2018.12.10 文方 《電力電子技術(shù)》習(xí)題答案20100901

《電力電子技術(shù)》課后習(xí)題參考答案文方江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院2018年10月

項目一調(diào)光燈習(xí)題與思考一1.1晶閘管的導(dǎo)通條件是什么?導(dǎo)通后流過晶閘管的電流和負載上的電壓由什么決定?答：晶閘管的導(dǎo)通條件是：晶閘管陽極和陽極間施加正向電壓，并在門極和陽極間施加正向觸發(fā)電壓和電流（或脈沖）。導(dǎo)通后流過晶閘管的電流由負載阻抗決定，負載上電壓由輸入陽極電壓UA決定。1.2晶閘管的關(guān)斷條件是什么?如何實現(xiàn)?晶閘管處于阻斷狀態(tài)時其兩端的電壓大小由什么決定?答：晶閘管的關(guān)斷條件是：要使晶閘管由正向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽钄酄顟B(tài)，可采用陽極電壓反向使陽極電流IA減小，IA下降到維持電流IH以下時，晶閘管內(nèi)部建立的正反饋無法進行。進而實現(xiàn)晶閘管的關(guān)斷，其兩端電壓大小由電源電壓UA決定。1.3溫度升高時，晶閘管的觸發(fā)電流、正反向漏電流、維持電流以及正向轉(zhuǎn)折電壓和反向擊穿電壓如何變化？答：溫度升高時，晶閘管的觸發(fā)電流隨溫度升高而減小，正反向漏電流隨溫度升高而增大，維持電流IH會減小，正向轉(zhuǎn)折電壓和反向擊穿電壓隨溫度升高而減小。1.4晶閘管的非正常導(dǎo)通方式有哪幾種？答：非正常導(dǎo)通方式有：(1)Ig=0，陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值；(1)陽極電壓上升率du/dt過高；(3)結(jié)溫過高。1.5請簡述晶閘管的關(guān)斷時間定義。答：晶閘管從正向陽極電流下降為零到它恢復(fù)正向阻斷能力所需的這段時間稱為關(guān)斷時間。即。1.6試說明晶閘管有哪些派生器件？答：快速晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、光控晶閘管等。1.7請簡述光控晶閘管的有關(guān)特征。答：光控晶閘管是在普通晶閘管的門極區(qū)集成了一個光電二極管，在光的照射下，光電二極管電流增加，此電流便可作為門極電觸發(fā)電流使晶閘管開通。主要用于高壓大功率場合。1.8型號為KP100-3，維持電流IH=4mA的晶閘管，使用在圖題1.8所示電路中是否合理，為什么?(暫不考慮電壓電流裕量)圖題1.8答：（a）因為，所以不合理。(b)因為,KP100的電流額定值為100Ａ，裕量達５倍，太大了。（c）因為，大于額定值，所以不合理。1.9圖題1.9中實線部分表示流過晶閘管的電流波形，其最大值均為Im，試計算各圖的電流平均值．電流有效值和波形系數(shù)。圖題1．9解：圖(a)：IT(AV)==IT==Kf==1.57圖(b)：IT(AV)==ImIT==Kf==1.11圖(c)：IT(AV)==ImIT==ImKf==1.26圖(d)：IT(AV)==ImIT==ImKf==1.78圖(e)：IT(AV)==IT==Kf==2.83圖(f)：IT(AV)==IT==Kf==21.10上題中，如不考慮安全裕量，問額定電流100A的晶閘管允許流過的平均電流分別是多少?解：(a)圖波形系數(shù)為1.57，則有：1.57=1.57100A,IT(AV)=100A(b)圖波形系數(shù)為1.11，則有：1.11=1.57100A,IT(AV)=141.4A(c)圖波形系數(shù)為1.26，則有：1.26=1.57100A,IT(AV)=124.6A(d)圖波形系數(shù)為1.78，則有：1.78=1.57100A,IT(AV)=88.2A(e)圖波形系數(shù)為2.83，則有：2.83=1.57100A,IT(AV)=55.5A(f)圖波形系數(shù)為2，則有：2=1.57100A,IT(AV)=78.5A1.11某晶閘管型號規(guī)格為KP200-8D，試問型號規(guī)格代表什么意義?解：KP代表普通型晶閘管，200代表其晶閘管的額定電流為200A，8代表晶閘管的正反向峰值電壓為800V，D代表通態(tài)平均壓降為。1.12如圖題1.12所示，試畫出負載Rd上的電壓波形(不考慮管子的導(dǎo)通壓降)。