华北电力大学版电力电子技术课后习题答案[1].doc

电力电子技术答案电力电子技术习题集标 * 的习题是课本上没有的，作为习题的扩展习题一* 试说明什么是电导调制效应及其作用。答：当PN结通过正向大电流时，大量空穴被注入基区（通常是N型材料），基区的空穴浓度（少子）大幅度增加，这些载流子来不及和基区的电子中和就到达负极。为了维持基区半导体的电中性，基区的多子（电子）浓度也要相应大幅度增加。这就意味着，在大注入的条件下原始基片的电阻率实际上大大地下降了，也就是电导率大大增加了。这种现象被称为基区的电导调制效应。电导调制效应使半导体器件的通态压降降低，通态损耗下降；但是会带来反向恢复问题，使关断时间延长，相应也增加了开关损耗。1. 晶闸管正常导通的条件是什么，导通后流过的电流由什么决定？晶闸管由导通变为关断的条件是什么，如何实现？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压（UAK0），并在门极施加触发电流（UGK0）。2. 有时晶闸管触发导通后，触发脉冲结束后它又关断了，是何原因？答：这是由于晶闸管的阳极电流IA没有达到晶闸管的擎住电流（IL）就去掉了触发脉冲，这种情况下，晶闸管将自动返回阻断状态。在具体电路中，由于阳极电流上升到擎住电流需要一定的时间（主要由外电路结构决定），所以门极触发信号需要保证一定的宽度。* 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其阳极电流IA大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流IH。 要使晶闸管由导通转为关断，可利用外加反向电压或由外电路作用使流过晶闸管的电流降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。3. 图1-30中的阴影部分表示流过晶闸管的电流波形，其最大值均为Im，试计算各波形的电流平均值、有效值。如不考虑安全裕量，额定电流100A的晶闸管，流过上述电流波形时，允许流过的电流平均值Id各位多少？图1-30 习题1-4附图解：（a） 额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则；平均值Ida为：（b）额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则；平均值Idb为：（c）额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则；平均值Idc为：（d）额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则；平均值Idd为：（e）额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则：平均值Ide为：（f）额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则：平均值Ide为： * 在图1-31所示电路中，若使用一次脉冲触发，试问为保证晶闸管充分导通，触发脉冲宽度至少要多宽？图中，E=50V；L=0.5H；R=0.5; IL=50mA（擎住电流）。 图1-31习题1-5附图 图1-32习题1-9附图解：晶闸管可靠导通的条件是：必须保证当阳极电流上升到大于擎住电流之后才能撤掉触发脉冲。当晶闸管导通时有下式成立：解之得：可靠导通条件为：解得：即 也即触发脉冲宽度至少要500s4. 为什么晶闸管不能用门极负脉冲信号关断阳极电流，而GTO却可以？答：GTO和普通晶闸管同为PNPN结构，由P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2，由普通晶闸管得分析可得，121是器件临界导通的条件。121两个晶体管饱和导通；121.15，而GTO则为121.05，饱和程度不深，在门极控制下易于退出饱和。C GTO在设计时，2较大，晶体管V2控制灵敏，而1很小，这样晶体管V1的集电极电流不大，易于从门极将电流抽出，从而使GTO关断。* GTO与GTR同为电流控制器件，前者的触发信号与后者的驱动信号有哪些异同？答：二者都是电流型驱动型器件，其开通和关断都要求有相应的触发脉冲，要求其触发电流脉冲的上升沿陡且实行强触发。GTR要求在导通期间一直提供门极触发电流信号，而GTO当器件导通后可以去掉门极触发电流信号；GTO的电流增益（尤其是关断电流增益很小）小于GTR，无论是开通还是关断都要求触发电流有足够的幅值和陡度，其对触发电流信号（尤其是关断门极负脉冲电流信号）的要求比GTR高。5. 试比较GTR、GTO、MOSFET、IGBT之间的差异和各自的优缺点及主要应用领域。答：见下表器件优点缺点应用领域GTR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，电流驱动型需要驱动功率大，驱动电路复杂，存在2次击穿问题UPS、空调等中小功率中频场合GTO电压、电流容量很大，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，驱动功率很大，驱动电路复杂，开关频率低高压直流输电、高压静止无功补偿、高压电机驱动、电力机车地铁等高压大功率场合。