1、第一章 電力電子器件一、本章主要內容及重點與難點【主要內容】本章主要討論電力電子器件的分類以及典型電力電子器件的結構、電氣符號、工作原理、基本特性與主要參數。在學習過程中，主要應掌握以下內容：1電力電子器件的概念與特征；2. 電力電子器件的分類；3. 電力二極管的工作原理、基本特性與主要參數；4. 晶閘管（SCR）的工作原理、基本特性與主要參數；5. 幾種典型全控型電力電子器件（GTO；GTR；PowerMOSFET；IGBT）的工作原理、基本特性與主要參數；6. 上述全控型電力電子器件的性能比較。【重點與難點】本章重點在于半控型器件晶閘管，要重點掌握晶閘管的的結構、電氣符號、開關規律、靜態特

2、性以及主要參數。（重點應該再加上MOS和IGBT，因為這2種器件應用應用很廣很重要。）本章難點在于晶閘管額定電流、額定電壓的定義以及實際使用中如何選擇晶閘管的參數。二、典型習題解析例1-1 下列對晶閘管特性的敘述中，正確的是（ ）。 A 晶閘管屬于電流驅動雙極型器件 C 晶閘管觸發導通后，門極就失去了控制作用 B 晶閘管具有單向導電性 D 晶閘管的擎住電流大于維持電流【答案】A、B、C、D【解析】本題主要考察對晶閘管特性的熟悉程度，四個選項的描述均正確。A選項考察晶閘管的分類；B選項考察半導體器件的特點；C選項考察晶閘管的開關特性；D選項考察晶閘管的主要參數例1-2 雙向晶閘管的額定電流是以（

3、 ）定義的；GTO的額定電流是以（ ）定義的。 A 平均值 B 有效值 C 最大值 D 瞬時值【答案】B，C【解析】本題主要考察雙向晶閘管與GTO額定電流的定義，雙向晶閘管的正向伏安特性與反向伏安特性相同，用于交流電路中，其額定電流是以有效值定義的。GTO的陽極電流如過大，可能會出現無法由門極控制關斷的情況，因此其額定電流是以最大可關斷陽極電流定義的。例1-3 下列電力電子器件中，存在電導調制效應的是（ ）。 A GTO B GTR C PowerMOSFET D IGBT【答案】A、B、D【解析】本題主要考察對電導調制效應的理解，電導調制效應僅在雙極型器件中起作用，單極型器件僅有一種載流子參

4、與導電，因此不存在電導調制效應。題目中所列選項僅PowerMOSFET為單極型器件，故為排除項。例1-4 下列電力電子器件中，電流容量最大的是（ ）；開關頻率最高的是（ ）。 A GTO B GTR C PowerMOSFET D IGBT【答案】A，C【解析】本題主要考察全控型電力電子器件的特點，GTO導通時飽和程度較深，適用于高壓大容量場合，PowerMOSFET屬于單極型器件，沒有少子的存儲效應，因此開關速度較快，適用于高頻電路。例1-5 下列電力電子器件中，（ ）的驅動功率較小。 A SCR B GTO C GTR D IGBT【答案】D【解析】本題主要考察對電壓型驅動電路與電流型驅動

5、電路的區別，電壓型驅動電路的輸入阻抗高，要求的驅動功率小，驅動電路簡單，上述器件中僅有IGBT為電壓驅動型器件。例1-6 晶閘管剛由斷態轉入通態并且去掉門極信號，仍能維持其導通所需的最小陽極電流，稱為（ ）。A. 維持電流 B. 擎住電流C. 浪涌電流D. 額定電流【答案】A【解析】本題主要考察晶閘管維持電流的定義，晶閘管觸發導通后，維持其導通所必須的最小電流為維持電流。例1-7 由于二次擊穿現象對GTR的危害極大，因此規定了GTR的安全工作區，此安全工作區由（ ）曲線組成。A. 2條 B. 3條C. 4條D. 5條【答案】C【解析】本題主要考察GTR安全工作區的限制條件，GTR的安全工作區由

6、集電極最大電流、最高工作電壓、最大耗散功率與二次擊穿臨界線四條曲線限制。例1-8下列電氣符號中，GTO的電氣符號是（ ）。A. B C. D. 【答案】A【解析】本題主要考察對電氣符號的認識，A為GTO，B為逆導晶閘管，C為雙向晶閘管，D為晶閘管。例1-9圖1-1所示電路，一只晶閘管與燈泡串聯，加上直流電壓U，開關S閉合前燈泡亮不亮？ ，原因是 ；開關S閉合后燈泡亮不亮？ ，原因是 ；開關S閉合一段時間后再打開，斷開開關后燈泡亮不亮？ ，原因是 。圖1-1【答案】不亮；沒有門極觸發脈沖，晶閘管處于斷態；亮；晶閘管承受正向電壓且門極有觸發脈沖，導通；亮；晶閘管導通后門極即失去控制作用。【解析】本

