《電力電子技術(shù)》第六七八章習(xí)題答案.doc

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第6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(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對(duì)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(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(duì)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di（i=1, 2, 3, 4, 5）表示，根據(jù)面積等效原理可得 d1== =0.09549(rad)=0.3040(ms) d2 == =0.2500(rad)=0.7958(ms) d3 == =0.3090(rad)=0.9836(ms) d4 ==d2 =0.2500(rad)=0.7958(ms) d5 ==d1 =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，輸出相電壓（輸出端相對(duì)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(hào)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(hào)波周期內(nèi)有10個(gè)開關(guān)時(shí)刻（不含0和p 時(shí)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(duì)稱性，為消去偶次諧波，應(yīng)使波形正負(fù)兩個(gè)半周期對(duì)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p /2為軸線對(duì)稱。 考慮到上述對(duì)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？?jī)烧吒饔泻翁攸c(diǎn)？分段同步調(diào)制有什么優(yōu)點(diǎn)？ 答：載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)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(hào)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(hào)波的半個(gè)周期內(nèi)，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(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱。 這樣，當(dāng)信號(hào)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(duì)稱和半周期內(nèi)前后1/4周期脈沖不對(duì)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(hào)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(duì)稱的影響就變大，有時(shí)信號(hào)波的微小變化還會(huì)產(chǎn)生PWM脈沖的跳動(dòng)。這就使得輸出PWM波和正弦波的差異變大。對(duì)于三相PWM型逆變電路來說，三相輸出的對(duì)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(hào)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(diǎn)是： 在同步調(diào)制方式中，信號(hào)波頻率變化時(shí)載波比N不變，信號(hào)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(dòng)機(jī)時(shí)也會(huì)帶來較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(huì)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(duì)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(duì)正弦信號(hào)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(hào)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(jiǎn)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：?jiǎn)蜗郤PWM波形中所含的諧波頻率為： 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wc的諧波分量。 三相SPWM波形中所含的諧波頻率為： 式中， n=1,3,5,…時(shí)，k=3(2m-1)1，m=1,2,…； n=2,4,6,…時(shí)， 在上述諧波中，幅值較高的是wc2w r和2w cw r。 8．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(hào)，可以有效地提高直流電壓的利用率。 對(duì)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(hào)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(duì)變流電路采用電流跟蹤控制。也就是，不用信號(hào)波對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，而是把希望輸出的電流作為指令信號(hào)，把實(shí)際電流作為反饋信號(hào)，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)： ①硬件電路簡(jiǎn)單； ②屬于實(shí)時(shí)控制方式，電流響應(yīng)快； ③不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波分量； ④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； ⑤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(duì)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(duì)晶閘管的開通起始角進(jìn)行控制，屬于相控方式。