 值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为U o =E T t on =5020020⨯=80(V) 输出电流平均值为I o =R E U M o -=103080-=5(A)3．在图3-1a 所示的降压斩波电路中，E =100V ， L =1mH ，R =Ω，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I o ，计算输出电流的最大和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续。
当t on =3μs 时，重新进行上述计算。
解：由题目已知条件可得：m =E E M =10010= τ=RL =5.0001.0=当t on =5μs 时，有ρ=τT = =τont =由于11--ραρe e =1101.00025.0--e e =>m 所以输出电流连续。
此时输出平均电压为U o =E T t on =205100⨯=25(V) 输出平均电流为I o =R E U M o -=5.01025-=30(A) 输出电流的最大和最小值瞬时值分别为I max =R E m e e ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----ραρ11=5.01001.01101.00025.0⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----e e =(A)I min =R E m e e ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---11ραρ=5.01001.01101.00025.0⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---e e =(A) 当t on =3μs 时，采用同样的方法可以得出： αρ=由于11--ραρe e =1101.0015.0--e e =>m 所以输出电流仍然连续。
电力电子变流技术课后答案第4章-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII第四章有源逆变电路习题与思考题解4-1．逆变电路必须具备什么条件才能进行逆变工作？解：逆变电路必须同时具备下述两个条件才能产生有源逆变：1 变流电路直流侧应具有能提供逆变能量的直流电源电势E d，其极性应与晶闸管的导电电流方向一致。
2. 变流电路输出的直流平均电压U d的极性必须为负（相对于整流时定义的极性），以保证与直流电源电势E d构成同极性相连，且满足U d<E d。
4-2单相全控桥式逆变电路与单相桥式（二极管）整流电路有何差别是否所有的整流电路都可以用来作为逆变电路解：单相全控桥式逆变电路是DC／AC变换电路，是单相全控桥式变流电路工作于逆变状态，其负载为反电动势负载，控制角为α>90°的情况。
单相桥式（二极管）整流电路是AC／DC 变换电路，是单纯的整流电路，相当于单相全控桥式变流电路工作于整流状态，控制角α=0°时的情况。
不是所有的整流电路都可以用来作为逆变电路。
例如，单相、三相半控桥式变流电路，带续流二极管的变流电路都只能工作于整流状态，不能用来作为逆变电路。
4-3．逆变电路工作时为什么会产生短路事故？解：变流器工作在逆变状态时，如果因丢失脉冲、移相角超出范围、甚至突发电源缺相或断相等情况时，都有可能发生换相失败，将使变流器输出的直流电压U d进入正半周范围，U d的极性由负变正，与直流侧直流电源电势E d形成顺向串联，造成短路事故（因逆变电路的内阻R很小）。
这种情况称为逆变失败。
或称为逆变颠覆。
4-4．为什么要限制逆变角的最小值βmin选择βmin值时应考虑哪些因素？解：为了避免逆变电路发生逆变失败，所以，必须限制逆变角的最小值βmin。
最小逆变角βmin的选取要考虑三个因素，即换相重叠角γ；晶闸管关断时间t off对应的电角度δ；安全裕量角θ0。
第4章直流-交流变换器习题及答案第1部分:填空题1.把直流电变成交流电的电路称为_逆变电路_,当交流侧有电源时称为_有源逆变__,当交流侧无电源时称为_无源逆变__。
2.电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流,从大的方面,换流可以分为两类,即外部换流和_内部换流__,进一步划分,前者又包括_电网换流__和_负载换流___两种换流方式,后者包括_器件换流_和_强迫换流_两种换流方式。
