電力電子技術(shù)(王兆安第5版)課后習(xí)題答案-資料下載頁

【導(dǎo)讀】第1章電力電子器件·······································································1. 第2章整流電路··············································································4. 第3章直流斬波電路······································································20. 第4章交流電力控制電路和交交變頻電路·········································26. 第5章逆變電路·············································································31. 第6章PWM控制技術(shù)····································································35. 第7章軟開關(guān)技術(shù)·········································································40

　　

【正文】 動機只引三根線即可，但是因其三組單相交交變頻器的輸出聯(lián)在一起，其電源進線必須隔離，因此三組單相交交變 頻器要分別用三個變壓器供電。 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)。 因為梯形波的主要諧波成分是三次諧波，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，因為橋式電路能夠較長時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。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，適用于交流電動機的四象限運行；不通過中間直流環(huán)節(jié)而直接實現(xiàn)變頻，效率較高。 矩陣式交交變頻電路的主要缺點是：所用的開關(guān)器件為 18 個，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 ，用于交流電機調(diào)速時輸出電壓偏低。 25 因為矩陣式變頻電路有十分良好的 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，可實現(xiàn)四象限運行；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 個開關(guān)器件，卻省去直流側(cè)大電容，使體積減少，且容易實現(xiàn)集成化和功率模塊化。隨著當前 器件制造技術(shù)的飛速進步和計算機技術(shù)的日新月異，矩陣式變頻電路將有很好的發(fā)展前景。 第 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)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： ① 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。 ② 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。 ③ 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： ① 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。 ② 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 26 而不同。 ③ 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。 5. 三相橋式電壓型逆變電路， 180176。導(dǎo)電方式， Ud=100V。試求輸出相電壓的基波幅值UUN1m 和有效值 UUN輸出線電壓的基波幅值 UUV1m 和有效值 UUV輸出線電壓中 5次諧波的有效值 UUV5。 解：輸出相電壓的基波幅值為 ddU N 1 m UUU ?? ?=(V) 輸出相電壓基波有效值為： dU N1 mU N1 UUU ??=45(V) 輸出線電壓的基波幅值為 ddU V 1 m UUU ?? ?=110(V) 輸出線電壓基波的有效值為 ddU V 1 mUV1 UUUU ??? ?=78(V) 輸出線電壓中五次諧波 UV5u 的表達式為： tUu ?? 5sin532 dU V 5 ? 其有效值為： ?25 32 dUV5 UU ?=(V) 6．并聯(lián)諧振式逆變電路利用負載電壓進行換相，為保證換相應(yīng)滿足什么條件？ 答：假設(shè)在 t 時刻觸發(fā) VT VT3 使其導(dǎo)通，負載電壓 uo 就 通過 VT VT3 施加在 VTVT4 上，使其承受反向電壓關(guān)斷，電流從 VT VT4 向 VT VT3 轉(zhuǎn)移，觸發(fā) VT VT3時刻 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。 27 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 VT1 被施以反向電壓而關(guān)斷。直流電流 Id從 VT1 換到 VT3 上， C13 通過 VD U 相負載、 W 相負載、VD VT直流電源和 VT3 放電，如圖 516b 所示。因放電電流恒為 Id，故稱恒流放電階段。在 C13 電壓 uC13 下降到零之前， VT1 一直承受反壓，只要反壓時間大于晶閘管關(guān)斷時間 tq，就能保證可靠關(guān)斷。 uC13 降到零之后在 U 相負載電感的作用下，開始對 C13 反向充電。如忽略負載中電阻的壓降，則在 uC13=0 時刻后，二極管 VD3 受到正向偏置而導(dǎo)通，開始流過電流，兩個二極管同時導(dǎo)通，進入二極管換流階段，如圖 516c 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，進入 VT VT3 穩(wěn)定導(dǎo)通階段，電流路徑如圖 516d 所示。 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。 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。 28 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行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(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，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 π /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，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦波部分的中點重合，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。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到 PWM 波形。可見，所得到的 PWM 波形和期望得到的正弦波等效。 2．設(shè)圖 63 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算脈沖寬度。 解：將各脈沖的寬度用 ?i（ i=1, 2, 3, 4, 5）表示，根據(jù)面積等效原理可得 ?1=m50 m2 dsinU ttU?? ??= 502cos ??t? =(rad)=(ms) ?2 =m525m2dsinUttU ????? =5252cos ???t? =(rad)=(ms) ?3 =m5352 m2dsinUttU ????? =53522cos ???t? =(rad)=(ms) ?4 =m5453 m2dsinUttU ????? =?2 =(rad)=(ms) ?5 =m54 m2dsinUttU ????? =?1 =(rad)=(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，輸出相電壓（輸出端相對于直流電源中點的電壓）和線電壓 SPWM 波形各有幾種電平？ 29 答：三角波載波在信號波正半周期或負半周期里只 有單一的極性，所得的 PWM 波形在半個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為雙極性的，所得的 PWM 波形在半個周期中有正、有負，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： 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)半個信號波周期內(nèi)有 10 個開關(guān)時刻（不含0 和 ??時刻）可以控制，可以消去的諧波有幾種？ 答：首先盡量使波形具有對稱性，為消去偶次諧波， 應(yīng)使波形正負兩個半周期對稱，為消去諧波中的余弦項，使波形在正半周期前后 1/4 周期以 ??/2 為軸線對稱。 考慮到上述對稱性，半周期內(nèi)有 5 個開關(guān)時刻可以控制。利用其中的 1 個自由度控制基波的大小，剩余的 4 個自由度可用于消除 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？分段同步調(diào)制有什么優(yōu)點？ 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， 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(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，每個頻段 的載波比一定，不 30 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？ 答： 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：取三角波載波兩個正峰值之間為一個采樣周期。使每個 PWM 脈沖的中點和三角波一周期的