2022年电力电子学 复习及思考题.doc

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1、第一章1-1. 电力技术、电子技术和电力电子技术三者所涉及的技术内容和研究对象是什么？三者的技术开展和应用主要依赖什么电气设备和器件？答：电力技术涉及的技术内容：发电、输电、配电及电力应用。其研究对象是：发电机、变压器、电动机、输配电线路等电力设备，以及利用电力设备来处理电力电路中电能的产生、传输、分配和应用咨询题。其开展依赖于发电机、变压器、电动机、输配电系统。其理论根底是电磁学(电路、磁路、电场、磁场的根本原理)，利用电磁学根本原理处理发电、输配电及电力应用的技术统称电力技术。电子技术，又称为信息电子技术或信息电子学，研究内容是电子器件以及利用电子器件来处理电子电路中电信号的产生、变换、处

2、理、存储、发送和接收咨询题。其研究对象:载有信息的弱电信号的变换和处理。其开展依赖于各种电子器件（二极管、三极管、MOS管、集成电路、微处理器电感、电容等）。电力电子技术是一门综合了电子技术、操纵技术和电力技术的新兴穿插学科。它涉及电力电子变换和操纵技术技术，包括电压（电流）的大小、频率、相位和波形的变换和操纵。研究对象：半导体电力开关器件及其组成的电力开关电路，包括利用半导体集成电路和微处理器芯片构成信号处理和操纵系统。电力电子技术的开展和应用主要依赖于半导体电力开关器件。1-2. 为什么三相交流发电机或公用电网产生的恒频、恒压交流电，经电压、频率变换后再供负载使用，有可能获得更大的技术经济

3、效益？答：用电设备的类型、功能千差万别，对电能的电压、频率、波形要求各不一样。为了满足一定的消费工艺和流程的要求，确保产质量量、提高劳动消费率、降低能源耗费、提高经济效益，假设能将电网产生的恒频、恒压交流电变换成为用电负载的最正确工况所需要的电压、频率或波形，有可能获得更大的技术经济效益。例如：假设风机、水泵全部采纳变频调速技术，每年全国能够节约几千万吨以上的煤，或者能够少兴修上千万千瓦的发电站。假设采纳高频电力变换器对荧光灯供电，不仅电-光转换效率进一步提高、光质明显改善、灯管寿命延长35倍、可节电50%，而且其重量仅为工频电感式镇流器的10%。高频变压器重量、体积比工频变压器小得多，能够大

4、大减小钢、铜的耗费量。特别在调速领域，与陈旧的变流机组相比，在钢铜材耗费量、重量、体积、维护、效率、噪音、操纵精度和响应速度等方面优势明显。1-3. 开关型电力电子变换有哪四种根本类型？答：有如下四种电力变换电路或电力变换器，如下图：(1) 交流（A.C）直流（D.C）整流电路或整流器； (2) 直流（D.C）交流（A.C）逆变电路或逆变器；(3) 直流（D.C）直流（D.C）电压变换电路，又叫直流斩波电路、直流斩波器； (4) 交流（A.C）交流（A.C）电压和/或频率变换电路：仅改变电压的称为交流电压变换器或交流斩波器，频率、电压均改变的称为直截了当变频器。1-4. 图1.6(a)所示的开

5、关电路实现DC-AC逆变变换的根本原理是什么？从开关电路的输出端CD能否直截了当获得理想的正弦基波电压？直流电源输出到开关电路输入端AB的直流电流是否为无脉动连续的直流电流？答：(1) DC/AC逆变电路的能够采纳三种操纵方案：A、180方波；B、小于180单脉冲方波；C、PWM操纵。根本原理分别如下：:A、 180方波。当要求输出交流电的频率为时，在半周期内使S1、S4导通，S2、S3阻断，则逆变电路输出电压；令随后的时间内S2、S3导通，S1、S4阻断，则逆变电路输出电压为负的电源电压（）。因而是频率为、幅值为的交流方波电压，如图1.6(b)所示。对进展傅立叶分解，得到其基波电压有效值为，

6、大小取决于直流电源的电压；基波角频率，取决于开关的工作频率。其中含有大量的高次谐波经滤去后，负载可获得正弦交流基波电压。B、 小于180单脉冲方波。类似180方波操纵，但是仅在半周的一部分时间内让相应的开关导通，则将是导电时间小于T/2，导电宽度角小于的矩形波，如图1.6(c)所示进展傅立叶分解，得到基波电压有效值为 或 。显然，操纵导通时间能够操纵输出电压基波大小，而输出电压的频率f仍取决于开关工作频率。C、假设采纳高频开关PWM操纵策略，则交流输出电压为图1.6(d)所示的脉冲宽度调制（PWM）的交流电压，输出电压波形更接近正弦波且其中谐波电压的频率较高，只需要非常小的滤波就可得到正弦化的

