电力电子技术考题范围及答案2012

1、现代电力电子技术课程习题1、简答题1）单相半波可控整流电路的负载为感性负载：L=20mH，R=10，电源电压为100V，频率为50Hz，求负载电流平均值，并画出输出电压和电流的波形。2）请说明单相半波可控整流电路（负载为感性负载）时，触发角同阻抗角的关系。3)说明单相全桥整流电路和带中心抽头的双半波（全波）整流电路的差异及适用条件。4）为什么相控整流电路的输入电流的基波分量滞后与输入电压？5）以三相半波全控整流电路（阻性负载）为例，画出考虑变压器漏感时整流电路输出电压，并分析原因。2、计算如图所示波形的三次、五次、七次谐波的有效值。3、填空1）选用晶闸管的额定电压值应比实际工作时的最大电压大倍

2、，使其有一定的电压裕量。2）选用晶闸管的额定电流时，根据实际最大电流计算后至少还要乘以。3）单相半波可控整流电路，当电感性负载接续流二极管时，控制角的移相范围为。4）在反电动势负载时，只有的瞬时值大于负载的反电动势，整流桥路中的晶闸管才能随受正压而触发导通。5）把晶闸管承受正压起到触发导通之间的电角度称为。6）触发脉冲可采取宽脉冲触发与双窄脉冲冲触发两种方法，目前较多是触发方法。7）由于电路中共阴极与共阳极组换流点相隔60o，所以每隔60o有一次。8）在三相半波可控整流电路中，电阻性负载，当控制角时，电流连续。9）三相桥式全控整流电路，电阻性负载，当控制角时，电流连续。10）三相桥式可控整流电

3、路适宜在电压而电流不太大的场合使用。4、为什么可控整流电路的输出端不能直接并接滤波电容？那么合理的滤波形式应该是什么样子？答：整流电路直接并接电容经滤波后再输出，晶闸管刚一触发导通就有很大的电容充电电流流过晶闸管，电流的大小由电源电压与电容电压之差及电源回路的阻抗大小决定。当电源阻抗较小时，冲击电流很大，可能超过晶闸管开通时允许的电流上升率，所以可控整流电路不应在直流侧直接接大电容滤波。合理的形式：在输出端并接滤波电容并同时必须并接负载。5、为什么相控整流电路中（0），网侧电流的基波分量是滞后于网侧电压的？答：一般电路负载均呈感性。在相控整流电路中，当开关在某一时刻（0）导通时，电源电压（此时

4、u0）立刻被加到感性负载上，由于电感的存在，负载电流不能突然上升，而是从零开始上升。因此电流相位滞后电压相位。6、如图题3所示，当晶闸管未导通时，两只晶闸管按什么原则分配电压？在开通过程又是按什么原则分配电压？图 题3答：未导通时，电路流过的电流几乎为零，与T1、T2的断态阻值相比，R的阻值忽略，T1、T2上的管压降均为E/2。导通时，T1、T2上的管压降为其本身的通态压降。7、在高频低压大电流整流电路（图题2.11）中，选择下面哪一种电路好？为什么？ （a） （b）图 题4答：图（b）好。原因：（1）所用的开关器件少，总的开关损耗小。8、我们所谈论的“电力公害”是指什么?并简述改善的措施。答

5、：电力公害：指基于传统相控整流技术的电力电子装置存在网侧功率因数低以及投网运行时向电网注入谐波电流两大问题。其中，网侧功率因数低将给电网带来如下坏处：（1）增加了电网的无功损耗与线路压降，严重时将造成局部网络电压波动；（2）引起电网的谐波损耗；（3）谐波电流在传输线上流动将引起传导和射频干扰，造成对他敏感的电子仪器和设备、继电器以及通信线路等的谐波干扰危害。改善措施：传统的抑制网侧谐波电流的办法如下：（1）在整流装置的输入侧附设有针对性的滤波器；（2）在网侧投入无功补偿装置；（3）增加整流相数；（4）尽量设法让整流装置工作在比较小的状况下；（5）利用多重化技术进行波形叠加，以消除某些低次谐波；

