《華北電力大學版電力電子技術(shù)課后習題答案[1].doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《華北電力大學版電力電子技術(shù)課后習題答案[1].doc（39頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

電力電子技術(shù)答案 電力電子技術(shù)習題集 標 * 的習題是課本上沒有的，作為習題的擴展 習題一 * 試說明什么是電導調(diào)制效應及其作用。 答：當PN結(jié)通過正向大電流時，大量空穴被注入基區(qū)（通常是N型材料），基區(qū)的空穴濃度（少子）大幅度增加，這些載流子來不及和基區(qū)的電子中和就到達負極。為了維持基區(qū)半導體的電中性，基區(qū)的多子（電子）濃度也要相應大幅度增加。這就意味著，在大注入的條件下原始基片的電阻率實際上大大地下降了，也就是電導率大大增加了。這種現(xiàn)象被稱為基區(qū)的電導調(diào)制效應。 電導調(diào)制效應使半導體器件的通態(tài)壓降降低，通態(tài)損耗下降；但是會帶來反向恢復問題，使關(guān)斷時間延長，相應也增加了開關(guān)損耗。 1. 晶閘管正常導通的條件是什么，導通后流過的電流由什么決定？晶閘管由導通變?yōu)殛P(guān)斷的條件是什么，如何實現(xiàn)？ 答：使晶閘管導通的條件是：晶閘管承受正向陽極電壓（UAK>0），并在門極施加觸發(fā)電流（UGK>0）。 2. 有時晶閘管觸發(fā)導通后，觸發(fā)脈沖結(jié)束后它又關(guān)斷了，是何原因？ 答：這是由于晶閘管的陽極電流IA沒有達到晶閘管的擎住電流（IL）就去掉了觸發(fā)脈沖，這種情況下，晶閘管將自動返回阻斷狀態(tài)。在具體電路中，由于陽極電流上升到擎住電流需要一定的時間（主要由外電路結(jié)構(gòu)決定），所以門極觸發(fā)信號需要保證一定的寬度。 * 維持晶閘管導通的條件是什么？怎樣才能使晶閘管由導通變?yōu)殛P(guān)斷？ 答：維持晶閘管導通的條件是使其陽極電流IA大于能保持晶閘管導通的最小電流，即維持電流IH。 要使晶閘管由導通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，可利用外加反向電壓或由外電路作用使流過晶閘管的電流降到維持電流以下，便可使導通的晶閘管關(guān)斷。 3. 圖1-30中的陰影部分表示流過晶閘管的電流波形，其最大值均為Im，試計算各波形的電流平均值、有效值。如不考慮安全裕量，額定電流100A的晶閘管，流過上述電流波形時，允許流過的電流平均值Id各位多少？ 圖1-30 習題1-4附圖 解：（a） 額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則；平均值Ida為： （b） 額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則；平均值Idb為： （c） 額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則；平均值Idc為： （d） 額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則；平均值Idd為： （e） 額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則： 平均值Ide為： （f） 額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則： 平均值Ide為： * 在圖1-31所示電路中，若使用一次脈沖觸發(fā)，試問為保證晶閘管充分導通，觸發(fā)脈沖寬度至少要多寬？圖中，E=50V；L=0.5H；R=0.5?; IL=50mA（擎住電流）。 圖1-31習題1-5附圖 圖1-32習題1-9附圖 解：晶閘管可靠導通的條件是：必須保證當陽極電流上升到大于擎住電流之后才能撤掉觸發(fā)脈沖。當晶閘管導通時有下式成立： 解之得： 可靠導通條件為： 解得： 即 也即觸發(fā)脈沖寬度至少要500μs 4. 為什么晶閘管不能用門極負脈沖信號關(guān)斷陽極電流，而GTO卻可以？ 答：GTO和普通晶閘管同為PNPN結(jié)構(gòu)，由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益α1和α2，由普通晶閘管得分析可得，α1＋α2＝1是器件臨界導通的條件。α1＋α2>1兩個晶體管飽和導通；α1＋α2<1不能維持飽和導通而關(guān)斷。 GTO能關(guān)斷，而普通晶閘管不能是因為GTO在結(jié)構(gòu)和工藝上有以下幾點不同： A 多元集成結(jié)構(gòu)使每個GTO元的陰極面積很小，門極和陰極的距離縮短，從而使從門極抽出較大的電流成為可能。 B GTO導通時α1＋α2更接近1，晶閘管α1＋α2>1.15，而GTO則為α1＋α2≈1.05，飽和程度不深，在門極控制下易于退出飽和。 C GTO在設(shè)計時，α2較大，晶體管V2控制靈敏，而α1很小，這樣晶體管V1的集電極電流不大，易于從門極將電流抽出，從而使GTO關(guān)斷。 * GTO與GTR同為電流控制器件，前者的觸發(fā)信號與后者的驅(qū)動信號有哪些異同？ 答：二者都是電流型驅(qū)動型器件，其開通和關(guān)斷都要求有相應的觸發(fā)脈沖，要求其觸發(fā)電流脈沖的上升沿陡且實行強觸發(fā)。 GTR要求在導通期間一直提供門極觸發(fā)電流信號，而GTO當器件導通后可以去掉門極觸發(fā)電流信號；GTO的電流增益（尤其是關(guān)斷電流增益很?。┬∮贕TR，無論是開通還是關(guān)斷都要求觸發(fā)電流有足夠的幅值和陡度，其對觸發(fā)電流信號（尤其是關(guān)斷門極負脈沖電流信號）的要求比GTR高。 5. 試比較GTR、GTO、MOSFET、IGBT之間的差異和各自的優(yōu)缺點及主要應用領(lǐng)域。 答：見下表 器件 優(yōu)點 缺點 應用領(lǐng)域 GTR 耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，通流能力強，飽和壓降低 開關(guān)速度低，電流驅(qū)動型需要驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜，存在2次擊穿問題 UPS、空調(diào)等中小功率中頻場合 GTO 電壓、電流容量很大，適用于大功率場合，具有電導調(diào)制效應，其通流能力很強 電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時門極負脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動功率很大，驅(qū)動電路復雜，開關(guān)頻率低 高壓直流輸電、高壓靜止無功補償、高壓電機驅(qū)動、電力機車地鐵等高壓大功率場合。 