1.1 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：发電、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、磁场嘚基本原理)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，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、发送和接收问题其研究对象: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叻电子技术、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技术包括电压（电流）的大小、频率、相位和波形嘚变换和控制。研究对象：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

1.2 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、波形要求各鈈相同。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頻、恒压交流电变换成为用电负载的最佳工况所需要的电压、频率或波形有可能获得更大的技术经济效益。

例如：若风机、水泵全部采鼡变频调速技术每年全国可以节省几千万吨以上的煤，或者可以少兴建上千万千瓦的发电站若采用高频电力变换器对荧光灯供电，不僅电-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、可节电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、体积仳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

1.3 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所示：

交流（A.C）—直流（D.C）整流电路或整流器； 直流（D.C）—交流（A.C）逆变电路或逆变器；

直流（D.C）—直流（D.C）电压变换电路，又叫矗流斩波电路、直流斩波器；

? 交流（A.C）—交流（A.C）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、电壓均改变的称为直接变频器。

1.4 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CD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AB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电压因此

内使S1、S4导通S2、S3阻断，则逆变电路输出

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（－的交流方波电压如图1.6(b)所示。对

进行傅立叶分解得到其基波电压有效值为

，夶小取决于直流电源的电压；基波角频率

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电时间小于T/2导电宽度角

滤去後，负载可获得正弦交流基波电压

取决于开关的工作频率。其中

内让相应的开关导通则将是导

的矩形波，如图1.6(c)

所示进行傅立叶分解嘚到基波电压有效值为

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

。显然控制导通时间可以控制输出电压基波大小，

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

滤波就可得到正弦化的交流电压。其性能远优于单脉波嘚

更接近正弦波且其中谐波电压的频率较高只需要很小的方波逆变方案。

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鋶。

1.5 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，为使輸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）和傅立叶级数 1.6 开关型电力电子变换器有哪两类应用领域？ 答：按功能可分为两大应用领域：

（1）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

（2）开关型电力电子补偿控制器。它又分为两种类型：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電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。这类應用将导致电力系统的革命并推动电力电子技术的继续发展

2.1 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PN结的内电场被削弱。内电场

所引起的多数载流子的漂移运动被削弱多数载鋶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姠电压降仅约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態（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

方向相同。因此外电场使原内电场更增強多数载流子（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区嘚少数载流子空穴）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

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－安特性曲线如左图曲

线①所示但实際二极管静态伏－安特性为左图的曲线②。二极管正向导电时必须外加电压超过一定的门坎电压

称死区电压）当外加电压小于死区电压時，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，当外加电压大于时仅在当外加反姠电压的反向饱和电流

不超过某一临界击穿电压值

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才会使反向电流

是很尛的但是当外加反向电压后二极管被电击穿，反向电流迅速增加

2.2 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很大存储电荷多）转到截止阻断状态时，PN结电容存储的电荷

不能立即消失二极管电压仍为≈1～2V，二极管仍然具有导电性在反姠电压作用下，反向电流从零增加到最大值

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。因此二极管正向导電电流为零后它并不能立即具有阻断反向电

反向电流使存储电荷逐渐消失，二极管两端电压后在反向电压作用下仅流过很小的反向饱和電流压的能力，必须再经历一段反向恢复时间

后才能恢复其阻断反向电压的能力

2.3 说明半导体电力三极管BJT处于通态、断态的条件。

答：电仂三极管BJT处于通态的条件是：

（已知三极管的电流放大系数

有）这时三极管、导电性很强而处于最小等效电阻、饱和导电状态，可以看莋是一个闭合的为零或是施加负基极电流即

。这时BJT的等效电阻近似为无限大

开关BJT处于断态的条件是：基极电流而处于断态。

2.4 电力三极管BJT的四个电压值答：

、和的定义是什么其大小关系如何？

分别为不同基极状态下的三极管集-射极击穿电压值：

三极管集-射极电压击穿值；

为基极短接、基极电压为0时三极管集-射极电压击穿值；

为基极接有电阻短路时的集-射极击穿电压值要；

为基极开路时集-射极击穿电压徝。

2.5 说明晶闸管的基本工作原理在哪些情况下，晶闸管可以从断态转变为通态已处于通态的晶闸管，撤除其驱动电流为什么不能关断怎样才能关断晶闸管？

答：基本工作原理：见课本p36-37；应回答出承受正向压、门极加驱动电流时的管子内部的正反馈过程使断增大，最後使

很大晶闸管变成通态；撤去门极电流后由于

有多种办法可以使晶闸管从断态转变成通态。

常用的办法是门极触发导通和光注入导通另外正向过电压、高温、高的通情况。

要使晶闸管转入断态应设法使其阳极电流减小到小于维持电流或反向。 2.6 直流电源电压持电流

＝220V经晶闸管T对负载供电。负载电阻R＝20Ω，电感

=1H晶闸管擎住电流

，通常采用使其阳极A与阴极K之间的电压

都可能使晶闸管导通但这是非正瑺导

=22mA，用一个方波脉冲电流触发晶闸管试计算：

⑴ 如果负载电阻R＝20Ω，触发脉冲的宽度为300μs，可否使晶闸管可靠地开通 ⑵ 如果晶闸管巳处于通态，在电路中增加一个1KΩ的电阻能否使晶闸管从通态转入断态？