其交流輸入電流中含有較大的諧波分量，且交流輸入電流相位滯后于電壓，總的功率因數(shù)低。 PWM整流電路采用SPWM控制技術(shù)，為斬控方式。其基本工作方式為整流，此時(shí)輸入電流可以和電壓同相位，功率因數(shù)近似為1。 PWM整流電路可以實(shí)現(xiàn)能量正反兩個(gè)方向的流動(dòng)，即既可以運(yùn)行在整流狀態(tài)，從交流側(cè)向直流側(cè)輸送能量；也可以運(yùn)行在逆變狀態(tài)，從直流側(cè)向交流側(cè)輸送能量。而且，這兩種方式都可以在單位功率因數(shù)下運(yùn)行。 此外，還可以使交流電流超前電壓90，交流電源送出無功功率，成為靜止無功功率發(fā)生器?；蚴闺娏鞅入妷撼盎驕笕我唤嵌萰 。 11．在PWM整流電路中，什么是間接電流控制？什么是直接電流控制？ 答：在PWM整流電路中，間接電流控制是按照電源電壓、電源阻抗電壓及PWM整流器輸入端電壓的相量關(guān)系來進(jìn)行控制，使輸入電流獲得預(yù)期的幅值和相位，由于不需要引入交流電流反饋，因此稱為間接電流控制。 直接電流控制中，首先求得交流輸入電流指令值，再引入交流電流反饋，經(jīng)過比較進(jìn)行跟蹤控制，使輸入電流跟蹤指令值變化。因?yàn)橐肓私涣麟娏鞣答伓Q為直接電流控制  第7章 軟開關(guān)技術(shù) 1．高頻化的意義是什么？為什么提高開關(guān)頻率可以減小濾波器的體積和重量？為什么提高關(guān)頻率可以減小變壓器的體積和重量？ 答：高頻化可以減小濾波器的參數(shù)，并使變壓器小型化，從而有效的降低裝置的體積和重量。使裝置小型化，輕量化是高頻化的意義所在。提高開關(guān)頻率，周期變短，可使濾除開關(guān)頻率中諧波的電感和電容的參數(shù)變小，從而減輕了濾波器的體積和重量；對(duì)于變壓器來說，當(dāng)輸入電壓為正弦波時(shí)，U=4.44.f.N.B.S，當(dāng)頻率f提高時(shí)，可減小N、S參數(shù)值，從而減小了變壓器的體積和重量。 2．軟開關(guān)電路可以分為哪幾類？其典型拓?fù)浞謩e是什么樣子的？各有什么特點(diǎn)？ 答：根據(jù)電路中主要的開關(guān)元件開通及關(guān)斷時(shí)的電壓電流狀態(tài)，可將軟開關(guān)電路分為零電壓電路和零電流電路兩大類；根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可將軟開關(guān)電路分為準(zhǔn)諧振電路，零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。 準(zhǔn)諧振電路：準(zhǔn)諧振電路中電壓或電流的波形為正弦波，電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但諧振電壓或諧振電流很大，對(duì)器件要求高，只能采用脈沖頻率調(diào)制控制方式。 零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元 零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元 零開關(guān)PWM電路：這類電路中引入輔助開關(guān)來控制諧振的開始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生于開關(guān)過程前后，此電路的電壓和電流基本上是方波，開關(guān)承受的電壓明顯降低，電路可以采用開關(guān)頻率固定的PWM控制方式。 零電壓開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元 零電流開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元 零轉(zhuǎn)換PWM電路：這類軟開關(guān)電路還是采用輔助開關(guān)控制諧振的開始時(shí)刻，所不同的是，諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)的，輸入電壓和負(fù)載電流對(duì)電路的諧振過程的影響很小，電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)并從零負(fù)載到滿負(fù)載都能工作在軟開關(guān)狀態(tài)，無功率的交換被消減到最小。 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元 零電流轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開關(guān)單元 3．在移相全橋零電壓開關(guān)PWM電路中，如果沒有諧振電感Lr，電路的工作狀態(tài)將發(fā)生哪些變化，哪些開關(guān)仍是軟開關(guān)，哪些開關(guān)將成為硬開關(guān)？ 答: 如果沒有諧振電感Lr，電路中的電容CS1，C S2與電感L仍可構(gòu)成諧振電路，而電容C S3，C S4將無法與Lr構(gòu)成諧振回路，這樣，S、S將變?yōu)橛查_關(guān)，S、S仍為軟開關(guān)。 4．在零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路中，輔助開關(guān)S1和二極管VD1是軟開關(guān)還是硬開關(guān)，為什么？ 答：在S1開通時(shí)，uS1 不等于零；在S1關(guān)斷時(shí)，其上電流也不為零，因此S1為硬開關(guān)。由于電感Lr的存在，S1開通時(shí)的電流上升率受到限制，降低了S1的開通損耗。由于電感Lr的存在，使VD1的電流逐步下降到零，自然關(guān)斷，因此VD1為軟開關(guān)。  第8章 組合變流電路 1. 什么是組合變流電路？ 答：組合變流電路是將某幾種基本的變流電路（AC/DC、DC/DC、AC/AC、DC/DC）組合起來，以實(shí)現(xiàn)一定新功能的變流電路。 2. 試闡明圖8-1間接交流變流電路的工作原理，并說明該電路有何局限性。 答：間接交流變流電路是先將交流電整流為直流電，在將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，圖8-1所示的是不能再生反饋電力的電壓型間接交流變流電路。