7、交流电压。其功能远优于单脉波的方波逆变方案。（2）不能直截了当获得理想的正弦基波电压。（3）是有脉动非连续的直流电流。1-5. 开关型电力电子变换器有那些根本特性？答：（1）变换器的核心是一组开关电路，开关电路输出端电压和开关电路输入端电流都不可能是理想的直流或无畸变的正弦基波交流，含有高次谐波。(2) 要改善变换电路的输出电压和输入电流的波形，能够在其输出、输入端附加LC滤波电路；但是最有效方法是采纳高频PWM操纵技术（3）电力电子变换器工作时，开关器件不断进展周期性通、断状态的依序转换，为使输出电压接近理想的直流或正弦交流，一般应对称地安排一个周期中不同的开关状态及持续时间。因而对其工作特

8、性的常用分析方法或工具是：开关周期平均值（状态空间平均法）和傅立叶级数。1-6. 开关型电力电子变换器有哪两类应用领域？答：按功能可分为两大应用领域： （1） 开关型电力电子变换电源或简称开关电源。由半导体开关电路将输入电源变换为另一种电源给负载供电。这一类应用如今已经十分广泛。（2） 开关型电力电子补偿操纵器。它又分为两品种型：电压、电流（有功功率、无功功率）补偿操纵器和阻抗补偿操纵器。它们或向电网输出所要求的补偿电压或电流，或改变并联接入、串联接入交流电网的等效阻抗，从而改善电力系统的运转特性和运转经济性。这类应用将导致电力系统的革命并推进电力电子技术的接着开展步。第二章2.1 说明半导体

9、PN结单导游电的根本原理和静态伏-安特性。解答：PN结半导体二极管在正向电压接法下（简称正偏），外加电压所产生的外电场与内电场方向相反，因而PN结的内电场被减弱。内电场所引起的多数载流子的漂移运动被减弱，多数载流子的扩散运动的阻力减小了，扩散运动超过了反方向的漂移运动。大量的多数载流子能不断地扩散越过交界面，P区带正电的空穴向N区扩散，N区带负电的电子向P区扩散。这些载流子在正向电压作用下构成二极管正向电流。二极管导电时，其PN结等效正向电阻非常小，管子两端正向电压降仅约1V左右（大电流硅半导体电力二极管超过1V，小电流硅二极管仅0.7V，锗二极管约0.3V）。这时的二极管在电路中相当于一个处

10、于导通状态（通态）的开关。PN结半导体二极管在反向电压接法下（简称反偏）外加电压所产生的外电场与原内电场方向一样。因而外电场使原内电场更加强。多数载流子（P区的空穴和N区的电子）的扩散运动更难于进展。这时只有受光、热激发而产生的少数载流子（P区的少数载流子电子和N区的少数载流子空穴）在电场力的作用下产生漂移运动。因而反偏时二极管电流极小。在一定的温度下，二极管反向电流在一定的反向电压范围内不随反向电压的升高而增大，为反向饱和电流。因而半导体PN结呈现出单导游电性。其静态伏安特性曲线如左图曲线所示。但实际二极管静态伏安特性为左图的曲线。二极管正导游电时必须外加电压超过一定的门坎电压（又称死区电压

11、），当外加电压小于死区电压时，外电场还缺乏以减弱PN结内电场，因而正向电流几乎为零。硅二极管的门坎电压约为0.5V，锗二极管约为0.2V，当外加电压大于后内电场被大大减弱，电流才会迅速上升。二极管外加反向电压时仅在当外加反向电压不超过某一临界击穿电压值时才会使反向电流保持为反向饱和电流。实际二极管的反向饱和电流是非常小的。但是当外加反向电压超过后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。 2.2 说明二极管的反向恢复特性。解答：由于PN结间存在结电容C，二极管从导通状态（C非常大存储电荷多）转到截止阻断状态时，PN结电容存储的电荷并不能立即消失，二极管电压仍为12V，二极管仍然具有导电性，在反向电压作

12、用下，反向电流从零增加到最大值，反向电流使存储电荷逐步消失，二极管两端电压降为零。这时二极管才恢复反向阻断电压的才能而处于截止状态，然后在反向电压作用下，仅流过非常小的反向饱和电流。因而，二极管正导游电电流为零后它并不能立即具有阻断反向电压的才能，必须再经历一段反向恢复时间后才能恢复其阻断反向电压的才能。2.3 说明半导体电力三极管BJT处于通态、断态的条件。解答：电力三极管BJT处于通态的条件是：注入三极管基极的电流大于基极饱和电流（已经知道三极管的电流放大系数，有）。这时三极管、导电性非常强而处于最小等效电阻、饱和导电状态，能够看作是一个闭合的开关。BJT处于断态的条件是：基极电流为零或是

