电力及其电子技术 答案 7

南余荣.电力电子技术（第3版）.电子工业出版社【参考答案】第8章电力电子技术应用8-1．什么叫开关电源？开关电源有什么优缺点？答：开关稳压电源简称开关电源（SwitchingPowerSupply），它是指其电压调整作用的器件始终以开关方式工作的一种直流稳压电源。开关稳压电源使用了高频变换技术，具有的优点有：体积小、重量轻、效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高、自身抗干扰能力强、输出电压范围宽、模块化。开关电源的主要缺点有：由于逆变电路中会产生高频电压，对周围设备有一定的干扰，输出电压存在纹波。8-2．开关电源一般有哪几部分组成？请画出开关电源原理框图。答：开关电源一般有交流进线滤波器、输入侧整流滤波、变换电路、高频变压器、输出整流电路、控制驱动与采样比较放大等部分组成。下图给出了包含整流部分的开关电源原理框图，图中单相交流电压经EMI防电磁干扰电源滤波器进行滤波后，整流成直流电压，直流电压经变换电路变换为数十或数百千赫兹的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压（或升压）后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。通过采样、比较、放大及控制驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，便能得到稳定的输出电压，可以实现输入、输出电压的电气隔离。图开关电源原理框图8-3．请画出一种交流进线EMI滤波器，并简要说明各元件的作用。答：下图是一种常用的高性能EMI滤波器，该滤波器能同时抑制共模和差模信号。图中的是由相互耦合的2个电感组成共模电感，其两组线圈匝数相等，但绕向相同，对差模信号的阻抗为零，而对共模信号产生很大的阻抗，它与2个和2个构成共模电压滤波器，和也被称为Y电容。图交流进线EMI滤波器图中的2个和1个构成了LC电压滤波器，也被称为X电容。LC电压滤波器主要是为了滤除输入电压的高次谐波，改善输入电压质量，对防止电力电子器件过电压有比较大的作用。总的来说，该交流进线EMI滤波器可以提高装置的电磁兼容（EMC--ElectroMagneticCompatibility）性能，满足有关的电磁干扰EMI（ElectroMagneticInterference）标准，防止开关电源产生的噪声进入电网，或者防止电网的噪声进入开关电源内部。8-4．反激式开关电源的多路输出整流电压之间有什么关系？答：如果不考虑整流二极管正向管压降，反激电路输出电压与变压器相应绕组匝数成正比，对于多路输出的反激式开关电源，只要控制其中一路的电压大小，其它几路的电压大小也得到控制，各路输出电压大小可以通过变压器匝数比值计算得到。8-5．用UC3842控制的反激式开关电源电路如图8-5所示，变换器规格如图表8-4，试设计高频变压器。表8-4UC3842控制的反激变换器规格参数规格输入电压变动范围85～265V开关频率40kHz满载条件下的效率78％输出电压+15V输出功率15W开关管占空比不大于45%解:1）最大直流电压==1.414×265=375（V）2）最小直流电压==1.1×85=94（V）3）选择铁芯上式中近似取0.5，为4/3，取0.3，电流密度J取300A/cm2，为输出功率15W，取为最大占空比，、见设计参数。计算得到AP为0.33cm4，高频变压器的铁芯可选用EI型PC40铁氧体，为了保证该材质在125度时磁通密度在线性区域工作，取＝250mT。选用EI28铁芯AP为0.44cm2，=0.76cm2（也可选用EE等其它铁芯）。4）计算脉冲宽度。占空比为0.45，开关频率为40kHz，那么，在一个周期中的最大导通时间5）初级线圈中的电流。已知输出功率为15W，效率η为0.78，采用反激电路。输入功率为，则6）变压器初级线圈的实际电感量7）开关管导通时，磁链增量也可表示为，=为磁通，则变压器初级线圈匝数确定之后，考虑二极管压降，推导出辅助电源绕组匝数取整数12匝。在电路中，取=15V作为反馈控制。实取的匝数12匝。8）气隙计算。电流有效值与电流平均值或电流峰值之间的关系与电流波形有关，比如，三角波有效值与峰值关系为，还与该波形在一个周期中占用时间有关，具体地说，与波形时间对周期比值的开方成正比。