6、（6）利用有源滤波技术。新一代整流电路采用场控高频自关断器件，放弃传统的相控整流方案，代之以高频调制原理，通过适当的控制策略，使网侧电流遵循正弦波变化规律，具体如下：（1）对于不可控整流电路，可在它的输出端加上一个升压斩波电路同时配以适当的控制；（2）对于三相可控整流电路，可采用自关断器件，如IGBT作为开关，并使调制频率提高到1020KHz,并配以适当控制；改善相控整流电路网侧功率因数的措施：（1）控制熄灭角（2）控制对称角（3）采用脉宽调制技术9、综述抑制相控整流电路网侧电流谐波的措施。答：传统的抑制网侧谐波电流的办法如下：（1）在整流装置的输入侧附设有针对性的滤波器；（2）在网侧投入无功

7、补偿装置；（3）增加整流相数；（4）尽量设法让整流装置工作在比较小的状况下；（5）利用多重化技术进行波形叠加，以消除某些低次谐波；（6）利用有源滤波技术。新一代整流电路采用场控高频自关断器件，放弃传统的相控整流方案，代之以高频调制原理，通过适当的控制策略，使网侧电流遵循正弦波变化规律，具体如下：（1）对于不可控整流电路，可在它的输出端加上一个升压斩波电路同时配以适当的控制；（2）对于三相可控整流电路，可采用自关断器件，如IGBT作为开关，并使调制频率提高到1020KHz,并配以适当控制。10、综述改善相控整流电路网侧功率因数的措施。答：（1）控制熄灭角。方法：保证开关器件在电源电压过零时被激励

8、，通过控制熄灭角改变整流输出电压，原理：补偿电网中的滞后无功。（2）控制对称角。使网侧电流的基波分量总是与电源电压同相。（3）采用脉宽调制技术：既可以提高网侧功率因数，又可以降低或者消除网侧电流中的低次谐波。11、AC/AC变换器中的晶闸管的关断条件同整流电路的一样吗？答：相控整流电路（强迫环流方式的除外）属自然关断方式，采用电网换流方式。采用逆阻型晶闸管作为电路的开关元件时，大多数的AC/AC变换均采用电网换流方式。自然关断方式，即：电路在工作过程中，晶闸管中的电流总会出现自然过零，尔后，器件又自动加上反向电压而关断。晶闸管关断条件：通过晶闸管的电流下降到维持电流以下，在管子的两端加以反压并

9、保持所需的关断时间。12、为什么AC/AC变换器主要应用于低于同步转速1/3以下的变频调速系统？答：电网换流的AC/AC变换器的输出上限频率不高于电源频率的1/3-1/2，因为过高的输出频率将带来谐波增加的坏处。而转速 n=60f/p,正比于输出频率，由于频率的限制而使AC/AC变换器主要应用于低于同步转速1/3以下的变频调速系统。13、简述如何减小AC/AC变换器输出侧的谐波。答：AC-AC变换器电路输出电压的谐波频谱是非常复杂的，它既和电网频率fi以及变流电路的脉波数有关，也和输出频率f0有关；另外，采用无环流控制方式时，由于电流方向改变时死区的影响，将使输出电压中增加五次、七次谐波。针对

10、上述几个影响因素，制定减小AC-AC变换器输出侧谐波的方案，提高电网频率fi、变流电路脉波数，以及降低输出频率f0均可减小AC-AC变换器输出电压的谐波。14、AC/AC变换器中，能否使用自关断器件？并请举例说明。答：可以。AC/AC变换器实际上是由正组（P）双半波变流器和负组（N）双半波变流器反并联组成的。高频工作方式：在一个电源电压半周内，两组变压器要轮流工作多次，此时可用自关断器件代替晶闸管，可实现高频工作方式，而且要求先封锁已导通的变流器，然后才能使另一组变流器投入工作。15、请说明电路中晶闸管的关断过程。图12-1换流过程分析：电容器所充电压的规律： 对于共阳极晶闸管，它与导通晶闸管

11、相连一端极性为正，另一端为负，不与导通晶闸管相连的电容器电压为零。等效换流电容概念： 分析从VT1向VT3换流时，图12-2中的C13就是图12-1中的C3与C5串联后再与C1并联的等效电容。-+UVW+-UVWa)+-UVWb)-+UVWc)d)VT1VT2VT3VD1VD2VD3C1313IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdiViViU=Id-iV图12-2uC13下降到零之前，VT1承受反压，反压时间大于tq就能保证关断。分析从VT1向VT3换流的过程:假设换流前VT1和VT2通，C

12、13电压UC0左正右负。如图12-2a。 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12-2b。+-UVW+-UVWVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13IdVT1VT2VT3VD1VD2VD3C13Id图12-3t2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