13、施加负基极电流，即。这时BJT的等效电阻近似为无限大而处于断态。2.4 电力三极管BJT的四个电压值、和的定义是什么？其大小关系如何？解答：、和分别为不同基极状态下的三极管集-射极击穿电压值： 定义为基极反偏时，三极管集-射极电压击穿值；为基极短接、基极电压为0时，三极管集-射极电压击穿值；为基极接有电阻短路时的集-射极击穿电压值要；为基极开路时集-射极击穿电压值。其大小关系为：。2.5 说明晶闸管的根本工作原理。在哪些情况下，晶闸管能够从断态转变为通态？已处于通态的晶闸管，撤除其驱动电流为什么不能关断，怎么样才能关断晶闸管？解答：根本工作原理：见课本p36-37；应答复出承受正向压、门极加驱

14、动电流时的管子内部的正反应过程，使不断增大，最后使，非常大，晶闸管变成通态；撤去门极电流后由于，仍可使非常大，保持通态。有多种方法能够使晶闸管从断态转变成通态常用的方法是门极触发导通和光注入导通。另外正向过电压、高温、高的都可能使晶闸管导通，但这是非正常导通情况。要使晶闸管转入断态，应设法使其阳极电流减小到小于维持电流，通常采纳使其阳极A与阴极K之间的电压为零或反向。2.6 直流电源电压220V，经晶闸管T对负载供电。负载电阻20，电感=1H，晶闸管擎住电流=55mA，维持电流=22mA，用一个方波脉冲电流触发晶闸管。试计算： 假如负载电阻20，触发脉冲的宽度为300s，可否使晶闸管可靠地开通

15、？ 假如晶闸管已处于通态，在电路中增加一个1K的电阻能否使晶闸管从通态转入断态？ 为什么晶闸管的擎住电流比维持电流大？解答：(1) 设晶闸管开通：，由此可解出：当时，因而能够使晶闸管可靠导通。(2) 参加1K电阻后，有，不能使晶闸管由通态转入断态。(3) 为什么晶闸管的擎住电流比维持电流大：擎住电流和维持电流都是在撤去门极驱动电流的条件下定义的，因而阳极电流。但维持电流是在通态时考虑的，如今管子已工作在较大电流状态下，管内结温较高，如今的PN结漏电流Io随结温增大，导通才能强，因而必需要降低才能关断晶闸管；而擎住电流是在断态向通态变化时定义的，开场有驱动信号但未完全导通时，晶闸管工作时间短，结

16、温低，PN结漏电流Io不大，导通才能弱，需要较大的阳极电流才能使管子开通。2.7 额定电流为10A的晶闸管能否承受长期通过15A的直流负载电流而不过热？解答：额定电流为10A的晶闸管能够承受长期通过15A的直流负载电流而不过热。由于晶闸管的额定电流是定义的：在环境温度为40和规定的散热冷却条件下，晶闸管在电阻性负载的单相、工频正弦半波导电、结温稳定在额定值125时，所对应的通态平均电流值。这就意味着晶闸管能够通过任意波形、有效值为1.57的电流，其发热温升正好是同意值，而恒定直流电的平均值与有效值相等，故额定电流为10A的晶闸管通过15.7A的直流负载电流，其发热温升正好是同意值。2.8 说明

17、GTO的关断原理。解答：在GTO的设计制造时，等效晶体管T2的集电极电流分配系数a2较大。当GTO处于通态时，突加一个负触发电流-Ig，使a2减小， 1-a2变大，急剧减小，确实是阳极电流急剧减小，又导致电流分配系数a2和a1减小，使急剧减小，又使、减小。在这种循环不已的正反应作用下，最终导致GTO阳极电流减小到维持电流以下，GTO从通态转入断态。2.9 说明PMOSFET栅极电压操纵漏极电流的根本原理。解答：当右图中P-MOSFET漏源极间电压为零、栅源极之间电压也为零时，N型半导体与P型半导体之间要构成PN结空间电荷区（耗尽层）阻挠层，如今G-S之间和D-S之间都是绝缘的。当漏极D与源极S

18、之间有外加电压时，假如栅极、源极外加电压=0，由于漏极D(N1)与源极S(N2)之间是两个背靠背的PN结(PN1、PN2)，不管是正向电压依然负电压，都有一个PN结反偏，故漏源极之间也不可能导电。当栅、源极之间外加正向电压0时，在G-P之间构成电场，在电场力的作用下P区的电子移近G极，或者说栅极G的正电位吸引P区的电子至邻近栅极的一侧，当增大到超过某一值值时，N1和N2中间地区靠近G极处被G极正电位所吸引的电子数超过该处的空穴数以后，栅极下面原空穴多的P型半导体外表就变成电子数目多的N型半导体表层，栅极下由栅极正电位所构成的这个N型半导体表层感生了大量的电子载流子，构成一个电子浓度非常高的沟道

