电力电子第四版 第5章 思考题与习题答案详解

习题与思考题1.无源逆变电路和有源逆变电路有什么不同？答： 有源逆变是将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电返送 到电网。

应用于直流电机的可逆调速、绕线转子异步电机的串级调速、高压直流输电和太阳 能发电等方面。

无源逆变是逆变器的交流侧直接接到负载，即将直流电逆变成某一频率或可 变频率的交流电供给负载。

蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需 要采用无源逆变电路。

2.电力电子电路中的开关器件有哪些换流方式？各有什么特点？答：换流方式可分为以下四种：①器件换流：利用全控型器件(GTO、GTR、IGBT和电力 MOSFET等)的自关断能力进 行换流。

②电网换流：由电网提供换流电压称为电网换流。

在换流时，只要把负的电网电压 施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。

这种换流方式不需要器件具有门极可关断能力，也 不需要为换流附加元件，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。

③负载换流：由负载提 供换流电压称为负载换流。

在负载电流相位超前于负载电压的场合， 即负载为电容性负载时， 可实现负载换流。

④强迫换流：强迫换流需要设置附加的换流电路。

给欲关断的晶闸管强迫 施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流。

强迫换流通常利用附加电容上储存的能 量来实现，也称为电容换流。

上述四种换流方式中，器件换流只适用于全控型器件，其余方式针对晶闸管而言。

3.什么是电压型逆变电路和电流型逆变电路？各有什么特点？答：逆变电路按照直流侧电源性质，可分为电压型逆变电路和电流型逆变电路两类。

直流侧 电源是电压源的逆变电路，称为电压型逆变电路，而直流侧电源为电流源的逆变电路，称为 电流型逆变电路。

电压型逆变电路有如下主要特点：1）直流侧为电压源或并联大电容，电容抑制了直流电压纹波，使直流侧电压基本无脉 动，直流侧近似为恒压源，直流回路呈现低阻抗。

2）输出电压为矩形波，输出的电流波形和相位因负载阻抗不同而不同。

3）当交流侧为电感性负载时需提供无功功率，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，逆变桥各桥臂并联了反馈二极管。

电流型逆变器的特点：1）直流侧串联大电感，直流侧电流基本无脉动，由于大电感的抑流作用，直流回路呈 现高阻抗，短路的危险性也比电压型逆变器小得多。

2）电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出的电流为矩 形波，与负载性质无关。

而交流侧电压波形因负载阻抗角的不同而不同。

3）当交流侧为阻感负载时，需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。

因反馈无功能量时，直流电流不必反向，故不必给开关器件反并联二极管，电路相对电压型 也较简单。

4.电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变器中没有反馈二极 管？答：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。

5.三相桥式电压型逆变电路（见图 5­10），180°导电方式，U d =200V 。

试求相电压的基 波幅值 U UN1m 和基波有效值 U UN1、输出线电压的基波幅值 U UV1m 和基波有效值 U UV1、输出 线电压中 7次谐波的有效值U UV7。

解：相电压的基波幅值 U UN1m 和基波有效值 U UN1:V 4 . 127 637 . 0 2 1 = = = d d m UN U U U pV 90 45 . 0 21 1 1 = = = d m UN UN U U U 相电压基波幅值 U UV1m 和基波有效值U UV1 分别为V 220 1 . 1 3 2 1 = = = d d m UV U U U pV 156 78 . 0 21 1 1 = = = d m UV UV U U U( ) ú ûù ê ë é - + = - + + - - = å n k d d UV t n n t U t t t t t U u w w p w w w w w p sin 1 1 sin 3 2 ) 13 sin 131 11 sin 11 1 7 sin 7 1 5 sin 5 1 (sin 32 L V3 . 22 71 1 7 = = UV UV U U 6.并联谐振式逆变器（见图 5­12）是如何进行换流的？为保证换流应满足什么条件？与 负载并联的电容的作用是什么？答：t < 1 t 时，VT 1、VT 4 导通，VT 2、VT 3 关断，u o 、i o 均为正，VT 2、VT 3 承受电压即为 u o ，即为电容 C 两端电压。

此时电容充电，极性为左正右负；t = 1 t 时，触发 VT 2、VT 3 使其开通，电容放电经过 VT 1、VT 4，使流过 VT 1、VT 4 中的电 流为零，u o 加到 VT 1、VT 4 上使其承受反压而关断，电流从 VT 1、VT 4 换到 VT 2、VT 3。