MOSFET 開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小，工作頻率高，門極輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，需要的驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單，沒有2次擊穿問題 電流容量小，耐壓低，通態(tài)損耗較大，一般適合于高頻小功率場合 開關(guān)電源、日用電氣、民用軍用高頻電子產(chǎn)品 IGBT 開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，通態(tài)壓降低，電壓、電流容量較高。門極輸入阻抗高，驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單 開關(guān)速度不及電力MOSFET，電壓、電流容量不及GTO。 電機調(diào)速，逆變器、變頻器等中等功率、中等頻率的場合，已取代GTR。是目前應用最廣泛的電力電子器件。 * 請將VDMOS（或IGBT）管柵極電流波形畫于圖1-32中，并說明電流峰值和柵極電阻有何關(guān)系以及柵極電阻的作用。 答： VDMOSFET和IGBT都是電壓驅(qū)動型器件，由于存在門極電容，其門極電流的波形類似于通過門極電阻向門極電容的充電過程，其峰值電流為Ip＝UGE/RG。柵極電阻的大小對器件的靜態(tài)和動態(tài)開關(guān)特性有很大的影響：RG增加，則開通時間、關(guān)斷時間、開通損耗關(guān)斷損耗增加；和位移電流減??；觸發(fā)電路振蕩抑止能力強，反之則作用相反。因此在損耗容許的條件下，RG可選大些以保證器件的安全，具體選擇要根據(jù)實際電路選。典型的應用參數(shù)為：＋UGE＝15V，－UGE＝－(5~10)V，RG＝10～50歐 * 全控型器件的緩沖吸收電路的主要作用是什么？試分析RCD緩沖電路中各元件的作用。 答：緩沖電路的主要作用是抑止器件在開關(guān)過程中出現(xiàn)的過高的、和過電壓，減小器件的開關(guān)損耗保證器件工作在安全范圍之內(nèi)。 RCD緩沖電路中主要是為了防止器件關(guān)斷過程中的過電壓。器件關(guān)斷時，負載電流經(jīng)二極管D向吸收電容C充電，使器件兩端的電壓由0緩慢上升，減緩，一方面可以抑止過電壓，一方面可以減小關(guān)斷損耗；開通時，吸收電容的能量經(jīng)電阻R向器件放電，為下次關(guān)斷做好準備，電阻R的作用是限制放電電流的大小、抑止緩沖電路的振蕩。 * 限制功率MOSFET應用的主要原因是什么？實際使用時如何提高MOSFET的功率容量？ 答：限制功率MOSFET應用的主要原因是其電壓、電流容量難以做大。因為MOSFET是單極性器件，所以通態(tài)損耗較大，其通態(tài)電阻為。高壓大電流時，其通態(tài)電阻（對應損耗）達到令人難以接受的程度（目前的市場水平最大為1200V/36A）。 實際使用時由于MOSFET具有正的溫度系數(shù)，可以方便地采用多管串并聯(lián)的方法來提高其功率容量。 習題二 1*．具有續(xù)流二極管的單相半波可控整流電路，帶阻感性負載，電阻為5?，電感為0.2H，電源電壓的有效值為220V，直流平均電流為10A，試計算晶閘管和續(xù)流二極管的電流有效值，并指出晶閘管的電壓定額（考慮電壓2-3倍裕度）。 解：本題困難，可不作為習題要求。 電路上圖所示。設(shè)觸發(fā)角為α，則在α～π期間晶閘管導通，其直流輸出電壓Ud如圖（b）所示；在0～α和π～2π＋α期間，續(xù)流二極管導通，直流輸出電壓為0，則直流平均電壓為 帶入已知參數(shù)可得，即。 設(shè)晶閘管開始導通時的電流值為I0，晶閘管關(guān)斷、二極管開始導通時的電流值為I1，則在晶閘管導通期間的回路方程為： 由（1）可得方程的通解為 （4） 帶入式（2）的初值條件，解得 將上式帶入（4）并將已知參數(shù)帶入可得 將式（3）的條件帶入得 （5） 當二極管導通時，電流表達式為 在ωt=2π＋π/2處，i=I0，可得I1和I0之間的關(guān)系 （6） 由（5）、（6）可解得 則得電流的完全表達式如下 （7） 按照（7）用解析方法求解晶閘管和二極管的電流有效值非常復雜，為簡化計算，用I1和I0之間的直線段來代替實際的曲線方程（由于L較大，這種代替不會帶來很大誤差）。 則晶閘管和二極管的電流有效值分別為 從圖（g）可以看出，晶閘管承受的反壓為電源電壓峰值，即，考慮3倍安全余量可選耐壓1000V的晶閘管。 2．單相橋式全控整流電路接電阻性負載，要求輸出電壓在0～100V連續(xù)可調(diào)，輸出電壓平均值為30 V時，負載電流平均值達到20A。系統(tǒng)采用220V的交流電壓通過降壓變壓器供電，且晶閘管的最小控制角αmin＝30，（設(shè)降壓變壓器為理想變壓器）。試求： （1）變壓器二次側(cè)電流有效值I2； （2）考慮安全裕量，選擇晶閘管電壓、電流定額； （3）作出α＝60時，ud、id和變壓器二次側(cè)i2的波形。 解：由題意可知負載電阻歐， 單相全控整流的直流輸出電壓為 直流輸出最大為100V，且此時的最小控制角為αmin＝30，帶入上式可求得 （1） αmin＝30時， （2）晶閘管的電流有效值和承受電壓峰值分別為 考慮3倍余量，選器件耐壓為1683＝500V；電流為(55.3/1.57)3＝100A （3） 3．試作出圖2-7所示的單相橋式半控整流電路帶大電感負載，在α＝30時的ud、id、iVT1、iVD4的波形。并計算此時輸出電壓和電流的平均值。 解： 輸出電壓和電流的平均值分別為： 4．單相橋式全控整流電路，U2＝100V，負載中R＝2 ?，L值極大，反電動勢E＝60V，當α＝30時，試求： （1）作出ud、id和i2的波形； （2）求整流輸出電壓平均值Ud、電流Id，以及變壓器二次側(cè)電流有效值I2。 解：整流輸出電壓平均值Ud、電流Id，以及變壓器二次側(cè)電流有效值I2分別為： 5. 某一大電感負載采用單相半控橋式整流接有續(xù)流二極管的電路，負載電阻R=4Ω，電源電壓U2=220V，α=π/3，求： (1) 輸出直流平均電壓和輸出直流平均電流； (2) 流過晶閘管（整流二極管）的電流有效值； (3) 流過續(xù)流二極管的電流有效值。 解：（1）電路波形圖見第3題 （2） （3） 6． 三相半波可控整流電路的共陰極接法和共陽極接法，a、b兩相的自然換相點是同一點嗎？如果不是，它們在相位上差多少度？