13、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。16、在图题13所示电路情况下，若T管过零后，D管中流过理想的正弦半波电流（），试问在D管支路中存在L和不存在L时，给予T管的反压 各为多少？图题13答：当D管支路中不存在L时，10；当D管支路中存在L时，L的存在缓解了电流的变化率，使得给予T管的反压时间变长，即T管的反压时间10。17、试分析所示电路的工作原理（电路的谐振频率高于逆变频率），并画出和的波形。答：由图题14可知，当开关管T导通时，电流流经开关管，此时=0，=图 题1418、若电路及其输出波形如题图4.1

14、1所示，请画出开关管上的电压波形。答：经过分析可知当为零时，T4管上的电压均为，当R上的电压为时， =0， E；当R上的电压为-时，=E，=0，具体的波形图如下图所示。19、试问由自关断器件组成的电压型三相桥式逆变器能否改成导电类型？为什么？ 图 题16答：可以。因为只要合理的控制逆变器的触发时序，使得所得的输出相电压满足三相电即可，当为导电类型时，因开关器件的导通顺序是：1，2，32，3，43，4，54，5，66，1，2，且每个开关器件的激励信号彼此相差，故由电路图a可知，在每个内，都有2个开关管导通，分别为6，11，22，33，44，55，6，此时具体的波形图如下图b所示：由图可知当电压型

15、三相桥式逆变器为导电类型时，也可以得到基拨分量相差的三相交流电。图a 电压型三相桥式逆变器电路图图b 三相桥式逆变器控制图及电压波形图20、如下图所示，当电感L中的电流为iL时，接通开关管Q，那么Q管在开通瞬间流过的电流是否就是iL？为什么？答：Q管在开通瞬间流过的电流不等于iL。根据KCL定律，iL=iD+iQ(iD为二极管D上流过电流，iQ为Q管上流过电流)。开通瞬间，考虑到L、C均足够大，就是在Q管开通瞬间iL可以认为保持不变，二极管由于承受电容C上电压到达关断还有个过程，就是说二极管中还有电流流过,此电流逐渐减小，从而iQ逐渐增大。所以Q管在开通瞬间流过的电流不等于iL。21、试以Bu

16、ck电路为例，推导电容器C上的脉动电压uC公式（写出推导过程）。答：Buck电路图如下： 模式1 模式2工作模式1：（0tt1=kT）t=0时刻，Q管被激励导通，D管中电流迅速地转换到Q管。这时，电感上的电压为：，假定这期间U0不变，电感电流按直线规律从I1上升到I2，有： 或 工作模式2：（t1tT）在t=t1时刻，Q管关断，Q管中电流I迅速地转换到D中。这时，假定在这期间的电感中电流iL按直线规律从I2下降到I1，有： ， 或 ，其中为电感的峰-峰脉动电流。考虑到式（2）和式（4），有： 将，代入上式得： ，假定Buck电路为无损的，则有： 即 ，又开关周期T可表示为： ，由式（8）可得的

17、表达式为： 或又因 ，假定负载电流i0的脉动很小而可忽略，则 。因为电容电流一周期的平均值为零，那么在 时间内，电容充电或放电的电荷量为： 因此，电容上电压峰-峰脉动值为：将式（9）或（10）代入式（12）得电容器C上的脉动电压： 或 22、试以Boost电路为例推导电容器C上的脉动电压uC公式（写出推导过程）。答: Boost电路如下：工作模式1：（0tt1=kT）在t=0时刻，Q导通，电感中的电流按直线规律上升，则有： 或 工作模式2：（t1tT）在t=t1时刻，Q管断开。假定在这期间的电感电流仍按直线规律从I2降到I1，则有： 或 考虑到式（1）和（3），有： 将，代入上式，则求得：假定

18、Boost电路是无损的，有： 即 开关周期T可表为：由式（8）亦可得出的表达式： 或 若忽略负载电流脉动，那么在0，t1期间，电容上泄放的电荷量，反映了电容峰-峰电压脉动量，即可得的表达式：，或 23、试以Buck-Boost电路为例，推导电容器C上的脉动电压uC公式（写出推导过程）。答：Buck-Boost电路如下：工作模式1：(0tt1=kT)在t=0时刻，Q管导通,D管反偏置关断，输入电流I通过电感L，并在这个期间按直线规律从I1上升到I2，则有： 或 工作模式2：（t1tT）在t=t1时刻，关断Q管，电感中的电流通过负载和电容C流动，负载电压极性与输入的相反。认为在这个期间，电感电流仍

