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电力电子技术 电力电子技术习题 5 交流调压 变频

2021-01-13 07:53:52

一.填空题

1、某半导体器件的型号为KS50—7的,其中KS表示该器件的名称为 ,50表示 ,7表示 。1、双向晶闸管、额定电流50A、额定电压100V。

2、某半导体器件的型号为KN 100 / 50 — 7,其中KN表示该器件的名称为 100表示 ,50表示 ,7表示 。

2、逆导晶闸管,晶闸管额定电流为100A,二极管额定电流为50A,额定电压100V。

3、双向晶闸管的四种触发方式分别是 、 、 和 。实际工作时尽量避免使用 方式。

  3、Ⅰ+, Ⅰ-, Ⅲ+, Ⅲ-。Ⅲ+

4、晶闸管整流装置的功率因数定义为 侧 与 之比。

3、交流、有功功率、视在功率

5、晶闸管装置的容量愈大,则高次谐波 ,对电网的影响 。

  4、愈大,愈大。

6、在装置容量大的场合,为了保证电网电压稳定,需要有 补偿,最常用的方法是在负载侧 。

  5、无功功率;并联电容。

7、型号为KS100-8的元件表示 晶闸管、它的额定电压为 伏、额定有效电流为 安。

  双向晶闸管、800V、 100A。

8、双向晶闸管的触发方式有:

I+ 触发:第一阳极T1接 电压,第二阳极T2接 电压;门极G接 电压,T2接 电压。

I- 触发:第一阳极T1接 电压,第二阳极T2接 电压;门极G接 电压,T2接 电压。

Ⅲ+触发:第一阳极T1接 电压,第二阳极T2接 电压,门极G接 电压,T2接 电压。

Ⅲ-触发:第一阳极T1接 电压,第二阳极T2接 电压;门极G接 电压,T2接 电压。

(答案:I+ 触发:正,负;G正,负。I- 触发:正,负;负,正。Ⅲ+触发: 负,正;正,负。Ⅲ-触发:负,正;负,正。)

9、在单相交流调压电路中,负载为电阻性时移相范围是 ,负载是阻感性时移相范围是 。

  ( , )

10、双向晶闸管的图形符号是 ,三个电极分别是 , 和 。

(第一阳极T1,第二阳极T2,门极G)

11、交流零触发开关电路是利用在电源电压 方式来控制晶闸管导通与关断的。(过零触发)

二.选择题

三.判断题

型号为KS50—7的半导体器件,是一个额定电流为50A的普通晶闸管。()

2、双向晶闸管的额定电流是用有效值来表示的。

  (√)

3、普通单向晶闸管不能进行交流调压。

  (×)

3、双向触发二极管中电流也只能单方向流动。

  (×)

4、单结晶体管组成的触发电路也可以用在双向晶闸管电路中。

  (√)

5、两只反并联的50A的普通晶闸管可以用一只额定电流为100A的双向晶闸管来替代。

  (×)

6、双向晶闸管与普通晶闸管一样,额定电流也用通态电流平均值表示 ( × )

7、双向晶闸管的结构与普通晶闸管一样,也是由四层半导体(P1N1P2N2)材料构成的。( × )

8、双向晶闸管的额定电流的定义与普通晶闸管不一样,双向晶闸管的额定电流是用电流有效值来表示的。( √ )

9、双向晶闸管的结构与普通晶闸管不一样,它是由五层半导体材料构成的。

  ( √ )

四.简答题

1、双向晶闸管有哪几种触发方式?使用时要注意什么问题?

答:双向晶闸管有Ⅰ+、Ⅰ-、Ⅲ+和Ⅲ-四种触发方式。由于Ⅲ+触发方式的灵敏度最低,在使用时应尽量避开。

2、双向晶闸管有哪几种常用的触发电路?

