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上山打老虎

发布时间:2013-10-31 08:00:41  

第一章 电力电子器件

1.1 使晶闸管导通的条件是什么?

答:使晶闸管导通的条件是:晶闸管承受正相阳极电压,并在门极施加触发电流(脉冲)。或者UAK >0且UGK>0

1.2 维持晶闸管导通的条件是什么?怎样才能使晶闸管由导通变为关断?

答:维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流,即维持电流。

1.5.GTO和普通晶闸管同为PNPN结构,为什么GTO能够自关断,而普通晶闸管不能?

答:GTO和普通晶阐管同为PNPN结构,由P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2,分别具有共基极电流增益?1和?2,由普通晶阐管的分析可得,?1??2?1是器件临界导通的条件。?1??2>1两个等效晶体管过饱和而导通;?1??2<1不能维持饱和导通而关断。

GTO之所以能够自行关断,而普通晶闸管不能,是因为GTO与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同:

l)GTO在设计时?2较大,这样晶体管V2控制灵敏,易于GTO关断;

2)GTO导通时?1??2的更接近于l,普通晶闸管?1??2?1.5,而GTO则为?1??2?1.05,GTO的饱和程度不深,接近于临界饱和,这样为门极控制关断提供了有利条件;

3)多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小,门极和阴极间的距离大为缩短,使得P2极区所谓的横向电阻很小,从而使从门极抽出较大的电流成为可能。

1.6.如何防止电力MOSFET因静电感应应起的损坏?

答:电力MOSFET的栅极绝缘层很薄弱,容易被击穿而损坏。MOSFET的输入电容是低泄漏电容,当栅极开路时极易受静电干扰而充上超过±20的击穿电压,所以为防止MOSFET因静电感应而引起的损坏,应注意以下几点:

①一般在不用时将其三个电极短接;

②装配时人体、工作台、电烙铁必须接地,测试时所有仪器外壳必须接地; ③电路中,栅、源极间常并联齐纳二极管以防止电压过高;

④漏、源极间也要采取缓冲电路等措施吸收过电压。

1.7.IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的驱动电路各有什么特点?

答:IGBT驱动电路的特点是:驱动电路具有较小的输出电阻,ⅠGBT是电压驱动型器件,IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。

GTR驱动电路的特点是:驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿,并有一定的过冲,

这样可加速开通过程,减小开通损耗;关断时,驱动电路能提供幅值足够大的反向基极驱动电流,并加反偏截止电压,以加速关断速度。

GTO驱动电路的特点是:GTO要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够的幅值和陡度,且一般需要在整个导通期间施加正门极电流,关断需施加负门极电流,幅值和陡度要求更高,其驱动电路通常包括开通驱动电路,关断驱动电路和门极反偏电路三部分。

电力MOSFET驱动电路的特点:要求驱动电路具有较小的输入电阻,驱动功率小且电路简单。

1.8.全控型器件的缓冲电路的主要作用是什么?试分析RCD缓冲电路中各元件的作用。 答:全控型器件缓冲电路的主要作用是抑制器件的内因过电压,du/dt或过电流和di/dt,,减小器件的开关损耗。

RCD缓冲电路中,各元件的作用是:开通时,Cs经Rs放电,Rs起到限制放电电流的作用;关断时,负载电流经VDs从Cs分流,使du/dt减小,抑制过电压。

1.9.试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。

解:对ⅠGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的优缺点的比较如下表:

1.10什么是晶闸管的额定电流?

答:晶闸管的额定电流就是它的通态平均电流,国标规定:是晶闸管在环境温度为40℃和规定的冷却状态下,稳定结温不超过额定结温所允许的最大工频正弦半波电流的平均值。

1.11为什么要限制晶闸管断电电压上升律du/dt?

答:正向电压在阻断状态下,反向结J2相当的一个电容加在晶闸管两端电压上升率过大,

就会有过大的充电电流,此电流流过J3,起到触发电流的作用,易使晶闸管误触发,所以要限

制du/dt。

1.12.为什么要限制晶闸管导通电流上升率di/dt?

答:会有较大的电流集中在门集附近的小区域内,在小的区域内局部过热而损坏了晶闸管。

1.13电力电子器件工作时产生过电压的原因及防止措施有哪些?

