哈工大学电力电子习题集4.pdf

电力电子技术第23讲电力电子技术第23讲 3 直流 交流变换器 7 3 直流 交流变换器 7 哈尔滨工业大学远程教育 文件 电力电子技术23 2电力电子技术 直流 交流变换器 7 哈尔滨工业大学远程教育 本讲是的习题课 讲解第4章所布置的习题 第4章 习题 1 第1部分 填空题 1 把直流电变成交流电的电路称为把直流电变成交流电的电路称为逆变电路逆变电路 当交流侧有电源时称为 当交流侧有电源时称为有有 源逆变源逆变 当交流侧无电源时称为 当交流侧无电源时称为无源逆变无源逆变 2 电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流 从大的方面 换 流可以分为两类 即外部换流和 电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流 从大的方面 换 流可以分为两类 即外部换流和内部换流内部换流 进一步划分 前者又包括 进一步划分 前者又包括电网换电网换 流和负载换流流和负载换流两种换流方式 后者包括两种换流方式 后者包括器件换流和强迫换流器件换流和强迫换流两种换流方式 适用于全控型器件的换流方式是 两种换流方式 适用于全控型器件的换流方式是器件换流器件换流 3 逆变电路可以根据直流侧电源性质不同分类 当直流侧是电压源时 称此电路为 逆变电路可以根据直流侧电源性质不同分类 当直流侧是电压源时 称此电路为电压源型逆变电路电压源型逆变电路 当直流侧为电流源时 称此电路为 当直流侧为电流源时 称此电路为电流源电流源 型逆变电路型逆变电路 4 半桥逆变电路输出交流电压的幅值半桥逆变电路输出交流电压的幅值Um为为1 2Ud 全桥逆变电路输出交 流电压的幅值 全桥逆变电路输出交 流电压的幅值Um为为Ud 5 单相全桥方波型逆变电路 单相全桥方波型逆变电路 180度导电角的控制方式下 改变输出交 流电压的有效值只能通过改变 度导电角的控制方式下 改变输出交 流电压的有效值只能通过改变直流电压直流电压Ud来实现 改变来实现 改变两组开关切换频率两组开关切换频率 可改变输出交流电频率 为防止同一桥臂的上下两个开关器件同时导通而引 起直流侧电源短路 在开关控制上应采取 可改变输出交流电频率 为防止同一桥臂的上下两个开关器件同时导通而引 起直流侧电源短路 在开关控制上应采取先断后通先断后通的措施 的措施 哈尔滨工业大学远程教育 文件 电力电子技术23 3电力电子技术 直流 交流变换器 7 哈尔滨工业大学远程教育 6 三相电压型逆变电路中 三相电压型逆变电路中 180度导电角的控制方式下 每个桥臂的 导电角度为 度导电角的控制方式下 每个桥臂的 导电角度为180 各相开始导电的角度依次相差 各相开始导电的角度依次相差120 在任一时刻 有 在任一时刻 有3 个桥臂导通 个桥臂导通 7 电压型逆变电路一般采用电压型逆变电路一般采用全控型全控型器件 换流方式为器件 换流方式为器件换流器件换流 电流 型逆变电路中 较多采用 电流 型逆变电路中 较多采用半控型半控型器件 换流方式有的采用器件 换流方式有的采用强迫换流强迫换流 有 的采用 有 的采用负载换流负载换流 8 三相电流型逆变电路的基本工作方式是三相电流型逆变电路的基本工作方式是120度导电方式 按度导电方式 按VT1到到 VT6的顺序每隔的顺序每隔60 依次导通 各桥臂之间换流采用依次导通 各桥臂之间换流采用 横向横向换流方式 在任 一时刻 有 换流方式 在任 一时刻 有3个桥臂导通 个桥臂导通 哈尔滨工业大学远程教育 文件 电力电子技术23 4电力电子技术 直流 交流变换器 7 哈尔滨工业大学远程教育 第4章 习题 1 第2部分 简答题 1 画出逆变电路的基本原理图并阐述其原理 略 画出逆变电路的基本原理图并阐述其原理 略 2 无源逆变电路和有源逆变电路有何不同 答 有源逆变电路交流侧接有电源 无源逆变电路交流侧直接与负载 连接 无源逆变电路和有源逆变电路有何不同 答 有源逆变电路交流侧接有电源 无源逆变电路交流侧直接与负载 连接 3 换流方式各有那几种 各有什么特点 答 共有四种换流方式 器件换流 利用全控型器件的自关断能力姓行换流 电网换流 由电网提供换流电压不需要器件具有门极可关断能力 负载换流 由负载提供换流电压 强迫换流 设置附加的换流电路 给欲关断的晶闸管强迫施加反向 电压或反向电流的换流方式称为强迫换流 换流方式各有那几种 各有什么特点 答 共有四种换流方式 器件换流 利用全控型器件的自关断能力姓行换流 电网换流 由电网提供换流电压不需要器件具有门极可关断能力 负载换流 由负载提供换流电压 强迫换流 设置附加的换流电路 给欲关断的晶闸管强迫施加反向 电压或反向电流的换流方式称为强迫换流 哈尔滨工业大学远程教育 文件 电力电子技术23 