東南大學(xué)研究生電力電子考試題

1、1、請(qǐng)一一列舉電力電子器件和理想開關(guān)的主要區(qū)別，并簡(jiǎn)要說(shuō)明使電力電子器件正常工作的應(yīng)對(duì)措施。答：電力電子器件與理想開關(guān)的主要區(qū)別在于：（1） 理想開關(guān)導(dǎo)通零電阻，而器件存在導(dǎo)通壓降，存在通態(tài)損耗；且關(guān)斷后存在反向漏電流，存在斷態(tài)損耗。（2） 理想開關(guān)可瞬時(shí)開通和關(guān)斷，而器件需要一定的開通、關(guān)斷時(shí)間，存在開通和關(guān)斷損耗。（3） 理想開關(guān)耐壓、耐流能力無(wú)限，而器件只能承受一定的額定電壓和額定電流，并且只能承受一定的du/dt和di/dt。下面以晶閘管為例說(shuō)明使電力電子器件正常工作的應(yīng)對(duì)措施：（1） 選用晶閘管時(shí)注意其額定電壓和電流應(yīng)留有一定裕量，額定電壓取正常工作時(shí)承受的峰值電壓的23倍，額定電流

2、取1.52倍通態(tài)平均電流有效值，并工作在安全工作區(qū)內(nèi)。（2） 晶閘管需要在門級(jí)加一定寬度和強(qiáng)度的觸發(fā)脈沖才能正常工作。（3） 當(dāng)晶閘管承受反壓或其中流過(guò)的電流下降至維持電流以下時(shí)，晶閘管才能關(guān)斷。（4） 晶閘管具有一定的開通和關(guān)斷時(shí)間，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意使用頻率的限制。（5） 避免過(guò)大的du/dt和di/dt，使用中應(yīng)該加緩沖電路；為了防止器件過(guò)熱導(dǎo)致器件損壞，實(shí)際應(yīng)用時(shí)還應(yīng)該注意散熱。2、大功率開關(guān)器件（GTR、IGBT 等）在開關(guān)電路中為何需要加入緩沖電路？緩沖電路根據(jù)其在器件工作中的作用可分為哪兩大類？答：緩沖電路可以抑制過(guò)電壓du/dt，過(guò)電流di/dt，減少器件的開關(guān)損耗，塑造開關(guān)器件

3、開關(guān)過(guò)程中的開關(guān)狀態(tài)軌跡。如無(wú)極性的R-C緩沖電路可以保護(hù)器件；極性化R-C緩沖電路可以吸收器件的關(guān)斷、換向過(guò)電壓和du/dt，進(jìn)行關(guān)斷保護(hù)；極性化L-R緩沖電路可以抑制開通電流過(guò)沖和di/dt，進(jìn)行開通保護(hù)；關(guān)斷和開通緩沖電路結(jié)合可以構(gòu)成復(fù)合緩沖電路。按能量去向分配可分為耗能式和饋能式緩沖電路。如圖所示的緩沖電路在V開通時(shí)，Cs通過(guò)Rs向V放電，使iC先上一個(gè)臺(tái)階，以后因有Li，iC上升速度減慢；在V關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)VDs向Cs分流，減輕了V的負(fù)擔(dān)，抑制了du/dt和過(guò)電壓。3、電力電子開關(guān)器件的功耗主要有哪些？請(qǐng)簡(jiǎn)述軟開關(guān)諧振技術(shù)減少開關(guān)損耗的基本原理。答：電力電子器件的功耗主要有開通

4、損耗、關(guān)斷損耗和導(dǎo)通期間的損耗三種。高頻環(huán)境中前兩種損耗占主要比例，低頻環(huán)境中第三種損耗占主要比例。軟開關(guān)技術(shù)使電壓U或/且電流I減小從而減小開關(guān)損耗功率P=UI。軟開關(guān)可分為ZVS（零電壓開關(guān)）和ZCS（零電流開關(guān)）兩種，前者可以減小器件開通、關(guān)斷期間的電流I；后者可以減小器件開關(guān)期間的電壓U，都達(dá)到減小損耗P的目的。4、如下圖所示為一PWM 整流電路，請(qǐng)簡(jiǎn)單分析該電路的工作原理，并（與相控整流電路相比較）舉出三條該電路的優(yōu)點(diǎn)。答：PWM整流電路是升壓型整流電路。工作時(shí)按自然采樣法對(duì)VT1VT4進(jìn)行SPWM控制，使uAB輸出電壓中含有與正弦調(diào)制波同頻、幅值成比例的基波，以及載波頻率的高次諧波