适用于全控型器件的换流方式是_器件换流_。
3.逆变电路可以根据直流侧电源性质不同分类,当直流侧是电压源时,称此电路为_电压型逆变电路_,当直流侧为电流源时,称此电路为_电流型逆变电路_。
4.半桥逆变电路输出交流电压的幅值Um为__1/2___Ud ,全桥逆变电路输出交流电压的幅值Um为___1.0___Ud 。
5.单相全桥方波型逆变电路,180度导电角的控制方式下,改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压U d来实现,改变开关切换频率可改变输出交流电频率。
为防止同一桥臂的上下两个开关器件同时导通而引起直流侧电源短路,在开关控制上应采取先断后通的措施。
6.三相电压型逆变电路中,180度导电角的控制方式下,每个桥臂的导电角度为__180O______,各相开始导电的角度依次相差_120O__,在任一时刻,有___3___个桥臂导通。
7.电压型逆变电路一般采用_全控型_器件,换流方式为_器件换流____;电流型逆变电路中,较多采用__半控型__器件,换流方式有的采用 _强迫换流_,有的采用_负载换流__。
8.三相电流型逆变电路的基本工作方式是120度导电方式,按VT1到VT6的顺序每隔__60O_______依次导通,各桥臂之间换流采用 __横向_____换流方式,在任一时刻,有___3_____个桥臂导通。
第2章 整流电路2. 2图2-8为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路,问该变压器还有直流磁化问题吗?试说明:晶闸管承受的最大反向电压为22U 2;当负载是电阻或电感时，其输出电压和电流的波形与单相全控桥时一样。
答：具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，该变压器没有直流磁化问题。
因为单相全波可控整流电路变压器二次侧绕组中，在正负半周上下绕组中的电流方向相反，波形对称，其一个周期内的平均电流为零，故不存在直流磁化的问题。
以下分析晶闸管承受最大反向电压及输出电压和电流波形的情况。
①以晶闸管VT2为例。
当VT1导通时，晶闸管VT2通过VT1与2个变压器二次绕组并联，所以VT2承受的最大电压为22U 2。
②当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角α一样时，对于电阻负载：(O~α)期间无晶闸管导通，输出电压为0；(α~π)期间,单相全波电路中VT1导通，单相全控桥电路中VTl 、VT4导通，输出电压均与电源电压U 2相等；( π~απ+)期间均无晶闸管导通，输出电压为0；(απ+~2π)期间，单相全波电路中VT2导通，单相全控桥电路中VT2、VT3导通，输出电压等于－U 2。
对于电感负载： ( α~απ+)期间，单相全波电路中VTl 导通，单相全控桥电路中VTl 、VT4导通，输出电压均与电源电压U2相等； (απ+~2απ+)期间，单相全波电路中VT2导通，单相全控桥电路中VT2、VT3导通，输出波形等于-U2。
可见，两者的输出电压一样，加到同样的负载上时，那么输出电流也一样。
2.3.单相桥式全控整流电路，U 2=100V ，负载中R=20Ω，L 值极大，当α=︒30时，要求：①作出U d 、I d 、和I 2的波形；②求整流输出平均电压U d 、电流I d ，变压器二次电流有效值I 2；③考虑平安裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。
解：①Ud 、Id、和I2的波形如以下图：②输出平均电压Ud 、电流Id、变压器二次电流有效值I2分别为：Ud =0.9U2cosα=0.9×100×cos︒30＝77.97〔V〕Id＝Ud/R=77.97/2=38.99(A)I2=Id=38.99(A)③晶闸管承受的最大反向电压为：2U2=1002=141.4(V) -考虑平安裕量，晶闸管的额定电压为：UN=(2~3)×141.4=283~424(V)详细数值可按晶闸管产品系列参数选取。
思考题和习题1.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什么不同？ 额定电流为 100A 的两只普通晶闸管反并联可用额定电流多大的双向晶闸管代 替？晶闸管的额定电流参数是在规定的条件下， 晶闸管稳定结温不超过额定结温 时所允许的最大工频正弦半波电流的平均值。
双向晶闸管通常用在交流电路中， 因此不用平均值而用有效值来表示其额定 电流值。
额定电流为100A 的两只普通晶闸管反并联可用额定电流222.14A 的双向晶 闸管代替。
