電力電子技術第四版(王兆安)習題答案(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 n=20μs,計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。解：由于L值極大，故負載電流連續，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31a所示的降壓斬波電路中，E=100V， L=1mH，R=，EM=10V，采用脈寬調制控制方式，T=20μs，當ton=5μs時，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io，計算輸出電流的最大和最小值瞬時值并判斷負載電流是否連續。當ton=3μs時，重新進行上述計算。解：由題目已知條件可得：m===τ=== 當ton=5μs時，有ρ==ar== 由于==m所以輸出電流連續。 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===(A)Imin===(A)當ton=3μs時，采用同樣的方法可以得出：αρ= 由于==m所以輸出電流仍然連續。 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==(A)Imin==(A) 4．簡述圖32a所示升壓斬波電路的基本工作原理。答：假設電路中電感L值很大，電容C值也很大。當V處于通態時，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為I1，同時電容C上的電壓向負載R供電，因C值很大，基本保持輸出電壓為恒值Uo。設V處于通態的時間為ton，此階段電感L上積蓄的能量為。當V處于斷態時E和L共同向電容C充電并向負載R提供能量。設V處于斷態的時間為toff，則在此期間電感L釋放的能量為。當電路工作于穩態時，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32a所示的升壓斬波電路中，已知E=50V，L值和C值極大，R=20Ω，采用脈寬調制控制方式，當T=40μs，ton=25μs時，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。解：輸出電壓平均值為：Uo ===(V)輸出電流平均值為：Io ===(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。答：升降壓斬波電路的基本原理：當可控開關V處于通態時，電源E經V向電感L供電使其貯存能量，此時電流為i1，方向如圖34中所示。同時，電容C維持輸出電壓基本恒定并向負載R供電。此后，使V關斷，電感L中貯存的能量向負載釋放，電流為i2，方向如圖34所示。可見，負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反。穩態時，一個周期T內電感L兩端電壓uL對時間的積分為零，即當V處于通態期間，uL = E；而當V處于斷態期間，uL = uo。于是：所以輸出電壓為：改變導通比a，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當0a 1/2時為降壓，當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V處于通態時，E—L1—V回路和R—L2—C—V回路分別流過電流。當V處于斷態時，E—L1—C—VD回路和R—L2—VD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35b所示，相當于開關S在A、B兩點之間交替切換。假設電容C很大使電容電壓uC的脈動足夠小時。當開關S合到B點時，B點電壓uB=0，A點電壓uA= uC；相反，當S合到A點時，uB= uC，uA=0。因此，B點電壓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點的電壓平均值為，且L2的電壓平均值為零，按圖35b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的關系： 兩個電路實現的功能是一致的，均可方便的實現升降壓斬波。與升降壓斬波電路相比，Cuk斬波電路有一個明顯的優點，其輸入電源電流和輸出負載電流都是連續的，且脈動很小，有利于對輸入、輸出進行濾波。 7．試繪制Speic斬波電路和Zeta斬波電路的原理圖，并推導其輸入輸出關系。解：Sepic電路的原理圖如下：Sepic斬波電路 在V導通ton期間，uL1=EuL2= uC1在V關斷toff期間uL1＝EuouC1uL2= uo 當電路工作于穩態時，電感LL2的電壓平均值均為零，則下面的式子成立E ton + (EuouC1) toff =0uC1 tonuo toff=0由以上兩式即可得出Uo= Zeta電路的原理圖如下： 在V導通ton期間，uL1= EuL2= E uC1uo在V關斷toff期間uL1＝ uC1uL2= uo 當電路工作于穩態時，電感LL2的電壓平均值均為零，則下面的式子成立E ton + uC1 toff =0(EuouC1) tonuo toff=0由以上兩式即可得出Uo= 8．分析圖37a所示的電流可逆斬波電路，并結合圖37b的波形，繪制出各個階段電流流通的路徑并標明電流方向。解：電流可逆斬波電路中，V1和VD1構成降壓斬波電路，由電源向直流電動機供電，電動機為電動運行，工作于第1象限；V2和VD2構成升壓斬波電路，把直流電動機的動能轉變為電能反饋到電源，使電動機作再生制動運行，工作于第2象限。圖37b中，各階段器件導通情況及電流路徑等如下：V1導通，電源向負載供電： V1關斷，VD1續流： V2導通，L上蓄能： V2關斷，VD2導通，向電源回饋能量 9．對于圖38所示的橋式可逆斬波電路，若需使電動機工作于反轉電動狀態，試分析此時電路的工作情況，并繪制相應的電流流通路徑圖，同時標明電流流向。