电力电子技术复习题答案第四版第五版王兆安王俊主编.docx
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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
ton,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toff,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=
ton
E。
输出电压小于电源电压,起到降压的作用。
ton
toff
2
.在图3-1a所示的降压斩波电路中,已知
=200V,=10Ω,
L
值极大,
M=30V,=50μs,ton=20μs,计算输出
E
R
E
T
电压平均值
o,输出电流平均值
I
o。
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=ton
E=20200=80(V)
T
50
输出电流平均值为
Io=Uo-EM
=8030=5(A)
R
10
3
.在图3-1a所示的降压斩波电路中,E=100V,L=1mH,R=0.5Ω,EM=10V,采用脉宽调制控制方式,T=20μs,
当ton=5μs时,计算输出电压平均值
Uo,输出电流平均值
Io,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ton=3μs时,重新进行上述计算。
解:
由题目已知条件可得:
m=EM=10=0.1
E100
L0.001
τ==
=0.002
R0.5
当ton=5μs时,有
ρ=T=0.01
=ton=0.0025
由于
e
1=e0.0025
1=0.249>m
e
1
e0.01
1
所以输出电流连续。
此时输出平均电压为
o=ton
E
=100
5=25(V)
U
20
T
输出平均电流为
Io=Uo-EM=
25
10
=30(A)
R
0.5
输出电流的最大和最小值瞬时值分别为
Imax=
1
e
m
E=
1
e0
.0025
0.1100=30.19(A)
1
e
R
1
e
0.01
0.5
Imin=
e
1
m
E=
e0.0025
1
0.1100=29.81(A)
e
1
R
e0.01
1
0.5
当ton=3μs时,采用同样的方法可以得出:
αρ=0.0015
由于
e
1
e0.015
1
=
e0.01
=0.149>m
e
1
1
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=
ton
E
=100
3=15(V)
U
T
20
Io=Uo-EM=15
10=10(A)
R
0.5
1
e0.0015
100
Imax=
e
0.01
0.1
1
0.5
e0.0015
1
100
Imin=
1
0.1
e0.01
0.5
=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I1,
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ton,此阶段
电感L上积蓄的能量为EI1ton。
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toff,则在此期间电感L释放的能量为
Uo
EI1toff。
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:
EI1ton
Uo
E
I1toff
化简得:
Uo
ton
toffE
TE
toff
toff
式中的T/toff
1,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3-2a所示的升压斩波电路中,已知
=50V,
L
值和
C
值极大,=20Ω,采用脉宽调制控制方式,当
=40
E
R
T
μs,
on=25μs时,计算输出电压平均值
o,输出电流平均值
I
o。
t
U
解:
输出电压平均值为:
T
E=
40
50=133.3(V)
U=
o
toff
40
25
输出电流平均值为:
Io=Uo=133.3=6.667(A)
R20
6.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
i1,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
i2,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
T
uL
dt
0
0
当V处于通态期间,
u
L=
E
;而当V处于断态期间,L
=-
u
o。
于是:
u
Eton
Uo
toff
所以输出电压为:
Uo
ton
E
ton
E
E
toff
T
ton
1
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
0<<1/2时为降压,当1/2<
<1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,
1—V回路和
2——V回路分别流过电流。
当V处于断态时,
E—L
R—L
C
1——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
E—LC
R—L
3-5b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,
C
B
A
C
当S合到A点时,uB=uC,uA=0。
因此,B点电压uB的平均值为UB
toff
UC(UC为电容电压uC的平均值),又因电
toff
T
ton
感1的电压平均值为零,所以
E
UB
UC
。
另一方面,A点的电压平均值为UA
2的电
L
T
T
UC,且L
tonUC。
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Uo
Uo与电源电压E的关系:
tonE
ton
T
Uo
E
1
E
toff
T
ton
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:
i
L
1
C1
VD
1
uL1
uC1
i2
E
V
L2
uoR
uL2
C2
a)
Sepic斩波电路
在V导通ton期间,
uL1=E
uL2=uC1
在V关断toff期间
uL1=EuouC1
uL2=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
Eton+(E
uouC1)toff=0
uC1ton
uotoff=0
由以上两式即可得出
o=ton
E
U
toff
Zeta电路的原理图如下:
V
L2
uC1
C1
i1
uL2
E
uL1
L1
VD
uoR
C2
在V导通ton期间,
uL1=E
uL2=EuC1uo
在V关断toff期间
uL1=uC1
uL2=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
Eton+uC1toff=0
(EuouC1)tonuotoff=0
由以上两式即可得出
Uo=tonE
toff
8.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如下:
V1导通,电源向负载供电:
V1
VD
2
L
Rio
E
V2
VD1
u
M
EM
o
V1关断,VD1续流:
V1
VD
2
L
Rio
E
V2
VD1
u
M
EM
o
V2导通,L上蓄能:
V1
VD
2
L
Rio
E
V2
VD1
uo
M
EM
V2关断,VD2导通,向电源回馈能量
V1
VD
2
L
R
i
E
V2
o
VD1
u
M
EM
o
9.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VD
3
3
3
构成的降压斩波电路相配合。
当V3导通时,电源向
M供电,使其反转电动,电流路径如下图:
V1
u
V3
VD
o
VD4
2
L
R
io
E
V2
M
+E
-VD
VD1
M
3
V4
当V3关断时,负载通过VD3续流,电流路径如下图:
V1
uo
V3
VD
VD4
E
2
L
Rio
V2
M
+
-
VD3
VD
E
1
V4
M
10.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=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α。
解:
α=0时的输出电压最大,为
Uomax
1
(2U1sin
t)2dtU1
0
此时负载电流最大,为
Uomax
U1
Iomax
R
R
因此最大输出功率为
Pmax
UomaxIomax
U12
R
输出功率为最大输出功率的80%时,有:
P0.8Pomax
此时,
(0.8U1)2
R
Uo0.8U1
又由
Uo
sin2
U1
2
解得
α=60.54°
同理,输出功率为最大输出功率的50%时,有:
Uo0.5U1
又由
Uo
sin2
U1
2
α=90°
2.一单相交流调压器,电源为工频220V,阻感串联作为负载,其中R=0.5Ω,L=2mH。
试求:
①开通角α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α=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:
①负载阻抗角为:
φ=arctan(
L)=arctan(
2
50210
R
0.5
3
)=0.89864=51.49°
开通角α的变化范围为:
φα<π
即
0.89864α<π
③当α=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
220
2
omax=
2
R
=37.532(KW)
P
IomaxR
R2
(
L)2
功率因数为
Pomax
37532
U1Io
220
0.6227
273.98
实际上,此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦,即
cos
0.6227
④α=时,先计算晶闸管的导通角,由式(
4-7)得
2
-
sin(
+θ-0.89864)=sin(
0.89864)etan
2
2
解上式可得晶闸管导通角为:
θ=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
U1
sin
cos(2
)
IVT
Z
cos
2
=
220
×2.375
sin2.375
cos(0.89864
2.375)=123.2(A)
2
0.803
cos0.89864
电源侧功率因数为
Io2R
U1Io
其中:
Io
2IVT=174.2(A)
于是可得出
Io2R
174.22
0.5
0.3959
U1Io
220174.2
3.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
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