電力電子第三版習(xí)題及解答

1、第1章 復(fù)習(xí)題及思考題解答1.1 電力技術(shù)、電子技術(shù)和電力電子技術(shù)三者所涉及的技術(shù)內(nèi)容和研究對(duì)象是什么？三者的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用主要依賴什么電氣設(shè)備和器件？答：電力技術(shù)涉及的技術(shù)內(nèi)容：發(fā)電、輸電、配電及電力應(yīng)用。其研究對(duì)象是：發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)、輸配電線路等電力設(shè)備，以及利用電力設(shè)備來處理電力電路中電能的產(chǎn)生、傳輸、分配和應(yīng)用問題。其發(fā)展依賴于發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)、輸配電系統(tǒng)。其理論基礎(chǔ)是電磁學(xué)(電路、磁路、電場(chǎng)、磁場(chǎng)的基本原理)，利用電磁學(xué)基本原理處理發(fā)電、輸配電及電力應(yīng)用的技術(shù)統(tǒng)稱電力技術(shù)。電子技術(shù)，又稱為信息電子技術(shù)或信息電子學(xué)，研究內(nèi)容是電子器件以及利用電子器件來處理電子電路中電信號(hào)

2、的產(chǎn)生、變換、處理、存儲(chǔ)、發(fā)送和接收問題。其研究對(duì)象:載有信息的弱電信號(hào)的變換和處理。其發(fā)展依賴于各種電子器件（二極管、三極管、MOS管、集成電路、微處理器電感、電容等）。電力電子技術(shù)是一門綜合了電子技術(shù)、控制技術(shù)和電力技術(shù)的新興交叉學(xué)科。它涉及電力電子變換和控制技術(shù)技術(shù)，包括電壓（電流）的大小、頻率、相位和波形的變換和控制。研究對(duì)象：半導(dǎo)體電力開關(guān)器件及其組成的電力開關(guān)電路，包括利用半導(dǎo)體集成電路和微處理器芯片構(gòu)成信號(hào)處理和控制系統(tǒng)。電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用主要依賴于半導(dǎo)體電力開關(guān)器件。1.2 為什么三相交流發(fā)電機(jī)或公用電網(wǎng)產(chǎn)生的恒頻、恒壓交流電，經(jīng)電壓、頻率變換后再供負(fù)載使用，有可能獲得更

3、大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益？答：用電設(shè)備的類型、功能千差萬別，對(duì)電能的電壓、頻率、波形要求各不相同。為了滿足一定的生產(chǎn)工藝和流程的要求，確保產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低能源消耗、提高經(jīng)濟(jì)效益，若能將電網(wǎng)產(chǎn)生的恒頻、恒壓交流電變換成為用電負(fù)載的最佳工況所需要的電壓、頻率或波形，有可能獲得更大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。例如：若風(fēng)機(jī)、水泵全部采用變頻調(diào)速技術(shù)，每年全國可以節(jié)省幾千萬噸以上的煤，或者可以少興建上千萬千瓦的發(fā)電站。若采用高頻電力變換器對(duì)熒光燈供電，不僅電-光轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高、光質(zhì)顯著改善、燈管壽命延長35倍、可節(jié)電50%，而且其重量僅為工頻電感式鎮(zhèn)流器的10%。高頻變壓器重量、體積比工頻變壓器小得多，可

4、以大大減小鋼、銅的消耗量。特別在調(diào)速領(lǐng)域，與古老的變流機(jī)組相比，在鋼銅材消耗量、重量、體積、維護(hù)、效率、噪音、控制精度和響應(yīng)速度等方面優(yōu)勢(shì)明顯。1.3 開關(guān)型電力電子變換有哪四種基本類型？答：有如下四種電力變換電路或電力變換器，如圖所示：(1) 交流（A.C）直流（D.C）整流電路或整流器；(2) 直流（D.C）交流（A.C）逆變電路或逆變器；(3) 直流（D.C）直流（D.C）電壓變換電路，又叫直流斬波電路、直流斬波器； (4) 交流（A.C）交流（A.C）電壓和/或頻率變換電路：僅改變電壓的稱為交流電壓變換器或交流斬波器，頻率、電壓均改變的稱為直接變頻器。1.4 圖1.6(a)所示的開關(guān)電

5、路實(shí)現(xiàn)DC/AC逆變變換的基本原理是什么？從開關(guān)電路的輸出端C、D能否直接獲得理想的正弦基波電壓？直流電源輸出到開關(guān)電路輸入端A、B的直流電流是否為無脈動(dòng)連續(xù)的直流電流？答：（1） DC/AC逆變電路的可以采用三種控制方案：A、180°方波；B、小于180°單脈沖方波；C、PWM控制?；驹矸謩e如下：A、 180°方波。當(dāng)要求輸出交流電的頻率為時(shí)，在半周期內(nèi)使S1、S4導(dǎo)通，S2、S3阻斷，則逆變電路輸出電壓；令隨后的時(shí)間內(nèi)S2、S3導(dǎo)通，S1、S4阻斷，則逆變電路輸出電壓為負(fù)的電源電壓（）。因此是頻率為、幅值為的交流方波電壓，如圖1.6(b)所示。對(duì)進(jìn)行傅立葉

6、分解，得到其基波電壓有效值為，大小取決于直流電源的電壓；基波角頻率，取決于開關(guān)的工作頻率。其中含有大量的高次諧波經(jīng)濾去后，負(fù)載可獲得正弦交流基波電壓。B、 小于180°單脈沖方波。類似180°方波控制，但是僅在半周的一部分時(shí)間內(nèi)讓相應(yīng)的開關(guān)導(dǎo)通，則將是導(dǎo)電時(shí)間小于T/2，導(dǎo)電寬度角小于的矩形波，如圖1.6(c)所示進(jìn)行傅立葉分解，得到基波電壓有效值為 或 。顯然，控制導(dǎo)通時(shí)間可以控制輸出電壓基波大小，而輸出電壓的頻率f仍取決于開關(guān)工作頻率。C、 若采用高頻開關(guān)PWM控制策略，則交流輸出電壓為圖1.6(d)所示的脈沖寬度調(diào)制（PWM）的交流電壓，輸出電壓波形更接近正弦波且其中

7、諧波電壓的頻率較高，只需要很小的濾波就可得到正弦化的交流電壓。其性能遠(yuǎn)優(yōu)于單脈波的方波逆變方案。（2） 不能直接獲得理想的正弦基波電壓。（3） 是有脈動(dòng)非連續(xù)的直流電流，正因?yàn)檫@樣，所以在直流側(cè)串聯(lián)了濾波器。1.5 開關(guān)型電力電子變換器有那些基本特性？答：（1） 變換器的核心是一組開關(guān)電路，開關(guān)電路輸出端電壓和開關(guān)電路輸入端電流都不可能是理想的直流或無畸變的正弦基波交流，含有高次諧波。（2） 要改善變換電路的輸出電壓和輸入電流的波形，可以在其輸出、輸入端附加LC濾波電路；但是最有效方法是采用高頻PWM控制技術(shù)。（3） 電力電子變換器工作時(shí)，開關(guān)器件不斷進(jìn)行周期性通、斷狀態(tài)的依序轉(zhuǎn)換，為使輸出電

