電力電子問答題題教材

1、第二章（晶閘管，電力電子器件）簡答1、晶閘管的導通條件、關(guān)斷條件、如何使導通的晶閘管關(guān)斷、維持 導通的條件導通條件： 在晶閘管陰陽兩極之間和門極上加上正向電壓， 產(chǎn)生足夠 大的門極觸發(fā)電流 Ig，則晶閘管導通。關(guān)斷條件：使流過晶閘管的電流減小至接近于零的某一值以下。 關(guān)斷方式：減小陽極電壓、增加負載阻抗、加反向電壓 維持導通的條件：陽極電流大于維持電流2、說明 IGBT 、GTO 、GTR 、MOSFET 的優(yōu)缺點 絕緣柵雙極晶體管 IGBT ：（1）優(yōu)點：開關(guān)速度快、開關(guān)損耗低、通 態(tài)壓降低、輸入阻抗高、驅(qū)動功率?。?2）缺點：開關(guān)速度低于電力 效應(yīng)晶體管、電壓、電流容量不及 GTO電力晶體

2、管 GTR: （1）優(yōu)點：開關(guān)特性好、飽和壓降低、通流能力 強、耐壓高（ 2）缺點：開關(guān)速度低、驅(qū)動功率大、驅(qū)動電路復雜、 存在二次擊穿問題門極可關(guān)斷晶閘管 GTO ：（1）優(yōu)點：通流能力強、電流、電壓容量 大、具有電導調(diào)制效應(yīng)（ 2）缺點：開關(guān)速度低、驅(qū)動功率大、驅(qū)動 電路復雜、開關(guān)頻率低電力場效應(yīng)管 MOSFET （1）優(yōu)點：開關(guān)速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動 功率小、驅(qū)動電路簡單、熱穩(wěn)定性好（ 2）缺點：電流容量小、耐壓 低3.GTO和普通晶閘管同為 PNPN結(jié)構(gòu)，為什么 GTO能夠自關(guān)斷，而普 通晶閘管不能？答：（1）GTO在設(shè)計時， a2較大，這樣晶體管 v2 控制靈敏，易于 GTO 關(guān)斷

3、；（2）GTO導通時 a1+a2的更接近于 1，普通晶閘管 a1+a21.5 ， 而 GTO則為約等于 1.05 ，GTO的飽和程度不深，接近于臨界飽和，這 樣為門極控制提供了有利條件；（3）多元集成結(jié)構(gòu)每個 GTO元陰極面積很小， 門極和陰極間的距離大為縮短，使得 p2 極區(qū)所謂的橫向電阻很小，從而使從門極抽出 較大的電流成為可能。第三章（整流、逆變）簡答1、什么是可控整流 ?它是利用晶閘管的哪些特性來實現(xiàn)的 ?答：將交流電通過電力電子器件變換成大小可以調(diào)節(jié)的直流電的過程稱為可控整流。可控整流主要利用了晶閘管的單向可控導電特性。2、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

4、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(lián)，而雙反星形電路是兩 組三相半波電路并聯(lián)，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(fā)脈沖的分配關(guān)系是一樣的， 整流電壓 ud 和整流電流 id 的波形形狀一樣。3、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

5、所產(chǎn)生的諧波和無功功率對電 網(wǎng)的干擾。4、逆變的定義？什么是有源逆變，什么是無源逆變？有源逆變的基 本條件？什么是逆變失敗？逆變失敗的原因？后果？如何防止逆變 失敗？ 逆變：把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，對應(yīng)于整流的逆過程，稱為逆變。 有源逆變：把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能直接輸送給交流側(cè)的電網(wǎng) 無源逆變：把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能直接輸送給交流側(cè)的負載 有源逆變的條件： 直流側(cè)要有電動勢， 其極性須和晶閘管的導通方 向一致，其值應(yīng)大于變流電路直流側(cè)的平均電壓； 要求晶閘管的控 制角 /2，使 Ud 為負值 逆變失?。耗孀冞\行時，一旦換相失敗，外界直流電源與晶閘管電路 形成短路， 或者變流器輸出電壓平均值與