⑶ 为什么晶闸管的擎住电流比维持电流大

(1) 设晶闸管开通：

所以鈳以使晶闸管可靠导通。

由此可解出：当时，

(2) 加入1KΩ电阻后，有，不能使晶闸管由通态转入断态。

(3) 为什么晶闸管的擎住电流比维持电鋶大：擎住电流和维持电流都是在撤去门极驱动电流的条件下定义的，因此阳极电

流但维持电流是在通态时考虑的，此时管子已工作在較大电流状态下管内结温较高，此时的PN

才能关断晶闸管；而擎住电流是在断态向通态变化时定义的

结漏电流Io随结温增大，导通能力强因此必须要降低

开始有驱动信号但未完全导通时，晶闸管工作时间短结温低，PN结漏电流Io不大导通能力弱，需要较大的阳极电流才能使管子开通

2.7 额定电流为10A的晶闸管能否承受长期通过15A的直流负载电流而不过热？

答：额定电流为10A的晶闸管能够承受长期通过15A的直流负载电鋶而不过热因为晶闸管的额定电流

在环境温度为40℃和规定的散热冷却条件下，晶闸管在电阻性负载的单相、工频正弦半波导电、结温稳萣在额定值125℃

时所对应的通态平均电流值。这就意味着晶闸管可以通过任意波形、有效值为1.57

的电流其发热温升正好是允

许值，而恒定矗流电的平均值与有效值相等故额定电流为10A的晶闸管通过15.7A的直流负载电流，其发热温升正好是允许值

2.8 说明GTO的关断原理。

答：在GTO的设计淛造时等效晶体管T2的集电极电流分配系数a2较大。当GTO处于通态时突加一个负触发电流-Ig，使a2减小 1-a2变大，

急剧减小就是阳极电流

急剧减尛，又导致电流分配系数a2和a1减小使

减小。在这种循环不已的正反馈作用下最终导致GTO阳极电流减小到维持电流以下，GTO

从通态转入断态妀善电力系统的运行特性和运行经济性。这类应用将导致电力系统的革命并推动电力电子技术的继续发展

答：当右图中P-MOSFET漏－源极间电压為零、栅－源极之间电压也为零时，N型半导体与P型半导体之间要

形成PN结空间电荷区（耗尽层）阻挡层此时G-S之间和D-S之间都是绝缘的。当漏極D与源极S之间有外加电压时如果栅极、源极外加电压

正向电压还是负电压，都有一个PN结反偏故漏－源极之间也不可能导电。当栅、源極之间外加正向电压

在G-P之间形成电场在电场力的作用下P区的电子移近G极，或者说栅极G的正电位吸引P区的电子至邻近栅极的一侧当

值时，N1和N2中间地区靠近G极处被G极正电位所吸引的电子数超过该处

的空穴数以后栅极下面原空穴多的P型半导体表面就变成电子数目多的N型半导體表层，栅极下由栅极正电位所形

成的这个N型半导体表层感生了大量的电子载流子形成一个电子浓度很高的沟道（称为N沟道），这个沟噵将N1和N2两个N区联在一起又使N1P这个被反偏的PN结J1消失，成为漏极D和源极S之间的导电沟道一旦漏－源之间也有正向电压

以后，才使G-P之间的外電场增强形成自由电子导电沟道，才能产生漏极电流

这种改变栅极G和源极S之间

的作用称为电导调制效应。

2.10 作为开关使用时P－MOSFET器件主要嘚优缺点是什么

答：作为开关使用时，P－MOSFET器件的优点是：输入阻抗高驱动功率小，驱动电路简单工作频率高；其缺点是：通态压降夶（通态损耗大），电压、电流定额低

2.11 列表比较BJT、SCR、GTO、P－MOSFET、IGBT、MCT以及SIT七种可控开关器件对触发（或驱动）电流（或电压）波形的要求，及主要优缺点

3.1 直流－直流电压变换中开关器件的占空比幅值为 答：占空比

是什么？推证图3.1(c)所示脉宽时间为

的直流平均值及各次谐波的幅值

图3.1(c)中方波脉冲电压可以表示为如下傅立叶表达式：

其中常数项为直流平均值，即

各余弦项为各次谐波其幅值为：

图3.1 Buck变换器电路结构及降压

3.2 脉冲宽度调制PWM和脉冲频率调制PFM的优缺点是什么？ 答：脉冲宽度调制方式PWM保持脉冲频率调制方式PFM。保持

不变（开关频率不变）改变

鈈变，改变开关频率或周期调控输出电压

实际应用中广泛采用PWM方式因为采用定频PWM开关时，输出电压中谐波的频率固定滤波器设计容易，开关过程所产生电磁干扰容易控制此外由控制系统获得可变脉宽信号比获得可变频率信号容易实现。但是在谐振软开关变换器中为了保证谐振过程的完成采用PFM控制较容易实现。

3.3 Buck变换器中电感电流的脉动和输出电压的脉动与哪些因数有关试从物理上给以解释。 答：电感电流的脉动量与电感量 量

、开关频率有关电感量

有关，输出电压的脉动量与电感量

越大其滤波效果越好而开关频率越高，滤波电感嘚交流

阻抗就很大它对直流电压的阻抗基本为0，同时滤波电容的交流阻抗很小

3.4 Buck变换器断流工况下的变压比与哪些因数有关，试从物理仩给以解释 答：Buck变换器在电流断续工况下其变压比 及电压

，电感L的磁通增量是否为零为什么？

3.5 图3.2(a)、3.5(a)电路稳态时在一个开关周期中电感电流的增量电容

的电流平均值为零，电容

端电压的增量是否为零为什么？

答：电路处于稳态时在一个开关周期内电感电流的增量电感的磁通增量

，那么电感上的磁通将无法复位也即电感上的能量不断累积，最终将达到饱和甚至烧毁电感，

的电流平均值为0那么电嫆

所以稳态工作时应使一个开关周期内电感

为0，因为稳态时一个周期内电容上的充电电荷等于放电电荷即电容上电荷增量故电容

3.6 Buck变换器Φ电流临界连续是什么意思？当负载电压一定时在什么条件下可以避免电感电流断流?

答：Buck变换器中电感电流临界连续是指处于电感电流连續和电感电流断流两种工况的临界点的工作状态这时在开关管 阻断期结束时，电感电流刚好降为零当负载电压流断流。

3.7 开关电路实现矗流升压变换的基本原理是什么

答：为了获得高于电源电压

，一个简单而有效的办法是在变

换器开关管前端插入一个电感L如右图所示。在开关管T关断时利用图中电感

在其电流减小时所产生的反电势

正值)，将此电感反电势直流升压变换

串联相加送至负载，则负载就可獲得高于电源电压

3.8 Boost变换器为什么不宜在占空比感中释放到负载如果占空比

答：因为在Boost变换器中，开关管导通时电源与负载脱离，其能量全部储存在电感中当开关管关断时，能量才从电

接近于1那么开关接近于全导通状态，几乎没有关断时间那么电感在开关管导通期間

接近1的情况下工作。同时

储存的能量没有时间释放，将造成电感饱和直至烧毁。因此Boost变换器不宜在占空比

从Boost变换器在电感电流连续笁况时的变压比表达式比

接近于无穷大这显然与实际不符，将造成电路无法正常工作

3.9 升压－降压变换器（Cuk变换器）的工作原理及主要優点是什么？ 答： Cuk变换器在一个开关周期中

期间，令开关管T导通这时电源经电感L1和T短路，L1电流线性增加电源

将电能变为电感L1储能，與此同时电容C1经T对C2及负载放电并使电感L2电流增大而储能。在随后的

关管T阻断电感L1电流经电容C1及二极管D续流，此时电感L2也经D续流，L2的磁能转化为电能对负载供电Cuk变换器的优点是仅用一个开关管使电路同时具有升、降压功能；而且该变换器输入输出电流脉动小。 3.10 如何理解Cuk变换器中间电容电压 答：电感电压

稳态运行时，一个开关周期电流增量为零磁链增量为零，电感两

端电压的直流平均值为零因此Cuk電路拓扑结构图可直接得到直流平均电压。

3.11 直流－直流四象限变换器的四象限指的是什么直流电机四象限运行中的四象限指的是什么？這两种四象限有什么对应关系

答：直流—直流四象限变换器的四象限指的是变换器的输出电压

均可正可负的四种组合。

直流电机四象限運行中的四象限指的是电机的转速和电磁转矩可正可负的四种组合对于电机的转速有：

对于电机的电磁转矩Te：

在励磁电流不变、磁通不變时电机的转速、电磁转矩大小和方向由VAB、IAB决定。

通过改变VAB的大小及IAB的大小和方向调控电机在正方向下旋转时的转速及电磁转矩Te的大小囷方向，既可使直流电机在电动机状态下变速运行亦可在发电机制动状态下变速运行因此直流—直流四象限变换器的四象限和直流电机運行中的四象限之间存在一一对应的关系，如图3.9(d)所示

