电力电子习题集.doc
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1、典型题解析 例31 图3l(a)为带续流二极管的单相半波可控整流电路 AC_DC,大电感负载,保证电流连续。试证明输出整流电压平均值为并画出控制角为时输出整流电压Ud,晶闸管承受电压UVT的波形?解 输出整流电压Ud和晶闸管承受电压UVT的波形如图3-1(c)、(d)所示。例32 上题中,U2220V, R10欧,要求输出整流电压的平均值为030V连续可调。试求控制角范围,选择晶闸管定额,并计算变压器次级容量。解 由当Ud30V时,有 当Ud0V时,对应180。所以,控制角的范围是180113 . 假设LR, 则输出电流波形为一水平直线,即IdUd/R30103A由上述计算可知,Ud在030V
2、之间,Id在03A之间。那么,流过晶闸管电流的有效值为:当113时,IVT取最大值,即则,选晶闸管的通态平均电流为(裕量取1.5)其额定电压为(裕量取2)变压器次级容量例33 某电阻负载要求()24 V直流电压,最大负载电流Id30 A,如果采用用单相半波可控整流电路,而用下列两种方式供电,是否都能满足要求?1) 采用220V交流电源直接供电;2) 采用变压器降到60V供电。试比较两种供电方案的晶闸管导通角、额定电流、电压值,电源与变压器二次侧的功率因数解 采用220V电源直接供电,当=0时,有采用60 V电源供电,当=0时,Ud。045U227V,所以,只要适当调节角,均能满足输出电压Ud在
3、024 V的要求。下面分析两种方案的利弊:(1) 采用220 V交流电源直接供电,输出电压、电流的波形如下图其中:U2=220V,Ud=24V则 121 =180 - 121 =59因为晶闸管所承受最大反向电压为电源电压峰值,所以晶闸管的额定电压为(裕量取2)考虑安全裕量为2,晶闸管额定电流(通态平均电流)为:而 则 电源所供给的有功功率电源所供给的视在功率电源侧功率因数(2)如果采用变压器降压到60V供电输出电压、电流的波形如图:其中:U2=60V,Ud=24V则 39 =180 - 39 =141考虑安全裕量为2,晶闸管额定电流、额定电压分别为变压器二次侧容量为变压器二次侧所供给的有功功率
4、变压器二次侧功率因数结论:增加了整流变压器后,使控制角减小,选择的晶闸管的额定电压、额定电流都减小,而且要求电源容量减小,功率因数提高。由此可以看出,应当尽量使晶闸管电路工作在小控制角状态。例34 某一电热装置,其直流电阻为35欧,大电感负载,希望在075 V范围内可调,采用单相半波可控整流电路直接从220 V交流电网供电,试计算晶闸管和二极管的额定电压和电流,不考虑安全裕量。解 由于负载是大电感,所以必须接续流二级管VD,否则会导致输出电压和电流很小,使电路不能正常工作。式中:U2=220V,Ud=75V则 59 =180 -59 =121而Ud=75V时, IdUd/R75352.1A晶闸
5、管的电流的有效值:晶闸管的额定电流:晶闸管额定电压:流过二极管VD的电流有效值: 结论:VT的额定电流大于等于0.775A; VT的额定电压大于等于311V。VD的额定电流大于等于1.7/1.57=1A; VD的额定电压大于等于311V。例3. 5 具有续流二极管的单相半波可控整流电路对大电感负载供电,其中电阻R75 欧,电源电压220 V。试计算当控制角为30和60时,晶闸管和续流二级管的平均电流值和有效值,在什么情况下续流二极管电流平均值大于晶闸管的电流平均值。解 电路如图所示(1) 当=30时晶闸管的电流的平均值:晶闸管的电流的有效值:流过二极管VD的电流平均值:流过二极管VD的电流有效
6、值:(2) 当=60时 结论:要使IdVDIdVT,只需满足当=0时IdVD=IdVT, 所以IdVD永远也不可能小于IdVT例3. 6 具有变压器中心插头的单相双半波可控整流电路如图25 (1)说明该变压器是否存在直流磁化问题。(2)试绘出=45 电阻性负载输出整流电压Ud,晶闸管承受电压UVT的波形。(3)若将VT换成普通整流二极管VD,绘出相应波形,并推导输出直流电压。解 (1)理想变压器 式中, 为变压器副端匝数;为磁通。则当导通时:当导通时:在一个周期内变压器铁芯中总磁通增量为因为在一个周期内变压器磁通增量为0,所以该变压器铁心中不存在直流磁化。(2) 45波形如图36(a)所示。图
7、3-6例3 .6波形图(3) 所求波形如图3-6(b)所示。例37 图3-7为带续流二极管的单相双半波可控整流电路,负载为大电感性,LR,已知U2220 V,R20,60(1)试求晶闸管的电压、电流定额,考虑安全裕量为2,选择晶闸管型号。(2)计算续流二极管电流平均值和有效值。 图3-7例3 .7图解 整流电路输出电压ud,晶闸管的电压uVT,电流iVT波形及续流二极管电流iVDR波形分别如图38(a)、(b)、(c)和(d)所示。晶闸管的电流的有效值:晶闸管的额定电流: 图3-8例3 .7波形图晶闸管的额定电压:考虑安全裕量为2,则故,晶闸管的型号选为KP1014。例38 单相桥式半控整流电