圖題1.12解：其波形如下圖所示：1.13在圖題1.13中，若要使用單次脈沖觸發(fā)晶閘管T導(dǎo)通，門極觸發(fā)信號（觸發(fā)電壓為脈沖）的寬度最小應(yīng)為多少微秒（設(shè)晶閘管的擎住電流IL=15mA）？圖題1.13解：由題意可得晶閘管導(dǎo)通時的回路方程：可解得，==1要維維持持晶閘管導(dǎo)通，必須在擎住電流IL以上，即，所以脈沖寬度必須大于150μs。1.14單相正弦交流電源，晶閘管和負載電阻串聯(lián)如圖題1.14所示，交流電源電壓有效值為220V。(1)考慮安全余量，應(yīng)如何選取晶閘管的額定電壓？(2)若當(dāng)電流的波形系數(shù)為Kf=2.22時，通過晶閘管的有效電流為100A，考慮晶閘管的安全余量，應(yīng)如何選擇晶閘管的額定電流？圖題1.14解：（1）考慮安全余量,取實際工作電壓的2倍UT=2202622V,取600V（2）因為Kf=2.22,取兩倍的裕量，則：2IT(AV)得：IT(AV)=111(A)取100A。1.15上網(wǎng)查閱常用晶閘管的參數(shù)。（分小組查閱提問）1.16上網(wǎng)查閱混合動力電動汽車中電力電子技術(shù)應(yīng)用綜述。（學(xué)習(xí)重點?。╉椖慷绷髡{(diào)速裝置習(xí)題與思考二2.1單相橋式全控整流電路中，若有一只晶閘管因過電流而燒成短路，結(jié)果會怎樣？若這只晶閘管燒成斷路，結(jié)果又會怎樣？答：若有一晶閘管因為過流而燒成斷路，則單相橋式全控整流電路變成單相半波可控整流電路。如果這只晶閘管被燒成短路，會引起其他晶閘管因?qū)﹄娫炊搪范鵁龤?，嚴重時使輸入變壓器因過流而損壞。2.2在單相橋式全控整流電路帶大電感負載的情況下，突然輸出電壓平均值變得很小，且電路中各整流器件和熔斷器都完好，試分析故障發(fā)生在何處？答：續(xù)流二極管斷路。2.3單相橋式全控整流電路，大電感負載，交流側(cè)電壓有效值為220V，負載電阻Rd為4Ω，計算當(dāng)時，直流輸出電壓平均值、輸出電流的平均值；若在負載兩端并接續(xù)流二極管，其、又是多少？此時流過晶閘管和續(xù)流二極管的電流平均值和有效值又是多少？畫出上述兩種情形下的電壓電流波形。解：不接續(xù)流二極管時，由于是大電感負載，故接續(xù)流二極管時不接續(xù)流二極管時波形如圖題3（a）所示；接續(xù)流二極管時波形如圖題25圖（b）所示。題25波形圖2.4單相橋式全控整流電路帶大電感負載時，它與單相橋式半控整流電路中的續(xù)流二極管的作用是否相同？為什么？解：作用不同。全控整流電路電感性負載時，其輸出電壓波形出現(xiàn)負值，使輸出電壓平均值降低，因此，負載兩端接上續(xù)流二極管后，輸出電壓波形中不再有負值，可以提高輸出平均電壓，以滿足負載的需要。半控橋電路電感性負載時，由于本身的自然續(xù)流作用，即使不接續(xù)流二極管，其輸出電壓波形也不會出現(xiàn)負值。但是一旦觸發(fā)脈沖丟失，會使晶閘管失控。因此仍要再負載兩端街上續(xù)流二極管，防止失控。2.5有源逆變的工作原理是什么？實現(xiàn)有源逆變的條件是什么？變流裝置有源逆變工作時，其直流側(cè)為什么能出現(xiàn)負的直流電壓？答：實現(xiàn)有源逆變的條件：一定要有直流電動勢，其極性必須與晶閘管的導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)稍大于變流器直流側(cè)的平均電壓；變流器必須工作在的區(qū)域內(nèi)使Ud<0。在可控整流時，電流Id只能由直流電壓Ud產(chǎn)生，ud的波形必須正面積大于負面積，才能使平均電壓Ud大于0，產(chǎn)生Id?，F(xiàn)在的情況與整流不同，在變流器直流側(cè)存在與Id同方向的電勢E，當(dāng)控制角α增大到大于90度時，盡管晶閘管的陽極電位處于交流電壓大部分為負半周的時刻，但由于E的作用，晶閘管仍能承受正壓而導(dǎo)通。因此，只有E在數(shù)值上大于Ud，變流器在觸發(fā)脈沖作用下，晶閘管仍能輪流導(dǎo)通180度，維持Id流通。ud波形由于負面積大于正面積，平均電壓Ud小于02.6單相半控橋能否實現(xiàn)有源逆變？答：不能。2.7導(dǎo)致逆變失敗的原因是什么？有源逆變最小逆變角受哪些因素限制？最小逆變角一般取為多少？答：逆變失敗的原因主要有：

