1、第2章 電力電子器件1. 使晶閘管導通的條件是什么？答：使晶閘管導通的條件是：晶閘管承受正向陽極電壓，并在門極施加觸發電流（脈沖）。或：uAK>0且uGK>0。2. 維持晶閘管導通的條件是什么？怎樣才能使晶閘管由導通變為關斷？答：維持晶閘管導通的條件是使晶閘管的電流大于能保持晶閘管導通的最小電流，即維持電流。要使晶閘管由導通變為關斷，可利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電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。3. 圖1-43中陰影部分為晶閘管處于通態區間的電流波形，各波形的電流最大值均為Im，試計算各波形的電流平均值Id1、Id2、Id3與

2、電流有效值I1、I2、I3。圖1-43 晶閘管導電波形解：a) Id1=()0.2717 ImI1=0.4767 Imb) Id2 =()0.5434 ImI2 =0.6741Ic) Id3= ImI3 = Im4. 上題中如果不考慮安全裕量,問100A的晶閘管能送出的平均電流Id1、Id2、Id3各為多少？這時，相應的電流最大值Im1、Im2、Im3各為多少?解：額定電流I T(AV) =100A的晶閘管，允許的電流有效值I =157A，由上題計算結果知a) Im1329.35，Id10.2717 Im189.48b) Im2232.90,Id20.5434 Im2126.56c) Im3=

3、2 I = 314,Id3= Im3=78.59. 試說明IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET各自的優缺點。解：對IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET的優缺點的比較如下表：器 件優 點缺 點IGBT開關速度高，開關損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅動，驅動功率小開關速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及GTOGTR耐壓高，電流大，開關特性好，通流能力強，飽和壓降低開關速度低，為電流驅動，所需驅動功率大，驅動電路復雜，存在二次擊穿問題GTO電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導調制效應，其通流能力很強電流關斷增益很小，關斷時門極負脈沖電流

4、大，開關速度低，驅動功率大，驅動電路復雜，開關頻率低電 力MOSFET開關速度快，輸入阻抗高，熱穩定性好，所需驅動功率小且驅動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置第3章 整流電路 3單相橋式全控整流電路，U2100V，負載中R2，L值極大，當30°時，要求：作出ud、id、和i2的波形； 求整流輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓器二次電流有效值I2； 考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。解：ud、id、和i2的波形如下圖：輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓器二次電流有效值I2分別為Ud0.9 U2 cos0.9

5、×100×cos30°77.97（V）IdUd /R77.97/238.99（A）I2Id 38.99（A） 晶閘管承受的最大反向電壓為：U2100141.4（V）考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為：UN（23）×141.4283424（V）具體數值可按晶閘管產品系列參數選取。流過晶閘管的電流有效值為：IVTId27.57（A）晶閘管的額定電流為：IN（1.52）×27.571.572635（A）具體數值可按晶閘管產品系列參數選取。 12在三相橋式全控整流電路中，電阻負載，如果有一個晶閘管不能導通，此時的整流電壓ud波形如何？如果有一個晶閘管被擊

6、穿而短路，其他晶閘管受什么影響？答：假設VT1不能導通，整流電壓ud波形如下：假設VT1被擊穿而短路，則當晶閘管VT3或VT5導通時，將發生電源相間短路，使得VT3、VT5也可能分別被擊穿。 13三相橋式全控整流電路，U2=100V，帶電阻電感負載，R=5，L值極大，當a=60°時，要求： 畫出ud、id和iVT1的波形； 計算Ud、Id、IdT和IVT。解：ud、id和iVT1的波形如下： Ud、Id、IdT和IVT分別如下Ud2.34U2cosa2.34×100×cos60°117（V）IdUdR117523.4（A）IDVTId323.437.8（

7、A）IVTId23.413.51（A） 18單相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有哪些次數的諧波？其中幅值最大的是哪一次？變壓器二次側電流中含有哪些次數的諧波？其中主要的是哪幾次？答：單相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有2k（k=1、2、3）次諧波，其中幅值最大的是2次諧波。變壓器二次側電流中含有2k1（k1、2、3）次即奇次諧波，其中主要的有3次、5次諧波。19三相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有哪些次數的諧波？其中幅值最大的是哪一次？變壓器二次側電流中含有哪些次數的諧波？其中主要的是哪幾次？答：三相橋式全控整流電路的整流輸出電壓中含有6k（k1、2、3）次的諧波，其中幅值最

8、大的是6次諧波。變壓器二次側電流中含有6k±1(k=1、2、3)次的諧波，其中主要的是5、7次諧波。 23帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路與三相橋式全控整流電路相比有何主要異同？答：帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路與三相橋式全控整流電路相比有以下異同點：三相橋式電路是兩組三相半波電路串聯，而雙反星形電路是兩組三相半波電路并聯，且后者需要用平衡電抗器；當變壓器二次電壓有效值U2相等時，雙反星形電路的整流電壓平均值Ud是三相橋式電路的1/2，而整流電流平均值Id是三相橋式電路的2倍。在兩種電路中，晶閘管的導通及觸發脈沖的分配關系是一樣的，整流電壓ud和整流電流id的波形形狀一樣。24

