陈坚电力电子学课后习题答案(完全去水印版).pdf 57页

'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？三者的技术发答案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答案用，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。答1.3开关型电力电子变换有哪四种基本类型？案答：有如下四种电力变换电路或电力变换器，如图所示： •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。1.4图1.6(a)所示的开关电路实现DC-AC逆变变换的基本原理是什么？从开关电路的输出端CD能否答直接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案直流电流？答：1DC/AC逆变电路的可以采用三种控制方案：A、180°方波；B、小于180°单脉冲方波；C、PWM控制。基本原理分别如下：A180°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（－）。因此是频率为、幅值为的交流方波电压，如图1.6(b)所示。对进行傅立叶分解，得到其基波电压有效值为，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°方波控制，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)所示进行傅立叶分解，得到基波电压有效值为或。显然，控制导通时间可以控制输出电压基波大小，而输出电压的频率f仍取决于开关工作频率。C若采用高频开关PWM控制策略，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，只需要很小的滤波就可得到正弦化的交流电压。其性能远优于单脉波的方波逆变方案。2不能直接获得理想的正弦基波电压。3是有脉动非连续的直流电流。 答1.5开关型电力电子变换器有那些基本特性？案答：（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？答案 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。 2.1说明半导体PN结单向导电的基本原理和静态伏-安特性。答案答：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，因此PN结的内电场被削弱。内电场所引起的多数载流子的漂移运动被削弱，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形成二极管正向电流。二极管导电时，其PN结等效正向电阻很小，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相同。因此外电场使原内电场更增强。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行。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。因此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。因此半导体PN结呈现出单向导电性。其静态伏－安特性曲线如左图曲线①所示。但实际二极管静态伏－安特性为左图的曲线②。二极管正向导电时必须外加电压超过一定的门坎电压（又称死区电压），当外加电压小于死区电压时，外电场还不足以削弱PN结内电场，因此正向电流几乎为零。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削弱，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很小的。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。答案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。答2.3说明半导体电力三极管BJT处于通态、断态的条件。案答：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。答2.4电力三极管BJT的四个电压值、、和的定义是什么？其案大小关系如何？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？已处于通态的晶答案闸管，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。2.6直流电源电压＝220V，经晶闸管T对负载供电。负载电阻R＝20Ω，电感=1H，晶闸管擎住答案电流=55mA，维持电流=22mA，用一个方波脉冲电流触发晶闸管。试计算：⑴如果负载电阻R＝20Ω，触发脉冲的宽度为300μs，可否使晶闸管可靠地开通？⑵如果晶闸管已处于通态，在电路中增加一个1KΩ的电阻能否使晶闸管从通态转入断态？⑶为什么晶闸管的擎住电流比维持电流大？(1)设晶闸管开通：，由此可解出：当时，，所以可以使晶闸管可靠导通。(2)加入1KΩ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，因此阳极电流。