【正文】 章 PWM控制技術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行調(diào)制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(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，使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積（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。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形?？梢?，所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。2．設圖63中半周期的脈沖數(shù)是5，脈沖幅值是相應正弦波幅值的兩倍，試按面積等效原理計算脈沖寬度。解：將各脈沖的寬度用di（i=1, 2, 3, 4, 5）表示，根據(jù)面積等效原理可得d1== =(rad)=(ms)d2 == =(rad)=(ms)d3 == =(rad)=(ms)d4 ==d2 =(rad)=(ms)d5 ==d1 =(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為雙極性的，所得的PWM波形在半個周期中有正、有負，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？設半個信號波周期內(nèi)有10個開關時刻（不含0和p 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，應使波形正負兩個半周期對稱，為消去諧波中的余弦項，使波形在正半周期前后1/4周期以p /2為軸線對稱。考慮到上述對稱性，半周期內(nèi)有5個開關時刻可以控制。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？分段同步調(diào)制有什么優(yōu)點？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。當負載為電動機時也會帶來較大的轉矩脈動和噪聲。當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，使開關器件難以承受。此外，同步調(diào)制方式比異步調(diào)制方式復雜一些。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？答：規(guī)則采樣法是一種在采用微機實現(xiàn)時實用的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脈沖的中點和三角波一周期的中點（即負峰點）重合，在三角波的負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代替正弦波與載波的交點，即可得出控制功率開關器件通斷的時刻。比起自然采樣法，規(guī)則采樣法的計算非常簡單，計算量大大減少，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時控制中在線計算，在工程中實際應用不多的缺點。 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：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wc的諧波分量。 三相SPWM波形中所含的諧波頻率為：式中， n=1,3,5,…時，k=3(2m1)177。1，m=1,2,…； n=2,4,6,…時，在上述諧波中，幅值較高的是wc177。2w r和2w c177。w r。 8．如何提高PWM逆變電路的直流電壓利用率？答：采用梯形波控制方式，即用梯形波作為調(diào)制信號，可以有效地提高直流電壓的利用率。 對于三相PWM逆變電路，還可以采用線電壓控制方式，即在相電壓調(diào)制信號中疊加3的倍數(shù)次諧波及直流分量等，同樣可以有效地提高直流電壓利用率。 9．什么是電流跟蹤型PWM變流電路？采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型變流器有何特點？ 答：電流跟蹤型PWM變流電路就是對變流電路采用電流跟蹤控制。也就是，不用信號波對載波進行調(diào)制，而是把希望輸出的電流作為指令信號，把實際電流作為反饋信號，通過二者的瞬時值比較來決定逆變電路各功率器件的通斷，使實際的輸出跟蹤電流的變化。 