8、壓接近理想的直流或正弦交流，一般應(yīng)對(duì)稱地安排一個(gè)周期中不同的開關(guān)狀態(tài)及持續(xù)時(shí)間。因此對(duì)其工作特性的常用分析方法或工具是：開關(guān)周期平均值（狀態(tài)空間平均法）和傅立葉級(jí)數(shù)。1.6 開關(guān)型電力變換器有哪兩類應(yīng)用領(lǐng)域？說明開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器能輸出指令所要求的任意頻率、波形的電壓、電流的基本原理。答：（1）開關(guān)型電力變換器按功能可分為兩大應(yīng)用領(lǐng)域：A、開關(guān)型電力電子變換電源或簡稱開關(guān)電源。由半導(dǎo)體開關(guān)電路將輸入電源變換為另一種電源給負(fù)載供電。這一類應(yīng)用現(xiàn)在已經(jīng)十分廣泛。B、 開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器。它又分為兩種類型：電壓、電流（有功功率、無功功率）補(bǔ)償控制器和阻抗補(bǔ)償控制器。它們或向電網(wǎng)輸出所要求

9、的補(bǔ)償電壓或電流，或改變并聯(lián)接入、串聯(lián)接入交流電網(wǎng)的等效阻抗，從而改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。這類應(yīng)用將導(dǎo)致電力系統(tǒng)的革命并推動(dòng)電力電子技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展。（2）開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器能輸出指令所要求的任意頻率、波形的電壓、電流的基本原理如下：圖1.10(a)電路中，周期性的控制四個(gè)開關(guān)管的通、斷狀態(tài)，在一個(gè)開關(guān)周期中，可輸出圖1.10（b）所示的PWM矩形波電壓，在期間電壓，在期間。在一個(gè)周期時(shí)期中，的平均值為，即圖中矩形波電壓。若開關(guān)管通、斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換的開關(guān)頻率很高，即周期很小，則實(shí)際輸出脈寬為，幅值為的電壓與脈寬為，幅值為平均值電壓都是歷時(shí)很短的脈沖電壓。采樣控制理論中的脈沖量等效原

10、理是：兩個(gè)波形不同的窄脈沖電壓、，只要在同一時(shí)期中，其脈沖量積分值相等，則它們作用于同一個(gè)慣性系統(tǒng)，如電路時(shí)的響應(yīng)是等效的，因此開關(guān)電路在整個(gè)開關(guān)周期時(shí)期中輸出的可等效為幅值為，歷時(shí)的電壓瞬時(shí)值。如果要求開關(guān)電路輸出圖1.10（c）中所示波形的指令電壓，即在瞬間指令電壓為，則在以點(diǎn)為中心的一個(gè)開關(guān)周期中，控制開關(guān)管的通、斷狀態(tài)及其導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間，使占空比，使平均電壓，即周期中的占空比，以此控制圖1.10（a）中的通斷狀態(tài)，使，即可使輸出電壓跟蹤任意頻率、波形、相位的指令電壓值。采用圖1.10（a）所示開關(guān)型變流器也能向電網(wǎng)輸出任意波形的指令電流。為此，原理上只要在控制系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)電流閉環(huán)控制

11、環(huán)節(jié)，實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出電流并與指令值相比較，將差值經(jīng)電流調(diào)節(jié)器輸出一個(gè)控制電壓，調(diào)控占空比，當(dāng)時(shí)，控制電壓增大，使增大，導(dǎo)致加大，加大，使跟蹤，達(dá)到。反之，當(dāng)時(shí)，控制電壓減小，使占空比減小，減小，減小，跟蹤指令值，達(dá)到。因此，只要根據(jù)指令電流的正、負(fù)數(shù)值，實(shí)時(shí)、適式地調(diào)控各開關(guān)管的通、斷狀態(tài)及相應(yīng)的占空比值，就可使開關(guān)電路輸出指令所要求的任意頻率、波形、相位的電流。第2章 復(fù)習(xí)題及思考題解答2.1 說明半導(dǎo)體PN結(jié)單向?qū)щ姷幕驹砗挽o態(tài)伏-安特性。答：PN結(jié)半導(dǎo)體二極管在正向電壓接法下（簡稱正偏），外加電壓所產(chǎn)生的外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，因此PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)被削弱。內(nèi)電場(chǎng)所引起的多數(shù)載流子的漂移運(yùn)

12、動(dòng)被削弱，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻力減小了，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)超過了反方向的漂移運(yùn)動(dòng)。大量的多數(shù)載流子能不斷地?cái)U(kuò)散越過交界面，P區(qū)帶正電的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)帶負(fù)電的電子向P區(qū)擴(kuò)散。這些載流子在正向電壓作用下形成二極管正向電流。二極管導(dǎo)電時(shí)，其PN結(jié)等效正向電阻很小，管子兩端正向電壓降僅約1V左右（大電流硅半導(dǎo)體電力二極管超過1V，小電流硅二極管僅0.7V，鍺二極管約0.3V）。這時(shí)的二極管在電路中相當(dāng)于一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)（通態(tài)）的開關(guān)。PN結(jié)半導(dǎo)體二極管在反向電壓接法下（簡稱反偏）外加電壓所產(chǎn)生的外電場(chǎng)與原內(nèi)電場(chǎng)方向相同。因此外電場(chǎng)使原內(nèi)電場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng)。多數(shù)載流子（P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子）的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)更難

13、于進(jìn)行。這時(shí)只有受光、熱激發(fā)而產(chǎn)生的少數(shù)載流子（P區(qū)的少數(shù)載流子電子和N區(qū)的少數(shù)載流子空穴）在電場(chǎng)力的作用下產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)。因此反偏時(shí)二極管電流極小。在一定的溫度下，二極管反向電流在一定的反向電壓范圍內(nèi)不隨反向電壓的升高而增大，為反向飽和電流。因此半導(dǎo)體PN結(jié)呈現(xiàn)出單向?qū)щ娦?。其靜態(tài)伏安特性曲線如左圖曲線所示。但實(shí)際二極管靜態(tài)伏安特性為左圖的曲線。二極管正向?qū)щ姇r(shí)必須外加電壓超過一定的門坎電壓（又稱死區(qū)電壓），當(dāng)外加電壓小于死區(qū)電壓時(shí)，外電場(chǎng)還不足以削弱PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)，因此正向電流幾乎為零。硅二極管的門坎電壓約為0.5V，鍺二極管約為0.2V，當(dāng)外加電壓大于后內(nèi)電場(chǎng)被大大削弱，電流才會(huì)迅速上升。二

14、極管外加反向電壓時(shí)僅在當(dāng)外加反向電壓不超過某一臨界擊穿電壓值時(shí)才會(huì)使反向電流保持為反向飽和電流。實(shí)際二極管的反向飽和電流是很小的。但是當(dāng)外加反向電壓超過后二極管被電擊穿，反向電流迅速增加。 2.2 說明二極管的反向恢復(fù)特性。答：由于PN結(jié)間存在結(jié)電容C，二極管從導(dǎo)通狀態(tài)（C很大存儲(chǔ)電荷多）轉(zhuǎn)到截止阻斷狀態(tài)時(shí)，PN結(jié)電容存儲(chǔ)的電荷并不能立即消失，二極管電壓仍為12V，二極管仍然具有導(dǎo)電性，在反向電壓作用下，反向電流從零增加到最大值，反向電流使存儲(chǔ)電荷逐漸消失，二極管兩端電壓降為零。這時(shí)二極管才恢復(fù)反向阻斷電壓的能力而處于截止?fàn)顟B(tài)，然后在反向電壓作用下，僅流過很小的反向飽和電流。因此，二極管正向?qū)?/p>