但维持电流是在通态时考虑的，此时管子已工作在较大电流状态下，管内结温较高，此时的PN结漏电流Io随结温增大，导通能力强，因此必须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，开始有驱动信号但未完全导通时，晶闸管工作时间短，结温低，PN结漏电流Io不大，导通能力弱，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？答案答：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。2.8说明GTO的关断原理。答案答：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，就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馈作用下，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。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。答2.9说明P－MOSFET栅极电压控制漏极电流的基本原理。案答：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型半导体之间要形成PN结空间电荷区（耗尽层）阻挡层，此时G-S之间和D-S之间都是绝缘的。当漏极D与源极S之间有外加电压时，如果栅极、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)，无论是正向电压还是负电压，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之间形成电场，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型半导体表面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形成的这个N型半导体表层感生了大量的电子载流子，形成一个电子浓度很高的沟道（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，就会形成漏极电流。在=0时，不能产生电流，=0，仅在增大到=以后，才使G-P之间的外电场增强，形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，即可控制漏极电流的作用称为电导调制效应。 答2.10作为开关使用时P－MOSFET器件主要的优缺点是什么？案答：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。答2.11列表比较BJT、SCR、GTO、P－MOSFET、IGBT、MCT以及SIT七种可控开关器件对触发（或案驱动）电流（或电压）波形的要求，及主要优缺点。答：表BJTSCRGTOP–MOSFETIGBTMCTSIT的对开关器件对触发信号波形的要求主要优点主要缺点频率BJT（电流型全正持续基极电流控制开通；基极电通态压降小，通驱动功率大；中控器件）流为0则关断态损耗小频率低SCR（电流型半正脉冲门极电流控制开通；触发信通态压降小，通驱动功率大，低控器件）号不能控制关断态损耗小频率低GTO（电流型正脉冲门极电流控制开通；负脉冲通态压降小，通驱动功率大，低全）门极电流（较大）控制关断态损耗小频率低 答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)所示脉宽时间为案、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。答：占空比是开关管导通时间与开关周期的比值。图3.1(c)中方波脉冲电压可以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：图3.1Buck变换器电路结构及降压答案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。 3.3Buck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。答案答：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很大，它对直流电压的阻抗基本为0，同时滤波电容的交流阻抗很小。答案3.4Buck变换器断流工况下的变压比与哪些因数有关，试从物理上给以解释。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L的磁通增答案量是否为零，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？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，因为如果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，最终将达到饱和，甚至烧毁电感，所以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为0，因为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。答3.6Buck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可以案避免电感电流断流?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结束时，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可以避免电感电流断流。