3.12 多重、多相直流—直流变换器中，多重（重数优点是什么

）指的是什么意义？多偅、多相变换器的

答：假定变换器中每个开关管通断周期都是（

多重（重数）是指：在一个周期中变换器负载电流

。多相（相数）是指：在一个周期中变换器电源侧电流

脉动频率为多重、多相变换器的优点是：其输出电压、输入电流脉动频率比单个变换电路成倍地提高，因而可以显

滤波器重量体积的要求同时多重、多相复合变换器还能扩大变换器

著改善变换器输入、输出特性或者减少变换器对的输出嫆量。

3.13 说明单端正激、单端反激DC/DC变换器工作原理

答：单端正激DC/DC变换器从电路结构、工作原理上可以看出它是带隔离变压器的Buck电路如图3.11(b)所礻，开关管T导通时经变压器将电源能量直送负载被称为正激但是匝比N2/N1不同时，输出电压平均值Vo可以低于也可高于电源电压Vd变压器磁通呮在单方向变化被称为单端。

图3.12(b)所示为单端反激DC/DC变换器T导通的期间，电源电压Vd加至N1绕组电流副方绕组N2的感应电势

直线上升、电感L1储能增加，

二极管D1截止，负载电流由电容C提供C放电；在T阻断的期间，N1绕组的电流转

移到N2感应电势（反向为正），使D1导电将磁能变为电能向负载供电并使电容C充电。该变换器在开关管

T导通时并未将电源能量直送负载仅在T阻断的期间才将变压器电感磁能变为电能送至负载故称之为反激，此外变压器磁通也只在单方向变化故该电路被称为单端反激DC/DC变换器。

4.1 逆变器输出波形的谐波系数HF与畸变系数DF有何区别為什么仅从谐波系数HF还不足以说明逆变器输出波形的本质？ 答：第n次谐波系数HFn为第n次谐波分量有效值同基波分量有效值之比即HFn＝Vn/V1,总谐波系数THD

，畸变系数DF定义为：

对于第n次谐波的畸变系数DFn

谐波系数HF显示了谐波含量，但它并不能反映谐波分量对负载的影响程度很显然，逆變电路

输出端的谐波通过滤波器时高次谐波将衰减得更厉害，畸变系数DF可以表征经LC滤波后负载电压波形还存在畸变的程度

4.2 为什么逆变電路中晶闸管SCR不适于作开关器件？

答：（1）逆变电路中一般采用SPWM控制方法以减小输出电压波形中的谐波含量需要开关器件工作在高频状態，SCR是 一种低频器件因此不适合这种工作方式。

（2）SCR不能自关断而逆变器的负载一般是电感、电容、电阻等无源元件，除了特殊场合唎如利用负载谐振进行换流

一般在电路中需要另加强迫关断回路才能关断SCR，电路较复杂因此SCR一般不适合用于逆变器中。

4.3 图4.2(a)和4.3(a)中的二极管起什么作用在一个周期中二极管和晶体管导电时间由什么因素决定，在什么情况下可以不用二极管D纯感性负载时，负载电流为什么昰三角形

答：图中二极管起续流和箝位作用，在一个周期中二极管和晶体管导电时间由三极管驱动信号和负载电流定在纯阻性负载时鈳以不用二极管D。

在期间，对于全桥逆变电路有对半桥电路，线

期间全桥电路，半桥有

都是300V，半桥和全桥电路断态时开关器件两端最高电压都是 4.4 有哪些方法可以调控逆变器的输出电压

答：有单脉波脉宽调制法、正弦脉宽调制法（SPWM）、基波移相控制法等。单脉波脉寬调制法缺点是谐波含量不能有效控

制；SPWM法既可控制输出电压的大小又可消除低次谐波；移相控制一般用于大功率逆变器。 4.5 图4.6(d)脉宽为

的單脉波矩形波输出电压

的表达式为(4-16)式如果横坐标轴即时间（相位角）的起点改在正

半波脉宽的中点，试证明那时的表达式应为：

的中點，相当于原波形在时间上前移了

当横坐标轴即时间（相位角）的起点改在正半波

，因此将（4－16）中的

4.6 正弦脉宽调制SPWM的基本原理是什么载波比N、电压调制系数M的定义是什么？改变高频载波电压幅值 率

为什么能改变逆变器交流输出基波电压

答：正弦脉宽调制SPWM的基本原理是沖量等效原理：大小、波形不相同的窄变量作用于惯性系统时只要其冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同如果将正弦波周期分成多个较小的时间段，使PWM电压波在每一时间段都与该段的正弦电压冲量相等则不连续的按正弦规律改变宽度的多段波电压就等效于正弦电压。 载波比N定义为三角载波频率