7、題主要考察對晶閘管開關規律的理解。晶閘管導通必須同時具備兩個條件，一是正向陽極電壓，二是具有門極觸發脈沖；一旦晶閘管導通后，內部正反饋過程形成，門極就失去了控制作用。例1-10 圖1-2所示電路，U1=100V，R=1，觸發角=0°，考慮兩倍安全裕量，選擇合適的晶閘管。圖1-2【答案】晶閘管的額定電壓UT=282V，可選擇300V的器件 晶閘管的額定電流IT=90A，可選擇100A的器件【解析】本題考查對晶閘管額定電流與額定電壓的定義以及如何選擇晶閘管的額定參數。晶閘管的額定電壓一般選擇器件所承受的最高正、反向電壓中的較大值，本題中晶閘管承受的最高正、反反向電壓均為，考慮兩倍安全裕量

8、，UVT=282V，可選擇300V的器件；晶閘管的額定電流是按正弦半波電流的平均值定義的，選擇器件則按照有效值相等的原則，由于=0°，流過晶閘管的電流波形為正弦半波，因此晶閘管的額定電流，考慮兩倍安全裕量，IT=90A，可選擇100A的器件。三、課后習題解答1. 晶閘管正常導通的條件是什么，導通后流過的電流由什么決定？晶閘管關斷的條件是什么，如何實現？答：晶閘管正常導通的條件是：1）晶閘管承受正向陽極電壓（UAK>0）；2）在門極施加觸發電流（UGK>0，這里還得加上IG>0，電流驅動器件，光寫有電壓不嚴謹）。晶閘管關斷的條件是：流過晶閘管的電流降低到維持電流以下（

9、IA<IH）。要使晶閘管由導通轉為關斷，可利用外加反向電壓或由外電路作用使流過晶閘管的電流降到維持電流以下，便可使導通的晶閘管關斷。2. 有時晶閘管觸發導通后，觸發脈沖結束后它又關斷了，是何原因？答：這是由于觸發脈沖寬度不夠或電路中電感較大（尤其是在阻感負載情況下），晶閘管的陽極電流IA沒有達到晶閘管的擎住電流（IL）就去掉了觸發脈沖，此時，晶閘管將自動返回阻斷狀態。因此，在具體電路中，由于陽極電流上升到擎住電流需要一定的時間（主要由外電路結構決定），所以門極觸發信號需要保證一定的寬度。3. 圖1-3中的陰影部分表示流過晶閘管的電流波形，其最大值均為Im，試計算各波形的電流平均值、有效值

10、。如不考慮安全裕量，額定電流100A的晶閘管，流過上述電流波形時，允許流過的電流平均值Id各為多少？圖1-3 解：（a） 額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則；平均值為：。（b）額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則；平均值為：。（c）額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則；平均值為：。（d）額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則；平均值為：。（e）額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則；平均值為：。（f）額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則：；平均值為： 4、為什么晶閘

11、管不能用門極負脈沖信號關斷陽極電流，而GTO卻可以？答：GTO和普通晶閘管同為PNPN結構，由P1N1P2和N1P2N2構成兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益1和2，由普通晶閘管得分析可得，121是器件臨界導通的條件。12>1兩個晶體管飽和導通；12<1不能維持飽和導通而關斷。GTO能關斷，而普通晶閘管不能是因為GTO在結構和工藝上有以下幾點不同：1） 多元集成結構使每個GTO元的陰極面積很小，門極和陰極的距離縮短，從而使從門極抽出較大的電流成為可能。2） GTO導通時12更接近1，晶閘管12>1.15，而GTO則為121.05，飽和程度不深，在門極控制下易于退出飽和

12、。3） GTO在設計時，2較大，晶體管V2控制靈敏，而1很小，這樣晶體管V1的集電極電流不大，易于從門極將電流抽出，從而使GTO關斷。5、GTO與GTR同為電流控制器件，前者的觸發信號與后者的驅動信號有哪些異同？答：1）GTO與GTR驅動信號的相同之處在于：GTO與GTR都是電流型驅動型器件，其開通和關斷都要求有相應的觸發脈沖，要求其觸發電流脈沖的上升沿陡且實行強觸發。2）GTO與GTR驅動信號的區別在于：GTR要求在導通期間一直提供門極觸發電流信號，而GTO當器件導通后可以去掉門極觸發電流信號；GTO的電流增益（尤其是關斷電流增益很小）小于GTR，無論是開通還是關斷都要求觸發電流有足夠的幅值

13、和陡度，其對觸發電流信號（尤其是關斷門極負脈沖電流信號）的要求比GTR高。6、試比較GTR、GTO、MOSFET、IGBT之間的差異和各自的優缺點。答： GTR、GTO、MOSFET、IGBT之間的差異及各自的優缺點如下表所示：器 件優 點缺 點GTR耐壓高，電流大，開關特性好，通流能力強，飽和壓降低開關速度低，電流驅動型需要驅動功率大，驅動電路復雜，存在2次擊穿問題GTO電壓、電流容量很大，適用于大功率場合，具有電導調制效應，其通流能力很強電流關斷增益很小，關斷時門極負脈沖電流大，開關速度低，驅動功率很大，驅動電路復雜，開關頻率低MOSFET開關速度快，開關損耗小，工作頻率高，門極輸入阻抗高

14、，熱穩定性好，需要的驅動功率小，驅動電路簡單，沒有2次擊穿問題電流容量小，耐壓低，通態損耗較大，一般適合于高頻小功率場合IGBT開關速度高，開關損耗小，通態壓降低，電壓、電流容量較高。門極輸入阻抗高，驅動功率小，驅動電路簡單開關速度不及電力MOSFET，電壓、電流容量不及GTO。四、補充習題1試說明什么是電導調制效應及其作用。答：當PN結通過正向大電流時，大量空穴被注入基區（通常是N型材料），基區的空穴濃度（少子）大幅度增加，這些載流子來不及和基區的電子中和就到達負極。為了維持基區半導體的電中性，基區的多子（電子）濃度也要相應大幅度增加。這就意味著，在大注入的條件下原始基片的電阻率實際上大大地

