电力电子技术 第3版 习题及答案 第4-6章 交流-交流变换电路 -软开关电路

一、简答题1、在单相交-交变频电路中，要改变输出电压的频率和幅值，应该分别改变变流电路的什么参数？答：分别改变变流电路的切换频率和控制角。2、交-交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成另一频率的交流电的变流电路。试问它属于什么类型的变频电路？答：属于直接变频电路。3、变频电路有哪些形式？答：有交-交变频；交-直-交变频；PWM变频。4、交-交变频电路主要特点和不足是什么？其主要用途是什么？答：交-交变频电路的工作特点是：只用一次变流，效率较高，可方便实现四象限工作，低频率输出时的特性接近正弦波。交-交变频电路的主要不足是：接线复杂，如采用三相桥式电路的三相交-交变频器至少要用36只晶闸管，受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低，输出功率因数较低，输入电流谐波含量大，频谱复杂。主要用于低速、大容量的电力拖动场合。5、交流调功电路和交流调压电路的电路形式是否相同？控制方式是否相同？答：电路形式相同；控制方式不同。二、问答题1、试从电压波形，功率因数，电源容量，设备重量及控制方式等几方面，分析比较采用晶闸管交流调压与采用自耦调压器的交流调压有何不同？答：晶闸管交流调压电路输出电压的波形是正负半波都被切去一部分的正弦波，不是完整的正弦波，切去部分的大小与延迟角的大小有关，这种非正弦交流电中含有高次谐波，会造成干扰，如果不采取措施会影响其它用电设备的正常工作，这点必须注意。另外随着延迟角的增大，功率因数降低，因此如果电流不变，要求电源容量随之增大，这是它的缺点。但是晶闸管交流调压设备重量轻，控制灵敏，易于实现远程控制和自动调节，这是它的优点。与此相反，采用自耦调压器的交流调压，电压不论高低总是正弦波，不会引起干扰和功率因数降低（不计本身的励磁功率），但它的调节方式是机械方式移动碳刷位置，要实现远程操作和自动调节必须加伺服机构，比较复杂。2、交流调压电路和交流调功电路有什么区别？二者各运用于什么样的负载？为什么？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。交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。交流调功电路常用于电炉温度这样时间常数很大的控制对象。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。3、晶闸管相控整流电路和晶闸管交流调压电路在控制上有何区别？答：相控整流电路和交流调压电路都是通过控制晶闸管在每一个电源周期内的导通角的大小（相位控制）来调节输出电压的大小。但二者电路结构不同，在控制上也有区别。相控整流电路的输出电压在正负半周同极性加到负载上，输出直流电压。交流调压电路，在负载和交流电源间用两个反并联的晶闸管VT1、VT2或采用双向晶闸管相联。当电源处于正半周时，触发VT1导通，电源的正半周施加到负载上；当电源处于负半周时，触发VT2导通，电源负半周便加到负载上。电源过零时交替触发VT1、VT2，则电源电压全部加到负载。输出交流电压。4、图4-67为一单相交流调压电路，试分析当开关Q置于位置1、2、3时，电路的工作情况。习题图4-67答：（1）Q置于位置1：双向晶闸管得不到触发信号，不能导通，负载上无电压。（2）Q置于位置2：正半周，双向晶闸管I+触发方式导通。负半周，由于二极管VD反偏，双向晶闸管得不到触发信号，不能导通，负载上得到半波整流电压。（3）Q置于位置3：正半周，双向晶闸管I+触发方式导通。负半周，双向晶闸管III-触发方式导通，负载上得到近似单相交流电压。5、三相交-交变频电路有哪两种接线方式？它们有什么区别？答：第一种：公共交流母线方法。它由三组彼此独立的，输出电压相位相互错开120

