《电力电子技术》(第六七八章)习题答案

第六章脉宽调制控制技术1.试着解释脉宽调制控制的基本原理。脉宽调制控制是一种调节脉冲宽度的技术。也就是说，通过调制一系列脉冲的宽度，可以等效地获得所需的波形(包括形状和幅度)。在采样控制理论中有一个重要的结论：当等脉冲和不同形状的窄脉冲应用于惯性环节时，效果基本相同，脉冲就是窄脉冲的面积。基本相同的效果意味着链路的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理。以正弦脉宽调制控制为例。将正弦半波分成n等份可以看作是由n个相连的脉冲序列组成的波形。这些脉冲具有相同的宽度并且等于/N，但是幅度不同，并且脉冲的顶部不是水平直线而是曲线，并且每个脉冲的幅度根据正弦定律变化。如果上述脉冲序列被相同数量的等幅但不等宽的矩形脉冲代替，矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，并且矩形脉冲和相应正弦波部分的面积(脉冲)相等，则获得脉宽调制波形。每个脉宽调制脉冲的幅度相等，而宽度根据正弦规律变化。根据面积等效原理，脉宽调制波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，用同样的方法可以得到脉宽调制波形。可以看出，获得的脉宽调制波形相当于预期的正弦波。2.将图6-3中的半周期脉冲数设置为5，脉冲幅度是相应正弦波的两倍。尝试根据面积等效原理计算脉冲宽度。解决方案：每个脉冲的宽度用di(i=1，2，3，4，5)表示，这可以根据面积等效的原则得到d1=0.09549(rad)=0.3040(ms)d2=0.2500(rad)=0.7958(ms)d3=0.3090(rad)=0.9836(ms)d4=d2=0.2500(rad)=0.7958(ms)d5=d1=0.0955(rad)=0.3040(ms)3.单极和双极脉宽调制有什么区别？在三相桥式脉宽调制逆变器电路中，输出相电压(输出端相对于DC电源中点的电压)和线路电压SPWM波形有多少电平？答：三角波载波在信号波的正半周或负半周只有一个极性，产生的脉宽调制波形在半周内只在单极性范围内变化，这称为单极性脉宽调制控制模式。三角波载波始终是正负双极性的，产生的脉宽调制波形在半个周期内有正有负，这称为双极性脉宽调制控制模式。在三相桥式脉宽调制逆变器电路中，输出相电压有两个电平：0.5Ud和-0.5ud。输出线电压有三个电平Ud，0，-Ud。4.具体谐波消除的基本原理是什么？假设在半信号波周期中有10个可以控制的开关时刻(不包括0和P时刻)。可以消除多少谐波？回答：首先，试着使波形对称。为了消除偶次谐波，波形的正负半周期应该对称。为了消除谐波中的余弦项，正半周期前后波形的1/4周期应以p /2为轴对称。考虑到上述对称性，在半周期内有5个开关时刻是可以控制的。一个自由度用于控制基波的幅度，其余四个自由度可用于消除四个频率的谐波。什么是异步调制？什么是同步调制？他们各自的特点是什么？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法称为异步调制。在异步调制模式下，载波频率fc通常保持恒定，因此当信号波频率fr改变时，载波比n改变。异步调制的主要特征是：在信号波的半周期中，脉宽调制波的脉冲数和相位是不固定的，正半周期脉冲和负半周期脉冲是不对称的，半周期中的前后1/4周期脉冲也是不对称的。这样，当信号波的频率低、载波比n大、一个周期中的脉冲数大时，由不对称然而，当信号波的频率增加时，载波比n减小，一个周期中的脉冲数量减少，并且脉宽调制脉冲的不对称性的影响变得更大。有时，信号波形的微小变化也会产生脉宽调制脉冲的脉动。这使得输出脉宽调制波和正弦波之间的差异更大。对于三相脉宽调制逆变器电路，三相输出的对称性也变得更差。载波比n等于一个常数，在频率转换期间保持载波和信号波同步的方法称为同步调制。同步调制的主要特点是：在同步调制模式中，当信号波的频率改变时，载波比n是恒定的，在信号波的周期中输出的脉冲数量是固定的，并且脉冲相位也是固定的。当逆变器电路的输出频率非常低时，同步调制期间的载波频率fc也非常低。