電力電子技術(shù)-第五版(王兆安劉進(jìn)軍)課后詳細(xì)答案

1、I m，試計(jì)算各波形的電流平均值 Id1、I d2、 Id3 I3 。1、I2、解：a)b)a)I1= 2圖 1-43I = 1Id1=2 4524b)晶圖1閘-43管導(dǎo)電波形Im sin td( t)= Im ( 2m2 2021 (Imsin t)2d( t) = I2m 43 211IId2 =Im sin td( t)= m 4 c)1) 0.2717 Im0.4767 Im1) 0.5434 I mI2 = 1 (Imsin t)2d( t) = 22Im 43 210.6741I mc)Id3= 1 022 01Imd( t) = 14 Im電力電子技術(shù)第五版 機(jī)械工業(yè)出版社課后習(xí)

2、題答案第二章 電力電子器件使晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？ 答：使晶閘管導(dǎo)通的條件是：晶閘管承受正向陽極電壓，并在門極 施加觸發(fā)電流（脈沖）?；颍?uAK 0 且 uGK0。維持晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？怎樣才能使晶閘管由導(dǎo)通變 為關(guān)斷？ 答：維持晶閘管導(dǎo)通的條件是使晶閘管的電流大于能保持晶閘管導(dǎo) 通的最小電流，即維持電流。要使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷，可利用外加電壓和外電路的作用 使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下，即降到維持電 流以下，便可使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。I3 = 1 02Im2d( t) =1 Im2 0 m 2上題中如果不考慮安全裕量 ,問 100A 的晶閘管能送出的平均 電流 I

3、d1、I d2、I d3 各為多少？這時(shí)，相應(yīng)的電流最大值 I m1 、I m2、I m3 各為多少 ?解：額定電流 I T(AV) =100A 的晶閘管，允許的電流有效值 I =157A， 由上題計(jì)算結(jié)果知Id1 0.2717 I m1 89.48Id2 0.5434 Im2 126.561Id3= 1 I m3=78.54Im1I 329.350.4767Im2 I 232.90,0.6741Im3=2 I = 314,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 和普通晶閘管同為 PNPN 結(jié)構(gòu)，由 P1N1P2和 N1P2N2

4、構(gòu)成 兩個(gè)晶體管 V1、V2,分別具有共基極電流增益 1和 2 ，由普通晶閘 管的分析可得， 1+ 2=1 是器件臨界導(dǎo)通的條件。 1 + 21，兩個(gè) 等效晶體管過飽和而導(dǎo)通； 1 + 2 /2，使 Ud 為負(fù)值。27三相全控橋變流器，反電動勢阻感負(fù)載， R=1， L=， U 2=220V ，L B=1mH ，當(dāng) EM=-400V， =60 時(shí)求 Ud、Id 與 的值， 此時(shí)送回電網(wǎng)的有功功率是多少？ 解：由題意可列出如下 3 個(gè)等式：Ud2.34U2cos( ) UdUd 3XBId Id( UdEM)R 三式聯(lián)立求解，得Ud2.34U2R cos( )3XBEM(R3XB) 290.3(V

5、)Id109.7(A)由下式可計(jì)算換流重疊角：cos cos() 2XBId 6 U20.1279cos(120 ) 0.6279 128.90 120 8.90 送回電網(wǎng)的有功功率為P=|EMId | Id2R=400109.7-109.72109.71=31.85(W)28單相全控橋，反電動勢阻感負(fù)載， R=1，L=，U2=100V， L =0.5mH ，當(dāng) EM=-99V， =60 時(shí)求 Ud、I d和 的值。 解：由題意可列出如下 3 個(gè)等式：Ud 0.9U2cos( - ) Ud Ud2XBId Id( UdEM)R 三式聯(lián)立求解，得UdR 0.9U2cos(-)2XBEM( R2X

6、B)49.91(V) Id49.09(A)又cos cos() 2 I d X B U2=0.2181即得出cos(120 ) =- 0.7181換流重疊角135.9 120 =15.929什么是逆變失敗？如何防止逆變失敗？ 答：逆變運(yùn)行時(shí)，一旦發(fā)生換流失敗，外接的直流電源就會通過晶 閘管電路形成短路，或者使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變 為順向串聯(lián)，由于逆變電路內(nèi)阻很小，形成很大的短路電流，稱為 逆變失敗或逆變顛覆。防止逆變失敗的方法有： 采用精確可靠的觸發(fā)電路， 使用性能良 好的晶閘管，保證交流電源的質(zhì)量，留出充足的換向裕量角 等。30單相橋式全控整流電路、三相橋式全控整流電路中，當(dāng)負(fù)