答3.7开关电路实现直流升压变换的基本原理是什么？案答：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。答3.8Boost变换器为什么不宜在占空比接近1的情况下工作？案答：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。3.9升压－降压变换器（Cuk变换器）的工作原理及主要优点是什么？答案答：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，此时，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动小。答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，即案 ？答：电感电压，稳态运行时，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。因此Cuk电路拓扑结构图可直接得到直流平均电压。3.11直流－直流四象限变换器的四象限指的是什么？直流电机四象限运行中的四象限指的是什么？答这两种四象限有什么对应关系？案答：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。直流电机四象限运行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。对于电机的转速有：对于电机的电磁转矩Te：在励磁电流不变、磁通不变时电机的转速、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行亦可在发电机制动状态下变速运行。因此直流—直流四象限变换器的四象限和直流电机运行中的四象限之间存在一一对应的关系，如图3.9(d)所示。 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？答案多重、多相变换器的优点是什么？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，因而可以显著改善变换器输入、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。答3.13说明单端正激、单端反激DC/DC变换器工作原理。案答：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还不足以说明逆答变器输出波形的本质？案答：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。答案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。4.3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因素决答定，在什么情况下可以不用二极管D，纯感性负载时，负载电流为什么是三角形。案答：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，在纯阻性负载时可以不用二极管D。纯电感负载时，，在期间，对于全桥逆变电路有，对半桥电 路，线性上升；在期间，全桥电路，半桥有，线性下降；故电流是三角波。如果都是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。答4.4有哪些方法可以调控逆变器的输出电压。案答：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。4.5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。如果横坐标轴即时间（相答案位角）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，因此将（4－16）中的 用＋代替，即可得到。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？改变高频载波答案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。4.7既然SPWM控制能使逆变器输出畸变系数很小的正弦波，为什么有时又要将调制参考波从正弦答案波改为图4.11所示调制波，或改为梯形波，或取（4－37）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。 因此为了提高SPWM法的直流电压利用率，可以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，这样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，这就可以提高直流电压利用率。答4.8请解释图4.17中输入直流电流的波形。案 答：图4－17是采用空间矢量PWM控制方法时的相关波形，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，，，若假设负载电流为正弦，且相电流滞后相电压，则在时，,在时，。因此在0～周期中，将在图4－17中所示的和之间脉动。同理可以分析出其他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。答4.9试说明三相电压型逆变器SPWM输出电压闭环控制的基本原理。案答：引入了逆变器输出电压的闭环反馈调节控制系统如图4.15(b)所示，为输出电压的指令 值，为输出电压的实测反馈值。