電力電子習題答案

1、第2章電力電子器件2.1 與信息電子電路中的二極管相比， 電力二極管具有怎樣的結(jié)構(gòu)特點才能使它具有耐受高 電壓和大電流的能力？解：1.電力二極管是垂直導電結(jié)構(gòu)， 使得硅片中通過電流的有效面積增大， 提高通流能力 2. 電力二極管在 P區(qū)和N區(qū)多了一層低摻雜區(qū)， 可以承受很高的電壓而不致被擊穿； 3.具有電 導調(diào)制效應。2.2 使晶閘管導通的條件是什么？答：使晶閘管導通的條件是：晶閘管承受正相陽極電壓，并在門極施加觸發(fā)電流（脈沖）?；蛘?Uak >0 且 Ugk>02.3 維持晶閘管導通的條件是什么？怎樣才能使晶閘管由導通變?yōu)殛P(guān)斷？答：維持晶閘管導通的條件是使晶閘管的電流大于能保持晶

2、閘管導通的最小電流，即維持電流。2.4 圖2 27中陰影部分為晶閘管處于通態(tài)區(qū)間的電流波形，各波形的電流最大值均為Im ,試計算各波形的電流平均值Id1,I d2,Id3與電流有效值Il, I2, I3b)Id2=0.5434 Im12=0.6741 Im5c)Id3=0.25 Im I3=0.5 ImId1、Id2、Id3 各為多2.5 .上題中如果不考慮安全裕量，問100A的晶闡管能送出的平均電流 少誕時，相應的電流最大值 Im1,Im2,Im3 各為多少？解額定電流It（av）=100A的晶閘管，允許的電流有效值I=157A,由上題計算結(jié)果知a) Im1=I/0.4767A=329.35

3、A,Id1 0.2717Im1 89.48Ab) Im2=I/0.6741 =232.90AId2=0.54341m2=126.56Ac) Im3=2I=314Id3 =0.25Im3 =78.5A2.6 .GTO和普通晶閘管同為 PNPN結(jié)構(gòu)，為什么GTO能夠自關(guān)斷，而普通晶閘管不能？ 答： GTO之所以能夠自行關(guān)斷，而普通晶閘管不能，是因為GTO與普通晶閘管在設(shè)計和工 藝方面有以下幾點不同：l)GTO在設(shè)計時o(2較大，這樣晶體管 V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷；2)GTO導通時ot1 +o(2的更接近于1,普通晶閘管0(1 +c(2之1.5，而GTO則為 o(1 +a2 士1.05 , G

4、TO的飽和程度不深，接近于臨界飽和,這樣為門極控制關(guān)斷提供了有利條 件；3)多元集成結(jié)構(gòu)使每個 GTO元陰極面積很小，門極和陰極間的距離大為縮短 ，使得P2 極區(qū)所謂的橫向電阻很小，從而使從門極抽出較大的電流成為可能。2.11 .試列舉你所知道的電力電子器件，并從不同的角度對這些電力電子器件進行分類。目 前常用的控型電力電子器件有哪些？解：1,按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：(1)半控型器件：晶閘管及其派生器件(2)全控型器件：IGBT,MOSFET , GTO,GTR(3)不可控器件：電力二極管2.按照驅(qū)動信號的波形(電力二極管除外)(1)脈沖觸發(fā)型：晶閘管及其派生器件(2)電平控制

5、型：(全控型器件)IGBT,MOSFET , GTO,GTR3,按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分為三類：(1)單極型器件：電力 MOSFET,功率SIT,肖特基二極管(2)雙極型器件：GTR,GTO,晶閘管，電力二極管等3 3) 復合型器件：IGBT,MCT,IGCT 等4 .按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：(1)電流驅(qū)動型：晶閘管， GTO, GTR等(2)電壓驅(qū)動型：電力 MOSFET,IGBT等第4章逆變電路1 .無源逆變電路和有源逆變電路有何不同？答：兩種電路的不同主要是：有源逆變電路的交流側(cè)接電網(wǎng)，即交流側(cè)接有電源。 而無源逆變電路的交流側(cè)直接和負載聯(lián)接。2 .換流

