東南大學(xué)-研究生電力電子考試題

1、精品文檔1、請一一列舉電力電子器件和理想開關(guān)的主要區(qū)別，并簡要說明使電力電子器件正常工作的應(yīng)對措施。答：電力電子器件與理想開關(guān)的主要區(qū)別在于：（1）理想開關(guān)導(dǎo)通零電阻，而器件存在導(dǎo)通壓降，存在通態(tài)損耗；且關(guān)斷后存在反向漏電流，存在斷態(tài)損耗。（2）理想開關(guān)可瞬時開通和關(guān)斷，而器件需要一定的開通、關(guān)斷時間，存在開通和關(guān)斷損耗。（3）理想開關(guān)耐壓、耐流能力無限，而器件只能承受一定的額定電壓和額定電流，并且只能承受一定的du/dt和 di/dt。下面以晶閘管為例說明使電力電子器件正常工作的應(yīng)對措施：（1）選用晶閘管時注意其額定電壓和電流應(yīng)留有一定裕量，額定電壓取正常工作時承受的峰值電壓的23倍，額定電

2、流取1.52倍通態(tài)平均電流有效值，并工作在安全工作區(qū)內(nèi)。（ 2） 晶閘管需要在門級加一定寬度和強(qiáng)度的觸發(fā)脈沖才能正常工作。（ 3） 當(dāng)晶閘管承受反壓或其中流過的電流下降至維持電流以下時，晶閘管才能關(guān)斷。（ 4） 晶閘管具有一定的開通和關(guān)斷時間，實際應(yīng)用中應(yīng)注意使用頻率的限制。（ 5） 避免過大的 du/dt 和 di/dt ，使用中應(yīng)該加緩沖電路；為了防止器件過熱導(dǎo)致器件損壞，實際應(yīng)用時還應(yīng)該注意散熱。2 、大功率開關(guān)器件（GTR 、 IGBT等）在開關(guān)電路中為何需要加入緩沖電路？緩沖電路根據(jù)其在器件工作中的作用可分為哪兩大類？答：緩沖電路可以抑制過電壓du/dt，過電流di/dt，減少器件的

3、開R iL iVD idi/dt 抑制電路關(guān)損耗，塑造開關(guān)器件開關(guān)過程中的開關(guān)狀態(tài)軌跡。如無極性的R-CVRsVD sCs緩沖電路VDL隨意編輯精品文檔緩沖電路可以保護(hù)器件；極性化R-C 緩沖電路可以吸收器件的關(guān)斷、換向過電壓和du/dt，進(jìn)行關(guān)斷保護(hù)；極性化L-R 緩沖電路可以抑制開通電流過沖和di/dt ，進(jìn)行開通保護(hù)；關(guān)斷和開通緩沖電路結(jié)合可以構(gòu)成復(fù)合緩沖電路。按能量去向分配可分為耗能式和饋能式緩沖電路。如圖所示的緩沖電路在V 開通時， Cs 通過 R向 V 放電，使 iC先上一個臺階，以后因有L ， iC上升速度減慢；在V 關(guān)斷時，負(fù)載電si流通過 VD s 向s 分流，減輕了 V 的

4、負(fù)擔(dān)，抑制了du/dt 和過電壓。C3 、電力電子開關(guān)器件的功耗主要有哪些？請簡述軟開關(guān)諧振技術(shù)減少開關(guān)損耗的基本原理。答：電力電子器件的功耗主要有開通損耗、關(guān)斷損耗和導(dǎo)通期間的損耗三種。高頻環(huán)境中前兩種損耗占主要比例，低頻環(huán)境中第三種損耗占主要比例。軟開關(guān)技術(shù)使電壓U 或 / 且電流 I 減小從而減小開關(guān)損耗功率P=UI 。軟開關(guān)可分為ZVS（零電壓開關(guān)）和ZCS （零電流開關(guān)）兩種，前者可以減小器件開通、關(guān)斷期間的電流I；后者可以減小器件開關(guān)期間的電壓U ，都達(dá)到減小損耗P 的目的。4 、如下圖所示為一PWM整流電路，請簡單分析該電路的工作原理，并（與相控整流電路相比較）舉出三條該電路的優(yōu)