試作出共陽極接法的三相半波可控的整流電路在α＝30時的ud、iVT1、uVT1的波形。 解：a、b兩相的自然換相點不是同一點，它們在相位上差多少180度，見下圖。 共陽極接法的三相半波可控的整流電路在α＝30時的ud、iVT1、uVT1的波形如下圖 7. 三相半波可控整流電路帶大電感性負載，α＝π/3，R=2Ω，U2=220V，試計算負載電流Id，并按裕量系數(shù)2確定晶閘管的額定電流和電壓。 解： 按裕量系數(shù)2確定晶閘管的電流定額為：；電壓定額為： * 三相半波共陰極接法的整流電路中，如果c相的觸發(fā)脈沖消失，試繪出在電阻性負載和大電感性負載下整流的輸出電壓Ud（α＝300）。 解：電阻負載時波形如下圖： 大電感負載時的波形為： *** 三相橋式全控整流電路中，如果c相上橋臂晶閘管（第5號管）的觸發(fā)脈沖消失，試繪出在電阻性負載和大電感性負載下整流的輸出電壓Ud（α＝600）。 解：電阻負載時波形如下圖： 解釋：當3、4號晶閘管導通（直流輸出為Uba）完即將切換到4、5號晶閘管導通時，由于5號晶閘管觸發(fā)丟失，且由于是電阻負載，在本該4、5導通的區(qū)間內(nèi)由于Uba為負值，所以3號管被加反壓關(guān)斷，整流輸出為0。在隨后本該5、6管導通區(qū)間，由于5號管丟失脈沖，回路也沒法導通，輸出還是0。隨著6、1的再次導通，進入下一個循環(huán)。 電感負載時波形如下圖： 解釋：當3、4號晶閘管導通（直流輸出為Uba）完即將切換到4、5號晶閘管導通時，由于5號晶閘管觸發(fā)丟失，沒法給3號管提供反壓使之關(guān)斷，且由于是電感負載，所以3號管將會繼續(xù)導通。這時實際導通的管子還是3、4兩個晶閘管，即整流輸出仍為Uba。在隨后本該5、6管導通區(qū)間，4號管被導通的6號管關(guān)斷，直流電流通過3、6兩管形成的短路回路續(xù)流，直流輸出是0。隨著6、1的再次導通，進入下一個循環(huán)。 8．三相橋式全控整流電路，U2＝100V，帶阻感性負載，R＝5 ?，L值極大，當α＝60，試求： （1）作出ud、id和iVT1的波形； （2）計算整流輸出電壓平均值Ud、電流Id，以及流過晶閘管電流的平均值IdVT和有效值IVT； （3）求電源側(cè)的功率因數(shù)； （4）估算晶閘管的電壓電流定額。 解：（1） （2） （3）由功率因數(shù)的定義知： （4）按2倍余量估算，晶閘管的電壓定額為：； 晶閘管的電流定額為： 9．三相橋式不控整流電路帶阻感性負載，R＝5 ?，L＝∞，U2＝220V，XB=0.3 ?，求Ud、Id、IVD、I2和γ的值，并作出ud、iVD1和i2的波形。 解：三相橋式不控整流電路相當于三相橋式全控整流電路在觸發(fā)角為0時的情況，則 解上述2個方程可得： 二極管的電流平均值為： 變壓器二次側(cè)電流有效值為： 由 可得 ud、iVD1和i2的波形的波形如下： 10．請說明整流電路工作在有源逆變時所必須具備的條件。 答：(1) 外部條件——直流側(cè)應有能提供逆變能量的直流電動勢，極性與晶閘管導通方向一致，其值大于變流器直流側(cè)的平均電壓。 (2) 內(nèi)部條件——變流器直流側(cè)輸出直流平均電壓必須為負值，即α>π/2，Ud<0。 以上兩條件必須同時滿足，才能實現(xiàn)有源逆變。 11．什么是逆變失??？如何防止逆變失??？ 答：但當變流器工作于逆變工況時，一旦由于觸發(fā)脈沖丟失、突發(fā)電源缺相或斷相等原因造成換流失敗，將使輸出電壓Ud進入正半周，與EM順向連接，由于回路電阻很小，造成很大的短路電流，這種情況叫逆變失敗或逆變顛覆。 為了保證逆變電路的正常工作，必須1）選用可靠的觸發(fā)器，2）正確選擇晶閘管的參數(shù)，3）采取必要的措施，減小電路中du/dt和di/dt的影響，以免發(fā)生誤導通，4）保證交流電源的質(zhì)量，5）逆變角β的角度有一最小限制，留出充足的換向余量角。 12. 三相全控橋變流器，已知L足夠大、R=1.2Ω、U2=200V、EM= -300V，電動機負載處于發(fā)電制動狀態(tài)，制動過程中的負載電流66A，此變流器能否實現(xiàn)有源逆變？求此時的逆變角β。 解：電動機處于發(fā)電制動狀態(tài)可以提供逆變能量，滿足有源逆變的外部條件，可以實現(xiàn)有源逆變。 三相全控橋變流器處于有源逆變時有 （1） 而 ，即 解（1）式可得： 13．三相全控橋變流器，帶反電動勢阻感負載， R＝1 ?，L＝∞，U2＝220V，LB=1mH，當EM＝－400V，β＝60時求Ud、Id和γ的值，此時送回電網(wǎng)的有功功率是多少？ 解： 帶入已知參數(shù)解上2式，可得 ； 由換流重疊角公式可得： 即 送回電網(wǎng)的有功功率為： 14．三相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有哪些次數(shù)的諧波？其中最大的是哪一次？變壓器二次電流中含有哪些次數(shù)的諧波？其中主要的是哪幾次？對于m相全控整流電路呢？ 答：三相橋式全控整流電路，其整流輸出電壓中含有6k（k=1、2、3…）次的諧波，其中最大的是6次諧波。變壓器二次電流中含有6k1（k=1、2、3…）次的諧波，其中主要的是哪5、7次。 對于m相全控整流電路，其整流輸出電壓中含有2mk（k=1、2、3…）次的諧波，其中最大的是2m次諧波。變壓器二次電流中含有2mk1（k=1、2、3…）次的諧波，其中主要的是哪2mk1次。 15．試計算第4題中i2的3、5、7次諧波分量的有效值I23、I25、I27，并計算此時該電路的輸入功率因數(shù)。 解：由第4題的解答可知：Id＝9A，則 基波有效值 輸入功率因數(shù) 16．試計算第8題中的i2的5、7次諧波分量的有效值I25、I27。 解：由第8題的解答可知：Id＝23.4A，則 17. 三相晶閘管整流器接至10.5kV交流系統(tǒng)。已知10kV母線的短路容量為150MVA，整流器直流側(cè)電流Id＝400A，觸發(fā)延遲角α＝15，不計重疊角，試求： (1) 相移功率因數(shù)cosφ1、整流器的功率因數(shù)λ； (2) 整流測直流電壓Ud； (3) 有功功率、無功功率和交流側(cè)基波電流有效值； (4) 截止到23次的各諧波電流的大小、總諧波畸變率。 解：（1） （2） （3）基波電流有效值 總電流有效值 有功功率 無功功率 （4） 總諧波畸變率 18．晶閘管整流電路的功率因數(shù)是怎么定義的？它與那些因素有關(guān)？ 答：晶閘管整流電路的功率因數(shù)由畸變因子和位移因子構(gòu)成，表達式為 功率因數(shù)主要由整流觸發(fā)角和整流電路的電路結(jié)構(gòu)決定。 19. 綜述抑制相控整流電路網(wǎng)側(cè)電流諧波的措施。 答：抑制網(wǎng)側(cè)電流諧波的措施主要有： 1選擇合適的輸入電壓（可采用輸入變壓器），在滿足控制和調(diào)節(jié)范圍的情況下盡可能減小控制角α。 