答:产生原因:

1、由分闸、合闸产生的操作过电压;

2、雷击引起的雷击过电压;

3、晶闸管或与全控型器件反并联的续流二极管换相过程中产生的换相电压。

措施:

压敏电阻,交流侧RC抑制电路,直流侧RC控制电路,直流侧RC抑制电路,变压器屏蔽层,避雷器,器件关断过电压RC抑制电路。

第2章 整流电路

2. 2图1为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?试说明:

晶闸管承受的最大反向电压为22U2;

当负载是电阻或电感时,其输出电压和电流的波形与单相全控桥时相同。

答:具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路,该变压器没有直流磁化问题。因为单相全波可控整流电路变压器二次侧绕组中,在正负半周上下绕组中的电流方向相反,波形对称,其一个周期内的平均电流为零,故不存在直流磁化的问题。

以下分析晶闸管承受最大反向电压及输出电压和电流波形的情况。

①以晶闸管VT2为例。当VT1导通时,晶闸管VT2通过VT1与2个变压器二次绕组并联,所以VT2承受的最大电压为22U2。

②当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角?相同时,对于电阻负载:(O~?)期间无晶闸管导通,输出电压为0;(?~?)期间,单相全波电路中VT1导通,单相全控桥电路中VTl、VT4导通,输出电压均与电源电压U2相等;( ?~???)期间均无晶闸管导通,

输出电压为0;(???~2?)期间,单相全波电路中VT2导通,单相全控桥电路中VT2、VT3导通,输出电压等于-U2。

对于电感负载: ( ?~???)期间,单相全波电路中VTl导通,单相全控桥电路中VTl、VT4导通,输出电压均与电源电压U2相等; (???~2???)期间,单相全波电路中VT2导通,单相全控桥电路中VT2、VT3导通,输出波形等于-U2。

可见,两者的输出电压相同,加到同样的负载上时,则输出电流也相同。

2.4.单相桥式半控整流电路,电阻性负载,画出整流二极管在一周内承受的电压波形。 解:注意到二极管的特点:承受电压为正即导通。因此,二极管承受的电压不会出现正的部分。在电路中器件均不导通的阶段,交流电源电压由晶闸管平衡。整流二极管在一周内承受的电压波形如下:

2.8.三相半波整流电路,可以将整流变压器的二次绕组分为两段成为曲折接法,每段的电动势相同,其分段布置及其矢量如图所示,此时线圈的绕组增加了一些,铜的用料约增加10%,问变压器铁心是否被直流磁化,为什么

?

图 变压器二次绕组的曲折接法及其矢量图

答:变压器铁心不会被直流磁化。原因如下:

变压器二次绕组在一个周期内,当a1c2对应的晶闸管导通时,al的电流向下流,c3的电流

向上流;当clb2对应的晶闸管导通时,cl的电流向下流,b2的电流向上流;当bla2对应的晶闸

管导通时,bl的电流向下流,a2的电流向上流;就变压器的一次绕组而言,每一周期中有两段

时间(各为120?)有电流流过,流过的电流大小相等而方向相反,故一周期内流过的电流平均值为零,所以变压器铁心不会被直流磁化。

2.9.三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法,a、b两相的自然换相点是同一点吗?如果不是,它们在相位上差多少度?

答:三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法,a、b两相之间换相的的自然换相点不是同一点。它们在相位上相差180?。

2.10.有两组三相半波可控整流电路,一组是共阴极接法,一组是共阳极接法,如果它们的触发角都是?,那么共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲对同一相来说,例如都是a相,在相位上差多少度?

答:相差180?。

12.在三相桥式全控整流电路中,电阻负载,如果有一个晶闸管不能导通,此时的整流电压Ud波形如何?如果有一个晶闸管被击穿而短路,其他晶闸管受什么影响?

答:假设VTl不能导通,整流电压波形如下:

假设VT1被击穿而短路,则当晶闸管VT3或VT5导通时,将发生电源相间短路,使得VT3、VT5也可能分别被击穿。

2.16.单相桥式全控整流电路,其整流输出电压中含有哪些次数的谐波?其中幅值最大的是哪一次?变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波?其中主要的是哪儿次?

答:单相桥式全控整流电路,其整流输出电压中含有2K (K=l、2、3…)次谐波,其中幅值最大的是2次谐波。变压器二次侧电流中含有2K+l(K=Ⅰ、2,3……)次即奇次谐波,其中主要的有3次、5次谐波。

2.17.三相桥式全控整流电路,其整流输出电压中含有哪些次数的谐波?其中幅值最大的是哪一次?变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波?其中主要的是哪几次?

答:三相桥式全控整流电路的整流输出电压中含有6K(K=l、2、3……)次的谐波,其中幅值最大的是6次谐波。变压器二次侧电流中含有6K+l(K=l、2、3……)次的谐波,其中主要的是5、7次谐波。

2.19.带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有何主要异同?

