电力及其电子技术 答案 4

南余荣.电力电子技术（第3版）.电子工业出版社【参考答案】第6章交流-交流变流电路6.1．试说明什么是AC-AC变换器。答：交流-交流（AC-AC）变换技术是把一种交流电直接变换成另一种电压大小不同、频率不同或相数不同的交流电的电能变换技术，能实现这种变换的电路称为AC-AC变换器或AC-AC变换电路。6.2．AC-AC变换器可以分为哪几类?各类型可以实现什么功能?答：根据变换形式的不同，AC-AC变换电路可以分为交流调压电路、交流电力控制电路、交-交变频电路和矩阵式变换器。交流调压电路是指由晶闸管等电力半导体器件构成的，把一种交流电变成另一种相同频率、不同电压大小交流电的电路，交流调压电路按所变换的相数不同可分为单相交流调压电路及三相交流调压电路。与交流调压电路相同，当控制方式不同时，通过控制负载与电源通断周波数的比值来调节负载所消耗平均功率的电路称为交流调功电路。如果电力电子器件在电路中仅实现通断控制，则该器件为交流电力电子开关。交流调功电路和交流电力电子开关组成的电路都属于交流电力控制电路。把一种频率的交流电变换成另一种频率的交流电的电路则称为交-交变频器，它有别于交-直-交二次变换的间接变频电路，是一种直接变频电路。为了治理相控式晶闸管型交-交变频器输入、输出波形差、谐波严重的弊病，在基于双向自关断功率开关的基础上，目前正在研究一种矩阵式变换器，它是一种具有优良输入、输出特性的特殊形式的交-交变频器。6-3．单相交流调压电路，电阻性负载，在=时输出功率达最大值。试求输出功率为最大功率一半时的移相触发角α。解：α=0时的输出电压最大，为此时负载电流最大，为因此最大输出功率为输出功率为最大输出功率的50%时，有：此时，又有得α=90°。6-4．两单向晶闸管反并联构成的单相交流调压电路，输入电压=220V，负载电阻=3Ω。当移相触发角=π/3时；求：1）输出电压有效值；2）输出平均功率；3）晶闸管电流有效值；4）输入功率因数。解：当α=π/3时，可求得输出电压有效值为输出电流有效值为则可得输出平均功率为晶闸管电流的有效值为输入功率因数为6-5．电阻阻值=10Ω和电感感量为=20mH串联的负载，由单相交流调压电路供电，=220V，求：1）控制角α有效控制范围；2）负载电流的最大有效值；3）最大输出功率及对应的输入功率因数λ。答：1）由题可知，阻抗角为则控制角的有效控制范围为2）负载电流的最大值发生在时，此时负载电流也是正弦波。3）其最大输出功率为对应的输入功率因素为6-6．如图6-31所示一种用于低电压的新型斩控式交流调压电路，VT1和VT2共源极反向串联，VT3和VT4共源极反向串联，两个共源极点分别为SA和SB，请分析该电路的工作原理。图6-31新型斩控式交流调压电路答:图中两个MOSFET共源极反向串联时，当栅极电压相对于源极为高电平时，两个MOSFET导通，当栅极电压相对于源极为低电平时，两个MOSFET截止，此时，无论承受电压正负，其中一个MOSFET起着阻断作用。在这个图中，VT1和VT2共源极反向串联后与负载串联，VT3和VT4共源极反向串联后与负载并联，两组开关互补工作。以电阻电感负载为例，输入电流无论正负，如果VT1、VT2导通VT3、VT4断开，则输入电压无论正负都是加到负载上，输出电压等于输入电压；如果VT1、VT2断开VT3、VT4导通，则负载电流无论正负均通过VT3、VT4续流，输出电压为零。负载电压为输入正弦波电压包络线的斩波波形，其基波与输入电压同相位。输入电流为斩波式。如果斩波器件（VT1、VT2）导通时间为，开关周期为，则导通占空比，通过改变占空比来调节输出电压，改变输出电压平均值。6-7．交流调压电路和交流调功电路有什么区别?各适合于何种负载?答：交流调压电路和交流调功电路的电路形式完全相同，二者的区别在于控制方式不同。交流调压电路是在交流电源的每个周期对输出电压波形进行控制。