当fc太低时，调制引起的谐波不易过滤。当负载是电机时，也会带来较大的转矩脉动和噪声。当逆变器电路的输出频率非常高时，同步调制期间的载波频率fc将太高而不能由开关器件承受。此外，同步调制比异步调制更复杂。分段同步调制将逆变电路的输出频率分成若干段，每个频段有一定的载波比，不同频段有不同的载波比。它的主要优点是在高频带使用较低的载波比，因此载波频率不会太高，并且可以限制在功率器件的允许范围内。然而，在低频带中采用较高的载波比，使得载波频率不会太低而对负载产生不利影响。6.SPWM波形的常规采样方法是什么？常规取样法比自然取样法有什么优点？答：常规采样法是由微机实现的一种实用的脉宽调制波形生成方法。常规采样方法是基于自然采样方法。常规采样方法的基本思想是在三角波载波的两个正峰值之间取一个采样周期。每个脉宽调制脉冲的中点与三角波的一个周期的中点(即负峰值点)重合。在三角波的负峰值时间采样正弦信号波，以获得正弦波值。用与正弦波值幅度相同的水平直线近似代替正弦信号波，用直线与三角波载波的交点代替正弦波与载波的交点，从而得到控制电源开关装置的通断时间。与自然采样法相比，常规采样法计算非常简单，计算量大大减少，效果接近自然采样法，得到的SPWM波形仍接近正弦波，克服了自然采样法难以实时控制在线计算，工程应用不广泛的缺点。7.单相和三相SPWM波形中包含哪些主要谐波频率？答：单相SPWM波形中包含的谐波频率为：其中n=1，3，5，k=0，2，4，当n=2，4，6，k=1，3，5，在上述谐波中，角频率为wc的谐波分量幅度最大，影响最大。三相SPWM波形中包含的谐波频率为：其中n=1，3，5，k=3(2m-1)1，m=1，2，当n=2，4，6时，在上述谐波中，较高的振幅是wc2w r和2w cw r。8.如何提高脉宽调制逆变电路的DC电压利用率？答：梯形波控制方法，即梯形波作为调制信号，可以有效提高DC电压的利用率。对于三相脉宽调制逆变电路，也可以采用线电压控制方式，即在相电压调制信号上叠加3次谐波和DC分量，也可以有效提高DC电压的利用率。9.什么是电流跟踪脉宽调制转换器电路？使用迟滞比较的电流跟踪转换器有什么特点？答：电流跟踪脉宽调制转换器电路使用转换器电路的电流跟踪控制。也就是说，载波不被信号波调制，但是期望输出的电流被作为指令信号，并且实际电流被作为费用(4)与计算方法和调制方法相比，在相同的开关频率下，输出电流的谐波含量更高；采用闭环控制。10.什么是脉宽调制整流器电路？它的工作原理与相控整流电路的性能有什么区别？答：脉宽调制整流电路是由脉宽调制控制的整流电路。通过对脉宽调制整流电路的适当控制，其输入电流可以非常接近正弦波，与输入电压同相，功率因数接近1。相控整流电路控制晶闸管的启动角度，属于相控模式。交流输入电流包含较大的谐波成分，交流输入电流的相位滞后于电压，总功率因数较低。PWM整流电路采用SPWM控制技术，采用斩波控制方式。它的基本工作模式是整流，输入电流可以与电压同相，功率因数约为1。脉宽调制整流电路可以实现正负两个方向的能量流动，即它不仅可以在整流状态下工作，还可以将能量从交流侧转移到DC侧；它也可以在逆变器状态下运行，将能量从DC侧转移到交流侧。此外，这两种方法都可以在单位功率因数下运行。此外，交流电流可提前90，交流电源可发出无功功率，成为静态无功功率发生器。或者使电流比电压超前或滞后任意角度J。11.什么是脉宽调制整流电路中的间接电流控制？什么是直流控制？答：在脉宽调制整流电路中，间接电流控制是根据电源电压、电源阻抗电压和脉宽调制整流器输入端电压之间的相量关系来控制的，使输入电流达到预期的幅值和相位。由于不需要交流电流反馈，所以称为间接电流控制。在直流控制中，首先获得交流输入电流的指令值，然后引入交流电流反馈。比较后，进行跟踪控制以改变输入电流跟踪的命令值。它被称为直流控制，因为它引入了交流电流反馈。第七章软交换技术1.高频是什么意思？为什么提高开关频率可以减小滤波器的尺寸和重量？为什么提高关断频率可以减小变压器的体积和重量？答：高频可以减少滤波器的参数，使变压器小型化，从而有效地减小设备的体积和重量。小型化和轻量化是高频的重要意义。