电力电子基础5 1 (1)

第五章 直流—直流交流电路1．简述图5-1a 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5-1a 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5-1a 所示的降压斩波电路中，E =100V ， L =1mH,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=0。

1τ=RL =5.0001.0=0.002 当t on =5μs 时，有ρ=τT =0。

01αρ=τont =0。

0025由于11--ραρe e =1101.00025.0--e e =0.249>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 =30.19（A ）I min =R E m e e ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---11ραρ=5.01001.01101.00025.0⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---e e =29。

模块五中频感应加热电源的安装与维护习题答案例5-1在晶闸管两端并联R、C吸收回路的主要作用有哪些？其中电阻R的作用是什么？解：R、C回路的作用是：吸收晶闸管瞬间过电压，限制电流上升率，动态均压作用。

R的作用为：使L、C形成阻尼振荡，不会产生振荡过电压，减小晶闸管的开通电流上升率，降低开通损耗。

例5-2 三相半波可控整流电路，如果三只晶闸管共用一套触发电路，如图5－1所示，每隔120°同时给三只晶闸管送出脉冲，电路能否正常工作？此时电路带电阻性负载时的移相范围是多少？图5－1 例5－2图解：能工作。

因为虽然三个晶闸管同时加触发脉冲，只有阳极电压最高相所接的晶闸管导通，其余两个晶闸管受反压阻断。

但是，移相范围只有120°，达不到150°移相范围要求。

例5－3三相半波可控整流电路带电阻性负载时，如果触发脉冲出现在自然换相点之前15°处，试分析当触发脉冲宽度分别为10°和20°时电路能否正常工作？并画出输出电压波形。

解：当触发脉冲宽度分别为10°，如图5－2所示，当触发脉冲u g1触发U相晶闸管，则U相晶闸管导通。

当u g2触发V相晶闸管时，这时U相电压高于V相电压，所以V相晶闸管不导通，U相晶闸管继续导通。

过了自然换相点后，尽管V相电压高于U相电压，但V相晶闸管的触发脉冲已消失，所以V相晶闸管仍不导通。

U相晶闸管导通到过零点关断。

这样下去，接着导通的是W相晶闸管。

由此可以看出，由于晶闸管间隔导通而出现了输出波形相序混乱现象，这是不允许的。

图5－2 例5－3波形当触发脉冲宽度分别为10°时，输出波形和α=0º时波形一样。

例5－4图5－3为三相全控桥整流电路，试分析在控制角α=60º时发生如下故障的输出电压U d的波形。

（1）熔断器1FU熔断。

（2）熔断器2FU熔断。

（3）熔断器2FU、3FU熔断。

解：（1）熔断器1FU熔断时输出电压波形如图5－3b所示，凡与U相有关的线电压均不导通。

1、晶闸管导通的条件是什么？（1）晶闸管阳极和阴极之间施加正向阳极电压（2）晶闸管门极和阴极之间必须施加适当的正向脉冲电压和电流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？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 =π2m I (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 =πm I (122+)≈0.5434 I m I 2 =⎰ππωωπ42)()sin (1t d t I m =22m I π2143+≈0.6741I m c) I d3=π21⎰20)(πωt d I m =41 I m I 3 =⎰202)(21πωπt d I m =21 I m 4. 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。

1α+2α＞1，两个等效晶体管过饱和而导通；1α+2α＜1，不能维持饱和导通而关断。

练习题五1、交流调压电路的控制方式有哪些？2、什么叫过零触发方式？3、单相交流调压的特点有哪些？4、三相交流调压常用的有哪几种接线方式？5、什么叫直流斩波电路？适用场合有哪些？6、简述斩波器的两种工作方式。

7、开关器件的开关损耗大小同哪些因素有关？试以降压式斩波器为例，简要说明斩波器式直流变压器的转换效果。

答案：1、交流调压电路的控制方式：通断控制方式、相位控制方式2、过零触发：使晶闸管交流开关在端电压过零后触发，并借助于负载电流过零时低于维持电流而自然关断，使电路波形为正弦整周期形式，这种方式可以避免高次谐波的产生，减少开关对电源的电磁干扰。

在过零触发方式的基础上使晶闸管交流开关在整个工作过程中导通m周期，关断n周期，以导通周期和关断周期之比改变输出电压，达到对负载调工的目的。

3、①带电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流波形一致，改变控制角可以改变负载电压有效值，达到交流调压的目的。

②带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则当α＜φ时，会发生一个晶闸管无法导通的现象，电流出现很大的直流分量，会烧坏熔断器或晶闸管。

③带大电感性负载时，最小控制角αmin=φ，所以α的移相范围为φ～180°，而带电阻性负载时移相范围为0°～180°。

4、接线方式：星形连接带中性线的三相交流调压电路、晶闸管与负载连接成内三角形的三相交流调压电路、晶闸管反并联的三相三线交流调压电路。

5、直流斩波电路：把固定的直流电压变换成可变直流电压的电路称之为直流斩波电路。

这种电路广泛应用于开关电源及直流电动机驱动装置中，如不间断电源、无轨电车、地铁、蓄电池供电的无级变速机动车及电动汽车传动控制。

6、①脉宽调制工作方式：维持T不变，改变ton；②频率调制工作方式：维持ton不变，改变T。

7、硬开关在开关转换过程中，由于电压、电流均不为零，出现了电压、电流重叠，会导致开关转换损耗的产生。

同时，由于电压和电流变化过快，也会使波形出现明显的过冲，产生开关噪声。

1交流交流变换器自测题【练习题5-1】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载，在a=0 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a。

解：a=0 时输出功电压最大，为：Uomax=1此时负载电流最大，为： Iomax=UomaxR=UiR输出功率为最大输出功率的50%，有： U0=又有 U0=Ui sin2a2【练习题5-2】一单相交流调压器，电源为功频220V，阻感串联作为负载，其中R=0.5Ω，L=2mH。

试求：1)开通角a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a=π解：（1）负载抗阻角为：φ=arctanωLR=arctan开通角a的变化范围；φ≤a ≤π 即0.89864 ≤a ≤π（2）（3）当a=φ时，输出电压最大，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为：P功率因数为：实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦，即：cosφa= 2时，先假设晶闸管的导通角，由式（4-7）得：sin(解上式可得晶军品管导通角为：θ=2.375=136.1°也可由关系图估计出θ的值。

此时，晶闸管电流有效值为：I=电源的侧功率因数为：λ=RI02于是可得出：λ=RI0【练习题5-3】试从电压波形、功率因数、电源容量、设备重量及控制方式等几方面,分析比较采用晶闸管交流调压与采用自耦调压器的交流调压有何不同?答:晶闸管交流调压电路输出电压的波形是正负半波都被切去一部分的正弦波,不是完整的正弦波,切去部分的大小与延迟角的大小有关。

这种非正弦交流电中包含了高次谐波,会造成干扰,如果不采取措施就会影响其他用电设备的正常工作,这点必须注意。

另外,随着延迟角的增大,功率因数降低,因此,如果输出电流不变,要求电源容量随之增大,这是它的缺点。

但是晶闸管交流调压设备重量轻,控制灵敏，易于实现远方控制和自动调切,这是它的优点。

与此相反,采用自耦调压器的交流调压,输出电压不论高低总是正弦波,不会引起干扰和功率因数降低(不计本身的励磁功率),但它的调节方式是机械方式移动碳刷位置,要实现远方操作和自动调节必须加伺服机构,比较复杂。