电力电子技术试题.docx

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电力电子技术试题

电力电子技术试题

电子科技大学2012-2013学年第2学期期末考试A卷

课程名称：

电力电子技术考试形式：

开卷考试日期：

20年月日考试时长：

____分钟

课程成绩构成：

平时10%，期中--%，实验20%，期末70%

本试卷试题由__7___部分构成，共__8__页。

题号

一

二

三

四

五

六

七

合计

得分

得分

一、简述题：

5题（共20分，共5题，每题4分）

1、与信息电子电路的MOSFET相比，解释电力MOSFET能够耐受高电压和大电流能力的结构特点？

答：

1）电力MOSFET大都采用垂直导电结构（2分），这大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。

2）与信息电子电路的MOSFET相比，电力MOSFET多了一个N-漂移区（低掺杂N区）（2分），这是用来承受高电压。

2、整流电流逆变产生的条件是什么？

如何防止逆变失败？

答：

整流电流逆变产生的条件：

1）要有直流电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流器直流侧的平均电压。

（1分）

2）要求晶闸管的控制角α>π/2，使Ud为负值。

（1分）

如何防止逆变失败：

1）采用精确可靠的触发电路；（0.5分）2）使用性能良好的晶闸管；（0.5分）

3）保证交流电源的质量；（0.5分）4）必须保证β≥βmin。

（0.5分）

3、交交变频的最高输入频率是多少？

制约输出频率提高的因数是什么？

答：

构成交交变频电路的两组变流电路的脉波数越多，最高输出频率就越高（1分）。

当交交变频电路中采用常用的6脉波三相桥式整流电路时，最高输出频率不应高于电网频率的1/3~1/2。

当电网频率为50Hz时，交交变频电路输出的上限频率为20Hz左右。

（1分）

当输出频率增高时，输出电压一周期所包含的电网电压段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变（1分）

和由此引起的电流波形畸变以及电动机的转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素（1分）。

4、什么是异步调制?

什么是同步调制？

二者各有何特点？

答：

载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。

（1分）

载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制（1分）。

异步调制的主要特点：

当信号波频率较低时（0.5分），载波比N较大，一周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称产生的不利影响都较小，PWM波形接近正弦波。

当信号波频率增高时（0.5分），载波比N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大，有时信号波的微小变化还会产生PWM脉冲的跳动。

同步调制的主要特点是：

当逆变电路输出频率很低时（0.5分），同步调制时的载波频率fc也很低。

fc过低时由调制带来的谐波不易滤除。

当逆变电路输出频率很高时（0.5分），同步调制时的载波频率fc会过高，使开关器件难以承受。

5、根据软开关发展历程，可以将软开关分为哪3类？

3类软开关电路又可细分为哪些电路？

答：

准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路（1分）。

准谐振电路分类：

零电压开关准谐振电路；零电流开关准谐振电路；零电压开关多谐振电路；用于逆变器的谐振直流环节。

（1分）

零开关PWM电路：

零电压开关PWM电路；零电流开关PWM电路。

（1分）

零转换PWM电路：

零电压转换PWM电路；零电流转换PWM电路。

（1分）

二、综合题（共15分）

1．根据器件英文符号写出对应中文名称，并画出其电气符号。

（7分）

PowerDiode：

电力二极管Thyristor：

晶闸管GTO：

门极可关断晶闸管

E

GTR：

电力晶体管N型PowerMOSFET：

N型电力场效应晶体管IGBT：

绝缘栅双极晶体管

电气符号不要求电气符号不要求

MCT：

MOS控制晶闸管SIT：

静电感应晶体管

（评分标准：

符号或名称错一个扣0.5分）

2．对第1问中所提8个器件按如下要求进行分类。

（8分）

按照载流子参与导电情况

单极型器件：

N型PowerMOSFET；SIT；

双极型器件：

PowerDiode；Thyristor；GTO；GTR；

复合型器件：

IGBT；MCT；

按照门极驱动信号性质分类

电压型驱动型器件：

N型PowerMOSFET；SIT；IGBT；MCT；

电流型驱动型器件：

Thyristor；GTO；GTR；

（评分标准：

对一个得0.5分）

三、综合题（共18分）

如图1所示为晶闸管三相桥式整流电路，回答下列问题。

1、当负载为大电感负载时，移相范围是0~90°（1分）。

设触发角

，请在图2中画出此时整流器输出电压Ud和晶闸管电流

在一个周期内的波形。

（5分）

图1图2

评分标准：

Ud（2分）、流

（2分）

2）设该电路为大电感负载且工作于整流状态。

相电压有效值

，负载中

当

时，试计算整流输出平均电压

、负载电流

和晶闸管电流平均值

;考虑安全裕量（按2倍计算），确定晶闸管的额定电压和额定电流。

（10分）

解：

（2分）

（2分）

（2分）

晶闸管承受的最大反向电压为：

（1分）

流过每个晶闸管的电流的有效值为：

（1分）

故晶闸管的额定电压为：

UN＝2U＝2×538.9=1077.8（V）（1分）

晶闸管的额定电流为：

IN＝2×IVT∕1.57=2×29.7/1.57=37.8（A）（1分）

评分标准：

公式正确，答案误差±2以内满分。

公式错误0分，答案错误扣0.5分。

3）带平衡电抗器的双反星型可控整流电路与三相桥式整流电路相比，有何主要异同？

（3分）

答：

1）三相桥为两组三相半波串联，而双反星形为两组三相半波并联，且后者需用平衡电抗器。

（1分）2）双反星形输出电压Ud：

等于三相半波，等于三相桥的1/2；双反星形输出电流Id：

等于三相半波、三相桥的2倍。

（1分）3）反星形电路与三相桥式电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系一样，ud和id的波形形状一样。

