子電力課後習題答案

第一章 電力電子器件

1.1 使晶閘管導通的條件是什麼？

答：使晶閘管導通的條件是：晶閘管承受正相陽極電壓，并在門極施加觸發電流（脈沖）。或者UAK >0且UGK>0

1.2 維持晶閘管導通的條件是什麼？怎樣才能使晶閘管由導通變為關斷？

答：維持晶閘管導通的條件是使晶閘管的電流大于能保持晶閘管導通的最小電流，即維持電流。

1.3 圖1－43中陰影部分為晶閘管處于通态區間的電流波形，各波形的電流最大值均為Im ，試計算各波形的電流平均值Id1、Id2、Id3與電流有效值I1、I2、I3。

3)多元集成結構使每個GTO元陰極面積很小，門極和陰極間的距離大為縮短，使得P2極區所謂的橫向電阻很小，從而使從門極抽出較大的電流成為可能。

1.6.如何防止電力MOSFET因靜電感應應起的損壞?

答：電力MOSFET的栅極絕緣層很薄弱，容易被擊穿而損壞。MOSFET的輸入電容是低洩漏電容，當栅極開路時極易受靜電幹擾而充上超過±20的擊穿電壓，所以為防止MOSFET因靜電感應而引起的損壞，應注意以下幾點：

①一般在不用時将其三個電極短接；

②裝配時人體、工作台、電烙鐵必須接地，測試時所有儀器外殼必須接地；

③電路中，栅、源極間常并聯齊納二極管以防止電壓過高；

④漏、源極間也要采取緩沖電路等措施吸收過電壓。

1.7.IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET的驅動電路各有什麼特點?

答：IGBT驅動電路的特點是:驅動電路具有較小的輸出電阻，ⅠGBT是電壓驅動型器件，IGBT的驅動多采用專用的混合集成驅動器。

GTR驅動電路的特點是：驅動電路提供的驅動電流有足夠陡的前沿，并有一定的過沖，這樣可加速開通過程，減小開通損耗；關斷時，驅動電路能提供幅值足夠大的反向基極驅動電流，并加反偏截止電壓，以加速關斷速度。

GTO驅動電路的特點是：GTO要求其驅動電路提供的驅動電流的前沿應有足夠的幅值和陡度，且一般需要在整個導通期間施加正門極電流，關斷需施加負門極電流，幅值和陡度要求更高，其驅動電路通常包括開通驅動電路，關斷驅動電路和門極反偏電路三部分。

電力MOSFET驅動電路的特點：要求驅動電路具有較小的輸入電阻，驅動功率小且電路簡單。

1.8.全控型器件的緩沖電路的主要作用是什麼?試分析RCD緩沖電路中各元件的作用。

答：全控型器件緩沖電路的主要作用是抑制器件的内因過電壓，du/dt或過電流和di/dt,，減小器件的開關損耗。

RCD緩沖電路中，各元件的作用是：開通時，Cs經Rs放電，Rs起到限制放電電流的作用；關斷時，負載電流經VDs從Cs分流，使du/dt減小，抑制過電壓。

1.9.試說明IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET各自的優缺點。

解:對ⅠGBT、GTR、GTO和電力MOSFET的優缺點的比較如下表：

1.10什麼是晶閘管的額定電流？

答：晶閘管的額定電流就是它的通态平均電流，國标規定：是晶閘管在環境溫度為40℃和規定的冷卻狀态下，穩定結溫不超過額定結溫所允許的最大工頻正弦半波電流的平均值。

1.11為什麼要限制晶閘管斷電電壓上升律du/dt?

答：正向電壓在阻斷狀态下，反向結J2相當的一個電容加在晶閘管兩端電壓上升率過大，就會有過大的充電電流，此電流流過J3，起到觸發電流的作用，易使晶閘管誤觸發，所以要限制du/dt。

1.12．為什麼要限制晶閘管導通電流上升率di/dt?

答：在晶閘管導通開始時刻，若電流上升過快，會有較大的電流集中在門集附近的小區域内，雖然平均電流沒有超過額定值，但在小的區域内局部過熱而損壞了晶閘管，所以要限制通态di/dt。

1.13電力電子器件工作時産生過電壓的原因及防止措施有哪些？

答：産生原因：

1、由分閘、合閘産生的操作過電壓；

2、雷擊引起的雷擊過電壓；

3、晶閘管或與全控型器件反并聯的續流二極管換相過程中産生的換相電壓。

措施：

壓敏電阻，交流側RC抑制電路，直流側RC控制電路，直流側RC抑制電路，變壓器屏蔽層，避雷器，器件關斷過電壓RC抑制電路。

2. 2圖1為具有變壓器中心抽頭的單相全波可控整流電路,問該變壓器還有直流磁化問題嗎?試說明:

晶閘管承受的最大反向電壓為2

U2;

當負載是電阻或電感時，其輸出電壓和電流的波形與單相全控橋時相同。

答：具有變壓器中心抽頭的單相全波可控整流電路，該變壓器沒有直流磁化問題。因為單相全波可控整流電路變壓器二次側繞組中，在正負半周上下繞組中的電流方向相反，波形對稱，其一個周期内的平均電流為零，故不存在直流磁化的問題。

