電力電子學 復習題及思考題

1、第4章 復習題及思考題 1、第n次諧波系數(shù)HFn為第n次諧波分量有效值同基波分量有效值之比；總諧波系數(shù)THD定義為：畸變系數(shù)DF定義為：對于第n次諧波的畸變系數(shù)DFn有：諧波系數(shù)HF顯示了諧波含量，但它并不能反映諧波分量對負載的影響程度。很顯然，逆變電路輸出端的諧波通過濾波器時，高次諧波將衰減得更厲害，畸變系數(shù)DF可以表征經(jīng)LC濾波后負載電壓波形還存在畸變的程度。 2、（1）逆變電路中一般采用SPWM控制方法以減小輸出電壓波形中的諧波含量，需要開關器件工作在高頻狀態(tài)，SCR是一種低頻器件，因此不適合這種工作方式。 （2）SCR不能自關斷。而逆變器的負載一般是電感、電容、電阻等無源元件

2、，除了特殊場合例如利用負載諧振進行換流，一般在電路中需要另加強迫關斷回路才能關斷SCR，電路較復雜。因此SCR一般不適合用于逆變器中。 3、 圖中二極管起續(xù)流和箝位作用，在一個周期中二極管和晶體管導電時間由三極管驅動信號和負載電流Ia的方向共同決定，在純阻性負載時可以不用二極管D。純電感負載時，在0tT0/2<期間，對于全橋逆變電路有v=VD，對半橋電路，Ia線性上升；在T0/2TtT0<期間， Ia線性下降；故電流Ia是三角波。 4、有單脈波脈寬調制法、正弦脈寬調制法（SPWM）、基波移相控制法等。單脈波脈寬調制法缺點是諧波含量不能有效控制；SPWM法既可控制輸出電壓的大小，又可

3、消除低次諧波；移相控制一般用于大功率逆變器。 5、正弦脈寬調制SPWM的基本原理是沖量等效原理：大小、波形不相同的窄變量作用于慣性系統(tǒng)時，只要其沖量即變量對時間的積分相等，其作用效果基本相同。如果將正弦波周期分成多個較小的時間段，使PWM電壓波在每一時間段都與該段的正弦電壓沖量相等，則不連續(xù)的按正弦規(guī)律改變寬度的多段波電壓就等效于正弦電壓。 載波比N定義為三角載波頻率和正弦調制波頻率之比；電壓調制系數(shù)M是正弦調制波幅值和三角波幅值之比。改變調制比M，即可成比例的調控輸出電壓的基波大小。改變調制波頻率，即可調控輸出電壓的基波頻率，改變調制波電壓幅值可以改變調制比M，從而可以改變交流輸出基波電壓1

4、V的大小。如果要改變輸出基波的相位，僅需改變正弦調制波的相位即可。 6、SPWM調制中，當載波比遠大于基波頻率且不過調制，如果調制比相同但載波比不同時，由于，因此兩種情況下輸出基波電壓是一致的。但是兩種情況下輸出電壓的諧波是有差異的，而且較小載波比對應的輸出電壓諧波頻率更低。 7、對于SPWM，當出現(xiàn)過調制時，對應的調制比M1，此時正弦調制波幅值超過三角載波幅值，可能在多個載波周期內都和三角波沒有交點，開關頻率會急劇下降，同時等效調制波不再是原來的理想正弦波，而是在正弦波峰處出現(xiàn)平頂?shù)牟ㄐ?，由于因此逆變器輸出電壓波形也是正弦波峰處出現(xiàn)平頂?shù)牟ㄐ?，該波形含有很多低頻諧波分量，當然對應的輸出電壓基