15、下降了，也就是電導率大大增加了。這種現象被稱為基區的電導調制效應。電導調制效應使半導體器件的通態壓降降低，通態損耗下降；但是會帶來反向恢復問題，使關斷時間延長，相應也增加了開關損耗。2. 在圖1-4所示電路中，若使用一次脈沖觸發，試問為保證晶閘管充分導通，觸發脈沖寬度至少要多寬？圖中，E=50V；L=0.5H；R=0.5; IL=50mA（擎住電流）。 圖1-4解：晶閘管可靠導通的條件是：必須保證當陽極電流上升到大于擎住電流之后才能撤掉觸發脈沖。當晶閘管導通時有下式成立：解之得： 可靠導通條件為： 解得： 即 3. 請畫出VDMOS（或IGBT）管柵極電流波形，并說明電流峰值和柵極電阻有何關系

16、以及柵極電阻的作用。答：VDMOSFET和IGBT都是電壓驅動型器件，由于存在門極電容，其門極電流的波形類似于通過門極電阻向門極電容的充電過程，其峰值電流為IpUGE/RG。柵極電阻的大小對器件的靜態和動態開關特性有很大的影響：RG增加，則開通時間、關斷時間、開通損耗關斷損耗增加；和位移電流減小；觸發電路振蕩抑止能力強，反之則作用相反。因此在損耗容許的條件下，RG可選大些以保證器件的安全，具體選擇要根據實際電路選。典型的應用參數為：UGE15V，UGE(510)V，RG350歐。4. 限制功率MOSFET應用的主要原因是什么？實際使用時如何提高MOSFET的功率容量？答：限制功率MOSFET應

17、用的主要原因是其電壓、電流容量難以做大。因為MOSFET是單極性器件，所以通態損耗較大，其通態電阻為（公式應該是正比于，用等號不合適）。高壓大電流時，當額定電壓比較高且電流大時，其通態電阻（對應損耗）達到令人難以接受的程度（目前的市場水平最大為IXYS公司的器件1200V/38A）。實際使用時，由于MOSFET具有正的溫度系數，可以方便地采用多管并聯的方法來提高其功率容量。第二章 相控整流電路一、本章主要內容及重點與難點【主要內容】本章主要討論各種相控整流電路的工作原理、波形分析及數值計算方法。在學習過程中，主要應掌握以下內容：1. 單相橋式全控整流電路的工作原理、波形分析及數值計算；2. 單

18、相橋式半控整流電路的工作原理、波形分析及數值計算；3. 三相半波可控整流電路的工作原理、波形分析及數值計算；4. 三相橋式全控整流電路的工作原理、波形分析及數值計算；5. 變壓器漏感對整流電路的影響；6. 有源逆變的概念、有源逆變產生的條件及逆變失敗；7. 電容濾波的不可控整流電路分析；8. 整流電路的諧波與無功功率及其影響。【重點與難點】本章重點在于分析不同電路結構、不同負載形式下的相控整流電路的工作原理與波形，主要包括以下內容：1. 理解“可控”的概念，在分析問題時充分考慮晶閘管的開關規律；2. 注意負載性質不同對整流電路中晶閘管開關的影響，尤其是大電感的影響；3. 不同電路結構、不同負載

19、形式相控整流電路中晶閘管的移相范圍、導通時間；4. 負載電壓、負載電流、晶閘管所承受的電壓、晶閘管電流、變壓器二次側電流波形分析；5. 有源逆變的概念及其實現的條件；6. 如何分析有源逆變電路；7. 變壓器漏感的存在對整流電路和有源逆變電路的影響。本章難點在于不同電路結構、不同負載形式相控整流電路的波形分析。二、典型習題解析例2-1 如圖2-1所示的單相橋式半控整流電路中續流二極管VD的作用有（ ）。 A 減輕晶閘管的負擔 C 防止出現失控現象 B 提高整流電壓的平均值 D 起電壓鉗位作用圖2-1【答案】A、B、C【解析】 本題主要考察對半控整流電路的認識，半控整流電路在正常工作時與全控整流電

20、路相同，但是在阻感負載下，如果一只晶閘管的脈沖丟失，可能會造成一只晶閘管導通，兩只二極管輪流導通的“失控”現象，這主要是由于二極管是不可控器件，不具備正向承壓能力造成的。因此通常采用在負載兩端反并聯續流二極管的方法。同時，該續流二極管在電源電壓的負半周為負載電流提供了通路，既減輕了晶閘管的負擔，又提高了輸出負載電壓的數值。例2-2如圖2-1所示的單相橋式半控整流電路，觸發角為，負載電流為Id，流過晶閘管的電流有效值為（ ）。 A B C D 【答案】B【解析】 本題主要考察單相橋式半控整流電路的工作情況，由于續流二極管VD的存在，在電源電壓的負半周，負載電流經VD流通，而不再流經晶閘管，因此在

