【正文】 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=p50U m sin wtdwt2U m=
?？梢?，所得到的 PWM 波形和期望得到的正弦波等效。根據(jù)面積等效原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。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(yīng)正弦波部分的中點重合，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。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。效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。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）。35第 7 章PWM 控制技術(shù)1．試說明 PWM 控制的基本原理。因為矩陣式變頻電路有十分良好的電氣性能，使輸出電壓和輸入電流均為正弦波，輸入功率因數(shù)為 1，且能量雙向流動，可實現(xiàn)四象限運行；其次，和目前廣泛應(yīng)用的交直交變頻電路相比，雖然多用了 6 個開關(guān)器件，卻省去直流側(cè)大電容，使體積減少，且容易實現(xiàn)集成化和功率模塊化。矩陣式變頻電路的主要優(yōu)點是：輸出電壓為正弦波；輸出頻率不受電網(wǎng)頻率的限制；輸入電流也可控制為正弦波且和電壓同相；功率因數(shù)為 1，也可控制為需要的功率因數(shù)；能量可雙向流動，適用于交流電動機的四象限運行；不通過中間直流環(huán)節(jié)而直接實現(xiàn)變頻，效率較高。10．試述矩陣式變頻電路的基本原理和優(yōu)缺點。因為梯形波的主要諧波成分是三次諧波，在線電壓中，三次諧波相互抵消，結(jié)果線電壓仍為正弦波。而在輸出星形聯(lián)結(jié)方式中，因為電動機中性點不和變頻器中性點接在一起，電動機只引三根線即可，但是因其三組單相交交變頻器的輸出聯(lián)在一起，其電源進線必須隔離，因此三組單相交交變頻器要分別用三個變壓器供電。兩種方式的主要區(qū)別在于：公共交流母線進線方式中，因為電源進線端公用，所以三組單相交交變頻電路輸出端必須隔離。主要用途：500 千瓦或 1000 千瓦以下的大功率、低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路，如軋機主傳動裝置、鼓風(fēng)機、球磨機等場合。7．交交變頻電路的主要特點和不足是什么？其主要用途是什么？答：交交變頻電路的主要特點是：只用一次變流，效率較高；可方便實現(xiàn)四象限工作；低頻輸出時的特性接近正弦波。當(dāng)電網(wǎng)頻率為 50Hz 時，交交變頻電路輸出的上限頻率為 20Hz 左右。6．交交變頻電路的最高輸出頻率是多少？制約輸出頻率提高的因素是什么？答：一般來講，構(gòu)成交交變頻電路的兩組變流電路的脈波數(shù)越多，最高輸出頻率就越高。單相交交變頻電路是將交流電變成不同頻率的交流電，通常用于交流電動機傳動，兩組可控整流電路在輸出交流電壓一個周期里，交替工作各半個周期，從而輸出交流電。5．單相交交變頻電路和直流電動機傳動用的反并聯(lián)可控整流電路有什么不同？答：單相交交變頻電路和直流電動機傳動用的反并聯(lián)可控整流電路的電路組成是相同的，均由兩組反并聯(lián)的可控整流電路組成。TSC 提供容性的無功功率，符合大多數(shù)無功功率補償?shù)男枰?。二者的特點是：TCR 只能提供感性的無功功率，但無功功率的大小是連續(xù)的。二者的基本原理如下：TCR 是利用電抗器來吸收電網(wǎng)中的無功功率（或提供感性的無功功率），通過對晶閘管開通角a角的控制，可以連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器的電流，從而調(diào)節(jié) TCR 從電網(wǎng)中吸收的無功功率的大小。4．什么是 TCR，什么是 TSC？它們的基本原理是什么？各有何特點？答：TCR 是晶閘管控制電抗器。交流調(diào)功電路常用于電爐溫度這樣時間常數(shù)很大的控制對象。采用交流調(diào)壓電路在變壓器一次側(cè)調(diào)壓，其電壓電流值都不太大也不太小，在變壓器二次側(cè)只要用二極管整流就可以了。如采用晶閘管相控整流電路，高電壓小電流可控直流電源就需要很多晶閘管串聯(lián)；同樣，低電壓大電流直流電源需要很多晶閘管并聯(lián)。在供用電系統(tǒng)中，還常用于對無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。而交流調(diào)功電路是將負載與交流電源接通幾個周波，再斷開幾個周波，通過改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負載所消耗的平均功率。 = 3．交流調(diào)壓電路和交流調(diào)功電路有什么區(qū)別？二者各運用于什么樣的負載？為什么？答：交流調(diào)壓電路和交流調(diào)功電路的電路形式完全相同，二者的區(qū)別在于控制方式不同。其中：I o = 2I VT =(A)于是可得出l =I o2 RU1I o= 180。247。 R + (wL) 2232。R = 231。 sin 180。此時，晶閘管電流有效值為I VT =U12p Zq sin q cos( 2a + j + q )cos j=2202p 180。 = 實際上，此時的功率因數(shù)也就是負載阻抗角的余弦，即④α=p2cosj=時，先計算晶閘管的導(dǎo)通角，由式（47）得sin(p2+)=sin(p2) eqtanj解上式可得晶閘管導(dǎo)通角為：θ==176。 απ③當(dāng)α=φ時，輸出電壓最大，負載電流也為最大，此時輸出功率最大，為Pomax= I2o max2220247。開通角α的變化范圍為：φ 163。 2 180。解：①負載阻抗角為：φ=arctan（wLR）=arctan（2p 180。312．一單相交流調(diào)壓器，電源為工頻 220V，阻感串聯(lián)作為負載，其中 R=，L=2mH。解：α=0 時的輸出電壓最大，為U omax =1p0(2U 1 sin wt) 2 dwt = U1此時負載電流最大，為I omax =U omaxR=U1R因此最大輸出功率為Pmax = U o max I o max =輸出功率為最大輸出功率的 80%時，有：U12RP = max =( 1) 2R此時，U o = 又由U o = U1sin 2a2p+p ap解得α=176。29此外，多相多重斬波電路還具有備用功能，各斬波單元之間互為備用，總體可靠性提高。