19、（称为N沟道），这个沟道将N1和N2两个N区联在一起，又使N1P这个被反偏的PN结J1消失，成为漏极D和源极S之间的导电沟道，一旦漏源之间也有正向电压，就会构成漏极电流。在=0时，不能产生电流，=0，仅在增大到=以后，才使G-P之间的外电场加强，构成自由电子导电沟道，才能产生漏极电流，这种改变栅极G和源极S之间外加电压，即可操纵漏极电流的作用称为电导调制效应。2.10 作为开关使用时PMOSFET器件主要的优缺点是什么？解答：作为开关使用时，PMOSFET器件的优点是：输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高；其缺点是：通态压降大（通态损耗大），电压、电流定额低。2.11 列表比拟BJ

20、T、SCR、GTO、PMOSFET、IGBT、MCT以及SIT七种可控开关器件对触发（或驱动）电流（或电压）波形的要求，及主要优缺点。解答：2 13 BJT SCR GTO P MOSFET IGBT MCT SIT 的比照器 件对触发信号波形的要求开关频率单极或双极主要优点主要缺点BJT（电流型全控器件）正持续基极电流操纵开通；基极电流为0则关断中双极通态压降小，通态损耗小驱动功率大；频率低SCR（电流型半控器件）正脉冲门极电流操纵开通；触发信号不能操纵关断低双极通态压降小，通态损耗小驱动功率大，频率低GTO（电流型全控器件）正脉冲门极电流操纵开通；负脉冲门极电流（较大）操纵关断低双极通态压

21、降小，通态损耗小驱动功率大，频率低P MOSFET（电压型全控器件）正持续栅极电压操纵开通；负持续栅极电压操纵并保持关断高单极输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高通态压降大（通态损耗大）电压、电流定额低IGBT（电压型全控器件）正持续栅极电压操纵开通；负持续栅极电压操纵并保持关断较高双极输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高通态压降大（通态损耗大）MCT（电压型全控器件）正脉冲电压操纵开通；负脉冲电压操纵关断较高（低于IGBT)双极输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高通态压降大（通态损耗大）STI（电压型全控器件）持续电压操纵断、通高单极输入阻抗高，驱动功率小

22、，驱动电路简单，工作频率高通态压降大（通态损耗大）2.12 21世纪电力电子开关器件最可能的严重技术开展是什么？解答：21世纪电力电子开关器件最可能的严重技术开展是将半导体电力开关器件与其驱动、缓冲、监测、操纵和保护等所有硬件集成一体，构成一个功率集成电路PIC。PIC器件把电力电子变换和操纵系统中尽可能多的硬件以芯片的方式封装在一个模块内，使之不再有额外的引线联接，不仅极大地点便了使用，而且能大大降低系统本钱，减轻重量，缩小体积，把寄生电感减小到几乎为零，大大提高电力电子变换和操纵的可靠性，PIC实现了电能与信息的集成，假如能妥善处理PIC内部的散热、隔离等技术难题，今后PIC将使电力电子技

23、术发生革命性的变革。第三章3.1 直流直流电压变换中开关器件的占空比是什么？推证图3.1(c)所示脉宽时间为、脉宽角度为、周期为、幅值为的方波脉冲电压的直流平均值及各次谐波的幅值。解答：占空比是开关管导通时间与开关周期的比值。图3.1(c)中方波脉冲电压能够表示为如下傅立叶表达式：其中常数项为直流平均值，即 ；各余弦项为各次谐波，其幅值为： 。3.2 脉冲宽度调制PWM和脉冲频率调制PFM的优缺点是什么？解答：脉冲宽度调制方式PWM，保持不变（开关频率不变），改变调控输出电压。脉冲频率调制方式PFM。保持不变，改变开关频率或周期调控输出电压。实际应用中广泛采纳PWM方式。由于采纳定频PWM开关

24、时，输出电压中谐波的频率固定，滤波器设计容易，开关过程所产生电磁干扰容易操纵。此外由操纵系统获得可变脉宽信号比获得可变频率信号容易实现。但是在谐振软开关变换器中为了保证谐振过程的完成，采纳PFM操纵较容易实现。3.3 Buck变换器中电感电流的脉动和输出电压的脉动与哪些因数有关，试从物理上给以解释。解答：电感电流的脉动量与电感量、开关频率、输入电压、输出电压有关，输出电压的脉动量与电感量、电容量、开关频率、输出电压有关。电感量、电容量越大其滤波效果越好，而开关频率越高，滤波电感的交流阻抗就非常大，它对直流电压的阻抗根本为0，同时滤波电容的交流阻抗非常小。3.4 Buck变换器断流工况下的变压比

