電力電子學習題及解答 - 下載本文

14. 具有中間交流環節變壓器隔離的半橋、全橋和推挽型DC/AC-AC/DC變換器各有哪些優點?

答:三種變換器都有高頻隔離變壓器,輸入輸出側實現了電氣隔離,高頻變壓器體積、重量小;輸出LC濾波器主要濾除高頻諧波,LC濾波器比較小;主電路高頻開關可以采用軟開關工作模式,從而減小開關損耗;輸出既可以實現升壓又可以實現降壓,電壓調控范圍寬。

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第4章 復習題及思考題解答

1. 逆變器輸出波形的諧波系數HF與畸變系數DF有何區別?為什么僅從諧波系數HF還不足以說明逆變器輸出波形的品質?

答: 第n次諧波系數HFn為第n次諧波分量有效值同基波分量有效值之比,即

1HFn?Vn/V1;總諧波系數THD定義為:THD?V11??Vn2?DF???(2)?V1?n?2,3,4n?12n?2,3,4??Vn2;畸變系數DF定義為:

VnHFn?。 n2?V1n2,對于第n次諧波的畸變系數DFn有:DFn? 諧波系數HF顯示了諧波含量,但它并不能反映諧波分量對負載的影響程度。很顯然,

逆變電路輸出端的諧波通過濾波器時,高次諧波將衰減得更厲害,畸變系數DF可以表征經LC濾波后負載電壓波形還存在畸變的程度。

2. 為什么逆變電路中晶閘管SCR不適于作開關器件?

答: (1)逆變電路中一般采用SPWM控制方法以減小輸出電壓波形中的諧波含量,需要開關器件工作在高頻狀態,SCR是一種低頻器件,因此不適合這種工作方式。

(2)SCR不能自關斷。而逆變器的負載一般是電感、電容、電阻等無源元件,除了特殊場合例如利用負載諧振進行換流,一般在電路中需要另加強迫關斷回路才能關斷SCR,電路較復雜。因此SCR一般不適合用于逆變器中。

3. 圖4.2(a)和4.3(a)中的二極管起什么作用,在一個周期中二極管和三極管導電時間由什么因素決定,在什么情況下可以不用二極管D?純感性負載時,負載電流為什么是三角形?

圖4.2 單相半橋逆變電路及電壓、電流波形 圖4.3 單相橋式逆變電路及電壓、電流波形

答:圖中二極管起續流和箝位作用,在一個周期中二極管和晶體管導電時間由三極管驅動信號和負載電流ia的方向共同決定,在純阻性負載時可以不用二極管D。

純電感負載時,L

dia?vab(或van),在0≤t?T0/2期間,對于全橋逆變電路有dt17

vab?VD,ia線性上升;對半橋電路van?VD/2,在T0/2≤t?T0期間,全橋電路vab??VD,

半橋有van??VD/2,ia線性下降;故電流ia是三角波。

4. 有哪些方法可以調控逆變器的輸出電壓。

答:有單脈波脈寬調制法、正弦脈寬調制法(SPWM)、基波移相控制法等。單脈波脈寬調制法缺點是諧波含量不能有效控制;SPWM法既可控制輸出電壓的大小,又可消除低次諧波;移相控制一般用于大功率逆變器。

5. SPWM的基本原理是什么?載波比N和電壓調制系數M的定義是什么?在高頻載波電壓幅值Vcm和頻率fc恒定不變時,改變調制參考波電壓幅值Vrm和頻率fr為什么能改變逆變器交流輸出基波電壓V1的大小和基波頻率f1?如果要改變輸出基波的相位應該如何調控? 答:正弦脈寬調制SPWM的基本原理是沖量等效原理:大小、波形不相同的窄變量作用于慣性系統時,只要其沖量即變量對時間的積分相等,其作用效果基本相同。如果將正弦波周期分成多個較小的時間段,使PWM電壓波在每一時間段都與該段的正弦電壓沖量相等,則不連續的按正弦規律改變寬度的多段波電壓就等效于正弦電壓。

載波比N定義為三角載波頻率fc和正弦調制波頻率fr之比:N?fc/fr;電壓調制系

/數M是正弦調制波幅值Vrm和三角波幅值Vcm之比M?VrmVc。

V1m?MVd?(Vrm/Vcm)Vd,M≤1,改變調制比M,即可成比例的調控輸出電壓的基波大

小。又因為f1?fr,所以改變調制波頻率fr,即可調控輸出電壓的基波頻率f1,改變調制波電壓幅值Vrm可以改變調制比M,從而可以改變交流輸出基波電壓V1的大小。如果要改變輸出基波的相位,僅需改變正弦調制波的相位即可。