5电力电子技术 直流 交流变换器 7 哈尔滨工业大学远程教育 4 什么是电压型逆变电路 什么是电流型逆变电路 二者各有什么特点 答 直流侧是电压源的称为电压型逆变电路 直流侧是电流源的称为电流 型逆变电路 电压型逆变电路特点 直流侧为电压源或并联有大电容 相当于电压源 直流侧电压基本无脉 动 直流回路呈现低阻抗 由于直流电压源的钳位作用 交流侧输出电压波形为矩形波 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率 直流侧电容起缓冲无功能量 的作用 为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道 逆变桥各臂都 并联了反馈二极管 电流型逆变电路特点 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 路呈现高阻抗 电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径 因此交流侧输出 电流为矩形波 并且与负载阻抗角无关 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率 直流侧电感起缓冲无功能量 的作用 因为反馈无功能量时直流电流并不反向 因此不必像电压型逆变 电路那样要给开关器件反并联二极管 什么是电压型逆变电路 什么是电流型逆变电路 二者各有什么特点 答 直流侧是电压源的称为电压型逆变电路 直流侧是电流源的称为电流 型逆变电路 电压型逆变电路特点 直流侧为电压源或并联有大电容 相当于电压源 直流侧电压基本无脉 动 直流回路呈现低阻抗 由于直流电压源的钳位作用 交流侧输出电压波形为矩形波 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率 直流侧电容起缓冲无功能量 的作用 为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道 逆变桥各臂都 并联了反馈二极管 电流型逆变电路特点 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 路呈现高阻抗 电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径 因此交流侧输出 电流为矩形波 并且与负载阻抗角无关 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率 直流侧电感起缓冲无功能量 的作用 因为反馈无功能量时直流电流并不反向 因此不必像电压型逆变 电路那样要给开关器件反并联二极管 哈尔滨工业大学远程教育 文件 电力电子技术23 6电力电子技术 直流 交流变换器 7 哈尔滨工业大学远程教育 5 电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么 为什么电流型逆变电路中 没有反馈二极管 答 电压型逆变电路中反馈二极管是为了给交流侧向直流侧反馈的无功能 量提供通道 电流型逆变电路中反馈无功能量时直流电流并不反向 因此 不并联二极管 电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么 为什么电流型逆变电路中 没有反馈二极管 答 电压型逆变电路中反馈二极管是为了给交流侧向直流侧反馈的无功能 量提供通道 电流型逆变电路中反馈无功能量时直流电流并不反向 因此 不并联二极管 1 如题图如题图4 1所示为一个三相桥式电压型逆变电路 所示为一个三相桥式电压型逆变电路 题图题图4 1 当该电路采用输出为方波的当该电路采用输出为方波的180 导电方式时 试画出 导电方式时 试画出V1 V6驱动 信号的波形以及 驱动 信号的波形以及UUN UUV的波形 的波形 第4章 习题 1 第2部分 画图题 哈尔滨工业大学远程教育 文件 电力电子技术23 7电力电子技术 直流 交流变换器 7 哈尔滨工业大学远程教育 uGE1 t 0 uGE5 t0 uGE3 t 0 uGE4 uGE6 uGE2 uUN t0 Ud 2 Ud 2 uVN 0 Ud 2 Ud 2 0 Ud Ud uUV 哈尔滨工业大学远程教育 文件 电力电子技术23 8电力电子技术 直流 交流变换器 7 哈尔滨工业大学远程教育 第4章 习题 2 第1部分 填空题 1 PWM控制的理论基础是控制的理论基础是面积等效面积等效 原理 即原理 即冲量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 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 2 