2網(wǎng)側(cè)設(shè)置補償電容器和有針對性的濾波器。 3增加整流相數(shù)，即采用多相整流器，可使網(wǎng)側(cè)電流更加接近正弦波。 4利用多重化技術(shù)進行波形疊加，以消除某些低次諧波。 5 利用有源濾波技術(shù)進行濾波。 20. 綜述改善相控整流電路網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的措施。 答：改善功率因數(shù)的途徑主要有： 1選擇合適的輸入電壓，在滿足控制和調(diào)節(jié)范圍的情況下盡可能減小控制角α。 2增加整流相數(shù)，改善交流電流的波形，減少諧波成分。 3設(shè)置補償電容器和有針對性的濾波器。 4對于直流電抗濾波的整流器，換相重疊角會使諧波電流減小，可適當增加變壓器的漏感。 5對于電容濾波的整流器，直流側(cè)加裝平波電感。 習題三 1. 一升壓換流器由理想元件構(gòu)成，輸入Ud在8~16V之間變化，通過調(diào)整占空比使輸出U0=24V固定不變，最大輸出功率為5W，開關(guān)頻率20kHz，輸出端電容足夠大，求使換流器工作在連續(xù)電流方式的最小電感。 解：由U0=24V固定不變，最大輸出功率為5W可知 當輸入Ud為8V間時 輸入Ud為16V時 則實際工作時的占空比范圍為： 由電流斷續(xù)條件公式可得 即 在范圍內(nèi)是單調(diào)下降的，在1/3處有最大值，所以 2. 一臺運行在20kHz開關(guān)頻率下的升降壓換流器由理想元件構(gòu)成，其中L=0.05mH，輸入電壓Ud=15V，輸出電壓U0=10V，可提供10W的輸出功率，并且輸出端電容足夠大，試求其占空比D。 解： 3．在圖3-1所示的降壓斬波電路中，已知E=100V，R=0.5Ω，L=1mH，采用脈寬調(diào)制控制方式，T=20μs，當ton＝5μs時，試求： （1）輸出電壓平均值UO、輸出電流的平均值IO； ＃（2）輸出電流的最大和最小瞬時值（由于課本上沒講，這一問是否可以取消？），判斷負載電流是否斷續(xù)； （3）當ton＝3μs時，重新進行上述計算。 解：（1） （2） ，所以電流連續(xù)。 （3）同（2） ，所以電流也是連續(xù)的。 4．在圖3-35所示降壓斬波電路中，已知E=600V，R=0.1Ω，L=∞，EM=350V，采用脈寬調(diào)制控制方式，T=1800μs，若輸出電流IO=100A， 試求： （1）輸出電壓平均值UO和所需的ton值； （2）作出、以及iG、iD的波形。 圖3-35 電流型降壓斬波電路 解：（1） （2）電路圖見圖3－35，各點波形見下圖 5．升壓斬波電路為什么能使輸出電壓高于電源電壓？ 答：這是由于升壓斬波器的電路結(jié)構(gòu)使電路中的電感具有電壓泵升作用。當高頻開關(guān)閉合時，輸入電源向電感儲存能量，當開關(guān)斷開時，電感的儲存能量向負載放電。開關(guān)的導通比D越大則電感儲能越多，輸出電壓越高，輸出電壓有如下關(guān)系：。 6．在圖3-4所示的升壓斬波電路中，已知E=50V，L值和C值極大，R=20Ω，采用脈寬調(diào)制控制方式，當T=40μs，ton＝25μs時，計算輸出電壓平均值UO和輸出電流的平均值IO。 解： 7．說明降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路的輸出電壓范圍。 答：降壓斬波電路的輸出電壓范圍：； 升壓斬波電路的輸出電壓范圍：； 升降壓斬波電路的輸出電壓范圍：。 8．在圖3-7所示升降壓斬波電路中，已知E=100V，R=0.5Ω，L和C極大，試求： （1）當占空比α＝0.2時的輸出電壓和輸出電流的平均值； （2）當占空比α＝0.6時的輸出電壓和輸出電流的平均值，并計算此時的輸入功率。 解：（1） （2） 9．試說明升降壓斬波電路（Boost－Cuck Chooper）和Cuk斬波電路的異同點。 答：兩個電路實現(xiàn)的功能是一致的，均可方便地實現(xiàn)升降壓斬波，Cuk斬波電路較為復雜，應用不是很廣泛。其和升降壓斬波電路相比有一個突出的優(yōu)點：其輸入電源電流和輸出負載電流都是連續(xù)的，輸出電壓紋波較小，便于濾波，在特定應用場合有應用。 10．在單相交流調(diào)壓器中，電源電壓U1=120V，電阻負載R=10Ω，觸發(fā)角α=900，試計算：負載電壓有效值UO、負載電流有效值IO、負載功率PO和輸入功率因數(shù)λ 。 解： 11．一電阻性負載加熱爐有單相交流調(diào)壓電路供電，如α＝00時位輸出功率最大值，試求功率為80％，50％時的觸發(fā)角α。 解： 即 即 12．一晶閘管單相交流調(diào)壓器帶阻感性負載，電源電壓為220V的交流電源，負載R=10Ω，L=1mH，試求： （1）觸發(fā)角α的移相范圍； （2）負載電流的最大有效值； （3）最大輸出功率及此時電源側(cè)的功率因數(shù)； （4）當α＝900時，晶閘管電流的有效值、晶閘管導通角和電源側(cè)功率因數(shù)； 解：（1）負載阻抗角為： 所以觸發(fā)角的移相范圍為： （2）當觸發(fā)角為時，輸出電壓最大，負載電流也達到最大，即 （3） （4）觸發(fā)角為α＝900時，先計算晶閘管的導通角 由式（3－36）得 解上式可得（也可查圖3－30得出估計值） （該值也可直接估計出，因為，所以負載可認為是純電阻負載，使計算簡化） 13．某單相反并聯(lián)調(diào)功電路，采用過零觸發(fā)。電源電壓U1=220V，電阻負載R=1Ω，控制的設(shè)定周期TC內(nèi)，使晶閘管導通0.3s，斷開0.2s，使計算送到電阻負載上的功率與假定晶閘管一直導通時所送出的功率。 解：假定晶閘管一直導通時，所送出的功率為： 晶閘管導通0.3s，斷開0.2s，送到電阻負載上的功率為： ** 畫出星型接線的三相交流調(diào)壓電路帶三相對稱的電阻負載，當觸發(fā)角α＝300時有中線和α＝300、α＝900沒有中線時的負載電阻上的電壓波形。 解：有中線時，星型接線的三相交流調(diào)壓電路，每一相和單相交流調(diào)壓電路是一樣的，負載電阻上的電壓波形如下圖所示： 沒中線時，星型接線的三相交流調(diào)壓電路和單相交流調(diào)壓電路是不一樣，每一相的通斷和其他兩相的狀態(tài)有關(guān)，當觸發(fā)角在00～600之間時，三只晶閘管導通和兩只晶閘管導通兩種狀態(tài)交替工作；當觸發(fā)角在600～900之間時，2只晶閘管導通和1只晶閘管導通兩種狀態(tài)交替工作。負載電阻上的電壓波形如下圖所示 14．交流調(diào)壓電路和交流調(diào)功電路有什么區(qū)別？二者各運用于什么樣的負載？為什么？ 