9）原边电流有效值10）次级峰值电流11）次级有效值计算12）根据导线截面面积与导线直径的关系以及电流密度的含义，得到初级线径，取J=300A/cm213）次级线径计算取J=300A/cm2。14）集肤深度。导线线径不超过集肤深度的2倍，若超过集肤深度，则需多股并绕。集肤深度，线径不超过0.33×2=0.66（mm），用3股并绕，则分股线径=原线径/=0.82/1.732=0.47（mm），取常用规格漆包线0.48mm线径3股并绕。15）变压器参数线圈的电感量：1.2mH；线圈的匝数=56匝，线径0.39mm；线圈的匝数=12匝，线径3×0.48mm；线圈的匝数=12匝，电流很小，可以用较小的线径，这里取线径0.18mm。放在第一层，然后绕制次级绕组，初次级之间加屏蔽，绕组放在最外层。根据需要，铁芯外可以包一层屏蔽。16）开关管的承受的最大电压原边反激电压开关管的承受的最大电压开关管的耐压需留有一定的裕量。8-6．如何区分后备式UPS和在线式UPS？答：多种输入电能都直接参与到产生输出电源的工作，而不需要通过切换开关就能使输出电源不间断供电，这样的系统称为在线式UPS。一般来说，在线式UPS的输入电源均需要通过电能变换装置来输出电能，它可以使负载获得高质量的供电，但电能变换装置一直在工作，存在损耗较大的缺点。与在线式UPS相对应的另一种UPS，叫后备式UPS。后备式UPS的多种输入电能分为主要工作电源和备用电源，其输出电能通常由主要工作电源提供，主要工作电源故障时，通过切换开关，将备用电源接到输出端来保持输出电源不间断，这样的系统称为后备式UPS。一般来说，后备式UPS的备用电源需要切换开关连接到输出，这也是后备式UPS的特点。8-7．试分析图8-9的变频器结构主电路工作原理，并说明其局限性。答：下图就是教材图8-9，它是变频器主电路，整流部分采用的是三相不可控整流，只能由电源向直流电路输送能量，而不能由直流电路向电源反馈电能，逆变部分采用的是三相逆变电路。当负载为三相交流电机时，三相交流电机通过逆变电路的能量是可以双向流动的，若负载能量反馈到中间直流电路，而不控整流电路又不能将直流能量馈送到交流电源，将导致直流电路的电容电压升高，称为泵升电压。该电路的局限性就在于泵升电压，泵升电压过高会危及整个电路的安全。若要防止泵升电压过高，需采取消耗直流电路能量或向交流电源回馈能量等措施。图变频器主电路8-8．何谓双PWM电路?其优点是什么?答：整流电路和逆变电路都基于全控型器件并采用PWM控制的交流-直流-交流电路（间接交流电路），可简称双PWM电路。整流电路和逆变电路的构造完全相同，交流电源通过交流电抗器和整流电路连接。通过对整流电路进行PWM控制，可以使输入电流为正弦波并且与输入电压间相位任意可控，实现能量双向流动，并且中间直流电路的电压可以调节。若负载为电动机，则电动机可以工作在电动运行状态，也可以工作在再生制动状态。此外，改变输出交流电压的相序即可使电动机正转或反转。因此，电动机可实现四象限运行。该电路优点是：输入输出电流均为正弦波，输入功率因数高，输出侧可实现电动机四象限运行，是一种性能较理想的变频电路。但由于整流、逆变部分均为PWM控制且需要采用全控型器件，控制较复杂，成本也较高。8-9．三相SVPWM整流器稳定工作时，请问d-q轴上的输入电源电压和电流分量是直流还是交流。答：三相SVPWM整流器稳定工作时，输入电源电压和电流的角频率为ω，输入电源电压和电流的空间矢量就以ω角速度旋转，而d-q坐标系也是以ω角速度旋转的，那么，输入电源电压和电流的空间矢量和d-q坐标系没有相对运动，这样可以断定d-q轴上的输入电源电压和电流分量是直流。8-10．根据图8-16的三相SVPWM整流控制系统，说明主电路直流侧负载增大后的工作过程。答：根据图8-16的三相SVPWM整流控制系统，在其它条件不变的情况下，如果主电路直流侧负载增大，则该系统工作过程为：直流侧负载增大，输出直流电压减小，电压调节器给定电压不变而反馈电压减小，就使得电压PI调节器输入误差增大，导致电压PI调节器输出电压增大，即d轴电流分量给定值增大。系统中，2个电流分量调节器也是无静差PI调节器，q轴的电流分量代表的是输入无功电流，不做分析。d轴的电流分量代表的是输入电流有功分量，给定值增大从而使d轴电流分量实际值增大，电流有功分量增大后，输入功率增大，从而使得输出电压增大。上述过程持续进行，随着输出电压增大，最终使输出电压实际值等于输出电压给定值，达到新的平衡。8-11．