19、按直线规律从I2降I1到，则有： 或 考虑到式（1）和（3），电感的峰-峰脉动电流为： 将，代入上式，则输出电压平均值为：假定Buck-Boost电路为无损的，则有： 即 因此开关周期T可表为：从式（7）亦可求得的表达式： 或若忽略负载电流的脉动，那么在0，t1期间，电容上泄放的电荷量，反映了电容峰-峰电压脉动量，即可得的表达式：，由式（5）求得，并代入上式得： 或 24、以CuK电路为例，推导电容器C1，C2上的脉动电压UC1和UC2表达形式。答：Cuk Converter对Cuk电路：(1)工作模式1在时刻，管导通，电感中的电流线性增长(从到)，即有： （1） 或 （2）这期间，电容上电压

20、使管反偏置，而通过负载和电感传输能量，负载获得反极性电压。管和二极管同步工作，管导通，管截止；管截止，管导通。(2)工作模式2()在时刻，管关断，导通，电容被充电，电感的电流下降，假定下降规律符合直线变化(从到)，则有： (3) 或 (4)其中，是电容上平均电压值，考虑式(1)和(3)，有：将，代入上式，电容上电压平均值为： （5）假定电感中的电流按线性规律变化且连续，则在期间有： （6） （7）在期间有： （8） （9）由式(6)和式(8)可得： （10）将代入上式，得： （11）令（5）和（11）相等，则得： （12）另外， （13）由式（2）和（4）可得： （14） (15) 或 （16

21、）由（7）和（9）得： (17) （18）当管关断时，对电容的充电电流平均值为，故电容的峰-峰脉动电压为： （19）将代入上式 （20） 或 （21）忽略负载电流的脉动，即，在T/2期间，通过的充电电流平均值为：，故有： （22）现将 代入上式得： （23）25、何谓软开关和硬开关？说明为什么在电力电子变换装置中采用谐振型变换器？给出零电压全波谐振开关的拓扑结构。(1) 硬开关：受突变信号的触发而开通或关断的器件称为硬开关器件，该开关器件产生的开关损耗较大。(2) 软开关：在器件开通或关断过程中，受谐振电路的影响而动作的开关器件称为软开关器件，该开关器件产生的开关损耗相对较小，如果参数匹配较好

22、，可以做到零开关损耗。电力电子变换装置中采用谐振型变换器，变换器工作过程中出现谐振状态，利用谐振，使功率开关管获得零电压或零电流开关的条件，减小开关损耗。Buck ZVS-MRCs全波模式26、试分析图题22两个电路在工作原理上的差别，并指出它们的异同点。 （a） （b）图 题22答：图a中，当开关器件关断时，开关器件与R、C形成回路，使开关器件的尾流经过此回路进行流通，并且由于电阻R的存在，最后开关器件的关断损耗都消耗在电阻上，减小了开关管的关断损耗；图b中，当开关器件关断时，开关器件与电容C组成回路，使得开关管的尾流经次回路进行流通，与图a不同的事，图b中，开关器件的关断损耗并没有消耗掉，

23、而是将能量存储在电容C上，当开关管再次开通时，C再将储存的电荷释放掉。27、软开关PWM的含义？分别叙述串联谐振电路和并联谐振电路的特点(20分)答：PWM（脉冲宽度调制）技术的特点是开关频率固定，通过改变脉冲宽度来改变输出电压，且开关器件的电压和电流应力小。在软开关电路中引进PWM技术，将二者的优点结合起来，则成为软开关PWM。其主要特点是：(1)保留了PWM技术的优点，实现了恒频控制；(2)谐振元件与主开关并联，不参与功率传输，因此使主开关的电压、电流应力大大减小了；(3)与以往的软开关变换器相比，能实现零开关条件的电源电压、负载变化范围更宽。串联谐振电路的特点：串联谐振又称为电压谐振；

24、电源电压一定时，谐振时电流最大；总阻抗最小； 电路成电阻性时，电感或电容电压可能高于电源电压；LC串联谐振电路主要用来构成吸收电路，用来将某一频率信号从众多频率中去掉。并联谐振电路的特点：并联谐振又称为电流谐振；电压一定时，谐振时电流最小；总阻抗最大；电路成电阻性负载时，支路电流可能会大于总电流；LC并联谐振电路主要作为选频电路或选频放大器；LC并联谐振电路还可以构成移相电路，用来对信号相位进行超前或滞逅移动。 28. 画出直流降压变换器（Buck Converter）、直流升压变换器（Boost Converter）、反转式变换器（Buck-Boost Converter）和古卡变换器（Cu