6、直流電動勢形成串聯(lián)， 而逆 變電路的阻抗較小， 會形成很大的短路電流， 這種情況稱為逆變失敗 原因：觸發(fā)電路不可靠、晶閘管損壞、電源缺相、換相裕量角不足 后果：會在逆變橋和逆變電源之間形成強大的環(huán)流，損壞器件 防止：采用精確可靠的觸發(fā)電路，使用性能良好的晶閘管，保證交流 電源的質(zhì)量，留出充足的換向裕量角 等5、單相橋式全控整流電路、三相橋式全控整流電路中，當負載分別 為電阻負載或電感負載時，要求的晶閘管移相范圍分別是多少？ 答：單相橋式全控整流電路，當負載為電阻負載時，要求的晶閘管移 相范圍是 0 180 ，當負載為電感負載時，要求的晶閘管移相范圍是 0 90 。三相橋式全控整流電路， 當負載

7、為電阻負載時， 要求的晶閘管移 相范圍是 0 120 ，當負載為電感負載時，要求的晶閘管移相范圍是 0 90 。6、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(cè)接電網(wǎng)即交流側(cè) 接有電源。而無源逆變電路的交流側(cè)直接和負載聯(lián)接。第四章 （換流、逆變）1、換流方式各有那兒種？各有什么特點？ 答：換流方式有 4 種： 器件換流： 利用全控器件的自關(guān)斷能力進行換流。 全控型器件采用此 換流方式。電網(wǎng)換流： 由電網(wǎng)提供換流電壓， 只要把負的電網(wǎng)電壓加在欲換流的 器件上即可。負載換流： 由負載提供換流電壓， 當負載為電容性負載即負載電流超 前于負載電壓時，可實現(xiàn)負載

8、換流。強迫換流： 設(shè)置附加換流電路， 給欲關(guān)斷的晶閘管強追施加反向電壓 換流稱為強迫換流。 通常是利用附加電容上的能量實現(xiàn)， 也稱電容換 流。晶閘管電路不能采用器件換流 , 根據(jù)電路形式的不同采用電網(wǎng)換 流、負載換流和強迫換流 3 種方式。2 、什么是電壓型逆變電路？什么是電流型逆變電路？二者各有什么 特點？答：按照逆變電路直流測電源性質(zhì)分類， 直流側(cè)是電壓源的稱為逆變電路稱為電壓型逆變電路， 直流側(cè)是電流源的逆變電路稱為電流型逆 變電路電壓型逆變電路的主要持點是： 直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波

9、形為矩形波， 并且與負載阻抗角無關(guān)。 而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負載阻抗情 況的不同而不同。當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖 無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道， 逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。電流型逆變電路的主要特點是： 直流側(cè)串聯(lián)有大電感， 相當于電流源。 直流側(cè)電流基本無脈動， 直流回路呈現(xiàn)高阻抗。 電路中開關(guān)器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此交 流側(cè)輸出電流為矩形波， 并且與負載阻抗角無關(guān)。 而交流側(cè)輸出電壓 波形和相位則因負載阻抗情況的不同而不同。 當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流測電惑起緩沖 無功能量的作用。 因為反

10、饋無功能量時直流電流并不反向， 因此不必 像電壓型逆變電路那樣要給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。4-8. 逆變電路多重化的目的是什么 ?如何實現(xiàn) ?串聯(lián)多重和并聯(lián)多重 逆變電路備用于什么場合 ?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

11、弦波的波形。 組合方式有串聯(lián)多重和并聯(lián)多重兩種方式。 串聯(lián)多重 是把幾個逆變電路的輸出串聯(lián)起來 ,并聯(lián)多重是把幾個逆變電路的輸 出并聯(lián)起來。串聯(lián)多重逆變電路多用于電壓型逆變電路的多重化。 并聯(lián)多重逆變電路多用于電流型逆變電路的多重化第五章斬波5-1 簡述圖 5-la 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， Uo=E。然后使 V 關(guān)斷一段時間 toff ，此時電感 L通過二極管 VD向 R和 M供電， Uo=0。一個周期內(nèi)的 平均電壓 E ton U0 toff 輸出電壓小于電源電壓 ,起到降壓的作