电压偏差经电压调节器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较产生驱动信号，控制各个全控型开关器件的通断，从而控制逆变器输出的三相交流电压。当<时，电压调节器VR输出的增大，M值增大，使输出电压各脉波加宽，输出电压增大到给定值；反之当>时，减小，M值减小，使输出电压减小到。如果电压调节器VR为PI调节器（无静态误差），则可使稳态时保持＝。因此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，通过电压闭环控制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个开关器件的三相逆变器只能产生6个特定位置答案（）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：4.11三相三电平逆变器中12个开关器件的通断控制可以获得多少个特定的电压空间矢量？图4.20中答 案二极管D5、D6起到什么作用？如果直流电源电压为，在断态时，开关器件所承受的反压是多大？答：可采用从逆变器的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，来调节三相逆变器输出电压的大小和频率，这就是电压空间矢量PWM方法。将图4-16(d)中的区域划分为6个的扇区，如果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，通过调节零矢量作用时间，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。4.12复合结构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，答案每段，高度分别、和，已知图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4－76式。(4-76) 答：复合结构逆变器采用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，就可以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阶梯波可以用三个脉宽分别为、、，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（4－76）。答4.13逆变器有哪些类型？其最基本的应用领域有哪些？案答：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。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。逆变器的基本应用包括：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。 答案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，控制触发脉冲出现的时刻（即改变晶闸管的移相控制角的大小），从而控制负载的整流电压。高频PWM整流：整流主电路中开关器件均为全控器件，采用高频PWM控制，即在一个电源周期内高频改变开关管的导通状况。答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）案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：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、线答案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。因此，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。答案5.4单相桥全控整流和单相桥半控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π，但是，晶闸管的导通角。（3）输出电压平均值：。当范围内移相控制时，只能为正值，而全控整流电路在时可为负值。答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？案答：若整流电路中电感L＝0，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。若控制角α小于（，称为停止导电角），则负载端电压一直保持为E；若α大于，则在wt＝kπ－δ至wt＝kπ＋α期间载端电压保持为E。若在负载回路中串联足够大的平波电抗器，使电流连续、晶闸管的导电角，则电流脉动减小。这时，整流电路输出电压波形是由控制角α唯一对应的、依次为电源电压的包络线，其直流电压平均值。若在负载回路中串联的平波电抗器不足以使电流连续，情况介于上述两种情况之间。答5.6交流电路电感不为零时引起的换相重叠过程中整流器输出电压的瞬时值如何确定，在换相期间案是什么因素促使负载电流从一个晶闸管向另一个晶闸管转移？答：设换相前a相的Ta导电，Tb截止，这时（负载电流），整流电压，换相后b 相的Tb导电，换相结束后。如果，一旦Tb导通，，Ta立即受反压截止，负载电流立即从a相的Ta转到b相的Tb，换相（或换流）过程瞬时完成。如果，由于电感的储能不能突变为零，原来导电的A相电流不能从突降为零而必须经历一个历时（对应的相位角称为换相重叠角）过渡过程。在此期间，Ta、Tb同时导通，a、b两相电源经电感2LC短接状态，，若假定恒定，则。又，所以，即。