电力电子技术期末复习考卷综合.docx

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电力电子技术期末复习考卷综合

1、填空题：

1、电力电子技术的两个分支是电力电子器件制造技术和变流技术。

2、举例说明一个电力电子技术的应用实例变频器、调光台灯等。

3、电力电子承担电能的变换或控制任务，主要为①交流变直流（AC—DC）、②直流变交流（DC—AC）、③直流变直流（DC—DC）、④交流变交流（AC—AC）四种。

4、为了减小电力电子器件本身的损耗提高效率，电力电子器件一般都工作在开关状态，但是其自身的功率损耗（开通损耗、关断损耗）通常任远大于信息电子器件，在其工作是一般都需要安装散热器。

5、电力电子技术的一个重要特征是为避免功率损耗过大，电力电子器件总是工作在开关状态，其损耗包括三个方面：

通态损耗、断态损耗和开关损耗。

6、通常取晶闸管的断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小标值作为该器件的额电电压。

选用时，额定电压要留有一定的裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2~3倍。

7、只有当阳极电流小于维持电流时，晶闸管才会由导通转为截止。

导通：

正向电压、触发电流（移相触发方式）

8、半控桥整流带大电感负载不加续流二极管电路中，电路可能会出现失控现象，为了避免单相桥式半控整流电路的失控，可以在加入续流二极管来防止失控。

9、整流电路中，变压器的漏抗会产生换相重叠角，使整流输出的直流电压平均值降低。

10、从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度称为触发角。

☆从晶闸管导通到关断称为导通角。

☆单相全控带电阻性负载触发角为180度

☆三相全控带阻感性负载触发角为90度

11、单相全波可控整流电路中，晶闸管承受的最大反向电压为2√2U1。

（电源相电压为U1）

三相半波可控整流电路中，晶闸管承受的最大反向电压为   。

（电源相电压为U2）

为了保证三相桥式可控整流电路的可靠换相，一般采用双窄脉冲或者宽脉冲触发。

12、四种换流方式分别为器件换流、电网换流、负载换流、强迫换流。

13、强迫换流需要设置附加的换流电路，给与欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流而关断。

14、直流—直流变流电路，包括直接直流变流电路电路和间接直流变流电路。

（是否有交流环节）

15、直流斩波电路只能实现直流电压大小或者极性反转的作用。

☆6种斩波电路：

电压大小变换：

降压斩波电路（buck变换器）、升压斩波电路、

Cuk斩波电路、Sepic斩波电路、Zeta斩波电路

升压斩波电路输出电压的计算公式U=

Eβ=1-ɑ。

降压斩波电路输出电压计算公式：

U=ɑEɑ=占空比，E=电源电压

☆直流斩波电路的三种控制方式是PWM、频率调制型、混合型。

16、交流电力控制电路包括交流调压电路，即在没半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节输出电压有效值的电路，调功电路即以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断态周期数的比，调节输出功率平均值的电路，交流电力电子开关即控制串入电路中晶闸管根据需要接通或断开的电路。

17、普通晶闸管（用正弦半波电流平均值定义）与双向晶闸管的额定电流定义不一样，双向晶闸管的额定电流是用电流有效值来表示的。

（双向晶闸管工作在交流电路中，正反向电流都可以流过）

18、斩控式交流调压电路交流调压电路一般采用全控型器件,使电路的功率因数接近1。

19、PWM控制技术的理论基础是（面积等效原理）冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同

20、PWM调制中常用的计算法有特定谐波消去法。

.