7、載 分別為電阻負(fù)載或電感負(fù)載時(shí)，要求的晶閘管移相范圍分別是多 少？ 答：單相橋式全控整流電路，當(dāng)負(fù)載為電阻負(fù)載時(shí)，要求的晶閘管 移相范圍是 0 180 ，當(dāng)負(fù)載為電感負(fù)載時(shí)，要求的晶閘管移相范 圍是 0 90 。三相橋式全控整流電路，當(dāng)負(fù)載為電阻負(fù)載時(shí)，要求的晶閘管 移相范圍是 0 120 ，當(dāng)負(fù)載為電感負(fù)載時(shí)，要求的晶閘管移相范 圍是 0 90 。31三相全控橋，電動機(jī)負(fù)載，要求可逆，整流變壓器的接法是D， y-5，采用 NPN 鋸齒波觸發(fā)器，并附有滯后 30 的 R-C 濾波器， 決定晶閘管的同步電壓和同步變壓器的聯(lián)結(jié)形式。 解：整流變壓器接法如下圖所示以 a 相為例， ua的 120 對

8、應(yīng)于 =90 ，此時(shí) Ud=0，處于整流和 逆變的臨界點(diǎn)。該點(diǎn)與鋸齒波的中點(diǎn)重合，即對應(yīng)于同步信號的 300 ，所以同步信號滯后 ua 180，又因?yàn)?R-C 濾波已使同步信號 滯后 30，所以同步信號只要再滯后 150就可以了。滿足上述關(guān)系的同步電壓相量圖及同步變壓器聯(lián)結(jié)形式如下兩幅圖所示-sasasbsc-sc各晶閘管的同步電壓選取如下表：晶閘管VT1VT2VT3VT4VT5VT6同步電 壓- u sbusa- uscusb- u sausc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

9、交流側(cè)直接和負(fù)載聯(lián)接。2換流方式各有那幾種？各有什么特點(diǎn)？ 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(jìn)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(fù)的電網(wǎng)電壓加在欲 換流的器件上即可。負(fù)載換流： 由負(fù)載提供換流電壓， 當(dāng)負(fù)載為電容性負(fù)載即負(fù)載電 流超前于負(fù)載電壓時(shí)，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。強(qiáng)迫換流： 設(shè)置附加換流電路， 給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反向 電壓換流稱為強(qiáng)迫換流。通常是利用附加電容上的能量實(shí)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(fù)載換流和強(qiáng)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

10、路？二者各有什么 特點(diǎn)。答：按照逆變電路直流測電源性質(zhì)分類， 直流側(cè)是電壓源的逆變 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(diǎn)是：直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容， 相當(dāng)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(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗 情況的不同而不同。當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)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(diǎn)是：直流側(cè)串聯(lián)有大

11、電感， 相當(dāng)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)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(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電 壓波形和相位則因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)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?yàn)榉答仧o功能量時(shí)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(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)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

12、無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。當(dāng)輸 出交流電壓和電流的極性相同時(shí)，電流經(jīng)電路中的可控開關(guān)器件流 通，而當(dāng)輸出電壓電流極性相反時(shí)，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(dāng)需要從交流側(cè)向直流側(cè)反饋無功能量時(shí)，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。5. 三相橋式電壓型逆變電路， 180導(dǎo)電方式， Ud=100V。試求輸出 相電壓的基波幅值 UUN1m 和有效值 UUN1 、輸出線電壓的基波幅值 UUV1m 和有效值 UUV1 、輸出線電壓中 5 次諧波的有效值 UUV5 。 解：輸出相

13、電壓的基波幅值為2UU UN1m0. 637U d =63.7(V)輸出相電壓基波有效值為：U UN1 0.45U d =45(V)輸出線電壓的基波幅值為U UV1m 2 3Ud 1.1Ud=110(V)輸出線電壓基波的有效值為UUV1 UUV1m6Ud 0.78Ud =78(V)輸出線電壓中五次諧波 uUV5 的表達(dá)式為： 其有效值為：uUV52 3U d5sin5 tU UV5 25 32Ud =15.59(V)6并聯(lián)諧振式逆變電路利用負(fù)載電壓進(jìn)行換相，為保證換相應(yīng)滿 足什么條件？ 答：假設(shè)在 t 時(shí)刻觸發(fā) VT 2、VT3 使其導(dǎo)通，負(fù)載電壓 uo就通過 VT2、 VT 3 施加在 VT

14、 1、VT 4 上，使其承受反向電壓關(guān)斷，電流從 VT1、 VT 4向 VT 2、VT 3轉(zhuǎn)移，觸發(fā) VT 2、VT 3時(shí)刻 t 必須在 uo過零前并留 有足夠的裕量，才能使換流順利完成。 7串聯(lián)二極管式電流型逆變電路中， 二極管的作用是什么？試分析 換流過程。 答：二極管的主要作用，一是為換流電容器充電提供通道，并使換 流電容的電壓能夠得以保持，為晶閘管換流做好準(zhǔn)備；二是使換流 電容的電壓能夠施加到換流過程中剛剛關(guān)斷的晶閘管上，使晶閘管 在關(guān)斷之后能夠承受一定時(shí)間的反向電壓，確保晶閘管可靠關(guān)斷， 從而確保晶閘管換流成功。以 VT1 和 VT3 之間的換流為例，串聯(lián)二極管式電流型逆變電路 的換