15、電電流為零后它并不能立即具有阻斷反向電壓的能力，必須再經(jīng)歷一段反向恢復(fù)時(shí)間后才能恢復(fù)其阻斷反向電壓的能力。2.3 說明半導(dǎo)體電力三極管BJT處于通態(tài)、斷態(tài)的條件。答：電力三極管BJT處于通態(tài)的條件是：注入三極管基極的電流大于基極飽和電流（已知三極管的電流放大系數(shù)，有）。這時(shí)三極管、導(dǎo)電性很強(qiáng)而處于最小等效電阻、飽和導(dǎo)電狀態(tài)，可以看作是一個(gè)閉合的開關(guān)。BJT處于斷態(tài)的條件是：基極電流為零或是施加負(fù)基極電流，即。這時(shí)BJT的等效電阻近似為無限大而處于斷態(tài)。2.4 電力晶體管BJT的四個(gè)電壓值、和的定義是什么？其大小關(guān)系如何？答：、和分別為不同基極狀態(tài)下的三極管集-射極擊穿電壓值： 定義為基極反偏時(shí)

16、，三極管集-射極電壓擊穿值；為基極短接、基極電壓為0時(shí)，三極管集-射極電壓擊穿值；為基極接有電阻短路時(shí)的集-射極擊穿電壓值要；為基極開路時(shí)集-射極擊穿電壓值。其大小關(guān)系為：。2.5 說明晶閘管的基本工作原理。在哪些情況下，晶閘管可以從斷態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥☉B(tài)？已處于通態(tài)的晶閘管，撤除其驅(qū)動(dòng)電流為什么不能關(guān)斷，怎樣才能關(guān)斷晶閘管？答：基本工作原理：見課本p36-37；應(yīng)回答出承受正向壓、門極加驅(qū)動(dòng)電流時(shí)的管子內(nèi)部的正反饋過程，使不斷增大，最后使，很大，晶閘管變成通態(tài)；撤去門極電流后由于，仍可使很大，保持通態(tài)。有多種辦法可以使晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。常用的辦法是門極觸發(fā)導(dǎo)通和光注入導(dǎo)通。另外正向過電壓、高溫

17、、高的都可能使晶閘管導(dǎo)通，但這是非正常導(dǎo)通情況。要使晶閘管轉(zhuǎn)入斷態(tài)，應(yīng)設(shè)法使其陽極電流減小到小于維持電流，通常采用使其陽極A與陰極K之間的電壓為零或反向。2.6 直流電源電壓220V，經(jīng)晶閘管T對(duì)負(fù)載供電。負(fù)載電阻20，電感=1H，晶閘管擎住電流=55mA，維持電流=22mA，用一個(gè)方波脈沖電流觸發(fā)晶閘管。試計(jì)算： 如果負(fù)載電阻20，觸發(fā)脈沖的寬度為300s，可否使晶閘管可靠地開通？ 如果晶閘管已處于通態(tài)，在電路中增加一個(gè)1K的電阻能否使晶閘管從通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)？ 為什么晶閘管的擎住電流比維持電流大？答：(1) 設(shè)晶閘管開通：，由此可解出：當(dāng)時(shí)，所以可以使晶閘管可靠導(dǎo)通。(2) 加入1K電阻后，有

18、，不能使晶閘管由通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。(3) 為什么晶閘管的擎住電流比維持電流大：擎住電流和維持電流都是在撤去門極驅(qū)動(dòng)電流的條件下定義的，因此陽極電流。但維持電流是在通態(tài)時(shí)考慮的，此時(shí)管子已工作在較大電流狀態(tài)下，管內(nèi)結(jié)溫較高，此時(shí)的PN結(jié)漏電流Io隨結(jié)溫增大，導(dǎo)通能力強(qiáng)，因此必須要降低才能關(guān)斷晶閘管；而擎住電流是在斷態(tài)向通態(tài)變化時(shí)定義的，開始有驅(qū)動(dòng)信號(hào)但未完全導(dǎo)通時(shí)，晶閘管工作時(shí)間短，結(jié)溫低，PN結(jié)漏電流Io不大，導(dǎo)通能力弱，需要較大的陽極電流才能使管子開通。2.7 額定電流為10A的晶閘管能否承受長期通過15A的直流負(fù)載電流而不過熱？答：額定電流為10A的晶閘管能夠承受長期通過15A的直流負(fù)載電流而

19、不過熱。因?yàn)榫чl管的額定電流是定義的：在環(huán)境溫度為40和規(guī)定的散熱冷卻條件下，晶閘管在電阻性負(fù)載的單相、工頻正弦半波導(dǎo)電、結(jié)溫穩(wěn)定在額定值125時(shí)，所對(duì)應(yīng)的通態(tài)平均電流值。這就意味著晶閘管可以通過任意波形、有效值為1.57的電流，其發(fā)熱溫升正好是允許值，而恒定直流電的平均值與有效值相等，故額定電流為10A的晶閘管通過15.7A的直流負(fù)載電流，其發(fā)熱溫升正好是允許值。2.8 說明GTO的關(guān)斷原理。答：在GTO的設(shè)計(jì)制造時(shí)，等效晶體管T2的集電極電流分配系數(shù)a2較大。當(dāng)GTO處于通態(tài)時(shí)，突加一個(gè)負(fù)觸發(fā)電流-Ig，使a2減小， 1-a2變大，急劇減小，就是陽極電流急劇減小，又導(dǎo)致電流分配系數(shù)a2和a

20、1減小，使急劇減小，又使、減小。在這種循環(huán)不已的正反饋?zhàn)饔孟?，最終導(dǎo)致GTO陽極電流減小到維持電流以下，GTO從通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。2.9 說明PMOSFET柵極電壓控制漏極電流的基本原理。答：當(dāng)右圖中P-MOSFET漏源極間電壓為零、柵源極之間電壓也為零時(shí)，N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體之間要形成PN結(jié)空間電荷區(qū)（耗盡層）阻擋層，此時(shí)G-S之間和D-S之間都是絕緣的。當(dāng)漏極D與源極S之間有外加電壓時(shí)，如果柵極、源極外加電壓=0，由于漏極D(N1)與源極S(N2)之間是兩個(gè)背靠背的PN結(jié)(PN1、PN2)，無論是正向電壓還是負(fù)電壓，都有一個(gè)PN結(jié)反偏，故漏源極之間也不可能導(dǎo)電。當(dāng)柵、源極之間外加正向電壓0時(shí)

