1、电力电子技术复习题答案第四版第五版王兆安王俊主编第 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， uo 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， uo 0。一个周期内的平均电压Uo tonE 。输出电压小于电源电压，起到降压的作用。t ontoff2在图 3-1a 所示的降压斩波电路中，已知=200V， =10，L值极大，M=30V， =50 s,t on=20 s, 计算输出ERET电压平均值o，输出电
2、流平均值Io。U解：由于 L 值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为Uo= t onE = 20 200 =80(V)T50输出电流平均值为I o = U o - EM= 80 30 =5(A)R103在图 3-1a 所示的降压斩波电路中， E=100V， L =1mH，R=0.5 ， EM=10V，采用脉宽调制控制方式， T=20 s，当 t on=5s 时，计算输出电压平均值Uo，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=3s 时，重新进行上述计算。解：由题目已知条件可得：m= EM = 10 =0.1E 100L 0.001 = =
3、0.002R 0.5当 t on=5 s 时，有= T =0.01=ton =0.0025由于e1 = e0.00251 =0.249 me1e0. 011所以输出电流连续。此时输出平均电压为o = tonE= 1005 =25(V)U20T输出平均电流为I o = U o - EM =2510=30(A)R0.5输出电流的最大和最小值瞬时值分别为I max=1emE =1e 0.00250.1 100 =30.19(A)1eR1e0.010.5I min =e1mE =e0. 002510.1 100 =29.81(A)e1Re0.0110.5当 t on=3 s 时，采用同样的方法可以得出
4、： =0.0015由于e1e0.0151=e0. 01=0.149 me11所以输出电流仍然连续。此时输出电压、电流的平均值以及输出电流最大、最小瞬时值分别为：o =tonE= 1003 =15(V)UT20I o = U o - EM = 1510 =10(A)R0.51e 0.0015100I max=e0.010.110.5e0.00151100I min=10.1e0.010.5=10.13(A)=9.873(A)4简述图 3-2a 所示升压斩波电路的基本工作原理。答：假设电路中电感 L 值很大，电容 C值也很大。当 V 处于通态时，电源 E 向电感 L 充电，充电电流基本恒定为 I
5、1 ，同时电容 C上的电压向负载 R供电，因 C值很大，基本保持输出电压为恒值 Uo 。设 V 处于通态的时间为 t on，此阶段电感 L 上积蓄的能量为 EI 1ton 。当 V 处于断态时E 和 L 共同向电容 C充电并向负载 R提供能量。设V 处于断态的时间为 t off ，则在此期间电感 L 释放的能量为U oE I 1toff 。当电路工作于稳态时， 一个周期 T 中电感 L 积蓄的能量与释放的能量相等，即：EI 1tonU oEI 1toff化简得：U otontoff ET Etofftoff式中的 T / toff1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。5 在图 3
6、-2a 所示的升压斩波电路中，已知=50V，L值和C值极大， =20，采用脉宽调制控制方式，当=40ERT s ，on =25s 时，计算输出电压平均值o ，输出电流平均值Io。tU解：输出电压平均值为：TE =4050 =133.3(V)U =otoff4025输出电流平均值为：I o = U o = 133.3 =6.667(A)R 206 试分别简述升降压斩波电路和 Cuk斩波电路的基本原理，并比较其异同点。答：升降压斩波电路的基本原理：当可控开关V 处于通态时，电源E 经 V 向电感 L 供电使其贮存能量，此时电流为i 1 ，方向如图3-4 中所示。同时，电容 C维持输出电压基本恒定并
7、向负载R 供电。此后，使V 关断，电感 L 中贮存的能量向负载释放，电流为i 2，方向如图 3-4所示。可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反。稳态时，一个周期T 内电感 L 两端电压 uL 对时间的积分为零，即TuLd t00当 V 处于通态期间，uL =E；而当 V 处于断态期间， L= -uo 。于是：uE tonU otoff所以输出电压为：U otonEtonEEt offTton1改变导通比，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当01/2 时为降压，当 1/21 时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。Cuk 斩波电路的基本原理： 当 V 处于通态时，1V
8、回路和2 V 回路分别流过电流。 当 V 处于断态时，ELRLC1 VD 回路和2 VD 回路分别流过电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。该电路的等效电路如图EL CRL3-5b 所示，相当于开关S 在 A、 B 两点之间交替切换。假设电容 C很大使电容电压u的脉动足够小时。当开关S 合到 B 点时， B 点电压 u =0， A 点电压 u = - u ；相反，CBAC当 S 合到 A 点时， uB= uC， uA=0。因此， B 点电压 uB 的平均值为 U BtoffU C （ UC 为电容电压 uC 的平均值），又因电toffTton感 1 的电压平均值为零，所以EU BU C。另一