答：交流調(diào)壓和交流調(diào)功電路的電路形式完全相同，二者的區(qū)別在于控制方式不同。 交流調(diào)壓是在交流電源的每個周期都對輸出電壓進行控制；而交流調(diào)功電路是在一定的周期內(nèi)接通幾個電源周期，再斷開幾個周期，通過改變接通和斷開的比來宏觀上調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。 交流調(diào)壓電路廣泛用于燈光控制以及異步電機的軟啟動，也可用于異步電機的小范圍調(diào)速，在一些簡單的場合可以取代變壓器來完成交流電壓的降壓變換。這樣的電路體積小成本低；交流調(diào)功電路常用于電爐等大時間常數(shù)的負載，由于負載的時間常數(shù)遠大于工頻周期，沒有必要對交流電源的每個周期都進行控制，這樣可以簡化控制。 15．用一對反并聯(lián)的晶閘管和使用一只雙向晶閘管進行交流調(diào)壓時，他們的主要差別是什么？ 答：二者主電路結(jié)構(gòu)形式和控制效果相同，差別主要是觸發(fā)脈沖不同。用一對反并聯(lián)的晶閘管時，必須對2個晶閘管采用分別觸發(fā)控制，2個晶閘管的觸發(fā)脈沖波形對稱、互差180度；而采用雙向晶閘管，控制脈沖只需一路，脈沖間隔也是180度。另外對于大功率場合由于雙向晶閘管的容量限制，普遍電路結(jié)構(gòu)都是采用一對反并聯(lián)晶閘管結(jié)構(gòu)。 16．反并聯(lián)的晶閘管和負載接成內(nèi)三角形的三相交流調(diào)壓電路，問該電路有何優(yōu)點？ 答：優(yōu)點有2：1）負載接成內(nèi)三角形的三相交流調(diào)壓電路，每一相都可以當作獨立的單相交流調(diào)壓電路進行控制，只是這時的每相負載的電壓為交流輸入的線電壓。三相負載的控制不像星型接法那樣互相影響，每相控制具有相對獨立性。2）各相負載電流中的3的倍數(shù)次諧波具有相同的相位，在負載3角形內(nèi)形成環(huán)流，所以輸入的線電流中不含有3的倍數(shù)次諧波，電源側(cè)輸入電流的諧波比星型接法的電路要小。 17．什么是TCR？什么是TSC？它們的基本原理是什么？各有何特點？ 答：TCR（Thyristor Controlled Reactor）是晶閘管控制電抗器的簡稱；TSC（Thyristor Switched Capacitor）是晶閘管投切電容器的簡稱。 二者的基本原理如下： TCR是利用電抗器來向電網(wǎng)中提供感性無功的裝置。通過對晶閘管的觸發(fā)控制角的控制，可以調(diào)節(jié)加到電抗器上的交流電壓，也即可以連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器的電流，從而能夠調(diào)節(jié)電抗器向電網(wǎng)發(fā)送的感性無功功率的大小。由于TCR只能向電網(wǎng)提供感性無功，所以在實際使用中往往需要配以固定電容器（FC），這樣就可以在容性到感性的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)裝置向系統(tǒng)提供的無功了。 TSC則是利用晶閘管來投入或切除連接到電網(wǎng)的電容器，這樣可以控制電容器向電網(wǎng)發(fā)送容性無功的大小，減小投切電容器時的沖擊電流，使電容器可以迅速頻繁投切。TSC符合大多數(shù)無功補償?shù)囊螅瞧溲a償是有級調(diào)節(jié)的，不能連續(xù)調(diào)節(jié)無功，但只要設(shè)計合理還是可以達到較理想的動態(tài)補償效果的。 *18．交交變頻電路的主要特點和不足之處是什么？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)4象限工作；低頻輸出時特性較好，輸出接近正弦。 主要不足是： 接線負載，需要器件多；受電網(wǎng)頻率和電路脈波數(shù)的限制，輸出頻率較低，只能低于輸入頻率運行；輸入功率因數(shù)低，諧波含量較大；頻譜構(gòu)成復雜，濾波器設(shè)計困難。 主要用途：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、磨球機等。 *19．三相交交變頻電路有哪兩種接線方式？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型連接方式。 兩種方式的主要區(qū)別是： 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，交流電動機的三個繞組必須拆開，共引出6個接線端。 而輸出星型連接方式中，因為電機的中性點不和變頻器相連，電動機只引出三根線即可，但其電源進線端必須隔離，因此三組單相交交變頻器要分別用三個變壓器來供電。 習題四 1. 無源逆變電路和有源逆變電路有什么區(qū)別？ 答：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)直接和負載相聯(lián)接。 2. 在逆變電路中器件的換流方式有哪些？各有什么特點？試舉例說明。 答：換流方式有4種： 1 器件換流：利用全控器件的自關(guān)斷能力進行換流。全控型器件都采用此種換流方式。 晶閘管半控器件不能采用器件換流，根據(jù)電路的不同可以采用下述3種換流方式。 2 電網(wǎng)換流：由電網(wǎng)的3相電壓提供換向電壓，只要將電網(wǎng)的負壓加在欲換流的器件兩端即可。 3 負載換流：由負載提供換流電壓，當負載為電容型負載，即負載電流超前于負載電壓時，可實現(xiàn)負載換流。 4 強迫換流：設(shè)置附加換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強迫施加反向電壓使之換流，稱為強迫換流。通常是利用附加換流晶閘管、換向電容、電感產(chǎn)生諧振來給欲關(guān)斷的主晶閘管施加關(guān)斷所需的反壓。 * 為什么負載換向逆變器的負載阻抗必須呈容性而由全控器件構(gòu)成的諧振式逆變器無此要求？ 答：阻抗呈容性時，負載電流超前于負載電壓，這樣才能利用負載的電壓給原先導通的晶閘管提供反向的關(guān)斷電壓以實現(xiàn)換流；而由全控器件構(gòu)成的諧振式逆變器采用的是器件換流，對阻抗的性質(zhì)沒有要求。 3. 什么是電壓型逆變電路和電流型逆變電路？二者各有什么特點？ 答：按照直流側(cè)電源的性質(zhì)分類，直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變器，直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。 電壓型逆變電路的主要特點是： 1 直流側(cè)接有大容量的電容，相當于電壓源。