答:双向晶闸管常用的触发电路有:本相强触发电路;双向触发二极管组成的触发电路;单结晶体管组成的触发电路;程控单结晶体管组成的触发电路以及用集成触发器组成的触发电路等。

3、双向晶闸管额定电流的定义和普通晶闸管额定电流的定义有什么不同?额定电流为100A的两只普通晶闸管反并联可用额定电流多大的双向晶闸管代替?

4、简述三相异步电动机“VVVF”调速控制的含义。

VVVF即变压变频调速,对异步交流电机,,一般保持不变,所以对E1、f1进行适当控制,即按照一定规律同时改变电机的定子电压和频率实现变频调速。

 

两种情况:恒磁通变压变频调速:基频以下,保持不变,所以保持

恒功率变压变频调速:基频以上,电压不能再升高,,改变,相当于弱磁调速。

5什么是晶闸管交流开关?

答:如果交流调压电路中的晶闸管在交流电压自然过零时关断或导通,则称之为晶闸管交流开关。

6交流调压电路中,晶闸管常用哪些方式控制?

答:交流调压电路中的晶闸管常用两种方式控制:

(1)相位控制。在电源电压的每一周期,在选定的时刻将负载与电源接通,改变选定时刻即可达到调压的目的。

(2)通断控制。将晶闸管作为开关,使负载与电源接若干周波,然后再断开一定的周波,通过改变通断的时间比达到调压的目的。

7、单相交流调压电路中,对于电阻-电感负载,为什么晶闸管的触发脉冲要用宽脉冲或脉冲列?

8、三相交流调压电路有哪些接线方式,各有什么特点?

9、双向晶闸管有哪几种触发方式?用的最多的有哪两种?

答:I+ 触发: T1接正电压, T2接负;门极G接正,T2接负。

I- 触发: T1接正,T2接负;门极G为负,T2 接正。

Ⅲ+ 触发T1接负,T2接正,门极G接正,T2接负。

Ⅲ- 触发T1接负, T2接正;门极G接负,T2接正。

10、在交流调压电路中,采用相位控制和通断控制各有何优缺点?为什么通断控制适用于大惯性负载?

答:通断控制采用了“零”触发的控制方式,几乎不产生谐波污染,但由于在导通周期内电动机承受的电压额定电压,而在间歇周期内电动机承受的电压为零,故加在电动机上的电压变化剧烈,致使转矩较大,特别是在低速时,影响尤为严重。脉动相位控制输出电压较为精确,调速精度较高、快速性好,低速时转速脉动较小。但由于相位控制的导通波形只是工频正弦波一周期的一部分,会产生成分复杂的谐波,对电网造成谐波污染。

11、单相交流调压电路,负载阻抗角为30°,问控制角α的有效移相范围有多大?

答:30°~180°

12、图3-3为采用双向晶闸管的单相电源漏电检测原理图,试分析其工作原理。

图3-3

答:三相插座漏电,双向晶闸管以I+或III-的方式触发导通,继电器线圈得电,J1,4常开触头闭合,常闭触头断开,切断插座电源;同时J1,2常开触头闭合,常闭触头断开,晶闸管门极接通电源;双向晶闸管导通使指示灯亮,提示插座漏电。

正常工作时,双向晶闸管门极无触发信号,不导通,继电器线圈不得电,三相插座带电,指示灯不亮,提示正常工作。

13、图3-4为一单相交流调压电路,试分析当开关Q置于位置1、2、3时,电路的工作情况并画出开关置于不同位置时,负载上得到的电压波形。

图3-4

Q置于位置1:双向晶闸管得不到触发信号,不能导通,负载上无电压

Q置于位置2:正半周,双向晶闸管Ⅰ+触发方式导通。负半周,由于二极管VD反偏,双向晶闸管得不到触发信号,不能导通,负载上得到半波整流电压。

Q置于位置3:正半周,双向晶闸管Ⅰ+触发方式导通。负半周,双向晶闸管Ⅲ-触发方式导通,负载上得到近似单相交流电压。

14、已知自耦变压器基本绕组为1-0,调整绕组1-3与1-2之间的匝数是1-0的10%。试分析图3-5示两组反并联晶闸管组成的电路,是如何实现在输入电压波动时,使输出电压∪0保持稳定?