答:带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有以下异同点: ①三相桥式电路是两组三相半波电路串联,而双反星形电路是两组三相半波电路并联,且后者需要用平衡电抗器;

②当变压器二次电压有效值U2相等时,双反星形电路的整流电压平均值Ud是三相桥

式电路的1/2,而整流电流平均值Id是三相桥式电路的2倍。

③在两种电路中,晶闸营的导通及触发脉冲的分配关系是一样的,整流电压Ud和整流电流Id的波形形状一样。

2.20.整流电路多重化的主要目的是什么?

答:整流电路多重化的目的主要包括两个方面:一是可以使装置总体的功率容量大,二是能够减少整流装置所产生的谐波和无功功率对电网的干扰。

2.21.十二脉波、二十四脉波整流电路的整流输出电压和交流输入电流中各含哪些次数的谐 波?

答:12脉波电路整流电路的交流输入电流中含有ll次、13次、23次、25次等即12K?l(K=1,2,3....)次谐波,整流输出电压中含有12、24等即12K(K=1,2,3...)次谐波。

24脉波整流电路的交流输入电流中含有23次、25次、47次、49次等即24K?1(K=l, 2,3...)次谐波,整流输出电压中含有24、48等即24K(K=1,2,3...)次谐波。

2.22.使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么?

答:条件有二:

①直流侧要有电动势,其极性须和晶闸管的导通方向一致,其值应大于变流电路直流侧的平均电压;

②要求晶闸管的控制角

???2使Ud为负值。

2.23.什么是逆变失败?如何防止逆变失败?

答:逆变运行时,一旦发生换流失败,外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路,或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变为顺向串联,由于逆变电路内阻很小,形成很大的短路电流,称为逆变失败或逆变颠覆。

防止逆变夫败的方法有:采用精确可靠的触发电路,使用性能良好的晶闸管,保证交流电源的质量,留出充足的换向裕量角?等。

2.24.单相桥式全控整流电路、三相桥式全控整流电路中,当负载分别为电阻负载或电感负载时,要求的晶闸管移相范围分别是多少?

答:单相桥式全控整流电路,当负载为电阻负载时,要求的晶闸管移相范围是0~180?,当负载为电感负载时,要求的晶闸管移相范围是0~90?。

三相桥式全控整流电路,当负载为电阻负载时,要求的晶闸管移相范围是0~120?,当负载为电感负载时,要求的晶闸管移相范围是0~90?。

第3章 直流斩波电路

1.简述图3-la所示的降压斩波电路工作原理。

答:降压斩波器的原理是:在一个控制周期中,让V导通一段时间ton。,由电源E向L、R、M供电,在此期间,Uo=E。然后使V关断一段时间toff,此时电感L通过二极管VD向R和M供电,Uo=0。一个周期内的平均电压输出电压小于电源电压,起到降压的作用。

6.试分别简述升降压斩波电路和Cuk斩波电路的基本原理,并比较其异同点。

答:升降压斩波电路的基本原理:当可控开关V处于通态时,电源E经V向电感L供电使其贮存能量,此时电流为i1,方向如图。3-4中所示。同时,电容C维持输出电压基本恒定并向负载R供电。此后,使V关断,电感L中贮存的能量向负载释放,电流为i2,方向如图3-4

所示。可见,负载电压极性为上负下正,与电源电压极性相反。

稳态时,一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零,即

?T

0uLdt?0

当V处于通态期间,uL=E:而当V处于断态期间uL??u0。于是:

E?ton?U0?toff

改变导通比?,输出电压既可以比电源电压高,也可以比电源电压低。当0<?<l/2时为降压,当l/2<?<l时为升压,因此将该电路称作升降压斩波电路。

Cuk斩波电路的基本原理:当V处于通态时,E—L1—V回路和R—L2-C—V回路分别流过电流。当V处于断态时,E?L1?C?VD回路和R-L2-VD回路分别流过电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。该电路的等效电路如图3-5b所示,相当于开关S在A、B两点之间交替切换。

假设电容C很大使电容电压uc的脉动足够小时。当开关S合到B点时,B点电压uB=0,A点电压uA??uC;相反,当S合到A点时,uB?uC,uA?0

uB?toff

TUcUi?N1U0N3。因此,B点电压uB的平均值为(Uc为电容电压“c的平均值),又因电感Ll的电压平均值为零,所以

E?UB?toff

TUc。另一方面,A点的电压平均值为

U0?UA??tonUcT,且L2的电压平均值为零,按图3—5b中输出电压Uo的极性,有tonUcT。于是可得出输出电压Uo与电源电压E的关系:

U0?tont?E?onE?EtoffT?ton1??