6. SPWM調制中,設載波比遠大于基波頻率且不過調制。當調制比相同但載波比不同時,兩種情況下逆變器輸出基波電壓是否有所不同?哪種情況下輸出電壓的諧波頻率更低?

答:SPWM調制中,當載波比遠大于基波頻率且不過調制,如果調制比相同但載波比不同時,由于V1m?MVd,因此兩種情況下輸出基波電壓是一致的。但是兩種情況下輸出電壓的諧波是有差異的,而且較小載波比對應的輸出電壓諧波頻率更低。

7. SPWM出現過調制時,其輸出電壓有哪些特點?

答:對于SPWM,當出現過調制時,對應的調制比M?1,此時正弦調制波幅值超過三角載波幅值,可能在多個載波周期內都和三角波沒有交點,開關頻率會急劇下降,同時等效

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調制波不再是原來的理想正弦波,而是在正弦波峰處出現平頂的波形,由于

V1m?MVd?(Vrm/Vcm)Vd,因此逆變器輸出電壓波形也是正弦波峰處出現平頂的波形,該

波形含有很多低頻諧波分量,當然對應的輸出電壓基波分量比沒有過調制時要大一些。

8. 為什么在載波比較低的應用中希望用同步調制?

答:進行SPWM調制時,通常令載波比為整數,這種調制方式稱為同步調制。當載波比不是整數時,稱為異步調制。在異步調制時諧波的頻率一般不再是基波的整數倍,這種非基波整數倍頻的諧波被稱為次諧波。如果載波比較高,次諧波的頻率也較高,次諧波的影響可以不用單獨考慮。但在載波比很低的應用場合,由于載波頻率離基波頻率很近,所以載波頻率處的邊頻帶諧波將會延伸到很低的頻段,有可能產生低于基波頻率甚至接近零赫茲的次諧波。這種低頻次諧波很難濾除,而且對裝置運行非常不利。所以低載波比的應用場合必須使用同步調制,而且最好令載波比是奇數,因為奇數載波比可以保證最低次諧波至少是三倍基波頻率。

9. 單級倍頻SPWM中,如果僅用一個三角載波vc,兩個橋臂分別使用反相的正弦參考波vr和?vr,是否可以獲得圖4.11所示的相同調制效果?如果可以,應該如何控制開關管的驅動脈沖?

答:在單級倍頻SPWM中,如果僅用一個三角載波vc,兩個橋臂分別使用反相的正弦參考波vr和?vr,可以獲得圖4.11所示的相同調制效果。開關管驅動脈沖按照下圖產生。

正弦波vr三角波vc+_A-1VG1,T1VG2,T2-1_+B-1VG4,T4VG3,T3

10. 推導單極性規則采樣調制時的占空比計算公式。

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答:如下圖所示,為單極性倍頻不對稱規則采樣時的過程圖,vr與?vr是調制波,vc是周期為TS幅值為?Vcm的三角波。在采樣周期的起始時刻t1取樣調制波的大小vr(t1)與

?vr(t1),并以vr(t1) 與?vr(t1)分別為高作水平線,該水平線和載波的交點時刻對應脈沖的

前沿時刻ta與t4。在采樣周期的中點時刻t2取樣調制波的大小vr(t2)與?vr(t2),并以vr(t2) 與?vr(t2)為高作水平線,該水平線和載波的交點時刻對應脈沖的后沿時刻tb與t5。由圖可知:Ta?TSvr(t1)Tv(t)Tv(t)? ,Tb?S?r2 ,相應的占空比為:Da?a?r1,2vcm2vcmTs/2vcmDb?Tbv(t)?r2。 TS/2vcm一般情況下,Ta?Tb,所以每個采樣周期內的脈沖波形相對于采樣周期中點時刻t2是不對稱的,故稱之為不對稱規則采樣。有時候在一個采樣周期內僅在t1或t2時刻進行一次采樣,該采樣值既用于計算Ta也用于計算Tb,這時的脈沖波形顯然對于采樣周期的中點時刻t2對稱,故稱為對稱規則采樣。

Ts/2 vr t o t1 ta t4 t2 t5 -vr Ta vc Tb t o

11. 試說明三相電壓型逆變器SPWM輸出電壓閉環控制的基本原理。

答: 引入了逆變器輸出電壓的閉環反饋調節控制系統如下圖所示,V1為輸出基波電壓有效值的指令值,V1為輸出基波電壓有效值的實測反饋值。電壓偏差經電壓調節器VR輸出調制電壓波的幅值Vrm。Vrm與調制波的頻率fr共同產生三相調制波正弦電壓

*Ts/2 tb t3 20





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