；电压调制系数M是正弦调制波幅值

,改变调制比M即可成比例的调控输出电压的基波大小。又因為

即可调控输出电压的基波频率

4.7 既然SPWM控制能使逆变器输出畸变系数很小的正弦波，为什么有时又要将调制参考波调制波或改为梯形波，或取（4－37）式所示的附加3次谐波分量的调制参考波

从正弦波改为图4.11所示

答：SPWM法输出基波电压幅值

方波逆变时，逆变电压基波幅值可达直流电压利用率为0.9。因此为了提高SPWM法的直流电压利用率

可以将调制参考波的最大值不超过

从正弦波改为图4.11所示调制波，或改为梯形波或附加3次谐波分量，这样调制参考波不会出现过调制的情况，但基波电压幅值可超过

这就可以提高直流电压利用率。

4.8 请解释图4.17中输叺直流电流

答：图4－17是采用空间矢量PWM控制方法时的相关波形其中，逆变器输入直流电流

例如当A、B相为下桥臂的T4、T6管导通而C相为上桥臂嘚T5

，若假设负载电流为正弦且相电流滞后相电压

时，因此在0～周期中，将在图4－17中

同理可以分析出其他5个开关状态时电流的波形为陸倍频的脉动电流，脉动周期为

4.9 试说明三相电压型逆变器SPWM输出电压闭环控制的基本原理。 答： 引入了逆变器输出电压

的闭环反馈调节控淛系统如图4.15(b)所示

的实测反馈值。电压偏差经电压调节器VR输出调制电压波的幅值弦电压

它们与双极性三角载波电压

与调制波的频率共同產生三相调制波正

相比较产生驱动信号，控制各个全控型开关器件

的通断从而控制逆变器输出的三相交流电压。 当

时电压调节器VR输出嘚时，

值增大使输出电压各脉波加宽，输出电压

减小M值减小，使输出电压＝

如果电压调节器VR为PI调节器（无静态误差），

改变或负载妀变而引起输出电压偏离给定值时通过电压闭环控制可

4.10 三相逆变器的8种开关状态中有6个开关状态对应6个空间位置固定、相差矢量。但三楿正弦交流电压任意时刻的瞬时值是一个以角速度只能产生6个特定位置（

的非零电压空间矢量另两个为零

在空间旋转的矢量产生的。6个開关器件的三相逆变器）的空间矢量如何用两个相差

量和零矢量的合成效果去等效任意相位角时的空间矢量？当直流电压一定时如何調控输出电压的大小和相位？

4.11 三相三电平逆变器中12 个开关器件的通断控制可以获得多少个特定的电压空间矢量图4.20中二极管D5、D6起到什么作鼡？如果直流电源电压为

在断态时，开关器件所承受的反压是多大

答：可采用从逆变器的6个处于空间特定位置的开关状态矢量中，选擇两个相邻的矢量与零矢量合成一个等效的旋转空间矢量

的大小和旋转速度来调节三相逆变器输出电压的大小和频率，这就是电压空间矢量PWM方法 区域划分为6个

为任意指令值，则可用矢量

区边界的那两个相邻的特定矢量 存在

、来合成矢量即可用逆变器的3个开关状态x、y、0茬一个周期

时间来合成等效的任意位置的空间矢量

一定时，通过调节零矢量作用时间

大输出电压将减小。一定的

可调控输出电压大小。

决定了输出电压具有一定的相位角和电压大小

4.12 复合结构逆变器消除低阶谐波的原理是什么？图4.22(d)中12阶梯波输出电压的半周由6段组成每段

分别、和，已知图4.6所示的脉宽为的矩形电压波的傅立叶级数表达式

为（时间坐标即相位角的起点选在正半波脉宽的中点），利用这个傅立叶级

数表达式求12阶梯波的傅立叶级数表达式4－76式

答：复合结构逆变器采用多个三相桥式逆变电路，每个开关都按都是

导电方式工作每个三相桥逆变电路输出线电压

方波。令各个三相桥式逆变器的同一相（例如A相）的输出电压彼此相差一定的相位角通过几个变压器將

各个三相逆变器的输出电压复合相加后输出一个总逆变电压，适当的设计各个变压器的变比和付方电压的连接方式并安排各逆变器输絀电压的相差角，就可以消除总的输出电压中的3、5、7、11、13等低次谐波

图4.22中的12阶梯波可以用三个脉宽分别为

阶梯波的傅立叶技术表达式（4－76）。

4.13 逆变器有哪些类型其最基本的应用领域有哪些？ 答：逆变器的类型有：

1. 电压型和电流型逆变器

将三个矩形波的傅立叶级数展开，叠加后即可得到12

2. 恒频恒压正弦波和方波逆变器变频变压逆变器，高频脉冲电压（电流）逆变器

3. 单相半桥、单相全桥、推挽式、三相橋式逆变器。

4. 自关断换流逆变器强迫关断晶闸管逆变器。晶闸管逆变器可利用负载侧交流电源电压换流负载反电动

势换流或负载谐振換流。

逆变器的基本应用包括：交流电动机变频调速不停电电源UPS，电子镇流器中频或高频感应加热电源等等。还可应用于电力系统作為无功补偿器或谐波补偿器

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，交流电源在囸负半周期均有电流 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从而控制負载的整流电压。

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

5.2 什麼是电压纹波系数、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：输出電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基波电鋶数值因数： 电流畸变因数也称基波电流数值因数，是基波电流有效值

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：

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鋶相电压、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箌负载的一端；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。因此任哬时刻负载得到的整流电压瞬时值是线电压的最大瞬时值。 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，使得输出整流電压 范围也是π，但是，晶闸管的导通角（3）输出电压平均值：为正值，而全控整流电路

的波形中没有为负的电压波形尽管晶闸管的触發移相

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。

时晶闸管承受反压阻断。在晶闸管阻断期间负

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

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

压一直保持为E；若α大于

（，称为停止导电角）则负载端电

，则在wt＝kπ－δ至wt＝kπ＋α期间载端电压保持为E。

则电流脉动减小。这时整流电路输出

若在负载回路中串联足够大的平波电抗器，使電流连续、晶闸管的导电角

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。

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，这时结束后

（负载电流）整鋶电压

，换相后b相的Tb导电换相

，Ta立即受反压截止负载电流

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為零原来导电的A相电流

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两相电源經电感2LC短接状态又

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（

这说明整流电压嘚瞬时值是参与换流的2

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┅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）嘚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┅定的影响 5.8 为什么m脉波的整流电压中只含有Km次谐波，K = 12，3?？

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為T/m的区间进行傅立叶分解则

整流电压udc可以表示为

的mk，这里k = 12，3?等。

相当于得到的谐波分量得频率为电源电压频率

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

（2）实际交流电源电路中电感

，之后会因承受正向而可能再次误导通

，存在换相偅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洅次误导通。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π－θ0－ν－

，则有源逆变的最大控制角

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囷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）应导通嘚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

双脈冲触发，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

5.11 图5.36 Boost型功率因数校正器为什么能实现输入交流電流基本正弦，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踪交流输入正弦电压波形使

；电流内环，使交流电源电流

同楿外环的PI型电压误差放大器VAR的输出是个直流量K

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

的检測值（与交流电源电压

与交流电源）一起送入PI型电流误差同相输入端功率因数

比较器CAR。结果使电感电流接近于1。 输入电流（

跟踪指令徝也就是输入电流

）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

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、频率囷相位的控制，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兩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

和交鋶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电流

的幅值和相位，就可以获得所需大小囷相位的输入

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

6.1 单相交流电压控制器当控制角

时为什么输出电压不可控？

答：图6.2（c）中如果把T1、T4的触发信号ig1、ig4的起点从

不能使T1立即导电，ig1对T1不起作用直到

时，由于仍是负电流即T4仍在導通，故这时的触发电流ig1并时iT4=is=io=0如果这时还有ig1，ig1才可能开通T1

因此RL负载、时，如果要是电压控制器能正常工作触发信号ig必须是宽脉冲。洳果则脉冲宽度应超

过，而且此时虽然但与时一样，输出电压、电流波形都是完整的正弦波

6.2 由图6.2（e）查得：单相全波交流电压控制器在电阻负载（（

）时导电角为，在纯电感负载时

从物理上解释这一结果。

图6.2 单相交流电压控制器电路、波形及特性

时为电阻负载，茬时为纯电感负载，

时晶闸管开通，电流以0开始上升电感开始储能，在

时电流达到最大，然后开始减小由于

时，电压反向晶閘管关断，故

时输出电压不可控，电流波形为连续正弦波见图6.2（c），故

时对称性电流将会是对称的，故

6.3 单相交流电压控制器带电感、电阻负载时如何利用图6.2（e）、6.2（f）计算出晶闸管电流有效值。 答：根据

再根据图6.2(g)、（f）画出的以

。晶闸管电流IT的基准值为

图6.2(g)、（f）昰按（6-23）、（6-24）式画出的以根据图6.2(e)所示的导通角

6.4 图6.5（a）所示三相星型联结电压控制器不同的控制角围为什么是

时为什么会有两类导电工作狀态控制角的有效控制范

答：对于图6.5（a）所示三相星型联结电压控制器，要想电流形成通路要么三相同时工作，要么两相同时工作所以对于控制角不同时，电路只有两种导电工作状态：

第一类：三相同时导电工作状态在同一时刻，每一相有一个晶闸管导电因此任哬时刻同时有三个晶闸管导电。 第二类：二相同时导电工作状态在同一时刻仅二相各有一个晶闸管导电，第三相中的两个晶闸管都不导電这时电流从 电源的一相流出，经负载后从另一相回到交流电源无论是电源还是负载的第三相都不导电。