25、与哪些因数有关，试从物理上给以解释。解答：Buck变换器在电流断续工况下其变压比不仅与占空比有关，还与负载电流的大小、电感、开关频率以及电压等有关。3.5 图3.2(a)、3.5(a)电路稳态时在一个开关周期中，电感电流的增量，电感的磁通增量是否为零，为什么？电容的电流平均值为零，电容端电压的增量是否为零，为什么？解答：电路处于稳态时，在一个开关周期内电感电流的增量，同时电感的磁通增量，由于假如一个周期内电感的磁通增量，那么电感上的磁通将无法复位，也即电感上的能量不断累积，最终将到达饱和，甚至烧毁电感，因而稳态工作时应使一个开关周期内电感的磁通增量。电容的电流平均值为0，那么电容端电压的增量也

26、为0，由于稳态时一个周期内电容上的充电电荷等于放电电荷，即电容上电荷增量，而电容端电压增量，故电容端电压的增量也为0。3.6 Buck变换器中电流临界连续是什么意思？当负载电压、电流一定时在什么条件下能够防止电感电流断流?解答：Buck变换器中电感电流临界连续是指处于电感电流连续和电感电流断流两种工况的临界点的工作状态。这时在开关管阻断期完毕时，电感电流刚好降为零。当负载电压、电流一定时增大电感量和提高开关频率都能够防止电感电流断流。3.7 开关电路实现直流升压变换的根本原理是什么？解答：为了获得高于电源电压的直流输出电压，一个简单而有效的方法是在变换器开关管前端插入一个电感L，如右图所示。在

27、开关管T关断时，利用图中电感线圈在其电流减小时所产生的反电势(在电感电流减小时，为正值)，将此电感反电势与电源电压串联相加送至负载，则负载就可获得高于电源电压的直流电压，从而实现直流升压变换。3.8 Boost变换器为什么不宜在占空比接近1的情况下工作？解答：由于在Boost变换器中，开关管导通时，电源与负载脱离，其能量全部储存在电感中，当开关管关断时，能量才从电感中释放到负载。假如占空比接近于1，那么开关接近于全导通状态，几乎没有关断时间，那么电感在开关管导通期间储存的能量没有时间释放，将造成电感饱和，直至烧毁。因而Boost变换器不宜在占空比接近1的情况下工作。同时，从Boost变换器在电

28、感电流连续工况时的变压比表达式也能够看出，当占空比接近1时，变压比接近于无穷大，这显然与实际不符，将造成电路无法正常工作。3.9 升压降压变换器（Cuk变换器）的工作原理及主要优点是什么？解答： Cuk变换器在一个开关周期中，期间，令开关管T导通，这时电源经电感L1和T短路，L1电流线性增加，电源将电能变为电感L1储能，与此同时电容C1经T对C2及负载放电，并使电感L2电流增大而储能。在随后的期间，开关管T阻断，电感L1电流经电容C1及二极管D续流，如今，电感L2也经D续流，L2的磁能转化为电能对负载供电。Cuk变换器的优点是仅用一个开关管使电路同时具有升、降压功能；而且该变换器输入输出电流脉

29、动小。3.10 如何理解Cuk变换器中间电容电压等于电源电压与负载电压之和，即？解答：电感电压，稳态运转时，一个开关周期中电感、电流增量为零，磁链增量为零，电感两端电压的直流平均值为零。因而Cuk电路拓扑构造图可直截了当得到直流平均电压。3.11 直流直流四象限变换器的四象限指的是什么？直流电机四象限运转中的四象限指的是什么？这两种四象限有什么对应关系？解答：直流直流四象限变换器的四象限指的是变换器的输出电压、输出电流均可正可负的四种组合。直流电机四象限运转中的四象限指的是电机的转速和电磁转矩可正可负的四种组合。关于电机的转速有： 关于电机的电磁转矩Te： 在励磁电流不变、磁通不变时电机的转速

30、、电磁转矩大小和方向由VAB、IAB决定。通过改变VAB的大小及IAB的大小和方向，调控电机在正方向下旋转时的转速及电磁转矩Te的大小和方向，既可使直流电机在电动机状态下变速运转亦可在发电机制动状态下变速运转。因而直流直流四象限变换器的四象限和直流电机运转中的四象限之间存在一一对应的关系，如图3.12(d)所示(应该画出电路)。3.12 多重、多相直流直流变换器中，多重（重数），多相（相数）指的是什么意义？多重、多相变换器的优点是什么？解答：假定变换器中每个开关管通断周期都是，多重（重数）是指：在一个周期中变换器负载电流脉动次（），即脉动频率为。多相（相数）是指：在一个周期中变换器电源侧电流脉