15、流過程可簡述如下：給 VT3 施加觸發(fā)脈沖，由于換流電容 C13 電壓的作用，使 VT3 導(dǎo)通，而 VT 1被施以反向電壓而關(guān)斷。直流電流 Id從 VT 1換到 VT3 上， C13通過 VD1、U 相負(fù)載、 W 相負(fù)載、 VD 2、VT 2、直流電源和 VT 3放電，如圖 5-16b 所示。因放電電流恒為 I d，故稱恒流放電階 段。在 C13 電壓 uC13 下降到零之前， VT 1 一直承受反壓，只要反壓 時(shí)間大于晶閘管關(guān)斷時(shí)間 tq，就能保證可靠關(guān)斷。uC13 降到零之后在 U 相負(fù)載電感的作用下，開始對 C13 反向充電。 如忽略負(fù)載中電阻的壓降， 則在 uC13=0 時(shí)刻后，二極管

16、 VD3 受到正 向偏置而導(dǎo)通，開始流過電流，兩個(gè)二極管同時(shí)導(dǎo)通，進(jìn)入二極管 換流階段， 如圖 5-16c所示。隨著 C13 充電電壓不斷增高， 充電電流 逐漸減小，到某一時(shí)刻充電電流減到零， VD1 承受反壓而關(guān)斷，二極管換流階段結(jié)束。之后，進(jìn)入 VT 2、VT 3穩(wěn)定導(dǎo)通階段， 電流路徑如圖 5-16d所示 8逆變電路多重化的目的是什么？如何實(shí)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?yàn)闊o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(fù)載有不利影

17、響，采用多重逆變電路，可以把幾個(gè)矩形波 組合起來獲得接近正弦波的波形。逆變電路多重化就是把若干個(gè)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(gè)逆變電路的輸出串聯(lián)起來，并聯(lián)多重是把幾個(gè)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 5 章 直流-直流變流電路1簡述圖 5-1a 所示的降壓斬波電路工作原理。 答：降壓斬波器的原理是：在一個(gè)控制周期中，讓 V 導(dǎo)通一段時(shí)間 ton，由電源 E 向 L 、

18、R、M 供電，在此期間， uoE。然后使 V 關(guān) 斷一段時(shí)間 toff，此時(shí)電感 L 通過二極管 VD 向 R 和 M 供電，uo 0。 一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓 Uo ton E 。輸出電壓小于電源電壓， ton toff 起到降壓的作用。故負(fù)載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為Uo=tTonE=2050200=80(V)2在圖 5-1a 所示的降壓斬波電路中，已知 E=200V，R=10， L 值極大， EM =30V ，T=50 s, t on=20 s, 計(jì)算輸出電壓平均值 Uo， 輸出電流平均值 Io。 解：由于 L 值極大， 輸出電流平均值為Io =Uo -REM =801030=5(A)

19、3在圖 5-1a 所示的降壓斬波電路中， E=100V ， L =1mH ，R=0.5 ， EM =10V，采用脈寬調(diào)制控制方式， T=20s，當(dāng) ton=5s 時(shí)， 計(jì)算輸出電壓平均值 Uo，輸出電流平均值 Io，計(jì)算輸出電流的最大 和最小值瞬時(shí)值并判斷負(fù)載電流是否連續(xù)。當(dāng) ton=3s 時(shí)，重新進(jìn) 行上述計(jì)算。解：由題目已知條件可得：m= EM = 10 =0.1E 100= L = 0.001 =0.002R 0.5當(dāng) ton=5 s 時(shí)，有由于=T =0.01=ton =0.00250.0025ee 11 = ee0.01 11 =0.249m所以輸出電流連續(xù)。 此時(shí)輸出平均電壓為Uo

20、 = ton E =100 5 =25(V)T 20輸出平均電流為Io = Uo - EM =25 10 =30(A)R 0.5 輸出電流的最大和最小值瞬時(shí)值分別為E 1 e 0.0025 m= m R= 1 e 0.01E e0.0025 1100m = 0.01 0.1 =29.81(A)R e 10.5I max=1e1e0.1 100.50=30.19(A)I min= e1e1當(dāng) ton=3s 時(shí)，采用同樣的方法可以得出： =0.0015 由于e所以輸出電流仍然連續(xù)。0.0151=e1= 0.011 e1=0.149m分別為：Uo = ton E =100 3 =15(V) T 20

21、Io = Uo - EM =15 10 =10(A) R 0.51 e 0.0015100I max=0.01 0.1 =10.13(A)1 e0.5此時(shí)輸出電壓、電流的平均值以及輸出電流最大、最小瞬時(shí)值I min=0.0015 e10.01e10.11000.5=9.873(A)4 簡述圖 5-2a 所示升壓斬波電路的基本工作原理答：假設(shè)電路中電感 L 值很大，電容 C 值也很大。當(dāng) V 處于通態(tài)時(shí)， 電源 E 向電感 L 充電，充電電流基本恒定為 I 1，同時(shí)電容 C 上的電 壓向負(fù)載 R 供電，因 C 值很大， 基本保持輸出電壓為恒值 Uo。設(shè) V 處于通態(tài)的時(shí)間為 ton，此階段電感