时T1与T6共同存在的最早时刻昰在UAN=UBN的交点之后，即UAN

控制角控制输出电压的变化范围是

6.5 图6.6所示三相开口三角形电压控制器有什么优点控制角工作范围是多大？

答：优点：因为负载是三角形联结负载相电流中的3次及3的倍数次谐波是零序分量电流，它们在相位上相差

即它们在三相对称负载中有相同的相位和幅值，在三角形环路中形成环流故在三相线电流中不存在3次及3的倍数次谐

波电流分量。 控制角工作范围：

6.6 图6.7（a）中如果要求输出电壓的变化范围是怎样对T1、T2、T3、T4进行相控最好？为什么

答：T3和T4在电源电压vS的整个周期内都处于断态，而T1和T2在vS的整个周期内交替地导通控制触发角则可调节

6.7 晶闸管相控直接变频的基本原理是什么？为什么只能降频、降压而不能升频升压

答：图6.9（a）所示电路中只要使两组變流器在相控状态下工作，根据负载所需的交流电压频率（6-26）、（6-28）式对两组变流器进行相控当负载电流令反组N工作、正组停止工作，並保持

似正弦交流电压在交流电源电压不变从而

时，令正组P工作、反组停止工作反之当

，那么就能在负载上得到所需要的频率为

不变嘚情况下只要改变（6-26）-（6-28）式中的变压比K值，即可改

变交流输出电压大小当然这种直接变频从原理上讲只是把相控“整流”输出电压脈冲中的每个脉冲的平均值控制到按“正弦规律”变化，然后再把这一系列直流脉冲拼成一个近似的“正弦波”因此输出到负载端的交鋶电压的周期只能比电源交流电压周期长，其输出频率只能低于交流电源频率只能降频、降压。 6.8 晶闸管相控直接变频电路中正、反两组楿控变流器的控制角反组输出电压瞬时值 答：

时可以使任何时候连续正值输出电压平均值

等于反组输出电压平均值

6.9 图6.9（a）交流-交流直接變频器与第5章图5.31(a)所示直流电动机可逆传动系统两组变流器的工作方式、控制原理有什么异、同之处？

同：均是通过对正组、反组控制角的控制

异：图5.31是正反两组均可工作在整流、逆变状态，通过改变晶闸管的触发控制角或逆变角可以调节整流或逆变电压VD，控制交流电源－负载之间交换的功率的大小和方向

时，正组工作反组停止工作。

时反组工作，正组停止工作

它只是把相控“整流”输出电压脉沖中的每个脉冲的平均值控制到按“正弦规律”变化，然后再把这一系列直流脉冲拼成一个近似的正弦波

6.10 矩阵式交流-交流变频器的基本笁作原理是什么？它有些什么优缺点 答：原理：6.11（a）中共用了 9个双向自动关断开关器件：当

导通时，交流电源B相电压接到负载a相三个器件中的某一个导通，负载a相电压 动

导通时交流电源A相电压接到负载a相：

可以是交流电源电压A、B、C三相中任一相的电压瞬时值同理驱

是茭流电源A、B、C三相中的任一相的电压瞬时值。

中的某一个导通可以使负载b相电压

负载c相电压也可以是交流电源A、B、C相中任一相的电压瞬時值。如果9个开关器件都是双向可控导电的开关

无论各相瞬时值为正或为负，都可使负载a、b、c三个相从交流电源或或处得到所需的电压瞬时值因此对9个全控型开关器件进行高频SPWM控制，就可以在负载处得到频率和电压均可调控的三相互差?? 120的交流电压

优点：矩阵式交流-交鋶变频器既是开关性质的交换器，其输入电流和输出电压都不可避免的有谐波只有自关断器件在高频SPWM状态下工作，谐波阶次较高而已故此只需在输入、输出端附加很小的LC滤波器，就能显著地改善输出电流

和输出电压波形至于输入电流的相移因数（基波功率因数值。

）由于采用了自关断器件可以使为任意指令

缺点：对图6.11（a）中18个IGBT进行实时、适当的控制需要精确快速的检测三相交流电源电压、输出电压囷三相负载电流，并构成被控量的全数字化反馈控制系统才有可能实现快速精确的控制，获得优良的特性

7.1 比较图7.1和7.3所示SCR和GTO两种驱动器笁作原理、驱动器的输出波形和脉冲变压器的利用率。

答：两者都是采用脉冲变压器进行隔离的对于SCR，当控制系统发出的驱动信号经变壓器放大后再经过二极管整流便可获得触发脉冲电流。为防止脉冲变压器饱和在原方增加了由齐纳二极管和二极管组成的续流部分，茬驱动信

号为零时电流可迅速衰减至零对于GTO，由于在脉冲变压器次级含有四个二极管组成的全桥整流增加了脉冲变压器的利用率。关斷时需要在门极施加大幅值的负脉冲电流故GTO驱动器与SCR驱动器相比，增加了产生负脉冲电流的部分即SCR驱动器输出波形中只有正脉冲，而GTO驅动器输出波形中有正、负脉冲 7.2 图7.4(a)所示BJT驱动器中为什么要用正、负双电源，电容Ｃ起什么作用

答：BJT断态时应施加反向的基—射极间电壓，以缩短关断时间和增加三极管的集—射间阻断能力因此，用正、负双电源的目的就是为了能在BJT阻断时给基—射极间施加反偏电压，使BJT快速关断并维持短态。

电容C为加速电容电路输入低电平时，电容C充电充电电流在BJT开通初期提供基极瞬时大电流（提升电流），鈳以加快开通过程稳态导通时，基极电流减小可以减短关断过程。 7.3 说明图7.6、图7.7中P-MOSFET驱动器工作原理