（1分）

四、综合题（共10分）

三相桥式逆变器如图3所示，方波控制方式（180º导电方式），Ud=400V。

负载为三相平衡的纯阻性负载，Y形连接。

回答下列问题。

1）在图4中画出稳态时一个开关周期内，下列电压的波形（幅值应符合图中的要求）：

UUN’、UVN’、UWN’、UVW（5分）

评分标准：

UUN’（1分）、UVN’（1分）、UWN’（1分）、UVW（2分）未标注：

Ud/2，扣1分。

2）求输出相电压的基波基波幅值UUN1m和有效值UUN1，输出线电压的基波基波幅值UUV1m和有效值UUV1，输出线电压中7次谐波有效值UUV7。

（5分）

图3

解：

输出相电压的基波幅值：

=254.8（V）（1分）

输出相电压基波有效值为：

=180（V）（1分）

输出线电压的基波幅值为：

=440（V）（1分）

输出线电压基波的有效值为：

=312（V）（1分）

输出线电压中7次谐波

有效值为：

=44（V）（1分）

评分标准：

公式正确，答案误差±2以内满分。

公式错误0分，答案错误扣0.5分。

图4

提示：

五、综合题（共12分）

图5

解：

输出电压平均值：

（1分）

输出电流平均值Io：

（1分）

输入电流平均值I1：

（1分）

评分标准：

公式正确，答案误差±2以内满分。

公式错误0分，答案错误扣0.5分。

在图5所示的升压斩波电路中，已知E=100V，L值和C值极大，R=20Ω，采用脉宽调制控制方式，当Ts=150μs，ton=50μs时，回答下列问题：

（本题12分）

1）计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io，输入电流平均值I1。

（4分）

2）根据图6的提示，画出如下波形：

器件V上电流iv和电压uv。

（时间轴上应有准确的时间标注，纵坐标根据1问计算结果标注）。

（4分）

评分标准：

电流iv（2分）和电压uv（2分）.

电流、电压未标注的各扣1分。

图6

3）计算器件V上电流平均值IdV和有效值IV。

（4分）

解：

器件V上电流平均值IdV：

（2分）

器件V上有效值IV：

（2分）

评分标准：

公式正确，答案误差±2以内满分。

公式错误0分，答案错误扣0.5分。

六、综合题（共15分）

1、什么是SPWM的自然采样法和规则采样法？

（4分）

答：

自然采样法是通过在正弦波和三角波的自然交点时刻产生控制功率开关器件的通断的SPWM波形的方法。

（1分）

规则采样法是一种在采用微机实现时实用的PWM波形生成方法（1分）。

在三角波的负峰时刻对正弦信号波采样而得到正弦波的值，用幅值与该正弦波值相等的一条水平直线近似代替正弦信号波，用该直线与三角波载波的交点代替正弦波与载波的交点，即可得出控制功率开关器件通断的时刻。

（2分）

解：

由△LDB∽△LMN，得

（4分）

因此，，

带入给定条件：

（2分）

（2分）

评分标准：

公式正确，答案误差±2以内满分。

公式错误0分，答案错误扣0.5分。

2、设正弦调制信号波为

，

，

为正弦信号波角频率，三角载波

幅值为1。

根据图7利用规则采样法推导脉冲宽度

和脉冲两边的间隙宽度δ＇计算公式？

若a=0.8，

=314rad/s，t=0.005s，

=100×10-6s，进一步计算出

和δ＇。

（要求写出推导过程）（8分）

图7

3、如图8所示的PWM调制方式中是在调制信号中注入了什么分量？

这种调试方式有什么优点？

（3分）

解：

调制信号中注入了3次谐波和（负）直流分量。

（1分）

优点：

1）在信号波的1/3周期内开关器件不动作，可使功率器件的开关损耗减少1/3。

（1分）

2）最大输出线电压基波幅值为Ud，和相电压控制方法相比，直流电压利用率提高了15%。

（0.5分）

3）输出线电压中不含低次谐波，这是因为相电压中相应于up的谐波分量相互抵消的缘故，这一性能优于梯形波调制方式。

（0.5分）

图8

七、综合题（共10分）

读图回答下面问题。

1、图中（a）、（b）分别表示何种PWM跟踪技术；

并叙述各种的工作原理（6分）

答：

图（a）滞环比较PWM跟踪；（1分）图（b）三角波比较PWM跟踪。

（1分）

滞环比较PWM跟踪：

把指令电流i*U、i*V、i*W和实际输出电流iu、iv、iW的偏差作为带有滞环特性的比较器的输入，通过其输出来控制功率器件V1和V4、V3和V6、V5和V2的通断。

（2分）

三角波比较PWM跟踪：

把指令电流i*U、i*V和i*W和逆变电路实际输出的电流iU、iV、iW进行比较，求出偏差电流，通过放大器A放大后，再去和三角波进行比较，产生PWM波形。

（2分）

（a）

2、叙述以上两种PWM跟踪技术的特点？

（4分）

解：

滞环比较PWM跟踪特点：

（2分）

1）硬件电路简单。

2）实时控制，电流响应快。

3）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。

4）和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量多。

5）属于闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点。

三角波比较PWM跟踪特点：

（2分）

1）开关频率固定，等于载波频率，高频滤波器设计方便。

2）为改善输出电压波形，三角波载波常用三相三角波载波。

3）和滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流所含的谐波少。

（b）

图9