05级电力电子复习

其他班的05级电力电子复习一、 简答题1、 晶闸管触发导通后，触发脉冲结束后它又关断的原因是什么？答：原因是晶闸管电流小于其擎住电流。2、晶闸管能否工作在放大状态？为什么？答：不能。为尽量减少开关(导通)损耗。晶闸管被设计成只能工作在饱和和截止状态。3、 电力电子器件的驱动电路中，为何要采取电隔离？采用哪些电气隔离技术？答：为实现强电和弱电的隔离。一般采用光电隔离和电磁隔离技术。4、 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有何主要异同？答：两者电路的相同之处是：1)晶闸管的导通何触发脉冲的分配关系相同，2)整流电压和整流电流的波形相同；两者的不同之处：1)三相桥式电路是两组三相半波电路串联，而双反星形电路是两组三相半波电路并联，且后者需要平衡电抗器；2)当变压器二次电压有效值相等时，双反星形电路的整流电压平均值是三相桥式电路的一半，而整流电流式三相桥式电流的2倍。5、12脉波、24脉波整流电路的变压器各需要几个副边绕组，它们彼此之间应相差多少电角度？整流输出电压和交流输入电流各含哪些次数的谐波？答：12脉波整流电路的变压器需要2个副边绕组，此2个绕组彼此之间相差30度电角度；其整流输出电压含有12k(k=l,2,3.・.)次谐波；而交流输入电流中含有12k±1(k=1,2,3...)次谐波。24脉波整流电路的变压器需要4个副边绕组，此4个绕组彼此之间相差15度电角度；其整流输出电压含有24k(k=1,2,3.・.)次谐波；而交流输入电流中含有24k±1(k=1,2,3.)次谐波。6、 Boost变换器为什么不宜在占空比接近1的情况下工作？答：如果占空比接近1,那么Boost变换器的开关接近于全导通状态，几乎没有关断时间，那么电感在开关导通期间存储的能量没有时间释放，将造成电感饱和，直至烧毁。7、 当电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率是多少？输出频率过高有什么影响？答：一般认为，输出上限频率不高于电网频率的1/3~1/2。当电网频率为50Hz时，交交变频电路的输出上限频率约为20Hz。当输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压的段数就减少，波形畸变严重。8、 电压型逆变电路中，电阻性负载和电感性负载对输出电压、电流有何影响？电路结构有哪些变化？答：电阻性负载时，输出电压和电流同相位，波形相似，均为正负矩形波。电感性负载时，输出电压为正负矩形波，输出电流近似为正弦波，相位滞后于输出电压，滞后的角度取决于负载中电感的大小。在电路结构上，电感性负载电路，每个开关管必须反并联续流二极管，以实现能量的回馈。9、 什么是电压源逆变器，什么是电流型逆变器？若要将电压源逆变器变为电流源逆变器，在不改变电路结构情况下，可以用什么方法？答：逆变器输入直流端电压为恒定的逆变器，一般情况只要输入端整流滤波电容足够大就可视为电压源逆变器。逆变器输入直流端电流为恒定的逆变器，一般情况只要输入端整流滤波电感足够大就可视为电流源逆变器。在不改变电路结构情况下，在电压源逆变器上构成电流负反馈，即可构成电流源逆变器。10、为什么电流型逆变电路中没有反并联反馈续流二极管？答：在电流型逆变电流中，直流侧电流无法反向。当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时，无功能量由直流侧电感来缓冲，因此不需要并联反馈二极管。10、 脉冲宽度调制PWM和脉冲频率调制PFM的优缺点是什么？11、答：PWM方式中，保持开关频率（周期）不变，改变Ton调节输出电压；PFM方式中，保持Ton不变，改变开关频率（周期）调节输出电压。采用PWM控制时，输出电压中谐波的频率固定，滤波器设计容易。此外由控制系统获得可变脉宽信号比获得可变频率信号容易，故PWM的应用比较广泛。但是在谐振软开关变换器中，为了保证谐振过程的完成，采用PFM控制比较容易实现。12、为了实现PWM控制，可以采用计算法（如特定谐波消去法）、调制法（如单极性SPWM调制法）和跟踪法（如滞环比较法）产生PWM控制信号。请比较上述三种方法的优缺点。答：计算法：能够消除指定频率的谐波，但需要消除的谐波越多，开关时刻的运算越复杂，不适用于实时控制。调制法：输出PWM波形含有与载波相关的谐波分量。载波频率越高，输出波形中的谐波越容易滤除，但开关器件的开关损耗越大。跟踪法：硬件电路简单；属于实时控制；不用载波，输出波形不含有特定频率的谐波分量，但高次谐波的含量较多，闭环控制。13、 同步PWM调制与异步PWM调制有何不同?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，载波比N为变化量；载波信号和调制信号保持同步的方式称为同步调制，载波比N等于常数。14、 为什么在采用SPWM控制的逆变电路中晶闸管不适于作开关器件？答：采用SPWM控制的逆变电路为了减少输出电压的谐波，需要工作在高频状态，晶闸管属于低频器件，不适合这种工作方式。另外，晶闸管不能自关断，需要另外增加强迫关断电路才能关断，电路较复杂，因此晶闸管不适用于逆变器中。15、什么是软开关技术？它的作用是什么？答：软开关电路是通过在电路中增加了电感、电容谐振元件或由电感、电容、开关组成的附加电路，在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降为零；或关断前电流先降为零，或使开关关断电压从零上升；或使开关导通前电流从零上升。从而大大减少甚至消除损耗和开关噪声。采用软开关技术可以提高开关频率，实现电路的小型化、轻量化。16、试画出一种软开关电路，并分析。答：各种软开关电路即可。二、叙述原理及画波形图1、如下图所示的单相桥式电压型逆变电路中，1）说明采用单极性PWM控制方式的正弦波调制原理。（2） 请画图如何采用自然采样法产生双极性SPWM控制波形信号；（3） SPWM调制方式是怎样实现变压功能的？又是怎样实现变频功能的？答：（1）单极性PWM控制方式的正弦波调制原理：调制信号u为正弦波，载波u在u的正半周为正极性的三角波，在u的负rcrr半周为负极性的三角波。在u和u的交点时刻控制IGBT的通断。在u的正半rcr