上式说明，是作用在两个换流电感上得电源电压之差使得负载电流从一个晶闸管向另一个晶闸管（从Id降为零、从零上升到)；还可推得。这说明整流电压的瞬时值是参与换流的2相电源电压的平均值。5.7同一个整流电压波形，时间坐标原点取在不同位置时用傅立叶级数分析得到的谐波特性是否相答案同，为什么？答：同一个整流电压波形，时间坐标原点取在不同位置时用傅立叶级数分析得到的谐波特性相同。因为，整流电压是以交流电源的周期为周期的周期性函数。而任何周期性函数在进行傅立叶级数分解的物理意义是用无限项正弦量来等价，从等价的效果来看，自变量（这里指时间）的坐标原点的选定在什么位置，是不影响各正弦（余弦）分量的频率和幅值的大小。时间坐标原点取在不同位置时仅对各分量的相位产生一定的影响。答5.8为什么m脉波的整流电压中只含有Km次谐波，K=1，2，3，…？案答：整流电压udc是从频率为1/T(周期为T)的交流电源变换而来的周期性函数。而任何周期性函数都能写出其傅立叶级数表达式。则整流电压udc在周期T内的傅立叶级数表达式为：m脉波的整流电压是指在周期T中出现了m个脉波，由于控制的对称性，使得这m个脉波在理论上是相同的，也就意味着m脉波的整流电压是频率为1/mT(周期为T/m)的周期性函数。若将这个函数在周期为T/m 的区间进行傅立叶分解，则整流电压udc可以表示为，相当于得到的谐波分量得频率为电源电压频率的mk，这里k=1，2，3，…等。5.9为什么要限制有源逆变时的触发控制角？根据什么原则确定有源逆变时的最大控制角?答案答：为了防止逆变器换相失败，有必要限制有源逆变时的触发控制角α，也就是不能让α达到其理论最大值π。逆变器换相失败的可能原因有：（1）被关断的晶闸管承受反压的时间不足，小于其安全关断时间（这段时间对应的角度称为关断角，记为）。若不计交流电源电路中电感Lc的影响，认为换相过程瞬间完成，则要求αmax＝π－，若α超过此值，则被关断的晶闸管承受反压的时间小于其安全关断时间，之后会因承受正向而可能再次误导通。（2）实际交流电源电路中电感，存在换相重叠过程。换相过程在触发脉冲到来后经历ν对应的换相重叠时间才结束。之后，依然要求被关断的晶闸管承受足够的反压时间才不致于再次误导通。为了确保相控有源逆变的安全可靠运行，要限制有源逆变时的触发控制角α不能太大。如果再考虑留一个安全角，则有源逆变的最大控制角max＝π－θ0－ν－5.10三相桥式相控整流电路触发脉冲的最小宽度应是多少？答案答：为了保证三相桥式相控整流桥开始工作时共阴极组和共阳极组各有一晶闸管导电形成电流回路，或者在电流断流后能再次形成电流通道回路，必须使两组中（正组T1、T3、T5和反组T4、T6、T2）应导通的那两个晶闸管同时有触发脉冲。有两种办法：一种是采用宽脉冲触发，使每个触发脉冲的宽度大于（一般取80°～100°）；另一种是采用双脉冲触发，在触发某一晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个触发脉冲，相当于用两个窄脉冲替代一个宽度大于60°的宽脉冲。所以，三相桥式相控整流电路触发脉冲的最小宽度应是60°＋元件能够被可靠触发导通所需要施加的脉冲宽度。5.11图5.36Boost型功率因数校正器为什么能实现输入交流电流基本正弦，并与交流电源电压同答相？案 答：图5.36Boost型功率因数校正器中，虚线框内的控制电路：电压误差放大器VAR、电流误差放大器CAR、乘法器、比较器C和驱动器等。采用了双闭环控制，电压外环为负载提供恒定的电压；电流内环，使交流电源电流波形跟踪交流输入正弦电压波形，使接近正弦并与同相。外环的PI型电压误差放大器VAR的输出是个直流量K，当时保持不变。将整流电压检测值(交流电源电压瞬时值的绝对值)与K的乘积作为电感电流的指令值，保证了指令电流与交流电源同相位。将与电感电流的检测值（）一起送入PI型电流误差比较器CAR。结果，使电感电流跟踪指令值，也就是输入电流与交流电源电压同相，输入端功率因数接近于1。输入电流（）的波形被高频PWM调制成接近正弦，但含有很小的高频纹波，经过很小的LC滤波后即可得到较光滑的正弦波电流。 5.12三相PWM整流与三相PWM逆变有什么异、同之处？答案答：01PWM逆变器实现直流到交流的变换，是无源逆变，控制方式为他控式，也就是逆变电压的大小、频率和相位都可以根据需要进行控制。PWM整流器能实现交流到直流的变换，也可以实现直流到交流的变换。但这时得逆变是有源逆变，即对逆变电压的大小、频率和相位的控制，要根据交流侧电源的频率、相位的实际情况和控制目的进行控制，否则就达不到相应得目的。02在主电路结构上基本相同，两者均采用全控型半导体开关器件，开关管按正弦规律作脉宽调制。但PWM整流器的主电路结构必须要有输入电感，整流器交流侧的电压和交流电源电压之差加到了输入电感上。03能量可以双向流动：可以通过适当控制整流器交流端的电压的幅值和相位，就可以获得所需大小和相位的输入电流。从而可以把交流输入电流的功率因数控制为任意值，实现交、直流侧的双向能量流动。 6.1单相交流电压控制器当控制角小于负载功率因数角时为什么输出电压不可控？答案答：图6.2（c）中，如果把T1、T4的触发信号ig1、ig4的起点从提前，即在时开始触发T1，在时开始触发T4。在时，由于仍是负电流，即T4仍在导通，故这时的触发电流ig1并不能使T1立即导电，ig1对T1不起作用，直到时iT4=is=io=0，如果这时还有ig1，ig1才可能开通T1。因此RL负载、时，如果要是电压控制器能正常工作，触发信号ig必须是宽脉冲。如果，则脉冲宽度应超过，而且此时虽然，但与时一样，输出电压、电流波形都是完整的正弦波。答6.2由图6.2（e）查得：单相全波交流电压控制器在电阻负载（）时导电角为案，在纯电感负载时（），当时，时。从物理上解释这一结果。 