22、L 上積蓄的能量為 EI 1ton 。當(dāng) V 處于斷態(tài)時(shí) E 和 L 共同向電容 C 充電并向負(fù)載 R 提供能量。設(shè) V 處于斷態(tài)的時(shí)間為 toff，則在此期間電感 L 釋放的能量為 U o E I1toff 。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期 量相等，即：EI 1ton化簡得：T 中電感 L 積蓄的能量與釋放的能U o E I 1tofftontofftoff ETtoff式中的 T /toff 1，輸出電壓高于電源電壓， 故稱該電路為升壓斬波電5 在圖5-2a所示的升壓斬波電路中， 已知E=50V，L值和C值 極大，R=20，采用脈寬調(diào)制控制方式， 當(dāng) T=40s，t on=25s 時(shí)， 計(jì)算

23、輸出電壓平均值 Uo，輸出電流平均值 I o。 解：輸出電壓平均值為：Uo = T E = 40 50 =133.3(V)toff40 25輸出電流平均值為：Io = Uo =133.3 =6.667(A)R 206試分別簡述升降壓斬波電路和 Cuk 斬波電路的基本原理， 并比較其異同點(diǎn)。 答：升降壓斬波電路的基本原理：當(dāng)可控開關(guān) V 處于通態(tài)時(shí)，電源 E經(jīng)V向電感L供電使其貯存能量，此時(shí)電流為 i1，方向如圖 3-4 中所示。同時(shí)，電容 C 維持輸出電壓基本恒定并向負(fù)載 R 供電。此 后，使 V 關(guān)斷，電感 L 中貯存的能量向負(fù)載釋放，電流為 i2，方向 如圖 3-4 所示?？梢?，負(fù)載電壓極

24、性為上負(fù)下正，與電源電壓極性相反穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期 T 內(nèi)電感 L 兩端電壓 uL 對時(shí)間的積分為零， 即T0uL dt 0當(dāng) V 處于通態(tài)期間， uL = E；而當(dāng) V 處于斷態(tài)期間， uL = - uo于是：E tonU o toff所以輸出電壓為：U oton EtonE EtoffT ton 1改變導(dǎo)通比 ，輸出電壓既可以比電源電壓高， 也可以比電源電壓低。 當(dāng) 0 1/2 時(shí)為降壓，當(dāng) 1/2 1 時(shí)為升壓，因此將該電路稱作升 降壓斬波電路。Cuk斬波電路的基本原理： 當(dāng) V 處于通態(tài)時(shí)，EL1V 回路和 R L2CV 回路分別流過電流。 當(dāng) V 處于斷態(tài)時(shí)， EL1CVD 回路和 R

25、L 2 VD 回路分別流過電流。 輸出電壓的極性與電源電壓 極性相反。該電路的等效電路如圖 5-5b 所示，相當(dāng)于開關(guān) S 在 A、 B 兩點(diǎn)之間交替切換。假設(shè)電容 C 很大使電容電壓 uC 的脈動足夠小時(shí)。當(dāng)開關(guān) S 合到 B 點(diǎn)時(shí)， B 點(diǎn)電壓 uB=0，A 點(diǎn)電壓 uA= - uC；相反，當(dāng) S 合到 A 點(diǎn) 時(shí)，uB= uC，uA=0。因此， B 點(diǎn)電壓 uB 的平均值為 UB toff UC（UC 為電容電壓 uC 的平均值），又因電感 L1 的電壓平均值為零，所以 E UB toff U C 。另一方面， A 點(diǎn)的電壓平均值為 UA ton UC，且 L2的電壓平均值為零， 按圖

26、5-5b 中輸出電壓 Uo的極性，有Uo ton UC 于是可得出輸出電壓 Uo與電源電壓 E 的關(guān)系：Uoton EtontoffET ton兩個(gè)電路實(shí)現(xiàn)的功能是一致的，均可方便的實(shí)現(xiàn)升降壓斬波。 與升降壓斬波電路相比， Cuk 斬波電路有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，其輸入 電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的， 且脈動很小， 有利于對輸入、 輸出進(jìn)行濾波。7試?yán)L制 Speic 斬波電路和 Zeta 斬波電路的原理圖，并推導(dǎo) 其輸入輸出關(guān)系。RSepic 斬a）波電路解： Sepic 電路的原理圖如下：在 V導(dǎo)通 t on期間，uL1=EuL2= uC1在 V 關(guān)斷 t off 期間uouL1 E uo u

27、C1uL2=當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感 L1、L2 的電壓平均值均為零，則下 面的式子成立E t on + ( E uo uC1) t off =0uC1 t on uo t off =0由以上兩式即可得出Uo= ton EtoffZeta 電路的原理圖如下：VVi1EuL1L2uL2u C1uC1L1VDC2uo在 V導(dǎo)通 t on期間，uL1= EuL2= E uC1 uo在 V 關(guān)斷 t off 期間uL1 uC1 uL2= uo 當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感 L1、L2 的電壓平均值均為零，則下 面的式子成立E t on + uC1 t off =0(E uo uC1) t on uo t