9、方面， A 点的电压平均值为 U A2 的电LTTUC，且 Lton U C 。于是可得出输出电压压平均值为零，按图 3-5b中输出电压 Uo 的极性，有 U oUo 与电源电压 E 的关系：t on EtonTU oE1EtoffTton两个电路实现的功能是一致的，均可方便的实现升降压斩波。与升降压斩波电路相比，Cuk 斩波电路有一个明显的优点，其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。7试绘制 Speic 斩波电路和 Zeta 斩波电路的原理图，并推导其输入输出关系。解： Sepic 电路的原理图如下：iL1C1VD1uL1uC1i2EVL2uoRuL
10、2C2a)Sepic 斩波电路在 V 导通 t on 期间，uL1 =EuL2= uC1在 V 关断 t off 期间uL1 E uo uC1uL2= uo当电路工作于稳态时，电感 L1、 L2 的电压平均值均为零，则下面的式子成立E t on + ( Euo uC1) t off =0uC1 t onuo t off =0由以上两式即可得出o= t onEUtoffZeta 电路的原理图如下：VL2uC1C1i1uL2EuL1L1VDuoRC2在 V 导通 t on 期间，uL1= EuL2 = E uC1 uo在 V 关断 t off 期间uL1 uC1uL2= uo当电路工作于稳态时，电
11、感 L1、 L2 的电压平均值均为零，则下面的式子成立E t on + uC1 t off =0( E uo uC1) t on uo t off =0由以上两式即可得出Uo= t on Etoff8分析图 3-7a 所示的电流可逆斩波电路，并结合图 3-7b 的波形，绘制出各个阶段电流流通的路径并标明电流方向。解：电流可逆斩波电路中， V1 和 VD1 构成降压斩波电路，由电源向直流电动机供电，电动机为电动运行，工作于第1象限； V2 和 VD2 构成升压斩波电路，把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于第2象限。图 3-7b 中，各阶段器件导通情况及电流路径等
12、如下：V1 导通，电源向负载供电：V1VD2LR ioEV2VD 1uMEMoV 1 关断， VD1 续流：V1VD2LR ioEV2VD 1uMEMoV 2 导通， L 上蓄能：V1VD2LR ioEV2VD 1uoMEMV 2 关断， VD2 导通，向电源回馈能量V1VD2LRiEV2oVD 1uMEMo9对于图 3-8 所示的桥式可逆斩波电路，若需使电动机工作于反转电动状态，试分析此时电路的工作情况，并绘制相应的电流流通路径图，同时标明电流流向。解：需使电动机工作于反转电动状态时，由V3和 VD 构成的降压斩波电路工作，此时需要V2 保持导通，与V和 VD333构成的降压斩波电路相配合。
13、当 V3 导通时，电源向M供电，使其反转电动，电流路径如下图：V1uV 3VDoVD 42LRioEV2M+ E-VDVD 1M3V 4当 V3 关断时，负载通过 VD3 续流，电流路径如下图：V 1uoV3VDVD 4E2LR i oV 2M+-VD 3VDE1V4M10多相多重斩波电路有何优点？答：多相多重斩波电路因在电源与负载间接入了多个结构相同的基本斩波电路，使得输入电源电流和输出负载电流的脉动次数增加、脉动幅度减小，对输入和输出电流滤波更容易，滤波电感减小。此外，多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波单元之间互为备用，总体可靠性提高。第 4 章 交流电力控制电路和交交变频电路1. 一
14、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 =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。解： =0 时的输出电压最大，为U omax1( 2U 1 sint )2 d t U 10此时负载电流最大，为U omaxU 1I omaxRR因此最大输出功率为PmaxU o max I o maxU 12R输出功率为最大输出功率的 80%时，有：P 0.8Pomax此时，( 0.8U 1) 2RU o 0.8U1又由U osin 2U 12解得=60.54 同理，输出功率为最大输出功率的 50%时，有：U o 0.5U1又由U osin 2U 12 =
15、902 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=0.5 ， L=2mH。试求：开通角的变化范围；负载电流的最大有效值；最大输出功率及此时电源侧的功率因数；当 = 时，晶闸管电流有效值，2晶闸管导通角和电源侧功率因数。解：负载阻抗角为：=arctan （L ） =arctan （250210R0.53）=0.89864=51.49 开通角的变化范围为： 即0.89864 当 =时，输出电压最大，负载电流也为最大，此时输出功率最大，为2202omax=2R=37.532(KW)PI o max RR2(L ) 2功率因数为Pomax37532U 1 I o2200.62
16、27273.98实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦，即cos0.6227 = 时，先计算晶闸管的导通角，由式（4-7 ）得2-sin(+ -0.89864)=sin(0.89864) etan22解上式可得晶闸管导通角为：=2.375=136.1 也可由图 4-3 估计出的值。此时，晶闸管电流有效值为U1sincos(2)I VTZcos2=220 2.375sin 2.375cos( 0.898642.375) =123.2(A)20.803cos0.89864电源侧功率因数为I o2 RU 1 I o其中：I o2I VT =174.2(A)于是可得出I o2 R174.220.
17、50.3959U1 I o220 174.23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
18、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