21、，在G-P之間形成電場(chǎng)，在電場(chǎng)力的作用下P區(qū)的電子移近G極，或者說柵極G的正電位吸引P區(qū)的電子至鄰近柵極的一側(cè)，當(dāng)增大到超過某一值值時(shí)，N1和N2中間地區(qū)靠近G極處被G極正電位所吸引的電子數(shù)超過該處的空穴數(shù)以后，柵極下面原空穴多的P型半導(dǎo)體表面就變成電子數(shù)目多的N型半導(dǎo)體表層，柵極下由柵極正電位所形成的這個(gè)N型半導(dǎo)體表層感生了大量的電子載流子，形成一個(gè)電子濃度很高的溝道（稱為N溝道），這個(gè)溝道將N1和N2兩個(gè)N區(qū)聯(lián)在一起，又使N1P這個(gè)被反偏的PN結(jié)J1消失，成為漏極D和源極S之間的導(dǎo)電溝道，一旦漏源之間也有正向電壓，就會(huì)形成漏極電流。在=0時(shí)，不能產(chǎn)生電流，=0，僅在增大到=以后，才使G-P

22、之間的外電場(chǎng)增強(qiáng)，形成自由電子導(dǎo)電溝道，才能產(chǎn)生漏極電流，這種改變柵極G和源極S之間外加電壓，即可控制漏極電流的作用稱為電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。2.10 作為開關(guān)使用時(shí)PMOSFET器件主要的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？答：作為開關(guān)使用時(shí)，PMOSFET器件的優(yōu)點(diǎn)是：輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡單，工作頻率高；其缺點(diǎn)是：通態(tài)壓降大（通態(tài)損耗大），電壓、電流定額低。2.11 列表比較BJT、SCR、GTO、PMOSFET、IGBT、MCT六種可控開關(guān)器件對(duì)觸發(fā)（或驅(qū)動(dòng)）電流（或電壓）波形的要求，及主要優(yōu)缺點(diǎn)。答：表 BJT SCR GTO P MOSFET IGBT MCT 的對(duì)比器 件對(duì)觸發(fā)信號(hào)波形的要求開關(guān)頻

23、率單極或雙極主要優(yōu)點(diǎn)主要缺點(diǎn)BJT（電流型全控器件）正持續(xù)基極電流控制開通；基極電流為0則關(guān)斷中雙極通態(tài)壓降小，通態(tài)損耗小驅(qū)動(dòng)功率大；頻率低SCR（電流型半控器件）正脈沖門極電流控制開通；觸發(fā)信號(hào)不能控制關(guān)斷低雙極通態(tài)壓降小，通態(tài)損耗小驅(qū)動(dòng)功率大，頻率低GTO（電流型全控器件）正脈沖門極電流控制開通；負(fù)脈沖門極電流（較大）控制關(guān)斷低雙極通態(tài)壓降小，通態(tài)損耗小驅(qū)動(dòng)功率大，頻率低P MOSFET（電壓型全控器件）正持續(xù)柵極電壓控制開通；負(fù)持續(xù)柵極電壓控制并保持關(guān)斷高單極輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡單，工作頻率高通態(tài)壓降大（通態(tài)損耗大）電壓、電流定額低IGBT（電壓型全控器件）正持續(xù)柵極電壓控

24、制開通；負(fù)持續(xù)柵極電壓控制并保持關(guān)斷較高雙極輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡單，工作頻率高通態(tài)壓降大（通態(tài)損耗大）MCT（電壓型全控器件）正脈沖電壓控制開通；負(fù)脈沖電壓控制關(guān)斷較高（低于IGBT)雙極輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡單，工作頻率高通態(tài)壓降大（通態(tài)損耗大）2.12 21世紀(jì)電力電子開關(guān)器件最可能的重大技術(shù)發(fā)展是什么？答：21世紀(jì)電力電子開關(guān)器件最可能的重大技術(shù)發(fā)展是將半導(dǎo)體電力開關(guān)器件與其驅(qū)動(dòng)、緩沖、監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)等所有硬件集成一體，構(gòu)成一個(gè)功率集成電路PIC。PIC器件把電力電子變換和控制系統(tǒng)中盡可能多的硬件以芯片的形式封裝在一個(gè)模塊內(nèi)，使之不再有額外的引線聯(lián)接，不僅極大

25、地方便了使用，而且能大大降低系統(tǒng)成本，減輕重量，縮小體積，把寄生電感減小到幾乎為零，大大提高電力電子變換和控制的可靠性，PIC實(shí)現(xiàn)了電能與信息的集成，如果能妥善解決PIC內(nèi)部的散熱、隔離等技術(shù)難題，今后PIC將使電力電子技術(shù)發(fā)生革命性的變革。第3章 復(fù)習(xí)題及思考題解答3.1 直流直流電壓變換中開關(guān)器件的占空比是什么？推證圖3.1(c)所示脈寬時(shí)間為、脈寬角度為、周期為、幅值為的方波脈沖電壓的直流平均值及各次諧波的幅值。圖3.1 Buck變換器電路結(jié)構(gòu)及降壓答：占空比是開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間與開關(guān)周期的比值。圖3.1(c)中方波脈沖電壓可以表示為如下傅立葉表達(dá)式：其中常數(shù)項(xiàng)為直流平均值，即 ；各余弦項(xiàng)為

26、各次諧波，其幅值為： 。3.2 脈沖寬度調(diào)制PWM和脈沖頻率調(diào)制PFM的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？答：脈沖寬度調(diào)制方式PWM，保持不變（開關(guān)頻率不變），改變調(diào)控輸出電壓。脈沖頻率調(diào)制方式PFM。保持不變，改變開關(guān)頻率或周期調(diào)控輸出電壓。實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用PWM方式。因?yàn)椴捎枚lPWM開關(guān)時(shí)，輸出電壓中諧波的頻率固定，濾波器設(shè)計(jì)容易，開關(guān)過程所產(chǎn)生電磁干擾容易控制。此外由控制系統(tǒng)獲得可變脈寬信號(hào)比獲得可變頻率信號(hào)容易實(shí)現(xiàn)。但是在諧振軟開關(guān)變換器中為了保證諧振過程的完成，采用PFM控制較容易實(shí)現(xiàn)。3.3 Buck變換器中電感電流的脈動(dòng)和輸出電壓的脈動(dòng)與哪些因數(shù)有關(guān)，試從物理上給以解釋。答：電感電流的脈動(dòng)量與電

27、感量、開關(guān)頻率、輸入電壓、輸出電壓有關(guān)，輸出電壓的脈動(dòng)量與電感量、電容量、開關(guān)頻率、輸出電壓有關(guān)。電感量、電容量越大其濾波效果越好，而開關(guān)頻率越高，濾波電感的交流阻抗就很大，它對(duì)直流電壓的阻抗基本為0，同時(shí)濾波電容的交流阻抗很小。3.4 Buck變換器斷流工況下的變壓比與哪些因數(shù)有關(guān)，試從物理上給以解釋。答：Buck變換器在電流斷續(xù)工況下其變壓比不僅與占空比有關(guān)，還與負(fù)載電流的大小、電感、開關(guān)頻率以及電壓等有關(guān)。3.5 圖3.2(a)、3.5(a)電路穩(wěn)態(tài)時(shí)在一個(gè)開關(guān)周期中，電感電流的增量，電感的磁通增量是否為零，為什么？電容的電流平均值為零，電容端電壓的增量是否為零，為什么？答：電路處于穩(wěn)態(tài)