12、用。 5-4 簡述圖 5-2a 所示升壓斬波電路的基本工作原理。答：假設(shè)電路中電感 L 值很大，電容 C值也很大。當 V 處于通態(tài) 時，電源 E向電感 L 充電，充電電流基本恒定為 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 U0。設(shè) V 處于通態(tài)的時間為 ton ，此階段電感 L 上積蓄的能量為 EI1 ton 。當 V 處 于斷態(tài)時 E 和己共同向電容 C充電并向負載 R提供能量。設(shè) V處于斷 態(tài)的時間為 toff ，則在此期間電感 L 釋放的能量為 （U0 E） I1toff ；當電 路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期 T中電感 L 積蓄的能量與釋放的能量相

13、等， 即：EI 1ton （U 0 E）I1toffton toffU0Ttoff化簡得：toff式中的 T toff 1，輸出電壓高于電源電壓， 故稱該電路為升壓斬 波電路。5- 10多相多重斬波電路有何優(yōu)點 ?答：多相多重斬波電路因在電源與負載間接入了多個結(jié)構(gòu)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(shù)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。8、根據(jù)對輸出電壓平均值進行控制的方法不同，直流斬波電路可有 哪三種控制方式？并簡述其控制原理。答：（1）第一種調(diào)制方式為：保持開

14、關(guān)周期不變，改變開關(guān)導通時間 t on 稱為脈寬調(diào)制。簡稱“ PWM”調(diào)制。（2）第二種調(diào)制方式為：保持開關(guān)導通時間 t on 不變，改變開關(guān) 周期，稱為頻率調(diào)制。簡稱為“ PFM”調(diào)制。（3）第三種調(diào)制方式為：同時改變周期 T 與導通時間 t on。使占 空比改變，稱為混合調(diào)制。第六章交交變頻1、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(gòu)成交交變頻電路的兩組變流電路的脈波數(shù)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，最高輸出頻率不應(yīng)高于電網(wǎng)頻率的 1/31/2 。當電網(wǎng)頻 率為 50Hz時，交交變頻電路輸出的

15、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(wǎng)電壓段數(shù)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(zhuǎn)矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。2、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(xiàn)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(wǎng)頻率和變流電路脈波 數(shù)的限制，輸出頻率較低； 輸出功率因數(shù)較低； 輸入電流諧波含量大， 頻譜復雜。主要用途： 500千瓦或 1000 千瓦以下

16、的大功率、低轉(zhuǎn)速的 交流調(diào)速電路，如軋機主傳動裝置、鼓風機、球磨機等場合。3、三相交交變頻電路有那兩種接線方式？它們有什么區(qū)別？答：三相交交變頻電路有公共交流母線進線方式和輸出星形聯(lián)結(jié) 方式兩種接線方式。兩種方式的主要區(qū)別在于： 公共交流母線進線方式中，因為電源進線端公用，所以三組單相 交交變頻電路輸出端必須隔離。 為此，交流電動機三個繞組必須拆開， 共引出六根線。而在輸出星形聯(lián)結(jié)方式中， 因為電動機中性點和變頻器中中性點 在一起；電動機只引三根線即可， 但是因其三組單相交交變頻器的輸 出聯(lián)在一起， 其電源進線必須隔離， 因此三組單相交交變頻器要分別 用三個變壓器供電。4、在三相交交變頻電路中

17、，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(shù)。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(jié)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(qū)域（對應(yīng)梯形波的平頂區(qū)）， 角較小，因此輸入功率因數(shù)可提高 15%左右。 第七章 PWM 控制技術(shù) 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(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列 脈沖的寬度進行調(diào)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(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄 脈沖加在具有