2.如图44所示为单相交流调压电路，U i =220V ，L =5.516 mH ，R =1Ω，试求：（1）触发延迟角的移相范围。
（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a =π/2时，晶闸管电流有效值、晶闸管导通角和电源侧功率因数。
解：（1） 3p w j = = R L arctg 触发延迟角的移相范围： p j p £ £ 3 （2） A ZU 110 I i m = = （3） kw R I m 21 . 1 P 2 m = = 5 . 0 = = im m U I P l （4）查图46，得导通角 °»135 q ( ) ( ) A 92 . 61 cos ) 2 cos( sin ) ( sin sin 2 1 2tan = + + - = ï þ ï ý ü ï î ï í ì ú ú û ù ê ê ë é - - - = ò + - j q j a q q p w j a j w p q a a j w a ZU t d e t Z U I i t i o 28 . 0 2 = = io o U I R I l3.一台220V 、 10kW 的电炉， 采用晶闸管单相交流调压， 现使其工作在5 kW ， 试求电路的触发延迟角 a 、工作电流及电源侧功率因数。
4—1.根据图4.3(a)所示电路，U s = 120V ，频率60Hz,L = 10mH ，R= 5Ω.计算并绘出随u s 变化电流i 。
解：由图可列微分方程：（1）cos()m u diLRi U wt dtφ+=+……………。
式中u φ为初相角,m U =2s U 其通解为：'''i i i =+ 其中:''ti Aeτ-= LRτ='i 为方程''cos()m u di LRi U wt dtφ+=+的特解。
故设 'm cos()i I wt θ=+， 其中m 2s I I = 代入（1）式有：m m cos()sin()cos()m u I R wt wLI wt U wt θθφ+-+=+…………。
(2）引入tan wLRϕ=,有： 22sin ()wL R wL ϕ=+ 22cos ()R R wL ϕ=+再令22()Z R wL =+，则（2）式可改写为：[]m m cos()sin()cos()sin()R wL I R wt wL wt I Z wt wt Z Z θθθθ⎡⎤+-+=+-+⎢⎥⎣⎦m cos()I Z wt θϕ=++于是得：m cos()I Z wt θϕ++=cos()m u U wt φ+ 因此有：m 22()m mU U I Z R wL ==+ u θφϕ=- 所以,特解'i 为：'cos()mu U i wt Zφϕ=+- 方程的通解为：cos()t mu U i wt Ae Zτφϕ-=+-+代入初始条件,由于(0)(0)0i i +-== 有:0cos()mu U A Zφϕ=-+ 于是：cos()mu U A Zφϕ=-- 故有:cos()cos()t m mu u U U i wt e Z Zτφϕφϕ-=+---波形图如下:4—2。
根据图4。
4（a ）所示电路，U s = 120V,频率60Hz ，L = 10mH ，U d = 150V 。
第四章集成运算放大器的应用§4-1 集成运放的主要参数和工作点1、理想集成运放的开环差模电压放大倍数为Aud=∞，共模抑制比为K CMR= ∞，开环差模输入电阻为ri= ∞，差模输出电阻为r0=0 ，频带宽度为Fbw=∞。
2、集成运放根据用途不同，可分为通用型、高输入阻抗型、高精度型和低功耗型等。
3、集成运放的应用主要分为线性区和非线性区在分析电路工作原理时，都可以当作理想运放对待。
4、集成运放在线性应用时工作在负反馈状态，这时输出电压与差模输入电压满足关系；在非线性应用时工作在开环或正反馈状态，这时输出电压只有两种情况；+U0m 或-U0m 。
5、理想集成运放工作在线性区的两个特点：（1）up=uN ，净输入电压为零这一特性成为虚短，（2）ip=iN，净输入电流为零这一特性称为虚断。
6、在图4-1-1理想运放中，设Ui=25v,R=1.5KΩ，U0=-0.67V,则流过二极管的电流为10 mA ，二极管正向压降为0.67 v。
7、在图4-1-2所示电路中，集成运放是理想的，稳压管的稳压值为7.5V，Rf=2R1则U0=-15 V。
二、判断题1、反相输入比例运算放大器是电压串联负反馈。
（×）2、同相输入比例运算放大器是电压并联正反馈。
（×）3、同相输入比例运算放大器的闭环电压放大倍数一定大于或等于1。