5、，不含低次諧波。當(dāng)us>0時(shí)，VT2、VD4、VD1和Ls以及VT3、VD1、VD4和Ls分別組成兩組升壓斬波電路。以第一組為例，VT2導(dǎo)通時(shí)，電源通過(guò)VT2和VD4為L(zhǎng)s充電；VT2截止時(shí)，Ls通過(guò)VD1和VD4向直流電容C供電。同理，當(dāng)us<0時(shí)，VT1、VD3、VD2和Ls以及VT4、VD2、VD3和Ls分別組成兩組升壓斬波電路。而輸入電流is與us的相位角通過(guò)控制uAB來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如目標(biāo)電流為，則控制使，即能達(dá)到控制目標(biāo)。與相控整流電路相比，PWM整流電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、輸入電流諧波含量較?。?、輸入電流功率因數(shù)可調(diào)；3、通過(guò)改變控制策略可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)；4、輸出直流電

6、壓紋波較小。5、請(qǐng)畫出電壓源型三相全橋逆變電路開關(guān)狀態(tài)圖并依次正確標(biāo)注其相應(yīng)的空間矢量編號(hào)，說(shuō)明空間矢量編號(hào)的基本原則以及哪些空間矢量是零矢量。答：空間矢量編號(hào)的基本原則是：開關(guān)按照A->B->C的順序依次導(dǎo)通，且相鄰的開關(guān)狀態(tài)只改變一位，即（100，110，010，011，001，101以及000，111），其中和是零矢量。6、假設(shè)下圖中開關(guān)器件VT和V的開關(guān)占空比為ton/T。請(qǐng)推導(dǎo)：（1）如下圖左所示的降壓buck電路在穩(wěn)態(tài)工作條件下的輸出輸入電壓的關(guān)系表達(dá)式Uo/E=?；（2）如下圖右所示的升降壓boost-buck電路在穩(wěn)態(tài)工作條件下的輸出輸入電壓的關(guān)系表達(dá)式Uo/E=?

7、。答：（1）降壓buck電路：該電路在一個(gè)工作周期內(nèi)，電感L中流過(guò)的電流積分為0（這樣才能保證電感L電流在周期末和周期初時(shí)相等）。當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，有，即；當(dāng)VT關(guān)斷時(shí)，電感L通過(guò)VD續(xù)流，有，。因?yàn)?，所以，即。?）升降壓boost-buck電路：同樣的，在一個(gè)工作周期內(nèi)，電感L的電流保持不變。V導(dǎo)通時(shí)，電源為電感L充電，；V關(guān)斷時(shí)，電感L向負(fù)載放電，。，所以，即。7、請(qǐng)列舉電力電子開關(guān)器件和理想開關(guān)的主要區(qū)別。造成電力電子開關(guān)器件發(fā)熱的主要來(lái)源有哪些？列出幾種電力電子開關(guān)器件散熱的措施。答：電力電子器件與理想開關(guān)的主要區(qū)別在于：（4） 理想開關(guān)導(dǎo)通零電阻，而器件存在導(dǎo)通壓降，存在通態(tài)損耗；且關(guān)

