电力电子技术课后答案与复习资料

电力电子技术复习资料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？三者的技术发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、分配和应用问题。其发展依赖于发电机、变压器、电动机、输配电系统。其理论基础是电磁学(电路、磁路、电场、磁场的基本原理)，利用电磁学基本原理处理发电、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、处理、存储、发送和接收问题。其研究对象:载有信息的弱电信号的变换和处理。其发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、控制技术和电力技术的新兴交叉学科。它涉及电力电子变换和控制技术技术，包括电压（电流）的大小、频率、相位和波形的变换和控制。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控制系统。电力电子技术的发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、波形要求各不相同。为了满足一定的生产工艺和流程的要求，确保产品质量、提高劳动生产率、降低能源消耗、提高经济效益，若能将电网产生的恒频、恒压交流电变换成为用电负载的最佳工况所需要的电压、频率或波形，有可能获得更大的技术经济效益。例如：若风机、水泵全部采用变频调速技术，每年全国可以节省几千万吨以上的煤，或者可以少兴建上千万千瓦的发电站。若采用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、光质显著改善、灯管寿命延长3～5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，可以大大减小钢、铜的消耗量。特别在调速领域，与古老的变流机组相比，在钢铜材消耗量、重量、体积、维护、效率、噪音、控制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基本类型？交流（A.C）—直流（D.C）整流电路或整流器；直流（D.C）—交流（A.C）逆变电路或逆变器；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；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接变频器。1.5开关型电力电子变换器有那些基本特性？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，可以在其输出、输入端附加LC滤波电路；但是最有效方法是采用高频PWM控制技术。（3）电力电子变换器工作时，开关器件不断进行周期性通、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。因此对其工作特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。这一类应用现在已经十分广泛。（2）开关型电力电子补偿控制器。它又分为两种类型：电压、电流（有功功率、无功功率）补偿控制器和阻抗补偿控制器。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行特性和运行经济性。这类应用将导致电力系统的革命并推动电力电子技术的继续发展。2.2说明二极管的反向恢复特性答：由于PN结间存在结电容C，二极管从导通状态（C很大存储电荷多）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≈1～2V，二极管仍然具有导电性，在反向电压作用下，反向电流从零增加到最大值，反向电流使存储电荷逐渐消失，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能力而处于截止状态，然后在反向电压作用下，仅流过很小的反向饱和电流。因此，二极管正向导电电流为零后它并不能立即具有阻断反向电压的能力，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能力。2.3说明半导体电力三极管BJT处于通态、断态的条件。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（已知三极管的电流放大系数，有）。这时三极管、导电性很强而处于最小等效电阻、饱和导电状态，可以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？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说明晶闸管的基本工作原理。在哪些情况下，晶闸管可以从断态转变为通态？已处于通态的晶闸管，撤除其驱动电流为什么不能关断，怎样才能关断晶闸管？答：基本工作原理：见课本p36-37；应回答出承受正向压、门极加驱动电流时的管子内部的正反馈过程，使不断增大，最后使，很大，晶闸管变成通态；撤去门极电流后由于，仍可使很大，保持通态。有多种办法可以使晶闸管从断态转变成通态。常用的办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，通常采用使其阳极A与阴极K之间的电压为零或反向。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？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。因为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。这就意味着晶闸管可以通过任意波形、有效值为1.57的电流，其发热温升正好是允许值，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，其发热温升正好是允许值。2.10作为开关使用时P－MOSFET器件主要的优缺点是什么？答：作为开关使用时，P－MOSFET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。3.2脉冲宽度调制PWM和脉冲频率调制PFM的优缺点是什么？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。实际应用中广泛采用PWM方式。因为采用定频PWM开关时，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控制。此外由控制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，采用PFM控制较容易实现。3.7开关电路实现直流升压变换的基本原理是什么？答：为了获得高于电源电压的直流输出电压，一个简单而有效的办法是在变换器开关管前端插入一个电感L，如右图所示。在开关管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3.8Boost变换器为什么不宜在占空比接近1的情况下工作？答：因为在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。如果占空比接近于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。因此Boost变换器不宜在占空比接近1的情况下工作。同时，从Boost变换器在电感电流连续工况时的变压比表达式也可以看出，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。3.13说明单端正激、单端反激DC/DC变换器工作原理。答：单端正激DC/DC变换器从电路结构、工作原理上可以看出它是带隔离变压器的Buck电路如图3.11(b)所示，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可以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3.12(b)所示为单端反激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还不足以说明逆变器输出波形的本质？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HFn＝Vn/V1,总谐波系数THD定义为：，畸变系数DF定义为：，对于第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影响程度。很显然，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可以表征经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）逆变电路中一般采用SPWM控制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，因此不适合这种工作方式。（2）SCR不能自关断。而逆变器的负载一般是电感、电容、电阻等无源元件，除了特殊场合例如利用负载谐振进行换流，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。因此SCR一般不适合用于逆变器中。4.4有哪些方法可以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）、基波移相控制法等。单脉波脉宽调制法缺点是谐波含量不能有效控制；SPWM法既可控制输出电压的大小，又可消除低次谐波；移相控制一般用于大功率逆变器。4.6正弦脉宽调制SPWM的基本原理是什么？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的基本原理是冲量等效原理：大小、波形不相同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，其作用效果基本相同。如果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M，即可成比例的调控输出电压的基波大小。又因为，所以改变调制波频率，即可调控输出电压的基波频率。4.13逆变器有哪些类型？其最基本的应用领域有哪些？答：逆变器的类型有：电压型和电流型逆变器。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。单相半桥、单相全桥、推挽式、三相桥式逆变器。自关断换流逆变器，强迫关断