2003年西理工电力电子技术答案

请你坚信，有梦想、负重行，行必有果！试题编号814西安理工大学2003年攻读硕士学位研究生入学考试命题纸考试科目电力电子技术使用试题学科、专业电气工程一.（共25分，第一题20分，第二题5分）1.从以下叙述中选择合适的答案：写出电力电子器件SCR、GTO、IGBT和MOSFET的各自特点：a）单管容量大、较大、较小。b）驱动功率大、较大、较小。c）导通损耗大、较大、较小。d）工作频率高、较高、较低。e）导通和关断均可控、导通可控/关断不可控、关断可控/导通不可控。答：SCR：单管容量大、驱动功率大、导通损耗大、工作频率较低、导通可控/关断不可控；GTO：单管容量大、驱动功率大、导通损耗大、工作频率较低、导通和关断均可控；IGBT：单管容量小、驱动功率小、导通损耗较小、工作频率高、导通和关断均可控；MOSFET：单管容量小、驱动功率小、导通损耗较小、工作频率高、导通和关断均可控；2.全控型电力电子器件的缓冲（吸收）电路多采用RCD型，请画出相应的电路，并扼要说明该电路的工作原理。答：关断缓冲电路，如右图所示：：R限制了开关开通时C的放电电流；C具有缓冲能量的作用，吸收过电压，限制du/dt；VD可以在开关关断时将R短路，增大过电压保护效果。开通缓冲电路，如右图所示：Ls限制了电流的上升速率；Rs在开关关断后，使续流电流下降；VD可以在开关开通时隔离旁路Rs。二．（50分）三相全控桥式晶闸管整流电路，阻感负载，电感L极大。1.画取整流主电路图，指出：各个晶闸管的导通规律及顺序；电路工作在整流状态时，触发角α的移相范围是多大？答：（注意：将负载画成阻感串联的形式）请你坚信，有梦想、负重行，行必有果！导通规律：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120°。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。触发角α的移相范围是：0902.设三相对称交流输入相电压22002sin100ut，负载电阻R=10Ω，该电路的最大输出电流平均值Id=？答：22.34cos2.34100cos234cosdUUV234cos23.4cos10ddUIAR所以最大输出电流即为α=0°时，Id=23.4A4.该电路如果工作在逆变状态，指出：触发角α工作在什么范围？答：逆变状态：901805.该电路的晶闸管若采用窄脉冲触发导通，扼要指出：一般要采用双窄脉冲触发的原因何在？答：为保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲，不会产生过大损耗，所以需要双窄脉冲。6.指出：该电路的整流电压ud会含有哪些次谐波？答：6k（k=1,2，...）次谐波。7.如果用两个三相桥式全控整流电路串联联结输出，一个的整流变压器采用Y/Y接法，另一个的整流变压器应采用什么接法？为什么？答:Y/△；两个三相桥构成12脉波整流，Y/△接法构成相位相差30°的大小相等的两组电压使输入电流谐波大幅减小；避免三次谐波流入电网。三.（32分）Buck-Boost升降压斩波电路：1.画出主电路图，扼要说明该电路的工作原理。答：电路图如右图所示（请将E和uo方向均倒置）：工作原理：假设电路中的电感值L和电容值C均足够大。请你坚信，有梦想、负重行，行必有果！当开关V处于通态时，由电源E经V向电感L充电，使其储能，充电电流为I1；同时，电容C向负载R放电，输出电压基本稳定为U0。假设开关处于通态的时间为ton，所以通态时间电感上储存的能量为EI1ton.当开关V处于断态时，电感L向电容C充电并向负载R提供能量。假设开关处于断态的时间为toff，所以断态时间电感L释放的能量为U0*I1toff。2.推导出该电路的输出电压表达式，并指出：占空比分别在什么范围取值则为升压、降压？答：根据伏秒平衡，电路工作在稳态时，一个周期内电感L积蓄的能量和释放的能量相等，即：EI1ton=U0*I1toff。即可得到：o1ononoffonttUEEEtTt，易得，0α1/2时，U0=E，即为降压；1/2α1时，U0=E，即为升压。3.扼要指出：与Cuk电路相比，Buck-Boost升降压斩波电路存在的主要不足是什么？答：Buck-Boost升降压斩波电路不足：直流电源利用率不高；输入输出电流脉动大。四.（15分）扼要说明交交变频的工作原理，并指出：为什么交交直接变频电路的输出上限频率一般不高于交流电网频率的1/2？如果要使变频频率高于交流电网频率，应采用何种变频方式？答：①工作原理：变流器的选择由输出负载电流的方向决定，与负载电压极性无关；变流器的工作状态由输出负载电压和电流方向的异同决定，同向整流、反向逆变。改变两组变流器的切换频率就可以改变输出电压的频率；改变电路工作的触发角就可以改变输出电压的幅值。②输出频率增高，输出电压一周期内所含电网电压段数减少，波形畸变严重。电压波形畸变及其导致电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。一般电网频率50Hz，交交变频输出频率上限为20Hz。③应采用矩阵变换器或者间接变频电路。五.（22分）画出单相桥式电压型无源逆变主电路，阻感负载，并扼要说明：请你坚信，有梦想、负重行，行必有果！答：电路图如图所示：1.如果负载上的交流电压波形为矩形波，对各个开关元件应采用怎样的控制规律？答：开关器件V1和V4，V2和V3的栅极信号相同，在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且V1（V4）和V2（V3）互补（注意死区）2.如果该电路是单极性PWM逆变工作方式，各个开关元件相应的工作规律是什么？答：ur正半周，V1保持通，V2保持断。当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud。当uruc时使V4断，V3通，uo=0。ur负半周，V2保持通，V1保持断，V3和V4交替。六.（18分）扼要回答下述问题：1.什么是SPWM的分段同步调制？为什么要采用分段同步调制？答：在负载要求的输出频率变化范围内，把输出频率fr划分为若干频段，每个频段都保持载波比恒定，不断频段载波比不同。且调制波为正弦波，载波为三角波的调制方式叫SPWM的分段同步调制。原因：异步调制在fr增高时，一个周期内脉冲数减少，输出波形和正弦波的差异变大；同步调制在fr较低时，由调制带来的谐波次数也较低，不易滤除。为综合两种方式的优点，采用分段同步调制。2.什么是SPWM的规则采样法？与自然采样法相比较，规则采样法的主要优缺点是什么？答：取三角波两个峰值之间为一个采样周期，使负峰值点与脉冲的中点重合，也就是每个脉冲的中点都以相应三角波的中点对称，脉冲宽度为1sin2rDat与自然采样法相比较，规则采样法的主要优缺点：优点：效果接近自然采样，但是计算量小得多；缺点：谐波较大，效果不及自然采样法好。请你坚信，有梦想、负重行，行必有果！3.什么是软开关？为什么要采用软开关？答：通过在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除开关过程中电压、电流的重叠，降低它们的变化率，从而大大减小甚至消除开关损耗的开关过程被称为软开关。采用软开关的原因：降低开关损耗，使开关频率显著提高；可以使电能转换效率提高，不用附加吸收电路，散热器装置减小；低电磁干扰，使开关过程动态应力减小。---完---