21、PWM逆变电路的控制方法有计算法、调制法和规则采样法三种。

其中调制法又可以分为同步调制和异步调制两种.（同步调制：

载波比相等）

22、直流斩波电路的三种控制方式是PWM、频率调制型、混合型。

23、在调制信号上叠加直流分量（三次谐波）可以提高直流电压利用率。

☆改变调制信号的频率就可以改变输出直流信号的频率

☆改变调制比可以改变输出电压有效值

电力电子器件串联必须考虑静态和动态均压（每个器件并联一个电阻）。

☆静态均压：

每个器件并联电阻

☆动态均压：

每个器件串联电容

☆并联时要考虑均流方法：

一般是串联电感

24、电力电子器件的驱动电路的目的是给器件施加开通、关断的信号，提供控制电路与主电路之间的电气隔离。

（光隔离（光耦）、磁隔离（变压器）等等）

25、电力MOSFET和IGBT由于具有正温度系数，所以在并联使用时能够实现均流。

26、晶闸管额定电流为100A，通过半波交流电时，电流的波形系数为Kf=，电流的有效值计算为

，则通过电流最大值

为314A。

27、单相交流调压电阻性负载电路的移相范围在  0度～ 180度  内，在阻感性负载时移相范围在 功率因素角～180度 内。

28、交流调压电路和交流调功电路异同点：

电路结构相同，控制方式不同，（交流调压电路采用移相触发对一个周期内导通角控制，调功电路对导通周波数与阻断周波数的比值进行控制）。

29、电压型逆变电路中的反馈二极管的作用是给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道。

30、180°导电型三相桥式逆变电路，晶闸管换相是在 同一相上下两个桥臂 元件之间进行；而120º导电型三相桥式逆变电路，晶闸管换相是在上桥臂或者下桥臂组内上的元件之间进行的。

31、在SCR（SiliconControlledRectifier）、GTO（GateTurn-OffThyristor）、GTR（GiantTransistor）、MOSFET（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）、IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）中半控型器件有SCR，全控型器件有GTO、GTR、MOSFET、IGBT，电流驱动器件有

SCR、GTO、GTR。

32、单相桥式可控整流电路带电阻性负载，在控制角为a时，其输出的直流电压为

。

33、带平衡电抗器的双反星型可控整流电路中平衡电抗器的作用是使两组三相半波整流电路能够同时导电。

34、有源逆变最小逆变角min=++′，其每个参数的意义是：

晶闸管关断时间，：

换相重叠角，′：

安全裕量角。

35、单相电压型桥式逆变电路输出给负载的电压波形是方波，电流波形是近似正弦波。

36、三相电流型桥式逆变电路的换流一般为同一组桥臂组内换流，称为横向换流。

37、交交变频是一种直接变频，其输出的电压是由多段电网电压拼接而成，决定了其输出频率不高，当采用50Hz工频电压，三相六脉波桥式逆变电路，其输出的上限频率一般不超过20Hz。

38、晶闸管串联使用的动态均压方法是电阻电容串联后并联到晶闸管两端。

2、简答题：

1、晶闸管的触发电路有哪些要求？

1触发电路发U的触发信号应具有足够大的功率

2不该触发时，触发电路因漏电流产生的漏电压应小于控制极不触发电压UGT

3触发脉冲信号应有足够的宽度，

4触发脉冲前沿要陡

5触发脉冲应与主回路同步，且有足够的移相范围。

导通：

正向电压、触发电流

半控：

晶闸管全控：

门极可关断晶、电力晶体管、电力场效应管，IGBT

电流控门极可关断晶、电力晶体管、电压控电力场效应管，IGBT

半控型器件有SCR（晶闸管），全控型器件有GTO、GTR、MOSFET、IGBT

电流驱动器件有SCR、GTO、GTR电压型驱动器件：

MOSFET、IGBT

☆半控器件：

大电压大电流，即大功率场合

☆全控器件：

中小功率

2、具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，问该变压器还有直流磁化问题吗？

具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路中，因为变压器二次测绕组中，正负半周内上下绕组内电流的方向相反，波形对称，其一个周期内的平均电流为零，故不会有直流磁化的问题

（变压器变流时双向流动的就没有磁化存在磁化的：

单相半波整流、三相半波整流）

3、电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？

为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？

在电压型逆变电路中,当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电容起缓冲无功能量的作用。

为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥各臂都并联了反馈二极管。

当输出交流电压和电流的极性相同时,电流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压电流极性相反时,由反馈二极管提供电流通道。

在电流型逆变电路中,直流电流极性是一定的,无功能量由直流侧电感来缓冲。

当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时,电流并不反向,依然经电路中的可控开关器件流通,因此不需要并联反馈二极管。