該電路中整流部分采用的是不可控整流，它和電容器之間的直流電壓和直流電流極性不變，只能由電源向直流電路輸送功率，而不能由直流電路向電源反饋電力，這是它的一個(gè)局限。圖中逆變電路的能量是可以雙向流動(dòng)的，若負(fù)載能量反饋到中間直流電路，導(dǎo)致電容電壓升高。由于該能量無法反饋回交流電源，故電容只能承擔(dān)少量的反饋能量，這是它的另一個(gè)局限。 3. 試分析圖8-2間接交流變流電路的工作原理，并說明其局限性。 答：圖8-2是帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路，它是在圖8-1的基礎(chǔ)上，在中間直流電容兩端并聯(lián)一個(gè)由電力晶體管V0和能耗電阻R0組成的泵升電壓限制電路。當(dāng)泵升電壓超過一定數(shù)值時(shí)，使V0導(dǎo)通，把從負(fù)載反饋的能量消耗在R0上。其局限性是當(dāng)負(fù)載為交流電動(dòng)機(jī)，并且要求電動(dòng)機(jī)頻繁快速加減速時(shí)，電路中消耗的能量較多，能耗電阻R0也需要較大功率，反饋的能量都消耗在電阻上，不能得到利用。 4. 試說明圖8-3間接交流變流電路是如何實(shí)現(xiàn)負(fù)載能量回饋的。 答：圖8-3為利用可控變流器實(shí)現(xiàn)再生反饋的電壓型間接交流變流電路，它增加了一套變流電路，使其工作于有源逆變狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載回饋能量時(shí)，中間直流電壓上升，使不可控整流電路停止工作，可控變流器工作于有源逆變狀態(tài)，中間直流電壓極性不變，而電流反向，通過可控變流器將電能反饋回電網(wǎng)。 5. 何為雙PWM電路？其優(yōu)點(diǎn)是什么？ 答：雙PWM電路中，整流電路和逆變電路都采用PWM控制，可以使電路的輸入輸出電流均為正弦波，輸入功率因數(shù)高，中間直流電路的電壓可調(diào)。當(dāng)負(fù)載為電動(dòng)機(jī)時(shí)，可工作在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，也可工作在再生制動(dòng)狀態(tài)；通過改變輸出交流電壓的相序可使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，因此，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行 6. 什么是變頻調(diào)速系統(tǒng)的恒壓頻比控制？ 答：即對(duì)變頻器的電壓和頻率的比率進(jìn)行控制，使該比率保持恒定。這樣可維持電動(dòng)機(jī)氣隙磁通為額定值，使電動(dòng)機(jī)不會(huì)因?yàn)轭l率變化而導(dǎo)致磁飽和和造成勵(lì)磁電流增大，引起功率因數(shù)和效率的降低。 7. 何為UPS？試說明圖8-11所示UPS系統(tǒng)的工作原理。 答：UPS是指當(dāng)交流輸入電源發(fā)生異?；驍嚯姇r(shí)，還能繼續(xù)向負(fù)載供電，并能保證供電質(zhì)量，使負(fù)載供電不受影響的裝置，即不間斷電源。圖8-11為用柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源的UPS，其工作原理為：一旦市電停電，則蓄電池投入工作，同時(shí)起動(dòng)油機(jī)，由油機(jī)代替市電向整流器供電，整流后再通過逆變器逆變?yōu)?0Hz恒頻恒壓的交流電向負(fù)載供電，市電恢復(fù)正常后，再重新由市電供電。因?yàn)樾铍姵刂蛔鳛槭须娕c油機(jī)之間的過渡，柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源，所以此系統(tǒng)可保證長(zhǎng)時(shí)間不間斷供電。 8. 試分析正激電路和反激電路中的開關(guān)和整流二極管在工作時(shí)承受的最大電壓。 解：正激電路和反激電路中的開關(guān)和整流二極管在工作時(shí)承受最大電壓的情況如下表所示： 開關(guān)S 整流二極管VD1 正激電路 （1+）UI UI 反激電路 Ui+U Ui+ U 9. 試分析全橋、半橋和推挽電路中的開關(guān)和整流二極管在工作中承受的最大電壓，最大電流和平均電流。 答：以下分析均以采用橋式整流電路為例。 ①全橋電路： 最大電壓 最大電流 平均電流 開關(guān)S Ui Id Id 整流二極管 Ui Id Id ②半橋電路： 最大電壓 最大電流 平均電流 開關(guān)S Ui Id Id 整流二極管 Ui Id Id ③推挽電路： （變壓器原邊總匝數(shù)為2N1） 最大電壓 最大電流 平均電流 開關(guān)S 2U i Id Id 整流二極管 Ui Id Id 10. 全橋和半橋電路對(duì)驅(qū)動(dòng)電路有什么要求？ 答：全橋電路需要四組驅(qū)動(dòng)電路，由于有兩個(gè)管子的發(fā)射極連在一起，可共用一個(gè)電源，所以只需要三組電源；半橋電路需要兩組驅(qū)動(dòng)電路，兩組電源。 11. 試分析全橋整流電路和全波整流電路中二極管承受的最大電壓，最大電流和平均電流。 解：兩種電路中二極管承受最大電壓、電流及平均電流的情況如下表所示： 最大電壓 最大電流 平均電流 全橋整流 Um Id Id 全波整流 2Um Id Id 12. 一臺(tái)輸出電壓為5V、輸出電流為20A的開關(guān)電源： ①如果用全橋整流電路，并采用快恢復(fù)二極管，其整流電路中二極管的總損耗是多少？ ②如果采用全波整流電路，采用快恢復(fù)二極管、肖特基二極管整流電路中二極管的總損耗是多少？如果采用同步整流電路，整流元件的總損耗是多少？ 注：在計(jì)算中忽略開關(guān)損耗，典型元件參數(shù)見下表。 元件類型 型號(hào) 電壓(V) 電流(A) 通態(tài)壓降（通態(tài)電阻） 快恢復(fù)二極管 25CPF10 100 25 0.98V 肖特基二極管 3530CPQ035 30 30 0.64V MOSFET IRFP048 60 70 0.018W 解：①總損耗為 4UI=40.9820=39.2(W) ②采用全波整流電路時(shí)： 采用快恢復(fù)二極管時(shí)總損耗為：2UI=0.9820=19.6(W) 采用肖特基二極管時(shí)總損耗為：2UI=0.6420=12.8(W) 采用同步整流電路時(shí)，總損耗為： 2IR=2(20)0.018=7.2(W)