根据根据 面积等效原理面积等效原理 SPWM控制用一组控制用一组等幅不等宽等幅不等宽的脉冲 宽度按的脉冲 宽度按正弦正弦 规律变化 来等效一个正弦波 规律变化 来等效一个正弦波 3 PWM控制就是对脉冲的控制就是对脉冲的宽度宽度进行调制的技术 直流斩波电路得到的进行调制的技术 直流斩波电路得到的PWM 波是等效波是等效直流直流波形 波形 SPWM控制得到的是等效控制得到的是等效正弦正弦波形 波形 4 PWM波形只在单个极性范围内变化的控制方式称波形只在单个极性范围内变化的控制方式称单极性单极性控制方式 控制方式 PWM 波形在正负极性间变化的控制方式称波形在正负极性间变化的控制方式称双极性双极性控制方式 三相桥式控制方式 三相桥式PWM型逆 变电路采用 型逆 变电路采用双极性双极性控制方式 控制方式 5 SPWM波形的控制方法 改变调制信号波形的控制方法 改变调制信号ur的的幅值幅值可改变基波幅值 改变调 制信号 可改变基波幅值 改变调 制信号 ur的的频率频率可改变基波频率 可改变基波频率 6 得到得到PWM波形的方法一般有两种 即波形的方法一般有两种 即计算法计算法和和调制法调制法 实际中主要采用 实际中主要采用 调制法调制法 7 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况 PWM调制方式可分为调制方式可分为 同步调制同步调制和和异步调制异步调制 一般为综合两种方法的优点 在低频输出时采用 一般为综合两种方法的优点 在低频输出时采用异步异步 调制调制方法 在高频输出时采用方法 在高频输出时采用同步调制同步调制方法 方法 哈尔滨工业大学远程教育 文件 电力电子技术23 9电力电子技术 直流 交流变换器 7 哈尔滨工业大学远程教育 8 在正弦波和三角波的自然交点时刻控制开关器件的通断 这种生成在正弦波和三角波的自然交点时刻控制开关器件的通断 这种生成 SPWM波形的方法称波形的方法称自然采样法自然采样法 实际应用中 采用 实际应用中 采用规则采样法规则采样法来代替上述 方法 在计算量大大减小的情况下得到的效果接近真值 来代替上述 方法 在计算量大大减小的情况下得到的效果接近真值 9 正弦波调制的三相正弦波调制的三相PWM逆变电路 在调制度 为最大值逆变电路 在调制度 为最大值1时 直流电 压利用率为 时 直流电 压利用率为0 866 采用 采用梯形梯形波作为调制信号 可以有效地提高直流电压利 用率 但是会为电路引入 波作为调制信号 可以有效地提高直流电压利 用率 但是会为电路引入低次谐波低次谐波 10 PWM逆变电路多重化联结方式有逆变电路多重化联结方式有变压器方式变压器方式和和电抗器方式电抗器方式 二重化 后 谐波地最低频率在 二重化 后 谐波地最低频率在 2 c附近 附近 11 从电路输出的合成方式来看 多重逆变电路有串联多重和并联多重两 种方式 电压型逆变电路多用 从电路输出的合成方式来看 多重逆变电路有串联多重和并联多重两 种方式 电压型逆变电路多用串联串联多重方式 电流型逆变电路多采用多重方式 电流型逆变电路多采用并联并联多 重方式 多 重方式 12 PWM跟踪控制法有跟踪控制法有滞环比较滞环比较方式 方式 三角波比较三角波比较方式和方式和定时比较定时比较方式 三种方式 三种方式中 高次谐波含量较多的是 方式 三种方式 三种方式中 高次谐波含量较多的是滞环比较滞环比较方式 用于对谐波 和噪声要求严格的场合的是 方式 用于对谐波 和噪声要求严格的场合的是三角波比较三角波比较方式 方式 哈尔滨工业大学远程教育 文件 电力电子技术23 10电力电子技术 直流 交流变换器 7 哈尔滨工业大学远程教育 第4章 习题 2 第2部分 简答题 1 试说明试说明PWM控制的基本原理 略 控制的基本原理 略 2 单极性和双极性单极性和双极性PWM调制有什么区别 三相桥式调制有什么区别 三相桥式PWM型逆变电路中 输 出相电压 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输出端相对于直流电源中点的电压 和线电压和线电压SPWM波形各有几种 电平 答 单极性PWM调制在调制信号的半个周期内载波只在正或负一种极性范围 内变化 双极性PWM调制在调制信号的半个周期内载波是有正有负的 输出 相电压有和两种电平 输出线电压有 0三种电平 波形各有几种 电平 答 单极性PWM调制在调制信号的半个周期内载波只在正或负一种极性范围 内变化 双极性PWM调制在调制信号的半个周期内载波是有正有负的 输出 相电压有和两种电平 输出线电压有 0三种电平 3 试简单比较试简单比较PWM控制中的计算法和调制法的特点 答 如果给出了逆变电路的正弦波输出频率 幅值和半个周期内的脉冲数 PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算山来 按照计算结果控制逆 变电路中备开关器件的通断 就可以得到所需要的PWM波形 这种方法称之 为计算法 可以看出 计算法是很繁琐的 当需要输出的正弦波的频率 幅 值或相位变化时 结果都要变化 与计算法相对应的是调制法 即把希望输出的波形作为调制信号 把接 受调制的信号作为载波 通过信号波的调制得到所期望的PWM波形 这种方 法实现简便 应用最广 控制中的计算法和调制法的特点 答 如果给出了逆变电路的正弦波输出频率 幅值和半个周期内的脉冲数 PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算山来 按照计算结果控制逆 变电路中备开关器件的通断 就可以得到所需要的PWM波形 这种方法称之 为计算法 可以看出 计算法是很繁琐的 当需要输出的正弦波的频率 幅 值或相位变化时 结果都要变化 与计算法相对应的是调制法 即把希望输出的波形作为调制信号 把接 受调制的信号作为载波 通过信号波的调制得到所期望的PWM波形 这种方 法实现简便 应用最广 2 d U 2 d U d U d U 哈尔滨工业大学远程教育 文件 电力电子技术23 11电力电子技术 直流 交流变换器 7 哈尔滨工业大学远程教育 4 试简述线电压控制的定义 目的和两相控制方式的优点 答 线电压控制是对两个线电压进行控制 适当地利用多余的一个自由度 来改善控制性能 目的是使输出的线电压波形中不含低次谐波 同时尽可 能提高直流电压利用率 尽量减少功率器件的开关次数 两相控制方式的优点 在信号波的周期内开关器件不动作 可以使功率器件的开关损耗 减少 最大输出线电压基波幅值为 和相电压控制方法相比 直流电压 利用率提高了15 输出线电压中不含低次谐波 优于梯形波调制方式 试简述线电压控制的定义 目的和两相控制方式的优点 答 线电压控制是对两个线电压进行控制 适当地利用多余的一个自由度 来改善控制性能 目的是使输出的线电压波形中不含低次谐波 同时尽可 能提高直流电压利用率 尽量减少功率器件的开关次数 两相控制方式的优点 在信号波的周期内开关器件不动作 可以使功率器件的开关损耗 减少 最大输出线电压基波幅值为 和相电压控制方法相比 直流电压 利用率提高了15 输出线电压中不含低次谐波 优于梯形波调制方式 5 特定谐波消去法的基本原理是什么 设半个信号波周期内有特定谐波消去法的基本原理是什么 设半个信号波周期内有10个开关时 刻 不含 个开关时 刻 不含0和和 时刻 可以控制 可以消去的谐波有几种 答 这是计算法中一种较有代表性的方法 为了减少谐波并简化控制 应 尽量使波形对称 首先 为消除偶次谐波 应使波形正负两半周期镜对称 其次 为消除谐波中余弦项 应使波形在半周期内前后1 4周期以 2为 轴线对称 满足使波形四分之一周期对称后 再设法消去几种种特定频率 的谐波 如果半个信号波周期内有10个开关时刻 不含0和 时刻 可以控制 则可 以消去9种频率的谐波 时刻 可以控制 可以消去的谐波有几种 答 这是计算法中一种较有代表性的方法 为了减少谐波并简化控制 应 尽量使波形对称 首先 为消除偶次谐波 应使波形正负两半周期镜对称 其次 为消除谐波中余弦项 应使波形在半周期内前后1 4周期以 2为 轴线对称 满足使波形四分之一周期对称后 再设法消去几种种特定频率 的谐波 如果半个信号波周期内有10个开关时刻 不含0和 时刻 可以控制 则可 以消去9种频率的谐波 1 3 1 3 d U 哈尔滨工业大学远程教育 文件 电力电子技术23 12电力电子技术 直流 交流变换器 7 哈尔滨工业大学远程教育 6 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 采用异步 调制方式 希望采用较高的载波频率 以使在信号波频率较高时仍能保持 较大的载波比 载波比N等于常数 使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制 当 逆变电路输出频率很低时同步调制的载波频率也很低 过低时由调制带来 的谐波不易滤除 当逆变电路输出频率很高时 同步调制时的载波频率过 高 使开关器件难以承受 分段同步调制优点 在输出频率高的频段采用较低的载波比 以使载 波频率不致过高 限制在功率开关器件允许的范围内 在输出频率低的频 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 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 采用异步 调制方式 希望采用较高的载波频率 以使在信号波频率较高时仍能保持 较大的载波比 载波比N等于常数 