解：需使電動機工作于反轉電動狀態時，由V3和VD3構成的降壓斬波電路工作，此時需要V2保持導通，與V3和VD3構成的降壓斬波電路相配合。 當V3導通時，電源向M供電，使其反轉電動，電流路徑如下圖： 當V3關斷時，負載通過VD3續流，電流路徑如下圖： 10．多相多重斬波電路有何優點？答：多相多重斬波電路因在電源與負載間接入了多個結構相同的基本斬波電路，使得輸入電源電流和輸出負載電流的脈動次數增加、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，多相多重斬波電路還具有備用功能，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. 一調光臺燈由單相交流調壓電路供電，設該臺燈可看作電阻負載，在α=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α。解：α=0時的輸出電壓最大，為此時負載電流最大，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α=176。同理，輸出功率為最大輸出功率的50%時，有：又由α=90176。 2．一單相交流調壓器，電源為工頻220V，阻感串聯作為負載，其中R=，L=2mH。試求：①開通角α的變化范圍；②負載電流的最大有效值；③最大輸出功率及此時電源側的功率因數；④當α=時，晶閘管電流有效值，晶閘管導通角和電源側功率因數。解：①負載阻抗角為：φ=arctan（）=arctan（）==176。 開通角α的變化范圍為：φαπ即π③當α=φ時，輸出電壓最大，負載電流也為最大，此時輸出功率最大，為Pomax==(KW)功率因數為實際上，此時的功率因數也就是負載阻抗角的余弦，即cosj= ④α=時，先計算晶閘管的導通角，由式（47）得sin(+)=sin()解上式可得晶閘管導通角為：θ==176。也可由圖43估計出q 的值。此時，晶閘管電流有效值為==(A)電源側功率因數為其中：=(A)于是可得出 3．交流調壓電路和交流調功電路有什么區別？二者各運用于什么樣的負載？為什么？答：交流調壓電路和交流調功電路的電路形式完全相同，二者的區別在于控制方式不同。 交流調壓電路是在交流電源的每個周期對輸出電壓波形進行控制。而交流調功電路是將負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與斷開周波數的比值來調節負載所消耗的平均功率。交流調壓電路廣泛用于燈光控制（如調光臺燈和舞臺燈光控制）及異步電動機的軟起動，也用于異步電動機調速。在供用電系統中，還常用于對無功功率的連續調節。此外，在高電壓小電流或低電壓大電流直流電源中，也常采用交流調壓電路調節變壓器一次電壓。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；同樣，低電壓大電流直流電源需要很多晶閘管并聯。這都是十分不合理的。采用交流調壓電路在變壓器一次側調壓，其電壓電流值都不太大也不太小，在變壓器二次側只要用二極管整流就可以了。這樣的電路體積小、成本低、易于設計制造。交流調功電路常用于電爐溫度這樣時間常數很大的控制對象。由于控制對象的時間常數大，沒有必要對交流電源的每個周期進行頻繁控制。 4．什么是TCR，什么是TSC？它們的基本原理是什么？各有何特點？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，可以連續調節流過電抗器的電流，從而調節TCR從電網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償無功功率的電容器的投入和切除來向電網提供無功功率（提供容性的無功功率）。二者的特點是：TCR只能提供感性的無功功率，但無功功率的大小是連續的。實際應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連續調節無功功率。TSC提供容性的無功功率，符合大多數無功功率補償的需要。其提供的無功功率不能連續調節，但在實用中只要分組合理，就可以達到比較理想的動態補償效果。5．單相交交變頻電路和直流電動機傳動用的反并聯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傳動用的反并聯可控整流電路的電路組成是相同的，均由兩組反并聯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。而直流電動機傳動用的反并聯可控整流電路是將交流電變為直流電，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系，而是由電動機工作狀態的需要決定。 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，構成交交變頻電路的兩組變流電路的脈波數越多，最高輸出頻率就越高。當交交變頻電路中采用常用的6脈波三相橋式整流電路時，最高輸出頻率不應高于電網頻率的1/3~1/2Error! No bookmark name given.。當電網頻率為50Hz時，交交變頻電路輸出的上限頻率為20Hz左右。當輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所包含的電網電壓段數減少，波形畸變嚴重，電壓波形畸變和由此引起的電流波形畸變以及電動機的轉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是： 只用一次變流，效率較高；可方便實現四象限工作；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；受電網頻率和變流電路脈波數的限制，輸出頻率較低；輸出功率因數較低；輸入電流諧波含量大，頻譜復雜。 主要用途：500千瓦或1000千瓦以下的大功率、低轉速的交流調速電路，如軋機主傳動裝置、鼓風機、球磨機等場合。 8 三相交交變頻電路有那兩種接線方式？它們有什么區別？答：三相交交變頻電路有