28、off =0由以上兩式即可得出Uo=tontoff8分析圖 3-7a所示的電流可逆斬波電路，并結(jié)合圖 3-7b 的波 形，繪制出各個(gè)階段電流流通的路徑并標(biāo)明電流方向。 解：電流可逆斬波電路中， V1和 VD 1構(gòu)成降壓斬波電路，由電源向 直流電動機(jī)供電，電動機(jī)為電動運(yùn)行，工作于第 1象限；V2和 VD2 構(gòu)成升壓斬波電路，把直流電動機(jī)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊答伒诫娫矗?使電動機(jī)作再生制動運(yùn)行，工作于第 2 象限。圖 3-7b 中，各階段器件導(dǎo)通情況及電流路徑等如下：V1導(dǎo)通，電源向負(fù)載供電：V1V2EMVD21關(guān)斷， VD1 續(xù)流：MEMV2EV1V22導(dǎo)通， L上蓄能：EMVD2VD1VD1L R

29、 i9對于圖 3-8 所示的橋式可逆斬波電路，若需使電動機(jī)工作于 反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，試分析此時(shí)電路的工作情況，并繪制相應(yīng)的電流流 通路徑圖，同時(shí)標(biāo)明電流流向。 解：需使電動機(jī)工作于反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)時(shí)， 由 V3和 VD 3構(gòu)成的降壓斬 波電路工作，此時(shí)需要 V 2保持導(dǎo)通，與 V3 和 VD3 構(gòu)成的降壓斬波 電路相配合。當(dāng) V3 導(dǎo)通時(shí)，電源向 M 供電，使其反轉(zhuǎn)電動，電流路徑如下 圖：V1VD2uoLRV2VD1V3ME-EM V 4VD4VD3當(dāng) V3關(guān)斷時(shí)，負(fù)載通過 VD3 續(xù)流，電流路徑如下圖：V1V2VD 2 LVD1uoR ioMV3+ EM- V4VD4VD310多相多重?cái)夭娐酚泻蝺?yōu)

30、點(diǎn)？答：多相多重?cái)夭娐芬蛟陔娫磁c負(fù)載間接入了多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的基 本斬波電路，使得輸入電源電流和輸出負(fù)載電流的脈動次數(shù)增加、 脈動幅度減小，對輸入和輸出電流濾波更容易，濾波電感減小。此外，多相多重?cái)夭娐愤€具有備用功能，各斬波單元之間互 為備用，總體可靠性提高。第 6 章 交流-交流變流電路1. 一調(diào)光臺燈由單相交流調(diào)壓電路供電，設(shè)該臺燈可看作電阻 負(fù)載，在 =0 時(shí)輸出功率為最大值，試求功率為最大輸出功率的 80% ， 50%時(shí)的開通角。解：=0 時(shí)的輸出電壓最大，為U omax此時(shí)負(fù)載電流最大，為因此最大輸出功率為1 ( 2U 1sint)2 d tUomaxU1RI omax RPmaxU

31、 omaxI omaxU12RU1輸出功率為最大輸出功率的 80% 時(shí)，有：P 0.8Pomax( 0.8U 1)2R此時(shí)，Uo0.8U1又由解得UoU1sin22=60.54同理，輸出功率為最大輸出功率的 50% 時(shí)，有：Uo 0.5U1又由Uosin2112=902一單相交流調(diào)壓器，電源為工頻 220V ，阻感串聯(lián)作為負(fù)載， 其中 R=0.5， L=2mH 。試求：開通角的變化范圍；負(fù)載電 流的最大有效值；最大輸出功率及此時(shí)電源側(cè)的功率因數(shù)；當(dāng) = 時(shí)，晶閘管電流有效值，晶閘管導(dǎo)通角和電源側(cè)功率因數(shù)。 解：負(fù)載阻抗角為：3=arctan （ L ）=arctan （ 2 50 2 10 ）

32、=0.89864=51.49 R 0.5開通角的變化范圍為： 即0.89864 當(dāng) =時(shí)，輸出電壓最大，負(fù)載電流也為最大，此時(shí)輸出功率最大，為2Pomax =220I o2max R2220 2 R=37.532(KW)omaxR2 ( L)2功率因數(shù)為Pomax37532omax 0.6227U1I o220 273.98實(shí)際上，此時(shí)的功率因數(shù)也就是負(fù)載阻抗角的余弦，即cos 0.6227= 2 時(shí)，先計(jì)算晶閘管的導(dǎo)通角，由式（ 4-7）得sin( +- 0.89864)=sin( 0.89864)etan解上式可得晶閘管導(dǎo)通角為： =2.375=136.1也可由圖 4-3 估計(jì)出 的值。此

33、時(shí)，晶閘管電流有效值為I U1 sin cos(2cosI VT 2 Zcos0.89864= 220 2.375 sin2.375 cos( 0.89864 2.375) =123.2(A) 2 0.803電源側(cè)功率因數(shù)為其中：于是可得出I o2RU1IoIo2RU1Io174.22 0.5220 174.20.3959Io2IVT =174.2(A)3交流調(diào)壓電路和交流調(diào)功電路有什么區(qū)別？二者各運(yùn)用于什 么樣的負(fù)載？為什么？ 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(gè)周期對輸出電壓波形進(jìn)行控 制。而交流調(diào)功電路是將負(fù)載與交