电压型有电容器（电源侧），电流型一般串联大电感

4、绘制直流升压斩波电路原理图。

直流降压斩波电路：

升降压：

5、电压型逆变电路的特点。

（1）直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；　 

（2）输出电压为矩形波（电流为正弦波），输出电流因负载阻抗不同而不同； 

（3）阻感负载时需提供无功。

为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。

电流型压型逆变电路的特点

2流侧串联有大电感，

②交流侧输出电流为矩形波（电压为正弦波），并且与负载阻抗角无关。

3不必给开关器件反并联二极管

6、什么是异步调制？

什么是同步调制？

两者各有何特点？

分段同步调制有什么优点？

（频率高异步调制，频率低同步调制）

分段调制优点：

1载波频率不会太高2开关损耗不会太大3载波频率在低频时不会太低

波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。

在异步调制方式中，通常保持载波频率fc固定不变，因而当信号波频率fr变化时，载波比N是变化的。

异步调制的主要特点是：

在信号波的半个周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。

这样，当信号波频率较低时，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。

而当信号波频率增高时，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。

这就使得输出PWM波和正弦波的差异变大。

对于三相PWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。

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。

同步调制方式中，信号波频率变化时载波比N不变，信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。

当逆变电路输出频率很低时，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小组不易滤除。

当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声。

当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc会过高。

使开关器件难以承受。

此外，同步调制方式比异步调制方式复杂一些。

分段同步高调制是把逆变电路的输出频率划分为若干段，每个频段的载波比一定，不同频段采用不同的载波比。

其优点主要是，在高频段采用较低的载波比，使载波频率不致过高，可限制在功率器件允许的范围

（1）简述PWM调制方式的同步调制和异步调制的定义及特点。

答：

载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。

异步调制：

通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的。

在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。

当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小。

当fr增高时，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。

同步调制：

fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。

三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称；为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。

fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。

fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。

1.如下图所示（L和R串联后作为负载），说明晶闸管导通的条件是什么？

关断时和导通后晶闸管的端电压、流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定?

答：

晶闸管导通的条件是：

阳极承受正向电压，处于阻断状态的晶闸管，只有在门极加正向触发电压，才能使其导通。

门极所加正向触发脉冲的最小宽度，应能使阳极电流达到维持通态所需要的最小阳极电流，即擎住电流ＩＬ以上。

导通后的晶闸管管压降很小。

晶闸管的关断时其两端电压大小由电源电压UA决定，电流近似为零。

导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗决定，负载上电压由输入阳极电压UA决定。

2.缓冲电路的作用是什么？

关断缓冲与开通缓冲在电路形式上有何区别，各自的功能是什么？

答：

缓冲电路的作用是抑制电力电子器件的内因过电压du/dt或者过电流di/dt,减少器件的开关损耗。

缓冲电路分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。

关断缓冲电路是对du/dt抑制的电路，用于抑制器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。

开通缓冲电路是对di/dt抑制的电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。

3.变压器漏抗对整流电路有什么影响?

答：

出现换相重叠角

，整流输出电压平均值Ud降低；整流电路的工作状态增多；晶闸管的di/dt减小，有利于晶闸管的安全导通。

有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。

换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/di，可能使晶闸管误导通，为此，必须加吸收电路。

换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。

4.在三相桥式整流电路中，为什么三相电压的六个交点就是对应桥臂的自然换流（相）点？

（请以a、b两相电压正半周交点为例，说明自然换向原理）

答：

三相桥式整流电路中，每只二级管承受的是相邻二相的线电压，承受正向电压时导通，反向电压时截止。

三相电压的六个交点是其各线电压的过零点，是二级管承受正反向电压的分界点，所以，是对应桥臂的自然换流点。

5.试述斩波电路时间比控制方式中的三种控制模式？

答：

斩波电路时间比控制方式中的三种控制模式为：

（1）定频调宽控制模式

定频就是指开关元件的开、关频率固定不变，也就是开、关周期T固定不变，调宽是指通过改变斩波电路的开关元件导通的时间Ton来改变导通比Kt值，从而改变输出电压的平均值。

（2）定宽调频控制模式

定宽就是斩波电路的开关元件的导通时间Ton固定不变，调频是指用改变开关元件的开关周期T来改变导通比Kt。

（3）调频调宽混合控制模式

这种方式是前两种控制方式的综合，是指在控制驱动的过程中，即改变开关周期T，又改变斩波电路导通时间Ton的控制方式。

通常用于需要大幅度改变输出电压数值的场合.

