電力電子第3章 思考題與習題答案.pdf

1 思考題與習題思考題與習題 1 直流 直流變換電路有哪幾種控制方式 最常用的控制方式是什么 答 根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制方式的不同 斬波電路有 3 種控制方式 1 脈沖寬度控制 Pulse Width Modulation 也稱 PWM 此方式電力電子器件的通斷 頻率 周期 T 一定 調(diào)節(jié)脈沖寬度 ton ton 值在 0 T 之間變化 負載電壓在 0 E 之間變化 2 脈沖頻率控制 Pulse Frequency Modulation 也稱 PFM 此方式脈沖寬度 ton 一定 改變電力電子器件通斷頻率 f f 1 T f 增加 T 減小 當 T ton 時電路全導通 uo E f 下降 周期 T 增大時 輸出電壓 u o 減小 3 脈沖混合控制 即同時改變 f 和 ton 使占空比 改變 以上 3 種控制方法都是改變通斷比 實現(xiàn)改變斬波器的輸出電壓 較常用是脈沖寬度控 制方式 即 PWM 控制方式 2 在圖 3 2a 所示的降壓斬波電路中 已知 E 200V R 10 L 值極大 EM 40V 采 用脈寬調(diào)制 PWM 方式 當 T 40 s ton 10 s 時 計算輸出電壓平均值 Uo 輸出電流 平均值 Io 解 V 50 200 40 10 1 0 E E T t dt u T U on t on o o A 1 R E U R E E I M o M o 3 有一降壓斬波電路 輸入電壓 E 為 27 1 10 V 要求輸出電壓 Uo 為 15V 求該 電路占空比的變化范圍 解 E E T t dt u T U on t on o o 0 1 51 0 1 1 27 15 1 E U o 62 0 9 0 27 15 2 E U o 占空比的變化范圍 62 0 51 0 4 在圖 3 2a 所示的降壓斬波電路中 已知 E 200V R 0 1 L 值極大 EM 35V 采 用脈寬調(diào)制 PWM 方式 當 T 1800 s 若輸出電流平均值 Io 100A 求 輸出電壓平 均值 Uo 和所需的 ton 畫出 uo io 的波形 解 A 100 R E U R E E I M o M o V 45 U o 2 0 225 us t on 405 波形如下 電流連續(xù) 5 試分別簡述升降壓斬波電路和 Cuk 斬波電路的基本原理 并比較其異同點 解 Cuk 斬波電路輸出電壓與輸入電壓的關系和升降壓斬波電路相同 同是反極性電路 Cuk 電路不同于升降壓斬波電路的最明顯的優(yōu)點就是輸入電流和輸出電流均連續(xù) 且脈動 小 有利于對輸入和輸出進行濾波 6 在圖 3 3a 所示的升壓斬波電路中 已知 E 50V R 25 L 值和 C 值極大 采用脈 寬調(diào)制 PWM 方式 當 T 50 s ton 20 s 時 計算輸出電壓平均值 Uo 輸出電流平均 值 Io 解 V 33 83 1 1 1 E E U o A 33 3 R U I o o 7 試分別簡述 Sepic 斬波電路和 Zeta 斬波電路的基本原理 并推導其輸入輸出關系 Sepic 斬波電路的基本原理是 當 V 處于通態(tài)時 E L1 V 回路和 C1 V L2 回路同 時導通 L1 和 L2 儲能 當 V 處于斷態(tài)時 E L1 C1 VD 負載 C2 和 R 回路和 L2 VD 負載回路同時導通 此階段 E 和 L1 既向負載供電 同時也向 C1 充電 以保證 C1 在 V 導 通期間向電感 L2 提供能量 3 穩(wěn)態(tài)時 忽略電路的損耗 假設電容 C 和電感 L 足夠大 一個周期內(nèi)電感 L 儲存的能 量等于釋放的能量 故平均電壓等于零 即 對電感 L1 有 0 1 0 1 0 1 dt u dt u dt u T t L t L T L on on 對電感 L2 有 0 2 0 2 0 2 dt u dt u dt u T t L t L T L on on 則有 0 U 1 off C o on t U E Et 0 1 off O on C t U t U 得 E U o 1 Zeta 斬波電路原理如下 在電路穩(wěn)態(tài)時 在一個工作周期中 當 V 處于通態(tài)時 E V L1 回路和 E V C1 L2 回路同時導通 L1 儲能 同時 E 和 C1 共同經(jīng) L1 向負載供電 二 極管 VD 反偏 處于截止狀態(tài) 當 V 處于斷態(tài)時 L1 VD C1 回路和 L2 負載 C2 和 R VD 回路同時導通 此階段 L1 向 C1 充電 L1 中的能量轉(zhuǎn)移至 C1 L2 經(jīng)二極管 VD 續(xù)流 二極管 VD 關斷后 C1 經(jīng)電感 L2 向負載供電 對電感 L1 有 0 1 0 1 0 1 dt u dt u dt u T t L t L T L on on 對電感 L2 有 0 2 0 2 0 2 dt u dt u dt u T t L t L T L on on 則有 0 1 off C on t U Et 0 1 off O on C o t U t U U E 得 E U o 1 8 