21、電源電壓的一個周期內，每只晶閘管導通時間為，因此流過晶閘管的電流有效值為。例2-3 如圖2-1所示的帶續流二極管的單相橋式半控整流電路與單相橋式全控整流電路，同樣是電阻性負載，設變壓器二次側電壓為U2，則晶閘管承受的最高正向電壓為（ ）。 A ， B ， C ， D ，【答案】C【解析】 本題主要考察帶續流二極管的單相橋式半控整流電路與單相橋式全控整流電路在電阻負載下晶閘管承受正向電壓的區別，以uVT1為例，由于單相橋式半控整流電路中的二極管承受正向電壓則導通，因此在電源電壓的正半周，晶閘管VT1的觸發脈沖到來之前（電阻性負載，VT2已關斷），與二極管VD4串聯的晶閘管VT1承受全部電源電壓，

22、其最大值為；而單相橋式全控整流電路全部采用可控器件，注意晶閘管導通的兩個條件，同樣以uVT1為例，在電源電壓的正半周，晶閘管VT1的觸發脈沖到來之前，VT1VT4四只晶閘管均阻斷，因此VT1與VT4共同承擔電源電壓，即uVT1= u2/2，其最大值為。例2-4單相橋式全控整流電路，阻感性負載，。設變壓器二次側電壓為U2，則晶閘管承受的最高正、反向電壓分別為（ ）。 A ， B ， C ， D ，【答案】D【解析】 本題主要考察單相橋式全控整流電路在阻感負載下的工作情況。由于，因此在任一瞬間總有一組晶閘管導通，而導通的晶閘管對未導通的晶閘管產生影響，即給未導通的晶閘管施加了反向電壓。以uVT1為

23、例，VT2導通時使得VT1承受電源電壓u2，其最大值為。這一點與電阻性負載情況有區別，要尤其注意。例2-5單相橋式全控整流電路帶電阻性負載與阻感性負載（）情況下，晶閘管觸發角的移相范圍分別為（ ）。 A ， B ， C ， D ，【答案】C【解析】 本題主要考察對晶閘管觸發角移相范圍的理解。移相范圍是指使得輸出電壓在最大值與最小值之間變化的觸發角的可調范圍。單相橋式全控整流電路帶電阻性負載，觸發角為0°時輸出電壓為最大值，觸發角為180°時輸出電壓為0，因此其移相范圍為180°；單相橋式全控整流電路帶阻感性負載，有于大電感的存在，輸出電壓的波形中出現負半周波形，其

24、平均值降低，觸發角為0°時輸出電壓為最大值，觸發角為90°時輸出電壓為0，因此其移相范圍為90°。例2-6單相橋式全控整流電路，阻感反電勢負載（），負載電壓為Ud，反電勢為E，則負載電流為（ ）。 A B C D 【答案】B【解析】 本題主要考察單相橋式全控整流電路帶阻感反電勢負載的工作情況，由于，因此當時，電感即起續流作用，與阻感負載相比相當于電感續流的時間提前了，該電路的波形分析與阻感負載相同，只是在計算負載電流時，要考慮反電勢的存在，所以。例2-7 下列電路中，存在變壓器鐵心直流磁化現象的有（ ）。 A 單相半波可控整流電路 C 單相橋式全控整流電路 B 單

25、相橋式半控整流電路 D 單相全波可控整流電路【答案】A【解析】 本題主要考察對變壓器鐵心直流磁化現象的理解，變壓器鐵心中有直流成分時會導致鐵心飽和成為變壓器鐵心直流磁化現象，為使變壓器鐵心不飽和，需增大鐵心截面積，就會增加設備容量。上述選項中，單相半波可控整流電路的負載電流（直流分量）經過變壓器二次繞組，存在變壓器鐵心直流磁化現象；其它三個電路中，變壓器二次側電流為正、負半周對稱的交流分量，不存在直流分量，因此不存在變壓器鐵心直流磁化現象。例2-8 三相半波可控整流電路與三相橋式全控整流電路，電阻性負載，晶閘管觸發角的移相范圍分別為（ ）。 A 90°，120° B 90&

26、#176;，150° C 120°，150° D 150°，120°【答案】A【解析】 本題主要考察對三相可控整流電路的認識，三相可控整流電路與單相可控整流電路不同，晶閘管觸發角的起始位置（=0°）位于自然換相點（以ua的過零點作為坐標原點，=0°位于t=30°處，而單相可控整流電路的 =0°位于t=0°處），這是三相可控整流電路中晶閘管能夠導通的最早時刻，因此三相半波可控整流電路在電阻性負載情況下晶閘管的移相范圍為150°；又由于三相橋式全控整流電路的負載電壓為線電壓，線電壓的過零點

27、超前相電壓 30°，因此三相橋式全控整流電路在電阻性負載情況下晶閘管的移相范圍為120°。例2-9 三相半波可控整流電路，電阻性負載，晶閘管承受的最高正、反向電壓分別為（ ）。 A ， B ， C ， D ，【答案】B【解析】 本題主要考察對三相可控整流電路的分析，三相半波可控整流電路帶中線，輸出負載電壓為相電壓，晶閘管上承受的電壓為線電壓。當30°負載電流連續時，三相的晶閘管輪流導通，每只晶閘管導通120°，晶閘管上承受的正向線電壓小于變壓器二次側相電壓（=30°晶閘管上承受的正向線電壓達到最大，此時u2L=1.225U2<，U2為變壓