31、动次，即脉动频率为。多重、多相变换器的优点是：其输出电压、输入电流脉动频率比单个变换电路成倍地提高，因而能够明显改善变换器输入、输出特性或者减少变换器对滤波器重量体积的要求，同时多重、多相复合变换器还能扩大变换器的输出容量。3.13 说明单端正激、单端反激DC/DC变换器工作原理。解答：单端正激DC/DC变换器从电路构造、工作原理上能够看出它是带隔离变压器的Buck电路如图3.14(b)所示(应该画出电路)，开关管T导通时经变压器将电源能量直送负载被称为正激。但是匝比N2/N1不同时，输出电压平均值Vo能够低于也可高于电源电压Vd。变压器磁通只在单方向变化被称为单端。图3.15(b)所示(应该

32、画出电路)为单端反激DC/DC变换器，T导通的期间，电源电压Vd加至N1绕组，电流直线上升、电感L1储能增加，副方绕组N2的感应电势，二极管D1截止，负载电流由电容C提供，C放电；在T阻断的期间，N1绕组的电流转移到N2，感应电势（反向为正），使D1导电，将磁能变为电能向负载供电并使电容C充电。该变换器在开关管T导通时并未将电源能量直送负载，仅在T阻断的期间才将变压器电感磁能变为电能送至负载故称之为反激，此外变压器磁通也只在单方向变化，故该电路被称为单端反激DC/DC变换器。第四章4.1 逆变器输出波形的谐波系数HF与畸变系数DF有何区别，为什么仅从谐波系数HF还缺乏以说明逆变器输出波形的本质

33、？答：第n次谐波系数HFn为第n次谐波分量有效值同基波分量有效值之比，即HFnVn/V1,总谐波系数THD定义为：，畸变系数DF定义为：，关于第n次谐波的畸变系数DFn有： 谐波系数HF显示了谐波含量，但它并不能反映谐波分量对负载的妨碍程度。非常显然，逆变电路输出端的谐波通过滤波器时，高次谐波将衰减得更厉害，畸变系数DF能够表征经LC滤波后负载电压波形还存在畸变的程度。4.2 为什么逆变电路中晶闸管SCR不适于作开关器件？答： 1.逆变电路中一般采纳SPWM操纵方法以减小输出电压波形中的谐波含量，需要开关器件工作在高频状态，SCR是一种低频器件，因而不合适这种工作方式。2SCR不能自关断。而逆

34、变器的负载一般是电感、电容、电阻等无源元件，除了特别场合例如利用负载谐振进展换流，一般在电路中需要另加强迫关断回路才能关断SCR，电路较复杂。因而SCR一般不合适用于逆变器中。4.3 图4.2(a)和4.3(a)中的二极管起什么作用，在一个周期中二极管和晶体管导电时间由什么要素决定，在什么情况下能够不用二极管D，纯感性负载时，负载电流为什么是三角形。答：图中二极管起续流和箝位作用，在一个周期中二极管和晶体管导电时间由三极管驱动信号和负载电流的方向共同决定，在纯阻性负载时能够不用二极管D。纯电感负载时，在期间，关于全桥逆变电路有，对半桥电路，线性上升；在期间，全桥电路，半桥有，线性下降；故电流是

35、三角波。假如都是300V，半桥和全桥电路断态时开关器件两端最高电压都是，即300V。4.4 有哪些方法能够调控逆变器的输出电压。答：有单脉波脉宽调制法、正弦脉宽调制法（SPWM）、基波移相操纵法等。单脉波脉宽调制法缺点是谐波含量不能有效操纵；SPWM法既可操纵输出电压的大小，又可消除低次谐波；移相操纵一般用于大功率逆变器。4.5 图4.6(d)脉宽为的单脉波矩形波输出电压的表达式为(4-16)式。假如横坐标轴即时间（相位角）的起点改在正半波脉宽的中点，试证明，那时的表达式应为：答：由(4-16)式，当横坐标轴即时间（相位角）的起点改在正半波脉宽的中点，相当于原波形在时间上前移了，因而将（416