图6.2单相交流电压控制器电路、波形及特性答：时，为电阻负载，在时，晶闸管开通，在时，电压反向，晶闸管关断，故时，为纯电感负载，时，输出电压不可控，电流波形为连续正弦波，见图6.2（c），故时，在时，晶闸管开通，电流以0开始上升，电感开始储能，在时，电压，此后，电感储能释放，故在时，电流达到最大，然后开始减小。由于时对称性，电流将会是对称的，故答6.3单相交流电压控制器带电感、电阻负载时，如何利用图6.2（e）、6.2（f）计算出晶闸管电案流有效值。 答：根据?求出负载阻抗角，再根据图6.2(g)、（f）画出的以为参变量，与触发控制角的函数关系即可得到。晶闸管电流IT的基准值为，则IT的相对值为，则，图6.2(g)、（f）是按（6-23）、（6-24）式画出的以为参变量与触发控制角的函数关系。根据图6.2(e)所示的导通角与触发角控制角的关系，即可求出。答6.4图6.5（a）所示三相星型联结电压控制器不同的控制角时为什么会有两类导电工作状态？案控制角的有效控制范围为什么是？答：对于图6.5（a）所示三相星型联结电压控制器，要想电流形成通路，要么三相同时工作，要么两相同时工作，所以对于控制角不同时，电路只有两种导电工作状态：第一类：三相同时导电工作状态，在同一时刻，每一相有一个晶闸管导电，因此任何时刻同时有三个晶闸管导电。第二类：二相同时导电工作状态，在同一时刻仅二相各有一个晶闸管导电，第三相中的两个晶闸管都不导电，这时电流从电源的一相流出，经负载后从另一相回到交流电源。无论是电源还是负载的第三相都不导电。时，T1与T6共同存在的最早时刻是在UAN=UBN的交点之后，即UAN壳温>散热器温度>空气环境温度。利用热等效电路计算满足上述不等式的要求，散热器与环境之间的热阻值需要达到的值，再根据散热器产品的参数选择热阻器。答7.10电力电子变换器控制系统的基本功能是什么？案答：变换器控制系统的主要任务是为半导体电力开关器件产生开、关信号，从而得到需要的输出电压或电流。此外还应能监控变换器的工作状态，显示、记录运行参数，远程通讯以及故障处理等等。 答8.1怎样才能实现完全无损耗的开关过程？案答：利用开关电路中的L、C元件产生谐振，使开关器件两端的正向电压vT、电流iT谐振到零，在vT=0期间施加驱动信号开通开关管或在电流谐振为零iT=0期间撤除驱动信号关断开关器件，可以获得无损耗开关特性。答8.2零开关，即零电压开通和零电流关断的含义是什么？案答：零电压开通：开关器件两端的正向电压vT谐振到零、在vT=0期间施加驱动信号开通开关管，因而开关管T在其等效电阻从的开通过程中和随后的电流iT建立的过程中，开关损耗pT=vTiT≡0，而无开通损耗。零电流关断：在开关器件电流iT谐振到零，在iT=0期间撤除驱动信号，关断开关器件，因此在开关管等效电阻从关断过程中，pT=vTiT≡0而无关断损耗。答8.3采用L、C缓冲电路软化开关过程的优点、缺点是什么？案答：优点：采用L,C缓冲软开关电路中开关器件的关断损耗比同一电路参数情况下硬关断的关断损耗小很多倍，即开关器件的开关损耗显著减小。缺点：L、C复合缓冲电路中存储在L、C中的能量每开通、关断一次都会在图8.1（b）中电阻上消耗掉，表明整个变换器损耗不一定减小很多。 答案8.4零电流关断ZCSPWM变换器与零电流关断ZCSPFM变换器(零电流关断准谐振变换器ZCSQRCs)在电路结构上有什么区别，特性上有那些区别？答：结构上：ZCSPWM变换器电路比ZCSPFM变换器电路多了一个辅助开关管T2和D2。特性上：ZCSPWM变换器可实现输出电压的恒频PWM控制；谐振元件LC参与部分状态的工作，谐振元件损耗小，通态损耗也小；辅助开关管T2也是零电流关断。ZCSPFM变换器靠脉冲频率调制PFM调控输出电压，只能用于小功率变换器上；谐振元件LC参与变换器工作周期的全过程。答8.5零电压开通ZVSPWM变换器与零电压开通PFM变换器(零电压开通准谐振变换器ZVSQRCs)在电案路结构上有什么区别，特性上有那些区别？答：结构上：ZVSPWM变换器电路比ZVSPFM变换器电路多了一个电感上并联的辅助开关管T2和D2。特性上：ZVSPWM变换器可实现输出电压的恒频PWM控制；谐振元件LC参与部分状态的工作，谐振元件损耗小，通态损耗也小且谐振元件对变换器的输出特性影响很小；辅助开关管T2也是零电压开通。ZVSPFM变换器靠脉冲频率调制PFM调控输出电压，只能用于小功率变换器上；谐振元件LC参与变换器工作周期的全过程。答8.6直流环节并联谐振逆变器如何实现逆变器开关器件的零电压开通与关断？案答：图8.8(a)中在三相逆变器主开关T1－T6两端各并联一个小电容，在直流侧PN两端的等效电容为C，在三相逆变器与直流电源VD之间插入了一个由主开关管谐振开关管，谐振电感L以及等效电容C组成的谐振电路，图中逆变器的六个开关器件T1－T6周期性地按PWM方式改变其通、断状态，使逆变器输出三相交流PWM电压。如果在主开关器件T1－T6需要改变开关状态时，开通、关断，形成L、C谐振，使电容C两端直流电压降为零值，给逆变器6个开关的零压开通和零压、零流关断创造条件，那么逆变器开关状态的转变就可能在其端电压为零的状态下进行，实现零电压开通和零电压、零电流关断，没有开关损耗。 9.1AC/AC直接变频、变压电源和AC—DC—AC两级间接变频、变压电源各有那些优缺点？答案答：晶闸管相控交流—交流直接变频器变换后，可以获得频率低于50Hz的变压、变频交流电源，这种直接变频的缺点是：只能降低频率，同时输出电压波形中含有较大的谐波，输入电流谐波严重且功率因数低。AC—DC—AC两级间接变频、变压电源中，第Ⅰ级交流—直流整流变换电路可以根据不同的应用要求采用各种方案，第Ⅱ级直流—交流逆变器的输出频率可以是任意值，电压、频率可独立或协调控制，采用SPWM控制的变换器输出交流电压波形畸变率较小，直流电源中谐波电流也不严重且易于滤波（开关频率可以较高）。