5、波分量比沒有過調制時要大一些。 8、進行SPWM調制時，通常令載波比為整數(shù)，這種調制方式稱為同步調制。當載波比不是整數(shù)時，稱為異步調制。在異步調制時諧波的頻率一般不再是基波的整數(shù)倍，這種非基波整數(shù)倍頻的諧波被稱為次諧波。如果載波比較高，次諧波的頻率也較高，次諧波的影響可以不用單獨考慮。但在載波比很低的應用場合，由于載波頻率離基波頻率很近，所以載波頻率處的邊頻帶諧波將會延伸到很低的頻段，有可能產(chǎn)生低于基波頻率甚至接近零赫茲的次諧波。這種低頻次諧波很難濾除，而且對裝置運行非常不利。所以低載波比的應用場合必須使用同步調制，而且最好令載波比是奇數(shù)，因為奇數(shù)載波比可以保證最低次諧波至少是三倍基波頻率。

6、9、可以獲得圖4.11所示的相同調制效果。開關管驅動脈沖按照下圖產(chǎn)生。 10、如下圖所示，為單極性倍頻不對稱規(guī)則采樣時的過程圖，vr與-vr是調制波，vc是周期為TS幅值為Vcm的三角波。在采樣周期的起始時刻t1取樣調制波的大小，并分別為高作水平線，該水平線和載波的交點時刻對應脈沖的前沿時刻ta與t4。在采樣周期的中點時刻t2取樣調制波的大小，并為高作水平線，該水平線和載波的交點時刻對應脈沖的后沿時刻tb與t5。由圖可知：相應的占空比為：一般情況下，Ta不等于Tb，所以每個采樣周期內的脈沖波形相對于采樣周期中點時刻t2是不對稱的，故稱之為不對稱規(guī)則采樣。有時候在一個采樣周期內僅在t1或t2時刻

7、進行一次采樣，該采樣值既用于計算Ta也用于計算Tb，這時的脈沖波形顯然對于采樣周期的中點時刻t2對稱，故稱為對稱規(guī)則采樣。11、引入了逆變器輸出電壓的閉環(huán)反饋調節(jié)控制系統(tǒng)如下圖所示，V1*為輸出基波電壓有效值的指令值，V1為輸出基波電壓有效值的實測反饋值。電壓偏差經(jīng)電壓調節(jié)器VR輸出調制電壓波的幅值Vrm。Vrm與調制波的頻率fr共同產(chǎn)生三相調制波正弦電壓，它們與雙極性三角載波電壓相比較產(chǎn)生驅動信號，控制各個全控型開關器件的通斷，從而控制逆變器輸出的三相交流電壓。 當V1<V1*時，電壓調節(jié)器VR輸出的Vrm增大，M值增大，使輸出電壓各脈波加寬，輸出電壓V1增大到給定值V1*；反之當V1

8、>V1*時，Vrm減小，M值減小，使輸出電壓V1減小到V1*。如果電壓調節(jié)器VR為PI調節(jié)器（無靜態(tài)誤差），則可使穩(wěn)態(tài)時保持V1V1*。因此當電源電壓Vd改變或負載改變而引起輸出電壓偏離給定值時，通過電壓閉環(huán)控制可時輸出電壓V1跟蹤并保持為給定值V1*。12、如下圖所示，為單極性倍頻不對稱規(guī)則采樣時的過程圖，vr與vr是調制波，vc是周期為TS幅值為Vcm的三角波。在采樣周期的起始時刻t1取樣調制波的大小，并分別為高作水平線，該水平線和載波的交點時刻對應脈沖的前沿時刻ta與t4。在采樣周期的中點時刻t2取樣調制波的大小，并為高作水平線，該水平線和載波的交點時刻對應脈沖的后沿時刻tb與t5

9、。由圖可知：一般情況下，Ta不等于Tb，所以每個采樣周期內的脈沖波形相對于采樣周期中點時刻t2是不對稱的，故稱之為不對稱規(guī)則采樣。有時候在一個采樣周期內僅在t1或t2時刻進行一次采樣，該采樣值既用于計算Ta也用于計算Tb，這時的脈沖波形顯然對于采樣周期的中點時刻t2對稱，故稱為對稱規(guī)則采樣。 13、 在正弦基波調制波vr中注入三次諧波得到新的調制波由于三次諧波的注入，在某些情況下即使vr的峰值vrm超過三角波幅值（基波M1），但只要vr3的最大值不超三角波峰值，仍然不會過產(chǎn)生調制，而基波輸出電壓又可以提高。但由于調制波中含三次諧波，所以輸出電壓的低頻段將既含有所需要的基波電壓又含有不希望存在的

