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第2章 电力电子器件1. 使晶闸管导通的条件是什么？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或：uAK0且uGK0。2. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。3. 图1-43中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为Im，试计算各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3与电流有效值I1、I2、I3。图1-43 晶闸管导电波形解：a) Id1=()0.2717 ImI1=0.4767 Imb) Id2 =()0.5434 ImI2 =0.6741Ic) Id3= ImI3 = Im4. 上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶闸管能送出的平均电流Id1、Id2、Id3各为多少？这时，相应的电流最大值Im1、Im2、Im3各为多少?解：额定电流I T(AV) =100A的晶闸管，允许的电流有效值I =157A，由上题计算结果知a) Im1329.35，Id10.2717 Im189.48b) Im2232.90,Id20.5434 Im2126.56c) Im3=2 I = 314,Id3= Im3=78.59. 试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。解：对IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的优缺点的比较如下表：器 件优 点缺 点IGBT开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTOGTR耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低电 力MOSFET开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置第3章 整流电路 3单相桥式全控整流电路，U2100V，负载中R2，L值极大，当30时，要求：作出ud、id、和i2的波形； 求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2； 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：ud、id、和i2的波形如下图：输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2分别为Ud0.9 U2 cos0.9100cos3077.97（V）IdUd /R77.97/238.99（A）I2Id 38.99（A） 晶闸管承受的最大反向电压为：U2100141.4（V）考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：UN（23）141.4283424（V）具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。流过晶闸管的电流有效值为：IVTId27.57（A）晶闸管的额定电流为：IN（1.52）27.571.572635（A）具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。 12在三相桥式全控整流电路中，电阻负载，如果有一个晶闸管不能导通，此时的整流电压ud波形如何？如果有一个晶闸管被击穿而短路，其他晶闸管受什么影响？答：假设VT1不能导通，整流电压ud波形如下：假设VT1被击穿而短路，则当晶闸管VT3或VT5导通时，将发生电源相间短路，使得VT3、VT5也可能分别被击穿。 13三相桥式全控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5，L值极大，当a=60时，要求： 画出ud、id和iVT1的波形； 计算Ud、Id、IdT和IVT。解：ud、id和iVT1的波形如下： Ud、Id、IdT和IVT分别如下Ud2.34U2cosa2.34100cos60117（V）IdUdR117523.4（A）IDVTId323.437.8（A）IVTId23.413.51（A） 18单相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有哪些次数的谐波？其中幅值最大的是哪一次？变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波？其中主要的是哪几次？答：单相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有2k（k=1、2、3）次谐波，其中幅值最大的是2次谐波。变压器二次侧电流中含有2k1（k1、2、3）次即奇次谐波，其中主要的有3次、5次谐波。19三相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有哪些次数的谐波？其中幅值最大的是哪一次？变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波？其中主要的是哪几次？答：三相桥式全控整流电路的整流输出电压中含有6k（k1、2、3）次的谐波，其中幅值最大的是6次谐波。变压器二次侧电流中含有6k1(k=1、2、3)次的谐波，其中主要的是5、7次谐波。 23带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有何主要异同？答：带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有以下异同点：三相桥式电路是两组三相半波电路串联，而双反星形电路是两组三相半波电路并联，且后者需要用平衡电抗器；当变压器二次电压有效值U2相等时，双反星形电路的整流电压平均值Ud是三相桥式电路的1/2，而整流电流平均值Id是三相桥式电路的2倍。在两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系是一样的，整流电压ud和整流电流id的波形形状一样。24整流电路多重化的主要目的是什么？答：整流电路多重化的目的主要包括两个方面，一是可以使装置总体的功率容量大，二是能够减少整流装置所产生的谐波和无功功率对电网的干扰。26使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么？答：条件有二：直流侧要有电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流电路直流侧的平均电压；要求晶闸管的控制角/2，使Ud为负值。 29什么是逆变失败？如何防止逆变失败？答：逆变运行时，一旦发生换流失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变为顺向串联，由于逆变电路阻很小，形成很大的短路电流，称为逆变失败或逆变颠覆。防止逆变失败的方法有：采用精确可靠的触发电路，使用性能良好的晶闸管，保证交流电源的质量，留出充足的换向裕量角等。