34、流電源接通幾個(gè)周波，再斷開幾 個(gè)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(fù)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(jī)的軟起動， 也用于異步電動機(jī)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

35、。這樣的電路體積小、成本低、易于設(shè)計(jì)制造。交流調(diào)功電路常用于電爐溫度這樣時(shí)間常數(shù)很大的控制對象。 由 于控制對象的時(shí)間常數(shù)大，沒有必要對交流電源的每個(gè)周期進(jìn)行頻 繁控制。4什么是 TCR ，什么是 TSC？它們的基本原理是什么？各有 何特點(diǎn)？ 答：TCR 是晶閘管控制電抗器。 TSC 是晶閘管投切電容器。二者的基本原理如下：TCR 是利用電抗器來吸收電網(wǎng)中的無功功率 （或提供感性的無 功功率），通過對晶閘管開通角 角的控制，可以連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗 器的電流，從而調(diào)節(jié) TCR 從電網(wǎng)中吸收的無功功率的大小。TSC 則是利用晶閘管來控制用于補(bǔ)償無功功率的電容器的投入 和切除來向電網(wǎng)提供無功功率（提供

36、容性的無功功率） 。二者的特點(diǎn)是：TCR 只能提供感性的無功功率，但無功功率的大小是連續(xù)的。 實(shí)際應(yīng)用中往往配以固定電容器（ FC），就可以在從容性到感性的 范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率。TSC 提供容性的無功功率，符合大多數(shù)無功功率補(bǔ)償?shù)男枰?其提供的無功功率不能連續(xù)調(diào)節(jié)，但在實(shí)用中只要分組合理，就可 以達(dá)到比較理想的動態(tài)補(bǔ)償效果。 5單相交交變頻電路和直流電動機(jī)傳動用的反并聯(lián)可控整流電路有 什么不同？ 答：單相交交變頻電路和直流電動機(jī)傳動用的反并聯(lián)可控整流電路 的電路組成是相同的，均由兩組反并聯(lián)的可控整流電路組成。但兩 者的功能和工作方式不同。單相交交變頻電路是將交流電變成不同頻率的交流電，

37、通常用于 交流電動機(jī)傳動，兩組可控整流電路在輸出交流電壓一個(gè)周期里， 交替工作各半個(gè)周期，從而輸出交流電。而直流電動機(jī)傳動用的反并聯(lián)可控整流電路是將交流電變?yōu)橹?流電，兩組可控整流電路中哪一組工作并沒有像交交變頻電路那樣 的固定交替關(guān)系，而是由電動機(jī)工作狀態(tài)的需要決定。6交交變頻電路的最高輸出頻率是多少？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(dāng)交交變頻電路中采用常用的 6 脈波三相橋 式整流電路時(shí)，最高輸出頻率不應(yīng)高于電網(wǎng)頻率的 1/31/2。當(dāng)電網(wǎng) 頻率為 50Hz 時(shí)，交交變頻電路輸出的上限頻率為 20Hz 左右。

38、當(dāng)輸出頻率增高時(shí)，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(yán)重，電壓波形畸變和由此引起的電流波形畸變以及 電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。7交交變頻電路的主要特點(diǎn)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(diǎn)是：只用一次變流，效率較高；可方便實(shí)現(xiàn)四象限工作；低頻輸出時(shí)的特性接近正弦波。交交變頻電路的主要不足是：接線復(fù)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(fù)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

39、機(jī)主傳動裝置、鼓風(fēng)機(jī)、球磨機(jī)等場合。8 三相交交變頻電路有那兩種接線方式？它們有什么區(qū)別？ 答：三相交交變頻電路有公共交流母線進(jìn)線方式和輸出星形聯(lián)結(jié)方 式兩種接線方式。兩種方式的主要區(qū)別在于：公共交流母線進(jìn)線方式中， 因?yàn)殡娫催M(jìn)線端公用， 所以三組單相 交交變頻電路輸出端必須隔離。為此，交流電動機(jī)三個(gè)繞組必須拆 開，共引出六根線。而在輸出星形聯(lián)結(jié)方式中， 因?yàn)殡妱訖C(jī)中性點(diǎn)不和變頻器中性點(diǎn) 接在一起，電動機(jī)只引三根線即可，但是因其三組單相交交變頻器 的輸出聯(lián)在一起，其電源進(jìn)線必須隔離，因此三組單相交交變頻器 要分別用三個(gè)變壓器供電。9 在三相交交變頻電路中， 采用梯形波輸出控制的好處是什么？為