MOSFET开关速度快，开关损耗小，工作频率高，门极输入阻抗高，热稳定性好，需要的驱动功率小，驱动电路简单，没有2次击穿问题电流容量小，耐压低，通态损耗较大，一般适合于高频小功率场合开关电源、日用电气、民用军用高频电子产品IGBT开关速度高，开关损耗小，通态压降低，电压、电流容量较高。门极输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单开关速度不及电力MOSFET，电压、电流容量不及GTO。电机调速，逆变器、变频器等中等功率、中等频率的场合，已取代GTR。是目前应用最广泛的电力电子器件。* 请将VDMOS（或IGBT）管栅极电流波形画于图1-32中，并说明电流峰值和栅极电阻有何关系以及栅极电阻的作用。答： VDMOSFET和IGBT都是电压驱动型器件，由于存在门极电容，其门极电流的波形类似于通过门极电阻向门极电容的充电过程，其峰值电流为IpUGE/RG。栅极电阻的大小对器件的静态和动态开关特性有很大的影响：RG增加，则开通时间、关断时间、开通损耗关断损耗增加；和位移电流减小；触发电路振荡抑止能力强，反之则作用相反。因此在损耗容许的条件下，RG可选大些以保证器件的安全，具体选择要根据实际电路选。典型的应用参数为：UGE15V，UGE(510)V，RG1050欧* 全控型器件的缓冲吸收电路的主要作用是什么？试分析RCD缓冲电路中各元件的作用。答：缓冲电路的主要作用是抑止器件在开关过程中出现的过高的、和过电压，减小器件的开关损耗保证器件工作在安全范围之内。RCD缓冲电路中主要是为了防止器件关断过程中的过电压。器件关断时，负载电流经二极管D向吸收电容C充电，使器件两端的电压由0缓慢上升，减缓，一方面可以抑止过电压，一方面可以减小关断损耗；开通时，吸收电容的能量经电阻R向器件放电，为下次关断做好准备，电阻R的作用是限制放电电流的大小、抑止缓冲电路的振荡。* 限制功率MOSFET应用的主要原因是什么？实际使用时如何提高MOSFET的功率容量？答：限制功率MOSFET应用的主要原因是其电压、电流容量难以做大。因为MOSFET是单极性器件，所以通态损耗较大，其通态电阻为。高压大电流时，其通态电阻（对应损耗）达到令人难以接受的程度（目前的市场水平最大为1200V/36A）。实际使用时由于MOSFET具有正的温度系数，可以方便地采用多管串并联的方法来提高其功率容量。习题二1*具有续流二极管的单相半波可控整流电路，带阻感性负载，电阻为5，电感为0.2H，电源电压的有效值为220V，直流平均电流为10A，试计算晶闸管和续流二极管的电流有效值，并指出晶闸管的电压定额（考虑电压2-3倍裕度）。解：本题困难，可不作为习题要求。电路上图所示。设触发角为，则在期间晶闸管导通，其直流输出电压Ud如图（b）所示；在0和2期间，续流二极管导通，直流输出电压为0，则直流平均电压为带入已知参数可得，即。设晶闸管开始导通时的电流值为I0，晶闸管关断、二极管开始导通时的电流值为I1，则在晶闸管导通期间的回路方程为：由（1）可得方程的通解为 （4）带入式（2）的初值条件，解得将上式带入（4）并将已知参数带入可得将式（3）的条件带入得 （5）当二极管导通时，电流表达式为在t=2/2处，i=I0，可得I1和I0之间的关系 （6）由（5）、（6）可解得则得电流的完全表达式如下 （7）按照（7）用解析方法求解晶闸管和二极管的电流有效值非常复杂，为简化计算，用I1和I0之间的直线段来代替实际的曲线方程（由于L较大，这种代替不会带来很大误差）。则晶闸管和二极管的电流有效值分别为从图（g）可以看出，晶闸管承受的反压为电源电压峰值，即，考虑3倍安全余量可选耐压1000V的晶闸管。2单相桥式全控整流电路接电阻性负载，要求输出电压在0100V连续可调，输出电压平均值为30 V时，负载电流平均值达到20A。系统采用220V的交流电压通过降压变压器供电，且晶闸管的最小控制角min30，（设降压变压器为理想变压器）。试求： （1）变压器二次侧电流有效值I2； （2）考虑安全裕量，选择晶闸管电压、电流定额； （3）作出60时，ud、id和变压器二次侧i2的波形。解：由题意可知负载电阻欧，单相全控整流的直流输出电压为直流输出最大为100V，且此时的最小控制角为min30，带入上式可求得（1） min30时，（2）晶闸管的电流有效值和承受电压峰值分别为 考虑3倍余量，选器件耐压为1683500V；电流为(55.3/1.57)3100A（3） 3试作出图2-7所示的单相桥式半控整流电路带大电感负载，在30时的ud、id、iVT1、iVD4的波形。并计算此时输出电压和电流的平均值。解：输出电压和电流的平均值分别为：4单相桥式全控整流电路，U2100V，负载中R2 ，L值极大，反电动势E60V，当30时，试求： （1）作出ud、id和i2的波形； （2）求整流输出电压平均值Ud、电流Id，以及变压器二次侧电流有效值I2。解：整流输出电压平均值Ud、电流Id，以及变压器二次侧电流有效值I2分别为： 5. 某一大电感负载采用单相半控桥式整流接有续流二极管的电路，负载电阻R=4，电源电压U2=220V，=/3，求：(1) 输出直流平均电压和输出直流平均电流；(2) 流过晶闸管（整流二极管）的电流有效值；(3) 流过续流二极管的电流有效值。解：（1）电路波形图见第3题（2）（3）6 三相半波可控整流电路的共阴极接法和共阳极接法，a、b两相的自然换相点是同一点吗？如果不是，它们在相位上差多少度？试作出共阳极接法的三相半波可控的整流电路在30时的ud、iVT1、uVT1的波形。解：a、b两相的自然换相点不是同一点，它们在相位上差多少180度，见下图。