周，V保持通态，V保持断态，当u>u时使V4导通，V关断，u=Ud;当u<u1 2 rc 4 3 odrc时使V4关断，V3导通，u=0。在u的负半周，V保持断态，V保持通态，当4 3 o r 1 2u<u时使V导通，V关断，u=-Ud;当u>u时使V关断，V导通，u=0。这样,rc 3 4 odrc 3 4 o就得到了SPWM波形。(2)把希望输出的正弦波作为调制信号u与载波信号u(一般选用三角波)rc进行比较，获得所需要的SPWM波uo。o(3)改变调制信号ur的幅值就可调节逆变器输出电压的有效值；改变调制信号ur的频率就可改变逆变器的输出频率2、下图是一个单相全桥逆变器串联电路，假设每个逆变器的输入直流电压相等，即v冲苗…％n=E,分别以下列两种情况：一是每个逆变器输出电压相位相同；二是每个逆变器输出电压相位相差36O/N,设N=6。求：画出串联电路的输出电压vo的波形；计算输出电压有效值，并简要说明串联电路的目的。要得到近似正弦波的输出电压v。，试结合每个模块单元的输出电压及变换器的输出电压波形进行说明。

+voiS1i311-(a)单相全桥逆变器串联电路解：(1)两种情况的输出电压的示意图为(b)+voiS1i311-(a)单相全桥逆变器串联电路解：(1)两种情况的输出电压的示意图为(b)全桥逆变器(a)输出电压相位相同3t3t兀2兀Vc3t⑹输出电压相位相差60。2)每个逆变器输出电压相位相同时，输出电压的有效值为U=—° 2兀卜(6E)2dt+J2气-6E)2dt=U=—° 2兀-0 兀 一每个逆变器输出电压相位相差600时，输出电压的有效值为Uo=0V。