解：需使電動機工作于反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)時，由 V3 和 VD3 構(gòu)成的降壓斬波電路工作，此時需要 V2 保持導(dǎo)通，與 V3 和 VD3 構(gòu)成的降壓斬波電路相配合。解：電流可逆斬波電路中，V1 和 VD1 構(gòu)成降壓斬波電路，由電源向直流電動機供電，電動機為電動運行，工作于第 1 象限；V2 和 VD2 構(gòu)成升壓斬波電路，把直流電動機的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊答伒诫娫?，使電動機作再生制動運行，工作于第 2 象限。另一方面，A 點的電壓平均值為U A = on U C ，且 L2 的電壓平均值為零，按圖 55b 中輸出電壓 Uo 的極性，有U o = on U C 。7．試繪制 Speic 斬波電路和 Zeta 斬波電路的原理圖，并推導(dǎo)其輸入輸出關(guān)系。因此，B 點電壓 uB 的平均值為U B =toffTU C （UC 為電容電壓 uC 的平均值），又因電感 L1 的電壓平均值為零，所以t tT TtT電壓 E 的關(guān)系：U o =tontoffE =tonT tonE =a1 aE兩個電路實現(xiàn)的功能是一致的，均可方便的實現(xiàn)升降壓斬波。假設(shè)電容 C 很大使電容電壓 uC 的脈動足夠小時。輸出電壓的極性與電源電壓極性相反。 u別流過電流。當(dāng) 0a 1/2 時為降壓，當(dāng) 1/2a 1 時為升壓，因此將該電路稱作升降壓斬波電路。穩(wěn)態(tài)時，一個周期 T 內(nèi)電感 L 兩端電壓 uL 對時間的積分為零，即T0Ld t = 0當(dāng) V 處于通態(tài)期間，uL = E；而當(dāng) V 處于斷態(tài)期間，uL = uo。此后，使 V 關(guān)斷，電感 L 中貯存的能量向負載釋放，電流為 i2，方向如圖 34 所示。答：升降壓斬波電路的基本原理：當(dāng)可控開關(guān) V 處于通態(tài)時，電源 E 經(jīng) V 向電感 L 供電使其貯存能量，此時電流為 i1，方向如圖 34 中所示。解：輸出電壓平均值為：Uo =TtoffE =4040 25180。 1，輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。設(shè) V 處于斷態(tài)的時間為toff，則在此期間電感 L 釋放的能量為 (U o E)I1toff 。248。e 247。247。e r 1U o E M 15 10232。 e 247。 1248。= 231。 m 247。 1 e 247。248。= 231。 1 e m 247。設(shè) V 處于通態(tài)的時間為 ton，此階段電感 L 上積蓄的能量為 EI 1ton 。答：假設(shè)電路中電感 L 值很大，電容 C 值也很大。 246。 e 1246。 3Uo = E = =15(V)T 20Io = = =10(A)R 230。 =(A)當(dāng) ton=3μs 時，采用同樣的方法可以得出：αρ=由于ea r 1 e 1=e 1=m所以輸出電流仍然連續(xù)。 1246。 e 1246。 =(A)230。 1 e 246。 1 e a r r246。此時輸出平均電壓為ea r 1 e 1==mUo =tonTE =100 180。當(dāng) ton=3μs 時，重新進行上述計算。解：由于 L 值極大，故負載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為Uo=tonTE =20 180。輸出電壓小于電源電壓，起到降壓的作用。一個周期內(nèi)的平均電壓 Uo＝tonton + toff180。答：降壓斬波器的原理是：在一個控制周期中，讓 V 導(dǎo)通一段時間 ton，由電源 E 向 L、R、M 供電，在此期間，uo＝E。并聯(lián)多重逆變電路多用于電流型逆變電路得多重化。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。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。8．逆變電路多重化的目的是什么？如何實現(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。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。uC13 降到零之后在 U 相負載電感的作用下，開始對 C13 反向充電。因放電電流恒為 Id，故稱恒流放電階段。以 VT1 和 VT3 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 VT3 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 VT1 被施以反向電壓而關(guān)斷。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。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。5. 三相橋式電壓型逆變電路，180176。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。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。因為反饋無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。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負載阻抗情況的不同而不同。直流側(cè)電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。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。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。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。通常是利用附加電容上的能量實現(xiàn)，也稱電容換流。負載換流：由負載提供換流電壓，當(dāng)負載為電容性負載即負載電流超前于負載電壓時，可實現(xiàn)負載換流。全控型器件采用此換流方式。而無源逆變電路的交流側(cè)直接和負載聯(lián)接。滿足上述關(guān)系的同步電壓相量圖及同步變壓器聯(lián)結(jié)形式如下兩幅圖所示。所以同步信號只要再滯后 150176。所以同步信號滯后 ua 180176。此時 Ud=0，處于整流和逆變的臨界點。解：整流變壓器接法如下圖所示ABCabc以 a 相為例，ua 的 1201