共阳极接法的三相半波可控的整流电路在30时的ud、iVT1、uVT1的波形如下图7. 三相半波可控整流电路带大电感性负载，/3，R=2，U2=220V，试计算负载电流Id，并按裕量系数2确定晶闸管的额定电流和电压。解：按裕量系数2确定晶闸管的电流定额为：；电压定额为：* 三相半波共阴极接法的整流电路中，如果c相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和大电感性负载下整流的输出电压Ud（300）。解：电阻负载时波形如下图：大电感负载时的波形为： * 三相桥式全控整流电路中，如果c相上桥臂晶闸管（第5号管）的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和大电感性负载下整流的输出电压Ud（600）。解：电阻负载时波形如下图：解释：当3、4号晶闸管导通（直流输出为Uba）完即将切换到4、5号晶闸管导通时，由于5号晶闸管触发丢失，且由于是电阻负载，在本该4、5导通的区间内由于Uba为负值，所以3号管被加反压关断，整流输出为0。在随后本该5、6管导通区间，由于5号管丢失脉冲，回路也没法导通，输出还是0。随着6、1的再次导通，进入下一个循环。电感负载时波形如下图：解释：当3、4号晶闸管导通（直流输出为Uba）完即将切换到4、5号晶闸管导通时，由于5号晶闸管触发丢失，没法给3号管提供反压使之关断，且由于是电感负载，所以3号管将会继续导通。这时实际导通的管子还是3、4两个晶闸管，即整流输出仍为Uba。在随后本该5、6管导通区间，4号管被导通的6号管关断，直流电流通过3、6两管形成的短路回路续流，直流输出是0。随着6、1的再次导通，进入下一个循环。8三相桥式全控整流电路，U2100V，带阻感性负载，R5 ，L值极大，当60，试求： （1）作出ud、id和iVT1的波形； （2）计算整流输出电压平均值Ud、电流Id，以及流过晶闸管电流的平均值IdVT和有效值IVT； （3）求电源侧的功率因数； （4）估算晶闸管的电压电流定额。解：（1） （2） （3）由功率因数的定义知： （4）按2倍余量估算，晶闸管的电压定额为：；晶闸管的电流定额为：9三相桥式不控整流电路带阻感性负载，R5 ，L，U2220V，XB=0.3 ，求Ud、Id、IVD、I2和的值，并作出ud、iVD1和i2的波形。解：三相桥式不控整流电路相当于三相桥式全控整流电路在触发角为0时的情况，则 解上述2个方程可得： 二极管的电流平均值为： 变压器二次侧电流有效值为： 由 可得 ud、iVD1和i2的波形的波形如下：10请说明整流电路工作在有源逆变时所必须具备的条件。答：(1) 外部条件直流侧应有能提供逆变能量的直流电动势，极性与晶闸管导通方向一致，其值大于变流器直流侧的平均电压。(2) 内部条件变流器直流侧输出直流平均电压必须为负值，即/2，Ud0。以上两条件必须同时满足，才能实现有源逆变。11什么是逆变失败？如何防止逆变失败？答：但当变流器工作于逆变工况时，一旦由于触发脉冲丢失、突发电源缺相或断相等原因造成换流失败，将使输出电压Ud进入正半周，与EM顺向连接，由于回路电阻很小，造成很大的短路电流，这种情况叫逆变失败或逆变颠覆。为了保证逆变电路的正常工作，必须1）选用可靠的触发器，2）正确选择晶闸管的参数，3）采取必要的措施，减小电路中du/dt和di/dt的影响，以免发生误导通，4）保证交流电源的质量，5）逆变角的角度有一最小限制，留出充足的换向余量角。12. 三相全控桥变流器，已知L足够大、R=1.2、U2=200V、EM= -300V，电动机负载处于发电制动状态，制动过程中的负载电流66A，此变流器能否实现有源逆变？求此时的逆变角。解：电动机处于发电制动状态可以提供逆变能量，满足有源逆变的外部条件，可以实现有源逆变。 三相全控桥变流器处于有源逆变时有 （1）而 ，即 解（1）式可得： 13三相全控桥变流器，带反电动势阻感负载， R1 ，L，U2220V，LB=1mH，当EM400V，60时求Ud、Id和的值，此时送回电网的有功功率是多少？解： 带入已知参数解上2式，可得 ；由换流重叠角公式可得：即 送回电网的有功功率为：14三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？其中最大的是哪一次？变压器二次电流中含有哪些次数的谐波？其中主要的是哪几次？对于m相全控整流电路呢？答：三相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有6k（k=1、2、3）次的谐波，其中最大的是6次谐波。变压器二次电流中含有6k1（k=1、2、3）次的谐波，其中主要的是哪5、7次。对于m相全控整流电路，其整流输出电压中含有2mk（k=1、2、3）次的谐波，其中最大的是2m次谐波。变压器二次电流中含有2mk1（k=1、2、3）次的谐波，其中主要的是哪2mk1次。15试计算第4题中i2的3、5、7次谐波分量的有效值I23、I25、I27，并计算此时该电路的输入功率因数。解：由第4题的解答可知：Id9A，则 基波有效值 输入功率因数 16试计算第8题中的i2的5、7次谐波分量的有效值I25、I27。解：由第8题的解答可知：Id23.4A，则17. 三相晶闸管整流器接至10.5kV交流系统。已知10kV母线的短路容量为150MVA，整流器直流侧电流Id400A，触发延迟角15，不计重叠角，试求：(1) 相移功率因数cos1、整流器的功率因数；(2) 整流测直流电压Ud；(3) 有功功率、无功功率和交流侧基波电流有效值；(4) 截止到23次的各谐波电流的大小、总谐波畸变率。