8、斷后存在反向漏電流，存在斷態(tài)損耗。（5） 理想開關(guān)可瞬時(shí)開通和關(guān)斷，而器件需要一定的開通、關(guān)斷時(shí)間，存在開通和關(guān)斷損耗。（6） 理想開關(guān)耐壓、耐流能力無(wú)限，而器件只能承受一定的額定電壓和額定電流，并且只能承受一定的du/dt和di/dt。造成電力電子器件發(fā)熱的原因是功耗。電力電子器件的功耗主要有開通損耗、關(guān)斷損耗和導(dǎo)通期間的損耗三種。高頻環(huán)境中前兩種損耗占主要比例，低頻環(huán)境中第三種損耗占主要比例。在計(jì)算等效熱阻的基礎(chǔ)上，可以對(duì)電力電子器件采取散熱措施。按散熱方式可以分為傳導(dǎo)型、對(duì)流型和輻射型，按具體操作可以分為風(fēng)冷、水冷和油冷等。8、試以晶閘管SCR 為例，簡(jiǎn)述電力電子器件串聯(lián)工作時(shí)，應(yīng)采取哪

9、些措施來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的均壓？簡(jiǎn)述電力電子器件并聯(lián)工作時(shí)，應(yīng)采取哪些措施來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的均流？并畫出均壓和均流線路原理圖。答：（1）晶閘管SCR串聯(lián)均壓：由于器件特性的差異，不同晶閘管的正向阻斷電阻和反向阻斷電阻不盡相同，從而造成晶閘管串聯(lián)后電壓分配不均的問(wèn)題。當(dāng)晶閘管串聯(lián)時(shí)，首先應(yīng)選取參數(shù)和特性盡量一致的器件，其次要加均壓電路。如右圖所示，電阻Rp遠(yuǎn)小于晶閘管的正、反向阻斷電阻，使晶閘管分得的電壓取決于均壓電阻Rp的分壓；電容C用于平衡動(dòng)態(tài)過(guò)程中晶閘管的反向恢復(fù)電荷，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均壓。（2）晶閘管SCR并聯(lián)均流：如圖所示，耦合電感T1和T2可以提供動(dòng)態(tài)均流。當(dāng)VT1中電流I1上升時(shí)，由于電感T1會(huì)產(chǎn)生一個(gè)

10、與I1相反的電動(dòng)勢(shì)從而產(chǎn)生反向電流I抑制I1的增長(zhǎng)；由于T1和T2異名端耦合，所以T2中產(chǎn)生與I2同向的增長(zhǎng)電流I使I2增長(zhǎng)，從而達(dá)到平衡兩支晶閘管中電流的作用。有時(shí)串聯(lián)電阻有助使晶閘管為正溫度系數(shù)，從而提升靜態(tài)均流，但需視器件特性而定。如果需要同時(shí)串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管，一般采用先串后并的方法聯(lián)接。9、三相 PWM 逆變電路分別采用梯形調(diào)制波和注入三次諧波進(jìn)行輸出波形控制有何好處？請(qǐng)簡(jiǎn)單說(shuō)明二者工作原理并就性能作簡(jiǎn)單比較。答：采用梯形波調(diào)制和注入三次諧波都提升了調(diào)制波中基波的幅值，由于直流電壓利用率=輸出基波電壓幅值/直流電壓，所以它們提高了電壓利用率，改善了逆變器的輸出性能。采用梯形波作為調(diào)制信

11、號(hào)時(shí)，由于梯形波中含有低次諧波，故輸出波形中含有5次、7次等低次諧波。采用在正弦波調(diào)制信號(hào)中加入三次諧波的“馬鞍形”作為調(diào)制信號(hào)時(shí)，輸出相電壓中含有三次諧波；但合成線電壓時(shí)，各相電壓三次諧波互相抵消，故輸出線電壓為正弦波，不含低次諧波。其輸出諧波小于梯形調(diào)制波，但電壓利用率略低。10、請(qǐng)分析如下圖所示的斬控式單相交流調(diào)壓電路的工作原理（過(guò)程），請(qǐng)畫出交流輸出電壓Uo的波形示意圖。該斬控式單相交流調(diào)壓電路和相控式單相交流調(diào)壓電路在功率因數(shù)、諧波含量方面相比較有何不同。答：如圖所示為一個(gè)周期的波形，上半圖為U1波形，下半圖為Uo波形。當(dāng)輸入電壓U1>0，即在正半周內(nèi)，V4截止，V3持續(xù)導(dǎo)通，