以下分析晶閘管承受最大反向電壓及輸出電壓和電流波形的情況。

①以晶閘管VT2為例。當VT1導通時，晶閘管VT2通過VT1與2個變壓器二次繞組并聯，所以VT2承受的最大電壓為2

)期間，單相全波電路中VTl導通，單相全控橋電路中VTl、VT4導通，輸出電壓均與電源電壓U2相等；

)期間，單相全波電路中VT2導通，單相全控橋電路中VT2、VT3導通，輸出波形等于-U2。

可見，兩者的輸出電壓相同，加到同樣的負載上時，則輸出電流也相同。

2.3.單相橋式全控整流電路，U2=100V，負載中R=20

，L值極大，當

=

時，要求：

①作出Ud、Id、和I2的波形；

②求整流輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓器二次電流有效值I2；

③考慮安全裕量，确定晶閘管的額定電壓和額定電流。

解：①Ud、Id、和I2的波形如下圖：

②輸出平均電壓Ud、電流Id、變壓器二次電流有效值I2分别為：

Ud=0.9U2cos

=0.9×100×cos

＝77.97（V）

Id＝Ud/R=77.97/2=38.99(A)

I2=Id=38.99(A)

③晶閘管承受的最大反向電壓為：

U2=100

=141.4(V) -

考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為：

UN=(2~3)×141.4=283~424(V)

具體數值可按晶閘管産品系列參數選取。

流過晶閘管的電流有效值為：

IVT=Id/

=27.57(A)

晶閘管的額定電流為：

IN=(1.5~2)×27.57/1.57=26~35(A)

具體數值可按晶閘管産品系列參數選取。

2.4.單相橋式半控整流電路，電阻性負載，畫出整流二極管在一周内承受的電壓波形。

解：注意到二極管的特點:承受電壓為正即導通。因此，二極管承受的電壓不會出現正的部分。在電路中器件均不導通的階段，交流電源電壓由晶閘管平衡。整流二極管在一周内承受的電壓波形如下：

2.5.單相橋式全控整流電路，U2 =100V，負載R=20

，L值極大，反電勢E=60V，當

時，要求：

①作出Ud、Id和I2的波形；；

②求整流輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓器二次側電流有效值I2；

③考慮安全裕量,确定晶閘管的額定電壓和額定電流。

解：①Ud、Id和I2的波形如下圖：

②整流輸出平均電壓Ud、電流Id、變壓器二次測電流有效值I分别為：

Ud=0.9U2cos

=O.9×100×cos

=77.97(V)

Id=(Ud一E)/R=(77.97一60)/2=9(A)

I2=Id=9(A)

③晶閘管承受的最大反向電壓為：

U2=100

=141.4(V)

流過每個晶閘管的電流有效值為：

IVT=Id/

=6.36(A)

故晶閘管的額定電壓為：

UN=(2~3)×141.4=283~424(V)

晶閘管的額定電流為：

IN=(1.5~2)×6.36/1.57=6~8(A)

晶閘管額定電壓和電流的具體敢值可按晶閘管産品系列參數選取。

2.6.晶閘管串聯的單相半控橋(橋中VT1、VT2為晶閘管)，電路如圖2所示，U2=100V電阻電感負載,，R=20，L值很大，當

=求流過器件電流的有效值，并作出Ud、Id、IVT、ID的波形。

解：Ud、Id、IVT、ID的波形如下圖：

負載電壓的平均值為

Ud=

負載電流的平均值為

Id=Ud/R=67.52/2=33.75(A)

流過晶閘管VTl、VT2的電流有效值為

IVT=

19.49(A)

流過二極管VD3、VD4的電流有效值為

IVD=

=27.56(A)

2.7.在三相半波整流電路中，如果a相的觸發脈沖消失，試繪出在電阻性負載和電感性負載下整流電壓Ud的波形。

解：假設

=

，當負載為電阻時，Ud的波形如下：

當負載為電感時，Ud的波形如下：

2.8.三相半波整流電路，可以将整流變壓器的二次繞組分為兩段成為曲折接法，每段的電動勢相同，其分段布置及其矢量如圖所示，此時線圈的繞組增加了一些，銅的用料約增加10%，問變壓器鐵心是否被直流磁化，為什麼?

圖 變壓器二次繞組的曲折接法及其矢量圖

答：變壓器鐵心不會被直流磁化。原因如下：

變壓器二次繞組在一個周期内，當a1c2對應的晶閘管導通時，al的電流向下流，c3的電流向上流；當clb2對應的晶閘管導通時，cl的電流向下流，b2的電流向上流；當bla2對應的晶閘管導通時，bl的電流向下流，a2的電流向上流；就變壓器的一次繞組而言，每一周期中有兩段時間(各為

)有電流流過，流過的電流大小相等而方向相反，故一周期内流過的電流平均值為零，所以變壓器鐵心不會被直流磁化。

2.9.三相半波整流電路的共陰極接法與共陽極接法，a、b兩相的自然換相點是同一點嗎？如果不是，它們在相位上差多少度？

答：三相半波整流電路的共陰極接法與共陽極接法，a、b兩相之間換相的的自然換相點不是同一點。它們在相位上相差

。

2.10.有兩組三相半波可控整流電路，一組是共陰極接法，一組是共陽極接法，如果它們的觸發角都是

，那麼共陰極組的觸發脈沖與共陽極組的觸發脈沖對同一相來說，例如都是a相，在相位上差多少度？

答

12.在三相橋式全控整流電路中，電阻負載，如果有一個晶閘管不能導通，此時的整流電壓Ud波形如何？如果有一個晶閘管被擊穿而短路，其他晶閘管受什麼影響？

答：假設VTl不能導通，整流電壓波形如下：

假設VT1被擊穿而短路，則當晶閘管VT3或VT5導通時，将發生電源相間短路，使得VT3、VT5也可能分别被擊穿。

2.13.三相橋式全控整流電路，U2 =100V，帶電阻電感負載R=50

，L值極大，當

=

時，要求：

①畫出Ud、Id和IVT1的波形

②計算Ud、Id、IdT和IVT

解：①Ud、Id和IVT1的波形如下：

2.16.單相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有哪些次數的諧波？其中幅值最大的是哪一次？變壓器二次側電流中含有哪些次數的諧波？其中主要的是哪兒次？