解：（1） （2）（3）基波电流有效值 总电流有效值 有功功率 无功功率 （4） 总谐波畸变率 18晶闸管整流电路的功率因数是怎么定义的？它与那些因素有关？答：晶闸管整流电路的功率因数由畸变因子和位移因子构成，表达式为功率因数主要由整流触发角和整流电路的电路结构决定。19. 综述抑制相控整流电路网侧电流谐波的措施。答：抑制网侧电流谐波的措施主要有：1选择合适的输入电压（可采用输入变压器），在满足控制和调节范围的情况下尽可能减小控制角。2网侧设置补偿电容器和有针对性的滤波器。3增加整流相数，即采用多相整流器，可使网侧电流更加接近正弦波。4利用多重化技术进行波形叠加，以消除某些低次谐波。5 利用有源滤波技术进行滤波。20. 综述改善相控整流电路网侧功率因数的措施。答：改善功率因数的途径主要有：1选择合适的输入电压，在满足控制和调节范围的情况下尽可能减小控制角。2增加整流相数，改善交流电流的波形，减少谐波成分。3设置补偿电容器和有针对性的滤波器。4对于直流电抗滤波的整流器，换相重叠角会使谐波电流减小，可适当增加变压器的漏感。5对于电容滤波的整流器，直流侧加装平波电感。习题三1. 一升压换流器由理想元件构成，输入Ud在816V之间变化，通过调整占空比使输出U0=24V固定不变，最大输出功率为5W，开关频率20kHz，输出端电容足够大，求使换流器工作在连续电流方式的最小电感。解：由U0=24V固定不变，最大输出功率为5W可知当输入Ud为8V间时输入Ud为16V时则实际工作时的占空比范围为：由电流断续条件公式可得即在范围内是单调下降的，在1/3处有最大值，所以2. 一台运行在20kHz开关频率下的升降压换流器由理想元件构成，其中L=0.05mH，输入电压Ud=15V，输出电压U0=10V，可提供10W的输出功率，并且输出端电容足够大，试求其占空比D。解：3在图3-1所示的降压斩波电路中，已知E=100V，R=0.5，L=1mH，采用脉宽调制控制方式，T=20s，当ton5s时，试求：（1）输出电压平均值UO、输出电流的平均值IO；（2）输出电流的最大和最小瞬时值（由于课本上没讲，这一问是否可以取消？），判断负载电流是否断续；（3）当ton3s时，重新进行上述计算。解：（1）（2），所以电流连续。（3）同（2），所以电流也是连续的。4在图3-35所示降压斩波电路中，已知E=600V，R=0.1，L=，EM=350V，采用脉宽调制控制方式，T=1800s，若输出电流IO=100A， 试求：（1）输出电压平均值UO和所需的ton值； （2）作出、以及iG、iD的波形。图3-35 电流型降压斩波电路解：（1）（2）电路图见图335，各点波形见下图5升压斩波电路为什么能使输出电压高于电源电压？答：这是由于升压斩波器的电路结构使电路中的电感具有电压泵升作用。当高频开关闭合时，输入电源向电感储存能量，当开关断开时，电感的储存能量向负载放电。开关的导通比D越大则电感储能越多，输出电压越高，输出电压有如下关系：。6在图3-4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，ton25s时，计算输出电压平均值UO和输出电流的平均值IO。解：7说明降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路的输出电压范围。答：降压斩波电路的输出电压范围：；升压斩波电路的输出电压范围：；升降压斩波电路的输出电压范围：。8在图3-7所示升降压斩波电路中，已知E=100V，R=0.5，L和C极大，试求：（1）当占空比0.2时的输出电压和输出电流的平均值； （2）当占空比0.6时的输出电压和输出电流的平均值，并计算此时的输入功率。解：（1）（2）9试说明升降压斩波电路（BoostCuck Chooper）和Cuk斩波电路的异同点。答：两个电路实现的功能是一致的，均可方便地实现升降压斩波，Cuk斩波电路较为复杂，应用不是很广泛。其和升降压斩波电路相比有一个突出的优点：其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，输出电压纹波较小，便于滤波，在特定应用场合有应用。10在单相交流调压器中，电源电压U1=120V，电阻负载R=10，触发角=900，试计算：负载电压有效值UO、负载电流有效值IO、负载功率PO和输入功率因数 。解：11一电阻性负载加热炉有单相交流调压电路供电，如00时位输出功率最大值，试求功率为80，50时的触发角。解： 即 即12一晶闸管单相交流调压器带阻感性负载，电源电压为220V的交流电源，负载R=10，L=1mH，试求： （1）触发角的移相范围； （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900时，晶闸管电流的有效值、晶闸管导通角和电源侧功率因数；解：（1）负载阻抗角为：所以触发角的移相范围为：（2）当触发角为时，输出电压最大，负载电流也达到最大，即 （3） （4）触发角为900时，先计算晶闸管的导通角 由式（336）得 解上式可得（也可查图330得出估计值）（该值也可直接估计出，因为，所以负载可认为是纯电阻负载，使计算简化）13某单相反并联调功电路，采用过零触发。电源电压U1=220V，电阻负载R=1，控制的设定周期TC内，使晶闸管导通0.3s，断开0.2s，使计算送到电阻负载上的功率与假定晶闸管一直导通时所送出的功率。