【導(dǎo)讀】第1章電力電子器件····················································1. 第2章整流電路·························································4. 第3章直流斬波電路··················································20. 第4章交流電力控制電路和交交變頻電路·······················26. 第5章逆變電路·······················································31. 第6章PWM控制技術(shù)················································35. 第7章軟開關(guān)技術(shù)·····················································40. 第8章組合變流電路··················································42. 流降到接近于零的某一數(shù)值以下，即降到維持電流以下，便可使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。均為Im，試計(jì)算各波形的電流平均值Id1、Id2、Id3與電流有效值I1、I2、I3。

　　

【正文】 用了 6 個開關(guān)器件，卻省去直流側(cè)大電容，使體積減少，且容易實(shí)現(xiàn)集成化和功率模塊化。隨著當(dāng)前 器件制造技術(shù)的飛速進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異，矩陣式變頻電路將有很好的發(fā)展前景。 31 第 5 章 逆變電路 1．無源逆變電路和有源逆變電路有何不同？ 答：兩種電路的不同主要是： 有源逆變電路的交流側(cè)接電網(wǎng)，即交流側(cè)接有電源。而無源逆變電路的交流側(cè)直接和負(fù)載聯(lián)接。 2．換流方式各有那幾種？各有什么特點(diǎn)？ 答：換流方式有 4 種： 器件換流： 利用全控器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。全控型器件采用此換流方式。 電網(wǎng)換流：由電網(wǎng)提供換流電壓，只要把負(fù)的電網(wǎng)電壓加在欲換流的器件上即可。 負(fù)載換流：由負(fù)載提供換流電壓，當(dāng)負(fù)載為電容性負(fù)載即負(fù)載電流超前于負(fù)載電壓時，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。 強(qiáng)迫換流：設(shè)置附加換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反向電壓換流稱為強(qiáng)迫換流。通常是利用附加電容上的能量實(shí)現(xiàn)，也稱電容換流。 晶閘管電路不能采用器件換流，根據(jù)電路形式的不同采用電網(wǎng)換流、負(fù)載換流和強(qiáng)迫換流 3 種方式。 3．什么是電壓型逆變電路？什么是電流型逆變電路？二 者各有什么特點(diǎn)。 答：按照逆變電路直流測電源性質(zhì)分類，直流側(cè)是電壓源的稱為逆變電路稱為電壓型逆變電路，直流側(cè)是電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路 電壓型逆變電路的主要特點(diǎn)是： ① 直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。 ② 由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。 ③ 當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供 通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。 電流型逆變電路的主要特點(diǎn)是： ① 直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當(dāng)于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。 ② 電路中開關(guān)器件的作用僅是改變直流電流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負(fù)載阻抗情況的 32 不同而不同。 ③ 當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時需要提供無功功率，直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用。因?yàn)榉答仧o功能量時直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。 4．電壓型逆變電路中反饋二極管的作 用是什么？為什么電流型逆變電路中沒有反饋二極管？ 答：在電壓型逆變電路中， 當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。當(dāng)輸出交流電壓和電流的極性相同時，電流經(jīng)電路中的可控開關(guān)器件流通，而當(dāng)輸出電壓電流極性相反時，由反饋二極管提供電流通道。 在電流型逆變電路中，直流電流極性是一定的，無功能量由直流側(cè)電感來緩沖。當(dāng)需要從交流側(cè)向直流側(cè)反饋無功能量時，電流并不反向，依然經(jīng)電路中的可控開關(guān)器件流通，因此不需要 并聯(lián)反饋二極管。 5. 三相橋式電壓型逆變電路， 180176。導(dǎo)電方式， Ud=100V。試求輸出相電壓的基波幅值 UUN1m和有效值 UUN輸出線電壓的基波幅值 UUV1m和有效值 UUV輸出線電壓中 5 次諧波的有效值 UUV5。 