图3-5

通过对电压检测,实施对两组反并联晶闸管门极予以控制。例如:输入电压高于10%时,让VT1、VT2这组反并联的晶闸管的触发脉冲移到180°,使它不输出电压,而让VT3、VT4这组反并联晶闸管的触发脉冲移到0°,使他们分别在正负半周全导通时输出电压降低;当输入电压低于额定值10%时,让VT1、VT2这组反并联晶闸管的触发脉冲移到0°,使他们分别在正负半周全导通。让VT3、VT4反并联晶闸管的触发脉冲移到180°使他们截止,从而使输出电压提高10%,达到稳定输出电压的目的。

15、 在交流调压电路或交流开关中,使用双向晶闸管有什么好处?

解:双向晶闸管不论是从结构上,还是从特性上,都可以把它看作是一对反并联晶闸管集成元件。它只有一个门极,可用交流或直流脉冲触发,使之能正、反向导通。在交流调压电路或交流开关中使用双向晶闸管可以简化电路、减小装置体积和质量、节省投资、方便维护。

16、 双向晶闸管额定电流的定义和普通晶闸管额定电流的定义有何不同?额定电流为100A的两只普通晶闸管反并联可以用额定电流为多少的双向晶闸管代替?

解:双向晶闸管的额定电流用有效值表示,而普通晶闸管的额定电流是用平均值表示的。

额定电流100A的普通晶闸管,其通过电流的峰值为100A×π=314A,则双向晶闸管的额定电流为314/=222A。

17、试从电压波形、功率因数、电源容量、设备重量及控制方式等几方面,分析比较采用晶闸管交流调压与采用自耦调压器的交流调压有何不同?

答:晶闸管交流调压电路输出电压的波形是正负半波都被切去一部分的正弦波,不是完整的正弦波,切去部分的大小与延迟角的大小有关。这种非正弦交流电中包含了高次谐波,会造成干扰,如果不采取措施就会影响其他用电设备的正常工作,这点必须注意。

另外,随着延迟角的增大,功率因数降低,因此,如果输出电流不变,要求电源容量随之增大,这是它的缺点。但是晶闸管交流调压设备重量轻,控制灵敏,易于实现远方控制和自动调切,这是它的优点。

与此相反,采用自耦调压器的交流调压,输出电压不论高低总是正弦波,不会引起干扰和功率因数降低(不计本身的励磁功率),但它的调节方式是机械方式移动碳刷位置,要实现远方操作和自动调节必须加伺服机构,比较复杂。

18、如图5-5所示单相交流调压电路,采用两只晶闸管相对连结,并增加两个二极管,试叙述其特点。

解:其特点是由于并接了二极管,所以晶闸管不随反向电压。另外晶闸管的阴极有公共点,可以简化控制回路,故也不误触发。

图5-5 【练习题5-7】图 图5-6 【练习题5-8】图

19、如图5-6所示,不个晶闸管和4个二极管组成单相交流调压线路,试分析其工作原理。

解:。在图5-6.中,设电源以上正下负,经VDl, VT(某时刻触发)、VD2,负载得到截去一部分的正半波电压;设电源以上负下正,则经VD3, VT(某时刻触发)、VD4,负载得到截去一部分的负半波电压,实现了交流调压。所以晶闸管每个周期工作两次,并且不承受反压。~当负载是电感时,因电流波形滞后于电压,晶闸管每半周导电结束立刻加上一正电压,电压上升率较大,容易造成误导通,使电路失去控制,使用时应特别注意。

20、 用一对反关联的晶闸管和使用一只双向晶闸管进行交流调压时,他们的主要差别时什么?