6、方式各有那幾種？各有什么特點？答：換流方式有 4種：器件換流：利用全控器件的自關(guān)斷能力進行換流。全控型器件采用此換流方式。電網(wǎng)換流：由電網(wǎng)提供換流電壓，只要把負的電網(wǎng)電壓加在欲換流的器件上即可。負載換流：由負載提供換流電壓，當負載為電容性負載即負載電流超前于負載電壓時， 可實現(xiàn)負載換流。強迫換流：設(shè)置附加換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反向電壓換流稱為強迫換流。 通常是利用附加電容上的能量實現(xiàn)，也稱電容換流。晶閘管電路不能采用器件換流，根據(jù)電路形式的不同采用電網(wǎng)換流、負載換流和強迫換流3種方式。3 .什么是電壓型逆變電路？什么是電流型逆變電路？二者各有什么特點。答：按照逆變電路直流測電源性質(zhì)

7、分類，直流側(cè)是電壓源的稱為逆變電路稱為電壓型逆變電路，直流側(cè)是電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路電壓型逆變電路的主要特點是：直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。電流型逆變電路的主要特點是：直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。電路中開關(guān)

8、器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波， 并且與負載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負載阻抗情況的不同而不同。當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用。因為反饋無功能量時直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。4電壓型逆變電路中反饋二極管的作用是什么？為什么電流型逆變電路中沒有反饋二極管？答： 在電壓型逆變電路中，當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。當輸出交流電壓和電流的極性相同時，電流經(jīng)電路

9、中的可控開關(guān)器件流通，而當輸出電壓電流極性相反時，由反饋二極管提供電流通道。在電流型逆變電路中，直流電流極性是一定的，無功能量由直流側(cè)電感來緩沖。當需要從交流側(cè)向直流側(cè)反饋無功能量時，電流并不反向，依然經(jīng)電路中的可控開關(guān)器件流通，因此不需要并聯(lián)反饋二極管。8逆變電路多重化的目的是什么？如何實現(xiàn)？串聯(lián)多重和并聯(lián)多重逆變電路各用于什么場合？答：逆變電路多重化的目的之一是使總體上裝置的功率等級提高，二是可以改善輸出電壓的波形。因為無論是電壓型逆變電路輸出的矩形電壓波，還是電流型逆變電路輸出的矩形電流波，都含有較多諧波，對負載有不利影響，采用多重逆變電路，可以把幾個矩形波組合起來獲得接近正弦波的波形。

10、逆變電路多重化就是把若干個逆變電路的輸出按一定的相位差組合起來，使它們所含的某些主要諧波分量相互抵消，就可以得到較為接近正弦波的波形。組合方式有串聯(lián)多重和并聯(lián)多重兩種方式。串聯(lián)多重是把幾個逆變電路的輸出串聯(lián)起來，并聯(lián)多重是把幾個逆變電路的輸出并聯(lián)起來。串聯(lián)多重逆變電路多用于電壓型逆變電路的多重化。并聯(lián)多重逆變電路多用于電流型逆變電路得多重化。第 6 章 交流-交流變流電路3 .交流調(diào)壓電路和交流調(diào)工電路區(qū)別是什么？二者各運用什么樣的負載？問啥？答：交流調(diào)壓電路和交流調(diào)功電路的電路形式完全相同，二者的區(qū)別在于控制方式不同。交流調(diào)壓電路是在交流電源的每個周期對輸出電壓波形進行控制。而交流調(diào)功電路是

11、將負載與交流電源接通幾個周波，再斷開幾個周波，通過改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負載所消耗的平均功率。交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制（如調(diào)光臺燈和舞臺燈光控制）及異步電動機的軟起動，也用于異步電動機調(diào)速。在供用電系統(tǒng)中，還常用于對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。此外， 在高電壓小電流或低電壓大電流直流電源中，也常采用交流調(diào)壓電路調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。如采用晶閘管相控整流電路，高電壓小電流可控直流電源就需要很多晶閘管串聯(lián)；同樣， 低電壓大電流直流電源需要很多晶閘管并聯(lián)。這都是十分不合理的。采用交流調(diào)壓電路在變壓器一次側(cè)調(diào)壓， 其電壓電流值都不太大也不太小，在變壓器二次側(cè)只要用二極管整流就可以了。這樣的電