8、路接电阻性负载,要求输出整流电压0100 V连续可调,30 V以上时要求负载电流达到20 A。采用220 V变压器降压供电,最小控制角min30,试求:(1)交流侧电流有效值及变压器容量;(2)选择晶闸管的型号。解 单相桥式半控整流电路接电阻性负载,其工作过程及输出电压Ud与单相桥式全控整流电路完全相同。当控制角为最小时,对应的整流输出电压为最大值当Ud=30V时,求所对应的控制角。当116时,要保证整流电路输出电流为20A,所需变压器一、二次侧电流有效值为最大。变压器二次侧电流有效值为:变压器一次侧电流有效值为:所求变压器二次侧电压为119 V,一、二次侧电流有效值分别为38 A和2055
9、A,变压器容量为45 kVA。选择晶闸管时,也应以最大角考虑,即116,流过晶闸电流的有效值晶闸管承受最大电压为:考虑安全裕量为2,则故,晶闸管的型号选为KP504。例39 单相桥式半控整流电路,由220 V经变压器供电,负载为大电感性并接有续流二极管。要求输出整流电压2080V连续可调,最大负载电流为20 A,最小控制角min30.试计算晶闸管、整流管、续流二极管的电流定额以及变压器容量。解 当输出电压Ud80 V时,对应的控制角为最小min30当输出电压Ud20 V时,对应的控制角为最大。(1)计算晶闸管、整流管的参数考虑最严重的工作状态,即min30时的情况。晶闸管电流有效值IVT为晶闸
10、管通态平均电流ITa为因为整流二极管电流波形与晶闸管一样,所以其电流有效值和j态平均电流与晶闸管相等。(2)计算续流二极管VDR的电流定额考虑最严重的工作状态,是在控制角为最大时,即max122.3时的情况,其有效值和通态平均电流分别为不考虑安全裕量,所求晶闸管、整流二极管和续流二极管的额定流分别为83 A,83 A和105 A。(3)计算变压器容量S考虑最严重的工作状态,在min30时的情况,变压器二次侧电流有效值I2取最大,此时I2为结论 由例38和例39计算可知,在计算晶闸管的电流额时,与负载性质是紧密相连的。在给定输出电流Id后,阻性载晶闸管电流有效值与Id之比(IVTId)随着的增加
11、而增加,而大电感性负载则相反,IVTId的值随着的增加而减小。所以考最严重的工作状态,纯阻性负载时,IVTmax对应max,而大电感性负载,IVTmax对应min。例310 单相半控桥式整流电路,接有续流二极管,对直流电动机电枢供电,主电路中平波电抗器的电感量足够大。电源电压为220V,控制角,此时负载电流为30A。计算晶闸管、整流管和续流二极管的电流平均值和有效值、电源容量及功率因数。解 由于平波电抗器的容量足够大,所以可视为大电感负载,整流输出电流的波形可视为一水平直线。当时,晶闸管的平均电流为整流二极管的电流平均值与晶闸管的电流平均值相等,均为晶闸管电流有效值为整流二极管和晶闸管的电流有
12、效值为续流二极管的电流平均值为续流二极管的电流有效值为电源绕组中电流有效值为输出直流平均电压为:电源容量为kVA输出的有功功率为功率因数为例311 电阻性负载的单相桥式半控整流电路,其中一只晶闸管被烧断,如图 322(a)所示。试画出输出电压波形以及未烧断的晶闸管两端电压波形,并求出整流输出电压的表达式。图 322 例311 图 解 一只晶闸管被烧断,整流输出的波形及未烧断的晶闸管两端电压波形如图322(b)所示。从波形图看,晶闸管VT在正向电压作用下,在某时刻触发其门极,则VT导通,在电源电压过零时关断,在电源的负半周整个电路不通,当晶闸管再一次承受正向电压并被触发导通时,才有输出电压,由此
13、分析,波形为单相半波可控整流电路,其输出电压为例 3.12 如图323所示,整流电路供反电动势负载,电抗器足够大,电源电压为220V,负载电流为50A,试计算晶闸管、续流二极管的电流平均值、有效值。若电枢回路电阻为0.2,求电动机的反电动势。图323 例 3.12 图解 反电动势负载接大电感,整流电路输出电流的波形可视作一水平直线。例313 单相全控桥(见图326),反电动势阻感负载, ,当时,求,和的数值。图326 例313 图解 则 , 由 得 例314 在电阻性负载三相半波可控整流电路中,如果窄脉冲出现过早,即在移到自然换相之前,会出现什么现象?画出负载侧波形。解 如图3-27 所示,当
