电力电子学_陈坚课后习题答案

答案   5.1 什么是半波整流、全波整流、半控整流、全控整流、相控整流、高频PWM整流? 答：半波整流：整流器只在交流电源的半个周波输出整流电压，交流电源仅半个周期中有电流。全波整流：整流器在交流电源的正、负半波都有直流电压输出，交流电源在正负半周期均有电流。 全控整流：指整流主电路中开关器件均为可控器件半控整流：指整流主电路中开关器件不全是可控器件，而有不控器件二极管相控整流：全控整流电路中的开关管为半控器件晶闸管，控制触发脉冲出现的时刻（即改变晶闸管的移相控制角 的大小），从而控制负载的整流电压。 高频PWM整流：整流主电路中开关器件均为全控器件，采用高频PWM控制，即在一个电源周期内高频改变开关管的导通状况。       答案   5.2 什么是电压纹波系数、脉动系数、基波电流数值因数、基波电流位移因数（基波功率因数）和整流输入功率因数？ 答：电压纹波系数RF：输出电压中全部交流谐波分量有效值VH与输出电压直流平均值Vd之比值， 。电压脉动系数Sn：整流输出电压中最低次谐波幅值Vnm与直流平均值Vd之比Sn=Vnm/Vd基波电流数值因数：电流畸变因数也称基波电流数值因数，是基波电流有效值 与总电流有效值 之比，即 基波电流位移因数DPF（基波功率因数）：输入电压与输入电流基波分量之间的相位角 （位移角）的余弦，即 整流输入功率因数PF：       答案   5.3 三相桥式不控整流任何瞬间均有两个二极管导电，整流电压的瞬时值与三相交流相电压、线电压瞬时值有什么关系？ 答：共阴连接的三个二极管中，三相交流相电压瞬时值最正的那一相自然导通，把最正的相电压接到负载的一端；共阳连接的三个二极管中，三相交流相电压瞬时值最负的那一相自然导通，把最负的相电压接到负载的另一端。因此，任何时刻负载得到的整流电压瞬时值是线电压的最大瞬时值。       答案   5.4 单相桥全控整流和单相桥半控整流特性有哪些区别？ 答：与单相全控桥相比， （1）在主电路上，半控整流少了两个晶闸管。因而，触发装置较简单，较经济。（2）为防止失控而增加了一个续流二极管，使得输出整流电压 的波形中没有为负的电压波形。尽管晶闸管的触发移相范围也是π，但是，晶闸管的导通角 。（3）输出电压平均值： 。当 范围内移相控制时， 只能为正值，而全控整流电路 在 时可为负值。       答案   5.5 单相桥全控整流有反电势负载时输出电压波形如何确定？ 答：若整流电路中电感L＝0，则仅在电源电压 的瞬时值大于反电势E时，晶闸管才会承受正向电压，才可能触发导通。在晶闸管导通期间，输出整流电压为相应的电源电压瞬时值。 时，晶闸管承受反压阻断。在晶闸管阻断期间，负载端电压保持为反电势E。故整流电流断流。若控制角α小于 （ ，称为停止导电角），则负载端电压一直保持为E；若α大于 ，则在wt＝kπ－δ至wt＝kπ＋α期间载端电压保持为E。若在负载回路中串联足够大的平波电抗器，使电流连续、晶闸管的导电角 ，则电流脉动减小。这时，整流电路输出电压波形是由控制角α唯一对应的、依次为电源电压的包络线，其直流电压平均值 。若在负载回路中串联的平波电抗器不足以使电流连续，情况介于上述两种情况之间。       答案   5.6 交流电路电感不为零时引起的换相重叠过程中整流器输出电压的瞬时值如何确定，在换相期间是什么因素促使负载电流从一个晶闸管向另一个晶闸管转移？ 答：设换相前a相的Ta导电，Tb截止，这时 （负载电流），整流电压 ，换相后b相的Tb导电，换相结束后 。如果 ，一旦Tb导通， ，Ta立即受反压截止，负载电流 立即从a相的Ta转到b相的Tb，换相（或换流）过程瞬时完成。如果 ，由于电感的储能不能突变为零，原来导电的A相电流 不能从 突降为零而必须经历一个历时 （对应的相位角 称为换相重叠角）过渡过程。在此期间，Ta、Tb同时导通，a、b两相电源经电感2LC短接状态， ，若假定 恒定，则 。又 ，所以 ，即 。上式说明，是作用在两个换流电感上得电源电压之差使得负载电流从一个晶闸管向另一个晶闸管（ 从Id降为零、 从零上升到 )； 还可推得 。这说明整流电压的瞬时值是参与换流的2相电源电压的平均值。       答案   5.7 同一个整流电压波形，时间坐标原点取在不同位置时用傅立叶级数分析得到的谐波特性是否相同，为什么？ 答：同一个整流电压波形，时间坐标原点取在不同位置时用傅立叶级数分析得到的谐波特性相同。因为，整流电压是以交流电源的周期为周期的周期性函数。而任何周期性函数在进行傅立叶级数分解的物理意义是用无限项正弦量来等价，从等价的效果来看，自变量（这里指时间）的坐标原点的选定在什么位置，是不影响各正弦（余弦）分量的频率和幅值的大小。