答:用一对反并联的晶闸管时,每只晶闸管均由整个半周期处于关断状态。用双向晶闸管时,只是负载电压过零的短暂瞬间才必须断开。双向晶闸管的关断时间包括元件电流降低到维持电流直到重新加电压超过擎住电流所需电源电压为正的时间。对于电源负载来说,要满足上述要求比较简单,对于电感性负载,双向晶闸管的换流变得较为困难。

21、交流调压电路和交流调功电路有什么区别?二者各适用于什么样的负载?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凋节变压器一次电压。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。

22、 什么是TCR?什么是TSC?它们的基本原理是什么?各有什么特点?

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),就可以在从容性到感性的范围内连续调节无功功率。

TSC提供容性的无功功率.符合大多数无功功率补偿的需要。其提供的无功功率不能连续调节,但在实用中只要分组合理,就可以达到比较理想的动态补偿效果。

23、 单相交一交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路有什么不同?

答:单相交交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路的电路组成是相同的,均由两组反并联可控整流电路组成。但两者的功能和工作方式不同。

单相交交变频电路是将交流电变成不同频率的交流电,通常用于交流电动机传动,两组可控整流电路在输出交流电压的一个周期里,交替工作各半个周期,从而输出交流电。

而直流电动机传动用的反并联可控整流电路是将交流电变为直流电,两组可控整流电路中哪一组T作并没有像交 交变频电路那样的同定交替关系.而是由电动机T作状态的需要决宁。

24、交—交变频电路的最高输出频率是多少?制约输出频率提高的因素是什么?

答:一般来讲,构成交—交变频电路的两组变流电路的脉波数越多,最高输出频率就越高。当交—交变频电路中采用常的六脉波三相桥式整流电路时,最高输出频率不应高于电网频率的l/3~1/2。当电网频率为50Hz时,交—交变频电路输出的上限频率为20Hz左右。

当输出频率增高时,输出电压一周期所包含的电网电压段数减少,波形畸变严重,电压波形畸变和由此引起的电流波形畸变,以及电动机的转矩脉动.是限制输出频率提高的主要因素。

25、 交—交变频电路的主要特点和不足是什么?其主要用途是什么?

答:交—交变频电路的主要特点是:只用一次变流,效率较高;可方便实现四象限工作;低频率输出时的特性接近正弦波。

交—交变频电路的主要不足是:接线复杂,如采用三相桥式电路的三相交一交变频器至少要用36只晶闸管;受电网频率和变流电路脉波数的限制,输出频率较低;输出功率因数较低;输入电流谐波含量大,频谱复杂。

主要用途:500kW或1000kW以下的大功率、低转速的交流调速电路,如轧机主传动装置、鼓风机、球磨机等场合。

26、 三相交一交变频电路有哪两种接线方式?它们有什么区别?

答:三相交一交变频电路有公共交流母线进线方式和输出星形连结方式两种接线方式。

  两种接线方式的主要区别在于:

公共交流母线进线方式中,因为电源进线端公用,所以三组单相和交一交变频电路输出端必须隔离。为此,交流电动机的三个绕组必须拆开,共引出六根线。

而在输出星形连结方式中,因为电动机中性点和变频器中性点接在一起,电动机只引出三根线即可,但是因其三组单相交一交变频器的输出端连在一起,其电源接线必须隔离,因此三组单相交一交变频器要分别用三个变压器供电。

27、 在三相交一交变频电路中,梯形波输出控制的好处是什么?为什么?

答:在三相交一交变频电路中采用梯形波输出控制的好处是可以改善输入功率因数。

因为梯形波的主要谐波成分是三次谐波,在线电压中,三次谐波相互抵消,结果线电压仍为正弦波。在这种控制方式中,因为桥式电路能够较长时间工作在高输出电压区域(对应梯形波的平顶区),α角较小,因此输出功率因数可提高15%左右。

五.计算综合题

0、如下图示,单相交流调压电路电阻串电感负载,由R、L引起的相位滞后角φ=30°。

a)分别画出α=60°时uO、i0、uT波形图。

b) 并说明α的可调范围是多少?