答：图7.6画出了由脉冲变压器驱动的。有正信号输入时变压器副方电压管经过向管提供开通电压并给门极/源极结电容充电，这时辅助受反偏而不导电阻断了门极结电容

导電，、两点导通抽出经放电。当有负信号输入、脉冲变压器管门极结电容副方

辅助管的电荷，使其关断

号时，A点位负电位带光耦嘚驱动器，有驱动信号时A点位正电位，导通稳压管的电压作为反压加至导通使导通。无驱动信 的栅（G）-源（S）极关断

7.4 有光耦隔离的驅动器优、缺点是什么？

答：有光耦隔离的驱动器两侧的电磁干扰小但光耦器件需要承受主电路的高压，有时还需要增加额外的电源和脈冲电 流放大器

7.5 半导体开关器件关断时，其电流 答：电压根据线路电感可近似认为是线性下降到零其电压由什么决定？ 的不同而不同可参见书图7.10及7.11。

7.6 并联缓冲器和串联缓冲器功能是什么线路杂散电感或串联缓冲电感在开关电器开通、关断过程中起什么作用？ 答：并聯缓冲器的作用是延缓关断过程中开关管电压的上升速度和限制其数值

串联缓冲器的作用是使开关管电压在开关关断过程中缓慢上升，減小了关断时的dv/dt而且改善了关断时的开关轨迹，确保开关器件的安全运行

?? 线路杂散电感可以使开关管开通时两端电压减小，改善开通特性并可减小开通时的，所以有时又人

为此可在为地串联一个数值不大的缓冲电感

两端并联二极管和电阻。但是较大的串联缓冲电感茬关断过程中又会引起阻尼电路抑制关断过程中三极管的过电压。 较多的超过

7.7 说明图7.14(a)的限幅缓冲电路的基本缓冲原理和优、缺点

答：限幅缓冲电路的基本工作原理，无论通态和断态缓冲电容升超过

后缓冲电容才起作用，限制的电压都保持不变仅在关断过程中，从零仩的增长适当选择电容的数值可以将关断时的电压、电流轨迹控制在安全区以内。

优点：缓冲电容的电压变换不大能耗不大。

缺点：電容、电感中储存的能量消耗在电阻上增加了散热装置的负担，降低了变换装置的效率

7.8 输入滤波器（电源侧滤波器）、输出滤波器（負载侧滤波器）的主要功能是什么？其滤波效果与哪些因素有关为什么？

答：电力电子开关电路的输入电流在直流电源供电时不可能昰平直的直流电流而含有交流谐波电流，在交流电源供电时不可能是正弦电流而含有高次谐波电流因此，输入滤波器的主要功能就是要抑制电力电子变换电路输入电流中的谐波电流流入供电电源改善供电电源的供电质量。电力电子开关电路输出的直流电压不可能是平直嘚直流电压输出的交流电压也不可能是正弦交流电压，输出滤波器的功能就是将开关电路输出直流电压中的交流分量滤除只将 平直的矗流平均值电压输给负载，或将开关电路输出交流电压中的谐波电压滤除只将正弦基波电压供给负载。所以输出滤波器的主要功能就昰改善电力电子变换器输出到负载上的供电电压质量。

滤波效果与滤波器的电感值、电容值和谐波的阶次有关电容电抗与频率成反比，並联在电路中滤除高频谐波；电感阻抗与频率成正比串联在电路中滤除高频谐波。

7.9 如何选择半导体电力开关器件的散热器使其工作中的結温不超过允许值

在开关器件的散热系统的分析与设计中，经常采用图7.21所示的热等效电路开关器件的功耗

三个热阻后发散在周围环境涳气中：热先经半导体管芯PN结-管壳之间的热阻

的热阻流至散热器，最后在经散热器与周围空气环境之间的热阻所对应的热量经过流至管壳再经管壳-散热器之间将热量散发至空气中，热从高温流向低温区PN结温>壳温>散热器温度>空气环境温度。利用热等效电路计算满足上述不等式的要求散热器与环境之间的热阻值需要达到的值，再根据散热器产品的参数选择热阻器

7.10 电力电子变换器控制系统的基本功能是什麼？

答：变换器控制系统的主要任务是为半导体电力开关器件产生开、关信号从而得到需要的输出电压或电流。此 外还应能监控变换器嘚工作状态显示、记录运行参数，远程通讯以及故障处理等等

8.1 怎样才能实现完全无损耗的开关过程？

答：利用开关电路中的L、C元件产苼谐振使开关器件两端的正向电压vT、电流iT谐振到零，在vT=0期间施加驱动信 号开通开关管或在电流谐振为零iT=0期间撤除驱动信号关断开关器件可以获得无损耗开关特性。

8.2 零开关即零电压开通和零电流关断的含义是什么？

答：零电压开通：开关器件两端的正向电压vT谐振到零、茬vT=0期间施加驱动信号开通开关管因而开关管T在其等效电阻从的开通过程中和随后的电流iT建立的过程中，开关损耗pT=vTiT≡0而无开通损耗。

零電流关断：在开关器件电流iT谐振到零在iT=0期间撤除驱动信号，关断开关器件因此在开关管等效电阻关断过程中，pT=vTiT≡0而无关断损耗 从8.3 采鼡L、C缓冲电路软化开关过程的优点、缺点是什么？

答：优点：采用L,C缓冲软开关电路中开关器件的关断损耗

关器件的开关损耗显著减小

缺點： L、C复合缓冲电路中存储在L、C中的能量每开通、关断一次都会在图8.1（b）中电阻

换器损耗不一定减小很多。

上消耗掉表明整个变比同一電路参数情况下硬关断的关断损耗小很多倍，即开

8.4 零电流关断ZCS PWM变换器与零电流关断ZCS PFM变换器(零电流关断准谐振变换器ZCS QRCs)在电路结构上有什么区別特性上有那些区别？

答：结构上：ZCS PWM变换器电路比ZCS PFM变换器电路多了一个辅助开关管T2和D2

特性上：ZCS PWM变换器可实现输出电压的恒频PWM控制；谐振元件LC参与部分状态的工作，谐振元件损耗小通态损耗 也小；辅助开关管T2也是零电流关断。

ZCS PFM变换器靠脉冲频率调制PFM调控输出电压只能鼡于小功率变换器上；谐振元件LC参与变换器工作周期的全过程。

8.5 零电压开通ZVS PWM变换器与零电压开通PFM变换器(零电压开通准谐振变换器ZVS QRCs)在电路结構上有什么区别 特性上有那些区别？

答：结构上：ZVS PWM变换器电路比ZVS PFM变换器电路多了一个电感上并联的辅助开关管T2和D2

特性上：ZVS PWM变换器可实現输出电压的恒频PWM控制；谐振元件LC参与部分状态的工作，谐振元件损耗小通态损 耗也小且谐振元件对变换器的输出特性影响很小；辅助開关管T2也是零电压开通。

ZVS PFM变换器靠脉冲频率调制PFM调控输出电压只能用于小功率变换器上；谐振元件LC参与变换器工作周期的全过程。

8.6 直流環节并联谐振逆变器如何实现逆变器开关器件的零电压开通与关断

答：图8.8(a)中在三相逆变器主开关T1－T6两端各并联一个小电容，在直流侧PN两端的等效电容为C在三相逆变器与直流电源VD之间插入了一个由主开关管谐振开关管，谐振电感L以及等效电容C组成的谐振电路图中逆变器嘚六个开关器件T1－T6周期性地按PWM方式改变其通、断状态，使逆变器输出三相交流PWM电压 如果在主开关器件T1－T6需要改变开关状态时，开通、关斷形成L、C谐振，使电容C两端直流电压降为零值给逆变器6个开关的零压开通和零压、零流关断创造条件，那么逆变器开关状态的转变就鈳能在其端电压为零的状态下进行实现零电压开通和零电压、零电流关断，没有开关损耗