解：假定晶闸管一直导通时，所送出的功率为：晶闸管导通0.3s，断开0.2s，送到电阻负载上的功率为：* 画出星型接线的三相交流调压电路带三相对称的电阻负载，当触发角300时有中线和300、900没有中线时的负载电阻上的电压波形。解：有中线时，星型接线的三相交流调压电路，每一相和单相交流调压电路是一样的，负载电阻上的电压波形如下图所示：没中线时，星型接线的三相交流调压电路和单相交流调压电路是不一样，每一相的通断和其他两相的状态有关，当触发角在00600之间时，三只晶闸管导通和两只晶闸管导通两种状态交替工作；当触发角在600900之间时，2只晶闸管导通和1只晶闸管导通两种状态交替工作。负载电阻上的电压波形如下图所示14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。交流调压是在交流电源的每个周期都对输出电压进行控制；而交流调功电路是在一定的周期内接通几个电源周期，再断开几个周期，通过改变接通和断开的比来宏观上调节输出电压的有效值。交流调压电路广泛用于灯光控制以及异步电机的软启动，也可用于异步电机的小范围调速，在一些简单的场合可以取代变压器来完成交流电压的降压变换。这样的电路体积小成本低；交流调功电路常用于电炉等大时间常数的负载，由于负载的时间常数远大于工频周期，没有必要对交流电源的每个周期都进行控制，这样可以简化控制。15用一对反并联的晶闸管和使用一只双向晶闸管进行交流调压时，他们的主要差别是什么？答：二者主电路结构形式和控制效果相同，差别主要是触发脉冲不同。用一对反并联的晶闸管时，必须对2个晶闸管采用分别触发控制，2个晶闸管的触发脉冲波形对称、互差180度；而采用双向晶闸管，控制脉冲只需一路，脉冲间隔也是180度。另外对于大功率场合由于双向晶闸管的容量限制，普遍电路结构都是采用一对反并联晶闸管结构。16反并联的晶闸管和负载接成内三角形的三相交流调压电路，问该电路有何优点？答：优点有2：1）负载接成内三角形的三相交流调压电路，每一相都可以当作独立的单相交流调压电路进行控制，只是这时的每相负载的电压为交流输入的线电压。三相负载的控制不像星型接法那样互相影响，每相控制具有相对独立性。2）各相负载电流中的3的倍数次谐波具有相同的相位，在负载3角形内形成环流，所以输入的线电流中不含有3的倍数次谐波，电源侧输入电流的谐波比星型接法的电路要小。17什么是TCR？什么是TSC？它们的基本原理是什么？各有何特点？答：TCR（Thyristor Controlled Reactor）是晶闸管控制电抗器的简称；TSC（Thyristor Switched Capacitor）是晶闸管投切电容器的简称。二者的基本原理如下：TCR是利用电抗器来向电网中提供感性无功的装置。通过对晶闸管的触发控制角的控制，可以调节加到电抗器上的交流电压，也即可以连续调节流过电抗器的电流，从而能够调节电抗器向电网发送的感性无功功率的大小。由于TCR只能向电网提供感性无功，所以在实际使用中往往需要配以固定电容器（FC），这样就可以在容性到感性的范围内连续调节装置向系统提供的无功了。TSC则是利用晶闸管来投入或切除连接到电网的电容器，这样可以控制电容器向电网发送容性无功的大小，减小投切电容器时的冲击电流，使电容器可以迅速频繁投切。TSC符合大多数无功补偿的要求，但是其补偿是有级调节的，不能连续调节无功，但只要设计合理还是可以达到较理想的动态补偿效果的。*18交交变频电路的主要特点和不足之处是什么？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4象限工作；低频输出时特性较好，输出接近正弦。主要不足是：接线负载，需要器件多；受电网频率和电路脉波数的限制，输出频率较低，只能低于输入频率运行；输入功率因数低，谐波含量较大；频谱构成复杂，滤波器设计困难。主要用途：大功率低转速的交流调速电路，如轧机主传动装置、鼓风机、磨球机等。*19三相交交变频电路有哪两种接线方式？它们有什么区别？答：三相交交变频电路有公共交流母线进线方式和输出星型连接方式。 两种方式的主要区别是： 公共交流母线进线方式中，因为电源进线端公用，所以三组单相交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6个接线端。 而输出星型连接方式中，因为电机的中性点不和变频器相连，电动机只引出三根线即可，但其电源进线端必须隔离，因此三组单相交交变频器要分别用三个变压器来供电。习题四1. 无源逆变电路和有源逆变电路有什么区别？答：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相联接。2. 在逆变电路中器件的换流方式有哪些？各有什么特点？试举例说明。答：换流方式有4种：1 器件换流：利用全控器件的自关断能力进行换流。全控型器件都采用此种换流方式。晶闸管半控器件不能采用器件换流，根据电路的不同可以采用下述3种换流方式。2 电网换流：由电网的3相电压提供换向电压，只要将电网的负压加在欲换流的器件两端即可。3 负载换流：由负载提供换流电压，当负载为电容型负载，即负载电流超前于负载电压时，可实现负载换流。4 强迫换流：设置附加换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压使之换流，称为强迫换流。通常是利用附加换流晶闸管、换向电容、电感产生谐振来给欲关断的主晶闸管施加关断所需的反压。* 为什么负载换向逆变器的负载阻抗必须呈容性而由全控器件构成的谐振式逆变器无此要求？