第4章 逆变电路 1无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？答：两种电路的不同主要是： 有源逆变电路的交流侧接电网，即交流侧接有电源。而无源逆变电路的交流侧直接和负载联接。5. 三相桥式电压型逆变电路，180导电方式，Ud=100V。试求输出相电压的基波幅值UUN1m和有效值UUN1、输出线电压的基波幅值UUV1m和有效值UUV1、输出线电压中5次谐波的有效值UUV5。 解：输出相电压的基波幅值为=63.7(V)输出相电压基波有效值为：=45(V)输出线电压的基波幅值为=110(V)输出线电压基波的有效值为=78(V)输出线电压中五次谐波的表达式为：其有效值为：=15.59(V) 6并联谐振式逆变电路利用负载电压进行换相，为保证换相应满足什么条件？答：假设在t时刻触发VT2、VT3使其导通，负载电压uo就通过VT2、VT3施加在VT1、VT4上，使其承受反向电压关断，电流从VT1、VT4向VT2、VT3转移，触发VT2、VT3时刻t必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。8逆变电路多重化的目的是什么？如何实现？串联多重和并联多重逆变电路各用于什么场合？答：逆变电路多重化的目的之一是使总体上装置的功率等级提高，二是可以改善输出电压的波形。因为无论是电压型逆变电路输出的矩形电压波，还是电流型逆变电路输出的矩形电流波，都含有较多谐波，对负载有不利影响，采用多重逆变电路，可以把几个矩形波组合起来获得接近正弦波的波形。 逆变电路多重化就是把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。组合方式有串联多重和并联多重两种方式。串联多重是把几个逆变电路的输出串联起来，并联多重是把几个逆变电路的输出并联起来。 串联多重逆变电路多用于电压型逆变电路的多重化。 并联多重逆变电路多用于电流型逆变电路得多重化。第5章 直流-直流变流电路 1简述图5-1a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，uoE。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，uo0。一个周期的平均电压Uo。输出电压小于电源电压，起到降压的作用。 3在图5-1a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=20s，当ton=5s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=3s时，重新进行上述计算。解：由题目已知条件可得：m=0.1=0.002 当ton=5s时，有=0.01ar=0.0025 由于=0.249m所以输出电流连续。 此时输出平均电压为Uo =25(V) 输出平均电流为Io =30(A) 输出电流的最大和最小值瞬时值分别为Imax=30.19(A)Imin=29.81(A)当ton=3s时，采用同样的方法可以得出：=0.0015 由于=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 =15(V)Io =10(A)Imax=10.13(A)Imin=9.873(A) 4简述图5-2a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。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。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：化简得：式中的，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5-2a所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当T=40s，ton=25s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 =133.3(V)输出电流平均值为：Io =6.667(A) 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6章 交流-交流变流电路 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=0.5，L=2mH。试求：开通角的变化围；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，晶闸管导通角和电源侧功率因数。解：负载阻抗角为：=arctan（）=arctan（）=0.89864=51.49 开通角的变化围为：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Pomax=37.532(KW)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cosj=0.6227 =时，先计算晶闸管的导通角，由式（4-7）得sin(+-0.89864)=sin(-0.89864)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q 的值。此时，晶闸管电流有效值为=123.2(A)电源侧功率因数为其中：=174.2(A)于是可得出 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用的6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1/31/2Error! No bookmark name given.。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。 5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：500千瓦或1000千瓦以下的大功率、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。 7 在三相交交变频电路中，采用梯形波输出控制的好处是什么？为什么？答：在三相交交变频电路中采用梯形波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），a角较小，因此输入功率因数可提高15%左右。 8试述矩阵式变频电路的基本原理和优缺点。为什么说这种电路有较好的发展前景？答：矩阵式变频电路的基本原理是：对输入的单相或三相交流电压进行斩波控制，使输出成为正弦交流输出。矩阵式变频电路的主要优点是：输出电压为正弦波；输出频率不受电网频率的限制；输入电流也可控制为正弦波且和电压同相；功率因数为1，也可控制为需要的功率因数；能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行；不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。矩阵式交交变频电路的主要缺点是：所用的开关器件为18个，电路结构较复杂，成本较高，控制方法还不算成熟；输出输入最大电压比只有0.866，用于交流电机调速时输出电压偏低。因为矩阵式变频电路有十分良好的电气性能，使输出电压和输入电流均为正弦波，输入功率因数为1，且能量双向流动，可实现四象限运行；其次，和目前广泛应用的交直交变频电路相比，虽然多用了6个开关器件，却省去直流侧大电容，使体积减少，且容易实现集成化和功率模块化。