解：輸出相電壓的基波幅值為 ddUN 1 m 6 3 UUU ?? ?=(V) 輸出相電壓基波有效值為： dUN 1 mUN1 UUU ??=45(V) 輸出線電壓的基波幅值為 ddUV 1 m UUU ?? ?=110(V) 輸出線電壓基波的有效值 為 ddU V 1 mU V 1 UUUU ??? ?=78(V) 輸出線電壓中五次諧波 UV5u 的表達(dá)式為： tUu ?? 5sin532 dUV5 ? 其有效值為： ?25 32 dUV5 UU ?=(V) 33 6．并聯(lián)諧振式逆變電路利用負(fù)載電壓進(jìn)行換相，為保證換相應(yīng)滿足什么條件？ 答：假設(shè)在 t 時刻觸發(fā) VT VT 3 使其導(dǎo)通，負(fù)載電壓 uo 就通過 VT VT 3施加在 VT VT 4 上，使其承受反向電壓關(guān)斷，電流從 VT VT 4向 VT VT 3轉(zhuǎn)移，觸發(fā) VTVT 3 時刻 t 必須在 uo過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。 7．串聯(lián)二極管式電流型逆變電路中，二極管的作用是什么？試分析換流過程。 答：二極管的主要作用，一是為換流電容器充電提供通道，并使換流電容的電壓能夠得以保持，為晶閘管換流做好準(zhǔn)備；二是使換流電容的電壓能夠施加到換流過程中剛剛關(guān)斷的晶閘管上，使晶閘管在關(guān)斷之后能夠承受一定時間的反向電壓，確保晶閘管可靠關(guān)斷，從而確保晶閘管換流成功。以 VT 1 和 VT 3之間的換流為例，串聯(lián)二極管式電流型逆變電路的換流過程可簡述如下： 給 VT 3施加觸發(fā)脈 沖，由于換流電容 C13 電壓的作用，使 VT3導(dǎo)通，而 VT 1被施以反向電壓而關(guān)斷。直流電流 Id 從 VT 1 換到 VT 3上， C13通過 VD U相負(fù)載、 W 相負(fù)載、 VD VT 直流電源和 VT 3放電，如圖 516b 所示。因放電電流恒為 Id，故稱恒流放電階段。在 C13電壓 uC13下降到零之前， VT1 一直承受反壓，只要反壓時間大于晶閘管關(guān)斷時間 tq，就能保證可靠關(guān)斷。 uC13 降到零之后在 U 相負(fù)載電感的作用下，開始對 C13反向充電。如忽略負(fù)載中電阻的壓降，則在 uC13=0 時刻后，二極管 VD3 受到正向偏置而導(dǎo)通，開始流過電流 ，兩個二極管同時導(dǎo)通，進(jìn)入二極管換流階段，如圖 516c 所示。隨著 C13充電電壓不斷增高，充電電流逐漸減小，到某一時刻充電電流減到零， VD1承受反壓而關(guān)斷，二極管換流階段結(jié)束。 之后，進(jìn)入 VT VT3穩(wěn)定導(dǎo)通階段，電流路徑如圖 516d 所示。 8．逆變電路多重化的目的是什么？如何實(shí)現(xiàn)？串聯(lián)多重和并聯(lián)多重逆變電路各用于什么場合？ 答：逆變電路多重化的目的之一是使總體上裝置的功率等級提高，二是可以改善輸出電壓的波形。因?yàn)闊o論是電壓型逆變電路輸出的矩形電壓波，還是電流型逆變電路輸出的矩形電流波，都含有較 多諧波，對負(fù)載有不利影響，采用多重逆變電路，可以把幾個矩形波組合起來獲得接近正弦波的波形。 逆變電路多重化就是把若干個逆變電路的輸出按一定的相位差組合起來，使它們所含的某些主要諧波分量相互抵消，就可以得到較為接近正弦波的波形。組合方式有串聯(lián)多重和并聯(lián)多重兩種方式。串聯(lián)多重是把幾個逆變電路的輸出串聯(lián)起來，并聯(lián)多重是把幾個逆變電路的輸出并聯(lián)起來。 串聯(lián)多重逆變電路多用于電壓型逆變電路的多重化。 并聯(lián)多重逆變電路多用于電流型逆變電路得多重化。 34 第 6 章 PWM 控制技術(shù) 1．試說 明 PWM 控制的基本原理。 答： PWM 控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。 在采樣控制理論中有一條重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積。效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。上述原理稱為面積等效原理 以正弦 PWM 控制為例。把正弦半波分成 N 等份，就可把其看成是 N 個彼此相連的脈沖列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 π /N，但幅值不等且脈沖頂部不是水平直線而是曲線，各脈沖幅 值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，就得到 PWM 波形。各 PWM脈沖的幅值相等而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理， PWM 波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到 PWM 波形?？梢姡玫降?PWM 波形和期望得到的正弦波等效。 2．設(shè)圖 63 中半周期的脈沖數(shù)是 5，脈沖幅值是相應(yīng)正弦波幅值的兩倍，試按面積等效原理計(jì)算脈沖寬度。 解：將各脈沖的寬 度用 ?i（ i=1, 2, 3, 4, 5）表示，根據(jù)面積等效原理可得 ?1=m50 m2 dsinU ttU?? ??= 502cos ??t? =(rad)=(ms) ?2 =m525m2dsinUttU ?????= 5252cos ???t? =(rad)=(ms) ?3 =m5352 m2dsinUttU ?????= 53522cos ???t? =(rad)=(ms) 35 ?4 =m5453 m2dsinUttU ????? =?2 =(rad)=(ms) ?5 =m54 m2dsinUttU ????? =?1 =(rad)=(ms) 3. 單極性和雙極性 PWM調(diào)制有什么區(qū)別？