（√）4、电压比较器“虚断”的概念不再成立，“虚短”的概念依然成立。
（√）5、理想集成运放线性应用时，其输入端存在着“虚断”和“虚短”的特点。
（√）6、反相输入比例运算器中，当Rf=R1，它就成了跟随器。
（×）7、同相输入比例运算器中，当Rf=∞，R1=0，它就成了跟随器。
（×）三、选择题1、反比例运算电路的反馈类型是（B ）。
A.电压串联负反馈B.电压并联负反馈C.电流串联负反馈2、通向比例运算电路的反馈类型是（A ）。
A.电压串联负反馈B.电压并联负反馈C.电压串联正反馈3、在图4-1-3所示电路中，设集成运放是理想的，则电路存在如下关系（B ）。
1第四章作业参考答案2.题换流方式有器件换流、电网换流、负载换流、强迫换流等四种。
其特点如下：器件换流利用全控型器件的自关断能力进行换流，只适用于全控型器件，其余三种换流方式则主要针对晶闸管。
电网换流由电网提供换流电压；在换流时，只要把负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断；不适用于没有交流电网无源逆变电路。
负载换流由负载提供换流电压；当负载为容性时，负载电流相位超前于负载电压，即可实现负载换流。
强迫换流通过设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流以实现换流。
3.题直流侧是电压源的逆变电路称为电压型逆变电路。
直流侧是电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。
电压型逆变电路有以下主要特点（p101）：1） 直流侧为电压源，或并联大电容，相当于电压源。
直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗；2） 由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。
而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同；3） 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。
为了给交流侧向直流侧回馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都反并联了续流二极管。
电流型逆变电路有以下主要特点（p106）：1） 直流侧串联大电感，相当于电流源。
直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗；2） 电路中开关元件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。
而交流侧输出电压波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同；3） 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。
因为回馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必给开关器件反并联二极管。
5.题三相桥式电压型逆变电路，180º导电工作方式。
输出相电压基波幅值：V U U d m UN 7.63637.01==输出相电压基波有效值：V U U d UN 4545.01==输出线电压基波幅值：V U U d m UV 1101.11==输出线电压基波有效值：V U U d UV 7878.01==输出线电压中，5次谐波有效值：V U U U U UV d mUV UV 6.1551251322155==⋅==π 8.题逆变电路多重化的目的是减少输出矩形波所含的谐波，也可增大逆变电路的功率等级。
目录第1章电力电子器件 (1)第2章整流电路 (4)第3章直流斩波电路 (20)第4章交流电力控制电路和交交变频电路 (26)第5章逆变电路 (31)第6章PWM控制技术 (35)第7章软开关技术 (40)第8章组合变流电路 (42)第1章 电力电子器件1. 使晶闸管导通的条件是什么？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。
或：u AK >0且u GK >0。
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。
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。
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。