9.1 AC/AC 直接变频、变压电源和AC—DC—AC两级间接变频、變压电源各有那些优缺点？

答：晶闸管相控交流—交流直接变频器变换后可以获得频率低于50Hz的变压、变频交流电源，这种直接变频的缺點是：只能降低频率同时输出电压波形中含有较大的谐波，输入电流谐波严重且功率因数低

AC—DC—AC两级间接变频、变压电源中，第Ⅰ级茭流—直流整流变换电路可以根据不同的应用要求采用各种方案第Ⅱ级直流—交流逆变器的输出频率可以是任意值，电压、频率可独立戓协调控制采用SPWM控制的变换器输出交流电压波形畸变率较小，直流电源中谐波电流也不严重且易于滤波（开关频率可以较高）

9.2 VVVF逆变器Φ如何实现电压—频率协调控制？

答：VVVF逆变器有许多不同类型的控制策略如恒定电压—频率比控制，恒气隙磁通控制恒转子磁通控制等等，根据这些不同的控制策略确定定子电压V1与频率f1之间的函数关系，就可实现电压—频率协调控制

答：图9.3为一个典型的由整流和逆變两级变换器构成的在线双变换式UPS。市电正常时市电经输入变压器和充电器（一个小功率整流器）输出电压、电流可控的直流电给蓄电池充电，使蓄电池储备电能同时市电经整流器实现交流—直流变换后向逆变器提供直流电，逆变器实现直流—交流变换后输出恒压、恒頻的交流电经静态开关S1对负载供电。这时旁路 静态开关S2断开负载与市电之间无直接联系。

当市电供电异常时（过压、欠压、断电）控制系统（图9.3中未画出）断开输入开关S，切断市电与UPS的联系蓄电池为逆变器提供直流电能，逆变器继续经静态输出开关S1向负载供电 9.3 说奣典型UPS的工作原理。

9.4 说明双变流器串、并联补偿式UPS的工作原理

答：图9.4示出的双变流器串、并联补偿式UPS的原理图。图中变流器Ⅰ和Ⅱ都是雙向AC

接蓄电池变流器Ⅰ经电感L1和变压器T输出的电压

补偿变流器，它提供的补偿电压既抵消电源电压?(电流IS)串接在电源电压DC SPWM变流器其直流側和负载电压vL之间，称之为串联中的谐波vsh又补偿基波电压vs1，使负载电压vL成为与电源基波电压vs1同相的正弦基波额定电压vR变流器Ⅱ经L2C2滤波後并接在负载两端，称之为并联补偿变流器对变流器Ⅱ进行实时、适式控制，可使它输出至负载的电压为正弦波额定电压vR并向负载输絀电流

中、补偿负载无功和谐波电流，使交流电源仅向负载输出基波有功电流

）与变流器Ⅱ共同提供 ，功率因数其，负载的有功电流甴交流电源（

在非线性负载、电源电压高于或低于额定值vR且含有谐波电压时这种UPS通过串、并联补偿变流器共同作用，可使负载

电压vL补偿箌与电源电压同相的额定正弦电压vR同时电源交流仅输出基波有功电流

负载供电，一旦市电停电后变流器Ⅱ从蓄电池获取电能继续不间斷的对负载供电。

正常时市电与双变流器共同对

9.5 现今直流输电系统中为什么都采用晶闸管作开关元件？如何控制传输功率的大小 答：甴于直流输电系统中的整流器，逆变器都需要变换很高电压、很大电流的电功率而且一般采用相控整流和有源逆变，因此往往采用电压電流额定值很高的晶闸管串联成一个“高压开关器件”

输电线首端相控整流器输出的直流功率? ，而由（9－11）式可知：直流输电系统中的矗流电压VD1、VD2、

电流ID和功率制 ，可以方便地通过改变相控整流的整流控制角和有源逆变的逆变控制角（）来调节控

9.6 半桥型逆变电路为什么囿自动平衡输出电压正负半波伏秒值的作用

电位的浮动，可使变压器绕组上正负半周中电压－时间积分值即伏－秒值正负平衡，

9.7 全桥型逆变器中为什么要采用隔直电容

答：如果开关器件T1、T4和T2、T3导通时间有差异，则加在N1上的交流电压

正、负半波电压幅值相等但脉冲 中除交流分量外还将含有直流电压分量，会在变压器N1绕组中产生直流磁化电流并可能造成磁路

中的直流分量饱和而使变换器不能正常工作，因此通常在逆变器输出与变压器一次绕组N1之间串入隔直电容使

电压（频率为0、电容CO容抗为无限大）降落在CO上，中的交流分量电压加到N1仩避免变压器直流磁化。

9.8 移相全桥零电压开关DC/AC－AC/DC变换中怎么才能实现超前桥臂和滞后桥臂开关器件的零电压开通

答：为了使超前桥臂開关器件T1、T2能实现零压开通，必须使（9－19）式的t01 小于死区时间td即

使T2加驱动信号开通之前，D2已开始导电为T2的开通提供零电压开通条件。

為了使滞后桥臂开关器件T3、T4能实现零电压开通必须使（9－24）式的t34小于死区时间td，使T3加驱动信号开通之前D3已开始导通，为T3的开通提供零電压开通条件

9.9 说明图9.9中各种直流电源方案的优缺点。

不控整流：如图9.9(1)所示电路最简单、价格最低廉，但直流负载与交流电网无电气隔離输出电压不可控，变换 器输入、输出特性都较差所需LC滤波器也大。

相控整流：如图9.9(2)所示输出直流电压可控，当要求直流输出电压低即触发控制角

率因数很低且仍存在以上不控整流的其他缺点。

带工频变压器的相控整流：如图9.9(3)所示由于交流电源经变压器后再对相控整流器供电，故直流负载与交流电网大（深控）时交流输入功

之间有电气隔离。输出电压与电网电压可以有较好的匹配关系但工频變压器重量体积大，LC滤波器也大使这种直流电源重量、体积大，且相控整流的其他缺点仍然存在

先经不控整流再采用不隔离的高频DC/DC变換器：如图9.9(4)所示，优点是第二级DC/DC变换可输出高频PWM直流电压经较小的LC滤波后即可得到纹波较小的平稳直流电压，输出直流可控重量体积鈈大。但直流负载与交流电网之间无电气隔离交流电网输入电流仍含有较大的谐波。

AC/DC不控整流、DC/AC高频逆变、AC/DC不控整流三级变换：如图9.9(5)所礻优点是有了中间一级高频方波逆变，高频变压器将直流负载与交流电网隔离高频变压器输出侧直流LC滤波器重量体积不大，输出直流電压纹波小动态特性也好，缺点是交流输入电流谐波仍严重功率因数也不可能高。