直流 直流四象限變換器的四象限指的是什么 直流電動機四象限運行中的四象限指 的是什么 這兩種四象限有什么對應關系 答 直流 直流四象限變換器的四象限指是變換器的輸出電壓和輸出電流極性的四種組 合 直流電動機四象限運行中的四象限指的是轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩正負的四種組合 通過改變變換器的輸出電壓和輸出電流大小和方向 可使電機運行在電動狀態(tài)和發(fā)電制 動狀態(tài) 因此 直流 直流四象限變換器的四象限和直流電動機四象限運行直接存在一一對 應的關系 4 9 對于圖 3 11 所示的橋式可逆斬波電路可運行在幾個象限 分析每一象限開關器件的 工作狀態(tài)及電流流向 若需使電動機工作于反轉(zhuǎn)電動狀態(tài) 試分析此時電路的工作情況 并 標出相應的電流流通路徑和電流流向 答 圖 3 11 所示的橋式可逆斬波電路可運行在四象限的斬波電路 其輸出電壓幅值和 極性可變 當開關器件 V4 始終導通 開關器件 V3 始終關斷 此時電路同圖 3 10a 等效 控制 V1 和 V2 的導通 輸出電壓 uo 0 電路向電動機提供正電壓 電路工作在第一和第二象限 電 動機工作在正轉(zhuǎn)電動和正轉(zhuǎn)再生制動狀態(tài) 當開關器件 V2 始終導通 開關器件 V1 始終關斷 控制 V3 和 V4 的導通 輸出電壓 uo 0 電路向電動機提供負電壓 電路工作在第三和第四象限 此時 開關器件 V4 截止 控制 V3 通 斷轉(zhuǎn)換 則 uo 0 io 0 電路工作在第三象限 轉(zhuǎn)速 n 0 電磁轉(zhuǎn)矩 T 0 電動機工作 在反轉(zhuǎn)電動狀態(tài) 開關器件 V3 截止 控制 V4 通 斷轉(zhuǎn)換 則 uo0 電路工作在第四 象限 轉(zhuǎn)速 n0 電動機工作在反轉(zhuǎn)再生制動狀態(tài) 反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)時 當開關器件 V2 始終導通 開關器件 V1 始終關斷 控制 V3 的通斷 輸出電壓 uo 0 電路向電動機提供負電壓 電路工作在第三象限 電流的通路 當 V3 導通 時 電流 E V3 RLM V2 E 當 V3 截止 電流 V2 RLM VD3 10 簡述多相多重斬波電路的優(yōu)缺點 答 1 輸出電流脈動率 電流脈動幅值與電流平均值之比 與相數(shù)的二次方成反比地 減小 有利于電動機的平穩(wěn)運行 2 輸出電流脈動頻率提高 平波電抗器的重量和體積可明顯降低 3 電源電流的脈動率與相數(shù)的二次方成反比地減小 有利于輸入濾波器的設計 4 由單個斬波器并聯(lián)構(gòu)成 系統(tǒng)可靠性可提高 5 線路較單個斬波電路復雜 尤其是控制電路 11 采用隔離型斬波電路的原因 為什么當直流 直流變換電路輸入輸出電壓值相差很大 時 常常采用隔離型斬波電路 在某些場合 如輸出端與輸入端需要隔離 多路輸出需要相互隔離 輸出電壓與輸入電 壓之比遠小于 1 或遠大于 1 以及為減小變壓器和濾波電容 電感的體積和重量 交流環(huán)節(jié)采 用較高的工作頻率 在這些場合 采用變壓器隔離的隔離型直流 直流變換電路 5 12 為什么正激變換電路需要磁心復位電路 并簡述磁心復位電路的原理 答 正激變換電路必須考慮隔離變壓器基礎電流的影響 如果勵磁電流將在每個周期結(jié) 束時的剩余值的基礎上不斷增加 并在以后的開關周期中繼續(xù)積累 最終導致變壓器鐵心飽 和 鐵心飽和后 勵磁電流會更迅速地增長 最終損壞開關器件 正激變換電路需要其在隔 離變壓器中增加一個用于去磁的第三繞組 W3 將變壓器特性中存儲的能量反激到電源中去 磁心復位電路的原理 當開關 S 開通后 電源加在變壓器一次繞組 W1 上 一次繞組 W1 的電流從零開始增加 其感應的電動勢極性為上正下負 則其二次繞組 W2 上的感應的 電動勢極性也為上正下負 二極管 VD1 正向?qū)?VD2 反向截止 此時電源向負載提供能 量 電感 L 儲能 電感上的電流逐漸增大 當開關 S 關斷后 變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電流 都為零 VD1 截止 VD2 導通 電感 L 通過續(xù)流 將能量釋放給負載 電流逐漸下降 13 試分析正激變換電路和反激變換電路中的開關器件和整流二極管在工作時承受的最 大電壓 答 最大電壓 開關 S 整流二極管 VD 正激電路 i s U N N u 1 3 1 i U N N u 3 2 VD 反激電路 o i s U N N U u 2 1 o i U U N N u 1 2 VD 14 試分析全橋 半橋和推挽變換電路中的開關器件和整流二極管在工作時承受的最大 電壓 最大電流和平均電流 6 開關器件 S 最大電壓 最大電流 平均電流 全橋變換電路 i s U u d I N N 1 2 d I N N 1 2 2 半橋變換電路 i s U u d I N N 1 2 d I N N 1 2 2 推挽變換電路 變壓器原邊總匝數(shù)為 2N1 i s U u 2 d I N N 1 2 d I N N 1 2 2 整流二極管 V