王兆安第四版電力電子技術課后答案-資料下載頁

【導讀】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················································35. 第7章軟開關技術·····················································40. 第8章組合變流電路··················································42. 流降到接近于零的某一數值以下，即降到維持電流以下，便可使導通的晶閘管關斷。均為Im，試計算各波形的電流平均值Id1、Id2、Id3與電流有效值I1、I2、I3。

　　

【正文】 開關器件，卻省去直流側大電容，使體積減少，且容易實現集成化和功率模塊化。隨著當前 器件制造技術的飛速進步和計算機技術的日新月異，矩陣式變頻電路將有很好的發展前景。 31 第 5 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接電網，即交流側接有電源。而無源逆變電路的交流側直接和負載聯接。 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斷能力進行換流。全控型器件采用此換流方式。 電網換流：由電網提供換流電壓，只要把負的電網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，可實現負載換流。 強迫換流：設置附加換流電路，給欲關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，也稱電容換流。 晶閘管電路不能采用器件換流，根據電路形式的不同采用電網換流、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分類，直流側是電 壓源的稱為逆變電路稱為電壓型逆變電路，直流側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 直流側為電壓源，或并聯有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現低阻抗。 ② 由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。 ③ 當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯了反饋二極管。 電流型逆變電路的主要特點是 ： ① 直流側串聯有大電感，相當于電流源。直流側電流基本無脈動，直流回路呈現高阻抗。 ② 電路中開關器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此交流側輸出電流為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電壓波形和相位則因負載阻抗情況的 32 不同而不同。 ③ 當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側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器件反并聯二極管。 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， 當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯了反饋二極管。當輸出交流電壓和電流的極性相同時，電流經電路中的可控開關器件流通，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，無功能量由直流側電感來緩沖。當需要從交流側向直流側反饋無功能量時，電流并不反向，依然經電路中的可控開關器件流通，因此不需要并聯反饋二極管。 5. 三相橋式電壓型逆變電路， 180176。 導電方式， 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 ddUN 1 m 6 3 UUU ?? ?=(V) 輸出相電壓基波有效值為： dUN 1 mUN1 UUU ??=45(V) 輸出線電壓的基波幅值為 ddUV 1 m UUU ?? ?=110(V) 輸出線電壓基波的有效值為 ddU V 1 mU V 1 UUUU ??? ?=78(V) 輸出線電壓中五次諧波 UV5u 的表達式為： tUu ?? 5sin532 dUV5 ? 其有效值為： ?25 32 dUV5 UU ?=(V) 33 6．并聯諧振式逆變電路利用負載電壓進行換相，為保證換相應滿足什么條件？ 答：假設在 t 時刻觸發 VT VT 3 使其導通，負載電壓 uo 就通過 VT VT 3施加在 VT VT 4 上，使其承受反向電壓關斷，電流從 VT VT 4向 VT VT 3轉移，觸發 VTVT 3 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。 7．串聯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斷的晶閘管上，使晶閘管在關斷之后能夠承受一定時間的反向電壓，確保晶閘管可靠關斷，從而確保晶閘管換流成功。以 VT 1 和 VT 3之間的換流為例，串聯二極管式電流型逆變電路的換流過程可簡述如下： 給 VT 3施加觸發脈沖，由于換流電容 C13 電壓的作用，使 VT3導通，而 VT 1被施以反向電壓而關斷。直流電流 Id 從 VT 1 換到 VT 3上， C13通過 VD U相負載、 W 相負載、 VD VT 直流電源和 VT 3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斷時間 tq，就能保證可靠關斷。 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 受到正向偏置而導通，開始流過電流，兩個二極管同時導通，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承受反壓而關斷，二極管換流階段結束。 之后，進入 VT VT3穩定導通階段，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？串聯多重和并聯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。組合方式有串聯多重和并聯多重兩種方式。串聯多重是把幾個逆變電路的輸出串聯起來，并聯多重是把幾個逆變電路的輸出并聯起來。 串聯多重逆變電路多用于電壓型逆變電路的多重化。 并聯多重逆變電路多用于電流型逆變電路得多重化。 34 第 6 章 PWM 控制技術 1．試說明 PWM 控制的基本原理。 答： PWM 控制就是對脈沖 的寬度進行調制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，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論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，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節的輸出響應波形基本相同。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律變化。如果把上述脈沖列利用相同數量的等 幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積（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律變化的。根據面積等效原理， 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．設圖 63 中半周期的脈沖數是 5，脈沖幅值是相應正弦波幅值的兩倍，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) 35 ?4 =m5453 m2dsinUttU ????? =?2 =(rad)=(ms) ?5 =m54 m2dsinUttU ????? =?1 =(rad)=(ms) 3. 單極性和雙極性 PWM調制有什么區別？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？ 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？設半個信號波周期內有 10 個開關時刻（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，半周期內有 5個開關時刻可以控制。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。 5．什么是異步調制？什么是同步調制？兩者各有何特點？分段同步調制有什么優點？ 答： 載波信號和調制信號不保持同步的調制方式稱為異步調制。在異步調制方式中，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。 異步調制的主要特點是： 在信號波的半個周期內， PWM 波的脈沖個數不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后 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，一周期內的脈沖數較多，正負半周期脈沖不對稱和半周期內前后 1/4 周期脈沖不對稱產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，一周期內的脈沖數減少， 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生 PWM 脈沖的跳動。這就使得輸 36 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，并在變頻時使載波和信號波保持同步的方式稱為同步調制。 同步調制的主要特點是： 在同步調制方式中，信號波頻率變 化時載波比 N 不變，信號波一個周期內輸出的脈沖數是固定的，脈沖相位也是固定的。 當逆變電路輸出頻率很低時，同步調制時的載波頻率 fc也很低。 fc過低時由調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矩脈動和噪聲。 當逆變電路輸出頻率很高時，同步調制時的載波頻率 fc會過高，使開關器件難以承受。 此外，同步調制方式比異步調制方式復雜一些。 分段同步調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，不同頻段采用不同的載波比。其優點主要是，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。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生不利影響。 6．什么是 SPWM 波形的規則化采樣法？和自然采樣法比規則采樣法有什么優點？ 答： 規則采樣法是一種在采用微機實現時實用的 PWM 波形生成方法。規則采樣法是在自然采樣法的基礎上得出的。規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中點（即負峰點）重合，在三角波的負峰時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代替正弦波與載波的交點，即可得出控制功率開關器件通斷的時刻。 比起自然采樣法，規則采樣法的計算非常簡單，計算量大大減少，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時控制中在線計算，在工程中實際應用不多的缺點。 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： rc ?? kn ? 式中， n=1,3,5,…時， k=0,2,4, …； n=2,4,6,…時， 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： 37 rc ?? kn ? 式中， n=1,3,5,…時， k=3(2m1)177。 1， m=1,2,…； n=2,4,6,…時，??? ?? ??? ??,2,116 ,1,016 mm mmk 在上述諧波中，幅值較高的是 ?c177。 2? r 和 2??c177。 ? r。