直流側(cè)電壓基本保持恒定，直流側(cè)相對于負載來說呈現(xiàn)低阻抗。 2 由于直流電壓源的嵌位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負載性質(zhì)無關(guān)，而交流側(cè)電流的相位和波形隨負載性質(zhì)的不同而變化。 3 當交流側(cè)為阻感負載時，逆變器需要提供無功功率，直流側(cè)電容可起到無功能量緩沖的作用。為了給交流側(cè)無功能量返回直流側(cè)提供通路，逆變器橋臂的開關(guān)器件需反并聯(lián)續(xù)流二極管。 電流型逆變電路的主要特點是： 1 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，直流回路對于負載來說呈現(xiàn)高阻抗。 2 電路中開關(guān)器件的作用僅僅是改變直流電流的流經(jīng)途徑，并不能改變電流的大小，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波，和負載阻抗無關(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。 3 當交流側(cè)為阻感負載時需提供無功功率，直流電感起緩沖無功能量的作用，因為反饋無功能量時電流并不反向，因此不必象電壓型逆變器那樣在器件兩端反并聯(lián)二極管。但是由于反饋無功能量時器件會承受反向電壓，對于由全控器件構(gòu)成的電流型逆變器，開關(guān)器件需要串聯(lián)二極管（全控器件承受反壓的能力很低）。對于晶閘管逆變器則不必串二極管。 4. 電壓型逆變電路中二極管的作用是什么？如果沒有將出現(xiàn)什么現(xiàn)象？為什么電流型逆變電路中沒有這樣的二極管？ 答：在電壓型逆變電路中，當交流側(cè)為感性或容性負載時，電源需要為負載提供無功功率，直流電容起緩沖無功的作用。為了給交流電流提供流會直流電容的通路，逆變器各橋臂都要反并聯(lián)反饋二極管。也即，當輸出交流電壓和電流同極性時，電流流經(jīng)逆變器的可控開關(guān)器件；而當輸出電壓和電路極性相反時，電流通路由反饋二極管提供。 5. 請說明整流電路、逆變電路、變流（變頻）電路三個概念的區(qū)別。 答：整流電路是將交流變換為直流，即將交流能量變換為直流能量，AC—DC。 逆變電路（有源和無源）都是將直流能量變換為交流能量，AC—AC。 變流（變頻）是將一種電壓和頻率的交流能量變換為另一種電壓和頻率的交流能量，一般為AC—DC—AC，或AC—AC。 6. 并聯(lián)諧振式逆變器利用負載電壓進行換相，為保證換相應滿足什么條件？ 答：并聯(lián)諧振逆變器的輸出電流為方波，負載上的電壓為接近正弦。只有負載呈現(xiàn)容性時才會在欲關(guān)斷的晶閘管上施加反壓將之關(guān)斷。提供反壓的時間必須大于晶閘管的關(guān)斷時間，也就是，對于負載而言，容性角必須滿足 。相關(guān)波形見下圖。 * 對于圖4-16所示電路，測得uDS波形如圖右邊，請分析波形出現(xiàn)電壓尖峰的原因，并說明消弱電壓尖峰的辦法。 圖4-16習題8 圖4-17習題9 答：產(chǎn)生電壓尖峰的原因是由于在關(guān)斷時，高的電流變化率在線路的雜散電感上會產(chǎn)生較高的感應電壓，這種電壓尖峰會威脅管子的工作安全，同時也會造成較大的關(guān)斷損耗。解決的方法是在開關(guān)管的兩端接阻容吸收電路，對于大功率的建議接RCD吸收電路，電路見下圖。 7. 三相橋式電壓型逆變電路，180導電方式，Ud=100V。試求輸出相電壓的基波幅值UUN1m和有效值UUN1，輸出線電壓的基波幅值UUV1m和有效值UUV1、輸出5次諧波的有效值UUV5。 解：輸出相電壓的瘠基波幅值為： 輸出相電壓的基波有效值： 輸出線電壓的基波幅值： 輸出線電壓的基波有效值： 輸出線電壓的5次諧波有效值： * 若電路及其輸出波形如題圖4-17所示，請畫出開關(guān)管上的電壓波形。 解：這種控制方式叫移相控制，通過控制1、2和2、3管觸發(fā)脈沖的相位可以控制逆變輸出的有效值。1～4號管壓降波形見下圖： 習題五 1. 試說明PWM控制的基本原理。 答：PWM（Pulse-Width Modulation）控制就是對觸發(fā)脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)。即對一系列脈沖的脈沖寬度進行控制來獲得所需要的輸出波形（包括形狀和幅值）。 在采樣控制理論種有一條重要的結(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。效果相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。上述原理稱為面積等效原理。 以正弦PWM（SPWM）為例。把正弦半波平分為N等份，就可以把它看成N個彼此獨立的脈沖列所組成的波形。這些脈沖寬度相同（都是π/N）但幅值不同且頂部是曲線。如果將上述脈沖用數(shù)量相同、幅值相等的不等寬的矩形脈沖代替，使每個小矩形的面積和對應的正弦波面積相等（即沖量相等），就得到了PWM波形。各個脈沖的幅值相等而寬度按照正弦規(guī)律變化，根據(jù)面積等效原理，這種PWM波形和原正弦波形是等效的。 2. PWM逆變器有哪些優(yōu)點？其開關(guān)頻率的高低有什么利弊？ 答：優(yōu)點： 1 PWM調(diào)制可以極大地消弱逆變器的輸出諧波，使逆變器輸出用戶需要的波形（形狀和幅值），而消弱用戶不需要的諧波。 2 PWM逆變器具有非常好的動態(tài)響應速度。普通逆變器的控制速度是周波控制級，而PWM是載波控制級，所以目前幾乎所有的逆變器都是采用PWM控制策略。 3 PWM控制使逆變器的控制策略更加靈活多樣，使逆變器的性能得到很大的提升。 4 PWM逆變器的整流電路可以采用二極管，使電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)得到提高。 5 只用一級可控的功率環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)較簡單。 開關(guān)頻率高則輸出諧波更小、響應速度更快，但是電力電子器件的開關(guān)損耗增加、整機效率下降，帶來較強的高頻電磁干擾；開關(guān)頻率低則正好相反。一般對于中小容量的逆變器開關(guān)頻率可適當取高些，大功率逆變器由于高壓大功率開關(guān)器件的限制，開關(guān)頻率則相對較低。 3. 單極性和雙極性PWM控制有什么區(qū)別？在三相橋式PWM逆變電路中，輸出相電壓（輸出端相對于中性點的電壓）和線電壓SPWM波形各有幾種電平？ 答：三角載波在調(diào)制信號的正半波或負半波周期里只有單一的極性，所得的PWM波形在半個周期內(nèi)也只在單極性范圍內(nèi)變化，稱為單極性PWM控制方式。 