电力电子学习题及解答

1第1章复习题及思考题解答1.电力技术、电子技术和电力电子技术三者所涉及的技术内容和研究对象是什么？三者的技术发展和应用主要依赖什么电气设备和器件？答：电力技术涉及的技术内容是发电、输电、配电及电力应用。其研究对象是发电机、变压器、电动机、输配电线路等电力设备，以及利用电力设备来处理电力电路中电能的产生、传输、分配和应用问题。其发展依赖于发电机、变压器、电动机、输配电系统。其理论基础是电磁学(电路、磁路、电场、磁场的基本原理)，利用电磁学基本原理处理发电、输配电及电力应用的技术统称电力技术。电子技术，又称为信息电子技术或信息电子学，其研究内容是电子器件以及利用电子器件来处理电子电路中电信号的产生、变换、处理、存储、发送和接收等问题。其研究对象是载有信息的弱电信号的变换和处理。其发展依赖于各种电子器件（二极管、三极管、MOS管、集成电路、微处理器、电感、电容等）。电力电子技术是一门综合了电子技术、控制技术和电力技术的新兴交叉学科。它涉及电力电子变换和控制技术，包括电压（电流）的大小、频率、相位和波形的变换和控制。研究对象是半导体电力开关器件及其组成的电力开关电路，包括利用半导体集成电路和微处理器芯片构成的信号处理和控制系统。电力电子技术的发展和应用主要依赖于半导体电力开关器件。2.为什么三相交流发电机或公用电网产生的恒频、恒压交流电，经电压、频率变换后再供负载使用，有可能获得更大的技术经济效益？答：用电设备的类型、功能千差万别，对电能的电压、频率、波形要求各不相同。为了满足一定的生产工艺和流程的要求，确保产品质量、提高劳动生产率、降低能源消耗、提高经济效益，若能将电网产生的恒频、恒压交流电变换成为用电负载的最佳工况所需要的电压、频率或波形，则有可能获得更大的技术经济效益。例如：若风机、水泵全部采用变频调速技术，每年全国至少可以节省几千万吨的煤，或者可以少兴建千万千瓦以上的发电站。若采用高频电力变换器对荧光灯供电，不仅电-光转换效率进一步提高、光质显著改善、灯管寿命延长3～5倍、节电50%，而且其重量仅为工频电感式镇流器的10%。高频变压器重量、体积比工频变压器小得多，可以大大减小钢、铜的消耗量。特别在调速领域，与古老的变流机组相比，在钢铜材消耗量、重量、体积、维护、效率、噪音、控制精度和响应速度等方面优势明显。3.开关型电力电子变换有哪四种基本类型？答：有如下四种电力变换电路或电力变换器，如图1.2所示：(1)交流（AC）/直流（DC）整流电路或整流器；(2)直流（DC）/交流（AC）逆变电路或逆变器；2(3)直流（DC）/直流（DC）电压变换电路，又叫直流斩波电路、直流斩波器；(4)交流（AC）/交流（AC）电压和/或频率变换电路：仅改变电压的称为交流电压变换器或交流斩波器，频率、电压均改变的称为直接变频器。4.图1.6(a)所示的开关电路实现DC/AC逆变变换的基本原理是什么？从开关电路的输出端C、D能否直接获得理想的正弦基波电压？直流电源输出到开关电路输入端A、B的直流电流是否为无脉动连续的直流电流？答：（1）DC/AC逆变电路的可以采用三种控制方案：A、180°方波；B、小于180°单脉冲方波；C、PWM控制。基本原理分别如下：A、180°方波。当要求输出交流电的频率为f时，在半周期fT2/12/内使S1、S4导通，S2、S3阻断，则逆变电路输出电压OCDDvvV；令随后的2/T时间内S2、S3导通，S1、S4阻断，则逆变电路输出电压为负的电源电压（DV）。因此Ov是频率为f、幅值为DV的交流方波电压，如图1.6(b)所示。对Ov进行傅里叶分解，得到其基波电压有效值为1DD4/2π22/πVVV，大小取决于直流电源的电压；基波角频率2π2π/fT，取决于开关的工作频率。其中含有大量的高次谐波经LC滤去后，负载可获得正弦交流基波电压1v。B、小于180°单脉冲方波。