18、慣性的環(huán)節(jié)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(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)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，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(guī)律變化。 如果把上述脈沖列利用相同數(shù)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(yīng)正弦波部分的中點重合， 且 使矩形脈沖和相應(yīng)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(guī)律變化的。根據(jù)面積 等效原理， P

19、WM 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?？梢?，所得到的 PWM 波形和 期望得到的正弦波等效。7-3 單極性和雙極性 PWM 調(diào)制有什么區(qū)別？三相橋式 PWM 型逆變 電路中，輸出相電壓 （輸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(nèi)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

20、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。7-5 什么是異步調(diào)制？什么是同步調(diào)制？兩者各有何特點？分段同 步調(diào)制有什么優(yōu)點？ 答：載波信號和調(diào)制信號不保持同步的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制。 在異 步調(diào)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(diào)制的主要特點是：在信號波的半個周期內(nèi)， PWM 波的脈沖個數(shù)不固定， 相位也不固 定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后 1/4 周期的脈沖也不對 稱。這樣，當信號波頻率較低時，載波比 N 較大，一周期內(nèi)的脈沖數(shù) 較多，正負半周期脈

21、沖不對稱和半周期內(nèi)前后 1/4 周期脈沖不對稱產(chǎn) 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(nèi)的脈沖數(shù)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(chǎn)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(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步的方式 稱為同步調(diào)制。同步調(diào)制的主要特點是：在同步調(diào)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(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。當逆變電路輸出頻率很低時，同步調(diào)制時的載波頻

22、率 fc 也很低。 fc 過低時由調(diào)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(zhuǎn)矩脈動和噪聲。當逆變電路輸出頻率很高時，同步調(diào)制時的載波頻率 fc 會過高， 使開關(guān)器件難以承受。此外，同步調(diào)制方式比異步調(diào)制方式復雜一些。分段同步調(diào)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(yōu)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(nèi)。 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(chǎn)生不利影響。7-8 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(diào)

23、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，還可以采用線電壓控制方式，即在相 電壓調(diào)制信號中疊加 3 的倍數(shù)次諧波及直流分量等， 同樣可以有效地 提高直流電壓利用率。7-9什么是電流跟蹤型 PWM 變流電路？采用滯環(huán)比較方式的電流 跟蹤型變流器有何特點？答：電流跟蹤型 PWM 變流電路就是對變流電路采用電流跟蹤控制。 也就是， 不用信號波對載波進行調(diào)制， 而是把希望輸出的電流作為指 令信號，把實際電流作為反饋信號， 通過二者的瞬時值比較來決定逆 變電路各功率器件的通斷，使實際的輸出跟蹤電流的變化。采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型變流器的特點：硬件電路簡單； 屬于實時控制方

24、式， 電流響應(yīng)快； 不用載波， 輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波分量； 與計算 法和調(diào)制法相比， 相同開關(guān)頻率時輸出電流中高次諧波含量較多； 采用閉環(huán)控制。7-10什么是 PWM 整流電路？它和相控整流電路的工作原理和 性能有何不同？答： PWM 整流電路就是采用 PWM 控制的整流電路，通過對PWM 整流電路的適當控制，可以使其輸入電流十分接近正弦波且和 輸入電壓同相位，功率因數(shù)接近 1。相控整流電路是對晶閘管的開通起始角進行控制， 屬于相控方式。 其交流輸入電流中含有較大的諧波分量， 且交流輸入電流相位滯后于 電壓，總的功率因數(shù)低。PWM 整流電路采用 SPWM 控制技術(shù)，為斬控方式。其基本工作 方式為整流，此時輸入電流可以和電壓同相位，功率因數(shù)近似為1。PWM 整流電路可以實現(xiàn)能量正反兩個方向的流動， 即既可以運行 在整流狀態(tài)，從交流側(cè)向直流側(cè)輸送能量；也可以運行在逆變狀態(tài)， 從直流側(cè)向交流側(cè)輸送能量。 而且，這兩種方式都可以在單位功率因 數(shù)