答：單相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有2K (K=l、2、3…)次諧波，其中幅值最大的是2次諧波。變壓器二次側電流中含有2K l(K=Ⅰ、2,3……)次即奇次諧波，其中主要的有3次、5次諧波。

2.17.三相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有哪些次數的諧波？其中幅值最大的是哪一次？變壓器二次側電流中含有哪些次數的諧波？其中主要的是哪幾次？

答：三相橋式全控整流電路的整流輸出電壓中含有6K(K=l、2、3……)次的諧波，其中幅值最大的是6次諧波。變壓器二次側電流中含有6K l(K=l、2、3……)次的諧波，其中主要的是5、7次諧波。

2.18.試計算第2.3題中I2的3、5、7次諧波分量的有效值I23,I25,I27

解：在第3題中己知電路為單相全控橋，其輸出電流平均值為

Id=38.99 (A)

于是可得：

6．試分别簡述升降壓斬波電路和Cuk斬波電路的基本原理，并比較其異同點。

答：升降壓斬波電路的基本原理：當可控開關V處于通态時，電源E經V向電感L供電使其貯存能量，此時電流為

，方向如圖。3-4中所示。同時，電容C維持輸出電壓基本恒定并向負載R供電。此後，使V關斷，電感L中貯存的能量向負載釋放，電流為i2，方向如圖3-4所示。可見，負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反。

穩态時，一個周期T内電感L兩端電壓

對時間的積分為零，即

當V處于通态期間，

=E：而當V處于斷态期間

。于是：

改變導通比，輸出電壓既可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當0<

<l／2時為降壓，當l／2<

<l時為升壓，因此将該電路稱作升降壓斬波電路。

Cuk斬波電路的基本原理：當V處于通态時，E—

—V回路和R—

-C—V回路分别流過電流。當V處于斷态時，

和R-

-VD回路分别流過電流。輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。該電路的等效電路如圖3-5b所示，相當于開關S在A、B兩點之間交替切換。

假設電容C很大使電容電壓

的脈動足夠小時。當開關S合到B點時，B點電壓

=0，A點電壓

；相反，當S合到A點時，

。因此，B點電

的平均值為

(Uc為電容電壓“c的平均值)，又因電感Ll的電壓平均值為零，所

。另一方面，A點的電壓平均值為

，且

的電壓平均值為零，按圖3—5b中輸出電壓Uo的極性，

。于是可得出輸出電壓Uo與電源電壓E的關系：

兩個電路實現的功能是一緻的，均可方便的實現升降壓斬波。與升降壓斬波電路相比，Cuk斬波電路有一個明顯的優點，其輸入電源電流和輸出負載電流都是連續的，且脈動很小，有利于對輸入、輸出進行濾波。

7．試繪制Speic斬波電路和Zeta斬波電路的原理圖，并推導其輸入輸出關系。

解：Sepic電路的原理圖如下：

當電路工作于穩态時，電感L、L的電壓平均值均為零，則下面的式子成立

8．分析圖3-7a所示的電流可逆斬波電路，并結合圖3-7b的波形，繪制出各個階段電流流通的路徑并标明電流方向。

解：電流可逆斬波電路中，Vl和VDl構成降壓斬波電路，由電源向直流電動機供電，電動機為電動運行，工作于第l象限：V2和

構成升壓斬波電路，把直流電動機的動能轉變為電能反饋到電源，使電動機作再生制動運行，工作于第2象限。

圖3-7b中，各階段器件導通情況及電流路徑等如下：

導通，電源向負載供電：

9.對于圖3-8所示的橋式可逆斬波電路，若需使電動機工作于反轉電動狀态，試分析此時電路的工作情況，并繪制相應的電流流通路徑圖，同時标明電流流向。

解：需使電動機工作于反轉電動狀态時，由V3和VD3構成的降壓斬波電路工作，此時需要V2保持導通，與V3和VD3構成的降壓斬波電路相配合。

當V3導通時，電源向M供電，使其反轉電動，電流路徑如下圖：

當V3關斷時，負載通過VD3續流，電流路徑如下圖：

10．多相多重斬波電路有何優點?