随着当前器件制造技术的飞速进步和计算机技术的日新月异，矩阵式变频电路将有很好的发展前景。第7章 PWM控制技术1试说明PWM控制的基本原理。答：PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。在采样控制理论中有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理以正弦PWM控制为例。把正弦半波分成N等份，就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到PWM波形。各PWM脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。可见，所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。 3. 单极性和双极性PWM调制有什么区别？三相桥式PWM型逆变电路中，输出相电压（输出端相对于直流电源中点的电压）和线电压SPWM波形各有几种电平？答：三角波载波在信号波正半周期或负半周期里只有单一的极性，所得的PWM波形在半个周期中也只在单极性围变化，称为单极性PWM控制方式。 三角波载波始终是有正有负为双极性的，所得的PWM波形在半个周期中有正、有负，则称之为双极性PWM控制方式。 三相桥式PWM型逆变电路中，输出相电压有两种电平：0.5Ud和-0.5 Ud。输出线电压有三种电平Ud、0、- Ud。 4特定谐波消去法的基本原理是什么？设半个信号波周期有10个开关时刻（不含0和p 时刻）可以控制，可以消去的谐波有几种？答：首先尽量使波形具有对称性，为消去偶次谐波，应使波形正负两个半周期对称，为消去谐波中的余弦项，使波形在正半周期前后1/4周期以p /2为轴线对称。考虑到上述对称性，半周期有5个开关时刻可以控制。利用其中的1个自由度控制基波的大小，剩余的4个自由度可用于消除4种频率的谐波。 5什么是异步调制？什么是同步调制？两者各有何特点？分段同步调制有什么优点？答：载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。在异步调制方式中，通常保持载波频率fc 固定不变，因而当信号波频率fr变化时，载波比N是变化的。异步调制的主要特点是：在信号波的半个周期，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期前后1/4周期的脉冲也不对称。这样，当信号波频率较低时，载波比N较大，一周期的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期前后1/4周期脉冲不对称产生的不利影响都较小，PWM波形接近正弦波。而当信号波频率增高时，载波比N减小，一周期的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大，有时信号波的微小变化还会产生PWM脉冲的跳动。这就使得输出PWM波和正弦波的差异变大。对于三相PWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。同步调制的主要特点是：在同步调制方式中，信号波频率变化时载波比N不变，信号波一个周期输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的载波频率fc也很低。fc过低时由调制带来的谐波不易滤除。当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声。当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc会过高，使开关器件难以承受。此外，同步调制方式比异步调制方式复杂一些。分段同步调制是把逆变电路的输出频率划分为若干段，每个频段的载波比一定，不同频段采用不同的载波比。其优点主要是，在高频段采用较低的载波比，使载波频率不致过高，可限制在功率器件允许的围。而在低频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。 7单相和三相SPWM波形中，所含主要谐波频率为多少？答：单相SPWM波形中所含的谐波频率为：式中，n=1,3,5,时，k=0,2,4, ；n=2,4,6,时，k=1,3,5, 在上述谐波中，幅值最高影响最大的是角频率为wc的谐波分量。 三相SPWM波形中所含的谐波频率为：式中，n=1,3,5,时，k=3(2m-1)1，m=1,2,； n=2,4,6,时，在上述谐波中，幅值较高的是wc2w r和2w cw r。 8如何提高PWM逆变电路的直流电压利用率？答：采用梯形波控制方式，即用梯形波作为调制信号，可以有效地提高直流电压的利用率。 对于三相PWM逆变电路，还可以采用线电压控制方式，即在相电压调制信号中叠加3的倍数次谐波及直流分量等，同样可以有效地提高直流电压利用率。 9什么是电流跟踪型PWM变流电路？采用滞环比较方式的电流跟踪型变流器有何特点？ 答：电流跟踪型PWM变流电路就是对变流电路采用电流跟踪控制。也就是，不用信号波对载波进行调制，而是把希望输出的电流作为指令信号，把实际电流作为反馈信号，通过二者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率器件的通断，使实际的输出跟踪电流的变化。 采用滞环比较方式的电流跟踪型变流器的特点： 硬件电路简单； 属于实时控制方式，电流响应快； 不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量； 与计算法和调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多；采用闭环控制。10什么是PWM整流电路？它和相控整流电路的工作原理和性能有何不同？ 答：PWM 整流电路就是采用PWM控制的整流电路，通过对PWM整流电路的适当控制，可以使其输入电流十分接近正弦波且和输入电压同相位，功率因数接近1。相控整流电路是对晶闸管的开通起始角进行控制，属于相控方式。其交流输入电流中含有较大的谐波分量，且交流输入电流相位滞后于电压，总的功率因数低。PWM整流电路采用SPWM控制技术，为斩控方式。其基本工作方式为整流，此时输入电流可以和电压同相位，功率因数近似为1。PWM整流电路可以实现能量正反两个方向的流动，即既可以运行在整流状态，从交流侧向直流侧输送能量；也可以运行在逆变状态，从直流侧向交流侧输送能量。而且，这两种方式都可以在单位功率因数下运行。此外，还可以使交流电流超前电压90，交流电源送出无功功率，成为静止无功功率发生器。或使电流比电压超前或滞后任一角度j 。第8章 软开关技术 1高频化的意义是什么？为什么提高开关频率可以减小滤波器的体积和重量？为什么提高关频率可以减小变压器的体积和重量？答：高频化可以减小滤波器的参数，并使变压器小型化，从而有效的降低装置的体积和重量。使装置小型化，轻量化是高频化的意义所在。提高开关频率，周期变短，可使滤除开关频率中谐波的电感和电容的参数变小，从而减轻了滤波器的体积和重量；对于变压器来说，当输入电压为正弦波时，U=4.44.f.N.B.S，当频率f提高时，可减小N、S参数值，从而减小了变压器的体积和重量。13
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