类似180°方波控制，但是仅在半周的一部分时间onT内让相应的开关导通，则OCD()vv将是导电时间小于/2T，导电宽度角小于π的矩形波，如图图1.2电力变换类型CdVDLdiD31.6(c)所示进行傅里叶分解，得到基波电压有效值为D1D4122sinsinπ2π22VVV或1Don22sin(π/)πVVTT。显然，控制导通时间可以控制输出电压基波大小，而输出电压的频率f仍取决于开关工作频率。C、若采用高频开关PWM控制策略，则交流输出电压Ov为图1.6(d)所示的脉冲宽度调制（PWM）的交流电压，输出电压波形Ov更接近正弦波且其中谐波电压的频率较高，只需要很小的LC滤波就可得到正弦化的交流电压。其性能远优于单脉波的方波逆变方案。（2）不能直接获得理想的正弦基波电压。（3）是有脉动非连续的直流电流，正因为这样，所以在直流侧串联了ddLC滤波器。5.开关型电力电子变换器有那些基本特性？答：（1）变换器的核心是一组开关电路，开关电路输出端电压和开关电路输入端电流都不可能是理想的直流或无畸变的正弦基波交流，含有高次谐波；（2）要改善变换电路的输出电压和输入电流的波形，可以在其输出、输入端附加LC滤波电路；但是最有效方法是采用高频PWM控制技术；（3）电力电子变换器工作时，开关器件不断进行周期性通、断状态的依序转换，为使输出电压接近理想的直流或正弦交流，一般应对称地安排一个周期中不同的开关状态及持续时间。因此对其工作特性的常用分析方法或工具是：开关周期平均值（状态空间平均法）和傅里叶级数。6.开关型电力变换器有哪两类应用领域？说明开关型电力电子补偿控制器能输出指令所要求的任意频率、波形的电压、电流的基本原理。答：（1）开关型电力变换器按功能可分为两大应用领域：A、开关型电力电子变换电源或简称开关电源，由半导体开关电路将输入电源变换为另一种电源给负载供电。这一类应用现在已经十分广泛。B、开关型电力电子补偿控制器，它又分为电压、电流（有功功率、无功功率）补偿控制器和阻抗补偿控制器。它们或向电网输出所要求的补偿电压或电流，或改变并联接入、串联接入交流电网的等效阻抗，从而改善电力系统的运行特性和运行经济性。这类应用将推进电力系统的革命及电力电子技术的发展。（2）开关型电力电子补偿控制器能输出指令所要求的任意频率、波形的电压、电流的基本4原理如下：图1.10(a)电路中，周期性的控制4个开关管的通、断状态，在一个开关周期KT中，可输出图1.10（b）所示的PWM矩形波电压O()()vtLMNR，在onKTDT期间电压ABD()vtV，在offKonK(1)TTTDT期间AB()0vt。在一个周期时期KT中，O()vt的平均值为ODonKD/VVTTDV，即图中矩形波电压EFHG。若开关管通、断状态转换的开关频率KK1/fT很高，即周期KT很小，则实际输出脉宽为onT，幅值为DV的电压()LMNR与脉宽为KT，幅值为平均值电压D()DVEFHG都是历时很短的脉冲电压。LdIdiAB(t)vAB(t)+-vo(t)io(t)(a)???TonToffVDVo=DVDMNFELRGHTon=DTKToffTonTK=Ton+TofftK(b)??????FHEGLRtKTonVo*(t)VDVo(tK)=DVDtMNTK(c)Vo(tK)??Vo*(t)??SCLRSS(d)??????图1.10开关型电力电子补偿控制器采样控制理论中的脉冲量等效原理是：两个波形不同的窄脉冲电压1()()vtLMNR、2()()vtEFHG，只要在同一时期KT中，其脉冲量积分值()dvtt相等，则它们作用于同一个惯性系统，如RL电路时的响应是等效的，因此开关电路在整个开关周期KT时期中输出的O()vt可等效为幅值为DDV，历时KT的电压瞬时值()EFHG。