14、触发脉冲触发a相晶闸管,则a相晶闸管导通。当触发b相晶闸管时,由于a相电压高于b相电压,a相晶闸管继续导通,b相晶闸管因承受反压而不导通。过了自然换相点后,尽管b相电压高于a相电压,但b相晶闸管的触发脉冲已消失,所以b相晶闸管仍不导通。a相晶闸管导通到过零点结束。接着导通的是c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3-27例3 .14波形图例315 在三相半波整流电路如图328(a)所示,如果a相的触发脉冲消失,试绘出时,在纯电阻性负载和大电感性负载下的整流电压波形和晶闸管VT2两端电压波形。解 VT1管无触发脉冲,纯电阻性负载波形及VT2晶闸
15、管两端波形如图328(b)所示,由图可以看出,0 区间,VT3导通,所以VT2承受反压,区间,无晶闸管导通, VT2承受相电压,区间,晶闸管VT2导通,VT2两端电压为零,区间无晶闸管导通,为相电压,在区间,VT3又导通,为线电压,如果循环下去。当负载为大电感性时,则输出电压波形及的波形如图328(c)所示,当VT2 导通时,=0,当VT3导通时,在t1,t2区间,VT2、 VT3均截止,此时。(a)电路图(b)纯阻性负载波形图 (c)大电感负载波形图图328 例 3.15 图例316三相半波整流电路,三只晶闸管都不触发时,晶闸管两端电压波形是怎样的?解 三相半波整流电路当三只晶闸管都不触发时
16、,无输出电流。晶闸管阴极与零线等电位,所以晶闸管两端电压波形为该相交流电压波形。例317 三相半波整流电路,阻感负载,欲借调节达到维持为恒值,已知,附加直流端电压降,供电电压经常在11.15额定范围内变化,求:(1)和变化范围。(2)变压器容量。(3)变压器二次侧功率因数。解 (1) 又 所以 为可靠换相取,当时 此为U2的最小值。当U2max=1.15U2=564.04V时,它对应的控制角为最大。则 故所求为513V,变化范围是。(2)要求变压器的容量,首先必须求出变压器一次和二次侧电流有效值,如图330所示为,波形。 图330 例317 波形图因为变压器二次侧电流的直流分量不可能感应到原边
17、,所以波形如图330(b)所示kVAkVA kVA(3)求变压器二次侧功率因数有功功率 例318 试分析如图331(a)所示三相全控桥式整流电路故障时的波形。(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ud的波形如图331(b)阴影部分所示。凡与U相相关的电压均无输出,如线电压、。(2)熔断器2FU熔断时ud的波形如图3-31(c)阴影部分所示.。V字头线电压无输出,如线电压、。图331 例 3.18 图(3)熔断器2FU、3FU熔断时ud的波形如图3-31(d)阴影部分所示.。凡V,W字头线电压均无输出,例如线电压,。例319
18、三相全控桥式整流电路,当一只晶闸管短路时,电路会发生什么情况?答 在三相桥式电路中,若一只晶闸管发生短路,例如共阴极组中一只管子短路,则其余共阴极组中任意一只晶闸管被触发导通后,都要引起电源线电压短路,使管子连续烧坏,严重时,还会损坏输入变压器。所以要求每只晶闸管桥路中应串接快速熔断器,以保护晶闸管及整个电路。例320三相半波可控整流如图3-32(a)所示,负载为大电感负载,如果U相晶闸管脉冲丢失,试画出时的波形。图332 例 3.20 图解 时的波形图如图3-32(b)阴影部分所示例321 三相全控桥式整流电路中,变压器二次侧能否接成三角形?解 能接成三角形。例322 三相可控整流,时,U相
19、晶闸管的触发脉冲在线电压的波形上是多少度?解 因为,触发脉冲在相电压波形上是90,而线电压超前为30,所以,触发脉冲在线电压位置是120。例323 一般三相可控整流装置中,如果电源三相进线相序接反,会产生什么问题?解 如果电源三相进线相序接反,会出现缺相或乱相。所谓乱相是该导通的晶闸管不导通,不该导通的晶闸管导通了。在单宽脉冲和双脉冲触发的三相桥式电路中,原来调整好的移相范围会前移60,使系统不能正常工作,所以晶闸管装置的进线相序必须符合规定。例324 三相半波可控整流电路,负载端电感足够大,画出时晶闸管VT1两端电压波形,从波形上看晶闸管承受的最大正反向电压为多少?解 图3-33为晶闸管VT
20、1所承受的电压波形。从波形上看,晶闸管正反向最大电压为线电压峰值,即。图3-33例3 .24波形图例325 三相半波可控整流电路,电阻性负载,画出时,晶闸管VT1两端电压波形,从波形上看晶闸管承受的最大正反向电压为多少?解 图3-34位晶闸管VT1所承受的电压波形。当时,晶闸管所承受的最大正向电压为,承受反向最大电压为。图3-34 例3 .25波形图例326 三相半波整流电路,且电感性负载,由于电感不够大,只能使晶闸管阳极电压过零后,再维持导通30。(1)画出波形。(2)列出电压平均值的计算公式。(3)画出晶闸管VT1两端电压波形。图3-36 例3 .26波形图解 (1)图3-36(a)阴影部
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