28、器二次側相電壓有效值）；當>30°負載電流斷續時，三相晶閘管均阻斷，晶閘管上承受的正向電壓為相電壓，其最大值為。而晶閘管承受的最高反向電壓為。例2-10 三相橋式全控整流電路，電阻性負載，晶閘管承受的最高正、反向電壓分別為（ ）。 A ， B ， C ， D ，【答案】D【解析】 本題主要考察對三相橋式全控整流電路的分析，三相橋式全控整流電路輸出負載電壓為線電壓，晶閘管上承受的電壓為線電壓。以uVT1為例分析晶閘管上承受的電壓波形如下圖所示，由圖可見，晶閘管承受的正、反向電壓均為。例2-11 下列電路能夠完成有源逆變的有（ ）。 A 單相橋式全控整流電路 C 單相全波整流電路

29、B 單相橋式半控整流電路 D 單相半波可控整流電路【答案】A、B【解析】 本題主要考察有源逆變產生的條件，由于有源逆變的實現要求輸出電壓為負值，因此半控整流電路以及單相半波整流電路是不能實現有源逆變的，只有全控整流電路才能實現有源逆變。例2-12 單相橋式全控整流電路工作在有源逆變狀態，設變壓器二次側電壓為U2，反電勢為E，負載電壓為Ud，則負載電流為（ ）。 A B C D 【答案】B【解析】 本題主要考察有源逆變電路輸出電壓與電流的關系，整流電路工作在有源逆變狀態下，輸出電壓反向，為負值；反電勢亦為負值，且，而負載電流的方向與整流時相同，為正值，因此。例2-13 三相橋式全控變流電路既可以

30、工作在整流狀態，又可以工作在有源逆變狀態，當其為直流電機供電時，下列說法正確的是（ ）。 A <90°，變流器工作在整流狀態，直流電機作電動機運行 B <90°，變流器工作在整流狀態，直流電機作發電機運行 C >90°，變流器工作在有源逆變狀態，直流電機作電動機運行 D >90°，變流器工作在有源逆變狀態，直流電機作發電機運行【答案】A、D【解析】 本題主要考察對變流器中能量的傳遞方向，在整流狀態，變流器向直流電機供電，直流電機工作在第一象限，作電動機運行；在有源逆變狀態下，直流電機的能量流向變流器，直流電機工作在第二象限，作發電

31、機運行。例2-14 三相橋式全控整流電路共陰極組組晶閘管的觸發脈沖相差（ ）；位于同一相的兩只晶閘管的觸發脈沖相差（ ）。 A 60°，120° B 90°，120° C 120°，120° D 120°，180°【答案】D【解析】 本題主要考察三相橋式全控整流電路的觸發脈沖規律，共陰極組晶閘管或共陽極組晶閘管分屬于三相，其觸發脈沖間隔120°，位于同一相的兩只晶閘管不能同時導通，其觸發脈沖間隔180°。例2-15 變壓器漏感對整流電路的影響是使整流電路的輸出電壓（ ），使有源逆變電路的輸出電壓

32、（ ）。 A 降低，降低 B 降低，升高 C 升高，降低 D 升高，升高【答案】B 【解析】 本題主要考察變壓器漏感對整流電路的影響，在整流狀態下，變壓器漏感的存在使得在換向期間，負載電壓為換向的兩相電壓的平均值，比不考慮漏感時降低了；在有源逆變狀態下，由于輸出電壓為負值，因此負載電壓比不考慮漏感時升高了。例2-16 單相橋式全控整流電路，大電感負載，U2=220V，R=4，=60°，試計算：1） 作出負載電壓ud、晶閘管電壓uVT1、負載電流id、晶閘管電流iVT1以及變壓器二次側電流i2的波形；2） 計算Ud、Id的平均值及I2的有效值；3） 考慮兩倍的安全裕量，選擇合適的晶閘管

33、；4） 如負載并接續流二極管，其Ud、Id又為多少，作出1）中所要求的波形。【解析】 本題主要考察單相橋式全控整流電路帶阻感負載的工作原理。無續流二極管情況下，兩組晶閘管VT1、VT4與VT2、VT3輪流導通180°；在負載兩端并聯二極管二極管，晶閘管的導通時間縮短為，在電源電壓的負半周，二極管導通，導通時間為。注意有續流二極管情況下晶閘管承受電壓的分析。1）無續流二極管情況下2）無續流二極管情況下V AA3）AA考慮兩倍安全裕量，可選擇額定電流為30A的晶閘管；由于晶閘管承受的最高反向電壓為V，考慮兩倍安全裕量，可選擇額定電壓為600V的晶閘管。4）有續流二極管情況 VA 例2-1

34、7 三相橋式全控整流電路，阻感反電勢負載，L>>R，U2=220V，R=2，E=200V，=60°，試計算：1） 作出負載電壓ud、晶閘管電壓uVT1、負載電流id、晶閘管電流iVT1、iVT4以及變壓器二次側電流ia的波形；2） 計算Ud、Id的平均值及Ia的有效值；3） 若VT1的觸發脈沖消失，分析負載電壓ud及晶閘管電壓uVT1的波形。【解析】 本題主要考察三相橋式全控整流電路帶阻感反電勢負載情況。阻感反電勢負載的波形分析與阻感負載相同，大電感情況下負載電流連續、平直，每只晶閘管導通120°。1）波形分析如下圖所示2） VAA3）例2-18 三相橋式全控整