三相橋式 PWM 型逆變電路中，輸出相電壓（輸出端相對于直流電源中點(diǎn)的電壓）和線電壓 SPWM 波形各有幾種電平？ 答：三角波載波在信號波正半周期或負(fù)半周期里只有單一的極性，所得的 PWM波形在半個周期中也只在單極性范圍內(nèi)變化，稱為單極性 PWM 控制方式 。 三角波載波始終是有正有負(fù)為雙極性的，所得的 PWM波形在半個周期中有正、有負(fù)，則稱之為雙極性 PWM控制方式。 三相橋式 PWM 型逆變電路中，輸出相電壓有兩種電平： Ud。輸出線電壓有三種電平 Ud、 0、 Ud。 4．特定諧波消去法的基本原理是什么？設(shè)半個信號波周期內(nèi)有 10 個開關(guān)時刻（不含 0 和 ??時刻）可以控制，可以消去的諧波有幾種？ 答：首先盡量使波形具有對稱性，為消去偶次諧波，應(yīng)使波形正負(fù)兩個半周期對稱，為消去諧波中的余弦項(xiàng)，使波形在正半周期前后 1/4 周期以 ??/2 為軸線對稱。 考慮到上述對稱性，半周期內(nèi)有 5個開關(guān)時刻可以控制。利用其中的 1個自由度控制基波的大小，剩余的 4 個自由度可用于消除 4 種頻率的諧波。 5．什么是異步調(diào)制？什么是同步調(diào)制？兩者各有何特點(diǎn)？分段同步調(diào)制有什么優(yōu)點(diǎn)？ 答： 載波信號和調(diào)制信號不保持同步的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制。在異步調(diào)制方式中，通常保持載波頻率 fc 固定不變，因而當(dāng)信號波頻率 fr 變化時，載波比 N 是變化的。 異步調(diào)制的主要特點(diǎn)是： 在信號波的半個周期內(nèi)， PWM 波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后 1/4 周期的脈沖也不對稱。 這樣，當(dāng)信號波頻率較低時，載波比 N 較大，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)較多，正負(fù)半周期脈沖不對稱和半周期內(nèi)前后 1/4 周期脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小， PWM 波形接近正弦波。 而當(dāng)信號波頻率增高時，載波比 N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少， PWM 脈沖不對稱的影響就變大，有時信號波的微小變化還會產(chǎn)生 PWM 脈沖的跳動。這就使得輸 36 出 PWM 波和正弦波的差異變大。對于三相 PWM 型逆變電路來說，三相輸出的對稱性也變差。 載波比 N等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步的方式稱為同步調(diào)制。 同步調(diào)制的主要特點(diǎn)是 ： 在同步調(diào)制方式中，信號波頻率變化時載波比 N 不變，信號波一個周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。 當(dāng)逆變電路輸出頻率很低時，同步調(diào)制時的載波頻率 fc也很低。 fc過低時由調(diào)制帶來的諧波不易濾除。當(dāng)負(fù)載為電動機(jī)時也會帶來較大的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲。 當(dāng)逆變電路輸出頻率很高時，同步調(diào)制時的載波頻率 fc會過高，使開關(guān)器件難以承受。 此外，同步調(diào)制方式比異步調(diào)制方式復(fù)雜一些。 分段同步調(diào)制是把逆變電路的輸出頻率劃分為若干段，每個頻段的載波比一定，不同頻段采用不同的載波比。其優(yōu)點(diǎn)主要是，在高頻段采用較低的載波比 ，使載波頻率不致過高，可限制在功率器件允許的范圍內(nèi)。而在低頻段采用較高的載波比，以使載波頻率不致過低而對負(fù)載產(chǎn)生不利影響。 6．什么是 SPWM 波形的規(guī)則化采樣法？和自然采樣法比規(guī)則采樣法有什么優(yōu)點(diǎn)？ 答： 規(guī)則采樣法是一種在采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)時實(shí)用的 PWM 波形生成方法。規(guī)則采樣法是在自然采樣法的基礎(chǔ)上得出的。規(guī)則采樣法的基本思路是：取三角波載波兩個正峰值之間為一個采樣周期。使每個 PWM脈沖的中點(diǎn)和三角波一周期的中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）重合，在三角波的負(fù)峰時刻對正弦信號波采樣而得到正弦波的值，用幅值與該正弦波值相等 的一條水平直線近似代替正弦信號波，用該直線與三角波載波的交點(diǎn)代替正弦波與載波的交點(diǎn)，即可得出控制功率開關(guān)器件通斷的時刻。 比起自然采樣法，規(guī)則采樣法的計(jì)算非常簡單，計(jì)算量大大減少，而效果接近自然采樣法，得到的 SPWM 波形仍然很接近正弦波，克服了自然采樣法難以在實(shí)時控制中在線計(jì)算，在工程中實(shí)際應(yīng)用不多的缺點(diǎn)。 7．單相和三相 SPWM 波形中，所含主要諧波頻率為多少？ 答：單相 SPWM 波形中所含的諧波頻率為： rc ?? kn ? 式中， n=1,3,5,…時， k=0,2,4, … ； n=2,4,6,…時， k=1,3,5, … 在上述諧波中，幅值最高影響最大的是角頻率為 ?c的諧波分量。 三相 SPWM 波形中所含的諧波頻率為： 37 rc ?? kn ? 式中， n=1,3,5,…時， k=3(2m1)177。 1， m=1,2,…； n=2,4,6,…時，??? ?? ??? ??,2,116 ,1,016 mm mmk 在上述諧波中，幅值較高的是 ?c177。 2? r 和 2??c1