而交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周波，再断开几个周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。交流调压电路是通过改变电压波形来实现调压的，因此输出的电压波形不再是完整的正弦波，谐波分量较大。从调压器输入端所观察到的调压器及其负载的总体功率因数也随着输出电压的降低而降低。但这种交流调压器控制方便、体积小、投资省，因此广泛应用于需调温的工频加热、灯光调节及风机、泵类负载的异步电机调速等场合。交流调功电路一般用于电炉调温等交流功率调节的场合，由于控制对象的时间常数大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁控制。6.8．交流电子开关有何作用?与机械式开关相比有什么优点?答：交流电力电子开关是把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用。与机械式开关相比，交流电力电子开关响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断。6.9．晶闸管投切电容器按照什么原则投入?为什么?答：选择晶闸管投入电容器时刻的原则：该时刻交流电源电压和电容器预充电电压相等。原因是：这样电容器电压不会产生跃变，也就不会产生冲击电流。理想情况下，希望电容器预充电电压为电源电压峰值，这时电源电压的变化率为零，电容投入过程不但没有冲击电流，电流也没有阶跃变化。6-10．试说明余弦交点法的基本原理。余弦交点法是依据交-交变频电路在一定区域内输出平均电压与控制角的余弦成正比关系，以自然换相点为余弦信号的零点，构建了余弦波，作为与电网电压相对应的参考电压，并将各余弦波与输出信号波进行比较，其交点作为换流切换点，确定了控制角，从而产生输出的低频交流电压，该输出电压波形往往由多段输入电压波形构成。6-11.限制交-交变频电路输出频率提高的因素是什么?采用三相桥式整流电路的正弦电压波单相交-交变频电路，其最高输出频率一般为多少?答：当输出频率增高时，输出电压一周期所包含的电网电压段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变和由此引起的电流波形畸变以及电动机的转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。一般来讲，构成交交变频电路的两组变流电路的脉波数越多，最高输出频率就越高。当交交变频电路中采用常用的6脉冲波三相桥式整流电路时，最高输出频率不应高于电网频率的1/3～1/2。当电网频率为50Hz时，交交变频电路输出的上限频率为20Hz左右。6-12．交-交变频器有何优缺点?答：优点：与整流电路和逆变电路组合而构成的交-直-交电路相比，传统的交交变频器采用晶闸管自然换流方式，工作稳定、可靠。交-交变频的最高输出频率是电网频率的1/3-1/2，在大功率低频范围有很大的优势。交交变频没有直流环节，变频效率高，主回路简单，不含直流电路及滤波部分，与电源之间无功功率处理以及有功功率回馈容易。缺点：因其功率因数低，高次谐波多，输出频率低，变化范围窄，使用元件数量多，使之应用受到了一定的限制。6-13．矩阵变换器有哪些显著的特点？答：矩阵变换器（MatrixConverter）也称为阵列换流器，它是一种控制性能优良的新型电力电子变换器，与传统的电力电子变换器相比，有以下显著的特点：①输出频率不受输入电源频率的影响；②有良好的电气性能，可获得正弦波形的输入电流、输出电压和电流；③可实现能量的双向传递，可实现四象限运行；④输入的功率因数高，可接近1；⑤无中间环节，容易实现集成化和功率模块化，动态响应快。6-14.举一个例子说明矩阵式变换器中双向开关需要两个方向分别控制。答：当矩阵式变换器输出负载为异步电动机时，为了调节输出给异步电动机电压/频率的大小，需利用开关的通断控制输出电压的大小和频率的大小，由于异步电动机上的电流是交变的。有正有负，那么通过开关中的电流也是