答9.2VVVF逆变器中如何实现电压—频率协调控制？案答：VVVF逆变器有许多不同类型的控制策略。如恒定电压—频率比控制，恒气隙磁通控制，恒转子磁通控制等等，根据这些不同的控制策略，确定定子电压V1与频率f1之间的函数关系，就可实现电压—频率协调控制。答9.3说明典型UPS的工作原理。案答：图9.3为一个典型的由整流和逆变两级变换器构成的在线双变换式UPS。市电正常时，市电经输入变压器和充电器（一个小功率整流器）输出电压、电流可控的直流电给蓄电池充电，使蓄电池储备电能，同时市电经整流器实现交流—直流变换后向逆变器提供直流电，逆变器实现直流—交流变换后输出恒压、恒频的交流电，经静态开关S1对负载供电。这时旁路静态开关S2断开，负载与市电之间无直接联系。当市电供电异常时（过压、欠压、断电），控制系统（图9.3中未画出）断开输入开关S，切断市电与UPS的联系，蓄电池为逆变器提供直流电能，逆变器继续经静态输出开关S1向负载供电。 答9.4说明双变流器串、并联补偿式UPS的工作原理。案答：图9.4示出的双变流器串、并联补偿式UPS的原理图。图中变流器Ⅰ和Ⅱ都是双向ACDCSPWM变流器，其直流侧接蓄电池，变流器Ⅰ经电感L1和变压器T输出的电压?(电流IS)串接在电源电压和负载电压vL之间，称之为串联补偿变流器，它提供的补偿电压既抵消电源电压中的谐波vsh，又补偿基波电压vs1，使负载电压vL成为与电源基波电压vs1同相的正弦基波额定电压vR。变流器Ⅱ经L2C2滤波后并接在负载两端，称之为并联补偿变流器。对变流器Ⅱ进行实时、适式控制，可使它输出至负载的电压为正弦波额定电压vR，并向负载输出电流，其中、补偿负载无功和谐波电流，使交流电源仅向负载输出基波有功电流，功率因数，负载的有功电流由交流电源（）与变流器Ⅱ共同提供。在非线性负载、电源电压高于或低于额定值vR且含有谐波电压时，这种UPS通过串、并联补偿变流器共同作用，可使负载电压vL补偿到与电源电压同相的额定正弦电压vR，同时电源交流仅输出基波有功电流。正常时市电与双变流器共同对负载供电，一旦市电停电后，变流器Ⅱ从蓄电池获取电能继续不间断的对负载供电。 答案9.5现今直流输电系统中为什么都采用晶闸管作开关元件？如何控制传输功率的大小？答：由于直流输电系统中的整流器，逆变器都需要变换很高电压、很大电流的电功率，而且一般采用相控整流和有源逆变，因此往往采用电压电流额定值很高的晶闸管串联成一个“高压开关器件”。输电线首端相控整流器输出的直流功率?，而由（9－11）式可知：直流输电系统中的直流电压VD1、VD2、电流ID和功率，可以方便地通过改变相控整流的整流控制角和有源逆变的逆变控制角（）来调节控制。答案9.6半桥型逆变电路为什么有自动平衡输出电压正负半波伏秒值的作用？答：由于电容中点B电位的浮动，可使变压器绕组上正负半周中电压－时间积分值，即伏－秒值正负平衡，9.7全桥型逆变器中为什么要采用隔直电容？答案答：如果开关器件T1、T4和T2、T3导通时间有差异，则加在N1上的交流电压正、负半波电压幅值相等，但脉冲宽度不相等，中除交流分量外还将含有直流电压分量，会在变压器N1绕组中产生直流磁化电流，并可能造成磁路饱和而使变换器不能正常工作，因此通常在逆变器输出与变压器一次绕组N1之间串入隔直电容，使中的直流分量电压（频率为0、电容CO容抗为无限大）降落在CO上，中的交流分量电压加到N1上，避免变压器直流磁化。答9.8移相全桥零电压开关DC/AC－AC/DC变换中怎么才能实现超前桥臂和滞后桥臂开关器件的零 案电压开通？答：为了使超前桥臂开关器件T1、T2能实现零压开通，必须使（9－19）式的t01小于死区时间td，即使T2加驱动信号开通之前，D2已开始导电，为T2的开通提供零电压开通条件。为了使滞后桥臂开关器件T3、T4能实现零电压开通，必须使（9－24）式的t34小于死区时间td，使T3加驱动信号开通之前，D3已开始导通，为T3的开通提供零电压开通条件。9.9说明图9.9中各种直流电源方案的优缺点。答案答：不控整流：如图9.9(1)所示，电路最简单、价格最低廉，但直流负载与交流电网无电气隔离，输出电压不可控，变换器输入、输出特性都较差，所需LC滤波器也大。相控整流：如图9.9(2)所示，输出直流电压可控，当要求直流输出电压低即触发控制角大（深控）时，交流输入功率因数很低，且仍存在以上不控整流的其他缺点。带工频变压器的相控整流：如图9.9(3)所示，由于交流电源经变压器后再对相控整流器供电，故直流负载与交流电网之间有电气隔离。输出电压与电网电压可以有较好的匹配关系。但工频变压器重量体积大，LC滤波器也大，使这种直流电源重量、体积大，且相控整流的其他缺点仍然存在。先经不控整流再采用不隔离的高频DC/DC变换器：如图9.9(4)所示，优点是第二级DC/DC变换可输出高频PWM直流电压，经较小的LC滤波后即可得到纹波较小的平稳直流电压，输出直流可控，重量体积不大。但直流负载与交流电网之间无电气隔离，交流电网输入电流仍含有较大的谐波。AC/DC不控整流、DC/AC高频逆变、AC/DC不控整流三级变换：如图9.9(5)所示，优点是有了中间一级高频方波逆变，高频变压器将直流负载与交流电网隔离，高频变压器输出侧直流LC滤波器重量体积不大，输出直流电压纹波小，动态特性也好，缺点是交流输入电流谐波仍严重，功率因数也不可能高。AC/DC高频PWM整流、DC/AC高频逆变、AC/DC不控整流三级变换：如图9.9(6)所示，其中第一级是高频PWM整流，第二级是高频PWM逆变，经高频变压器隔离后第三级可采用双半波或全桥不控整流， 这种三级电力变换直流电源，它能将负载与电源隔离，逆变环节采用单脉波高频PWM逆变，因此，逆变电路及其控制并不复杂，控制系统可以采用集成控制芯片构成。