答：多相多重斬波電路因在電源與負載間接入了多個結構相同的基本斬波電路，使得輸入電源電流和輸出負載電流的脈動次數增加、脈動幅度減小，對輸入和輸出電流濾波更容易，濾波電感減小。

此外，多相多重斬波電路還具有備用功能，各斬波單元之間互為備用，總體可靠性提高。

第4章 交流電力控制電路和交交變頻電路

4.1一台調光台燈由單相交流調壓電路供電，設該台燈可看作電阻負載，在

5.2.換流方式各有那兒種？各有什麼特點？

4.3交流調壓電路和交流調功電路有什麼區别？二者各運用于什麼樣的負載？為什麼？

答：:交流調壓電路和交流調功電路的電路形式完全相同，二者的區别在于控制方式不同。

交流調壓電路是在交流電源的每個周期對輸出電壓波形進行控制。而交流調功電路是将負載與交流電源接通幾個波，再斷開幾個周波，通過改變接通周波數與斷開周波數的比值來調節負載所消耗的平均功率。

交流調壓電路廣泛用于燈光控制（如調光台燈和舞台燈光控制）及異步電動機的軟起動，也用于異步電動機調速。在供用電系統中,還常用于對無功功率的連續調節。此外，在高電壓小電流或低電壓大電流直流電源中，也常采用交流調壓電路調節變壓器一次電壓。如采用晶閘管相控整流電路，高電壓小電流可控直流電源就需要很多晶閘管串聯；同樣，低電壓大電流直流電源需要很多晶閘管并聯。這都是十分不合理的。采用交流調壓電路在變壓器一次側調壓，其電壓電流值都不太大也不太小，在變壓器二次側隻要用二極管整流就可以了。這樣的電路體積小、成本低、易于設計制造。

交流調功電路常用于電爐溫度這樣時間常數很大的控制對象。由于控制對象的時間常數大，沒有必要對交流電源的每個周期進行頻繁控制。

4.4. 什麼是TCR，什麼是TSC？它們的基本原理是什麼？各有何特點？

答：TCR是晶閘管控制電抗器。TSC是晶閘管投切電容器。

二者的基本原理如下：

TCR是利用電抗器來吸收電網中的無功功率（或提供感性的無功功率），通過對晶閘管開通角角

的控制，可以連續調節流過電抗器的電流，從而調節TCR從電網中吸收的無功功率的大小。

TSC則是利用晶閘管來控制用于補償無功功率的電容器的投入和切除來向電網提供無功功率(提供容性的無功功率)。

二者的特點是：

TCR隻能提供感性的無功功率，但無功功率的大小是連續的。實際應用中往往配以固定電容器（FC），就可以在從容性到感性的範圍内連續調節無功功率。

TSC提供容性的無功功率，符合大多數無功功率補償的需要。其提供的無功功率不能連續調節但在實用中隻要分組合理，就可以達到比較理想的動态補償效果。

4.5單相交交變頻電路和直流電動機傳動用的反并聯可控整流電路有什麼不同?

答：單相交交變頻電路和直流電動機傳動用的反并聯可控整流電路的電路組成是相同的，均由兩組反并聯的可控整流電路組成。但兩者的功能和工作方式不同。

單相交交變頻電路是将交流電變成不同頻率的交流電，通常用于交流電動機傳動，兩組可控整流電路在輸出交流電壓一個周期裡，交替工作各半個周期，從而輸出交流電。

而直流電動機傳動用的反并聯可控整流電路是将交流電變為直流電，兩組可控整流路中哪丁組工作并沒有像交交變頻電路那樣的固定交替關系，而是由電動機工作狀态的需要決定。

4.6.交交變頻電路的最高輸出頻率是多少?制約輸出頻率提高的因素是什麼?

答：一般來講，構成交交變頻電路的兩組變流電路的脈波數越多，最高輸出頻率就越高。當交交變頻電路中采用常用的6脈波三相橋式整流電路時，最高輸出頻率不應高于電網頻率的1/3~1/2。當電網頻率為50Hz時，交交變頻電路輸出的上限頻率為20Hz左右。

當輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所包含的電網電壓段數減少，波形畸變嚴重，電壓波形畸變和由此引起的電流波形畸變以及電動機的轉矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。

4.7交交變頻電路的主要特點和不足是什麼？其主要用途是什麼？

答：交交變頻電路的主要特點是：

隻用一次變流效率較高；可方便實現四象限工作，低頻輸出時的特性接近正弦波。

交交變頻電路的主要不足是：

接線複雜，如采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用36隻晶閘管；受電網頻率和變流電路脈波數的限制，輸出頻率較低；輸出功率因數較低；輸入電流諧波含量大，頻譜複雜。

主要用途：500千瓦或1000千瓦以下的大功率、低轉速的交流調速電路，如軋機主傳動裝置、鼓風機、球磨機等場合。

4.8.三相交交變頻電路有那兩種接線方式？它們有什麼區别？

答：三相交交變頻電路有公共交流母線進線方式和輸出星形聯結方式兩種接線方式。

兩種方式的主要區别在于：

公共交流母線進線方式中，因為電源進線端公用，所以三組單相交交變頻電路輸出端必須隔離。為此，交流電動機三個繞組必須拆開，共引出六根線。

而在輸出星形聯結方式中，因為電動機中性點和變頻器中中性點在一起；電動機隻引三根線即可，但是因其三組單相交交變頻器的輸出聯在一起，其電源進線必須隔離，因此三組單相交交變頻器要分别用三個變壓器供電。

4.9.在三相交交變頻電路中，采用梯形波輸出控制的好處是什麼？為什麼？

答：在三相交交變頻電路中采用梯形波控制的好處是可以改善輸入功率因數。

因為梯形波的主要諧波成分是三次諧波，在線電壓中，三次諧波相互抵消，結果線電壓仍為正弦波。在這種控制方式中，因為橋式電路能夠較長時間工作在高輸出電壓區域（對應梯形波的平頂區），