o

若干个模块单元串联而成，不仅能够实现大功率的输出，而且通过一定的控

制策略使输出波形接近正弦波，可以降低谐波。(3)据阶梯波调制法的思路，控制每个模块的相位，将各个模块单元的输出电压进行叠加，便可得到近似正弦波的输出波形。mE2EK-«1mE2EK-«10 «i三、计算题1、对于半波整流电路，试分别1）一般有功无功定义计算交流电源的有功功率和功率因数；2）波形畸变因数方法计算交流电源的有功功率和功率因数；VTVT1解：（1）有功功率：P二一•（兀uid3t2兀o22功率因数：P功率因数：COS申=UI22此方法适用任何类型的电路，如非正弦电路。(2)i=£Isin(i®t刑)d di ii=1有功功率：P=UIcos申2d1 1功率因数：九=—d^功率因数：九=—d^cosp，其中:dI=述12

d di'i=1此方法适用于电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波的情况。2、单相全桥整流电路带电阻负载，所用晶闸管的额定电流为100A,若考虑2倍电流安全裕量，试计算在a=45。时，整流电路能输出的负载平均电流是多少？解：根据题意，单相全控桥带电阻负载时，若假定电源电压为U,负载电阻为R,则整流电路输出的负载平均电流为：=0.9—=0.9—1+cosa21）流过晶2)2)3)闸管的电流有效值为：7UH兀一aI= 2 sin2a+一VT v；2R\2兀 兀则电流有效值与平均值的比值为：1 兀一a■v'2x sin2a+一2兀 兀=—0.9x(1+cosa)d当晶闸管额定电流为100A，并考虑2倍电流安全裕量时，晶闸管可以承受的电流有效值为：1.57*100/2=78.5A

根据晶闸管电流等效原则，将整流电路晶闸管的电流有效值为IVT=78.5A,/4代入式（3）可得整流电路输出的负载平均电流为：Id=89.4Ad3、续流二极管单相全波可控整流电路，大电感负载，gL»R,U2=220V,R=20Q。求：a） 画出a=60o时输出电压ud及续流二极管iD的波形；b） 晶闸管的电压、电流定额。解：（1）UA0 兀UA0 兀/3 兀4兀/32兀2)Ud=0.9U1+C0Sa22=°.9X220小丁=148-5VU148.5I= d= =7.4AdR20晶闸管电流的有效值：寻x7・4=427AT(AV)1.574.271.57二T(AV)1.574.271.57二2.7AU=42X2U=42X2X220二622VTM 2所以，晶闸管电压、电流定额分别为622V和2.7A。4、三相全控桥整流电路，带阻感负载，U2=100V,R=10Q,®L>>Ro求：（1）a=45。时，输出电压平均值Ud，输出电流平均值Id，变压器二次侧电流有效值dd厶，晶闸管电流有效值1”的大小；（2）画出输出电压ud和输出电流id的波形。TOC\o"1-5"\h\z2 VT d d解：（1） U=2.34Ucosa=165.5Vd2=16.5AU =16.5A—&=—R10■1 4冗 '2I=x-1=x16.5=13.47A2 2兀3d 3M=亍"3X16-5=^2A2)a=45。i*止 ■o ®t5、三相全控桥带反电势阻感负载，E=200V,R=1Q,L=8,U2=220V,a=60。时，求：当LB=0时的负载平均直流电压Ud、负载平均电流Id；当LB=1mH时的负载平均直流电压Ud、负载平均电流Id、换流重迭角丫。解：根据题意，三相全控桥在a=60°时的线电压瞬时值为1.732*U2*sina=330>E,因此在a=60°瞬时晶闸管即可被触发导通。由于负载为反电势阻感负载,且电感无穷大，则电流平直连续。当L=0时有：BU二2.34Ucosa二2.34*220*cos60二257.4d2rU-E257.4-200,…=d= 1=57.4dR当L=ImH时有：B3XU=2.34Ucosa一 bd 2 兀U-EI=ddR将U=220、a=60°、X=OL=314*0.001=0.314、E=200、R=1Q代入上两式TOC\o"1-5"\h\zB B联立求解，得：Ud=244.2VI=44.2Ad又由：cosa-cos(a+Y)= bL_J6U2将a=60°、X=oL=314*0.001=0.314、U=220、I=44.2A代入上式求得丫B B 2 d