12、V1則以斬波頻率導(dǎo)通和關(guān)斷；在V1關(guān)斷期間，V3和VD3為負(fù)載續(xù)流。當(dāng)輸入電壓U1<0，即在負(fù)半周內(nèi)，V3截止而V4導(dǎo)通，V2進(jìn)行通斷控制；同樣的，在V2關(guān)斷時(shí)，V4和VD4為負(fù)載續(xù)流。與相控式交流調(diào)壓電路相比，斬控式電路的輸出電壓僅含有高次諧波，諧波含量較低；輸入電流與輸入電壓同相位，功率因數(shù)較高。11、有一單相異步電機(jī)（額定工作電壓有效值為300V）需要進(jìn)行變頻調(diào)速，調(diào)速裝置的外部輸入電壓為單相工頻交流電（220V，50Hz）。試采用交直交電路用設(shè)計(jì)出一種滿足該電機(jī)調(diào)速用的變換器，畫出其電路原理示意圖并就工作原理作簡(jiǎn)單說(shuō)明。答：由于220V工頻交流經(jīng)過(guò)整流和逆變后無(wú)法達(dá)到300V的有

13、效值，所以變換器必須要有升壓設(shè)備。我采取的思路是：220V，50Hz交流->加前端變壓器升壓->全波橋式整流->PWM逆變。電路原理圖如下圖所示。設(shè)變壓器的變比為1:k，升壓后交流電壓有效值為U2，橋式整流電路帶容性負(fù)載輸出直流電壓為UC，一般取UC=0.9U2；PWM逆變器直流電壓利用率，即，這里取ma=0.8，要求Uo=300V，即：k=300/(0.7071×0.8×0.9×220)=2.68，所以變壓器變比選為1:2.68。12、電力電子技術(shù)在節(jié)能方面大有可為，請(qǐng)舉一個(gè)你熟悉的例子，簡(jiǎn)要分析節(jié)能的原理。答：電動(dòng)汽車因?yàn)槭褂脽o(wú)污染的清潔能源

14、電能，正受到越來(lái)越廣泛的推廣。但充電汽車的最大缺陷是充電難，所以保證充電汽車能量的高效使用是很有意義的課題。我們可以設(shè)計(jì)一種可逆的整流電路，當(dāng)電動(dòng)車啟動(dòng)或加速時(shí)，變換器可以根據(jù)不同的需要將電能逆變成不同頻率的交流電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí)，多余的動(dòng)能不是通過(guò)摩擦轉(zhuǎn)化為內(nèi)能損耗掉，而是通過(guò)該裝置將電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電能整流后回饋至儲(chǔ)能設(shè)備以供下次使用，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。13、某單位進(jìn)口設(shè)備中有一臺(tái)額定電壓110V，功率10KW的單相電阻爐，由于國(guó)內(nèi)單相只有220V的交流電源，為了使這臺(tái)設(shè)備的功率不超標(biāo)，想使用電力電子技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改造，假定電阻爐的電阻值不隨溫度變化，耐壓強(qiáng)度足夠，周期功率不得超標(biāo)使用，試設(shè)計(jì)兩種單相電路滿足這一要求。要求計(jì)算出：控制角的變化范圍；不考慮安全裕量選擇晶閘管。14、某電力系統(tǒng)單位有一220V（直流）的蓄電池組，要進(jìn)行60A恒流放電維護(hù)，放電終止電壓為180V，為了有效利用能源，要求設(shè)計(jì)一有源逆變電路將能量回饋回電網(wǎng)，考慮到漏感的影響，最小逆變角min=15°,試設(shè)計(jì)一個(gè)單相橋式電路滿足這一要求（電網(wǎng)電壓220V，AC），計(jì)算出如下參數(shù)： 電路中電阻與電感值； 安全裕量取為1，計(jì)算晶閘管電流定額； 電路中電阻值可取大小不同的數(shù)值，對(duì)電路有何影響？15、三相橋式全控可逆電路，輸入相電壓100V，電