28、時(shí)，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感電流的增量，同時(shí)電感的磁通增量，因?yàn)槿绻粋€(gè)周期內(nèi)電感的磁通增量，那么電感上的磁通將無法復(fù)位，也即電感上的能量不斷累積，最終將達(dá)到飽和，甚至燒毀電感，所以穩(wěn)態(tài)工作時(shí)應(yīng)使一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感的磁通增量。電容的電流平均值為0，那么電容端電壓的增量也為0，因?yàn)榉€(wěn)態(tài)時(shí)一個(gè)周期內(nèi)電容上的充電電荷等于放電電荷，即電容上電荷增量，而電容端電壓增量，故電容端電壓的增量也為0。3.6 Buck變換器中電流臨界連續(xù)是什么意思？當(dāng)負(fù)載電壓、電流一定時(shí)在什么條件下可以避免電感電流斷流?答：Buck變換器中電感電流臨界連續(xù)是指處于電感電流連續(xù)和電感電流斷流兩種工況的臨界點(diǎn)的工作狀態(tài)。這時(shí)在開關(guān)管阻

29、斷期結(jié)束時(shí)，電感電流剛好降為零。當(dāng)負(fù)載電壓、電流一定時(shí)增大電感量和提高開關(guān)頻率都可以避免電感電流斷流。3.7 開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)直流升壓變換的基本原理是什么？答：為了獲得高于電源電壓的直流輸出電壓，一個(gè)簡單而有效的辦法是在變換器開關(guān)管前端插入一個(gè)電感L，如右圖所示。在開關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，利用圖中電感線圈在其電流減小時(shí)所產(chǎn)生的反電勢(shì)(在電感電流減小時(shí)，為正值)，將此電感反電勢(shì)與電源電壓串聯(lián)相加送至負(fù)載，則負(fù)載就可獲得高于電源電壓的直流電壓，從而實(shí)現(xiàn)直流升壓變換。3.8 Boost變換器為什么不宜在占空比接近1的情況下工作？答：因?yàn)樵贐oost變換器中，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源與負(fù)載脫離，其能量全部儲(chǔ)存在電感中，

30、當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，能量才從電感中釋放到負(fù)載。如果占空比接近于1，那么開關(guān)接近于全導(dǎo)通狀態(tài)，幾乎沒有關(guān)斷時(shí)間，那么電感在開關(guān)管導(dǎo)通期間儲(chǔ)存的能量沒有時(shí)間釋放，將造成電感飽和，直至燒毀。因此Boost變換器不宜在占空比接近1的情況下工作。同時(shí)，從Boost變換器在電感電流連續(xù)工況時(shí)的變壓比表達(dá)式也可以看出，當(dāng)占空比接近1時(shí)，變壓比接近于無窮大，這顯然與實(shí)際不符，將造成電路無法正常工作。3.9 升壓降壓變換器（Cuk變換器）的工作原理及主要優(yōu)點(diǎn)是什么？答： Cuk變換器在一個(gè)開關(guān)周期中，期間，令開關(guān)管T導(dǎo)通，這時(shí)電源經(jīng)電感L1和T短路，L1電流線性增加，電源將電能變?yōu)殡姼蠰1儲(chǔ)能，與此同時(shí)電容C1經(jīng)T

31、對(duì)C2及負(fù)載放電，并使電感L2電流增大而儲(chǔ)能。在隨后的期間，開關(guān)管T阻斷，電感L1電流經(jīng)電容C1及二極管D續(xù)流，此時(shí)，電感L2也經(jīng)D續(xù)流，L2的磁能轉(zhuǎn)化為電能對(duì)負(fù)載供電。Cuk變換器的優(yōu)點(diǎn)是僅用一個(gè)開關(guān)管使電路同時(shí)具有升、降壓功能；而且該變換器輸入輸出電流脈動(dòng)小。3.10 如何理解Cuk變換器中間電容電壓等于電源電壓與負(fù)載電壓之和，即？答：電感電壓，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，一個(gè)開關(guān)周期中電感、電流增量為零，磁鏈增量為零，電感兩端電壓的直流平均值為零。因此Cuk電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖可直接得到直流平均電壓。3.11 直流直流四象限變換器的四象限指的是什么？直流電機(jī)四象限運(yùn)行中的四象限指的是什么？這兩種四象限有什么對(duì)

32、應(yīng)關(guān)系？答：直流直流四象限變換器的四象限指的是變換器的輸出電壓、輸出電流均可正可負(fù)的四種組合。直流電機(jī)四象限運(yùn)行中的四象限指的是電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩可正可負(fù)的四種組合。對(duì)于電機(jī)的轉(zhuǎn)速有： 對(duì)于電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te： 在勵(lì)磁電流不變、磁通不變時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩大小和方向由VAB、IAB決定。通過改變VAB的大小及IAB的大小和方向，調(diào)控電機(jī)在正方向下旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速及電磁轉(zhuǎn)矩Te的大小和方向，既可使直流電機(jī)在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)下變速運(yùn)行亦可在發(fā)電機(jī)制動(dòng)狀態(tài)下變速運(yùn)行。因此直流直流四象限變換器的四象限和直流電機(jī)運(yùn)行中的四象限之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如圖3.9(d)所示。3.12 多重、多相直流/直流變換器中

33、，多重（重?cái)?shù)），多相（相數(shù)）指的是什么意義？多重、多相變換器的優(yōu)點(diǎn)是什么？答：假定變換器中每個(gè)開關(guān)管通斷周期都是，多重（重?cái)?shù)）是指：在一個(gè)周期中變換器負(fù)載電流脈動(dòng)次（），即脈動(dòng)頻率為。多相（相數(shù)）是指：在一個(gè)周期中變換器電源側(cè)電流脈動(dòng)次，即脈動(dòng)頻率為。多重、多相變換器的優(yōu)點(diǎn)是：其輸出電壓、輸入電流脈動(dòng)頻率比單個(gè)變換電路成倍地提高，因而可以顯著改善變換器輸入、輸出特性或者減少變換器對(duì)濾波器重量體積的要求，同時(shí)多重、多相復(fù)合變換器還能擴(kuò)大變換器的輸出容量。3.13 說明單端正激、單端反激DC/DC變換器工作原理。答：單端正激DC/DC變換器從電路結(jié)構(gòu)、工作原理上可以看出它是帶隔離變壓器的Buck電

34、路如圖3.11(b)所示，開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)經(jīng)變壓器將電源能量直送負(fù)載被稱為正激。但是匝比N2/N1不同時(shí)，輸出電壓平均值Vo可以低于也可高于電源電壓Vd。變壓器磁通只在單方向變化被稱為單端。圖3.12(b)所示為單端反激DC/DC變換器，T導(dǎo)通的期間，電源電壓Vd加至N1繞組，電流直線上升、電感L1儲(chǔ)能增加，副方繞組N2的感應(yīng)電勢(shì)，二極管D1截止，負(fù)載電流由電容C提供，C放電；在T阻斷的期間，N1繞組的電流轉(zhuǎn)移到N2，感應(yīng)電勢(shì)（反向?yàn)檎笵1導(dǎo)電，將磁能變?yōu)殡娔芟蜇?fù)載供電并使電容C充電。該變換器在開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)并未將電源能量直送負(fù)載，僅在T阻斷的期間才將變壓器電感磁能變?yōu)殡娔芩椭霖?fù)載故稱之為