答：阻抗呈容性时，负载电流超前于负载电压，这样才能利用负载的电压给原先导通的晶闸管提供反向的关断电压以实现换流；而由全控器件构成的谐振式逆变器采用的是器件换流，对阻抗的性质没有要求。3. 什么是电压型逆变电路和电流型逆变电路？二者各有什么特点？答：按照直流侧电源的性质分类，直流侧是电压源的称为电压型逆变器，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。电压型逆变电路的主要特点是：1 直流侧接有大容量的电容，相当于电压源。直流侧电压基本保持恒定，直流侧相对于负载来说呈现低阻抗。2 由于直流电压源的嵌位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载性质无关，而交流侧电流的相位和波形随负载性质的不同而变化。3 当交流侧为阻感负载时，逆变器需要提供无功功率，直流侧电容可起到无功能量缓冲的作用。为了给交流侧无功能量返回直流侧提供通路，逆变器桥臂的开关器件需反并联续流二极管。电流型逆变电路的主要特点是：1 直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路对于负载来说呈现高阻抗。2 电路中开关器件的作用仅仅是改变直流电流的流经途径，并不能改变电流的大小，因此交流侧输出电流为矩形波，和负载阻抗无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。3 当交流侧为阻感负载时需提供无功功率，直流电感起缓冲无功能量的作用，因为反馈无功能量时电流并不反向，因此不必象电压型逆变器那样在器件两端反并联二极管。但是由于反馈无功能量时器件会承受反向电压，对于由全控器件构成的电流型逆变器，开关器件需要串联二极管（全控器件承受反压的能力很低）。对于晶闸管逆变器则不必串二极管。4. 电压型逆变电路中二极管的作用是什么？如果没有将出现什么现象？为什么电流型逆变电路中没有这样的二极管？答：在电压型逆变电路中，当交流侧为感性或容性负载时，电源需要为负载提供无功功率，直流电容起缓冲无功的作用。为了给交流电流提供流会直流电容的通路，逆变器各桥臂都要反并联反馈二极管。也即，当输出交流电压和电流同极性时，电流流经逆变器的可控开关器件；而当输出电压和电路极性相反时，电流通路由反馈二极管提供。5. 请说明整流电路、逆变电路、变流（变频）电路三个概念的区别。答：整流电路是将交流变换为直流，即将交流能量变换为直流能量，ACDC。逆变电路（有源和无源）都是将直流能量变换为交流能量，ACAC。变流（变频）是将一种电压和频率的交流能量变换为另一种电压和频率的交流能量，一般为ACDCAC，或ACAC。6. 并联谐振式逆变器利用负载电压进行换相，为保证换相应满足什么条件？答：并联谐振逆变器的输出电流为方波，负载上的电压为接近正弦。只有负载呈现容性时才会在欲关断的晶闸管上施加反压将之关断。提供反压的时间必须大于晶闸管的关断时间，也就是，对于负载而言，容性角必须满足 。相关波形见下图。 * 对于图4-16所示电路，测得uDS波形如图右边，请分析波形出现电压尖峰的原因，并说明消弱电压尖峰的办法。 图4-16习题8 图4-17习题9答：产生电压尖峰的原因是由于在关断时，高的电流变化率在线路的杂散电感上会产生较高的感应电压，这种电压尖峰会威胁管子的工作安全，同时也会造成较大的关断损耗。解决的方法是在开关管的两端接阻容吸收电路，对于大功率的建议接RCD吸收电路，电路见下图。7. 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5次谐波的有效值UUV5。解：输出相电压的瘠基波幅值为：输出相电压的基波有效值：输出线电压的基波幅值：输出线电压的基波有效值：输出线电压的5次谐波有效值：* 若电路及其输出波形如题图4-17所示，请画出开关管上的电压波形。解：这种控制方式叫移相控制，通过控制1、2和2、3管触发脉冲的相位可以控制逆变输出的有效值。14号管压降波形见下图：习题五1. 试说明PWM控制的基本原理。答：PWM（Pulse-Width Modulation）控制就是对触发脉冲的宽度进行调制的技术。即对一系列脉冲的脉冲宽度进行控制来获得所需要的输出波形（包括形状和幅值）。在采样控制理论种有一条重要的结论：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（SPWM）为例。把正弦半波平分为N等份，就可以把它看成N个彼此独立的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相同（都是/N）但幅值不同且顶部是曲线。如果将上述脉冲用数量相同、幅值相等的不等宽的矩形脉冲代替，使每个小矩形的面积和对应的正弦波面积相等（即冲量相等），就得到了PWM波形。各个脉冲的幅值相等而宽度按照正弦规律变化，根据面积等效原理，这种PWM波形和原正弦波形是等效的。2. PWM逆变器有哪些优点？其开关频率的高低有什么利弊？答：优点：1 PWM调制可以极大地消弱逆变器的输出谐波，使逆变器输出用户需要的波形（形状和幅值），而消弱用户不需要的谐波。2 PWM逆变器具有非常好的动态响应速度。普通逆变器的控制速度是周波控制级，而PWM是载波控制级，所以目前几乎所有的逆变器都是采用PWM控制策略。3 PWM控制使逆变器的控制策略更加灵活多样，使逆变器的性能得到很大的提升。4 PWM逆变器的整流电路可以采用二极管，使电网侧的功率因数得到提高。5 只用一级可控的功率环节，电路结构较简单。 