6、在下图所示的降压斩波电路中，V.=48V,L=250uH,RL ,f=100kHz,a=0.25rL=10a=0.25（1） 计算输出电压平均值Vo和输入电流平均值In（6分）（2） 计算电感电流iL的平均值、最大值和最小值；（6分）（3） 画出电感电流iL的波形。（3分）Vii十Vii十Vo解：（1）Vo=DVin=48*0.25=12VoinI=V*I/V=D*（V/R）=0.25*1.2=0.3AinooinoL（2） IL=Io=1.2ALo当SW导通，Ldi/dt=V-V,di=（V-V）*D/f/L=0.36ALinoLinosI=I+di/2=1.38A,I=I-di/2=1.02ALmaxLLLminLL（3）7、下图所示的降压斩波电路中，E=100V,L=100mH,R=0・5Q,EM=10V,采用脉宽调制控制方式，T=20阿，当Ton=4gs时。求：（1） 输出电压平均值Uo；（2） 输出电流平均值Io；（3） 计算输出电流的最大和最小瞬时值,并判断负载电流是否连续。解：（1）E10m二EM-解：（1）E10m二EM-ioo二“占空比a—0.1200.5二0.2fT-Ton=20-4=fT-Ton=20-4=t=tln1—(1—m)e—ap=0.2ln1—(1—0.1)e—0.00002xm0.1二0.000035996s二35.9964ys>toff故电流连续。电流的最小瞬时值：I=(竺二1-m)-=19.9984A10 ep—1R电流的最大瞬时值：I=(1—e—ap—m)-=20.0016A20 1—e—p RT4⑵输出电压平均值：U二-onE= x100二20V;0T20U—E 20—10(3) 输出电流平均值：I=0m= =20A0R0.58、升压斩波电路(BoostConverter)的原理图，求输入电压为27V±10%，输

出电压为45V时该电路开关管的最大占空比。(设电路中L和C值足够大且忽略电路中的损耗)。ViGUoioi1c~nERiGa)答：E略电路中的损耗)。ViGUoioi1c~nERiGa)答：E=27—27*1O0%=24.3V，miniDmaxU—E=―to minU45—24.345=0.46ItU=220V,RtU=220V,R=0~2・2Q,cL=2・2Q；9、下图中已知工频交流电源u=<2Usinwt，工频电源的正、负半周，晶闸管叭和Th2分别对称触发。求：负载最大电流有效值、最大输出功率、功率因数输出最大；解：十UR©=tan—1解：十UR©=tan—1wL=tan—12.22.2则导通角僅最小值为才最大线电流发生在a=©，此时负载电流是正弦波，则220220二 二 二70.7(A)R0 蠱R2+(oL)2］鮎［2.22+(2.2)2］最大输出功率P 二12XR二70.72X2.2二10.997(kW)max R0功率因数PF= 」眾需=0.70710、全桥有源逆变电路，反电势阻感负载，反电势电压为400V,R=1Q,L=8,U2=220V,LB=1mH，B=60。，求：负载平均直流电压Ud、负载平均电流Id、换流重迭角Y；送回电网的有功功率。解：根据题意，可以令a=180°-p=120°,由于阻感负载且电感无穷大，则电流平直连续。列出方程如下：3XU=2.34Ucosa一bd 2 兀U-EI=d—dR将U=220、a=120°、XL=314*0.001=0.314、E=—400、R=1Q代入上2 B B两式联立求解，得：Ud=—290.3VI=109.7Ad又由：cosa-cos(a+Y)二乙_J6U2将a=120°、XL=314*0.001=0.314、U=220、I=44.2A代入上式求得：B B 2 dY=8.9°送回电网的有功功率为：P=|EI|-12R=400*109.7—109.72*1=31.85(KW)dd11、如图，其中L=48mH,R=4Q,Uc=80V，为使