河北工业大学电力电子期末测试.docx

1. 简述现代电力电子器件的特点及发展趋势？电力电子器件又称为功率半导体器件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上，其控制功率范围可以从1W以下到数百MW，甚至GW）。对于电力电子器件而言，它的工作特性应当是：导通状态能流过大电流且导通电压降低，截止状态能承受高电压；开关转换时，开关时间短，开关过程中要能承受足够高的di/dt和dv/dt；能控制器件的开通和关断。电力电子器件的特征：1、电力电子器件直接用于处理电能，处理能力远大于信息类处理功率的能力，可以从毫瓦级到兆瓦级；2、工作在开关状态处理功率大，减少本身的损耗；3、需要信息电子电路控制，中间加驱动放大电路；4、器件损耗大，器件设计和封装方面必须考虑散热，工作时还必须考虑散热器。电力电子器件的发展趋势：主要集中在新材料的应用近年来还出现了很多性能优良的新型化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）、磷化铟（InP）及锗化硅（SiGe）等。由它们作为基础材料制成的电力电子器件正不断涌现。发展方向（1）集成化：高度的集成化能是体积更小，重量更轻，功率密度更高，性能更好（2）智能化：电力传动系统的智能化，使其更具自动调节能力，从而获得更高的性能指标，包括高效率，搞功率因数，宽调速范围，快速准确的动态性能和搞故障容错能力等。（3）通用化：更有效地扩大应用范围，从而降低生产制造成本。（4）信息化：现代信息通讯技术渗透到电力传动系统中，使其不但是转换，传送能量的装置，也成为传递和交换信息的通道。这就扩展了电力传动系统的内涵和外延，大大提高了电力传动系统的效用。与此同时，在电力电子的发展过程中还应该解决其电路理论进展所遇到的问题：对于高电压，大电流的问题关键是要生产出耐高压，能承受大电流的电力电子器件及其串并联技术。电力系统须保证所有用户长期稳定的供电，因此，用以电力系统的电力电子装置的可靠性十分重要。2. 为什么晶闸管相控整流电路的功率因数比较低？提高整流电路网侧功率因数的方法主要有哪些？总功率因数等于相移功率因数与失真功率因数的乘积，通常在总功率因数的定义中，相移功率因数又称为相移因子，失真功率因数又称为畸变因子，因此总功率因数又等于相移因子与畸变因子的乘积。此处定义的总功率因数概念适用于各种类型的负载。对于线性负载，PF失真=1，则PF=DPF=cos，即线性电路的功率因数取决于电压和电流的相位差。对于非线性负载，一般DPF1，则PFPF失真，即非线性电路的功率因数取决于电流波形的谐波含量。无论何种形式的相控整流，它们的输出都是随控制角的增大而脉动加大的脉动直流电压，只是脉动程度不同而已。输出的脉动电压是周期性的非正弦电压，其中高次谐波成分非常丰富，尤其是较低次的谐波幅值比较高，使电源电压产生严重畸变；同时基于相控方式的整流还存在相移功率因数问题。波形畸变和相移两方面的因素，使相控整流电路的功率因数较低。这是应用中必须考虑和注意改善的问题。晶闸管相控整流电路的输入电流滞后于电压，其滞后角随着触发角的增大而增大，位移因数也随之降低。同时输入中谐波分量也相当大，因此功率因数很低综述改善相控整流电路网侧功率因数的措施。具体的方法有：（1）控制熄灭角：保证开关器件在电源电压过零时被激励，通过控制熄灭角改变整流输出电压，原理：补偿电网中的滞后无功。（2）控制对称角：使网侧电流的基波分量总是与电源电压同相。（3）采用脉宽调制技术：既可以提高网侧功率因数，又可以降低或者消除网侧电流中的低次谐波。3. 简述PWM整流电路的原理，以及该电路功率因数高的原因？