36、）中的用代替，即可得到。4.6 正弦脉宽调制SPWM的根本原理是什么？载波比N、电压调制系数M的定义是什么？改变高频载波电压幅值和频率为什么能改变逆变器交流输出基波电压的大小和基波频率？答：正弦脉宽调制SPWM的根本原理是冲量等效原理：大小、波形不一样的窄变量作用于惯性系统时，只要其冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果根本一样。假如将正弦波周期分成多个较小的时间段，使PWM电压波在每一时间段都与该段的正弦电压冲量相等，则不连续的按正弦规律改变宽度的多段波电压就等效于正弦电压。载波比N定义为三角载波频率和正弦调制波频率之比：N/；电压调制系数M是正弦调制波幅值和三角波幅值之比M/.,改变调制比

37、M，即可成比例的调控输出电压的基波大小。又由于，因而改变调制波频率，即可调控输出电压的基波频率。4.7 既然SPWM操纵能使逆变器输出畸变系数非常小的正弦波，为什么有时又要将调制参考波从正弦波改为图4.11所示调制波，或改为梯形波，或取（437）式所示的附加3次谐波分量的调制参考波。答：SPWM法输出基波电压幅值，有效值，直流电压利用率。而方波逆变时，逆变电压基波幅值可达，直流电压利用率为0.9。因而为了提高SPWM法的直流电压利用率，能够将调制参考波从正弦波改为图4.11所示调制波，或改为梯形波，或附加3次谐波分量，如此调制参考波波形的最大值不超过，不会出现过调制的情况，但基波电压幅值可超过

38、，这就能够提高直流电压利用率。4.8 请解释图417中输入直流电流的波形。答： 图417是采纳空间矢量PWM操纵方法时的相关波形，其中，逆变器输入直流电流可表达为：。例如当A、B相为下桥臂的T4、T6管导通而C相为上桥臂的T5管导通时，假设假设负载电流为正弦，且相电流滞后相电压，则在时，,在时，。因而在0周期中，将在图417中所示的和之间脉动。同理能够分析出其他5个开关状态时电流的波形，为六倍频的脉动电流，脉动周期为。4.9 试说明三相电压型逆变器SPWM输出电压闭环操纵的根本原理。答： 引入了逆变器输出电压的闭环反应调理操纵系统如图4.15(b)所示，为输出电压的指令值，为输出电压的实测反应

39、值。电压偏向经电压调理器VR输出调制电压波的幅值。与调制波的频率共同产生三相调制波正弦电压，它们与双极性三角载波电压相比拟产生驱动信号，操纵各个全控型开关器件的通断，从而操纵逆变器输出的三相交流电压。 当时，减小，M值减小，使输出电压减小到。假如电压调理器VR为PI调理器（无静态误差），则可使稳态时保持。因而当电源电压改变或负载改变而引起输出电压偏离给定值时，通过电压闭环操纵可时输出电压跟踪并保持为给定值。4.10三相逆变器的8种开关状态中有6个开关状态对应6个空间位置固定、相差的非零电压空间矢量，另两个为零矢量。但三相正弦交流电压任意时刻的瞬时值是一个以角速度在空间旋转的矢量产生的。6个开关

40、器件的三相逆变器只能产生6个特定位置（）的空间矢量。如何用两个相差非零的特定空间矢量和零矢量的合成效果去等效任意相位角时的空间矢量？当直流电压一定时，如何调控输出电压的大小和相位？答：可采纳从逆变器的6个处于空间特定位置的开关状态矢量中，选择两个相邻的矢量与零矢量合成一个等效的旋转空间矢量。通过调控的大小和旋转速度，来调理三相逆变器输出电压的大小和频率，这确实是电压空间矢量PWM方法。将图4-16(d)中的 区域划分为6个的扇区，假如要求的相位角为任意指令值，则可用矢量所在的扇区边界的那两个相邻的特定矢量、来合成矢量，即可用逆变器的3个开关状态x、y、0在一个周期中各自存在、时间来合成等效的任

41、意位置的空间矢量（存在时间为），即：。由该式可求出、。当直流电压一定时，通过调理零矢量作用时间，可调控输出电压大小。大，输出电压将减小。一定的、决定了输出电压具有一定的相位角和电压大小。4.11 三相三电平逆变器中12 个开关器件的通断操纵能够获得多少个特定的电压空间矢量？图4.20中二极管D5、D6起到什么作用？假如直流电源电压为，在断态时，开关器件所承受的反压是多大？答：A、B、C每个桥臂都有三种开关状态，故整个三相三电平逆变器共有27种开关状态。D5、D6用来能够构成1状态，即该桥臂对中点O电压为零。另外，在0、2态时，D5、D6还能够用来防止电容C1、C2被短路放电。由于分压电容C1、