如果要求开关电路输出图1.10（c）中*O()vt所示波形的指令电压，即在Ktt瞬间指令电压为*OK()vt，则在以Kt点为5中心的一个开关周期KT中，控制开关管的通、断状态及其导通、关断时间，使占空比KonK()/DtDTT，平均电压*OOKDDonKOK()()()/()VtVtDtVVTTVt，即KT周期中的占空比*OKD()()/DtVtV，以此控制图1.10（a）中1234SSSS、、、的通断状态，使onK=()TDtT，offK[1]TDtT（），即可使输出电压跟踪任意频率、波形、相位的指令电压值*O()vt。采用图1.10（a）所示开关型变流器也能向电网输出任意波形的指令电流*O()it。为此，原理上只要在控制系统中设置一个电流闭环控制环节，实时检测输出电流O()it并与指令值*O()it相比较，将差值*OO()()iitit经电流调节器输出一个控制电压CV，调控占空比D，当*OO()()itit时，控制电压CV增大，使D增大，导致O()Vt加大，O()it加大，使O()it跟踪*O()it，达到*OO()()itit。反之，当*OO()()itit时，控制电压CV减小，使占空比D减小，O()Vt减小，O()it减小，O()it跟踪指令值*O()it，达到*OO()()itit。因此，只要根据指令电流*O()it的正、负数值，实时、适式地调控各开关管的通、断状态及相应的占空比D值，就可使开关电路输出指令所要求的任意频率、波形、相位的电流O()it。6第2章复习题及思考题解答1.说明半导体PN结单向导电的基本原理和静态伏-安特性。答：PN结——半导体二极管在正向电压接法下（简称正偏），外加电压所产生的外电场eE与内电场iE方向相反，因此PN结的内电场被削弱。内电场iE所引起的多数载流子的漂移运动被削弱，多数载流子的扩散运动的阻力减小了，扩散运动超过了反方向的漂移运动。大量的多数载流子能不断地扩散越过交界面，P区带正电的空穴向N区扩散，N区带负电的电子向P区扩散。这些载流子在正向电压作用下形成二极管正向电流。二极管导电时，其PN结等效正向电阻很小，管子两端正向电压降仅约1V左右（大电流硅半导体电力二极管超过1V，小电流硅二极管仅0.7V，锗二极管约0.3V）。这时的二极管在电路中相当于一个处于导通状态（通态）的开关。PN结——半导体二极管在反向电压接法下（简称反偏）外加电压所产生的外电场eE与原内电场iE方向相同。因此外电场使原内电场进一步增强。多数载流子（P区的空穴和N区的电子）的扩散运动更难于进行。这时只有受光、热激发而产生的少数载流子（P区的少数载流子电子和N区的少数载流子空穴）在电场力的作用下产生漂移运动。因此反偏时二极管电流极小。在一定的温度下，二极管反向电流RI在一定的反向电压范围内不随反向电压的升高而增大，为反向饱和电流SI。因此半导体PN结呈现出单向导电性。其静态伏-安特性曲线如图2.3曲线①所示。但实际二极管静态伏-安特性为图2.3的曲线②。二极管正向导电时必须外加电压超过一定的门坎电压thV（又称死区电压），当外加电压小于死区电压时，外电场还不足以削弱PN结内电场，因此正向电流几乎为零。硅二极管的门坎电压约为0.5V，锗二极管约为0.2V，当外加电压大于thV后内电场被大大削弱，电流才会迅速上升。二极管外加反向电压时仅在当外加反向电压RV不超过某一临界击穿电压值RBRV时才会使反向电流RI保持为反向饱和电流SI。实际二极管的反向饱和电流SI是很小的，但是当外加反向电压RV超过RBRV后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。2.说明二极管的反向恢复特性。答：由于PN结间存在结电容C，二极管从导通状态（C值很大存储电荷多）转到截止7阻断状态时，PN结电容存储的电荷Q并不能立即消失，二极管电压仍为DV≈1～2V，二极管仍然具有导电性，在反向电压作用下，反向电流从零增加到最大值，反向电流使存储电荷逐渐消失，二极管两端电压DV降为零。这时二极管才恢复反向阻断电压的能力而处于截止状态，然后在反向电压作用下，仅流过很小的反向饱和电流SI。因此，二极管正向导电电流为零后它并不能立即具有阻断反向电压的能力，必须再经历一段反向恢