湖南大学研究生电力电子技术试卷2

一．问答题
1.试给出二极管的六种用途，要求画图并用文字说明。

缓冲电路VD2钳位
单相桥式整流电路
输出
限幅电路
光电隔离电路
续流电路
a
u
u
o
或门电路
a
u
b
u
o
u
与门电路
峰值检波电路
+
Vo
-稳压电路
此外还有静噪电路，编码控制电路（光敏二极管），
2. 试说明图
1所示IGBT 缓冲电路的工作原理
答：
G
R
当IGBT 关断时，在回路电感的作用下：流过电感的电流不能突变，由u=di
L
dt
知容易使IGBT 两端电压升高产生过压，加上如图所示缓冲电路后，由于电容的作用：加在电容两端的电压不能突变，使Vce 不能突变从而避免过压。

当IGBT 开通时，在容性负载情况下，由i=C*du/dt ，电流突然变大容易使IGBT 支路产生过流，加上图示缓冲电路后，一部分电流流经RC 缓冲回路消耗在R 上，从而避免过流。

二极管的导通压降为0.7V ，使电流在对电容充电时不会流经R 耗能，（R 的取值不能太大否则会使IGBT 两端电压过高）。

3. 简要说明双反星形整流电路和三相桥式整流电路的异同（画出主电路图并用文字说明）答：
d
VT 1VT 3VT 5462d 2
d 1
三相桥式整流电路
相同点：在两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系是一样的，整流电压和整流电流的波形形状是一样的。

不同点：
1.三相桥式电路是两组三相半波电路串联，而双反星形是两组三相半波电路并联而且后者需用平衡电抗器。

2.在整流输出I d 一定的情况下，三相桥式整流电路中流过元件的直流平均电流为I d /3，而双反星形整流电路中流过元件的直流平均电流为I d /6。

图1 图2
4.试采用图和文字说明单极性SPWM 的基本原理。

正弦脉宽调制SPWM 的理论基础是冲量等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲作用于惯性系统时，其输出响应基本相同，且窄脉冲越窄输出的差异越小。

换句话说，如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。

图1画出了一个正弦波的正半波，并将其划分为k 等分（图中k=7）。

将每一等分中的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形波所代替。

显然各个矩形波宽度不同，而且它们的宽度大小将按正弦规律变化。

正弦波的负半周可用相同的方法，用一组等高不等宽的矩形负脉冲来代替。

对上述等效调宽脉冲，在选定了等分数k 后，可以借助计算机严格地算出各段矩形脉冲宽度，以作为控制逆变器开关元件通断的依据。

这种由控制线路按一定的规律控制开关元件的通断，从而得到一组等效于正弦波的一组等幅不等宽的矩形脉冲的方法，称为逆变器的正弦脉宽调制（SPWM ）。

在实际应用中，人们常采用正弦波与三角波相交的方法确定各段的矩形脉冲的宽度。

三角波是上下宽度按线性变化的波形，任何一条光滑的曲线与三角波相交，如果令该曲线值大于三角波时输出高电平，小于三角波时输出低电平，就能得到一组等幅的，脉冲宽度正比于该函数值的矩形脉冲。

如图2所示，用正弦波和三角波相交点得到一组等幅矩形脉冲，其宽度按正弦规律变化。

再用这组矩形脉冲作为逆变器各功率开关器件的控制信号，则在变换器输出端可以获得一组矩形脉冲，其幅值为逆变器直流侧电压，而脉冲宽度是其在周期中所处相位的正弦函数。

该矩形脉冲可用正弦波来等效。

带平衡电抗器的双反星形可控整流电路
T5 T3 T1 T4 T6 T2
像这样由载波调制正弦而获得的脉冲宽度按正弦规律变化又和正弦波等效的脉冲宽度调制波形，称为正弦脉宽调制。

而当三角调制波在正弦波的正半周期只有正极性无正负极性的变化时就为单极性SPWM。

二．设计题
1. 试设计一台低压大电流整流系统，直流输出电压0—120V可调，直流输出电流4000—10000A可调，要求采用计算机监视每只可控硅的电流，直流输出总电流，直流输出电压，画图并用文字说明设计思路和工作原理。

答：
可调变压器双反星形
B
工作原理框图
说明：
1.整流器件选用管压降小的可控硅。

2.整流电路选用两组双反星形电路，两组整流变压器的二次绕阻分别选用三角形和星形接法，构成相位差相差30度、大小相等的两组电压接到相互串联的两组双反星形电路上，以形成12波头的整流电流，从而减少整流产生的谐波。

3.整流变压器选用五档可调变压器，使可控硅的导通角尽可能大，以提高功率因数同时可以减少整流产生的谐波。

4.采用KC系列集成化脉冲触发组件产生长触发脉冲避免在可控硅触发时间上存在时间差，以保证整流装置并联可控硅均流。

5.题目要求输出恒定直流，设计采用PID闭环控制方法保证输出电流保持恒定。

6.上位机对主电路各个运行参数进行实时采样、运算、显示、控制、记录及报警处理。

并可以对各个控制参数、报警参数及历史数据记录时间间隔进行在线调整设定。

2.试设计采用IGBT模块和微机（或DSP等）构成三相逆变系统，要求能输出10-200Hz较为平滑的正弦波，输出交流电压10—200V可调，输出电流0—50A，试画出主电路和控制电路的硬件框图和软件流程图，并给出设计思路。

设计思想：
本方案以电压型逆变器（VSI）作为主工作电路，该逆变器为基于自关断器件IGBT的脉宽调制PWM逆变器。

直流端为一大电容，并由三相整流桥为其提供能量，R为泻放电阻，L为指示灯。

VSI的输出端接有输出滤波器，以此来滤除开关器件通断造成的高频毛刺，从而获得较为平滑的正弦波。

当载波幅值一定时，调制波的幅值改变输出电压幅值（输出电压限值由直流电压决定），载波频率设定为6.4KHz，调制波的频率直接决定输出电压频率。

注意事项：（1）必须采用输出滤波器，否则很难得到较为平滑的正弦波；
（2）泻放电阻当整流断路器关断时泄放直流侧电容上的能量；
（3）为了使输出电压的幅值和频率稳定须采用闭环控制。

逆变器
主电路框图
控制电路框图
软件程序流程图。