电力电子技术(第二版)第5章答案

第五章
1.换流方式有哪几种?各有什么特点?
答:换流方式有4种:
器件换流。

利用全控型器件的自关断能力进行换流称为器件换流。

电网换流。

由电网提供换流电压称为电网换流。

这种换流方式应用于由交流电网供电的电路中，它是利用电网电压自动过零并变负的性能来实现换流的。

负载换流。

由负载提供换流电压称为负载换流。

这种换流方法多用于直流电源供电的负载电路中。

强迫换流。

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。

换流回路的作用是利用储能元件中的能量，产生一个短暂的换流脉冲，使原来导通的晶闸管电流下降到零，再使它承受一段时间反压，便可关断。

强迫换流通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称电容换流。

2.什么是电压型和电流型逆变器？它们各有什么特点？
答：⑴直流侧是电压源的逆变器称为电压型逆变器。

电压型逆变器的特点如下：
①直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。

直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。

②由于直流电压源的箝位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关；而交流侧输出电流波形和相位随负载阻抗情况的不同而不同。

③当交流侧为阻感负载时，需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。

逆变桥各臂反并联的二极管为交流侧向直流侧反馈无功能量提供了通道。

④直流侧向交流侧传送的功率是脉动的。

因为直流电源电压无脉动，故传送功率的脉动由直流侧电流的脉动来实现。

⑵直流侧电源为电流源的逆变器称为电流型逆变器。

电流型逆变器有如下特点：
①直流侧串联有大电感，相当于电流源。

直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。

②各开关管仅是改变直流电流流通途径，交流侧输出电流波形为矩形波，与负载阻抗角无关。

而交流侧输出电压波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形常接近正弦波。

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功率能量的作用。

因反馈无功能量时电流并不反向，故开关管不必反并联二极管。

④直流侧向交流侧传送的功率是脉动的。

因直流电流无脉动，故传送功率的脉动由直流电压的脉动来实现。

3.简述几种交流-直流-交流变频器是如何调压？是如何变频的？是如何改变相序的？
答：电压型方波变频器是通过改变直流侧的电压改变输出交流电的电压幅值和有效值；通过改变开关管导通和关断的时间改变输出交流电的频率；改变逆变桥上开关管的导通顺序改变输出交流电的相序。

PWM变频器是通过改变调制比M改变输出电压基波的幅值，所以，SPWM调制是通过改变调制波的幅值实现变压功能的。

改变正弦调制波的频率时，可以改变输出电压的基波频率。

通过改变三相参考波的相序改变输出电压相序的。

4.电压型逆变器中反馈二极管的作用是什么？
答：在电压型逆变器中，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。

5.三相桥式电压型逆变器，导电方式，，试求输出线电压的基波幅值和有效值、线电压的5次谐波有效值、输出相电压的基波幅值和有效值。

解：输出线电压的基波幅值
输出线电压的有效值
输出线电压中五次谐波的表达式为：
其有效值为：
输出相电压的基波幅值
输出相电压的有效值
6.SPWM逆变器有哪些优点？其开关频率的高低有什么利弊？
答：SPWM逆变器优点如下：
①输出电压或电流波形接近正弦，谐波分量小。

②调频、调压都由逆变器完成，仅有一个可控功率级，从而简化了主电路和控制电路的结构，使装置的体积小、重量轻、造价低、可靠性高。

③输出频率和电压都在逆变器内控制和调节，其响应的速度取决于控制回路，而与直流回路的滤波参数无关，所以调节速度快，并且可使调节过程中频率和电压的配合同步，以获得好的动态性能。

④直流电压可由二极管整流获得，交流电网的输入功率因数与逆变器输出电压的大小和频率无关而接近1；若有数台装置，可由同一台不可控整流器输出作直流公共母线供电。

载波频率即SPWM的开关频率愈高，谐波含量愈少，SPWM的基波就越接近期望的正弦波。

但SPWM的开关频率也不宜过高，因为开关管工作频率提高，开关损耗和换流损耗会随之增加。

7.正弦脉冲宽度调节控制方式中的单极性调制和双极性调制有何不同？
答：在正弦参考波ur的半个周期内，三角波载波uc只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只在单个极性范围内变化，这是单极性SPWM控制方式；双极性SPWM控制方式，即在正弦参考波ur的半个周期内，三角波载波uc有正有负，所得到的SPWM 波也有正有负，但是正半周内，正脉冲较负脉冲宽，负半周则反之。

8.SPWM基于什么原理？何谓调制度？画出半周期脉冲数k=7的单极性调制波形。

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的环节上时，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。

把正该半波分成N等份，就可以把其看成是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，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。

SPWM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，SPWM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SPWM波形。

可见，所得到的SPWM波形和期望得到的正弦波等效。

一般将正弦参考波ur的幅值与三角波载波uc的峰值之比定义为调制度，亦称调制比或调制系数。

9.什么是同步调制方式和异步调制方式？SPWM中，同步调制和异步调制各有什么优缺点？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，通常保持载波频率固定不变，因而当参考信号频率变化时，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，正负半周期的脉冲不对称和半周期内前后1／4周期的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小，PWM脉冲不对称的影响就变大，有时信号波的微小变化产生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，并在变频时使载波频率和信号波频率保持同步的方式称为同步调制。

同步调制的主要特点是：
在同步调制方式小，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也很低。

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。

如考虑低频时性能时，当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率会过高，使开关器件难以承受。

10.SPWM控制的逆变电路，若参考波频率为400Hz,载波比为15，则开关管的开关频率为多少？一周期内有多少个脉冲波？
解：由可知，载波频率，一周内有600个脉冲。

11.SPWM波的生成有哪些方法？
答：SPWM波的生成方法大体上有3种：第一种是采用模拟电路产生；第二种是采用专用集成电路产生；第三种是由微型计算机直接产生。

12.什么是自然采样法和规则采样法？
答：按照SPWM控制的基本原理，可在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关管的通断，这种生成SPWM波形的方法称为自然采样法。

规则采样法是一种应用较广的工程使用方法，它的效果非常接近自然采样法。

13.逆变器多重化的目的是什么？如何实现？
答：逆变电路多重化的目的：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。