002π2π2ππππ4π4π25π4a)b)c)图1-430图1-43 晶闸管导电波形解：a) I d1=π21⎰ππωω4)(sin t td I m =π2mI (122+)≈0.2717 I m I 1=⎰ππωωπ42)()sin (21t d t I m =2m I π2143+≈0.4767 I m b) I d2 =π1⎰ππωω4)(sin t td I m =πmI (122+)≈0.5434 I m I 2 =⎰ππωωπ42)()sin (1t d t I m =22mI π2143+≈0.6741I m c) I d3=π21⎰20)(πωt d I m =41I m I 3 =⎰202)(21πωπt d I m =21I m4. 上题中如果不考虑安全裕量,问100A 的晶闸管能送出的平均电流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=41 I m3=78.55. 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 和普通晶闸管同为PNPN 结构，由P 1N 1P 2和N 1P 2N 2构成两个晶体管V 1、V 2,分别具有共基极电流增益1α和2α，由普通晶闸管的分析可得，1α+2α=1是器件临界导通的条件。
第4章思考题与习题4.1 什么是电压型和电流型逆变电路？各有何特点？答：按照逆变电路直流侧电源性质分类，直流侧为电压源的逆变电路称为电压型逆变电路，直流侧为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。
电压型逆变电路的主要特点是：（1）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。
直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。
（2）由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关，而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同，其波形接近于三角波或正弦波。
（3）当交流侧为阻感性负载时，需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了二极管。
（4）逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故功率的脉动是由交流电压来提供。
（5）当用于交—直—交变频器中，负载为电动机时，如果电动机工作在再生制动状态，就必须向交流电源反馈能量。
因直流侧电压方向不能改变，所以只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给交—直整流桥再反并联一套逆变桥。
电流型逆变电路的主要特点是：（1）直流侧串联有大电感，相当于电流源，直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。
（2）因为各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形和相位因负载阻抗角的不同而不同。
（3）直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故可控器件不必反并联二极管。
（4）当用于交—直—交变频器且负载为电动机时，若交—直变换为可控整流，则很方便地实现再生制动。
4.2 电压型逆变电路中的反馈二极管的作用是什么？答：在电压型逆变电路中，当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。
为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。
当输出交流电压与电流的极性相同时，电流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压与电流极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。
Ud 0既满足内部条件，也满足外部条件，所以电路可以逆变。