9、整流電路多重化的主要目的是什么？答：整流電路多重化的目的主要包括兩個方面，一是可以使裝置總體的功率容量大，二是能夠減少整流裝置所產生的諧波和無功功率對電網的干擾。26使變流器工作于有源逆變狀態的條件是什么？答：條件有二：直流側要有電動勢，其極性須和晶閘管的導通方向一致，其值應大于變流電路直流側的平均電壓；要求晶閘管的控制角>/2，使Ud為負值。 29什么是逆變失敗？如何防止逆變失敗？答：逆變運行時，一旦發生換流失敗，外接的直流電源就會通過晶閘管電路形成短路，或者使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變為順向串聯，由于逆變電路內阻很小，形成很大的短路電流，稱為逆變失敗或逆變顛覆。防止逆變失敗的

10、方法有：采用精確可靠的觸發電路，使用性能良好的晶閘管，保證交流電源的質量，留出充足的換向裕量角等。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。5. 三相橋式電壓型逆變電路，180°導電方式，Ud=100V。試求輸出相電壓的基波幅值UUN1m和有效值UUN1、輸出線電壓的基波幅值UUV1m和有效值UUV1、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=63.7(V)輸出相電壓基波有效值為：=45(V)輸出線電壓的基波幅值為=110(V)輸出線

11、電壓基波的有效值為=78(V)輸出線電壓中五次諧波的表達式為：其有效值為：=15.59(V) 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VT2、VT3使其導通，負載電壓uo就通過VT2、VT3施加在VT1、VT4上，使其承受反向電壓關斷，電流從VT1、VT4向VT2、VT3轉移，觸發VT2、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。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

12、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。第5章 直流-直流變流電路 1簡述圖5-1a所示的降壓斬波電路工作原理。答：降壓斬波器的原理是：在一個

13、控制周期中，讓V導通一段時間ton，由電源E向L、R、M供電，在此期間，uoE。然后使V關斷一段時間toff，此時電感L通過二極管VD向R和M供電，uo0。一個周期內的平均電壓Uo。輸出電壓小于電源電壓，起到降壓的作用。 3在圖5-1a所示的降壓斬波電路中，E=100V， L=1mH，R=0.5，EM=10V，采用脈寬調制控制方式，T=20s，當ton=5s時，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io，計算輸出電流的最大和最小值瞬時值并判斷負載電流是否連續。當ton=3s時，重新進行上述計算。解：由題目已知條件可得：m=0.1=0.002 當ton=5s時，有=0.01ar=0.0025 由

14、于=0.249>m所以輸出電流連續。 此時輸出平均電壓為Uo =25(V) 輸出平均電流為Io =30(A) 輸出電流的最大和最小值瞬時值分別為Imax=30.19(A)Imin=29.81(A)當ton=3s時，采用同樣的方法可以得出：=0.0015 由于=0.149>m所以輸出電流仍然連續。 此時輸出電壓、電流的平均值以及輸出電流最大、最小瞬時值分別為：Uo =15(V)Io =10(A)Imax=10.13(A)Imin=9.873(A) 4簡述圖5-2a所示升壓斬波電路的基本工作原理。答：假設電路中電感L值很大，電容C值也很大。當V處于通態時，電源E向電感L充電，充電電流基

15、本恒定為I1，同時電容C上的電壓向負載R供電，因C值很大，基本保持輸出電壓為恒值Uo。設V處于通態的時間為ton，此階段電感L上積蓄的能量為。當V處于斷態時E和L共同向電容C充電并向負載R提供能量。設V處于斷態的時間為toff，則在此期間電感L釋放的能量為。當電路工作于穩態時，一個周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即：化簡得：式中的，輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。 5在圖5-2a所示的升壓斬波電路中，已知E=50V，L值和C值極大，R=20，采用脈寬調制控制方式，當T=40s，ton=25s時，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。解：輸出電壓平均值為：Uo =

16、133.3(V)輸出電流平均值為：Io =6.667(A) 10多相多重斬波電路有何優點？答：多相多重斬波電路因在電源與負載間接入了多個結構相同的基本斬波電路，使得輸入電源電流和輸出負載電流的脈動次數增加、脈動幅度減小，對輸入和輸出電流濾波更容易，濾波電感減小。此外，多相多重斬波電路還具有備用功能，各斬波單元之間互為備用，總體可靠性提高。第6章 交流-交流變流電路 2一單相交流調壓器，電源為工頻220V，阻感串聯作為負載，其中R=0.5，L=2mH。試求：開通角的變化范圍；負載電流的最大有效值；最大輸出功率及此時電源側的功率因數；當=時，晶閘管電流有效值，晶閘管導通角和電源側功率因數。解：負載