角較小，因此輸入功率因數可提高15%左右。

4.10..試述矩陣式變頻電路的基本原理和優缺點。為什麼說這種電路有較好的發展前景？

答：矩陣式變頻電路的基本原理是：

對輸入的單相或三相交流電壓進行斬波控制，使輸出成為正弦交流輸出。

矩陣式變頻電路的主要優點是：輸出電壓為正弦波；輸出頻率不受電網頻率的限制；輸入電流也可控制為正弦波且和電壓同相；功率因數為l，也可控制為需要的功率因數；能量可雙向流動，适用于交流電動機的四象限運行；不通過中間直流環節而直接實現變頻，效率較高。

矩陣式交交變頻電路的主要缺點是：所用的開關器件為18個，電路結構較複雜，成本較高，控制方法還不算成熟；輸出輸入最大電壓比隻有0.866，用于交流電機調速時輸出電壓偏低。

因為矩陣式變頻電路有十分良好的電氣性能，使輸出電壓和輸入電流均為正弦波，輸入功率因數為l，且能量雙向流動，可實現四象限運行；其次，和目前廣泛應用的交直交變頻電路相比，雖然多用了6個開關器件，卻省去直流側大電容，使體積減少，且容易實現集成化和功率模塊化。随着當前器件制造技術的飛速進步和計算機技術的日新月異，矩陣式變頻電路将有很好的發展前景。

第5章 逆變電路

5.l.無源逆變電路和有源逆變電路有何不同？

答：兩種電路的不同主要是：

有源逆變電路的交流側接電網即交流側接有電源。而無源逆變電路的交流側直接和負載聯接。

5.2.換流方式各有那兒種？各有什麼特點？

答：換流方式有4種：

器件換流：利用全控器件的自關斷能力進行換流。全控型器件采用此換流方式。

電網換流：由電網提供換流電壓，隻要把負的電網電壓加在欲換流的器件上即可。

負載換流：由負載提供換流電壓，當負載為電容性負載即負載電流超前于負載電壓時，可實現負載換流。

強迫換流：設置附加換流電路，給欲關斷的晶閘管強追施加反向電壓換流稱為強迫換流。通常是利用附加電容上的能量實現，也稱電容換流。

晶閘管電路不能采用器件換流,根據電路形式的不同采用電網換流、負載換流和強迫換流3種方式。

5.3.什麼是電壓型逆變電路？什麼是電流型逆變電路？二者各有什麼特點？

答：按照逆變電路直流測電源性質分類，直流側是電壓源的稱為逆變電路稱為電壓型逆變電路，直流側是電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路電壓型逆變電路的主要持點是：

①直流側為電壓源或并聯有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現低阻抗。

②由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。

③當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯了反饋二極管。

電流型逆變電路的主要特點是：

①直流側串聯有大電感，相當于電流源。直流側電流基本無脈動，直流回路呈現高阻抗。

②電路中開關器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此交流側輸出電流為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電壓波形和相位則因負載阻抗情況的不同而不同。

③當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流測電惑起緩沖無功能量的作用。因為反饋無功能量時直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開關器件反并聯二極管。

5.4.電壓型逆變電路中反饋二極管的作用是什麼？為什麼電流型逆變電路中沒有反饋二極管？

答：在電壓型逆變電路中，當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯了反饋二極管。當輸出交流電壓和電流的極性相同時，電流經電路中的可控開關器件流通，而當輸出電壓電流極性相反時，由反饋二極管提供電流通道。

在電流型逆變電路中，直流電流極性是一定的，無功能量由直流側電感來緩沖。當需要從交流側向直流側反饋無功能量時，電流并不反向，依然經電路中的可控開關器件流通，因此不需要并聯反饋二極管。

5.5.三相橋式電壓型逆變電路，180º導電方式，Ud=100V 。試求輸出相電壓的基波幅值UUN1m 和有效值UUN1﹑輸出線電壓的基波幅值UUV1m和有效值 UUV1﹑輸出線電壓中5次諧波的有效值UUV5 。

解：

5.6.并聯諧振式逆變電路利用負載電壓進行換相，為保證換相應滿足什麼條件？

答：假設在t時刻觸發VT2、VT3使其導通，負載電壓u。就通過VT2、VT3施加在VTl、VT4上，使其承受反向電壓關斷，電流從VTl、VT4向VT2、VT3轉移，觸發VT2、VT3時刻必須在u。過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。

5.7.串聯二極管式電流型逆變電路中，二極管的作用是什麼？試分析換流過程。

答：二極管的主要作用，一是為換流電容器充電提供通道，并使換流電容的電壓能夠得以保持，為晶閘管換流做好準備；二是使換流電容的電壓能夠施加到換流過程中剛剛關斷的晶閘管上，使晶閘管在關斷之後能夠承受一定時間的反向電壓，确保晶閘管可靠關斷，從而确保晶閘管換流成功。

以VTl和VT3之間的換流為例，串聯二極管式電流型逆變電路的換流過程可簡述如下：

給VT3施加觸發脈沖，由于換流電容C13電壓的作用，使VT3導通而VTl被施以反向電壓而關斷。直流電流Id從VTl換到VT3上，C13通過VDl、U相負載、W相負載、VD2、VT2、直流電源和VT3放電，如圖5-16b所示。因放電電流恒為Id，故稱恒流放電階段。在C13電壓Uc13下降到零之前，VTl一直承受反壓，隻要反壓時間大于晶閘管關斷時間tq，就能保證可靠關斷。