1、 一台220V/10kW的电炉,采用单相交流调压电路,现使其工作在功率为5kW的电路中,试求电路的控制角α、工作电流以及电源侧功率因数。

解:电炉是电阻性负载。220V、10kW的电炉其电流有效值应为

要求输出功率减半,即值减小1/2,故工作电流应为

输出功率减半,即值减小1/2,则α=90°功率因数cosφ=00.707

2、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载,在a =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a。

解:a =0 时输出功电压最大,为:

Uomax = 1

此时负载电流最大,为: Iomax = UomaxR = UiR

输出功率为最大输出功率的50%,有: U0 =

又有 U0 =Ui sin2a

3、 图3-1单相交流调压电路,U2=220V,L=5.516mH,R=1Ω,试求:

1)制角α的移相范围。2)负载电流最大有效值。3)最大输出功率和功率因数。

图3-1例3-4图

解:1)单相交流调压电感性负载时,控制角α的移相范围是

所以控制角α的移相范围是60°~π。

2)因α=时,电流为连续状态,此时负载电流最大。

3)最大功率

4、 一单相交流调压器,电源为功频220V,阻感串联作为负载,其中R=0.5Ω,L=2mH。试求:1)开通角a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;

解:(1)负载抗阻角为:

φ= arctanωLR = arctan

开通角a的变化范围; φ≤a ≤π 即 51.49° ≤a ≤π

(2)(3)当a= 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:

P

功率因数为:

实际上,此时的功率因数也就是负载阻抗角的余弦,即: cosφ

5、采用双向晶闸管的交流调压器接三相电阻负载,如电源线电压为220V,负载功率为10kW,试计算流过双向晶闸管的最大电流,如使用反并联联接的普通晶闸管代替,则流过普通晶闸管的最大有效电流为多少。

解:线电压为220V,

则相电压应为: = 127 V

流过双相晶闸管的最大电流为: ÷ 127 = 26.24 A

6、一台工业炉原由额定电压为单相交流220∨供电,额定功率为10千瓦。现改用双向晶闸管组成的单相交流调压电源供电,如果正常工作时负载只需要5千瓦。试问双向晶闸管的触发角α应为多少度?试求此时的电流有效值,以及电源侧的功率因数值。

答案:π/2;? 32.1A; 0.707

7、对于热惯性大的负载,可以采用过零触控制,若设定周期为T,导通时间为Toff,关断时间为Ton,试求负载电压有效值UL

图5-4 【练习题5-6】图

UL=1T

8、某单向反并联调功电路,采用过零触发。U2=220V,负载电阻R=1Ω

解:负载在全导通时,送出的功率为: P

负载在导通0.3s,断开0.2s,过零触发下,由练习题5-5中得到的公式有:

负载下的电压有效值UL=

9、采用双向晶闸管组成的单相调功电路采用过零触发,U2=220V,负载电阻R=1Ω,在控制的设定周期Tc内,使晶闸管导通0.3s,断开0.2s。试计算:

1)输出电压的有效值。

2)负载上所得平均功率与假定晶闸管一直导通时输出得功率。

3)选择双向晶闸管得型号。

解:负载在全导通时,送出的功率为

负载在导通0.3s断开0.2s过零触发下,负载上的电压有效值

负载上的功率

10、如图5-10所示,单相交流调压,如果采用具有强迫换流机能的晶闸管,也会改善电源功率因数及减小高次谐波,例如采用可关断晶闸管GTO。若门极在ωt=a时,加导通信号,在ωt=π-a 时加关断信号,回答下列问题: (1)画出负载电压波形。

 (2)求出 u

解:(1)输出负载电压波形如图5-10(b)所示,在a时GTO导通, π-

(2)设 u= 2sin

图 练习题5-10 [例 练习题5-13]图

U1=

显然,α

(3) 设负载电流有效值为Il,它与电源电流相等,故功率因数=

将α=π6代入上式,则功率因数为0.971。又因il的基波与u同相,所以不管