采用较高的逆变频率可以使变压器、滤波电感、电容的重量、体积都不大，输出电压纹波小，动态特性好。 10.1闸管相控电抗器的基本原理是什么，晶闸管触发控制角与两种情况下等效电抗答案是否相等，为什么？答：双向晶闸管T1、T2和电抗器L组成的晶闸管相控电抗器TCR中，T1、T2按相控方式工作。相控角α大于90°时，可对纯电感负载的电感电流进行相控。如图10.2(c)所示。对图10.2(c)中的电流作傅立叶分析可求得其基波和n次谐波电流有效值I1、In。时，电流为完整的正弦波、无谐波，。当从90°增大时，I1减小，谐波电流。控制晶闸管的触发角，即可改变等效电抗的大小，调控电抗器的基波无功电流I1。时，电流为完整的正弦波、无谐波，，两种情况下等效电抗相等。答10.2说明图10.5所示PWM开关型无功功率发生器的基本工作原理，它与第5章中的三相PWM逆变案器有那些相同和不同之处？ 答：采用自关断开关器件的PWM电压型逆变器，可以将直流电变为交流电，输出电压、频率及相位均可控的三相交流电压Vi。如果将逆变器的输出经一个数值不大的电感L（电抗）接至三相交流电网，如图10.5(a)所示，控制六个开关器件使逆变器输出电压的频率等于交流电网、逆变器各相电压与交流电网各相输出电压同相，那么逆变器输出电流为：由于与同相，因此逆变器向电网输出的电流与电网电压相差90°，逆变器只输出无功电流、无功功率，逆变器成为一个无功功率发生器。为了使无功功率发生器能稳定地工作，直流侧必须有一个稳定的直流电压源，就要对电压进行闭环控制。无功功率发生器可以不需外加直流电源，仅靠开关电路的SPWM控制，即可输出数值大小和方向均连续可控的无功功率，当采用高频SPWM控制或采用多个三相桥主电路移相组合输出时，仅用较小的L、C滤波器，即可使输出电流接近正弦波且具有优良的控制特性。 答10.3谐波电流补偿器HCC和谐波电压补偿器HVC的主电路、控制原理有何异、同之处？案答：谐波电流补偿器HCC中三相桥式变换器与负载并联地接在电网上，而谐波电压补偿器HVC中变换器与负载串联地接在电网上。谐波电流补偿器HCC中，对变换器中六个开关器件进行实时、适式的通、断控制，使变换器向电网输出补偿电流，运行中不断地检测非线性负载地谐波电流，并以此作为图中三相桥式变换器输出补偿电流的指令值，使三相桥式变换器输出的补偿电流与负载的谐波电流大小相等，于是电网电流，电力系统中发电机G、变压器TP及线路均只流过负载基波电流。在谐波电压补偿器HVC中，为了消除电网中重要负载上的谐波电压，可在重要负载的输入电路中A、R之间串接一个补偿电压，如果补偿电压与谐波电压大小相等、方向相反，，图10.7中ABC处端电压虽然仍是非正弦，但有了补偿电压以后，接在R、S、T点的负载电压却是正弦波，避免了谐波电压的危害。答10.4说明PWM开关型串联同步电压补偿器的各种补偿控制功能和原理。案答：(1)如果在图10.8中串接的电压的大小与线路电流成正比，且相位超前90°，即 ，则A、B两端的等效阻抗，因此串入线路，相当于在线路上串接了一个电容C，其容抗。图10.8中当时，线路传输功率为，串接后，线路等效阻抗变为，传输功率，在、、不变的情况下，线路传输功率增大。从另一方面看，串联接入后，由于与线路电流相差90°，故变换器向线路输出滞后的无功功率，调控，改变k值的大小，即可调控无功功率Q的大小。改变的方向，等效容抗k变为等效感抗L，即可使变换器成为吸收电网无功功率的无功负载。(2)当与线路电流同相时，，则可调控变换器向电网输出的有功功率。若反向，，则可调控变换器从电网吸收的有功功率的大小。(3)当、的大小、相位不变时，串联接入后，将使输电线路的电流增加，调控的大小和相位，即可调控的大小和相位，改变输电线总的电流大小和相位，即可调控输电线上的有功功率和无功功率潮流的大小和方向（流向）。(4)若的大小和相位不变，串联接入后，可以调控负载电压的大小和相位。10.5电力系统统一潮流控制器UPFC怎样实现有功功率、无功功率的统一控制？答案答：通过变换器Ⅱ引入串联补偿电压后，在、、δ不变的情况下，改变串联补偿电压 的大小和相位α（相对于的相位角），即可调控ΔP、ΔQ的大小和方向（正、负值），使输电线传输的有功功率、无功功率为任意指令值。变换器Ⅰ具有PWM开关型并联无功功率发生器STATCOM的功能，也可以向交流电网输出或从交流电网输入有功功率。如果变换器Ⅰ输出电流IC的指令值为基波有功和无功电流，那么变换器I将向电网A点输出基波有功功率和无功功率。当输出指令中的基波有功电流指令为负值时，变换器I将从电网吸收（输入）有功功率。当变换器Ⅱ运行于逆变工况向电网输送有功功率时，变换器Ⅰ应运行于整流工况从电网汲取有功功率。反之当变换器Ⅱ运行于整流工况从电网汲取有功功率时，变换器Ⅰ应运行于逆变工况向电网输出有功功率。10.6超导磁体储能系统中的DC/DC变换器为什么是两象限DC/DC变换器。如果三相桥整流/逆变器与两象限DC/DC变换器控制上不协调，例如交流电网输入功率与超导线圈吸收的功率不平衡会引起答案什么后果，怎样才能避免这种事故？答：当交流电网负载不足、发电机有功功率过剩时，电网向三相桥变换器输出交流功率，三相桥工作在整流状态，DC/DC变换器和超导线圈接受直流功率，这时电压为正、电流为正；当交流电网负载过大、发电机有功功率不够时，这时应使DC/DC变换器将超导线圈的磁能变为直流电能，再经三相桥逆变器变为交流电，向交流电网输出交流有功功率，这时电压为负、电流为正，所以是两象限DC/DC变换器。三相桥整流/逆变器与两象限DC/DC变换器控制上不协调轻则烧毁装置，重则可能损坏电网。因此必须根据交流功率指令值、、直流电压指令值以及超导线圈电流检测值，对三相桥变换器和DC/DC变换器进行实时、适式的协调控制，使SMES装置与电网之间实现有功和无功功率双向传送。'