35、反激，此外變壓器磁通也只在單方向變化，故該電路被稱為單端反激DC/DC變換器。3.14 具有中間交流環(huán)節(jié)變壓器隔離的半橋、全橋和推挽型DC/AC-AC/DC變換器各有哪些優(yōu)點(diǎn)？答：三種變換器都有高頻隔離變壓器，輸入輸出側(cè)實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，高頻變壓器體積、重量??；輸出LC濾波器主要濾除高頻諧波，LC濾波器比較小；主電路高頻開關(guān)可以采用軟開關(guān)工作模式，從而減小開關(guān)損耗；輸出既可以實(shí)現(xiàn)升壓又可以實(shí)現(xiàn)降壓，電壓調(diào)控范圍寬。第4章 復(fù)習(xí)題及思考題解答4.1 逆變器輸出波形的諧波系數(shù)HF與畸變系數(shù)DF有何區(qū)別，為什么僅從諧波系數(shù)HF還不足以說明逆變器輸出波形的本質(zhì)？答：第n次諧波系數(shù)HFn為第n次諧波分量有

36、效值同基波分量有效值之比，即HFnVn/V1,總諧波系數(shù)THD定義為：，畸變系數(shù)DF定義為：，對(duì)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(duì)負(fù)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(shí)，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(fù)載電壓波形還存在畸變的程度。4.2 為什么逆變電路中晶閘管SCR不適于作開關(guān)器件？答： （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(guān)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(guān)斷。而逆變器的負(fù)載一般是電感、電容、電阻等無源元

37、件，除了特殊場(chǎng)合例如利用負(fù)載諧振進(jìn)行換流，一般在電路中需要另加強(qiáng)迫關(guān)斷回路才能關(guān)斷SCR，電路較復(fù)雜。因此SCR一般不適合用于逆變器中。4.3 圖4.2(a)和4.3(a)中的二極管起什么作用，在一個(gè)周期中二極管和三極管導(dǎo)電時(shí)間由什么因素決定，在什么情況下可以不用二極管D？純感性負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流為什么是三角形？ 圖4.2 單相半橋逆變電路及電壓、電流波形 圖4.3 單相橋式逆變電路及電壓、電流波形答：圖中二極管起續(xù)流和箝位作用，在一個(gè)周期中二極管和晶體管導(dǎo)電時(shí)間由三極管驅(qū)動(dòng)信號(hào)和負(fù)載電流的方向共同決定，在純阻性負(fù)載時(shí)可以不用二極管D。純電感負(fù)載時(shí)，在期間，對(duì)于全橋逆變電路有，對(duì)半橋電路，線性上

38、升；在期間，全橋電路，半橋有，線性下降；故電流是三角波。4.4 有哪些方法可以調(diào)控逆變器的輸出電壓。答：有單脈波脈寬調(diào)制法、正弦脈寬調(diào)制法（SPWM）、基波移相控制法等。單脈波脈寬調(diào)制法缺點(diǎn)是諧波含量不能有效控制；SPWM法既可控制輸出電壓的大小，又可消除低次諧波；移相控制一般用于大功率逆變器。4.5 SPWM的基本原理是什么？載波比N和電壓調(diào)制系數(shù)M的定義是什么？在高頻載波電壓幅值和頻率恒定不變時(shí)，改變調(diào)制參考波電壓幅值和頻率為什么能改變逆變器交流輸出基波電壓的大小和基波頻率？如果要改變輸出基波的相位應(yīng)該如何調(diào)控？答：正弦脈寬調(diào)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

39、于慣性系統(tǒng)時(shí)，只要其沖量即變量對(duì)時(shí)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(gè)較小的時(shí)間段，使PWM電壓波在每一時(shí)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(diào)制波頻率之比：N/；電壓調(diào)制系數(shù)M是正弦調(diào)制波幅值和三角波幅值之比M/.,改變調(diào)制比M，即可成比例的調(diào)控輸出電壓的基波大小。又因?yàn)?，所以改變調(diào)制波頻率，即可調(diào)控輸出電壓的基波頻率，改變調(diào)制波電壓幅值可以改變調(diào)制比M，從而可以改變交流輸出基波電壓的大小。如果要改變輸出基波的相位，僅需改變正弦調(diào)制波的相位即可。4.6 SPWM調(diào)制中，設(shè)載波比遠(yuǎn)大于基

40、波頻率且不過調(diào)制。當(dāng)調(diào)制比相同但載波比不同時(shí)，兩種情況下逆變器輸出基波電壓是否有所不同？哪種情況下輸出電壓的諧波頻率更低？答：SPWM調(diào)制中，當(dāng)載波比遠(yuǎn)大于基波頻率且不過調(diào)制，如果調(diào)制比相同但載波比不同時(shí)，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(duì)應(yīng)的輸出電壓諧波頻率更低。4.7 SPWM出現(xiàn)過調(diào)制時(shí)，其輸出電壓有哪些特點(diǎn)？答：對(duì)于SPWM，當(dāng)出現(xiàn)過調(diào)制時(shí)，對(duì)應(yīng)的調(diào)制比，此時(shí)正弦調(diào)制波幅值超過三角載波幅值，可能在多個(gè)載波周期內(nèi)都和三角波沒有交點(diǎn)，開關(guān)頻率會(huì)急劇下降，同時(shí)等效調(diào)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?/p>

41、，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危摬ㄐ魏泻芏嗟皖l諧波分量，當(dāng)然對(duì)應(yīng)的輸出電壓基波分量比沒有過調(diào)制時(shí)要大一些。4.8 為什么在載波比較低的應(yīng)用中希望用同步調(diào)制？答：進(jìn)行SPWM調(diào)制時(shí)，通常令載波比為整數(shù)，這種調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。當(dāng)載波比不是整數(shù)時(shí)，稱為異步調(diào)制。在異步調(diào)制時(shí)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(dú)考慮。但在載波比很低的應(yīng)用場(chǎng)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(huì)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

42、難濾除，而且對(duì)裝置運(yùn)行非常不利。所以低載波比的應(yīng)用場(chǎng)合必須使用同步調(diào)制，而且最好令載波比是奇數(shù)，因?yàn)槠鏀?shù)載波比可以保證最低次諧波至少是三倍基波頻率。4.9 單級(jí)倍頻SPWM中，如果僅用一個(gè)三角載波，兩個(gè)橋臂分別使用反相的正弦參考波和，是否可以獲得圖4.11所示的相同調(diào)制效果？如果可以，應(yīng)該如何控制開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖？答：在單級(jí)倍頻SPWM中，如果僅用一個(gè)三角載波，兩個(gè)橋臂分別使用反相的正弦參考波和，可以獲得圖4.11所示的相同調(diào)制效果。開關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖按照下圖產(chǎn)生：4.10 推導(dǎo)單極性規(guī)則采樣調(diào)制時(shí)的占空比計(jì)算公式。答：如下圖所示，為單極性倍頻不對(duì)稱規(guī)則采樣時(shí)的過程圖，vr與-vr是調(diào)制波，vc是