25、k Converter）的电路拓扑结构，并分析Buck变换器的工作原理、各点工作波形及其定量关系描述。Buck ConverterBoost ConverterCuk ConverterBuck-Boost Converter Buck变换器的工作原理：电流连续状态： 电流断续状态： 29、说明为什么在电力电子变换装置中采用谐振型变换器？给出（1）零电流半波形和全波形谐振开关的拓扑结构；（2）零电压半波形和全波形谐振开关的拓扑结构。答：电力电子变换装置中采用谐振型变换器，变换器工作过程中出现谐振状态，利用谐振，使功率开关管获得零电压或零电流开关的条件，减小了开关损耗。 Buck ZCS-QRC

26、s半波模式U Buck ZCS-QRCs全波模式Buck ZVS-MRCs半波模式Buck ZVS-MRCs 全波模式30、在正弦波脉宽调制（SPWM）方法中，什么是同步调制？什么是异步调制？什么是分段同步调制？各有什么优缺点？答：载波比载波频率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。（1）异步调制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。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

27、，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。（2）同步调制载波比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。同步调制的主要特点是：在同步调制方式中，信号波频率

28、变化时载波比N不变，信号波一个周期内输出的脉冲数固定，脉冲相位也固定。三相公用一个三角载波，且N取3的整数倍，若使三相输出对称，为使一相的PWM波正负半周对称，N取3的奇数倍。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波不易滤除。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。（3）分段同步调制分段同步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内。而

29、在低频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。31、分析ZCS谐振开关buck变换器工作状态整体上一个周期可分为四个阶段，即电感充电阶段、谐振阶段、电容放电阶段和续流阶段。1 电感充电阶段 T0T1首先假设在开关闭合前二极管D处于导通状态。在t=T0时刻，开关S闭合，S上的电压瞬间下降至零，谐振电感中的电流开始线性增大，直到t=T1。2 谐振阶段 T1T2在t=T1时刻，谐振电感中的电流is=io，二极管D关断。L 和C进入谐振状态，电感L中电流is继续增加，（is-io）对电容C充电。当电感电流下降至is<io时，电容C开始放电。此时is仍在下降。3 电

30、容放电阶段 T2T3在t=T2时is=0，电容C通过负载放电，并维持放点电流为io，电容C上的电压线性下降。在t=T2之后，即可将关断控制信号加至开关S的控制极上，实现零电流关断。4 续流阶段 T3T4 在t=T3时刻，电容C上的电压下降至零，续流二极管导通续流，至时刻T4。开关再次闭合，电路进入下一个工作周期。 (a) T0T1 (b) T1T2 (c) T2T3 (d) T3T4波形分析：32、分析ZCS谐振开关buck变换器工作状态1 电感充电阶段 T0T1首先假设在开关闭合前二极管D处于导通状态。在t=T0时刻，开关S闭合。由于电感的存在，通过开关的电流缓慢增加。若is<io，则

31、续流二极管一直处于导通状态，电容上电压保持不变。当t=T1时，is线性上升至io，此时续流二极管关断。2 谐振阶段 T1T2从T1时刻起，电感、电容及开关构成并联谐振电路。在t1处，is上升至谐振电流峰值，此时电容两端电压uc下降为零。在t1处，电容两端电压达到负的最大值，is=io。当t=T2时，is下降为零。由于电流is不能反向，所以开关在T2处自然关断。在T2之后，即可将关断控制信号加至开关的控制机上，实现零电流关断。3 电容放电阶段 T2T3T2时刻后，开关断开，电流经电容流通，电容被充电。当t=T3时，uc=Uo，二极管开始续流导通。4 续流阶段 T3T4T3时刻后，二极管恢复到续流导通状态。在t=T4之前，加在电容两端的电压保持为Ui，在T4时刻后，开关再次闭合，电路进入下一个工作周期。 波形分析：33、自激变换的分析 当电压加到输入端时，由两电阻组成的分压电路会产生两个小电压并加到两个开关晶体管的基极上，由于电路不可能完全对称，所以总会使一个开关管导通。假定先导通，其集电极电流流过变压器的初级线圈将使变压器铁芯磁化，在其他线圈中产生感应电动势。由于是的基极线圈，故此感应电动势将使晶体管的基极处于负电位，从而使一直处于截止状态，而的感应电动势则使的集电极电流进一步增加，并使很快达到饱和导通状态，由