AC/DC高频PWM整流、DC/AC高频逆变、AC/DC不控整流三级变换：如图9.9(6)所礻其中第一级是高频PWM整流，第二级是高频PWM逆变经高频变压器隔离后第三级可采用双半波或全桥不控整流，这种三级电力变换直流电源它能将负载与电源隔离，逆变环节采用单脉波高频PWM逆变因此，逆变电路及其控制并不复杂控制系统可以采用集成控制芯片构成。采鼡较高的逆变频率可以使变压器、滤波电感、电容的重量、体积都不大输出电压纹波小，动态特性好

10.1 闸管相控电抗器的基本原理是什麼，

晶闸管触发控制角与两种情况下等效电抗是否相等为什么？ 答：双向晶闸管T1、T2和电抗器L组成的晶闸管相控电抗器TCR中T1、T2按相控方式笁作。相控角α大于90°时，可对纯电感负载的电感电流进行相控。如图10.2(c)所示对图10.2(c) 中的电流作傅立叶分析可求得其基波和n次谐波电流有效徝I1、In 。90°增大时，I1减小谐波电流流I1。

时电流为完整的正弦波、无谐波，两种情况下等效电抗相等。

时电流为完整的正弦波、无谐波，控制晶闸管的触发角。当从即可改变等效电抗的大小，调控电抗器的基波无功电

10.2 说明图10.5所示PWM开关型无功功率发生器的基本工作原悝它与第5章中的三相PWM逆变器有那些相同和不同之处？

答：采用自关断开关器件的PWM电压型逆变器可以将直流电变为交流电，输出电压、頻率及相位均可控的三相交流电压Vi如果将逆变器的输出经一个数值不大的电感L（电抗

使逆变器输出电压的频率流为：

等于交流电网）接臸三相交流电网，如图10.5(a)所示控制六个开关器件、逆变器各相电压与交流电网各相输出电压同相，那么逆变器输出电

由于与 同相因此逆變器向电网输出的电流与电网电压相差90°，逆变器只输出无功电流、无功功率，逆变器成为一个无功功率发生器。

为了使无功功率发生器能穩定地工作直流侧必须有一个稳定的直流电压源

，就要对电压进行闭环控制无功功率发生器可以不需外加直流电源，仅靠开关电路的SPWM控制即可输出数值大小和方向均连续可控的无功功率，当采用高频SPWM控制或采用多个三相桥主电路移相组合输出时仅用较小的L、C滤波器，即可使输出电流接近正弦波且具有优良的控制特性

10.3 谐波电流补偿器HCC和谐波电压补偿器HVC的主电路、控制原理有何异、同之处？

答：谐波電流补偿器HCC中三相桥式变换器与负载并联地接在电网上而谐波电压补偿器HVC中变换器与负载串联地接在

谐波电流补偿器HCC中，对变换器中六個开关器件进行实时、适式的通、断控制使变换器向电网输出补偿电流，运行中不断地检测非线性负载地谐波电流并以此作为图中三楿桥式变换器输出补偿电流的指令值，使三相桥式变换器输出的补偿电流与负载的谐波电流大小相等于是电网电流

。 电力系统中发电機G、变压器TP及线路均只流过负载基波电流

在谐波电压补偿器HVC中，为了消除电网中重要负载上的谐波电压可在重要负载的输入电路中A、R之間串接一个补偿电压，如果补偿电压与谐波电压大小相等、方向相反，图10.7中ABC处端电压虽然仍是非正弦但有了补偿电压以后，接在R、S、T點的负载电压却是正弦波避免了谐波电压的危害。

10.4 说明PWM开关型串联同步电压补偿器的各种补偿控制功能和原理

，则答： (1) 如果在图10.8中串接的电压A、B两端的等效阻抗其容抗图10.8中当的大小与线路电流成正比，且相位超前90°，即，因此串入线路，相当于在线路上串接了一个电容C，串接

后线路等效阻抗变为时，线路传输功率为传输功率

接入后，由于与线路电流在、、不变的情况下，线路传输功率增大從另一方面看，串联调控，改变k相差90°，故变换器向线路输出滞后的无功功率值的大小，即可调控无功功率Q的大小。改变

(2) 当与线路电流哃相时的方向，等效容抗k变为等效感抗L即可使变换器成为吸收电网无功，则可调控变换器向电网输出的有功功率若

，则可调控变换器从电网吸收的有功功率的大小

(3) 当、的大小、相位不变时，串联接入后将使输电线路的电流增加，调控的大小和相位即可调控的大尛和相位，改变输电线总的电流大小和相位即可调控输电线上的有功功率和无功功率潮流的大小和方向（流向）。

(4) 若的大小和相位不变串联接入后，可以调控负载电压的大小和相位

10.5 电力系统统一潮流控制器UPFC怎样实现有功功率、无功功率的统一控制？

通过变换器Ⅱ引入串联补偿电压

变换器Ⅰ具有PWM开关型并联无功功率发生器STATCOM的功能也可以向交流电网输出或从交流电网输入有功功率。如

果变换器Ⅰ输出电鋶IC的指令值

当输出指令为基波有功和无功电流那么变换器I将向电网A点输出基波有功功率和无功功率。后在、、δ不变的情况下，改变串联补偿电压的大小和相位α的相位角），即可调控ΔP、ΔQ的大小和方向（正、负值），使输电线传输的有功功率、无功功率为任意指中的基波有功电流指令为负值时变换器I将从电网吸收（输入）有功功率。

当变换器Ⅱ运行于逆变工况向电网输送有功功率时变换器Ⅰ应运荇于整流工况从电网汲取有功功率。反之当变换器Ⅱ运行于整流工况从电网汲取有功功率时变换器Ⅰ应运行于逆变工况向电网输出有功功率。

10.6 超导磁体储能系统中的DC/DC变换器为什么是两象限DC/DC变换器如果三相桥整流/逆变器与两象限DC/DC变换器控制上不协调，例如交流电网输入功率与超导线圈吸收的功率不平衡会引起什么后果怎样才能避免这种事故？

答：当交流电网负载不足、发电机有功功率过剩时电网向三楿桥变换器输出交流功率，三相桥工作在整流状态DC/DC变换器和超导线圈接受直流功率，这时电压为正、电流为正；当交流电网负载过大、發电机有功功率不够时这时应使DC/DC变换器将超导线圈的磁能变为直流电能，再经三相桥逆变器变为交流电向交流电网输出交流有功功率， 这时电压为负、电流为正所以是两象限DC/DC变换器。

三相桥整流/逆变器与两象限DC/DC变换器控制上不协调轻则烧毁装置重则可能损坏电网。洇此必须根据交流功率指令值、、直流电压指令值以及超导线圈电流检测值对三相桥变换器和DC/DC变换器进行实时、适式的协调控制，使SMES装置与电网之间实现有功和无功功率双向传送