10、且與vi3調制比對應大小的三次諧波電壓。不過在三相無中線系統(tǒng)中，如果每相的調制波基波中都注入同樣的三次諧波vi3，那么雖然每相輸出電壓vAO、vBO、vCO中都含有同樣大小和相位的三次諧波，但由于諧波抵消效應，線電壓vAB、vBC、vCA中不會出現(xiàn)三次諧波，所以三次諧波電壓不會產(chǎn)生負載電流，對負載的正常工作也不會帶來任何影響。 如果三相調制波具有如下形式：輸出線電壓基波峰值可以提高到直流電壓VD而不過調制，這時的基波調制比M可達約1.15。14、可采用從逆變器的6個處于空間特定位置的開關狀態(tài)矢量中，選擇兩個相鄰的矢量與零矢量合成一個等效的旋轉空間矢量Vr。通過調控Vr的大小和旋轉速度

11、，來調節(jié)三相逆變器輸出電壓的大小和頻率，這就是電壓空間矢量PWM方法。將圖4-23中的 360°區(qū)域劃分為6個60°的扇區(qū)，如果要求Vr的相位角tw為任意指令值，則可用矢量Vr所在的扇區(qū)邊界的那兩個相鄰的特定矢量Vx、Vy來合成矢量Vr，即可用逆變器的3個開關狀態(tài)x、y、0在一個周期Ts中各自存在Tx、Ty、T0時間來合成等效的任意位置的空間矢量Vr（存在時間為Ts），即：由該式可求出。當直流電壓一定時，通過調節(jié)零矢量作用時間，可調控輸出電壓大小。時間大，輸出電壓將減小。一定的時間決定了輸出電壓Vr具有一定的相位角和電壓大小。 15、復合結構逆變器采用多個三相橋式

12、逆變電路，每個開關都按180°導電方式工作，每個三相橋逆變電路輸出線電壓都是120°方波。令各個三相橋式逆變器的同一相（例如A相）的輸出電壓彼此相差一定的相位角，通過幾個變壓器將各個三相逆變器的輸出電壓復合相加后輸出一個總逆變電壓，適當?shù)脑O計各個變壓器的變比和付方電壓的連接方式，并安排各逆變器輸出電壓的相差角，就可以消除總的輸出電壓中的3、5、7、11、13等低次諧波。圖4.26中的12階梯波可以用三個脈寬分別為180°、120°、60°，高度分別為、的矩形波疊加得到。利用式將三個矩形波的傅里葉級數(shù)展開，疊加后即可得到12階梯波的傅里葉級數(shù)表達

13、式如下：16、多重化技術是通過將功率單元有機組合起來以提高裝置容量，通過將功率單元的輸出波形組合成適當?shù)碾A梯波以改善輸出波形，同時又擴大了輸出電壓和電流。采用PWM調壓可以直接改變輸出電壓的大小，采用多重化結構可以在較低的開關頻率和較小的開關損耗下擴大變流器輸出電壓、功率。兩者結合在一起可以獲得更好的效果。17、Da1、Da2可以用來形成1狀態(tài)，即該橋臂對中點O電壓為零。另外，在0、2狀態(tài)時，Da1、Da2還可以用來防止電容C1、C2被短路放電。 由于分壓電容C1、C2的電壓各為VD/2，鉗位二極管Da1、Da2把開關器件的端電壓限制到DV/2，所以開關器件所承受的反壓最大是DV/2。 A、B、C每個橋臂都有三種開關狀態(tài)，故整個三相三電平逆變器共有27種開關狀態(tài)。18、逆變器的類型有： （1） 電壓型和電流型逆變器； （2） 恒頻恒壓正弦波和方波逆變器、變頻變壓逆變器、高頻脈沖電壓（電流）逆變器； （3） 單相半橋、單相全橋、推挽式、三相橋式逆變器；