(1)觸發(fā)電路工作不可靠例如脈沖丟失、脈沖延遲等。

(2)晶閘管本身性能不好在應(yīng)該阻斷期間晶閘管失去阻斷能力，或在應(yīng)該導(dǎo)通時而不能導(dǎo)通。

(3)交流電源故障例如突然斷電、缺相或電壓過低。

(4)換相的裕量角過小主要是對換相重疊角y估計不足，使換相的裕量時間小于晶閘管的關(guān)斷時間。逆變狀態(tài)允許采用的最小逆變角應(yīng)為

βmin=δ+y+θ′

式中，δ為晶閘管關(guān)斷時間￡。折合的角度，約為4°～5°；y為換相重疊角，它與負載電流，IL和變壓器漏抗成正比，約為15°～20°；θ′為安全裕量角，考慮脈沖不對稱，一般取10°。

綜上所述，得出βmin=30°～35°。2.8試舉例說明有源逆變有哪些應(yīng)用？答：(1)直流可逆電力傳動系統(tǒng)

，多用于可逆軋機、礦井提升機、電梯、龍門刨床等。電動機正轉(zhuǎn)時由Ⅰ組橋供電、反轉(zhuǎn)時由Ⅱ組橋供電，因而兩組橋輸出直流電壓反極性并聯(lián)，故習(xí)慣上稱之為反并聯(lián)可逆線路。(2)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機串級調(diào)速

(3)高壓直流輸電。高壓直流輸電是利用升壓變壓器將交流電升壓后，通過晶閘管整流電路變成直流電，經(jīng)過遠距離傳送，再利用三相全控橋電路將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，經(jīng)降壓變壓器降壓，供負載使用。2.9西門子TCA785集成觸發(fā)電路的內(nèi)部主要包括哪幾部分？答：主要由“同步寄存器”、“基準電源”、“鋸齒波形成電路”、“移相電壓”和“鋸齒波比較電路”和“邏輯控制功率放大”等功能塊組成。