的单相交-交变频电路组成，他们的电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。因为电源进线端公用，所以三相单相变频电路的输出端必须隔离。为此，交流电动机的三个绕组必须拆开，同时引出六根线。第二种：输出星形连接方式。由三组彼此独立的，输出电位相互错开120°的单相交-交变频电路组成，共电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。三相交－交变频电路的输出端星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结，电动机中点和变频器中点接在一起，电动机只引三根线即可。因为三组单相变频器连接在一起，其电源进线就必须隔离，所以三组单相变频器分别用三个变压器供电。6、单相交交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路有什么不同?答：单相交-交变频电路和直流电动机传动用的反并联可控整流电路的电路组成是相同的，均由两组反并联的可控整流电路组成。但两者的功能和工作方式不同。单相交-交变频电路是将交流电变成不同频率的交流电，通常用于交流电动机传动，两组可控整流电路在输出交流电压一个周期里，交替工作各半个周期，从而输出交流电。而直流电动机传动用的反并联可控整流电路是将交流电变为直流电，两组可控整流路中哪一组工作并没有像交-交变频电路那样的固定交替关系，而是由电动机正反转工作状态的需要决定。三、计算题1、在图4-68所示交流调压电路中，已知U2＝220V，负载电阻RL＝10Ω，当触发角α＝90°时，RL吸收的电功率是多少？并画出RL上的电压波形图。导通区用阴影线表示。图4-68答：2.4KW。2、一电阻炉由单相交流调压电路供电，如=0°时为输出功率最大值，试求功率为80%，50%时的控制角。答：=0°时为输出电压最大值（有效值）；负载上最大电流为（有效值）；输出最大功率；输出功率为80%时，；而，故；输出功率为最大值的50%时，，；而，故。3、单相交流调压，阻感负载，U1=220V，L=5.5mH，R=1。求：移相角＝？，最大负载电流有效值I=?，最大输出功率Pmax=?，功率因数cos=?解：（1）移相角，所以（2）时，电流连续，且电流最大。其值（3）最大输出功率（4）功率因数4、单相交流调压电路带电阻性负载，输入电压，延迟角为，试求（1）负载电压有效值；（2）负载功率；（3）电源功率因数。解：（1）负载电压（2）负载功率（3）设负载电流有效值为，由于它同电源电流相等，因而有：功率因数（4）设负载电流不按时的有效值为，如果只考虑基波成份则：所以基波可写成：，基波功率因数为：5、对于热惯性大的负载，可以采用过零触发控制，若设定周期为，导通时间为，关断时间为，试求负载电压有效值与负载功率。解：6、一台220V，10kW的电炉，现在采用晶闸管单相交流调压使其工作于5kW，试求延迟角、工作电流以及电源侧功率因数。解：电炉是电阻性负载，220V、10kW的电炉，其电流有效值应为，因为功率，若不变，现要求输出功率减半，则应使值减小，故电流数值应减为又因为，也相当于要求的值减小，，故，时，功率正好减半。一、填空题1、升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使（）的作用；二是电容C可将输出电压（）住。答：电压泵升；保持2、升压斩波电路和降压斩波电路一样，也有电流（）和（）两种工作状态。答：连续；断续3、直流斩波电路在改变负载的直流电压时，常用的控制方式有（）、（）和（）三种。答：等频调宽控制；等宽调频控制；脉宽与频率同时控制；4、直流斩波电路按照输入电压与输出电压的高低变化来分类有（）斩波电路、（）斩波电路和（）斩波电路。答：降压；升压；升降压；二、问答题1、试说明直流斩波器主要有哪几种电路结构？试分析它们各有什么特点？答：直流斩波电路主要有降压斩波电路（Buck），升压斩波电路（Boost），升-降压斩波电路（Buck-Boost）和库克（Cuk）斩波电路。降压斩波电路是输出电压的平均值低于输入电压的变换电路。它主要用于直流稳压电源和直流电机的调速。升压斩波电路是输出电压的平均值高于输入电压的变换电路。它可用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。升-降压变换电路是输出电压的平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反。主要用于要求输出与输入电压反向，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。库克电路也属升-降压型直流变换电路，但输入端电流波纹小，输出直流电压平稳，降低了对滤波器的要求。2、简述习题图5-89基本降压斩波电路的工作原理。习题图5-89基本降压斩波电路输出电压电流波形。习题图5-89基本降压斩波电路答：时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压，负载电流按指数曲线上升。时控制V关断，二极管VD续流，负载电压近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。