35、流電路，電阻負載，試作出VT1觸發脈沖丟失情況下的負載電壓ud及晶閘管電壓uVT1的波形。【解析】以=60°為例。VT1觸發脈沖丟失后，分析電阻性負載與阻感負載情況下分析負載電壓ud及晶閘管電壓uVT1波形的關鍵在于VT1脈沖到來之前導通的晶閘管是否關斷？何時會關斷？電阻性負載情況，線電壓uca過零后VT5、VT6即關斷，ud=0，直至VT2、VT3導通時ud=ubc。例2-19 三相橋式全控整流電路，如圖所示，線電壓Uab=400V，R=10，L極大，1） 當=600，E= 306V時，能否實現有源逆變？求此時的Ud 、Id ；2） 作出負載電壓ud、晶閘管電壓uVT1、負載電流i

36、d、晶閘管電流iVT1、iVT4以及變壓器二次側電流ia的波形。【解析】本題主要考察三相橋式全控整流電路實現有源逆變的條件以及在有源逆變條件下電路的波形分析。分析有源逆變電路的波形與整流電路的方法相同，需注意的是逆變角不同于觸發角，+=。注意有源逆變電路波形與整流電路波形的區別。一是晶閘管觸發相位的影響，二是在有源逆變工作狀態下，晶閘管工作在電源電壓的負半周，輸出負載電壓波形大部分位于負半周，而晶閘管在大部分時間內承受正向電壓。1） 當=600，E= 306V時V由于，因此可以實現有源逆變。A2）例2-20 試作出三相半波可控整流電路工作于有源逆變狀態下，VT3觸發脈沖丟失情況下的負載電壓ud

37、波形，并說明會造成什么后果？【解析】分析方法與例18相同。在有源逆變狀態下，觸發脈沖丟失易產生逆變失敗。例如下圖中VT3觸發脈沖丟失后，之前導通的VT2會繼續導通到正半波。當VT1再次獲得觸發脈沖時，由于此時ub>ua，因此VT1承受反壓而無法導通，輸出電壓ud為正值，和直流電動勢同極性，造成短路，即逆變失敗。因此有源逆變電路的觸發電路一定要工作可靠。三、課后習題解答1. 單相橋式全控整流電路接電阻性負載，要求輸出電壓在0100V連續可調，輸出電壓平均值為30 V時，負載電流平均值達到20A。系統采用220V的交流電壓通過降壓變壓器供電，且晶閘管的最小控制角min30°，（設降

38、壓變壓器為理想變壓器）。試求：1）變壓器二次側電流有效值I2；2）考慮安全裕量，選擇晶閘管電壓、電流定額；3）作出60°時，ud、id和變壓器二次側i2的波形。解：由題意可知負載電阻歐，單相全控整流的直流輸出電壓為直流輸出電壓最大平均值為100V，且此時的最小控制角為min30°，帶入上式可求得1） min30°時，2）晶閘管的電流有效值和承受電壓峰值分別為 考慮3倍余量，選器件耐壓為168×3500V；額定電流為(55.28/1.57)×3100A3）2. 試作出單相橋式半控整流電路帶大電感負載，在30°時的ud、id、iVT1、i

39、VD4的波形。并計算此時輸出電壓和電流的平均值。解：輸出電壓和電流的平均值分別為：3. 單相橋式全控整流電路，U2100V，負載中R2 ，L值極大，反電動勢E60V，當30°時，試求：1）作出ud、id和i2的波形；2）求整流輸出電壓平均值Ud、電流Id，以及變壓器二次側電流有效值I2。解：整流輸出電壓平均值Ud、電流Id，以及變壓器二次側電流有效值I2分別為： 4. 某一大電感負載采用單相半控橋式整流接有續流二極管的電路，負載電阻R=4，電源電壓U2=220V，=/3，求：1) 輸出直流平均電壓和輸出直流平均電流；2) 流過晶閘管（整流二極管）的電流有效值；3) 流過續流二極管的電

40、流有效值。解：1）電路波形圖見第2題2）3）5. 三相半波可控整流電路的共陰極接法和共陽極接法，a、b兩相的自然換相點是同一點嗎？如果不是，它們在相位上差多少度？試作出共陽極接法的三相半波可控的整流電路在30°時的ud、iVT1、uVT1的波形。解：a、b兩相的自然換相點不是同一點，它們在相位上差180度，見下圖。共陽極接法的三相半波可控的整流電路在30°時的ud、iVT1、uVT1的波形如下圖6. 三相半波可控整流電路帶大電感性負載，/3，R=2，U2=220V，試計算負載電流Id，并按裕量系數2確定晶閘管的額定電流和電壓。解：按裕量系數2確定晶閘管的電流定額為：；電壓定

41、額為：7. 三相橋式全控整流電路，U2100V，帶阻感性負載，R5 ，L值極大，當60°，試求：1）作出ud、id和iVT1的波形；2）計算整流輸出電壓平均值Ud、電流Id，以及流過晶閘管電流的平均值IdVT和有效值IVT；3）求電源側的功率因數；4）估算晶閘管的電壓、電流定額。解：1） 2） 3）由功率因數的定義知： 4）按2倍余量估算，晶閘管的電壓定額為：；晶閘管的電流定額為：8. 三相橋式不控整流電路帶阻感性負載，R5 ，L，U2220V，XB=0.3 ，求Ud、Id、IVD、I2和的值，并作出ud、iVD1和i2的波形。解：三相橋式不控整流電路相當于三相橋式全控整流電路在觸發

