《电力电子技术》习题答案(第四版,第五版,王兆安,王俊主编).pdf

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＝Etttoffonon输出电压小于电源电压，起到降压的作用2．在图 3-1a 所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10Ω，L 值极大， EM=30V ，T=50μs, ton=20μs, 计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io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=ETton=5020020=80(V) 输出电流平均值为Io = REUMo-= 103080=5(A)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=EEM= 10010=0.1 τ= RL =5 .0001.0 =0.002 当 ton=5μs 时，有ρ=T=0.01 =ont=0.0025由于11ee= 1101. 00025.0ee=0.249m所以输出电流连续此时输出平均电压为Uo =E Tton= 205100=25(V) 输出平均电流为Io =REUMo-= 5 .01025=30(A) 输出电流的最大和最小值瞬时值分别为1 Imax=REmee 11=5. 01001.01101.00025.0ee=30.19(A) Imin= REmee11= 5 .01001 .01101. 00025.0ee=29.81(A) 当 ton=3μs 时，采用同样的方法可以得出：αρ =0.0015 由于11ee= 1101. 0015. 0ee=0.149m 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：Uo =E Tton= 203100=15(V) Io = REUMo-= 5.01015=10(A) Imax= 5. 01001 .01101. 00015.0ee =10.13(A) Imin=5 . 01001.01101.00015. 0ee=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on1tEI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off1otIEU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：off1oon1tIEUtEI化简得：EtTEtttUoffoffoffon o式中的1/offtT，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E=50V，L值和C值极大，R=20Ω，采用脉宽调制控制方式，当T=40μs，ton=25μs 时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io解：输出电压平均值为：Uo =E tToff=50 254040=133.3(V) 输出电流平均值为：2 Io = RUo= 203.133=6.667(A) 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Ttu 0L0d当 V 处于通态期间， uL = E；而当 V 处于断态期间， uL = - uo于是：offoontUtE所以输出电压为：EEtTtEttU1ononoffon o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， E—L1—V 回路和 R—L2—C—V 回路分别流过电流当V 处于断态时， E—L1—C—VD 回路和 R—L2—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 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uC的脉动足够小时。

当开关S 合到 B 点时， B 点电压 uB=0，A 点电压 uA= - uC；相反，当 S 合到 A 点时， uB= uC，uA=0因此，B 点电压 uB的平均值为Coff BUTtU（UC为电容电压uC的平均值），又因电感 L1的电压平均值为零，所以Coff BUTtUE另一方面， A 点的电压平均值为Con AUTtU，且L2的电压平均值为零，按图3-5b 中输出电压Uo的极性，有Con oUTtU于是可得出输出电压Uo与电源电压E的关系：EEtTtEttU1ononoffon o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：RVDa)Vi1L1C1uC1i2L2 C2uouL1uL2ESepic斩波电路3 在 V导通ton期间，uL1=EuL2= uC1在 V 关断toff期间uL1＝E uouC1 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E ton + (E uouC1) toff =0 uC1 tonuo toff=0 由以上两式即可得出Uo=E ttoffonZeta电路的原理图如下：RVDEV i1C1L1uoC2L2uL1uL2uC1在 V导通ton期间，uL1= EuL2= 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E ton + uC1 toff =0 (E uouC1) tonuo toff=0 由以上两式即可得出Uo=E ttoffon8．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：4 ELV1VD1uoioV2VD2EMMRV1关断， VD1续流：ELV1VD1uoioV2VD2EMMRV2导通，L上蓄能：ELV1VD1uoioV2VD2EMMRV2关断， VD2导通，向电源回馈能量ELV1VD1uoioV2VD2EMMR9．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 VD3构成的降压斩波电路工作，此时需要V2保持导通，与V3和VD3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：ELR+-V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4 M当 V3关断时，负载通过VD3续流，电流路径如下图：ELR+-V1VD1uoV3EMV2VD2ioV4VD3VD4M10．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5 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102 1omax)sin2(1UtdtUU此时负载电流最大，为RURUI1omax omax因此最大输出功率为RUIUP2 1 maxomaxomax输出功率为最大输出功率的80%时，有：RUPP21maxo)8.0(8.0此时，1o8 .0 UU又由22sin 1oUU解得α=60.54°同理，输出功率为最大输出功率的50%时，有：1o5 .0 UU又由22sin 1oUUα=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= 2时，晶闸管电流有效值，晶闸管导通角和电源侧功率因数解：①负载阻抗角为：φ=arctan（ RL）=arctan（ 5 .01025023）=0.89864=51.49°开通角 α的变化范围为：6 φαπ即0.89864απ③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Pomax=R LRRI2222 maxo)(220=37.532(KW) 功率因数为6227.098.27322037532o1maxo IUP实际上，此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦，即cos0.6227 ④α= 2时，先计算晶闸管的导通角，由式（4-7）得sin(2+θ- 0.89864)=sin(20.89864)tan- e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cos)2cos(sin21 VTZUI= 803. 02220× 89864.0cos)375. 289864.0cos(375.2sin375.2=123.2(A)电源侧功率因数为o12 o IURI其中：VTo2II=174.2(A) 于是可得出3959.02.1742205 .02.1742o12 o IURI3．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7 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。