通过增加开关频率和缩短周期，可以减少用于过滤开关频率中的谐波的电感和电容参数，从而减小滤波器的体积和重量。对于变压器，当输入电压为正弦波时，u=4.44 f . n . b . s。当频率f增加时，n和s的参数值可以减小，从而减小变压器的体积和重量。2.什么样的软开关电路可以分为？典型的拓扑是什么？各自的特点是什么？答：根据电路中的主开关元件导通和关断时的电压和电流状态，软开关电路可分为两类：零电压电路和零电流电路。根据软开关技术的发展，软开关电路可分为准谐振电路、零开关脉宽调制电路和零开关脉宽调制电路。准谐振电路：准谐振电路中的电压或电流波形为正弦波，电路结构相对简单，但谐振电压或谐振电流很大，需要很高的器件，只能通过脉冲频率调制来控制。零电压开关准谐振电路基本开关单元零电流开关准谐振电路基本开关单元零开关脉宽调制电路：在这种电路中引入一个辅助开关来控制谐振的开始时间，以便谐振只发生在开关过程之前和之后。该电路的电压和电流基本上是方波，开关承受的电压明显降低。该电路可以采用固定开关频率的脉宽调制控制方式。零电压开关脉宽调制电路基本开关单元零电流开关脉宽调制电路基本开关单元零开关脉宽调制电路：这种软开关电路仍然使用辅助开关来控制谐振的开始时间。不同之处在于谐振电路与主开关并联，输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响很小。该电路可以在从零负载到满负载的宽输入电压范围内工作在软开关状态，并且没有最小化的功率交换。零电压转换脉宽调制电路基本开关单元零电流转换脉宽调制电路基本开关单元3.在移相全桥零电压开关脉宽调制电路中，如果没有谐振电感Lr，电路的工作状态会发生什么变化，哪些开关仍然是软开关，哪些开关将成为硬开关？回答：如果没有谐振电感Lr，电路中的电容CS1、S2和电感l仍然可以形成谐振电路，而电容S3、S4不能与Lr形成谐振电路。这样，s和s将成为硬开关，而s和s将保持软开关。4.在零电压转换脉宽调制电路中，辅助开关是S1和二极管VD1软开关还是硬开关，为什么？回答：当S1打开时，uS1不等于零；当S1关闭时，它上面的电流不是零，所以S1是一个硬开关。由于电感Lr的存在，S1导通时的电流上升率是有限的，从而降低了S1的导通损耗。由于电感Lr的存在，VD1的电流逐渐降至零并自然关断，因此VD1是一个软开关。第8章组合转换器电路1.什么是组合转换器电路？答：组合变换器电路是将一些基本变换器电路(交流/DC、DC/DC、交流/交流、DC/DC)组合起来实现某些新功能的变换器电路。2.尝试解释图8-1所示的间接交流转换器电路的工作原理，并解释该电路的局限性。答：间接交流转换电路先将交流电整流成直流电，再将直流电转换成交流电。图8-1显示了不能再生反馈功率的电压型间接交流转换器电路。电路的整流部分采用不可控整流。电路和电容器之间的DC电压和DC电流的极性不变。电力只能从电源输送到DC电路，而电力不能从DC电路反馈到电源。这是它的局限性之一。图中逆变器电路的能量可以双向流动。如果负载能量反馈到中间DC电路，电容电压将上升。由于这种能量不能反馈给交流电源，电容器只能承受少量的反馈能量，这是另一个限制。3.尝试分析图8-2所示的间接交流转换器电路的工作原理，并解释其局限性。答：图8-2是带升压限压电路的电压型间接交流转换器电路。根据图8-1，由巨型晶体管V0和能耗电阻R0组成的升压限压电路并联在中间DC电容的两端。当升压电压超过某个值时，V0开启，负载反馈的能量在R0上消耗。其局限性在于，当负载为交流电机且电机需要频繁快速地加速和减速时，电路中消耗更多的能量，而耗能电阻R0也需要更多的功率，因此反馈能量消耗在电阻上而无法利用。4.尝试解释图8-3所示的间接交流转换器电路如何实现负载能量反馈。A.图8-3显示了使用可控转换器实现再生反馈的电压型间接交流转换器电路。它增加了一套转换电路，使其工作在一个积极的逆变器状态。当负载反馈能量时，中间DC电压上升，停止不可控的整流电路。可控转换器工作在有源逆变器状态，中间DC电压的极性不变，电流反向。电能通过可控转换器反馈给电网。5.什么是双脉宽调制电路？它有什么优点？答：在双PWM电路中，整流电路和逆变电路均由PWM控制，可使电路的输入