Uc13降到零之後在U相負載電感的作用下，開始對C13反向充電。如忽略負載沖電阻的壓降，則在Uc13=0時刻後，二極管VD3受到正向偏置而導通，開始流過電流，兩個二極管同時導通，進入二極管換流階段，如圖5-16c所示。随着C13充電電壓不斷增高，充電電流逐漸減小，到某一時刻充電電流減到零，VDl承受反壓而關斷，二極管換流階段結束。之後，進入VT2、VT3穩定導通階段，電流路徑如圖5-16d所示。

5.8..逆變電路多重化的目的是什麼？如何實現？串聯多重和并聯多重逆變電路備用于什麼場合？

答：逆變電路多重化的目的之一是使總體上裝置的功率等級提高，二是可以改善輸出電壓的波形。因為無論是電壓型逆變電路輸出的矩形電壓波，還是電流型逆變電路輸出的矩形電流波，都含有較多諧波，對負載有不利影響，采用多重逆變電路，可以把幾個矩形波組合起來獲得接近正弦波的波形。

逆變電路多重化就是把若幹個逆變電路的輸出按一定的相位差組合起來，使它們所含的某些主要諧波分量相互抵消，就可以得到較為接近正弦波的波形。組合方式有串聯多重和并聯多重兩種方式。串聯多重是把幾個逆變電路的輸出串聯起來，并聯多重是把幾個逆變電路的輸出并聯起來。

串聯多重逆變電路多用于電壓型逆變電路的多重化。

并聯多重逆變電路多用于電流型逆變電路的多重化。

第6章 PWM控制技術

6. l.試說明PWM控制的基本原理。

答：PWM控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調制來等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。

在采樣控制理論中有一條重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性 環節上時，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積。效果基本相同是指環節的輸出響應波形基本相同。上述原理稱為面積等效原理。

以正弦PWM控制為例。把正弦半波分成N等分，就可把其看成是N個彼此相連的脈 沖列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于

/N，但幅值不等且脈沖頂部不是水平直線而是曲線，各脈沖幅值按正弦規律變化。如果把上述脈沖列利用相同數量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積(沖量)相等，就得到PWM波形。各PWM脈沖的幅值相等而寬度是按正弦規律變化的。根據面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。可見，所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。

6.4特定諧波消去法的基本原理是什麼？設半個信号波周期内有10個開關時刻(不含0和p時刻)可以控制，可以消去的諧波有幾種？

答：首先盡量使波形具有對稱性，為消去偶次諧波，應使波形正負兩個半周期對稱，為消去諧波中的餘弦項，使波形在正半周期前後1/4周期以

/2為軸線對稱。

考慮到上述對稱性，半周期内有5個開關時刻可以控制。利用其中的l個自由度控制 基波的大小，剩餘的4個自由度可用于消除4種頻率的諧波。

6.5.什麼是異步調制？什麼是同步調制？兩者各有何特點？分段同步調制有什麼優點？

答：載波信号和調制信号不保持同步的調制方式稱為異步調制。在異步調制方式中，通常保持載波頻率fc固定不變，因而當信号波頻率fr變化時，載波比N是變化的。

異步調制的主要特點是：

在信号波的半個周期内，PWM波的脈沖個數不固定，相位也不固定，正負半周期的 脈沖不對稱，半周期内前後1/4周期的脈沖也不對稱。

這樣，當信号波頻率較低時，載波比較大，一周期内的脈沖數較多，正負半周期脈沖不對稱和半周期内前後1/4周期脈沖不對稱産生的不利影響都較小，PWM波形接近正弦波。

而當信号波頻率增高時，載波比N減小，一周期内的脈沖數減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大，有時信号波的微小變化還會産生PWM脈沖的跳動。這就使得輸出PWM波和正弦波的差異變大。對于三相PWM型逆變電路來說，三相輸出的對稱性也變差。

載波比N等于常數，并在變頻時使載波和信号波保持同步的方式稱為同步調制。

同步調制的主要特點是：

在同步調制方式中，信号波頻率變化時載波比N不變，信号波一個周期内輸出的脈沖 數是固定的，脈沖相位也是固定的。

當逆變電路輸出頻率很低時，同步調制時的載波頻率fc也很低。fc過低時由調制帶來 的諧波不易濾除。當負載為電動機時也會帶來較大的轉矩脈動和噪聲。

當逆變電路輸出頻率很高時，同步調制時的載波頻率fc會過高，使開關器件難以承受。

此外，同步調制方式比異步調制方式複雜一些。

分段同步調制是把逆變電路的輸出頻率劃分為若幹段，每個頻段的載波比一定，不同 頻段采用不同的載波比。其優點主要是，在高頻段采用較低的載波比，使載波頻率不緻過 高，可限制在功率器件允許的範圍内。而在低頻段采用較高的載波比，以使載波頻率不緻 過低而對負載産生不利影響。

6.6什麼是SPWM波形的規則化采樣法？和自然采樣法比規則采樣法有什麼優點？

答：規則采樣法是一種在采用微機實現時實用的PWM波形生成方法。規則采樣法是在自然采樣法的基礎上得出的。規則采樣法的基本思路是：取三角波載波兩個正峰值之間為一個采樣周期。使每個PWM脈沖的中點和三角波一周期的中點(即負峰點)重合，在三角波的負峰時刻對正弦信号波采樣而得到正弦波的值，用幅值與該正弦波值相等的一條水平直線近似代替正弦信号波，用該直線與三角波載波的交點代替正弦波與載波的交點，即可得出控制功率開關器件通斷的時刻。

比起自然采樣法，規則采樣法的計算非常簡單，計算量大大減少，而效果接近自然采樣法，得到的SPWM波形仍然很接近正弦波，克服了自然采樣法難以在實時控制中在線計算，在工程中實際應用不多的缺點。

6.7如何提高PWM逆變電路的直流電壓利用率?