12、路體積小、成本低、易于設(shè)計制造。交流調(diào)功電路常用于電爐溫度這樣時間常數(shù)很大的控制對象。由于控制對象的時間常數(shù)大，沒有必要對交流電源的每個周期進行頻繁控制。4 .交交變頻電路的最高輸出頻率是什么？制約輸出頻率提高的因素是什么？答：一般來講，構(gòu)成交交變頻電路的兩組變流電路的脈波數(shù)越多，最高輸出頻率就越高。當交交變頻電路中采用常用的6 脈波三相橋式整流電路時，最高輸出頻率不應高于電網(wǎng)頻率的1/31/2。當電網(wǎng)頻率為 50Hz時，交交變頻電路輸出的上限頻率為20Hz左右。當輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所包含的電網(wǎng)電壓段數(shù)減少，波形畸變嚴重，電壓波形畸變和由此引起的電流波形畸變以及電動機的轉(zhuǎn)矩脈動是限

13、制輸出頻率提高的主要因素。5 .交交變頻電路的主要特點和不足是什么？其主要用途是什么？答：交交變頻電路的主要特點是：只用一次變流效率較高；可方便實現(xiàn)四象限工作，低頻輸出時的特性接近正弦波。交交變頻電路的主要不足是：接線復雜，如采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用36 只晶閘管；受電網(wǎng)頻率和變流電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低；輸出功率因數(shù)較低；輸入電流諧波含量大，頻譜復雜。主要用途：500 千瓦或 1000 千瓦以下的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路，如軋機主傳動裝置、鼓風機、球磨機等場合。第 7 章 PWM 控制技術(shù)1 .PWM 控制基本原理？脈寬調(diào)制（ PWM ） 。 控制方式就是對逆變電路

14、開關(guān)器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次斜波諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上， 其效果基本相同。沖量既指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同。是指該環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。如把各輸出波形用傅里葉變換分析，則它們的低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。根據(jù)上面理論我們就可以用不同寬度的矩形波來代替正弦

15、波，通過對矩形波的控制來模擬輸出不同頻率的正弦波。例如，把正弦半波波形分成N 等份，就可把正弦半波看成由N 個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于n/n，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線， 各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM 波形。可以看出，各脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。對于正弦的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM 波形。2 .什么

16、是異步調(diào)制？什么是同步調(diào)制？二者各有何特點？分段同步調(diào)制有什么優(yōu)點？載波信號和調(diào)制信號不保持同步的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制。在異步調(diào)制方式中，通常保持載波頻率 fc 固定不變，因而當信號波頻率fr 變化時，載波比N 是變化的。異步調(diào)制的主要特點是：在信號波的半個周期內(nèi)，PWM 波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4 周期的脈沖也不對稱。這樣，當信號波頻率較低時，載波比N 較大，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)較多，正負半周期脈沖不對稱和半周期內(nèi)前后 1/4 周期脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小，PWM 波形接近正弦波。而當信號波頻率增高時，載波比N 減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，

17、PWM 脈沖不對稱的影響就變大，有時信號波的微小變化還會產(chǎn)生PWM 脈沖的跳動。這就使得輸出PWM 波和正弦波的差異變大。對于三相PWM 型逆變電路來說，三相輸出的對稱性也變差。載波比N 等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步的方式稱為同步調(diào)制。同步調(diào)制的主要特點是：在同步調(diào)制方式中，信號波頻率變化時載波比N 不變，信號波一個周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。當逆變電路輸出頻率很低時，同步調(diào)制時的載波頻率fc 也很低。fc 過低時由調(diào)制帶來的諧波不易濾除。當負載為電動機時也會帶來較大的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲。當逆變電路輸出頻率很高時，同步調(diào)制時的載波頻率fc 會過高，使開關(guān)器件難以承受。此外，同步調(diào)制方式比異步調(diào)制方式復雜一些。分段同步調(diào)制是把逆變電路的輸出頻率劃分為若干段，每個頻段的載波比一定，不同頻段采用不同的載波比。其優(yōu)點主要是，在高頻段采用較低的載波比，使載波頻率不致過高，可限制在功率器件允許的范圍內(nèi)。而在低頻段采用較高的載波比，以使載波頻率不致過低而對負載產(chǎn)生不利影響。6 .什么事SPWM 波形的規(guī)則化采樣法？和自然采樣法比規(guī)則采樣法有什么優(yōu)點？規(guī)則采樣法是一種在采用微機實現(xiàn)時實用的PWM 波形生成