東南大學-研究生電力電子考試題

東南大學-研究生電力電子考試題1、請一一列舉電力電子器件和理想開關的主要區(qū)別，并簡要說明使電力電子器件正常工作的應對措施。答：電力電子器件與理想開關的主要區(qū)別在于：理想開關導通零電阻，而器件存在導通壓降，存在通態(tài)損耗；且關斷后存在反向漏電流，存在斷態(tài)損耗。理想開關可瞬時開通和關斷，而器件需要一定的開通、關斷時間，存在開通和關斷損耗。理想開關耐壓、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對措施：選用晶閘管時注意其額定電壓和電流應留有一定裕量，額定電壓取正常工作時承受的峰值電壓的2~3倍，額定電流取1.5~2倍通態(tài)平均電流有效值，并工作在安全工作區(qū)內(nèi)。晶閘管需要在門級加一定寬度和強度的觸發(fā)脈沖才能正常工作。當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，晶閘管才能關斷。晶閘管具有一定的開通和關斷時間，實際應用中應注意使用頻率的限制。避免過大的du/dt和di/dt，使用中應該加緩沖電路；為了防止器件過熱導致器件損壞，實際應用時還應該注意散熱。2、大功率開關器件（GTR、IGBT等）在開關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，減少器件的開關損耗，塑造開關器件開關過程中的開關狀態(tài)軌跡。如無極性的R-C緩沖電路可以保護器件；極性化R-C緩沖電路可以吸收器件的關斷、換向過電壓和du/dt，進行關斷保護；極性化L-R緩沖電路可以抑制開通電流過沖和di/dt，進行開通保護；關斷和開通緩沖電路結(jié)合可以構(gòu)成復合緩沖電路。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Rs向V放電，使iC先上一個臺階，以后因有Li，iC上升速度減慢；在V關斷時，負載電流通過VDs向Cs分流，減輕了V的負擔，抑制了du/dt和過電壓。3、電力電子開關器件的功耗主要有哪些？請簡述軟開關諧振技術減少開關損耗的基本原理。答：電力電子器件的功耗主要有開通損耗、關斷損耗和導通期間的損耗三種。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。軟開關技術使電壓U或/且電流I減小從而減小開關損耗功率P=UI。軟開關可分為ZVS（零電壓開關）和ZCS（零電流開關）兩種，前者可以減小器件開通、關斷期間的電流I；后者可以減小器件開關期間的電壓U，都達到減小損耗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)點。答：PWM整流電路是升壓型整流電路。工作時按自然采樣法對VT1~VT4進行SPWM控制，使uAB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us>0時，VT2、VD4、VD1和Ls以及VT3、VD1、VD4和Ls分別組成兩組升壓斬波電路。以第一組為例，VT2導通時，電源通過VT2和VD4為Ls充電；VT2截止時，Ls通過VD1和VD4向直流電容C供電。同理，當us<0時，VT1、VD3、VD2和Ls以及VT4、VD2、VD3和Ls分別組成兩組升壓斬波電路。而輸入電流is與us的相位角通過控制uAB來實現(xiàn)。比如目標電流為，則控制使，即能達到控制目標。與相控整流電路相比，PWM整流電路具有以下優(yōu)點：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狀態(tài)圖并依次正確標注其相應的空間矢量編號，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：空間矢量編號的基本原則是：開關按照A->B->C的順序依次導通，且相鄰的開關狀態(tài)只改變一位，即（100，110，010，011，001，101以及000，111），其中和是零矢量。6、假設下圖中開關器件VT和V的開關占空比為α＝ton/T。請推導：（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系表達式Uo/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系表達式Uo/E=?。答：（1）降壓buck電路：該電路在一個工作周期內(nèi)，電感L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VT導通時，有，即；當VT關斷時，電感L通過VD續(xù)流，有，，。因為，所以，即。（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導通時，電源為電感L充電，，；V關斷時，電感L向負載放電，，。，所以，即。7、請列舉電力電子開關器件和理想開關的主要區(qū)別。造成電力電子開關器件發(fā)熱的主要來源有哪些？列出幾種電力電子開關器件散熱的措施。答：電力電子器件與理想開關的主要區(qū)別在于：理想開關導通零電阻，而器件存在導通壓降，存在通態(tài)損耗；且關斷后存在反向漏電流，存在斷態(tài)損耗。理想開關可瞬時開通和關斷，而器件需要一定的開通、關斷時間，存在開通和關斷損耗。理想開關耐壓、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。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、關斷損耗和導通期間的損耗三種。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型、對流型和輻射型，按具體操作可以分為風冷、水冷和油冷等。8、試以晶閘管SCR為例，簡述電力電子器件串聯(lián)工作時，應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，應采取哪些措施來實現(xiàn)器件的均流？并畫出均壓和均流線路原理圖。答：（1）晶閘管SCR串聯(lián)均壓：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。當晶閘管串聯(lián)時，首先應選取參數(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電荷，實現(xiàn)動態(tài)均壓。（2）晶閘管SCR并聯(lián)均流：如圖所示，耦合電感T1和T2可以提供動態(tài)均流。當VT1中電流I1上升時，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ΔI抑制I1的增長；由于T1和T2異名端耦合，所以T2中產(chǎn)生與I2同向的增長電流ΔI使I2增長，從而達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次、7次等低次諧波。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Uo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Uo波形。當輸入電壓U1>0，即在正半周內(nèi)，V4截止，V3持續(xù)導通，V1則以斬波頻率導通和關斷；在V1關斷期間，V3和VD3為負載續(xù)流。當輸入電壓U1<0，即在負半周內(nèi)，V3截止而V4導通，V2進行通斷控制；同樣的，在V2關斷時，V4和VD4為負載續(xù)流。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（額定工作電壓有效值為300V）需要進行變頻調(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計出一種滿足該電機調(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說明。答：由于220V工頻交流經(jīng)過整流和逆變后無法達到300V的有效值，所以變換器必須要有升壓設備。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。設變壓器的變比為1:k，升壓后交流電壓有效值為U2，橋式整流電路帶容性負載輸出直流電壓為UC，一般取UC=0.9U2；PWM逆變器直流電壓利用率，即，這里取ma=0.8，要求Uo=300V，即：k=300/(0.7071×0.8×0.9×220)=2.68，所以變壓器變比選為1:2.68。12、電力電子技術在節(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。我們可以設計一種可逆的整流電路，當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；當汽車制動時，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制動時產(chǎn)生的電能整流后回饋至儲能設備以供下次使用，從而實現(xiàn)節(jié)能。13、某單位進口設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，為了使這臺設備的功率不超標，想使用電力電子技術對其進行改造，假定電阻爐的電阻值不隨溫度變化，耐壓強度足夠，周期功率不得超標使用，試設計兩種單相電路滿足這一要求。要求計算出：①控制角的變化范圍；②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，要進行60A恒流放電維護，放電終止電壓為180V，為了有效利用能源，要求設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βmin=15°,試設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)：①電路中電阻與電感值；②安全裕量取為1，計算晶閘管電流定額；③電路中電阻值可取大小不同的數(shù)值，對電路有何影響？15、三相橋式全控可逆電路，輸入相電壓100V，電源變壓器漏