項目三電風(fēng)扇無級調(diào)速器習(xí)題與思考三3.1單相交流調(diào)壓電路，負載阻抗角為30°，問控制角α的有效移相范圍有多大？答：30°~180°3.2單相交流調(diào)壓主電路中，對于電阻－電感負載，為什么晶閘管的觸發(fā)脈沖要用寬脈沖或脈沖列？答：對于交流調(diào)壓電路電感性負載，由于電感的作用，在電源電壓由正向負過零時，負載中電流要滯后一定角度才能到零，即管子要繼續(xù)導(dǎo)通到電源電壓的負半周才能關(guān)斷。晶閘管的導(dǎo)通角θ不僅與控制角有關(guān)，而且與負載的功率因數(shù)角有關(guān)?？刂平窃叫t導(dǎo)通角越大，負載的功率因數(shù)角越大，表明負載感抗大，自感電動勢使電流過零的時間越長，因而導(dǎo)通角θ越大。下面分三種情況加以討論。（1）>由圖1-62可見，當(dāng)>時，θ<180°，即正負半周電流斷續(xù)，且越大，θ越小。可見，在~180°范圍內(nèi)，交流電壓連續(xù)可調(diào)，電流電壓波形如圖1-62(a)所示。（2）＝由圖1-62可知，當(dāng)＝時，θ=180°，即正負半周電流臨界連續(xù)。相當(dāng)于晶閘管失去控制，電流電壓波形如圖1-62(b)所示。（3）＜此種情況若開始給VT1管以觸發(fā)脈沖，VT1管導(dǎo)通，而且θ>180°。如果觸發(fā)脈沖為窄脈沖，當(dāng)ug2出現(xiàn)時，VT1管的電流還未到零，VT1管關(guān)不斷，VT2管不能導(dǎo)通。當(dāng)VT1管電流到零關(guān)斷時，ug2脈沖已消失，此時VT2管雖已受正壓，但也無法導(dǎo)通。到第三個半波時，ug1又觸發(fā)VT1導(dǎo)通。這樣負載電流只有正半波部分，出現(xiàn)很大直流分量，電路不能正常工作。因而電感性負載時，晶閘管不能用窄脈沖觸發(fā)，可采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)。3.3一臺220V/10kW的電爐，采用單相交流調(diào)壓電路，現(xiàn)使其工作在功率為5kW的電路中，試求電路的控制角α、工作電流以及電源側(cè)功率因數(shù)。解：電爐是電阻性負載。220V、10kW的電爐其電流有效值應(yīng)為要求輸出功率減半，即值減小1/2，故工作電流應(yīng)為輸出功率減半，即值減小1/2，則α=90°功率因數(shù)cosφ=00.7073.4單相交流調(diào)壓電路如圖，U2＝220V，L=5.516mH，R＝1Ω，試求：1）控制角α的移相范圍。2）負載電流最大有效值。3）最大輸出功率和功率因數(shù)。習(xí)題34圖解：1）單相交流調(diào)壓電感性負載時，控制角α的移相范圍是所以控制角α的移相范圍是60°~π。 2）因α=時，電流為連續(xù)狀態(tài)，此時負載電流最大。 3）最大功率3.5KC04移相觸發(fā)器包括哪些基本環(huán)節(jié)？答：KC04移相觸發(fā)器由同步、鋸齒波形成、移相控制、脈沖形成及放大輸出等環(huán)節(jié)組成。3.6說明以8031單片機組成的三相橋式全控整流電路的觸發(fā)系統(tǒng)工作原理。答：8031單片機內(nèi)部有兩個16位可編程定時器／計數(shù)器T0、T1，將其設(shè)置為定時器方式1，則16位對機器周期進行計數(shù)。首先將初值裝入TL(低8位)及TH(高8位)，啟動定時器，即開始從初值加1計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值溢出時，向CPU發(fā)出中斷申請，CPU響應(yīng)后執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序。在中斷程序中，讓單片機發(fā)出觸發(fā)信號，因此改變計數(shù)器的初值，就可改變定時長短。