5、點(diǎn)。答： PWM整流電路是升壓型整流電路。工作時按自然采樣法對VT 1 VT 4 進(jìn)行 SPWM控隨意編輯精品文檔制，使 u AB 輸出電壓中含有與正弦調(diào)制波同頻、幅值成比例的基波，以及載波頻率的高次諧波，不含低次諧波。當(dāng) u s>0 時， VT 2 、VD 4 、VD 1 和 Ls 以及 VT 3、VD 1、VD 4 和 Ls 分別組成兩組升壓斬波電路。以第一組為例， VT 2 導(dǎo)通時，電源通過 VT 2 和 VD 4 為 Ls 充電； VT 2 截止時， Ls 通過 VD 1 和VD4向直流電容C 供電。同理，當(dāng) u<0 時， VT、VD、 VD2和 L以及 VT、 VD、 V

6、D3s13s42和 Ls 分別組成兩組升壓斬波電路。而輸入電流i s 與 u s 的相位角通過控制u AB 來實現(xiàn)。比如目標(biāo)電流為I&s I s，則控制使&&&j Ls Rs ，即能達(dá)到控制目標(biāo)。U ABU sI s與相控整流電路相比，PWM 整流電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：1 、輸入電流諧波含量較??；2、輸入電流功率因數(shù)可調(diào)；3、通過改變控制策略可以實現(xiàn)能量雙向流動；4 、輸出直流電壓紋波較小。5 、請畫出電壓源型三相全橋逆變電路開關(guān)狀態(tài)圖并依次正確標(biāo)注其相應(yīng)的空間矢量編號，說明空間矢量編號的基本原則以及哪些空間矢量是零矢量。答：隨意編輯精品文檔空間矢量編號的基本原則是

7、：開關(guān)按照A->B->C的順序依次導(dǎo)通，且相鄰的開關(guān)狀態(tài)只改r變一位，即（ 100 ， 110 ， 010 ， 011 ， 001 ， 101以及 000 ， 111 ），其中 U 00,0,0 和rU7 1,1,1 是零矢量。6 、假設(shè)下圖中開關(guān)器件VT 和 V 的開關(guān)占空比為t on /T 。請推導(dǎo)：（ 1 ）如下圖左所示的降壓 buck電路在穩(wěn)態(tài)工作條件下的輸出輸入電壓的關(guān)系表達(dá)式U o/E=? ；（ 2 ）如下圖右所示的升降壓boost-buck電路在穩(wěn)態(tài)工作條件下的輸出輸入電壓的關(guān)系表達(dá)式U o/E=? 。答：（1 ）降壓 buck 電路：該電路在一個工作周期內(nèi)，電感L

8、中流過的電流積分為0（這樣才能保證電感L電流在周期末和周期初時相等）。當(dāng)VT導(dǎo)通時，有隨意編輯精品文檔EU odi LLi Lon，即i LonEU o Ton；當(dāng) VT 關(guān)斷時，電感 L 通過 VD 續(xù)流，LTonLdt有 Ldi LU o0 ， U oLiLoff，i LoffU oToff。dtToffL因為iLoni Loff0，所以E U oTonU o T0，即 U oTon。LoffETL（2 ）升降壓 boost-buck電路：同樣的，在一個工作周期內(nèi)，電感L 的電流保持不變。 V導(dǎo)通時，電源為電感L 充電，EL diL0 ， iLonE Ton ；V 關(guān)斷時，電感L 向負(fù)載放

9、diLU odtL電， LU o0，i LoffToff 。dtLi LoniLoff0 ，所以 E TonU o Toff0，即 U oTon。LLEToff17 、請列舉電力電子開關(guān)器件和理想開關(guān)的主要區(qū)別。造成電力電子開關(guān)器件發(fā)熱的主要來源有哪些？列出幾種電力電子開關(guān)器件散熱的措施。答：電力電子器件與理想開關(guān)的主要區(qū)別在于：（4） 理想開關(guān)導(dǎo)通零電阻，而器件存在導(dǎo)通壓降，存在通態(tài)損耗；且關(guān)斷后存在反向漏電流，存在斷態(tài)損耗。（5）理想開關(guān)可瞬時開通和關(guān)斷，而器件需要一定的開通、關(guān)斷時間，存在開通和關(guān)斷損耗。（6）理想開關(guān)耐壓、耐流能力無限，而器件只能承受一定的額定電壓和額定電流，并且只能承

