电力电子第3章-思考题与习题答案

1 思考题与习题 1.直流­直流变换电路有哪几种控制方式？最常用的控制方式是什么？答：根据对输出电压平均值进行调制方式的不同，斩波电路有 3种控制方式： 1）脉冲宽度控制（Pulse Width Modulation），也称 PWM。此方式电力电子器件的通断频率（周期 T）一定，调节脉冲宽度 ton，ton 值在 0~T 之间变化，负载电压在 0~E 之间变化。 2）脉冲频率控制（Pulse Frequency Modulation），也称 PFM。此方式脉冲宽度 ton 一定，改变电力电子器件通断频率 f，f=1/T。f 增加 T 减小，当 T=ton 时电路全导通，uo=E；f 下降周期 T 增大时，输出电压u o 减小。 3）脉冲混合控制。即同时改变 f 和 ton，使占空比a改变。以上 3 种控制方法都是改变通断比，实现改变斩波器的输出电压。较常用是脉冲宽度控制方式，即 PWM 控制方式。 2.在图 3­2a 所示的降压斩波电路中，已知 E=200V，R=10Ω，L 值极大，EM=40V，采用脉宽调制（PWM）方式，当 T=40μs，ton=10μs 时，计算输出电压平均值 Uo、输出电流平均值 Io。解： V 50 200 40 10 1 0=´====ò E E T t dt u T U on t on o oa A 1=-=-= R E U R E E I M o M oa 3.有一降压斩波电路，输入电压 E为 27（1±10%）V，要求输出电压Uo 为 15V，求该电路占空比的变化范围。解： E E T t dt u T U on t on o oa===ò 0 1 51 . 0 1 . 1 27 15 1=´== E U oa 62 . 0 9 . 0 27 15 2=´== E U oa占空比的变化范围： 62 . 0 51 . 0££a 4.在图 3­2a 所示的降压斩波电路中，已知 E=200V，R=0.1Ω，L 值极大，EM=35V，采用脉宽调制（PWM）方式，当 T=1800μs，若输出电流平均值Io=100A，求：①输出电压平均值 Uo 和所需的 ton；②画出 uo、io 的波形。解：① A 100=-=-= R E U R E E I M o M oa V 45 U o=2=a 0.225 us t on 405=②波形如下（电流连续） 5.试分别简述升降压斩波电路和 Cuk斩波电路的基本原理，并比较其异同点。解： Cuk斩波电路输出电压与输入电压的关系和升降压斩波电路相同，同是反极性电路。 Cuk 电路不同于升降压斩波电路的最明显的优点就是输入电流和输出电流均连续，且脉动小，有利于对输入和输出进行滤波。 6.在图 3­3a 所示的升压斩波电路中，已知 E=50V，R=25Ω，L 值和 C 值极大，采用脉宽调制（PWM）方式，当 T=50μs，ton=20μs 时，计算输出电压平均值Uo、输出电流平均值 Io。解： V 33 . 83 1 1 1=-== E E U oab A 33 . 3== R U I o o 7.试分别简述 Sepic斩波电路和 Zeta 斩波电路的基本原理，并推导其输入输出关系。 Sepic 斩波电路的基本原理是：当 V 处于通态时，E—L1—V 回路和 C1—V—L2 回路同时导通，L1 和 L2 储能。当 V处于断态时，E—L1—C1—VD—负载（C2 和 R）回路和 L2—VD —负载回路同时导通，此阶段 E 和 L1 既向负载供电，同时也向 C1 充电，以保证 C1 在 V导通期间向电感 L2 提供能量。3 稳态时，忽略电路的损耗，假设电容 C 和电感 L 足够大，一个周期内电感 L 储存的能量等于释放的能量，故平均电压等于零，即对电感 L1 有： 0 1 0 1 0 1=+=òòò dt u dt u dt u T t L t L T L on on 对电感 L2 有： 0 2 0 2 0 2=+=òòò dt u dt u dt u T t L t L T L on on 则有： 0 ) U ­ ( 1=-+ off C o on t U E Et 0 ) ( 1=-+ off O on C t U t U 得： E U oaa-= 1 Zeta 斩波电路原理如下：在电路稳态时，在一个工作周期中，当 V处于通态时，E—V —L1 回路和 E—V—C1—L2 回路同时导通，L1 储能，同时 E 和 C1 共同经 L1 向负载供电。二极管 VD 反偏，处于截止状态；当 V处于断态时，L1—VD—C1 回路和 L2——负载（C2 和 R）—VD 回路同时导通，此阶段 L1 向 C1 充电，L1 中的能量转移至 C1；L2 经二极管 VD 续流，二极管 VD 关断后， C1 经电感 L2 向负载供电。对电感 L1 有： 0 1 0 1 0 1=+=òòò dt u dt u dt u T t L t L T L on on 对电感 L2 有： 0 2 0 2 0 2=+=òòò dt u dt u dt u T t L t L T L on on 则有： 0 1=+ off C on t U Et 0 ) ( ) ( 1=-+-- off O on C o t U t U U E 得： E U oaa-= 1 8.