两个电路实现的功能是一致的,均可方便的实现升降压斩波。与升降压斩波电路相比,Cuk斩波电路有一个明显的优点,其输入电源电流和输出负载电流都是连续的,且脉动很小,有利于对输入、输出进行滤波。

10.多相多重斩波电路有何优点?

答:多相多重斩波电路因在电源与负载间接入了多个结构相同的基本斩波电路,使得输入电源电流和输出负载电流的脉动次数增加、脉动幅度减小,对输入和输出电流滤波更容易,滤波电感减小。

此外,多相多重斩波电路还具有备用功能,各斩波单元之间互为备用,总体可靠性提高。

第6章 PWM控制技术

6. l.试说明PWM控制的基本原理。

答:PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。

在采样控制理论中有一条重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性 环节上时,其效果基本相同,冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理。

以正弦PWM控制为例。把正弦半波分成N等分,就可把其看成是N个彼此相连的脉 冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等,都等于?/N,但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线,各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积(冲量)相等,就得到PWM波形。各PWM脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理,PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形。可见,所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。

6.4特定谐波消去法的基本原理是什么?设半个信号波周期内有10个开关时刻(不含0和?时刻)可以控制,可以消去的谐波有几种?

答:首先尽量使波形具有对称性,为消去偶次谐波,应使波形正负两个半周期对称,为消去谐波中的余弦项,使波形在正半周期前后1/4周期以?/2为轴线对称。

考虑到上述对称性,半周期内有5个开关时刻可以控制。利用其中的l个自由度控制 基波的大小,剩余的4个自由度可用于消除4种频率的谐波。

6.5.什么是异步调制?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? 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。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。

同步调制的主要特点是:

在同步调制方式中,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。

此外,同步调制方式比异步调制方式复杂一些。

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。

6.6什么是SPWM波形的规则化采样法?和自然采样法比规则采样法有什么优点?

答: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。规则采样法是在自然采样法的基础上得出的。比起自然采样法,规则采样法的计算非常简单,计算量大大减少,而效果接近自然采样法,得到的SPWM波形仍然很接近正弦波,克服了自然采样法难以在实时控制中在线计算,在工程中实际应用不多的缺点。

6.7如何提高PWM逆变电路的直流电压利用率?

答:采用梯形波控制方式即用梯形波作为调制信号,可以有效地提高直流电压的利用率。 对于三相PWM逆变电路,还可以采用线电压控制方式即在相电压调制信号中叠加3的倍数次谐波及直流分量等,同样可以有效地提高直流电压利用率。

6.8.什么是电流跟踪型PWM变流电路?采用滞环比较方式的电流跟踪型变流器有何特点?

答:电流跟踪型PWM变流电路就是对变流电路采用电流跟踪控制。也就是不用信号波对载

波进行调制,而是把希望输出的电流作为指令信号,把实际电流作为反馈信号,通过二者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率器件的通断,使实际的输出跟踪电流的变化。

采用滞环比较方式的电流跟踪型变流器的特点:

①硬件电路简单;

②属于实时控制方式,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分量;

④与计算法和调制法相比,相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多;

⑤采用闭环控制。

6.9.什么是PWM整流电路?它和相控整流电路的工作原理和性能有何不同?

答:PWM整流电路就是采用PWM控制的整流电路,通过对PWM整流电路的适当控制,可以使其输入电流十分接近正弦波且和输入电压同相位,功率因数接近l。

相控整流电路是对晶闸管的开通起始角进行控制,属于相控方式。其交流输入电流中含有较大的谐波分量,且交流输入电流相位滞后于电压,总的功率因数低。

PWM整流电路采用SPWM控制技术为斩控方式。其基本工作方式为整流,此时输 入电流可以和电压同相位,功率因数近似为l。

PWM整流电路可以实现能量正反两个方向的流动,既可以运行在整流状态,从交流侧向直流侧输送能量;也可以运行在逆变状态,从直流侧向交流侧输送能量。而且这两种方式都可以在单位功率因数下运行。

此外,还可以使交流电流超前电压90?,交流电源送出无功功率,成为静止无功功率发生器。或使电流比电压超前或滞后任一角度?。

6.10在PWM整流电路中,什么是间接电流控制?什么是直接电流控制?

答:在PWM整流电路中,间接电流控制是按照电源电压、电源阻抗电压及PWM整流器输入端电压的相量关系来进行控制,使输入电流获得预期的幅值和相位,由于不需要引入交流电流反馈,因此称为间接电流控制。

直接电流控制中,首先求得交流输入电流指令值,再引入交流电流反馈,经过比较进行跟踪控制,使输入电流跟踪指令值变化。因为引入了交流电流反馈而称为直接电流控制。

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