思考题与习题答案

第4章思考题与习题
什么是电压型和电流型逆变电路各有何特点
答：按照逆变电路直流侧电源性质分类，直流侧为电压源的逆变电路称为电压型逆变电路，直流侧为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。

电压型逆变电路的主要特点是：
（1）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。

直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。

（2）由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关，而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同，其波形接近于三角波或正弦波。

（3）当交流侧为阻感性负载时，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，逆变桥各臂都并联了二极管。

（4）逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故功率的脉动是由交流电压来提供。

（5）当用于交—直—交变频器中，负载为电动机时，如果电动机工作在再生制动状态，就必须向交流电源反馈能量。

因直流侧电压方向不能改变，所以只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给交—直整流桥再反并联一套逆变桥。

电流型逆变电路的主要特点是：
（1）直流侧串联有大电感，相当于电流源，直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。

（2）因为各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形和相位因负载阻抗角的不同而不同。

（3）直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故可控器件不必反并联二极管。

（4）当用于交—直—交变频器且负载为电动机时，若交—直变换为可控整流，则很方便地实现再生制动。

电压型逆变电路中的反馈二极管的作用是什么
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。

当输出交流电压与电流的极性相同时，电流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压与电流极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。

为什么在电流型逆变电路的可控器件上要串联二极管
解：由于全电路开关管采用自关断器件，其反向不能承受高电压，所以需要在各开关器件支路串入二极管。

三相桥式电压型逆变电路采用180°导电方式，当其直流侧电压U d =100V 时。

（１） 求输出相电压基波幅值和有效值 （２） 求输出线电压基波幅值和有效值 （３）输出线电压中五欢谐波的有效值。

解：①输出相电压基波幅值
V
U U U d d
m AN 7.63100637.0637.021=⨯===
π
输出相电压基波有效值
V
U U U d m
AN AN 4510045.045.02
11=⨯===
②输出线电压基波幅值
V
U U d
m AB 1101001.1100
32321=⨯⨯=
=
π
π
输出线电压基波有效值
V
U U U d
m
AB ABm 78100
662
1=⨯=
=
=
π
π
③输出线电压中5次谐波
)5sin 51
(325t U u d AB ωπ=
输出线电压中5次谐波有效值
V
U U d AB 59.1525325==
π
全控型器件组成的电压型三相桥式逆变电路能否构成ο
120导电型为什么 解：全控型器件组成的电压型三相桥式逆变电路能构成0
120导电型。

由于三相桥式逆变电路每个桥臂导通0120，同一相上下两臂的导通有0
60间隔，各相导通依次相差0
120，且不存在上下直通的问题，所以其能构成0
120导电型。

但当直流电压一定时，其输出交流线电压有效值比 180°导电型低得多，直流电源电压利用率低。

并联谐振型逆变电路利用负载电压进行换流，为了保证换流成功应满足什么条件 答：为了保证电路可靠换流，必须在输出电压u 0过零前t ?时刻触发T 2、T 3，称t ?为触发引前时间。

为了安全起见，必须使
q
r f kt t t +=
式中k 为大于1的安全系数，一般取为2~3。

试说明PWM 控制的工作原理。

答：将一个任意波电压分成N 等份，并把该任意波曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应任意波等份的中点重合，得到一系列脉冲列。

这就是PWM 波形。

但在实际应用中，人们采用任意波与等到腰三角形相交的方法来确定各矩形脉冲的宽度。

PWM 控制就是利用PWM 脉冲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
幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替所需要的波形。

单极性和双极性 PWM 调制有什么区别
解：单极性ＰＷＭ控制方式在调制信号r U 的正半个周期或负半个周期内，三角波载波是单极性输出的，所得的ＰＷＭ波也是单极性范围内变化的。

而双极性ＰＷＭ控制方式中，三角波载波始终是有正有负，而输出的ＰＷＭ波是双极性的。

试说明PWM 控制的逆变电路有何优点 答：PWM 电路优点如下：
（1）可以得到所需波形的输出电压，满足负载需要； （2）整流电路采用二极管整流，可获得较高的功率因数； （3）只用一级可控的功率环节，电路结构简单；
（4）通过对输出脉冲的宽度控制就可以改变输出电压的大小，大大的加快了逆变器的响应速度。

图题所示的全桥逆变电路，如负载为 RLC 串联，R ＝10Ω，L ＝ mH ，C=159 μF ，逆变器频率f ＝100 H Z ，U d ＝110 V 、求：
（1）基波电流的有效值； （2）负载电流的谐波系数。

图题
解：（1）基波电压的有效值为：
V
U U U d d
O 991109.09.0221=⨯===
π
基波时的负载阻抗：
2
21)1(C L R Z ωω-
+=
Ω=⨯⨯⨯-
⨯⨯+=-3.22)10159100210318.01002(102
6
2ππ
基波电流的有效值为：
A Z U I o o 44.43.2299
111===
（2）其主要的谐波是三次谐波与五次谐波，对应的负载阻抗分别为：
2
23)313(C L R Z ωω-
+=
Ω=⨯⨯⨯-
⨯⨯+=-7.60)1015910061
0318.01006(1026
2ππ
2
25)515(C L R Z ωω-
+=
Ω=⨯⨯⨯-
⨯⨯+=-4.100)101591001010318.010010(102
6
2ππ
其电流谐波系数分别为：
7.04313
3≈⋅=Z U k d
π 42.04515
3≈⋅=
Z U k d π。

在图所示的单相全桥逆变电路中，直流电源U d =300 V ，向R ＝5Ω，L ＝ 的阻感性负载供电。

若输出波形为近似方波，占空比D= ，工作频率为 60 H Z ，试确定负载电流波形，并分析谐波含量。

计算时可略去换相的影响和逆变电路的损耗。

试求对应于每种谐波的负载功率。

解：输出方波电压瞬时值为 t n n U u n d
o ωπsin 4,5,3,1∑∞
⋅⋅⋅==
输出电压和电流波形为：
基波电压和各谐波电压的有效值为：
V
U U U d d
O 2703009.09.0221=⨯===
π
V U U o O 903113==，V
U U o O 5451
15== V U U o O 6.387117==，V
U U o O 3091
19==
基波和各谐波的负载阻抗为：
Ω=⨯⨯+=+=04.9)02.0602(5)(22221πωL R Z
Ω=⨯⨯+=+=15.23)02.0606(5)3(22223πωL R Z Ω=⨯⨯+=+=25.38)02.06010(5)5(22225πωL R Z Ω=⨯⨯+=+=99.52)02.06014(5)7(22227πωL R Z Ω=⨯⨯+=+=01.68)02.06018(5)9(22229πωL R Z
基波和各谐波电流的有效值为：
A Z U I o o 88.2904.9270111===
, A Z U I o o 89.315.2390
333=== A Z U I o o 41.125.3854555===
， A Z U I o o 73.099.526
.38777=== A Z U I o o 44.001.6830
999===
基波和每种谐波的负载功率为：W R I P o o 1
.44642
11==, W R I P o o 7.752
33== W R I P o o 94.92
55==, W R I P o o 66.22
77==, W R I P o o 97.02
99==。