6.SPWM调制方式是怎样实现变压功能的？

又是怎样实现变频功能的？

答：

改变调制比M可以改变输出电压uO基波的幅值，所以，SPWM调制是通过改变调制波ur的幅值实现变压功能的。

改变正弦调制波的频率时，可以改变输出电压u0的基波频率，所以，SPWM调制是通过改变调制波ur的频率实现变频功能的。

（2）晶闸管的主要动静态性能参数是哪些？

晶闸管触发导通后，触发脉冲结束时它又关断的原因是什么？

答：

静态性能指标：

电压定额：

断态重复峰值电压、反向重复峰值电压、通态电压。

电流定额：

通态平均电流、维持电流、擎住电流、浪涌电流。

动态参数：

开通时间、关断时间、断态电压临界上升率、通态电流临界上升率。

晶闸管触发导通后，触发脉冲结束时它又关断的原因是：

a：

刚刚导通后电流小于擎住电流，脉冲撤除后晶闸管关断；b：

完全导通后，由于电路电流小于维持电流，晶闸管关断。

（3）变压器漏感对整流电路的影响是什么？

答：

a：

出现换相重叠角γ,整流输出电压平均值Ud降低。

b：

整流电路的工作状态增多。

c：

晶体管的di/dt减小,有利于晶闸管的安全开通。

d：

换相时晶闸管电压出现缺口,产生正的du/dt,可能使晶闸管误导通,为此必须加吸收电路。

.e：

换相使电网电压出现缺口,成为干扰源。

（4）什么是逆变失败，逆变失败的原因是什么？

答：

逆变失败指的是：

逆变过程中因某种原因使换流失败，该关断的器件末关断，该导通的器件末导通。

从而使逆变桥进入整流状态，造成两电源顺向联接，形成短路。

逆变失败会在逆变桥与逆变电源之间产生强大的环流，损坏开关器件。

产生逆变失败的原因：

（1）触发电路工作不可靠，造成脉冲丢失、脉冲延迟等。

（2）晶闸管发生故障，失去正常通断能力。

（3）交流电源发生异常现象，如断电、缺相、或电压过低。

（4）换相的裕量角不足，晶闸管不能可靠关断。

（5）说明下图单相半桥电压逆变电路中二极管VD1和VD2的作用。

答：

VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD1、VD2称为反馈二极管,还使io连续，又称续流二极管。

3、分析计算题：

1、在下图中，E=50V,R=Ω，L=，晶闸管擎住电流为15mA,要使晶闸管导通，门极触发电流脉冲宽度至少应为多少？

解：

晶闸管导通后，主回路电压方程为

主电路电流

按下式由零上升

晶闸管要维持导通，id必须上升达到擎住电流值以上，在此期间，门极脉冲应继续维持，将Id=15mA代入，得

取

，

t≥150μs。

所以，门极触发电流脉冲宽度至少应大于150μs。

2、三相桥式整流电路，U2=100V，带电阻电感负载R=50Ω，L值极大，当α=60度时，计算Ud,Id,IdT和Ivt。

☆单相桥式全控整流：

☆

☆

☆

☆

3、分析单相电压型逆变器移相调压的工作原理。

调整输出频率：

图中所使用的都是全控器件，改变开关1、4，2、3的切换频率，则输出交流电的频率随着改变。

改变移相电压角度，则可以改变输出电压幅值。

4、分析滞环比较方式电流跟踪控制的工作原理。

基本原理：

1、把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较器的输入

2、通过比较器的输出控制器件V1和V2的通断

3、VD1通时，i增大

4、VD2通时，i减小

5、通过环宽为2△I的滞环比较器的控制，i就在i*+△I和i*-△I的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流i*