43、周期為Ts幅值為±Vcm的三角波。在采樣周期的起始時(shí)刻t1取樣調(diào)制波的大小vr(t1)與-vr(t1)，并以vr(t1) 與-vr(t1)分別為高作水平線，該水平線和載波的交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)脈沖的前沿時(shí)刻ta與t4。在采樣周期的中點(diǎn)時(shí)刻t2取樣調(diào)制波的大小vr(t2) 與-vr(t2)，并以vr(t2) 與-vr(t2)為高作水平線，該水平線和載波的交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)脈沖的后沿時(shí)刻tb與t5。由圖可知： ， ，相應(yīng)的占空比為： ，。一般情況下，TaTb，所以每個(gè)采樣周期內(nèi)的脈沖波形相對(duì)于采樣周期中點(diǎn)時(shí)刻t2是不對(duì)稱的，故稱之為不對(duì)稱規(guī)則采樣。有時(shí)候在一個(gè)采樣周期內(nèi)僅在t1或t2時(shí)刻進(jìn)行一次采樣，

44、該采樣值既用于計(jì)算Ta也用于計(jì)算Tb，這時(shí)的脈沖波形顯然對(duì)于采樣周期的中點(diǎn)時(shí)刻t2對(duì)稱，故稱為對(duì)稱規(guī)則采樣。t1t2t3Ts/2Ts/2tatbTaTbvrvcottot4t5-vr4.11 試說明三相電壓型逆變器SPWM輸出電壓閉環(huán)控制的基本原理。答： 引入了逆變器輸出電壓的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)如下圖所示，為輸出基波電壓有效值的指令值，為輸出基波電壓有效值的實(shí)測(cè)反饋值。電壓偏差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器VR輸出調(diào)制電壓波的幅值。與調(diào)制波的頻率共同產(chǎn)生三相調(diào)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(qū)動(dòng)信號(hào)，控制各個(gè)全控型開關(guān)器件的通斷，從而控制逆變器輸出的三相交流電壓。 當(dāng)<時(shí)，電壓調(diào)節(jié)器VR

45、輸出的增大，M值增大，使輸出電壓各脈波加寬，輸出電壓增大到給定值；反之當(dāng)>時(shí)，減小，M值減小，使輸出電壓減小到。如果電壓調(diào)節(jié)器VR為PI調(diào)節(jié)器（無靜態(tài)誤差），則可使穩(wěn)態(tài)時(shí)保持。因此當(dāng)電源電壓改變或負(fù)載改變而引起輸出電壓偏離給定值時(shí)，通過電壓閉環(huán)控制可時(shí)輸出電壓跟蹤并保持為給定值。4.12 試仿照?qǐng)D4.12和(4-36)、(4-37)式，畫出單極性規(guī)則采樣的波形圖并推導(dǎo)脈沖計(jì)算公式。答：如下圖所示，為單極性倍頻不對(duì)稱規(guī)則采樣時(shí)的過程圖，vr與-vr是調(diào)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(shí)刻t1取樣調(diào)制波的大小vr(t1)與-vr(t1)，并以vr(t1

46、) 與-vr(t1)分別為高作水平線，該水平線和載波的交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)脈沖的前沿時(shí)刻ta與t4。在采樣周期的中點(diǎn)時(shí)刻t2取樣調(diào)制波的大小vr(t2) 與-vr(t2)，并以vr(t2) 與-vr(t2)為高作水平線，該水平線和載波的交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)脈沖的后沿時(shí)刻tb與t5。由圖可知： ， 。一般情況下，TaTb，所以每個(gè)采樣周期內(nèi)的脈沖波形相對(duì)于采樣周期中點(diǎn)時(shí)刻t2是不對(duì)稱的，故稱之為不對(duì)稱規(guī)則采樣。有時(shí)候在一個(gè)采樣周期內(nèi)僅在t1或t2時(shí)刻進(jìn)行一次采樣，該采樣值既用于計(jì)算Ta也用于計(jì)算Tb，這時(shí)的脈沖波形顯然對(duì)于采樣周期的中點(diǎn)時(shí)刻t2對(duì)稱，故稱為對(duì)稱規(guī)則采樣。t1t2t3Ts/2Ts/2tatbTaT

47、bvrvcottot4t5-vr4.13 三相逆變器中，在調(diào)制波里面注入三次諧波為什么可以提高直流電壓利用率？在不過調(diào)制的前提下，輸出線電壓最大可以達(dá)到多少？0 /2-1.001.03/22vr3vrvi3vc圖4.21 三次諧波注入SPWM答：在正弦基波調(diào)制波vr中注入三次諧波vi3得到新的調(diào)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(huì)過產(chǎn)生調(diào)制，而基波輸出電壓又可以提高。但由于調(diào)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且與vi3調(diào)制比對(duì)應(yīng)大小的三次諧波電壓。不過在三

48、相無中線系統(tǒng)中，如果每相的調(diào)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(yīng)，線電壓VAB、VBC、VCA中不會(huì)出現(xiàn)三次諧波，所以三次諧波電壓不會(huì)產(chǎn)生負(fù)載電流，對(duì)負(fù)載的正常工作也不會(huì)帶來任何影響。如果三相調(diào)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(diào)制，這時(shí)的基波調(diào)制比M可達(dá)（約1.15）。4.14三相逆變器的空間矢量調(diào)制中，如何用兩個(gè)相差非零的空間矢量和零矢量的合成效果去等效任意位置相位角的空間矢量？當(dāng)直流電壓一定時(shí)，如何調(diào)控輸出電壓的大小和相位？答：可采用從逆變器的6個(gè)處于空間特定位

49、置的開關(guān)狀態(tài)矢量中，選擇兩個(gè)相鄰的矢量與零矢量合成一個(gè)等效的旋轉(zhuǎn)空間矢量。通過調(diào)控的大小和旋轉(zhuǎn)速度，來調(diào)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 區(qū)域劃分為6個(gè)的扇區(qū)，如果要求的相位角為任意指令值，則可用矢量所在的扇區(qū)邊界的那兩個(gè)相鄰的特定矢量、來合成矢量，即可用逆變器的3個(gè)開關(guān)狀態(tài)x、y、0在一個(gè)周期中各自存在、時(shí)間來合成等效的任意位置的空間矢量（存在時(shí)間為），即：。由該式可求出、。當(dāng)直流電壓一定時(shí)，通過調(diào)節(jié)零矢量作用時(shí)間，可調(diào)控輸出電壓大小。大，輸出電壓將減小。一定的、決定了輸出電壓具有一定的相位角和電壓大小。4.15 復(fù)合結(jié)構(gòu)逆變器消除低階諧波的原

50、理是什么？圖4.26(d)中12階梯波輸出電壓的半周由6段組成，每段，高度分別是、和，如果已知圖4.6(d)所示波形傅立葉級(jí)數(shù)表達(dá)式為（時(shí)間坐標(biāo)相位角的起點(diǎn)選在正半波脈寬的中點(diǎn)），利用這個(gè)傅立葉級(jí)數(shù)表達(dá)式求12階梯波的傅立葉級(jí)數(shù)表達(dá)式。答：復(fù)合結(jié)構(gòu)逆變器采用多個(gè)三相橋式逆變電路，每個(gè)開關(guān)都按導(dǎo)電方式工作，每個(gè)三相橋逆變電路輸出線電壓都是方波。令各個(gè)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(gè)變壓器將各個(gè)三相逆變器的輸出電壓復(fù)合相加后輸出一個(gè)總逆變電壓，適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)各個(gè)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、