直流­直流四象限变换器的四象限指的是什么？直流电动机四象限运行中的四象限指的是什么？这两种四象限有什么对应关系？答：直流­直流四象限变换器的四象限指是变换器的输出电压和输出电流极性的四种组合。直流电动机四象限运行中的四象限指的是转速和电磁转矩正负的四种组合。通过改变变换器的输出电压和输出电流大小和方向，可使电机运行在电动状态和发电制动状态。因此，直流­直流四象限变换器的四象限和直流电动机四象限运行直接存在一一对应的关系。4 9.对于图 3­11 所示的桥式可逆斩波电路可运行在几个象限？分析每一象限开关器件的工作状态及电流流向。若需使电动机工作于反转电动状态，试分析此时电路的工作情况，并标出相应的电流流通路径和电流流向。答：图 3­11 所示的桥式可逆斩波电路可运行在四象限的斩波电路，其输出电压幅值和极性可变。当开关器件 V4 始终导通，开关器件 V3 始终关断，此时电路同图 3­10a）等效，控制 V1 和 V2 的导通，输出电压 uo0，电路向电动机提供正电压，电路工作在第一和第二象限，电动机工作在正转电动和正转再生制动状态。当开关器件 V2 始终导通，开关器件 V1 始终关断。控制 V3 和 V4 的导通，输出电压 uo0 电路向电动机提供负电压，电路工作在第三和第四象限。此时，开关器件 V4 截止，控制 V3 通、断转换，则 uo0，io0，电路工作在第三象限，转速 n0，电磁转矩 T0，电动机工作在反转电动状态；开关器件 V3 截止，控制 V4 通、断转换，则 uo0，io0，电路工作在第四象限，转速 n0，电磁转矩 T0，电动机工作在反转再生制动状态。反转电动状态时，当开关器件 V2 始终导通，开关器件 V1 始终关断。控制 V3 的通断，输出电压 uo0 电路向电动机提供负电压，电路工作在第三象限。电流的通路：当 V3 导通时，电流 E­V3­RLM­V2­E，当 V3 截止，电流 V2­RLM­VD3 。 10.简述多相多重斩波电路的优缺点。答：1）输出电流脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的二次方成反比地减小，有利于电动机的平稳运行。 2）输出电流脉动频率提高，平波电抗器的重量和体积可明显降低。 3）电源电流的脉动率与相数的二次方成反比地减小，有利于输入滤波器的设计。 4）由单个斩波器并联构成，系统可靠性可提高。 5）线路较单个斩波电路复杂，尤其是控制电路。 11.采用隔离型斩波电路的原因？为什么当直流­直流变换电路输入输出电压值相差很大时，常常采用隔离型斩波电路？在某些场合，如输出端与输入端需要隔离、多路输出需要相互隔离、输出电压与输入电压之比远小于 1 或远大于 1 以及为减小变压器和滤波电容、电感的体积和重量，交流环节采用较高的工作频率，在这些场合，采用变压器隔离的隔离型直流­直流变换电路。5 12.为什么正激变换电路需要磁心复位电路？并简述磁心复位电路的原理。答：正激变换电路必须考虑隔离变压器基础电流的影响，如果励磁电流将在每个周期结束时的剩余值的基础上不断增加，并在以后的开关周期中继续积累，最终导致变压器铁心饱和。铁心饱和后，励磁电流会更迅速地增长，最终损坏开关器件。正激变换电路需要其在隔离变压器中增加一个用于去磁的第三绕组 W3，将变压器特性中存储的能量反激到电源中去磁心复位电路的原理：当开关 S 开通后，电源加在变压器一次绕组 W1 上，一次绕组 W1 的电流从零开始增加，其感应的电动势极性为上正下负，则其二次绕组 W2 上的感应的电动势极性也为上正下负，二极管 VD1 正向导通，VD2 反向截止，此时电源向负载提供能量，电感 L 储能，电感上的电流逐渐增大。当开关 S 关断后，变压器一次侧和二次侧电流都为零，VD1 截止，VD2 导通，电感 L 通过续流，将能量释放给负载，电流逐渐下降。 13.试分析正激变换电路和反激变换电路中的开关器件和整流二极管在工作时承受的最大电压。答：最大电压开关 S 整流二极管 VD 正激电路 i s U N N u ) 1 ( 3 1+= i U N N u 3 2 VD=反激电路 o i s U N N U u 2 1+= o i U U N N u+= 1 2 VD 14.试分析全桥、半桥和推挽变换电路中的开关器件和整流二极管在工作时承受的最大电压、最大电流和平均电流。6 开关器件 S 最大电压最大电流平均电流全桥变换电路 i s U u= d I N N 1 2 d I N N 1 2 2 半桥变换电路 i s U u= d I N N 1 2 d I N N 1 2 2 推挽变换电路（变压器原边总匝数为 2N1） i s U u 2= d I N N 1 2 d I N N 1 2 2 整流二极管 VD 最大电压最大电流平均电流全桥变换电路 i N N U 1 2 d I d I2 1 半桥变换电路 i N N U 2 1 2 d I d I2 1 推挽变换电路（变压器原边总匝数为 2N1） i N N U 1 2 d I d I2 1 15. 全桥和半桥电路对驱动电路有什么要求？答：全桥电路需要四组驱动电路，由于有两个管子的发射极连在一起，可共用一个电源所以只需要三组电源；半桥电路需要两组驱动电路，两组电源。