答：采用梯形波控制方式即用梯形波作為調制信号，可以有效地提高直流電壓的利用率。

對于三相PWM逆變電路，還可以采用線電壓控制方式即在相電壓調制信号中疊加3的倍數次諧波及直流分量等，同樣可以有效地提高直流電壓利用率。

6.8.什麼是電流跟蹤型PWM變流電路？采用滞環比較方式的電流跟蹤型變流器有何特點？

答：電流跟蹤型PWM變流電路就是對變流電路采用電流跟蹤控制。也就是不用信号波對載波進行調制，而是把希望輸出的電流作為指令信号，把實際電流作為反饋信号，通過二者的瞬時值比較來決定逆變電路各功率器件的通斷，使實際的輸出跟蹤電流的變化。

采用滞環比較方式的電流跟蹤型變流器的特點：

①硬件電路簡單；

②屬于實時控制方式，電流響應快；

③不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波分量；

④與計算法和調制法相比，相同開關頻率時輸出電流中高次諧波含量較多；

⑤采用閉環控制。

6.9.什麼是PWM整流電路？它和相控整流電路的工作原理和性能有何不同？

答：PWM整流電路就是采用PWM控制的整流電路，通過對PWM整流電路的适當控制，可以使其輸入電流十分接近正弦波且和輸入電壓同相位，功率因數接近l。

相控整流電路是對晶閘管的開通起始角進行控制，屬于相控方式。其交流輸入電流中含有較大的諧波分量，且交流輸入電流相位滞後于電壓，總的功率因數低。

PWM整流電路采用SPWM控制技術為斬控方式。其基本工作方式為整流，此時輸 入電流可以和電壓同相位，功率因數近似為l。

PWM整流電路可以實現能量正反兩個方向的流動，既可以運行在整流狀态，從交流側向直流側輸送能量；也可以運行在逆變狀态，從直流側向交流側輸送能量。而且這兩種方式都可以在單位功率因數下運行。

此外，還可以使交流電流超前電壓

，交流電源送出無功功率，成為靜止無功功率發生器。或使電流比電壓超前或滞後任一角度

。

6.10在PWM整流電路中，什麼是間接電流控制？什麼是直接電流控制？

答：在PWM整流電路中，間接電流控制是按照電源電壓、電源阻抗電壓及PWM整流器輸入端電壓的相量關系來進行控制，使輸入電流獲得預期的幅值和相位，由于不需要引入交流電流反饋，因此稱為間接電流控制。

直接電流控制中，首先求得交流輸入電流指令值，再引入交流電流反饋，經過比較進行跟蹤控制，使輸入電流跟蹤指令值變化。因為引入了交流電流反饋而稱為直接電流控制。

第7章 軟開關技術

1．高頻化的意義是什麼?為什麼提高開關頻率可以減小濾波器的體積和重量?為什麼提高關頻率可以減小變壓器的體積和重量?

答：高頻化可以減小濾波器的參數，并使變壓器小型化，從而有效的降低裝置的體積和重量。使裝置小型化，輕量化是高頻化的意義所在。提高開關頻率，周期變短，可使濾除開關頻率中諧波的電感和電容的參數變小，從而減輕了濾波器的體積和重量；對于變壓器來說，當輸入電壓為正弦波時，

，當頻率

提高時，可減小N、S參數值，從而減小了變壓器的體積和重量。

2．軟開關電路可以分為哪幾類?其典型拓撲分别是什麼樣子的?各有什麼特點?

答：根據電路中主要的開關元件開通及關斷時的電壓電流狀态．可将軟開關電路分為零電壓電路和零電流電路兩大類：根據軟開關技術發展的曆程可将軟開關電路分為準諧振電路，零開關PWM電路和零轉換PWM電路。

準諧振電路：準諧振電路中電壓或電流的波形為正弦波，電路結構比較簡單，但諧振電壓或諧振電流很大，對器件要求高，隻能采用脈沖頻率調制控制方式。

零電壓開關準諧振電路的基本開關單元 零電流開關準諧振電路的基本開關單元

零開關PWM電路：這類電路中引入輔助開關來控制諧振的開始時刻，使諧振僅發生于開關過程前後，此電路的電壓和電流基本上是方波，開關承受的電壓明顯降低，電路可以采用開關頻率固定的PWM控制方式。

本開關單元 零電流開關PWM電路的基本開關單元

零轉換PWM電路：這類軟開關電路還是采用輔助開關控制諧振的開始時刻，所不同的是，諧振電路是與主開關并聯的，輸入電壓和負載電流對電路的諧振過程的影響很小，電路在很寬的輸入電壓範圍内并從零負載到滿負載都能工作在軟開關狀态，無功率的交換玻消減到最小。

零電壓轉換PWM電路的基本開關單元 零電流轉換PWM電路的基本開關單元

3．在移相全橋零電壓開關PWM電路中，如果沒有諧振電感L，電路的工作狀态将發生哪些變化，哪些開關仍是軟開關，哪些開關将成為硬開關?

答：如果沒有諧振電感Lr，電路中的電容

，

與電感L仍可構成諧振電路，而電容Cs3，Cs4将無法與Lr構成諧振回路，這樣，S3、S4将變為硬開關，

、

仍為軟開關。

4．在零電壓轉換PWM電路中，輔助開關Sl和二極管VDI是軟開關還是硬開關，為什麼?