42、角為0度時的情況，則 代入已知量聯立求解上述2個方程可得： 二極管的電流平均值為： 變壓器二次側電流有效值為： 由 可得 ； ud、iVD1和i2的波形的波形如下：9. 請說明整流電路工作在有源逆變時所必須具備的條件。答：(1) 外部條件直流側應有能提供逆變能量的直流電動勢，其極性與晶閘管導通方向一致，其值大于變流器直流側的平均電壓。(2) 內部條件變流器直流側輸出直流平均電壓必須為負值，即>/2，Ud<0。以上兩條件必須同時滿足，才能實現有源逆變。10. 什么是逆變失敗？如何防止逆變失敗？答：當變流器工作于逆變工況時，一旦由于觸發脈沖丟失、突發電源缺相或斷相等原因造成換流失敗，將

43、使輸出電壓Ud進入正半周，與EM順向連接，由于回路電阻很小，造成很大的短路電流，這種情況叫逆變失敗或逆變顛覆。為了保證逆變電路的正常工作，必須1）選用可靠的觸發器，2）正確選擇晶閘管的參數，3）采取必要的措施，減小電路中du/dt和di/dt的影響，以免發生誤導通，4）保證交流電源的質量，5）逆變角的角度有一最小限制，留出充足的換向余量角。11. 三相全控橋式變流器，已知L足夠大、R=1.2、U2=200V、EM= 300V，電動機運行于發電制動狀態，制動過程中的負載電流為66A，問此時變流器能否實現有源逆變？若能求此時的逆變角。解：電動機處于發電制動狀態可以提供逆變能量，滿足有源逆變的外部條

44、件，可以實現有源逆變。三相全控橋式變流器處于有源逆變時有： （1）而 ，即 ，將帶入（1）式可得：；或。12. 三相全控橋式變流器，帶反電動勢阻感負載，已知R1 ，L，U2220V，LB=1mH，當EM400V，60°時求Ud、Id和的值，及此時送回電網的有功功率是多少？解： 代入已知量聯立求解上述2個方程可得： 由換流重疊角公式可得：；即 送回電網的有功功率為：。13. 三相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有哪些次數的諧波？其中最大的是哪一次？變壓器二次電流中含有哪些次數的諧波？其中主要的是哪幾次？對于m相全控整流電路呢？答：三相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有6k（k=

45、1、2、3）次的諧波，其中最大的是6次諧波。變壓器二次電流中含有6k±1（k=1、2、3）次的諧波，其中主要的是哪5、7次諧波。對于m相全控整流電路，其整流輸出電壓中含有2mk（k=1、2、3）次的諧波，其中最大的是2m次諧波。變壓器二次電流中含有2mk±1（k=1、2、3）次的諧波，其中主要的是哪2mk±1次諧波。14. 試計算第3題（單相橋式全控整流電路）中i2的3、5、7次諧波分量的有效值I23、I25、I27，并計算此時該電路的輸入功率因數。解：由第3的解答可知：，則 ； 基波有效值 輸入功率因數 。15. 試計算第7題（三相橋式全控整流電路）中的i2的5

46、、7次諧波分量的有效值I25、I27。解：由第7的解答可知：，則；。16. 三相晶閘管橋式全控整流器接至10.5kV交流系統。已知10kV母線的短路容量為150MVA，整流器直流側電流Id400A，觸發延遲角15°，不計重疊角，試求：1) 基波功率因數cos1、整流器的功率因數；2) 整流側直流電壓Ud；3) 有功功率、無功功率和交流側基波電流有效值；4) 截止到23次的各諧波電流的大小、總諧波畸變率。解：1） 2）3）基波電流有效值 總電流有效值 有功功率 無功功率 4）僅含有6k±1（k=1、2、3）次的諧波，；總諧波畸變率為：17. 晶閘管整流電路的功率因數是怎么定義

47、的？它與那些因素有關？答：晶閘管整流電路的功率因數由畸變因子和位移因子構成，表達式為：具體而言：由移相觸發角和整流電路的結構決定。四、補充習題1. 三相半波共陰極接法的整流電路中，如果c相的觸發脈沖消失，試繪出在電阻性負載和大電感性負載下整流的輸出電壓ud（300）。解：電阻負載時波形如下圖：大電感負載時的波形為：2. 三相橋式全控整流電路中，如果c相上橋臂晶閘管（第5號管）的觸發脈沖消失，試繪出在電阻性負載和大電感性負載下整流的輸出電壓ud（600）。解：電阻負載時波形如下圖：分析：當3、4號晶閘管導通（直流輸出為Uba）完即將切換到4、5號晶閘管導通時，由于5號晶閘管觸發丟失，且由于是電阻