10、受一定的du/dt和 di/dt。造成電力電子器件發(fā)熱的原因是功耗。電力電子器件的功耗主要有開通損耗、關(guān)斷損耗和導(dǎo)通期間的損耗三種。 高頻環(huán)境中前兩種損耗占主要比例，低頻環(huán)境中第三種損耗占主要比例。在計算等效熱阻的基礎(chǔ)上，可以對電力電子器件采取散熱措施。按散熱方式可以分為傳導(dǎo)型、對流型和輻射型，按具體操作可以分為風(fēng)冷、水冷和油冷等。隨意編輯精品文檔8 、試以晶閘管SCR 為例，簡述電力電子器件串聯(lián)工作時，應(yīng)采取哪些措施來實現(xiàn)器件的均壓？簡述電力電子器件并聯(lián)工作時，應(yīng)采取哪些措施來實現(xiàn)器件的均流？VT 1R并畫出均壓和均流線路原理圖。R pC答：（ 1 ）晶閘管 SCR 串聯(lián)均壓：RVT 2R

11、pC由于器件特性的差異，不同晶閘管的正向阻斷電阻和反向阻斷電阻不盡相同，從而造成晶閘管串聯(lián)后電壓分配不均的問題。當(dāng)晶閘管串聯(lián)時， 首先應(yīng)選取參數(shù)和特性盡量一致的器件，其次要加均壓電路。如右圖所示，電阻Rp 遠(yuǎn)小于晶閘管的正、反向阻斷電阻，使晶閘管分得的電壓取決于均壓電阻Rp 的分壓；電容 C 用于平衡動態(tài)過程中晶閘管的反向恢復(fù)電荷，實現(xiàn)動態(tài)均壓。（2 ）晶閘管 SCR 并聯(lián)均流：VT 1VT 2如圖所示，耦合電感T1 和 T2 可以提供動態(tài)均流。當(dāng)VT 1 中電流 I1上升時， I1I2T1T 2II由于電感 T1會產(chǎn)生一個與 I1 相反的電動勢從而產(chǎn)生反向電流I抑制 I 1 的增長；由于 T

12、和 T異名端耦合，所以T中產(chǎn)生與 I同向的增長電流I使 I12222增長，從而達(dá)到平衡兩支晶閘管中電流的作用。有時串聯(lián)電阻有助使晶閘管為正溫度系數(shù)，從而提升靜態(tài)均流，但需視器件特性而定。如果需要同時串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管，一般采用先串后并的方法聯(lián)接。9 、三相PWM逆變電路分別采用梯形調(diào)制波和注入三次諧波進(jìn)行輸出波形控制有何好處？請簡單說明二者工作原理并就性能作簡單比較。答：采用梯形波調(diào)制和注入三次諧波都提升了調(diào)制波中基波的幅值，由于直流電壓利用率=輸出基波電壓幅值/ 直流電壓，所以它們提高了電壓利用率，改善了逆變器的輸出性能。采用梯形波作為調(diào)制信號時，由于梯形波中含有低次諧波，故輸出波形中含有5

13、次、7 次等隨意編輯精品文檔低次諧波。采用在正弦波調(diào)制信號中加入三次諧波的“馬鞍形”作為調(diào)制信號時，輸出相電壓中含有三次諧波；但合成線電壓時，各相電壓三次諧波互相抵消，故輸出線電壓為正弦波，不含低次諧波。其輸出諧波小于梯形調(diào)制波，但電壓利用率略低。10 、請分析如下圖所示的斬控式單相交流調(diào)壓電路的工作原理（過程），請畫出交流輸出電壓 U o 的波形示意圖。該斬控式單相交流調(diào)壓電路和相控式單相交流調(diào)壓電路在功率因數(shù)、諧波含量方面相比較有何不同。答：如圖所示為一個周期的波形，上半圖為 U1 波形，下半圖為 U o 波形。當(dāng)輸入電壓U 1>0 ，即在正半周內(nèi)，V 4 截止， V 3 持續(xù)導(dǎo)通，