三角載波始終是有正有負為雙極性的，所得的PWM波形在半個調(diào)制波周期內(nèi)有正有負。則稱之為雙極性PWM控制方式。 三相橋式PWM逆變電路中，輸出相電壓有兩種電平：和。線電壓SPWM波形有三種電平：，0，。 4. 脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)的制約條件主要表現(xiàn)在哪些方面？ 答：對于PWM控制來說，高的開關(guān)頻率可以使性能更好，但是， 1 高開關(guān)頻率的PWM控制要求電力電子器件有高的開關(guān)能力，目前大功率器件的容許開關(guān)頻率普遍偏低。 2 高開關(guān)頻率的PWM控制帶來器件高的開關(guān)損耗。 3 最小脈沖寬度的限制（死區(qū)） 4高開關(guān)頻率的PWM控制會給器件帶來高的電壓、電流應力。 5 電磁干擾問題也是制約PWM技術(shù)的一個因素。 5. 在SPWM調(diào)制中，何謂同步調(diào)制？何謂異步調(diào)制？為什么常采用分段同步調(diào)制的方法？ 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)制方式種，通常保持載波頻率fc固定不變，因此當調(diào)制波頻率fr變化時，載波比N是變化的。 載波比N等于常數(shù)，并在變頻時使載波和調(diào)制信號保持同步的方式稱為同步調(diào)制。 異步調(diào)制當調(diào)制信號頻率較低時，一周期內(nèi)的脈沖個數(shù)較多。而當調(diào)制信號頻率增高時，一周的脈沖個數(shù)減小，PWM波形不對稱嚴重，輸出波形質(zhì)量較差。 同步調(diào)制當調(diào)制信號頻率較低時，一周期內(nèi)的脈沖個數(shù)現(xiàn)對較少，輸出的低次諧波分量較多。而當調(diào)制信號頻率增高時，如一周內(nèi)的脈沖個數(shù)不變，又會使逆變器的開關(guān)頻率過高，使器件難以承受。 為此可以采用分段同步調(diào)制的方法來協(xié)調(diào)上述2種調(diào)制方式，達到取長補短的功效。分段同步調(diào)制是把逆變器的輸出頻率劃分為若干頻率段，在每個頻段里載波比一定，不同頻段采用不同的載波比。其主要優(yōu)點是：在高頻段采用較低的載波比，使器件的開關(guān)頻率不至于過高；而在低頻段采用較高的載波比，在器件容許的范圍內(nèi)提高逆變器的輸出波形質(zhì)量。 6. 脈寬調(diào)制逆變器的基本控制方法有哪些？ 答：1 正弦脈寬調(diào)制SPWM。 2 空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM 3 PWM跟蹤控制（滯環(huán)控制） 4 恒頻滯環(huán)控制 * 什么是SPWM波形的規(guī)則采樣法？和自然采樣法相比，規(guī)則采樣法有和優(yōu)缺點？ 答：規(guī)則采樣法是一種為利用微處理器實時實現(xiàn)PWM波形而生成的一種算法。規(guī)則采樣法是在自然采樣法的基礎(chǔ)上得出的。其基本思想是：取三角載波兩個正峰值之間為一個采樣周期。使每個PWM脈沖的中點和三角波一周期的中點（負峰點）重合，在三角波的負峰時刻對正弦信號波采樣而得到正弦波的值，用幅值和該正弦波值相等的一條水平直線近似代替正弦波信號，用該直線與三角波的交點代替正弦波與載波的交點，即可得出控制器件通斷的時刻。 比起自然采樣法，規(guī)則采樣法的計算比較簡單，使微處理器的計算量大大減少，而其生成波形的效果接近自然采樣法，得到的SPWM波形仍然很接近正弦波。這種算法使實時計算PWM觸發(fā)在微處理器上實現(xiàn)成為可能，應用非常廣泛。 * 單相和三相SPWM波形中，所含主要諧波的頻率是多少？ 答：單相SPWM波形中，主要含的諧波頻率為：，其中 上述諧波中，幅值最大的是角頻率為的諧波分量。 三相SPWM波形中，所含主要諧波的頻率是：，其中 在上述諧波中，幅值最大的是角頻率為和的諧波分量。 7. 簡要說明空間矢量PWM控制的基本原理及特點。 答：空間矢量是按照電壓所加繞組的空間位置來定義的。靜止不動的電機定子三相繞組的軸線在空間互差120，三相互差120電角度的定子相電壓UAO、UBO、UCO分別加在三相繞組上將會產(chǎn)生一個合成空間矢量uS，該空間矢量是一個幅值不變的、以角頻率ω1旋轉(zhuǎn)的空間矢量。 三相PWM逆變器的三相輸出電壓和三相平衡正弦電壓有所不同，它的6個功率開關(guān)器件只能產(chǎn)生有限的、離散的空間電壓合成矢量。對于正常工作的三相電壓型逆變器，在任意時刻一定有處于不同橋臂的三個器件同時導通，而相應橋臂的另3個功率器件則處于關(guān)斷狀態(tài)。整個三相逆變器有8種開關(guān)狀態(tài)，其中六個工作狀態(tài)有輸出電壓，二個工作狀態(tài)輸出為0。六個工作狀態(tài)對應的輸出電壓空間矢量在空間形成一個正六邊形，二個0矢量形成六邊形的中心點，如果把逆變器的一個工作周期用6個電壓空間矢量分成6個扇區(qū)，則每個扇區(qū)對應的時間各為π/3。隨著逆變器工作狀態(tài)的不斷切換，逆變器的輸出電壓矢量將在6個空間矢量之間來回切換。在六拍逆變器中，一個扇區(qū)內(nèi)僅由一個開關(guān)工作狀態(tài)構(gòu)成，逆變器輸出的空間矢量為6脈動。實現(xiàn)PWM控制的做法就是把每一個扇區(qū)再分成若干個對應于開關(guān)周期時間Ts的小區(qū)間，在每個小區(qū)間內(nèi)，可以用構(gòu)成該扇區(qū)的2個空間矢量按照矢量合成方法來合成需要的空間矢量，以獲得優(yōu)于正六邊形的多邊形旋轉(zhuǎn)磁場。 總結(jié)起來，電壓空間矢量控制的PWM模式有以下特點： （1）每個小區(qū)間均以零電壓矢量開始和結(jié)束； （2）在每個小區(qū)間內(nèi)雖然有多次開關(guān)狀態(tài)的切換，但每次切換都只牽涉到一個功率開關(guān)器件，因而開關(guān)損耗?。? （3）利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計算方便； （4）電機旋轉(zhuǎn)磁場逼近圓形的程度決定于小區(qū)間TZ時間的長短，TZ越小，越逼近圓形，但TZ的減小受到所有功率器件允許開關(guān)頻率的制約；在相同開關(guān)頻率的條件下，空間矢量PWM要比SPWM的輸出諧波小。 （5）采用電壓空間矢量控制時，逆變器輸出線電壓基波最大幅值為直流側(cè)電壓，這比一般的SPWM逆變器輸出電壓高15%。 8. 多電平逆變器的優(yōu)缺點有哪些？ 答：優(yōu)點： 1 多電平逆變器的電壓輸出電平數(shù)多，輸出波形諧波含量小。 