PWM整流器有以下几种分类方式：按直流储能形式分类：电压型、电流型按电网相数分类：单相电路、三相电路、多相电路按PWM开关调制分类：硬开关调制、软开关调制按桥路结构分类：半桥电路、全桥电路按调制电平分类：二电平电路、三电平电路、多电平电路当整流器进入稳态工作状态后，输出直流电压恒定，整流桥的三相桥臂按正弦的脉宽调制规律驱动。开关频率很高时，由于电感器的滤波作用，高次谐波电压产生的谐波电流非常小，如果只考虑电流和电压的基波，整流桥可行看作是一个理想的三相交流电压源。适当调节操控量的数值和相位，就能操控传入电流的相位，可行达到改变功率因数的目的，其中对操控传入电流的数值以操控传入变换器的能量，也就操控了直流侧电压。可见PWM整流器的操控目标是传入电流和输出电压，而输人电流的操控是整流器操控的关键。传入电流的操控目标是使电流波形成为正弦波且与传入电压同相位。PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路，它能在不同程度上解决传统整流电路存在的问题。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路进行控制，使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，则功率因数近似为1。因此，PWM整流电路也称单位功率因数变流器，或高功率因数整流器。为了抑制电力电子装置产生的谐波，可以对整流器本身进行改进，使其尽量不产生谐波，切电流和电压相位相同。采用PWM整流技术和自关断器件，对电流型整流器，可以对电力电子器件进行PWm调制，使输入电流接近正弦且与电压源电压相同的PWM波形，从而得到接近1的的功率因数。对于电压型整流电路，需要将整流器通过电抗器与电源相连。只要岁升流器的开关器件进行正确的PWM控制，就可以实现对整流器网侧交流电流的大小和相位进行控制，不仅可以实现交流电流接近于正弦，而且可以实现交流电流的相位与电源电压同相，即可实现系统的功率因数接近于1。4.有源功率因数校正（APFC）中电流控制有哪几种方法？各有什么特点？有源功率因数校正（APFC）中电流控制有峰值电流控制，平均电流控制，滞环控制1、峰值电流控制优点：简单易于实现（芯片L6561/6562，ML4812，4819等）缺点：（1）占空比受输出电压和电感电流共同作用，超过50%容易不稳定 （2） 当交流电网电压从零上升到峰值电压时，占空比也由 最大值变至最小值，因此有可能产生高次谐渡振荡。为克服这一缺点，必须在比较器的输人端增加一个斜率补偿（或称斜坡补偿）函数，以便在占空比广泛变化内，电路能稳定工作。（3）电流峰值和平均值之间存在误差，有些条件下还很大，以至于无法满足TH很小的要求（4）电感电流的峰值对噪声变化相当敏感。2、平均电流控制平均电流控制中的电流环有较高的增益带宽，它使跟踪 误差产生的畸变很小，容易实现接近于1的功率因数。同时对噪声不敏感、稳定性高，因而得到了广泛的应用。以平均电流控制原理设计的PFC集成控制器常用的有UC3854，在单相Boost型电路得到了普遍应用。其他平均电流型控制IC有TDA4819，C33368、ML4821等3、滞环控制特点： (1)控制简单、电流动态响应快、具有内在的电流限制能力； (2)开关频率在一个工频周期中不恒定，引起EMI的问题和电流过零点的死区。 (3)负载对开关频率影响很大，滤波器只能接最低频率设计，因此不可能得到体积和重量最小的设计；(4)滞环宽度对开美频率和系统性能影响大，需合理选取。控制IC有CS3810等5. 多电平逆变器从电路拓扑结构划分主要有哪些类型，简述各种类型的特点？多电平逆变器的结构类型有：1、箝位式：包括 二极管箝位式、电容箝位式、混合箝位式、有源箝位式、通用拓扑结构。