太阳能电池阵列为什么要采用MPPT（最大功率点跟踪）控制？答：太阳能电池阵列的电压和功率与电流的关系曲线如图所示。可以看出，输出电流较小时，输出功率随电流的增加而增加，但功率曲线有一个最大功率峰值，对应的电流为IMMP，然后随电流的增加，输出功率反而减少。输出电流与MPP电流IMMP之间即使仅有一个小误差，其输出功率将显著降低，因此，需要MPPT（最大功率点跟踪）控制。太阳能阵列输出功率与电流之间的关系8-12．风力发电系统如何处理风速与输出功率的关系？答：在风力发电机从低速到额定转速的范围内，风力发电系统应保持最佳的叶尖速比，随着风速的增加，由风机驱动的发电机输出功率也随之增加，直到产生额定功率。为了防止风机转速进一步升高而使发电机过载，可采用桨叶角度调节的控制来降低风机能量捕获能力，而在没有桨叶角度调节的风力发电机中，采用主动失速控制实现了在额定风速以上的功率限制。当风速超过规定的门槛值时，通过叶片形状的专门设计，使叶片周围空气的流动发生紊流，驱动叶片的有效风力减小。如果风的速度超过了所谓的截止值，风力发电机应停止运行，以避免损坏风力发电机的机械结构。8-13．图8-28中隔离变压器的设计额定频率与电网频率相同可以吗？答：不可以。图中的周波变换器是交-交变换器，输入电压频率必须大于输出电压频率2倍以上，逆变器生产高频电压使变压器的尺寸减小，变压器的二次侧电压通过周波变换器转换为电网频率的电压。8-14．图8-29电动汽车动力系统中，为什么需要制动电阻？答：当车辆沿着长坡向下行驶时，电动机处于发电状态，变成了发电机给电池充电，如果产生过多能量则由制动电阻消耗，即通过IGBT开通让制动电阻消耗汽车下坡所产生的能量，图8-29可以防止锂电池过度充电。8-15．串联型混合动力系统有何优点？答：串联方式的动力系统中，一个蓄电池和一个由内燃机驱动的发电机是两个独立的电能来源，根据运行条件，电动机可以从蓄电池（发动机停止）、从发电机中分别得到能量，或者从两者中得到能量。另外，如果需要，发电机给蓄电池充电，或者当发电机作为起动机时，蓄电池也可以提供能量给发电机。这种灵活性有助于节约大量的燃料，特别是在城市行驶过程中的频繁启动和停止，就可以很好利用电机转矩-转速特性，回收再生制动过程中的动能。此外，发动机在大部分时间里可以以最省油方式的运行。8-16．图8-33清洁能源混合发电系统结构中的电源管理系统（PMS）有哪些主要功能？答：电源管理系统（PMS）技术是提高电源效率和系统可靠性的新方法。PMS将智能控制和管理的思想引入电力系统，从发电、配电及用电等各个层次，对电能进行分配、监测、控制、管理和安全保护等。其主要功能包括：①电能分配；②优化控制；③状态监测；④故障诊断；⑤容错控制。8-17．如图8-34的高压直流输电系统的基本原理和典型结构，从理论上说，该系统的能量可以双向传输吗？答：图8-34的高压直流输电系统，系统的能量可以双向传输。从左向右传输能量时，电能传输经过变压、整流、平波、逆变、降压、滤波等多个环节，左边电能由左边发电厂中的交流发电机提供，由换流变压器将电压升高后送到晶闸管整流器，由晶闸管整流器将高压交流变为高压直流，经直流输电线路输送到电能的接收端，在受端电能又经过晶闸管逆变器（晶闸管整流电路的有源逆变运行），由直流变回交流，再经变压器降压后配送到各个用户。该系统也可以从右向左传输能量，向左传输能量时，右边的晶闸管变流器作为整流器工作，左边的晶闸管变流器作为逆变器工作，电能传输同样经过变压、整流、平波、逆变、降压、滤波等多个环节。即从理论上说，该系统的能量可以双向传输。8-18．试简述静止无功发生器(SVG)的基本原理，并说明其有哪些优越的性能。答：迄今投入使用的SVG大都采用电压型桥式电路，因此SVG往往专指采用自换相的电压型桥式电路作动态无功补偿的装置，如下图。电压型SVG通过电力电子开关的通断控制，将直流电压转换成与电网同频的交流（脉冲）电压输出，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网，也可以理解成PWM整流电路的逆变运行。因此SVG可以看成一个与电网同频率、通过电抗器连到电网上的交流电压源。连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是SVG从电网吸收的电流。