2 可以利用目前的低壓器件完成高壓逆變，降低對電力電子元件的耐壓要求。 3 可以實現(xiàn)電力電子裝置的高壓、大功率化。 缺點： 1 結(jié)構(gòu)復雜，需用電力電子器件多。 2 控制電路復雜。 * 目前多電平逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)主要有哪幾種？各有什么優(yōu)缺點？ 答：目前主要有1 ）二極管嵌位式。電路結(jié)構(gòu)復雜，需用大量嵌位二極管，控制復雜，電路安全可靠性低；2 ）飛跨電容式。電路結(jié)構(gòu)復雜，但是需用大量高壓嵌位電容，裝置體積較大，電路安全可靠性低；3）級聯(lián)式。電路結(jié)構(gòu)模塊化，裝置的擴展容易、控制簡潔，但是需用大量獨立直流電源，使用器件很多，成本高，電路安全可靠性比前兩種高。 習題六 1. 什么是高壓直流輸電？和交流輸電系統(tǒng)相比有何優(yōu)缺點？ 答：高壓直流輸電是指將發(fā)電廠發(fā)出的交流電通過換流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡凑鳎?，然后通過輸電線路把直流電輸送到受電端，再把直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姽┯脩羰褂茫茨孀儯┑妮旊娂夹g(shù)。 優(yōu)點：（1）直流輸電架空線路的造價低、損耗小。（2）高壓直流輸電不存在交流輸電的穩(wěn)定性問題，直流電纜不存在電容電流，因此有利于遠距離大容量送電。（3）高壓直流輸電可以實現(xiàn)額定頻率不同的電網(wǎng)互聯(lián)，用直流輸電聯(lián)網(wǎng)，便于分區(qū)調(diào)度管理，有利于故障時交流系統(tǒng)間的快速緊急支援和限制事故擴大，系統(tǒng)地短路電流水平也不會由于系統(tǒng)互聯(lián)而明顯升高。（4）采用高壓直流輸電易于實現(xiàn)地下或海底電纜輸電。（5）高壓直流輸電容易進行潮流控制，并且響應速度快、調(diào)節(jié)精確、操作方便。（6）高壓直流輸電工程便于分級分期建設(shè)和增容擴建，有利于及早發(fā)揮投資效益。 缺點：（1）直流輸電的換流站比交流變電站設(shè)備多，造價高、結(jié)構(gòu)復雜、運行費用高。（2）換流器工作時需要消耗較多的無功，需要進行無功補償。（3）換流器工作時，在直流側(cè)和交流側(cè)均產(chǎn)生諧波，必須安裝濾波設(shè)備，使換流站的造價、占地面積和運行費用大幅度提高。（4）直流電流沒有電流的過零點，滅弧較難。直流輸電利用大地或海水為回路會產(chǎn)生一系列技術(shù)性問題。 2. 直流輸電工程按照直流聯(lián)絡線可分為幾類？各有什么優(yōu)缺點？ 答：按照直流聯(lián)絡線可分為四類： （1） 單級聯(lián)絡線。在單級系統(tǒng)中一般采用負級運行方式，這樣的優(yōu)點是：直流架空線路受累計的概率以及電暈引起的無線電干擾都比正級運行時少。缺點是如果線路發(fā)生故障，則整個輸電系統(tǒng)無法運行。 （2） 雙級聯(lián)絡線。優(yōu)點是：若一條線路故障而導致一級隔離，另一級可通過大地運行，承擔一半的額定負荷，或利用換流器及線路的過載能力，承擔更多的負荷。缺點是設(shè)備增加，從而產(chǎn)生造價高、結(jié)構(gòu)復雜等問題。 （3） 同級聯(lián)絡線。優(yōu)點是導線通常為負極性，因此由電暈引起的無線電干擾較小。系統(tǒng)采用大地所謂回路，當一條線路發(fā)生故障時，換流器可為余下的線路供電。折線導線有一定的過載能力，能承受比正產(chǎn)情況更大的功率。在考慮連續(xù)的接地電流是可接受的情況下，同級聯(lián)絡線具有突出的優(yōu)點。缺點是設(shè)備增加，從而產(chǎn)生造價高、結(jié)構(gòu)復雜等問題。同時因為采用大地作為回路，還會引起一系列技術(shù)問題。 （4） 背靠背直流輸電系統(tǒng)。主要用于兩個非同步運行的交流系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)。優(yōu)點是因其無直流輸電線路，直流損耗較小，所以直流側(cè)電壓等級不必很高。直流側(cè)可選用低電壓大電流的晶閘管，充分利用其通流能力，同時換流變壓器、平波電抗器等也因直流電壓降低而造價降低。 3. 簡單介紹一下直流輸電系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，各個元件都有什么功能。 答：（1）換流器。換流器由閥橋和帶載抽頭切換其的整流變壓器構(gòu)成。閥橋為高壓閥構(gòu)成的6脈波或12脈波的整流器或逆變器。換流器的任務是完成交—直—交轉(zhuǎn)換。 （2）濾波器。換流器在交流和直流兩側(cè)均產(chǎn)生諧波，會導致電容器和附近的電機過熱，并且會干擾通信系統(tǒng)。因此，在交流側(cè)和直流側(cè)都裝有濾波裝置。 （3）平波電抗器。平波電抗器電感值很大，在直流輸電中有著非常重要的作用： 1）降低直流線路中的諧波電壓和電流。 2）限制直流線路短路期間的峰值電流。 3）防止逆變器換相失敗。 4）防止負荷電流不連續(xù)。 （4）無功功率源。穩(wěn)態(tài)條件下，換流器所消耗的無功功率是傳輸功率的50%左右，在在臺情況下，無功功率的消耗更大。因此，必須在換流器附近提供無功電源。 （5）直流輸電線。直流輸電線即可以是架空線，也可以是電纜。 （6）電極。大多數(shù)的直流聯(lián)絡線設(shè)計采用大地作為中性導線，與大地相連接的導體（即電極）需要有較大的表面積，以便使電流密度和表面電壓梯度較小。 （7）交流斷路器。為了排除變壓器故障和使直流聯(lián)絡線停運，在交流側(cè)裝有斷路器。 4. 為什么目前在絕大多數(shù)直流輸電工程普遍采用晶閘管閥？ 答：由于汞弧閥的逆弧、復雜的溫度控制、啟動需時長等缺點和晶閘管電流額定值已能滿足工程要求的原因，所以現(xiàn)代高壓直流輸電換流閥主要由晶閘管元件串聯(lián)組成即晶閘管閥。 5. 對于目前廣泛使用的12脈波換流橋，其交流側(cè)電流和直流母線主要有那些次數(shù)的諧波？如果是采用18脈波換流橋呢？ 答：12脈換流橋交流側(cè)的主要有12k加減1次諧波（k為自然數(shù)），如11、13、23。。。直流側(cè)母線主要有12k次諧波（k為自然數(shù)），如12、24、36。。。如果是采用18脈換流橋，則交流側(cè)主要有18k加減1次諧波（k為自然數(shù)），直流側(cè)母線主要有18k次諧波（k為自然數(shù)）。 6. 高壓直流輸電的交流濾波器主要有哪幾種？各有什么優(yōu)缺點？ 答：有調(diào)諧濾波器和阻尼濾波器。調(diào)諧濾波器分為單