2 Ud E p 120 99 Id ------- D --------------R 1Ud min 1.35 U 21 cos max 266 1.35 230 cos maxmax 31.05------- （ 如果L=5mH,考虑六次纹波电流的有效值为 30.4A ）］沧 ％ EA17 32ITav讣2)^ 16.5~22.1A选取i Tav 30A 的晶闸管3-2.解:Ud 0.9U 2COS0.9*220*cos 60 99VU d1 iUa/// /Z Z -U a //U a-U a U d2//ZK // /3-3已知三相桥式电路， 0.8丄,U 2l 230VE D 290V , 设电流连续。
如允许 Idmin 30 A,解：IdUd E p R Idmin Ud min E pR UdUd minIdmin RE D 30 0.81.35U 21cos/ //,工作于逆变状态，max?，并按此选择晶闸管电流定额。
(290)266VU d E D21AI T—时，晶闸管T C和T C两端的电压波形，分析它们承4受的正、反向最大电压各为多少?b+ a- c+ b- a+ c- b+ a- c+V1zr▲oozIk—卜IPX.—If—血」-I____G』J—AIMo叱zyz—T<\Tu：卞—：■z■1/厂,-1^—uy3-5绘出三相桥式逆变电路a- C+ b- a+ c-偏置电压U p 采用负直流电压，作用是确定控制电压 U k =0时脉冲的初始相位。
由图可知T c 、T c 承受的最大正、反向电压分别为 76U 2、（［S in （3；） si n （2）］*72U 2 ^/3戌）3-6三相桥式全控电路，输入相电压10CV ，电源变压器漏感折合到变压器副边为1.5mH ，当Id 50A ，计算换相压降。
如果不计晶闸管关断时间及安全余量，计算此时的最小逆变角min ；计算此时全控桥输出直流电压大小。
电工电子第4章习题答案_完整）思考题与习题参考答案 4-1 欲将发电机的三相绕组连成星形时,如果误将U2，V1，W2连成一点(中性点)，是否也可以产生对称三线电压？答：不是。
4-2 当发电机的三相绕组连成星形时，设线电压，试写出相电压ｕl 的三角函数。
答： 4-3 什么是三相负载、单相负载和单相负载的三相连接？相交流电动机有三根电源线接到电源的Ll，L2，L3三端．称为三相负载，电灯有两根电源线，为什么不称为两相负载？而称单相负载？答：三相负载是指由三相电源所带的负载，单相负载时指由单相电源带的负载，负载的三相连接是指将单向负载按照特定的连接方式连接成适合三相电路的负载连接形式。
电灯被称为单相负载是因为带动电灯工作的电源只需要一个就可以了。
4-6 为什么电灯开关—定要接在相线(火线)上？答：开关接在火线上才能在开关打开的时候保证每相电源所在回路断开。
4-8 有一次某楼电灯发生故障，第二层和第三层楼的所有电灯突然都暗淡下来，而第一层楼的电灯亮度未变，试问这是什么原因，这楼的电灯是如何连接的?同时又发现第三层楼的电灯比第二层楼的还要暗些.这又是什么原因?画出电路图。
(1)本系统供电线路图A P ´ B C N 三层二层一层–+ (2) 当P处断开时，二、三层楼的灯串联接380V 电压，所以亮度变暗，但一层楼的灯仍承受220V电压亮度不变。
(3) 因为三楼灯多于二楼灯即 R34-9有一台三相发电机，其绕组接成星形，每相额定电压为220V。
在一次试验时，用电压表量得相电压V，而线电压则为V，V试问这种现象是如何造成的？答：12相间有短路。
4-10 在图4-29所示的电路中，三相四线制电源电压为380／220V，接有对称星形联结的白炽灯负载，其总功率为180W。
此外，在L3相上接有额定电压为220V，功率为40W，功率因数的日光灯一支。
试求电流，，及。
设V。
答：图4-29 图4-30 =++ 4-11 图4-30是两相异步电动机的电源分相电路，O是铁心线圈的中心抽头。
4. 1逆变器输出波形的谐波系数HF 与畸变系数DF 有何区别.为什么仅从谐波系数HF 还不足以说明逆 变器输出波形的木质？答：第n 次谐波系数HFri 为笫n 次谐波分虽有效值同基波分虽有效值之比.即HFn=Vn/Vl,总谐波系2 2 北‘X 洁波系数HF •显示了谐波含址•但它并不能反映谐波分虽对负载的影响程度。
很显然.逆变电路输出端的谐波通过滤波器时，岛次谐波将衰 减得更厉吿，崎变系数DF 可以表征经LC 滤波后负载电压波形还存在畸变的程度°4. 2为什么逆变电路中晶闸管SCR 不适于作开关器件?答：(1)逆变电路中一般采用SPWM 控制方法以减小输岀电压波形中的谐波含氐 需要开关器件 工作在高频状态.SCR 是一种低频器件.閃此不适合这种工作方式。
(2) SCR 不能自关断。
而逆变器的负载一般是电感.电容.电阻等无源元件，除了特殊场合例如 利用负戦谐振进行换流，一般在电路中需要另加强迫关断回路才能关断SCR,电路较复杂。