17、阻抗角為：=arctan（）=arctan（）=0.89864=51.49° 開通角的變化范圍為：<即0.89864<當=時，輸出電壓最大，負載電流也為最大，此時輸出功率最大，為Pomax=37.532(KW)功率因數為實際上，此時的功率因數也就是負載阻抗角的余弦，即cosj=0.6227 =時，先計算晶閘管的導通角，由式（4-7）得sin(+-0.89864)=sin(-0.89864)解上式可得晶閘管導通角為：=2.375=136.1°也可由圖4-3估計出q 的值。此時，晶閘管電流有效值為=×=123.2(A)電源側功率因數為其中：=174.2(A

18、)于是可得出 3交流調壓電路和交流調功電路有什么區別？二者各運用于什么樣的負載？為什么？答：交流調壓電路和交流調功電路的電路形式完全相同，二者的區別在于控制方式不同。 交流調壓電路是在交流電源的每個周期對輸出電壓波形進行控制。而交流調功電路是將負載與交流電源接通幾個周波，再斷開幾個周波，通過改變接通周波數與斷開周波數的比值來調節負載所消耗的平均功率。交流調壓電路廣泛用于燈光控制（如調光臺燈和舞臺燈光控制）及異步電動機的軟起動，也用于異步電動機調速。在供用電系統中，還常用于對無功功率的連續調節。此外，在高電壓小電流或低電壓大電流直流電源中，也常采用交流調壓電路調節變壓器一次電壓。如采用晶閘管相控

19、整流電路，高電壓小電流可控直流電源就需要很多晶閘管串聯；同樣，低電壓大電流直流電源需要很多晶閘管并聯。這都是十分不合理的。采用交流調壓電路在變壓器一次側調壓，其電壓電流值都不太大也不太小，在變壓器二次側只要用二極管整流就可以了。這樣的電路體積小、成本低、易于設計制造。交流調功電路常用于電爐溫度這樣時間常數很大的控制對象。由于控制對象的時間常數大，沒有必要對交流電源的每個周期進行頻繁控制。 4交交變頻電路的最高輸出頻率是多少？制約輸出頻率提高的因素是什么？答：一般來講，構成交交變頻電路的兩組變流電路的脈波數越多，最高輸出頻率就越高。當交交變頻電路中采用常用的6脈波三相橋式整流電路時，最高輸出頻率

20、不應高于電網頻率的1/31/2。當電網頻率為50Hz時，交交變頻電路輸出的上限頻率為20Hz左右。當輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所包含的電網電壓段數減少，波形畸變嚴重，電壓波形畸變和由此引起的電流波形畸變以及電動機的轉矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。 5交交變頻電路的主要特點和不足是什么？其主要用途是什么？答：交交變頻電路的主要特點是： 只用一次變流，效率較高；可方便實現四象限工作；低頻輸出時的特性接近正弦波。交交變頻電路的主要不足是：接線復雜，如采用三相橋式電路的三相交交變頻器至少要用36只晶閘管；受電網頻率和變流電路脈波數的限制，輸出頻率較低；輸出功率因數較低；輸入電流諧波含量大，頻

21、譜復雜。 主要用途：500千瓦或1000千瓦以下的大功率、低轉速的交流調速電路，如軋機主傳動裝置、鼓風機、球磨機等場合。 7 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。 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域（對應梯形波的平頂區），a角較小，因此輸入功率因數可提高15%左右。 8試述矩陣式變頻電路的基本原理和優缺點。為什么說這種電路有較好的發展前景？答：矩陣式變頻電路的基本原理是：對輸入的單相或三

22、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點是：輸出電壓為正弦波；輸出頻率不受電網頻率的限制；輸入電流也可控制為正弦波且和電壓同相；功率因數為1，也可控制為需要的功率因數；能量可雙向流動，適用于交流電動機的四象限運行；不通過中間直流環節而直接實現變頻，效率較高。矩陣式交交變頻電路的主要缺點是：所用的開關器件為18個，電路結構較復雜，成本較高，控制方法還不算成熟；輸出輸入最大電壓比只有0.866，用于交流電機調速時輸出電壓偏低。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，輸入功率因數為1，且能量雙向流動，可實現四象限運行；其次，和目前廣泛應

23、用的交直交變頻電路相比，雖然多用了6個開關器件，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。第7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

24、，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/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。 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

25、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：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？設半個信號波周期內有10個開關時刻（不含0和p 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

26、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p /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。

27、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

28、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。 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：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，k=3(2m-1)±1，m=1,2,； n=2,4,6,時，在上述諧波中，幅值較高的是wc±2w r和2w c±w 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，即用梯形波作為調制信號，可以有效地提高直流電壓的利用率。 對于三相PWM逆變電路，還可以采用