某一电热装置（电阻性负载），要求直流平均电压为75V，电流为20A，采用单相半波可控整流电路直接从220V交流电网供电。

计算晶闸管的控制角α、导通角θ、负载电流有效值，

解：

（1）整流输出平均电压

　　　　　　Ｕd=

=

　　　　　　　=

　　　　　　　　　cosα=

则　　　控制角α≈60°导通角θ=π-α=120°

（2）.负载电流平均值

　　　　　　　　　　　　　Id=

=20（A）

则R＝Ud／Id＝75／20=Ω

　负载电流有效值I，即为晶闸管电流有效值IV1，所以

　　　　　　I=IV1=

=

＝（A）

分析下图示升压斩波电路原理并计算，已知E=50V，负载电阻R=20Ω，L值和C值极大，采用脉宽调制控制方式，当T=40µs，ton=25µs时，计算输出电压平均值U0，输出电流平均值I0。

解：

开关元件导通（模式1）时，电感L储能，负载R上的电压uo和电流io由电容器C上的电压uc提供。

开关元件关断（模式2）时，直流电源Ud和电感L储能向负载R和电容器C提供能量，电容器C充电。

因此，可达到输出平均直流电压高于电源输入的直流电压。

输出电压平均值Uo为

其中，Ton为导通时间，T为开关周期，Kt为导通比。

设流过晶闸管的周期电流波形如下图所示，其最大值均为Im，当采用额定电流为200A的晶闸管，当不考虑安全余量时，所能送出的平均电流为多少?

相应的电流最大值是多少？

（7分）。

（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定义为晶闸管的额定电流。

因此当晶闸管的额定电流为200A时，其允许通过的电流有效值为314A。

）

解：

电流平均值:

Idb=

电流有效值Ia=

=

200A的晶闸管允许通过电流的有效值为314A，因此相应的电流最大值为314*

A，所能送出的平均电流IDb=314/

=181A。

三相全控桥整流电路，带阻感负载，U2＝100V，R＝10，L>>RR，求当＝时，输出电压平均值Ud，输出电流平均值Id，变压器二次侧电流有效值I2。

（8分）

解：

整流变压器二次侧电流为正负半周各宽120°、前沿相差180°的矩形波，其有效值为：

分析负载换流的原理。

解：

由负载提供换流电压称为负载换流（LoadCommutation）。

电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性工作状态。

4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波。

负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦。

t1前：

VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为uo。

t1时：

触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2。

t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成。

一台电炉额定功率为1000W，由220V单相交流供电，为了实现电炉功率可变，采用双向可控硅采用移相触发调节电炉的供电电压，请画出电路图，依据下面的波形图和给定的计算公式，计算当电炉需要功率为500W时，双向晶闸管的触发角是多少？

此时电炉的电流有效值是多少？

解：

电路图：

随便找一个最简单的调光台灯的电路。

计算电炉的等值电阻：

计算当功率变为500W时需要的电压值：

计算触发角：

电流的有效值：

请从VT1向VT3换流的过程分析入手，说明题图所示串联二极管式晶闸管逆变电路的换流过程。

解：

假设以从VT1向VT3换流的过程进行分析：

假设换流前VT1和VT2导通，C13电压UC0左正右负。

如图a所示。

换流阶段分为恒流放电和二极管换流两个阶段。

t1时刻触发VT3导通，VT1被施以反压而关断。

Id从VT1换到VT3，C13通过VD1、U相负载、W相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电，放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段。

如图b所示。

uC13下降到零之前，VT1承受反压，反压时间大于tq就能保证关断。

t2时刻uC13降到零，之后C13反向充电。

忽略负载电阻压降，则二极管VD3导通，电流为iV，VD1电流为iU=Id-iV，VD1和VD3同时通，进入二极管换流阶段。

随着C13电压增高，充电电流渐小，iV渐大，t3时刻iU减到零，iV=Id，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束。

t3以后，VT2、VT3稳定导通阶段。

绘制单相桥式SPWM逆变电路产生单极性SPWM波形图和双极性SPWM波形图并说明其调制原理

解：

首先画出逆变电路产生单极性SPWM波形图：

在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通