使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制 当 逆变电路输出频率很低时同步调制的载波频率也很低 过低时由调制带来 的谐波不易滤除 当逆变电路输出频率很高时 同步调制时的载波频率过 高 使开关器件难以承受 分段同步调制优点 在输出频率高的频段采用较低的载波比 以使载 波频率不致过高 限制在功率开关器件允许的范围内 在输出频率低的频 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 什么是什么是SPWM波形的规则化采样法 和自然采样法比规则采样法有什么 优点 答 规则采样法是取三角波两个正峰值之间为一个采样周期 使每个脉冲 的中点都以相应的三角波中点为对称 在三角波的负峰值时刻对正弦信号 波采样得到一点 过该点作一水平直线和三角波交与两点 在这两个时刻 控制器件通断 规则采样法生成的 波形的规则化采样法 和自然采样法比规则采样法有什么 优点 答 规则采样法是取三角波两个正峰值之间为一个采样周期 使每个脉冲 的中点都以相应的三角波中点为对称 在三角波的负峰值时刻对正弦信号 波采样得到一点 过该点作一水平直线和三角波交与两点 在这两个时刻 控制器件通断 规则采样法生成的SPWM波形与自然采样法接近 优点是 计算量大大减少 波形与自然采样法接近 优点是 计算量大大减少 哈尔滨工业大学远程教育 文件 电力电子技术23 13电力电子技术 直流 交流变换器 7 哈尔滨工业大学远程教育 8 单相和三相单相和三相SPWM波形中 所含主要谐波频率为多少 答 SPWM波中谐波主要是角频率为 波形中 所含主要谐波频率为多少 答 SPWM波中谐波主要是角频率为 c 2 c及其附近的谐波 很容易滤除 及其附近的谐波 很容易滤除 9 如何提高如何提高PWM逆变电路的直流电压利用率 答 采用梯形波调制方法或线电压控制方法 逆变电路的直流电压利用率 答 采用梯形波调制方法或线电压控制方法 10 什么是电流跟踪型什么是电流跟踪型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 采用三角波比较方式电流跟踪型逆变电路有何特点 答 电流跟踪型PWM变流电路是把希望输出的电流波形作为指令信号 把实 际电流波形作为反馈信号 通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率开 关器件的通断 使实际的输出跟踪指令信号变化 滞环比较方式的电流跟踪型变流器有何特点 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 和计算法及调制法相比 相同开关频率时输出电流中高次谐彼含量较多 属于闭环控制 三角波比较方式电流跟踪型逆变电路有何特点 开关频率固定 等于载波频率 高频滤波器设计方便 为改善输出电压波形 三角波载波常用三相三角波载波 和滞环比较控制方式相比 这种控制方式输出电流所含的谐波少 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 采用三角波比较方式电流跟踪型逆变电路有何特点 答 电流跟踪型PWM变流电路是把希望输出的电流波形作为指令信号 把实 际电流波形作为反馈信号 通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率开 关器件的通断 使实际的输出跟踪指令信号变化 滞环比较方式的电流跟踪型变流器有何特点 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 和计算法及调制法相比 相同开关频率时输出电流中高次谐彼含量较多 属于闭环控制 三角波比较方式电流跟踪型逆变电路有何特点 开关频率固定 等于载波频率 高频滤波器设计方便 为改善输出电压波形 三角波载波常用三相三角波载波 和滞环比较控制方式相比 这种控制方式输出电流所含的谐波少 哈尔滨工业大学远程教育 文件 电力电子技术23 14电力电子技术 直流 交流变换器 7 哈尔滨工业大学远程教育 11 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是为了减少输出电压矩形波中所含的谐波 使之 成为接近正弦波的波形 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 电压型逆变电路多用串联多重方式 电流型逆变电路多用并联多重方式 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是为了减少输出电压矩形波中所含的谐波 使之 成为接近正弦波的波形 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