14、 V 1則以斬波頻率導(dǎo)通和關(guān)斷；在 V 1 關(guān)斷期間， V 3 和 VD 3 為負(fù)載續(xù)流。當(dāng)輸入電壓 U 1 <0 ，即在負(fù)半周內(nèi)， V 3 截止而 V4 導(dǎo)通， V 2 進(jìn)行通斷控制；同樣的，在V 2 關(guān)斷時，V 和VD4為負(fù)載續(xù)流。4與相控式交流調(diào)壓電路相比， 斬控式電路的輸出電壓僅含有高次諧波，諧波含量較低； 輸入電流與輸入電壓同相位，功率因數(shù)較高。11 、有一單相異步電機(jī)（額定工作電壓有效值為300V ）需要進(jìn)行變頻調(diào)速，調(diào)速裝置的外部輸入電壓為單相工頻交流電（220V ， 50Hz ）。試采用交直交電路用設(shè)計出一種滿足該電機(jī)調(diào)速用的變換器，畫出其電路原理示意圖并就工作原理作簡單

15、說明。隨意編輯精品文檔答：由于 220V 工頻交流經(jīng)過整流和逆變后無法達(dá)到300V 的有效值， 所以變換器必須要有升壓設(shè)備。我采取的思路是：220V ， 50Hz交流 -> 加前端變壓器升壓-> 全波橋式整流->PWM逆變。電路原理圖如下圖所示。L220V 50Hz1kCM升壓變壓器全橋整流PWM 逆變設(shè)變壓器的變比為1:k ，升壓后交流電壓有效值為U2，橋式整流電路帶容性負(fù)載輸出直流電壓為 U C ，一般取U C=0.9U 2 ； PWM逆變器直流電壓利用率AVU o0.7071ma ，即U CU o 0.7071maU C，這里 取m =0.8， 要 求U=300V， 即

16、：aok=300/(0.7 071 × 0.8× 0.9× 220)=2.68，所以變壓器變比1:2選為.68 。12 、電力電子技術(shù)在節(jié)能方面大有可為，請舉一個你熟悉的例子，簡要分析節(jié)能的原理。答：電動汽車因為使用無污染的清潔能源電能，正受到越來越廣泛的推廣。但充電汽車的最大缺陷是充電難， 所以保證充電汽車能量的高效使用是很有意義的課題。 我們可以設(shè)計一種可逆的整流電路， 當(dāng)電動車啟動或加速時， 變換器可以根據(jù)不同的需要將電能逆變成不同頻率的交流電驅(qū)動電動機(jī)； 當(dāng)汽車制動時， 多余的動能不是通過摩擦轉(zhuǎn)化為內(nèi)能損耗掉，而是通過該裝置將電動機(jī)制動時產(chǎn)生的電能整流后回

17、饋至儲能設(shè)備以供下次使用，從而實現(xiàn)節(jié)能。13 、某單位進(jìn)口設(shè)備中有一臺額定電壓110V ，功率 10KW的單相電阻爐，由于國內(nèi)單相只有220V的交流電源，為了使這臺設(shè)備的功率不超標(biāo)，想使用電力電子技術(shù)對其進(jìn)行改造，假定電阻爐的電阻值不隨溫度變化，耐壓強(qiáng)度足夠， 周期功率不得超標(biāo)使用，試設(shè)計兩隨意編輯精品文檔種單相電路滿足這一要求。要求計算出： 控制角的變化范圍；不考慮安全裕量選擇晶閘管。14 、某電力系統(tǒng)單位有一220V （直流）的蓄電池組，要進(jìn)行60A 恒流放電維護(hù)，放電終止電壓為180V ，為了有效利用能源，要求設(shè)計一有源逆變電路將能量回饋回電網(wǎng)，考慮到漏感的影響，最小逆變角min =15 ° , 試設(shè)計一個單相橋式電路滿足這一要求（電網(wǎng)電壓220V ， AC ），計算出如下參數(shù)： 電路中電阻與電感值； 安全裕量取為1 ，計算晶閘管電流定額；隨意編輯精品文檔 電路中電阻值可取大小不同的數(shù)值，對電路有何影響？