开关频率高则输出谐波更小、响应速度更快，但是电力电子器件的开关损耗增加、整机效率下降，带来较强的高频电磁干扰；开关频率低则正好相反。一般对于中小容量的逆变器开关频率可适当取高些，大功率逆变器由于高压大功率开关器件的限制，开关频率则相对较低。3. 单极性和双极性PWM控制有什么区别？在三相桥式PWM逆变电路中，输出相电压（输出端相对于中性点的电压）和线电压SPWM波形各有几种电平？答：三角载波在调制信号的正半波或负半波周期里只有单一的极性，所得的PWM波形在半个周期内也只在单极性范围内变化，称为单极性PWM控制方式。 三角载波始终是有正有负为双极性的，所得的PWM波形在半个调制波周期内有正有负。则称之为双极性PWM控制方式。 三相桥式PWM逆变电路中，输出相电压有两种电平：和。线电压SPWM波形有三种电平：，0，。4. 脉宽调制（PWM）技术的制约条件主要表现在哪些方面？答：对于PWM控制来说，高的开关频率可以使性能更好，但是，1 高开关频率的PWM控制要求电力电子器件有高的开关能力，目前大功率器件的容许开关频率普遍偏低。2 高开关频率的PWM控制带来器件高的开关损耗。3 最小脉冲宽度的限制（死区）4高开关频率的PWM控制会给器件带来高的电压、电流应力。 5 电磁干扰问题也是制约PWM技术的一个因素。 5. 在SPWM调制中，何谓同步调制？何谓异步调制？为什么常采用分段同步调制的方法？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，在异步调制方式种，通常保持载波频率fc固定不变，因此当调制波频率fr变化时，载波比N是变化的。载波比N等于常数，并在变频时使载波和调制信号保持同步的方式称为同步调制。异步调制当调制信号频率较低时，一周期内的脉冲个数较多。而当调制信号频率增高时，一周的脉冲个数减小，PWM波形不对称严重，输出波形质量较差。同步调制当调制信号频率较低时，一周期内的脉冲个数现对较少，输出的低次谐波分量较多。而当调制信号频率增高时，如一周内的脉冲个数不变，又会使逆变器的开关频率过高，使器件难以承受。为此可以采用分段同步调制的方法来协调上述2种调制方式，达到取长补短的功效。分段同步调制是把逆变器的输出频率划分为若干频率段，在每个频段里载波比一定，不同频段采用不同的载波比。其主要优点是：在高频段采用较低的载波比，使器件的开关频率不至于过高；而在低频段采用较高的载波比，在器件容许的范围内提高逆变器的输出波形质量。6. 脉宽调制逆变器的基本控制方法有哪些？答：1 正弦脉宽调制SPWM。2 空间矢量脉宽调制SVPWM3 PWM跟踪控制（滞环控制）4 恒频滞环控制* 什么是SPWM波形的规则采样法？和自然采样法相比，规则采样法有和优缺点？答：规则采样法是一种为利用微处理器实时实现PWM波形而生成的一种算法。规则采样法是在自然采样法的基础上得出的。其基本思想是：取三角载波两个正峰值之间为一个采样周期。使每个PWM脉冲的中点和三角波一周期的中点（负峰点）重合，在三角波的负峰时刻对正弦信号波采样而得到正弦波的值，用幅值和该正弦波值相等的一条水平直线近似代替正弦波信号，用该直线与三角波的交点代替正弦波与载波的交点，即可得出控制器件通断的时刻。比起自然采样法，规则采样法的计算比较简单，使微处理器的计算量大大减少，而其生成波形的效果接近自然采样法，得到的SPWM波形仍然很接近正弦波。这种算法使实时计算PWM触发在微处理器上实现成为可能，应用非常广泛。* 单相和三相SPWM波形中，所含主要谐波的频率是多少？ 答：单相SPWM波形中，主要含的谐波频率为：，其中上述谐波中，幅值最大的是角频率为的谐波分量。三相SPWM波形中，所含主要谐波的频率是：，其中在上述谐波中，幅值最大的是角频率为和的谐波分量。7. 简要说明空间矢量PWM控制的基本原理及特点。答：空间矢量是按照电压所加绕组的空间位置来定义的。静止不动的电机定子三相绕组的轴线在空间互差120，三相互差120电角度的定子相电压UAO、UBO、UCO分别加在三相绕组上将会产生一个合成空间矢量uS，该空间矢量是一个幅值不变的、以角频率1旋转的空间矢量。三相PWM逆变器的三相输出电压和三相平衡正弦电压有所不同，它的6个功率开关器件只能产生有限的、离散的空间电压合成矢量。对于正常工作的三相电压型逆变器，在任意时刻一定有处于不同桥臂的三个器件同时导通，而相应桥臂的另3个功率器件则处于关断状态。整个三相逆变器有8种开关状态，其中六个工作状态有输出电压，二个工作状态输出为0。六个工作状态对应的输出电压空间矢量在空间形成一个正六边形，二个0矢量形成六边形的中心点，如果把逆变器的一个工作周期用6个电压空间矢量分成6个扇区，则每个扇区对应的时间各为/3。随着逆变器工作状态的不断切换，逆变器的输出电压矢量将在6个空间矢量之间来回切换。在六拍逆变器中，一个扇区内仅由一个开关工作状态构成，逆变器输出的空间矢量为6脉动。实现PWM控制的做法就是把每一个扇区再分成若干个对应于开关周期时间Ts的小区间，在每个小区间内，可以用构成该扇区的2个空间矢量按照矢量合成方法来合成需要的空间矢量，以获得优于正六边形的多边形旋转磁场。总结起来，电压空间矢量控制的PWM模式有以下特点：（1）每个小区间均以零电压矢量开始和结束；（2）在每个小区间内虽然有多次开关状态的切换，但每次切换都只牵涉到一个功率开关器件，因而开关损耗小；（3）利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算方便；（4）电机旋转磁场逼近圆形的程度决定于小区间TZ时间的长短，TZ越小，越逼近圆形，但TZ的减小受到所有功率器件允许开关频率的制约；在相同开关频率的条件下，空间矢量PWM要比SPWM的输出谐波小。