40、什么？ 答：在三相交交變頻電路中采用梯形波控制的好處是可以改善輸入 功率因數(shù)。因?yàn)樘菪尾ǖ闹饕C波成分是三次諧波，在線電壓中，三次諧 波相互抵消，結(jié)果線電壓仍為正弦波。在這種控制方式中，因?yàn)闃?式電路能夠較長時(shí)間工作在高輸出電壓區(qū)域（對應(yīng)梯形波的平頂 區(qū)）， 角較小，因此輸入功率因數(shù)可提高 15% 左右。10試述矩陣式變頻電路的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)。 為什么說這種電路 有較好的發(fā)展前景？答：矩陣式變頻電路的基本原理是：對輸入的單相或三相交流電壓進(jìn)行斬波控制， 使輸出成為正弦交 流輸出。矩陣式變頻電路的主要優(yōu)點(diǎn)是： 輸出電壓為正弦波； 輸出頻率不 受電網(wǎng)頻率的限制；輸入電流也可控制為正弦波且和電壓同

41、相；功 率因數(shù)為 1，也可控制為需要的功率因數(shù)；能量可雙向流動，適用于交流電動機(jī)的四象限運(yùn)行； 不通過中間直流環(huán)節(jié)而直接實(shí)現(xiàn)變頻， 效率較高。矩陣式交交變頻電路的主要缺點(diǎn)是：所用的開關(guān)器件為 18 個(gè)， 電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高，控制方法還不算成熟；輸出輸入最大 電壓比只有 0.866，用于交流電機(jī)調(diào)速時(shí)輸出電壓偏低。因?yàn)榫仃囀阶冾l電路有十分良好的電氣性能， 使輸出電壓和輸入 電流均為正弦波，輸入功率因數(shù)為 1，且能量雙向流動，可實(shí)現(xiàn)四 象限運(yùn)行；其次，和目前廣泛應(yīng)用的交直交變頻電路相比，雖然多 用了 6 個(gè)開關(guān)器件，卻省去直流側(cè)大電容，使體積減少，且容易實(shí) 現(xiàn)集成化和功率模塊化。隨著當(dāng)前器件

42、制造技術(shù)的飛速進(jìn)步和計(jì)算 機(jī)技術(shù)的日新月異，矩陣式變頻電路將有很好的發(fā)展前景。第 7 章 PWM 控制技術(shù)1試說明 PWM 控制的基本原理。答： PWM 控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系 列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制， 來等效地獲得所需要波形 （含形狀和幅值） 在采樣控制理論中有一條重要的結(jié)論： 沖量相等而形狀不同的窄 脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的 面積。效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。上述原理 稱為面積等效原理以正弦 PWM 控制為例。把正弦半波分成 N 等份，就可把其看 成是 N 個(gè)彼此相連的脈沖列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都 等于/

43、N，但幅值不等且脈沖頂部不是水平直線而是曲線，各脈沖 幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖列利用相同數(shù)量的等幅而不 等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn) 重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，就得 到 PWM 波形。各 PWM 脈沖的幅值相等而寬度是按正弦規(guī)律變化 的。根據(jù)面積等效原理， PWM 波形和正弦半波是等效的。對于正 弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到 PWM 波形?？梢?，所得 到的 PWM 波形和期望得到的正弦波等效。2設(shè)圖 6-3 中半周期的脈沖數(shù)是 5，脈沖幅值是相應(yīng)正弦波幅值的 兩倍，試按面積等效原理計(jì)算脈沖寬度。解：將各脈沖的寬度用 i

44、（i=1, 2, 3, 4, 5）表示，根據(jù)面積等效原理 可得1=05Um sintd tcos t 52U5 Um sin td t52U2cos t 5 25=0.09549(rad)=0.3040(ms)=0.2500(rad)=0.7958(ms)325 Um sin td tcos t2U22=0.3090(rad)=0.9836(ms)35Um sin td t2Um4 Um sin td52U= 2 =0.2500(rad)=0.7958(ms)t= 1 =0.0955(rad)=0.3040(ms)3. 單極性和雙極性 PWM 調(diào)制有什么區(qū)別？三相橋式 PWM 型逆 變電路中，

45、輸出相電壓（輸出端相對于直流電源中點(diǎn)的電壓）和線 電壓 SPWM 波形各有幾種電平？ 答：三角波載波在信號波正半周期或負(fù)半周期里只有單一的極性， 所得的 PWM 波形在半個(gè)周期中也只在單極性范圍內(nèi)變化，稱為單 極性 PWM 控制方式。三角波載波始終是有正有負(fù)為雙極性的，所得的 PWM 波形在 半個(gè)周期中有正、有負(fù)，則稱之為雙極性 PWM 控制方式。三相橋式 PWM 型逆變電路中， 輸出相電壓有兩種電平： 0.5Ud 和-0.5 Ud。輸出線電壓有三種電平 Ud、0、- Ud。4特定諧波消去法的基本原理是什么？設(shè)半個(gè)信號波周期內(nèi)有 10 個(gè)開關(guān)時(shí)刻（不含 0 和 時(shí)刻）可以控制，可以消去的諧波有