答：在

開通時，

不等于零；在

關斷時，其上電流也不為零，因此

為硬開關。由于電感L的存在

開通時的電流上升率受到限制，降低了

的開通損耗。由于電感L的存在，使

的電流逐步下降到零，自然關斷，因此

為軟開關。

第8章 組合變流電路

1．什麼是組合變流電路?

答：組合變流電路是将某幾種基本的變流電路(AC／DC、DC／DC、AC／AC、DC／DC)組合起來，以實現一定新功能的變流電路。

2．試闡明圖8—1間接交流變流電路的工作原理，并說明該電路有何局限性。

答：間接交流變流電路是先将交流電整流為直流電，在将直流電逆變為交流電，圖8.1所示的是不能再生反饋電力的電壓型間接交流變流電路。該電路中整流部分采用的是不可控整流，它和電容器之間的直流電壓和直流電流極性不變，隻能由電源向直流電路輸送功率，而不能由直流電路向電源反饋電力，這是它的一個局限。圖中逆變電路的能量是可以雙向流動的，若負載能量反饋到中間直流電路，導緻電容電壓升高。由于該能量無法反饋回交流電源。故電容隻能承擔少量的反饋能量，這是它的另一個局限。

3．試分析圖8.2間接交流變流電路的工作原理，并說明其局限性。

答：圖8—2是帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路，它是在圖8一l的基礎上，在中間直流電容兩端并聯一個由電力晶體管Vo和能耗電阻‰組成的泵升電壓限制電路。當泵升電壓超過一定數值時，使Vo導通，把從負載反饋的能量消耗在Ro上。其局限性是當負載為交流電動機，并且要求電動機頻繁快速加減速時，電路中消耗的能量較多，能耗電阻R0也需要較大功率，反饋的能量都消耗在電阻上，不能得到利用。

4．試說明圖8.3間接交流變流電路是如何實現負載能量回饋的。

答：圖8—3為利用可控變流器實現再生反饋的電壓型間接交流變流電路，它增加了一套變流電路，使其工作于有源逆變狀态。當負載回饋能量時，中間直流電壓上升，使不可控整流電路停止工作，可控變流器工作于有源逆變狀态，中間直流電壓極性不變，而電流反向，通過可控變流器将電能反饋回電網。

5．何為雙PWM電路?其優點是什麼?

答：雙PWM電路中，整流電路和逆變電路都采用PWM控制，可以使電路的輸入輸出電流均為正弦波，輸入功率因數高，中間直流電路的電壓可調。當負載為電動機時，可工作在電動運行狀态，也可工作在再生制動狀态；通過改變輸出交流電壓的相序可使電動機正轉或反轉，因此，可實現電動機四象限運行。

6．什麼是變頻調速系統的恒壓頻比控制?

答：即對變頻器的電壓和頻率的比率進行控制，使該比率保持恒定。這樣可維持電動機氣隙磁通為額定值，使電動機不會因為頻率變化而導緻磁飽和和造成勵磁電流增大，引起功率因數和效率的降低。

7．何為UPS ? 試說明圖8.11所示UPS系統的工作原理。

答：UPS是指當交流輸入電源發生異常或斷電時，還能繼續向負載供電，并能保證供電質量，使負載供電不受影響的裝置，即不間斷電源。圖8—11為用柴油發電機作為後備電源的UPS，其工作原理為：一旦市電停電，則蓄電池投入工作，同時起動油機，由油機代替市電向整流器供電，整流後再通過逆變器逆變為50Hz恒頻恒壓的交流電向負載供電，市電恢複正常後，再重新由市電供電。因為蓄電池隻作為市電與油機之間的過渡，柴油發電機作為後備電源，所以此系統可保證長時間不問斷供電。

8．試分析正激電路和反激電路中的開關和整流二極管在工作時承受的最大電壓。

解：正激電路和反激電路中的開關和整流二極管在工作時承受最大電壓的情況如下表所示：

9．試分析全橋、半橋和推挽電路中的開關和整流二極管在工作中承受的最大電壓，最大電流和平均電流。

答：以下分析均以采用橋式整流電路為例。

①全橋電路

②半橋電路

③推挽電路 (變壓器原邊總匝數為2N1)

10．全橋和半橋電路對驅動電路有什麼要求?

答：全橋電路需要四組驅動電路，由于有兩個管子的發射極連在一起，可共用一個電源所以隻需要三組電源；半橋電路需要兩組驅動電路，兩組電源。

11．試分析全橋整流電路和全波整流電路中二極管承受的最大電壓，最大電流和平均電流。

解：兩種電路中二極管承受最大電壓：電流及平均電流的情況如下表所示：

12．一台輸出電壓為5V、輸出電流為20A的開關電源：

①如果用全橋整流電路，并采用快恢複二極管，其整流電路中二極管的總損耗是多少?

②如果采用全波整流電路，采用快恢複二極管、肖特基二極管整流電路中二極管的總損耗是多少？如果采用同步整流電路，整流元件的總損耗是多少?

注：在計算中忽略開關損耗，典型元件參數見下表。

解：①、總損耗為：

②采用全波整流電路時：

采用快恢複二極管時總損耗為：

采用肖特基二極管時總損耗為：

采用同步整流電路時，總損耗為：

同步整流電路時，總損耗為：

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