3、简述图5-90升压斩波电路的基本工作原理。（图中设：电感L、与电容C足够大）习题图5-90基本升压斩波电路输出电流波形习题图5-90基本升压斩波电路答：当V处于通态时，电源E向电感L充电，设充电电流为i1，L值很大，i1基本恒定，同时电容C向负载供电，C很大，使电容器电压u0基本不变，设V处于通态的时间为ton，在ton时间内，电感L上积蓄的能量为EI1ton；当V处于断态时，E与L同时向电容充电，并向负载R提供能量。设V处于断态的时间为toff，在toff时间内L释放的能量为（U0-E）I1toff，在一周期内L积蓄的能量与释放的能量相等。可求得：。分析不难看出该斩波电路是升压斩波电路。4、简述图5-91升降压斩波电路的基本工作原理。答：升降压斩波电路的电路及输出电压电流波形如下图。其工作原理为：V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。习题图5-91基本升降压斩波电路5、试比较Buck电路与Boost电路的异同。答；相同点：Buck电路和Boost电路都以主控型电力电子器件（如GTO，GTR，P-MOSFET和IGBT等）作为开关器件，其开关频率高，变换效率也高。不同点：Buck电路在开关管T关断时，只有电感L储存的能量提供给负载，实现降压变换，且输入电流是脉动的。而Boost电路在T处于通态时，电源E向电感L充电，同时电容C集结的能量提供给负载，而在T处于关断状态时，由L与电源E同时向负载提供能量，从而实现了升压，在连续工作状态下输入电流是连续的。6、试简述Buck-Boost电路与Cuk电路的异同。答：这两种电路都有升降压变换功能，其输出电压与输入电压极性相反，而且两种电路的输入、输出关系式完全相同，Buck-Boost电路是在关断期内电感L给滤波电容C补充能量，输出电流脉动很大，而Cuk电路中接入了传送能量的耦合电容C1，若使C1足够大，输入输出电流都是平滑的，有效的降低了纹波，降低了对滤波电路的要求。三、计算题1、在图5-92的Boost升压斩波电路中，已知US=50V，负载电阻R=20Ω，L值和C值极大，采用脉宽调制控制方式，当T=40µs，ton=25µs时，计算输出电压平均值U0，输出电流平均值I0。习题图5-92Boost升压斩波电路解：；2、在图5-93的Buck降压斩波电路带电动机反电动势负载中，已知US=200V，R=10Ω，L值极大，EM=30V。采用脉宽调制控制方式，当T=50µs，ton=20µs时，计算输出电压平均值U0，输出电流平均值I0。习题图5-93Buck降压斩波电路解：；一、问答题1、软开关电路可以分为哪些几类？其典型拓扑分别是什么样子？各有什么特点？答：根据电路中主要的开关元件开通及关断时的电压电流状态，可将软开关电中分为零电压电路和零电流电路两大类；根据软开关的技术发展的历程，可将软开关电路分为准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路三大类。准谐振电路：准谐振电路中电压或电流的波形为正弦波，电路结构比较简单，但谐振电压或谐振电流很大，对器件要求高，只能采用脉冲频率调制方式。零开关PWM电路：这类电路中引入辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后，此时电路的电压和电流基本上是方波，开关随电压明显下降，电流可以采用开关频率固定的PWM控制方式。零转换PWM电路：这类软开关电路中还是采用辅助开关控制谐振的开始时刻，所不同的是，其谐振电路是与主开关并联的，输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响很小，电路在很宽的输入电压范围内，并从零负载到满负载都能工作在软开关状态，无功率的交换被消减到最小。2、在移相全桥零电压开关PWM电路中，如果没有谐振电感Lr，电路的工作状态将发生哪些变化？哪些开关仍是软开关，哪些开关将成为硬开关？答：如果没有谐振电感，电路中的电容，与电感仍可构成谐振电路，而电容，将无法与构成谐振回路，这样，将变为硬件开关，，仍是软开关。3、在零电压转换PWM电路中，辅助开关和二极管VD1是软开关还是硬开关？为什么？答：在开通时，不等于零，在关断时，其上电流也不为零，因此为硬开关，由于电感的存在，使VD1的电流逐步下降到零，自然关断，因此VD1为软开关。4、零开关，即零电压开通和零电流关断的含义是什么？答：零电压开通：开关器件两端的正向电压谐振到零，在期间施加驱动信