因此 SCR 一般不适合用于逆变器中。
< 4・3图4.2(a)和4.3(a)中的二极管起什么作用.在一个周期中二极管和晶体管导电时间由什么因素决答定.在什么情况下可以不用二极管D,纯感性负栽时.负载电流为什么是三角形。
答：图中二极管起续流和希位作用.在一个周期中二极管和晶体管导电时间由三极管驱动信号和负载 电流B 的方向共同决定.在纯阻性负載时可以不用二极管-£鱼=v数THD 定义为:畸变系数DF 定义为:于笫n 次谐波的畸变系数DFn 有: 答案 图4 2单相桥式逆变电路及电压■电流波形 图4 3单相半桥逆变电路及电压电流波形DF对纯电感负戦时.dt在° "'£'2期间，对于全桥逆变电路有％叫,对半桥电路% 2 ,抵线性上升:在叩2 <1 5期间,全桥电路％=~v d ,半桥有％二讥乂、“线性下降：故电流$是三角波。
答案4.1 逆变器输出波形的谐波系数HF与畸变系数DF有何区别，为什么仅从谐波系数HF还不足以说明逆变器输出波形的本质？
答：第n次谐波系数HFn为第n次谐波分量有效值同基波分量有效值之比，即HFn＝Vn/V1,总谐波系数THD 定义为：，畸变系数DF 定义为：，对
于第n次谐波的畸变系数DFn 有：谐波系数HF显示了谐波含量，但它并不能反映谐波分量对负载的影响程度。
很显然，逆变电路输出端的谐波通过滤波器时，高次谐波将衰减得更厉害，畸变系数DF可以表征经LC滤波后负载电压波形还存在畸变的程度。
答案
4.2 为什么逆变电路中晶闸管SCR不适于作开关器件？
答：（1）逆变电路中一般采用SPWM控制方法以减小输出电压波形中的谐波含量，需要开关器件工作在高频状态，SCR是一种低频器件，因此不适合这种工作方式。
（2）SCR不能自关断。
而逆变器的负载一般是电感、电容、电阻等无源元件，除了特殊场合例如利用负载谐振进行换流，一般在电路中需要另加强迫关断回路才能关断SCR，电路较复杂。
因此SCR一般不适合用于逆变器中。
答案4.3 图4.2(a)和4.3(a)中的二极管起什么作用，在一个周期中二极管和晶体管导电时间由什么因素决定，在什么情况下可以不用二极管D，纯感性负载时，负载电流为什么是三角形。
答：图中二极管起续流和箝位作用，在一个周期中二极管和晶体管导电时间由三极管驱动信号和负载电流的方向共同决定，在纯阻性负载时可以不用二极管D。
纯电感负载时，，在期间，对于全桥逆变电路有，对半桥电路
，线性上升；在期间，全桥电路，半桥有，线性下降；故电流是三角波。
如果都是300V，半桥和全桥电路断态时开关器件两端最高电压都是，即300V。
答
4.4 有哪些方法可以调控逆变器的输出电压。
案
答：有单脉波脉宽调制法、正弦脉宽调制法（SPWM）、基波移相控制法等。
单脉波脉宽调制法缺
点是谐波含量不能有效控制；SPWM法既可控制输出电压的大小，又可消除低次谐波；移相控制一
般用于大功率逆变器。
4.5 图4.6(d)脉宽为的单脉波矩形波输出电压的表达式为(4-16)式。
如果横坐标轴即时间（相答
案
的表达式应为：
位角）的起点改在正半波脉宽的中点，试证明，那时
答：由(4-16)式，，当横坐标轴即时间（相位角）的起点改在正半波脉宽的中点，相当于原波形在时间上前移了，因此将（4－16）中的
用＋代替，即可得到。
答案4.6 正弦脉宽调制SPWM的基本原理是什么？载波比N、电压调制系数M的定义是什么？改变高频载波
电压幅值和频率为什么能改变逆变器交流输出基波电压的大小和基波频率？
答：正弦脉宽调制SPWM的基本原理是冲量等效原理：大小、波形不相同的窄变量作用于惯性系统时，只要其冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。
如果将正弦波周期分成多个较小的时间段，使PWM电压波在每一时间段都与该段的正弦电压冲量相等，则不连续的按正弦规律改变宽度的多段波电压就等效于正弦电压。
载波比N 定义为三角载波频率和正弦调制波频率之比：N ＝/；电压调制系数M是正弦调制波幅值和三角波幅值之比M ＝/.
,,改变调制比M，即可成比例的调控输出电压的基波大小。
又因为，所以改变调制波频率，即可调控输出电压的基波频率。
答案4.7 既然SPWM 控制能使逆变器输出畸变系数很小的正弦波，为什么有时又要将调制参考波从正弦波改为图4.11所示调制波，或改为梯形波，或取（4－37）式所示的附加3次谐波分量的调制参考波。
答：SPWM 法输出基波电压幅值，有效值，直流电压利用率。
而方波逆变时，逆变电压基波幅值可达，直流电压利用率为0.9。
因此为了提高SPWM法的直流电压利用率，可以将调制参考波从正弦波改为图4.11所示调制波，或改为梯形波，或附加3次谐波分量，这样调制参考波波形的最大值不超过，不会出现过调制的情况，但基波电压幅值可超过，这就可以提高直流电压利用率。