51、7、11、13等低次諧波。圖4.26中的12階梯波可以用三個(gè)脈寬分別為、，高度分別為、和的矩形波疊加得到。利用式將三個(gè)矩形波的傅立葉級(jí)數(shù)展開，疊加后即可得到12階梯波的傅立葉技術(shù)表達(dá)式如下： 4.16 逆變電路多重化的優(yōu)點(diǎn)是什么？答：多重化技術(shù)是通過將功率單元有機(jī)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(dāng)?shù)碾A梯波以改善輸出波形，同時(shí)又?jǐn)U大了輸出電壓和電流。采用PWM調(diào)壓可以直接改變輸出電壓的大小，采用多重化結(jié)構(gòu)可以在較低的開關(guān)頻率和較小的開關(guān)損耗下擴(kuò)大變流器輸出電壓、功率。兩者結(jié)合在一起可以獲得更好的效果。4.17 圖4.29中二極管Da1、Da2起什么作用？如果直流電源電壓為

52、VD，斷態(tài)時(shí)開關(guān)器件所承受的電壓是多大？按式（4-56）的定義，三相三電平逆變器中12個(gè)開關(guān)器件的通、斷控制可以獲得多少個(gè)特定的電壓空間矢量？答：Da1、Da2用來可以形成1狀態(tài)，即該橋臂對(duì)中點(diǎn)O電壓為零。另外，在0、2態(tài)時(shí)，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/2，鉗位二極管Da1、Da2把開關(guān)器件的端電壓限制到/2，所以開關(guān)器件所承受的反壓最大是/2。A、B、C每個(gè)橋臂都有三種開關(guān)狀態(tài)，故整個(gè)三相三電平逆變器共有27種開關(guān)狀態(tài)。4.18 逆變器有哪些類型？其最基本的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？答：逆變器的類型有：（1） 電壓型和電流型逆變器。（2） 恒

53、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。（4） 自關(guān)斷換流逆變器，強(qiáng)迫關(guān)斷晶閘管逆變器。晶閘管逆變器可利用負(fù)載側(cè)交流電源電壓換流，負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)換流或負(fù)載諧振換流。逆變器的基本應(yīng)用包括：交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速，不停電電源UPS，電子鎮(zhèn)流器，中頻或高頻感應(yīng)加熱電源等等。還可應(yīng)用于電力系統(tǒng)作為無功補(bǔ)償器或諧波補(bǔ)償器。4.19 電壓型逆變器的輸出接上交流電源，是否可以通過適當(dāng)?shù)目刂剖菇涣髂芰肯蛑绷鱾?cè)流動(dòng)？答：電壓型逆變器如果輸出接交流電源，是可以通過適當(dāng)?shù)目刂茖?shí)現(xiàn)交流能量向直流側(cè)流動(dòng)的，因?yàn)殡妷盒湍孀兤髦兴褂玫拈_關(guān)器件電流

54、可以雙向流動(dòng)。第5章 復(fù)習(xí)題及思考題解答5.1 如何確定圖5.4（a）三相橋式不控整流電路中二極管何時(shí)導(dǎo)通何時(shí)關(guān)斷？整流器輸出電壓與三相交流相電壓、線電壓瞬時(shí)值有什么關(guān)系?整流器輸出電壓的瞬時(shí)值與三相交流相電壓、線電壓瞬時(shí)值有什么關(guān)系？解：共陰極的三個(gè)二極管，任意時(shí)刻都是與電壓最高的相連的二極管導(dǎo)通，共陽極的三個(gè)二極管，任意時(shí)刻都是與電壓最低的相連的二極管導(dǎo)通，因此整流電路總是把最大線電壓加到負(fù)載上。在一個(gè)電源周期Ts中，整流器輸出電壓波形由6個(gè)相同的脈波組成，這6個(gè)脈波是由三相交流線電壓（即兩相電壓之差）的瞬時(shí)值最大的部分組成的，每個(gè)脈寬600。在每個(gè)脈波里面，整流器輸出電壓的瞬時(shí)值等于線電

55、壓瞬時(shí)值。5.2單相橋全控整流有反電勢(shì)負(fù)載時(shí)輸出電壓波形如何確定？答：若整流電路中電感L0，則僅在電源電壓的瞬時(shí)值大于反電勢(shì)E時(shí)，晶閘管才會(huì)承受正向電壓，才可能觸發(fā)導(dǎo)通。在晶閘管導(dǎo)通期間，輸出整流電壓為相應(yīng)的電源電壓瞬時(shí)值。時(shí)，晶閘管承受反壓阻斷。在晶閘管阻斷期間，負(fù)載端電壓保持為反電勢(shì)E。故整流電流斷流。若控制角小于（，稱為停止導(dǎo)電角），則負(fù)載端電壓一直保持為E；若大于，則在wtk至wtk期間載端電壓保持為E。若在負(fù)載回路中串聯(lián)足夠大的平波電抗器，使電流連續(xù)、晶閘管的導(dǎo)電角，則電流脈動(dòng)減小。這時(shí)，整流電路輸出電壓波形是由控制角唯一對(duì)應(yīng)的、依次為電源電壓的包絡(luò)線，其直流電壓平均值。若在負(fù)載回路

56、中串聯(lián)的平波電抗器不足以使電流連續(xù)，情況介于上述兩種情況之間。5.3 交流電路電感不為零時(shí)引起的換相重疊過程中整流器輸出電壓的瞬時(shí)值如何確定，在換相期間是什么因素促使負(fù)載電流從一個(gè)晶閘管向另一個(gè)晶閘管轉(zhuǎn)移？答：設(shè)換相前a相的Ta導(dǎo)電，Tb截止，這時(shí)（負(fù)載電流），整流電壓，換相后b相的Tb導(dǎo)電，換相結(jié)束后。如果，一旦Tb導(dǎo)通，Ta立即受反壓截止，負(fù)載電流立即從a相的Ta轉(zhuǎn)到b相的Tb，換相（或換流）過程瞬時(shí)完成。如果，由于電感的儲(chǔ)能不能突變?yōu)榱?，原來?dǎo)電的A相電流不能從突降為零而必須經(jīng)歷一個(gè)歷時(shí)（對(duì)應(yīng)的相位角稱為換相重疊角）過渡過程。在此期間，Ta、Tb同時(shí)導(dǎo)通，a、b兩相電源經(jīng)電感2LC短接狀態(tài)，若假定恒定，則 。 又 ，所以，即。上式說明，是作用在兩個(gè)換流電感上得電源電壓之差使得負(fù)載電流從一個(gè)晶閘管向另一個(gè)晶閘管（從Id降為零、從零上升到)；還可推得 。這說明整流電壓的瞬時(shí)值是參與換流的2相電源電壓的平均值。5.4 同一個(gè)整流電壓波形，時(shí)間坐標(biāo)原點(diǎn)取在不同位置時(shí)用傅