（5）采用电压空间矢量控制时，逆变器输出线电压基波最大幅值为直流侧电压，这比一般的SPWM逆变器输出电压高15%。 8. 多电平逆变器的优缺点有哪些？答：优点：1 多电平逆变器的电压输出电平数多，输出波形谐波含量小。2 可以利用目前的低压器件完成高压逆变，降低对电力电子元件的耐压要求。3 可以实现电力电子装置的高压、大功率化。缺点：1 结构复杂，需用电力电子器件多。2 控制电路复杂。* 目前多电平逆变器的拓扑结构主要有哪几种？各有什么优缺点？答：目前主要有1 ）二极管嵌位式。电路结构复杂，需用大量嵌位二极管，控制复杂，电路安全可靠性低；2 ）飞跨电容式。电路结构复杂，但是需用大量高压嵌位电容，装置体积较大，电路安全可靠性低；3）级联式。电路结构模块化，装置的扩展容易、控制简洁，但是需用大量独立直流电源，使用器件很多，成本高，电路安全可靠性比前两种高。 习题六1. 什么是高压直流输电？和交流输电系统相比有何优缺点？答：高压直流输电是指将发电厂发出的交流电通过换流器转变为直流电（即整流），然后通过输电线路把直流电输送到受电端，再把直流电转变为交流电供用户使用（即逆变）的输电技术。优点：（1）直流输电架空线路的造价低、损耗小。（2）高压直流输电不存在交流输电的稳定性问题，直流电缆不存在电容电流，因此有利于远距离大容量送电。（3）高压直流输电可以实现额定频率不同的电网互联，用直流输电联网，便于分区调度管理，有利于故障时交流系统间的快速紧急支援和限制事故扩大，系统地短路电流水平也不会由于系统互联而明显升高。（4）采用高压直流输电易于实现地下或海底电缆输电。（5）高压直流输电容易进行潮流控制，并且响应速度快、调节精确、操作方便。（6）高压直流输电工程便于分级分期建设和增容扩建，有利于及早发挥投资效益。缺点：（1）直流输电的换流站比交流变电站设备多，造价高、结构复杂、运行费用高。（2）换流器工作时需要消耗较多的无功，需要进行无功补偿。（3）换流器工作时，在直流侧和交流侧均产生谐波，必须安装滤波设备，使换流站的造价、占地面积和运行费用大幅度提高。（4）直流电流没有电流的过零点，灭弧较难。直流输电利用大地或海水为回路会产生一系列技术性问题。2. 直流输电工程按照直流联络线可分为几类？各有什么优缺点？答：按照直流联络线可分为四类：（1） 单级联络线。在单级系统中一般采用负级运行方式，这样的优点是：直流架空线路受累计的概率以及电晕引起的无线电干扰都比正级运行时少。缺点是如果线路发生故障，则整个输电系统无法运行。（2） 双级联络线。优点是：若一条线路故障而导致一级隔离，另一级可通过大地运行，承担一半的额定负荷，或利用换流器及线路的过载能力，承担更多的负荷。缺点是设备增加，从而产生造价高、结构复杂等问题。（3） 同级联络线。优点是导线通常为负极性，因此由电晕引起的无线电干扰较小。系统采用大地所谓回路，当一条线路发生故障时，换流器可为余下的线路供电。折线导线有一定的过载能力，能承受比正产情况更大的功率。在考虑连续的接地电流是可接受的情况下，同级联络线具有突出的优点。缺点是设备增加，从而产生造价高、结构复杂等问题。同时因为采用大地作为回路，还会引起一系列技术问题。（4） 背靠背直流输电系统。主要用于两个非同步运行的交流系统的联网。优点是因其无直流输电线路，直流损耗较小，所以直流侧电压等级不必很高。直流侧可选用低电压大电流的晶闸管，充分利用其通流能力，同时换流变压器、平波电抗器等也因直流电压降低而造价降低。3. 简单介绍一下直流输电系统的主要结构，各个元件都有什么功能。答：（1）换流器。换流器由阀桥和带载抽头切换其的整流变压器构成。阀桥为高压阀构成的6脉波或12脉波的整流器或逆变器。换流器的任务是完成交直交转换。（2）滤波器。换流器在交流和直流两侧均产生谐波，会导致电容器和附近的电机过热，并且会干扰通信系统。因此，在交流侧和直流侧都装有滤波装置。（3）平波电抗器。平波电抗器电感值很大，在直流输电中有着非常重要的作用：1）降低直流线路中的谐波电压和电流。2）限制直流线路短路期间的峰值电流。3）防止逆变器换相失败。4）防止负荷电流不连续。（4）无功功率源。稳态条件下，换流器所消耗的无功功率是传输功率的50%左右，在在台情况下，无功功率的消耗更大。因此，必须在换流器附近提供无功电源。（5）直流输电线。直流输电线即可以是架空线，也可以是电缆。（6）电极。大多数的直流联络线设计采用大地作为中性导线，与大地相连接的导体（即电极）需要有较大的表面积，以便使电流密度和表面电压梯度较小。（7）交流断路器。为了排除变压器故障和使直流联络线停运，在交流侧装有断路器。4. 为什么目前在绝大多数直流输电工程普遍采用晶闸管阀？答：由于汞弧阀的逆弧、复杂的温度控制、启动需时长等缺点和晶闸管电流额定值已能满足工程要求的原因，所以现代高压直流输电换流阀主要由晶闸管元件串联组成即晶闸管阀。5. 对于目前广泛使用的12脉波换流桥，其交流侧电流和直流母线主要有那些次数的谐波？如果是采用18脉波换流桥呢？答：12脉换流桥交流侧的主要有12k加减1次谐波（k为自然数），如11、13、23。直流侧母线主要有12k次谐波（k为自然数），如12、24、36。如果是采用18脉换流桥，则交流侧主要有18k加减1次谐波（k为自然数），直流侧母线主要有18k次谐波（k为自然数）。6. 高压直流输电的交流滤波器主要有哪几种？各有什么优缺点？答：有调谐滤波器和阻尼滤波器。调谐滤波器分为单