答
4.8 请解释图4.17中输入直流电流的波形。
案
答：图4－17是采用空间矢量PWM 控制方法时的相关波形，其中，逆变器输入直流电流可表达为：。
例如当A、B相为下桥臂的T4、T6管导通而C相为上桥臂的T5管导通时，
，，若假设负载电流为正弦，且相电流滞后相电压，则在时，,在时，。
因此在0～周期中，将在图4－17中所示的和之间脉动。
同理可以分析出其他5个开关状态时电流的波形，为六倍频的脉动电流，脉动周期为。
答
4.9 试说明三相电压型逆变器SPWM输出电压闭环控制的基本原理。
案
答：引入了逆变器输出电压的闭环反馈调节控制系统如图4.15(b)所示，为输出电压的指令值，
为输出电压的实测反馈值。
电压偏差经电压调节器VR 输出调制电压波的幅值。
与调制波的频率共同产生三相调制波正弦电压，它们与双极性三角载波电压相比较产生驱动信号，控制各个全控型开关器件的通断，从而控制逆变器输出的三相交流电压。
当<时，电压调节器VR 输出的增大，M 值增大，使输出电压各脉波加宽，输出电压增大到给定值；反之当>时，减小，M 值减小，使输出电压减小到。
如果电压调节器VR为PI 调节器（无静态误差），则可使稳态时保持＝。
因此当电源电压改变或负载改变而引起输出电压偏离给定值时，通过电压闭环控制可时输出电压跟踪并保持为给定值。
答案4.10 三相逆变器的8种开关状态中有6个开关状态对应6个空间位置固定、相差的非零电
压空间矢量，另两个为零矢量。
但三相正弦交流电压任意时刻的瞬时值是一个以角速度在空间旋转的矢量产生的。
6个开关器件的三相逆变器只能产生6个特定位置
（）的空间矢量。
如何用两个相差非零的特定空间
矢量和零矢量的合成效果去等效任意相位角时的空间矢量？当直流电压一定时，如何调控输出电压的大小和相位？
答：
答
4.11 三相三电平逆变器中12 个开关器件的通断控制可以获得多少个特定的电压空间矢量？图4.20中
案
二极管D5、D6起到什么作用？如果直流电源电压为，在断态时，开关器件所承受的反压是多大？
答：可采用从逆变器的6个处于空间特定位置的开关状态矢量中，选择两个相邻的矢量与零矢量合成一个等效的旋转空间矢量。
通过调控的大小和旋转速度，来调节三相逆变器输出电压的大小和频率，这就是电压空间矢量PWM方法。
将图4-16(d)中的区域划分为6个的扇区，如果要求的相位角为任意指令值，则可用矢量所在的扇区边界的那两个相邻的特定矢量、来合成矢量，即可用逆变器的3个开关状态x、y、0在一个周期中各自存在、、时间来合成等效的任意位置的空间矢量（存在时间为），即：。
由该式可求出、、。
当直流电压一定时，通过调节零矢量作用时间，可调控输出电压大小。
大，输出电压将减小。
一定的、、决定了输出电压具有一定的相位角和电压大小。
4.12 复合结构逆变器消除低阶谐波的原理是什么？图4.22(d)中12阶梯波输出电压的半周由6段组成，答
案
每段，高度分别、和，已知图4.6所示的脉宽为的矩形电压波的傅立叶级数表达式为（时间坐标，即相位角的
起点选在正半波脉宽的中点），利用这个傅立叶级数表达式求12阶梯波的傅立叶级数表达式4－76式。
(4-76)
答：复合结构逆变器采用多个三相桥式逆变电路，每个开关都按导电方式工作，每个三相桥逆
变电路输出线电压都是方波。
令各个三相桥式逆变器的同一相（例如A相）的输出电压彼此相差一定的相位角，通过几个变压器将各个三相逆变器的输出电压复合相加后输出一个总逆变电压，适当的设计各个变压器的变比和付方电压的连接方式，并安排各逆变器输出电压的相差角，就可以消除总的输出电压中的3、5、7、11、13等低次谐波。
图4.22中的12阶梯波可以用三个脉宽分别为、、，高度分别为、
和的矩形波叠加得到。
利用式将三个矩形波的傅立叶级数展开，叠加后即可得到12阶梯波的傅立叶技术表达式（4－76）。
答
4.13 逆变器有哪些类型？其最基本的应用领域有哪些？
案
答：逆变器的类型有：
1.电压型和电流型逆变器。
2.恒频恒压正弦波和方波逆变器，变频变压逆变器，高频脉冲电压（电流）逆变器。
3.单相半桥、单相全桥、推挽式、三相桥式逆变器。
4.自关断换流逆变器，强迫关断晶闸管逆变器。
晶闸管逆变器可利用负载侧交流电源电
压换流，负载反电动势换流或负载谐振换流。
逆变器的基本应用包括：交流电动机变频调速，不停电电源UPS，电子镇流器，中频或高频感
应加热电源等等。
还可应用于电力系统作为无功补偿器或谐波补偿器。
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