因此，改变SVG交流侧输出电压的幅值及其相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制SVG从电网吸收电流的相位和幅值，就控制了SVG所吸收的无功功率的性质和大小。图采用电压型桥式电路的SVGSVG的调节速度更快而且在采取多重化或PWM技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。更重要的是SVG使用的电抗器和电容元件远比SVC中使用的电抗器和电容要小，这将大大缩小装置的体积和成本。此外，如果直流侧采用较大的储能电容，或者其他容量较大的直流电源，则SVG还可以在必要时短时间内向电网提供一定量的有功功率。8-19．如图8-36（b）的有源电力滤波器的典型电流波形，请说明图中各电流之间的关系。答：与有源电力滤波器原理图相对应，输出电流为方波，从上往下，第1个是输入电压波形；第2个图中负载电流为方波，是该方波的正弦基波波形，也等于输入电流波形；第3个是方波的谐波电流；第4个是要补偿的电流波形。各波形之间关系为：感性负载时，输入电压超前输入电流一定的相位角度；负载方波电流可以分解成基波和谐波；谐波=-；补偿电流=-。图有源电力滤波器的典型电流波形8-20．比较图8-38的永磁同步电机速度控制系统与图8-16的三相SVPWM整流控制系统，两者在控制系统结构上有什么区别？答：永磁同步电机速度控制系统与三相SVPWM整流控制系统如下图，从物理意义上说，两者完全不同，但在控制系统结构上有许多相同的地方和不同的地方。从两个系统框图复杂程度来看，PMSM调速系统更加简单，两者在控制系统结构上有一些区别。第1部分区别，这两个系统都需要而且仅需要对6个开关管控制。控制方式都采用SVPWM。但是，PMSM调速系统的主电路是逆变电路，跟三相SVPWM整流主电路输入输出不一样。第2部分区别，PMSM调速系统中有速度测量和角度计算，而SVPWM整流中，相对应的是电压计算和角度计算。第3部分区别，PMSM调速系统中有电机电流检测和计算，而SVPWM整流中，相对应的是输入电流检测和计算。第4部分区别，PMSM调速系统的转速是调速系统最主要的控制目标，所以，要进行转速闭环，而SVPWM整流中，相对应的是输出电压闭环控制。第5部分区别，PMSM转速调节器的输出反映转矩的定子电流是isq，用isq*表示，转矩控制是调速系统的根本问题，所以采用闭环控制；而SVPWM整流中，相对应的是电压PI输出id*的闭环控制。第6部分区别，永磁同步电机的转子是永磁体，在不需要定子增磁和弱磁的情况下，采用isd*=0的闭环控制。而SVPWM整流中，相对应的是无功电流iq*=0的闭环控制。第7部分的区别，定子电流调节器的输出是定子电压，q轴上定子电流isq调节器输出是q轴上的定子电压usq，d轴上定子电流isd调节器输出是d轴上的定子电压usd，这样就得到了d-q旋转坐标中的两个定子电压分量usd和usq。而SVPWM整流中，相对应的是ud’和uq’，并且在SVPWM整流中还有前馈补偿，更加复杂。第8部分区别，PMSM调速系统的usd和usq，要通过旋转反变换，得到两相静止坐标系下的定子电压分量usα和usβ。而SVPWM整流中，相对应的是ud’和uq’，经过旋转反变换后得到uα’和uβ’。图永磁同步电机速度控制系统与三相SVPWM整流控制系统8-21．试简述电子镇流器的基本结构及其特点。答：电子镇流器的控制结构图，它的核心是高频变换电路，如下图，输入电压经过EMI滤波，整流后再进行功率因数校正(PFC)升压变换，实现输入电源的高功率因数，然后经过DC-AC逆变器，它的功能是将直流电压变换成高频电压，逆变电路采用双极型功率管、场效应晶体管MOSFET等全控型开关器件，开关频率一般为20～70kHz，电路结构主要有半桥式逆变电路和推挽式逆变电路两种形式。高频电子镇流器的输出级电路通常采用LC串联谐振网络，产生高压将灯引燃。在有些电路中，需要检测气体放电灯的工作状态，有“信号采样”环节，输出的电压电流信号（若有）送到“控制驱动”，来控制DC/AC变换器工作。图电子整流器结构框图电子镇流器的特点为：相比传统的电子镇流器，可以大幅减少镇流器的耗电量，其耗电量一般至少可减少到80%。另外，电子镇流器不仅减小了变压器体积和重量，而且改变了灯的工作特性，能大幅提高光照效能，达到节能的目的，功率因数可高到接近1的水平。8-22．什么是单级功率因数校正?它有什么特点?答：在Boost型单相APFC电路后面增加一级隔离型DCDC变换，就构成了含APFC的开关电源，