为保证换流应使触发 VT 2、VT 3 的时刻 1 t 必须在 u o 过零前并留有足够裕量，保证 VT 1、 VT 4 承受反压的时间大于其关断和恢复正向阻断能力所需的时间，才能使换流顺利完成。

并联电容 C 作用是补偿负载的功率因数；参与电路谐振，提供负载无功功率；使负载 电路呈现容性，负载电流 i o 超前电压 u o ，实现负载换流，达到关断晶闸管的目的。

7.串联二极管式电流逆变电路 （见图5­16） 中， 二极管的作用是什么？试分析换相过程。

答：二极管的主要作用是为换流电容器充电提供通道。

并使换流电容的电压能够得以保持， 为晶闸管在关断之后能够承受一定时间的反向电压， 确保晶闸管可靠关断， 从而确保晶闸管 换流成功。

触发 VT 3 使 VT 1 关断为例来说明换流过程。

当给 VT 3 触发脉冲使其立即导通时，在 C 13 的充电电压作用下 VT 1 承受反压而关断，实现了 VT 1 到 VT 3 之间的换流。

由于电容 C 13 两端 电压不能突变，使二极管 VD 3 承受反压处于截止状态，此时负载电流 I d 由电源正端经 VT 3、 等效电容 C 13、VD 1、U 相负载、W 相负载、VD 2、VT 2 到电源负端构成通路，如图 5­17b 所示，由于直流侧电感 L 的作用，对电容恒流放电再反充。

在 C 13 放电到零之前，VT 1 一直 承受反压，保证其可靠关断。

8.逆变电路多重化的目的是什么？如何实现？串联多重和并联多重逆变电路各用于什么 场合？答：逆变电路多重化的目的之一是使总体上装置的功率等级提高， 二是可以改善输出电压的 波形。

因为无论是电压型逆变电路输出的矩形电压波，还是电流型逆变电路输出的矩形电流 波，都含有较多谐波，对负载有不利影响，采用多重逆变电路，可以把几个矩形波组合起来 获得接近正弦波的波形。

逆变电路多重化就是把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来， 使它们所含的某些 主要谐波分量相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。

组合方式有串联多重和并联多 重两种方式。

串联多重是把几个逆变电路的输出串联起来，并联多重是把几个逆变电路的输 出并联起来。

串联多重逆变电路多用于电压型逆变电路的多重化。

并联多重逆变电路多用于电流型逆变电 路得多重化。

9.多电平逆变电路的优缺点有哪些？答：多电平逆变器具有开关器件电压应力小、输出电压谐波含量低等优点，而且，采用从而改善逆变器的电磁兼容性， 多电平技术可以降低开关器件在开关过程中的d u/d t和d i/d t，在高电压逆变器领域有着广泛的应用前景。

缺点是线路及控制较复杂。

10.试说明 PWM 控制的基本原理。

答：脉宽调制（PWM）。

控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到 一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。

也就是在输出波形的半 个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐 波少。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改 变输出频率。

在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的 环节上，其效果基本相同。

冲量既指窄脉冲的面积。

这里所说的效果基本相同。

是指该环节 的输出响应波形基本相同。

如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频段特性非常接 近，仅在高频段略有差异。

根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波，通过对矩形波的控制来模 拟输出不同频率的正弦波。

例如，把正弦半波波形分成 N 等份，就可把正弦半波看成由 N个彼此相连的脉冲所组成 的波形。

这些脉冲宽度相等，都等于π／n ，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是 曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。

如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩 形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合， 且使矩形脉冲和相应正弦 部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是 PWM 波形。

可以看出，各脉冲宽 度是按正弦规律变化的。

根据冲量相等效果相同的原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。

对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM波形。

10.单极性和双极性 PWM 调制有什么区别？答：单极性调制时，调制波为正弦波电压，载波在正半周时为正向三角波，负半周时为负向 三角波。

主电路输出电压正半周为正向 SPWM 波形，负半周为负向 SPWM 波形，其瞬时有 三种+U d、0V、­U d。

双极性调制时，调制波为正弦波电压，载波为正负三角波。

主电路输出电压正负 SPWM 波 形，其瞬时有+U d、­U d 两种。

11.什么是异步调制？什么是同步调制？二者各有何特点？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 f c 固定不变，因而当信号波频率 f r 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。