48、負載，在本該4、5號晶閘管導通的區間內由于uba為負值，所以3號晶閘管被加反壓關斷，整流輸出為0。在隨后本該5、6號晶閘管導通區間，由于5號管丟失脈沖，回路也沒法導通，輸出還是0。隨著6、1號晶閘管的再次導通，進入下一個循環。電感負載時波形如下圖：分析：當3、4號晶閘管導通（直流輸出為uba）完即將切換到4、5號晶閘管導通時，由于5號晶閘管觸發丟失，沒法給3號晶閘管提供反壓使之關斷，且由于是電感負載，所以3號晶閘管將會繼續導通。這時實際導通的管子還是3、4兩個晶閘管，即整流輸出仍為Uba。在隨后本該5、6管導通區間，4號管被導通的6號管關斷，直流電流通過3、6號兩晶閘管形成的短路回路續流，直流

49、輸出是0。隨著6、1號晶閘管的再次導通，進入下一個循環。3一般三相可控整流裝置中，如果電源三相進線相序接反，會產生什么問題？答：三相可控整流裝置的三相交流電源相序接反會出現缺相或亂相的情況，即該導通的晶閘管不導通，不該導通的晶閘管導通。在單脈沖和雙脈沖觸發的三相橋式電路中，原來調整好的移相范圍會前移60°，使系統不能正常工作，所以晶閘管裝置的進線相序必須符合規定。4. 綜述抑制相控整流電路網側電流諧波的措施。答：抑制網側電流諧波的措施主要有：1) 選擇合適的輸入電壓（可采用輸入變壓器），在滿足控制和調節范圍的情況下盡可能減小控制角。2) 網側設置補償電容器和有針對性的濾波器。3) 增

50、加整流相數，即采用多相整流器，可使網側電流更加接近正弦波。4) 利用多重化技術進行波形疊加，以消除某些低次諧波。5) 利用有源濾波技術進行濾波。5. 綜述改善相控整流電路網側功率因數的措施。答：改善功率因數的途徑主要有：1) 選擇合適的輸入電壓，在滿足控制和調節范圍的情況下盡可能減小控制角。2) 增加整流相數，改善交流電流的波形，減少諧波成分。3) 設置補償電容器和有針對性的濾波器。4) 對于直流電抗濾波的整流器，換相重疊角會使諧波電流減小，可適當增加變壓器的漏感。5) 對于電容濾波的整流器，直流側加裝平波電感。第三章 直流斬波電路與交流電力變換電路一、本章主要內容及重點與難點【主要內容】本章

51、主要討論直流斬波電路與交流電力變換電路的工作原理，主要應掌握以下內容：1. 降壓直流斬波電路的工作原理、波形分析及數值計算；2. 升壓直流斬波電路的工作原理、波形分析及數值計算；3. 升降壓直流斬波電路的工作原理、波形分析及數值計算；4. 交流調壓電路的工作原理、波形分析及數值計算；5. 交流調功電路的工作原理；6. 交流無觸點開關的工作原理及其應用。【重點與難點】本章重點在于非隔離型直流斬波電路的分析方法；不同類型交流電力控制電路的控制方法、控制目的及其分析方法。主要包括以下內容：1. 在分析直流斬波電路時，充分考慮電路中電感、電容的作用及其特點；2. 交流調壓電路與交流調功電路的區別；3.

52、 交流調功電路與交流無觸點開關的區別；4. 交流調壓電路的工作原理、波形分析與數值計算本章難點在于三相交流調壓電路輸出負載電壓及晶閘管承受電壓的波形分析。二、典型習題解析例3-1 直流斬波電路完成的電力變換功能是（ ）。 A ACDC B DCAC C ACAC D DCDC【答案】D【解析】 本題主要考察直流斬波電路的功能。直流斬波電路是將一種形式的直流電能轉換為另一種形式直流電能的電路，因此完成的是DCDC變換。例3-2 交流電力變換電路不能完成（ ）的變換。 A 電壓 B 電流 C 頻率 D 相位【答案】C【解析】 本題主要考察交流電力變換電路的功能。交流電力變換電路是將一種形式的交流電

53、轉換為另一種形式交流電的電路，能夠改變交流電的電壓、電流以及相位，但不能改變交流電的頻率，這也是交流電力控制電路與交交變頻電路的區別。例3-3直流斬波電路的控制方式有（ ）。 A 定頻調寬控制 B 定寬調頻控制 C 調頻調寬控制 D PWM控制【答案】A、B、C、D【解析】本題主要考察直流斬波電路的控制方式。直流斬波電路可采用定頻調寬控制、定寬調頻控制、調頻調寬控制等控制方式。其中應用較廣的是定頻調寬控制方式，而PWM控制是最典型的一種定頻調寬控制方式。例3-4升降壓斬波電路（BOOST-BUCK Converter），采用定頻調寬控制方式，當占空比0<D<1/2時，輸出電壓的范圍

54、為（ ）。（設電源電壓為Ui） A 0Ui B Ui C 0 D 不確定【答案】A【解析】本題主要考察升降壓斬波電路輸出電壓的范圍，升降壓斬波電路的輸入、輸出電壓關系為，當占空比0<D<1/2時為降壓斬波電路，輸出電壓范圍是0Ui。例3-5下列直流斬波電路中，屬于反極性斬波電路的是（ ）。 A BOOST-BUCK斬波電路 B Cuk斬波電路 C Sepic斬波電路 D Zeta斬波電路【答案】A、B【解析】本題主要考察直流斬波電路的輸出電壓的極性。根據BOOST-BUCK斬波電路與Cuk斬波電路的工作原理及電流流通路徑可知，其負載電壓的極性與電源電壓極性相反。而Sepic斬波電路和Ze