采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型變流器的特點： ①硬件電路簡單； ②屬于實時控制方式，電流響應快； ③不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波分量； ④與計算法和調(diào)制法相比，相同開關頻率時輸出電流中高次諧波含量較多；⑤采用閉環(huán)控制。10．什么是PWM整流電路？它和相控整流電路的工作原理和性能有何不同？ 答：PWM 整流電路就是采用PWM控制的整流電路，通過對PWM整流電路的適當控制，可以使其輸入電流十分接近正弦波且和輸入電壓同相位，功率因數(shù)接近1。相控整流電路是對晶閘管的開通起始角進行控制，屬于相控方式。其交流輸入電流中含有較大的諧波分量，且交流輸入電流相位滯后于電壓，總的功率因數(shù)低。PWM整流電路采用SPWM控制技術，為斬控方式。其基本工作方式為整流，此時輸入電流可以和電壓同相位，功率因數(shù)近似為1。PWM整流電路可以實現(xiàn)能量正反兩個方向的流動，即既可以運行在整流狀態(tài)，從交流側向直流側輸送能量；也可以運行在逆變狀態(tài)，從直流側向交流側輸送能量。而且，這兩種方式都可以在單位功率因數(shù)下運行。此外，還可以使交流電流超前電壓90176。，交流電源送出無功功率，成為靜止無功功率發(fā)生器?；蚴闺娏鞅入妷撼盎驕笕我唤嵌萰 。 11．在PWM整流電路中，什么是間接電流控制？什么是直接電流控制？答：在PWM整流電路中，間接電流控制是按照電源電壓、電源阻抗電壓及PWM整流器輸入端電壓的相量關系來進行控制，使輸入電流獲得預期的幅值和相位，由于不需要引入交流電流反饋，因此稱為間接電流控制。 直接電流控制中，首先求得交流輸入電流指令值，再引入交流電流反饋，經(jīng)過比較進行跟蹤控制，使輸入電流跟蹤指令值變化。因為引入了交流電流反饋而稱為直接電流控制第8章 軟開關技術 1．高頻化的意義是什么？為什么提高開關頻率可以減小濾波器的體積和重量？為什么提高關頻率可以減小變壓器的體積和重量？答：高頻化可以減小濾波器的參數(shù)，并使變壓器小型化，從而有效的降低裝置的體積和重量。使裝置小型化，輕量化是高頻化的意義所在。提高開關頻率，周期變短，可使濾除開關頻率中諧波的電感和電容的參數(shù)變小，從而減輕了濾波器的體積和重量；對于變壓器來說，當輸入電壓為正弦波時，U=，當頻率f提高時，可減小N、S參數(shù)值，從而減小了變壓器的體積和重量。 2．軟開關電路可以分為哪幾類？其典型拓撲分別是什么樣子的？各有什么特點？答：根據(jù)電路中主要的開關元件開通及關斷時的電壓電流狀態(tài)，可將軟開關電路分為零電壓電路和零電流電路兩大類；根據(jù)軟開關技術發(fā)展的歷程可將軟開關電路分為準諧振電路，零開關PWM電路和零轉換PWM電路。 準諧振電路：準諧振電路中電壓或電流的波形為正弦波，電路結構比較簡單，但諧振電壓或諧振電流很大，對器件要求高，只能采用脈沖頻率調(diào)制控制方式。 零電壓開關準諧振電路的基本開關單元 零電流開關準諧振電路的基本開關單元 零開關PWM電路：這類電路中引入輔助開關來控制諧振的開始時刻，使諧振僅發(fā)生于開關過程前后，此電路的電壓和電流基本上是方波，開關承受的電壓明顯降低，電路可以采用開關頻率固定的PWM控制方式。 零電壓開關PWM電路的基本開關單元 零電流開關PWM電路的基本開關單元 零轉換PWM電路：這類軟開關電路還是采用輔助開關控制諧振的開始時刻，所不同的是，諧振電路是與主開關并聯(lián)的，輸入電壓和負載電流對電路的諧振過程的影響很小，電路在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)并從零負載到滿負載都能工作在軟開關狀態(tài)，無功率的交換被消減到最小。 零電壓轉換PWM電路的基本開關單元 零電流轉換PWM電路的基本開關單元 3．在移相全橋零電壓開關PWM電路中，如果沒有諧振電感Lr，電路的工作狀態(tài)將發(fā)生哪些變化，哪些開關仍是軟開關，哪些開關將成為硬開關？答: 如果沒有諧振電感Lr，電路中的電容CS1，C S2與電感L仍可構成諧振電路，而電容C S3，C S4將無法與Lr構成諧振回路，這樣，S、S將變?yōu)橛查_關，S、S仍為軟開關。 4．在零電壓轉換PWM電路中，輔助開關S1和二極管VD1是軟開關還是硬開關，為什么？答：在S1開通時，uS1 不等于零；在S1關斷時，其上電流也不為零，因此S1為硬開關。由于電感Lr的存在，S1開通時的電流上升率受到限制，降低了S1的開通損耗。由于電感Lr的存在，使VD1的電流逐步下降到零，自然關斷，因此VD1為軟開關。第9章 電力電子器件應用的共性問題略第10章 電力電子技術的應用