46、幾種？ 答：首先盡量使波形具有對稱性，為消去偶次諧波，應(yīng)使波形正負(fù) 兩個(gè)半周期對稱，為消去諧波中的余弦項(xiàng)，使波形在正半周期前后 1/4 周期以 /2 為軸線對稱?？紤]到上述對稱性， 半周期內(nèi)有 5 個(gè)開關(guān)時(shí)刻可以控制。 利用其 中的 1 個(gè)自由度控制基波的大小，剩余的 4 個(gè)自由度可用于消除 4 種頻率的諧波。5什么是異步調(diào)制？什么是同步調(diào)制？兩者各有何特點(diǎn)？分段 同步調(diào)制有什么優(yōu)點(diǎn)？ 答：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(dāng)信號波頻 率 fr 變化時(shí)，載波比 N 是變化的。異步調(diào)制的主要特點(diǎn)是：在信號波的半個(gè)周期內(nèi)，

47、 PWM 波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不 固定，正負(fù)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(dāng)信號波頻率較低時(shí)，載波比 N 較大，一周期內(nèi)的脈沖 數(shù)較多，正負(fù)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(dāng)信號波頻率增高時(shí)，載波比 N 減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減 少， PWM 脈沖不對稱的影響就變大，有時(shí)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(shí)使載波和信號波保持同步的

48、方 式稱為同步調(diào)制。同步調(diào)制的主要特點(diǎn)是： 在同步調(diào)制方式中，信號波頻率變化時(shí)載波比 N 不變，信號波 一個(gè)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(dāng)逆變電路輸出頻率很低時(shí)，同步調(diào)制時(shí)的載波頻率 fc 也很低。 fc 過低時(shí)由調(diào)制帶來的諧波不易濾除。當(dāng)負(fù)載為電動機(jī)時(shí)也會帶來 較大的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲。當(dāng)逆變電路輸出頻率很高時(shí)，同步調(diào)制時(shí)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(fù)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(gè)頻段 的載波比一定，不同頻段采用不同的載波比。其優(yōu)點(diǎn)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

49、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(fù)載產(chǎn)生不利影響。6什么是 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(diǎn)？ 答：規(guī)則采樣法是一種在采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)實(shí)用的 PWM 波形生成方 法。規(guī)則采樣法是在自然采樣法的基礎(chǔ)上得出的。規(guī)則采樣法的基 本思路是：取三角波載波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期。使每個(gè) PWM 脈沖的中點(diǎn)和三角波一周期的中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）重合，在三 角波的負(fù)峰時(shí)刻對正弦信號波采樣而得到正弦波的值，用幅值與該 正弦波值相等的一條水平直線近似代替正弦信號波，用該直線與三 角波載波的交點(diǎn)代替正弦波與載波的交點(diǎn)，即可得出控制功率

50、開關(guān) 器件通斷的時(shí)刻。比起自然采樣法， 規(guī)則采樣法的計(jì)算非常簡單， 計(jì)算量大大減少， 而效果接近自然采樣法， 得到的 SPWM 波形仍然很接近正弦波， 克服了自然采樣法難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，在工程中實(shí)際應(yīng)用不 多的缺點(diǎn)。7單相和三相 SPWM 波形中，所含主要諧波頻率為多少？ 答：單相 SPWM 波形中所含的諧波頻率為：n c k r式中， n=1,3,5,時(shí)， k=0,2,4, ； n=2,4,6,時(shí)， k=1,3,5, 在上述諧波中，幅值最高影響最大的是角頻率為c 的諧波分量三相 SPWM 波形中所含的諧波頻率為：n c k r式中， n=1,3,5,時(shí)， k=3(2m-1)1，m=1

51、,2,；n=2,4,6,時(shí)， k6m 16m 1在上述諧波中，幅值較高的是m 0,1,m 1,2,c2 r 和 2 c8如何提高 PWM 逆變電路的直流電壓利用率？ 答：采用梯形波控制方式，即用梯形波作為調(diào)制信號，可以有效地 提高直流電壓的利用率。對于三相 PWM 逆變電路，還可以采用線電壓控制方式，即在 相電壓調(diào)制信號中疊加 3 的倍數(shù)次諧波及直流分量等，同樣可以有 效地提高直流電壓利用率。9什么是電流跟蹤型 PWM 變流電路？采用滯環(huán)比較方式的電流 跟蹤型變流器有何特點(diǎn)？答：電流跟蹤型 PWM 變流電路就是對變流電路采用電流跟蹤控 制。也就是，不用信號波對載波進(jìn)行調(diào)制，而是把希望輸出的電流

52、 作為指令信號，把實(shí)際電流作為反饋信號，通過二者的瞬時(shí)值比較 來決定逆變電路各功率器件的通斷， 使實(shí)際的輸出跟蹤電流的變化。采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型變流器的特點(diǎn)：硬件電路簡單；屬于實(shí)時(shí)控制方式，電流響應(yīng)快；不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波分量； 與計(jì)算法和調(diào)制法相比，相同開關(guān)頻率時(shí)輸出電流中高次諧 波含量較多；采用閉環(huán)控制。10什么是 PWM 整流電路？它和相控整流電路的工作原理和性 能有何不同？答： PWM 整流電路就是采用 PWM 控制的整流電路，通過對PWM 整流電路的適當(dāng)控制，可以使其輸入電流十分接近正弦波且 和輸入電壓同相位，功率因數(shù)接近 1。相控整流電路是對晶閘管的開通起始角進(jìn)行