时间坐标原点取在不同位置时仅对各分量的相位产生一定的影响。       答案   5.8 为什么m脉波的整流电压中只含有Km次谐波，K = 1，2，3，…？ 答：整流电压udc是从频率为1/T(周期为T)的交流电源变换而来的周期性函数。而任何周期性函数都能写出其傅立叶级数表达式。则整流电压udc在周期T内的傅立叶级数表达式为： m脉波的整流电压是指在周期T中出现了m个脉波，由于控制的对称性，使得这m个脉波在理论上是相同的，也就意味着m脉波的整流电压是频率为1/mT(周期为T/m)的周期性函数。若将这个函数在周期为T/m的区间进行傅立叶分解，则整流电压udc可以表示为 ，相当于得到的谐波分量得频率为电源电压频率的mk，这里k = 1，2，3，…等。       答案   5.9 为什么要限制有源逆变时的触发控制角？根据什么原则确定有源逆变时的最大控制角 ? 答：为了防止逆变器换相失败，有必要限制有源逆变时的触发控制角α，也就是不能让α达到其理论最大值π。 逆变器换相失败的可能原因有： （1）被关断的晶闸管承受反压的时间不足，小于其安全关断时间 （这段时间对应的角度称为关断角，记为 ）。若不计交流电源电路中电感Lc的影响，认为换相过程瞬间完成，则要求αmax＝π－ ，若α超过此值，则被关断的晶闸管承受反压的时间小于其安全关断时间 ，之后会因承受正向而可能再次误导通。（2）实际交流电源电路中电感 ，存在换相重叠过程。换相过程在触发脉冲到来后经历ν对应的换相重叠时间才结束。之后，依然要求被关断的晶闸管承受足够的反压时间才不致于再次误导通。为了确保相控有源逆变的安全可靠运行，要限制有源逆变时的触发控制角α不能太大。如果再考虑留一个安全角 ，则有源逆变的最大控制角 max＝π－θ0－ν－       答案   5.10 三相桥式相控整流电路触发脉冲的最小宽度应是多少？ 答：为了保证三相桥式相控整流桥开始工作时共阴极组和共阳极组各有一晶闸管导电形成电流回路，或者在电流断流后能再次形成电流通道回路，必须使两组中（正组T1、T3、T5和反组T4、T6、T2）应导通的那两个晶闸管同时有触发脉冲。有两种办法：一种是采用宽脉冲触发，使每个触发脉冲的宽度大于 （一般取80°～100°）；另一种是采用双脉冲触发，在触发某一晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个触发脉冲，相当于用两个窄脉冲替代一个宽度大于60°的宽脉冲。所以，三相桥式相控整流电路触发脉冲的最小宽度应是60°＋元件能够被可靠触发导通所需要施加的脉冲宽度。       答案   5.11 图5.36 Boost型功率因数校正器为什么能实现输入交流电流基本正弦，并与交流电源电压同相？ 答：图5.36 Boost型功率因数校正器中，虚线框内的控制电路：电压误差放大器VAR、电流误差放大器CAR、乘法器、比较器C和驱动器等。采用了双闭环控制，电压外环为负载提供恒定的电压 ；电流内环，使交流电源电流 波形跟踪交流输入正弦电压波形，使 接近正弦并与 同相。外环的PI型电压误差放大器VAR的输出是个直流量K，当 时保持不变。将整流电压 检测值 (交流电源电压瞬时值的绝对值)与K的乘积作为电感电流 的指令值 ，保证了指令电流 与交流电源 同相位。将 与电感电流 的检测值（ ）一起送入PI型电流误差比较器CAR。结果，使电感电流 跟踪指令值 ，也就是输入电流 与交流电源电压 同相，输入端功率因数接近于1。 输入电流 （ ）的波形被高频PWM调制成接近正弦，但含有很小的高频纹波，经过很小的LC滤波后即可得到较光滑的正弦波电流。       答案   5.12 三相PWM整流与三相PWM逆变有什么异、同之处？ 答：01 PWM逆变器实现直流到交流的变换，是无源逆变，控制方式为他控式，也就是逆变电压的大小、频率和相位都可以根据需要进行控制。PWM整流器能实现交流到直流的变换，也可以实现直流到交流的变换。但这时得逆变是有源逆变，即对逆变电压的大小、频率和相位的控制，要根据交流侧电源的频率、相位的实际情况和控制目的进行控制，否则就达不到相应得目的。02 在主电路结构上基本相同，两者均采用全控型半导体开关器件，开关管按正弦规律作脉宽调制。但PWM整流器的主电路结构必须要有输入电感，整流器交流侧的电压 和交流电源电压之差加到了输入电感上。03 能量可以双向流动：可以通过适当控制整流器交流端的电压 的幅值和相位，就可以获得所需大小和相位的输入电流 。从而可以把交流输入电流的功率因数控制为任意值，实现交、直流侧的双向能量流动。