42、C2的电压各为/2，钳位二极管D5、D6把开关器件的端电压限制到/2，因而开关器件所承受的反压最大是/2。4.12 复合构造逆变器消除低阶谐波的原理是什么？图4.22(d)中12阶梯波输出电压的半周由6段组成，每段，高度分别是、和，已经知道图4.6所示的脉宽为的矩形电压波的傅立叶级数表达式为（时间坐标，即相位角的起点选在正半波脉宽的中点），利用这个傅立叶级数表达式求12阶梯波的傅立叶级数表达式476式。答：复合构造逆变器采纳多个三相桥式逆变电路，每个开关都按导电方式工作，每个三相桥逆变电路输出线电压都是方波。令各个三相桥式逆变器的同一相（例如A相）的输出电压彼此相差一定的相位角，通过几个变压器

43、将各个三相逆变器的输出电压复合相加后输出一个总逆变电压，适当的设计各个变压器的变比和付方电压的连接方式，并安排各逆变器输出电压的相差角，就能够消除总的输出电压中的3、5、7、11、13等低次谐波。图4.22中的12阶梯波能够用三个脉宽分别为、，高度分别为、和的矩形波叠加得到。利用式将三个矩形波的傅立叶级数展开，叠加后即可得到12阶梯波的傅立叶技术表达式（476）。4.13 逆变器有哪些类型？其最根本的应用领域有哪些？答：逆变器的类型有：（1） 电压型和电流型逆变器。（2） 恒频恒压正弦波和方波逆变器，变频变压逆变器，高频脉冲电压（电流）逆变器。（3） 单相半桥、单相全桥、推挽式、三相桥式逆变器

44、。（4） 自关断换流逆变器，强迫关断晶闸管逆变器。晶闸管逆变器可利用负载侧交流电源电压换流，负载反电动势换流或负载谐振换流。逆变器的根本应用包括：交流电动机变频调速，不停电电源UPS，电子镇流器，中频或高频感应加热电源等等。还可应用于电力系统作为无功补偿器或谐波补偿器。第五章5.1 什么是半波整流、全波整流、半控整流、全控整流、相控整流、高频PWM整流?答：半波整流：整流器只在交流电源的半个周波输出整流电压，交流电源仅半个周期中有电流。全波整流：整流器在交流电源的正、负半波都有直流电压输出，交流电源在正负半周期均有电流。全控整流：指整流主电路中开关器件均为可控器件。半控整流：指整流主电路中开关

45、器件不全是可控器件，而有不控器件二极管。相控整流：全控整流电路中的开关管为半控器件晶闸管，操纵触发脉冲出现的时刻（即改变晶闸管的移相操纵角的大小），从而操纵负载的整流电压。高频PWM整流：整流主电路中开关器件均为全控器件，采纳高频PWM操纵，即在一个电源周期内高频改变开关管的导通情况。 5.2 什么是电压纹波系数、脉动系数、基波电流数值因数、基波电流位移因数（基波功率因数）和整流输入功率因数？答：电压纹波系数RF：输出电压中全部交流谐波分量有效值VH与输出电压直流平均值Vd之比值，。 电压脉动系数Sn：整流输出电压中最低次谐波幅值Vnm与直流平均值Vd之比Sn=Vnm/Vd 基波电流数值因数：

46、电流畸变因数也称基波电流数值因数，是基波电流有效值与总电流有效值之比，即 基波电流位移因数DPF（基波功率因数）：输入电压与输入电流基波分量之间的相位角（位移角）的余弦，即 整流输入功率因数PF： 5.3 三相桥式不控整流任何瞬间均有两个二极管导电，整流电压的瞬时值与三相交流相电压、线电压瞬时值有什么关系？答：共阴连接的三个二极管中，三相交流相电压瞬时值最正的那一相自然导通，把最正的相电压接到负载的一端；共阳连接的三个二极管中，三相交流相电压瞬时值最负的那一相自然导通，把最负的相电压接到负载的另一端。因而，任何时刻负载得到的整流电压瞬时值是线电压的最大瞬时值。5.4 单相桥全控整流和单相桥半控

47、整流特性有哪些区别？答：与单相全控桥相比，（1）在主电路上，半控整流少了两个晶闸管。因而，触发装置较简单，较经济。（2）为防止失控而增加了一个续流二极管，使得输出整流电压的波形中没有为负的电压波形。尽管晶闸管的触发移相范围也是，但是，晶闸管的导通角。（3）输出电压平均值：。当范围内移相操纵时，只能为正值，而全控整流电路在时可为负值。5.5 单相桥全控整流有反电势负载时输出电压波形如何确定？答：假设整流电路中电感L0，则仅在电源电压的瞬时值大于反电势E时，晶闸管才会承受正向电压，才可能触发导通。在晶闸管导通期间，输出整流电压为相应的电源电压瞬时值。时，晶闸管承受反压阻断。在晶闸管阻断期间，负载端电压保持为反电势E。故整流电流断流。假设操纵角小于（，称