2、级联式：包括H桥级联式、MMC、混合级联式、开绕组双端供电式级联、3、层叠式3、多重叠加式飞跨电容型多电平逆变电路。箝位式多电平逆变器是由基本逆变单元通过串并联组合而成的一种单一直流电源、半桥式结构形式的多电平逆变器。这一类结构形式的多电平逆变器包括二极管箝位式、飞跨电容箝位式、混合箝位式和有源中点箝位式多电平逆变器。二极管箝位多电平逆变器的特点是采用多个二极管对相应的开关管进行箝位，同时利用不同的开关状态组合得到不同的输出电压电平数。假定输出电压的电平数为m，则直流分压电容的个数为m-1，主功率开关管的串联个数为2(m-1)，箝位二极管的个数为（m-2）(m-1)。这种二极管箝位式五电平逆变器增多了电平数，因而可以使输出电压和输出电流的总谐波含量大大减小。这种电路结构形式的显著优点是利用二极管进行箝位，解决了功率开关管串联均压的问题。但也存在一些缺点：1）为保证每个箝位二极管承受相同的反向电压，箝位二极管的数量将按电平数的二次方快速增加。2）如果采用单一直流电源供电，母线上各个电容的电压很难控制平衡。3）内外管的开关应力不同或者说损耗不平衡。电容箝位型多电平逆变器需要采用多个电容对相应的开关管进行箝位，同时利用不同的开关状态组合得到不同的输出电压电平数。假定输出电压的电平数为m，则直流分压电容的个数为m-1，主功率开关管的串联个数为2(m-1)，箝位电容的个数为(m-1)(m-2)/2。这种电容箝位型五电平逆变器具有以下特点：1）电容箝位多电平逆变器具有大量的冗余相电压开关状态组合。因此与二极管箝位多电平逆变器相比，电容箝位多电平逆变器的电压合成控制和电容平衡控制都更加灵活。2）由于存在大量的箝位电容，运行前电容的预充电问题是比较复杂的。3）需要大量的箝位电容，而且在运行过程中必须严格控制箝位电容电压的平衡。对于电容电压的平衡问题，可以用输出相电压时采用不同的开关组合对电容进行充放电来解决，但因电容太多，控制比较复杂，并要求较高的开关频率，这与大功率高压变频要求的低开关频率相矛盾。有源中点箝位型五电平变换器优缺点 优点：1）相比二极管钳位式五电平逆变器它减少了箝位二极管的数量并且降低了母线电容平衡的控制难度；2）相比电容箝位式的五电平逆变器它减少了电容器的数目，降低了系统的复杂程度；缺点：1）有一个悬浮电容，当悬浮电容的容量较小时，控制其平衡存在一定的问题。混合箝位式多电平逆变器 二极管电容混合箝位式多电平逆变器电路能够比较好地解决单纯二极管箝位式多电平逆变电路的内侧开关管的耐压问题以及直流侧电容电压的平衡问题。电路的特点是，在二极管箝位多电平逆变器的单相电路中，增加了(m-1)(m-2)/2个电容。电容箝位自平衡式多电平逆变器(通用拓扑) 电容箝位自平衡式多电平逆变器是针对逆变器的电容电压具有自平衡功能而定的名称，它属于电容箝位式多电平逆变器的一种改进形式。这种逆变器不需要借助附加的电路来抑制直流侧电容电压的偏移问题，从理论上实现了电容电压的自平衡。优点：1）这种逆变器电路的电能损耗与电容量和开关频率成正比。降低开关频率或加入一些特定的开关状态，可以大大减少损耗，提高效率。2）和一般的二极管箝位和电容箝位电路相比，这种逆变器各级的中点电压都能得到很好的控制。3）对一个m级电平的通用式多电平逆变器，所需的开关器件、开关管数量为m(m-1)；需要的电容数量为m(m-1)/2。4）计算简单，器件应力可以达到最小。5）通用拓扑，易于衍生出新的拓扑结构，具有很高的研究价值。三电平H桥级联式的五电平变频器 优点：1）可以输出6kV，电压等级符合国标要求；2）输出相电压电平数由3增至5，减小谐波；缺点：1）三相悬空，丧失了三电平变频器的变压器和整流器电源简