3.7帶電阻性負載三相半波相控整流電路，如觸發(fā)脈沖左移到自然換流點之前15°處，分析電路工作情況，畫出觸發(fā)脈沖寬度分別為10°和20°時負載兩端的電壓ud波形。解：當(dāng)觸發(fā)脈沖寬度分別為10°，如圖所示，當(dāng)觸發(fā)脈沖ug1觸發(fā)U相晶閘管，則U相晶閘管導(dǎo)通。當(dāng)ug2觸發(fā)V相晶閘管時，這時U相電壓高于V相電壓，所以V相晶閘管不導(dǎo)通，U相晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通。過了自然換相點后，盡管V相電壓高于U相電壓，但V相晶閘管的觸發(fā)脈沖已消失，所以V相晶閘管仍不導(dǎo)通。U相晶閘管導(dǎo)通到過零點關(guān)斷。這樣下去，接著導(dǎo)通的是W相晶閘管。由此可以看出，由于晶閘管間隔導(dǎo)通而出現(xiàn)了輸出波形相序混亂現(xiàn)象，這是不允許的。3.8三相半波相控整流電路帶大電感負載，Rd=10Ω，相電壓有效值U2=220V。求α=45°時負載直流電壓Ud、流過晶閘管的平均電流IdT和有效電流IT，畫出ud、iT2、uT3的波形。解：Ud=1.17U2cosα=182VId=Ud/Rd=182/10=18.2AIdT=1/3*Id=6.1AIT=0.577Id=10.5A3.9在圖題12圖所示電路中，當(dāng)α=60°時，畫出下列故障情況下的ud波形。（1）熔斷器1FU熔斷。（2）熔斷器2FU熔斷。 （3）熔斷器2FU、3FU同時熔斷。圖題3.9圖解：（1）熔斷器1FU熔斷時輸出電壓波形如圖b所示，凡與U相有關(guān)的線電壓均不導(dǎo)通。（2）熔斷器2FU熔斷時輸出電壓波形如圖c所示，V字頭線電壓不導(dǎo)通。（3）熔斷器2FU、3FU熔斷時輸出電壓波形如圖d所示，凡VW字頭線電壓均不導(dǎo)通。3.10三相全控橋式整流電路帶大電感負載，負載電阻Rd=4Ω，要求Ud從0~220V之間變化。試求：（1）不考慮控制角裕量時，整流變壓器二次線電壓。（2）計算晶閘管電壓、電流值，如電壓、電流取2倍裕量，選擇晶閘管型號。解：（1）因為Ud=2.34U；不考慮控制角裕量，時（2）晶閘管承受最大電壓為取2倍的裕量,URM=460.6V晶閘管承受的平均電流為IdT=Id又因為所以IdT=18.33A，取2倍的裕量IdTmax=36.67(A)選擇KP50—5的晶閘管。3.11請上網(wǎng)查閱，有關(guān)雙向晶閘管的命名及型號含義。項目四開關(guān)電源習(xí)題與思考四4.1在DC/DC變換電路中所使用的元器件有哪幾種，有何特殊要求？答：在DC/DC變換電路中，經(jīng)常使用的有大功率晶體管GTR、場效應(yīng)晶體管MOSFET和絕緣門極晶體管IGBT，在小功率開關(guān)電源上大多使用大功率晶體管GTR和場效應(yīng)晶體管MOSFET。4.2大功率晶體管GTR的基本特性是什么？答：靜態(tài)特性和動態(tài)特性。4.3大功率晶體管GTR有哪些主要參數(shù)？答：GTR除了電流放大倍數(shù)、直流電流增益、集電極于發(fā)射極間漏電流和發(fā)射極間的飽和壓降、開通時間和關(guān)斷時間外，主要參數(shù)還包括最高工作電壓、最大工作電流、最大耗散功率和最高工作結(jié)溫等。4.4什么是GTR的二次擊穿？有什么后果？答：二次擊穿是指器件發(fā)生一次擊穿后，集電極電流急劇增加，在某電壓電流點將產(chǎn)生向低阻抗高速移動的負阻現(xiàn)象。一旦發(fā)生二次擊穿就會使器件受到永久性損壞。4.5可能導(dǎo)致GTR二次擊穿的因素有哪些？可采取什么措施加以防范？答：產(chǎn)生二次擊穿的原因主要是管內(nèi)結(jié)面不均勻、晶格缺陷等。防止二次擊穿的辦法是：①應(yīng)使實際使用的工作電壓比反向擊穿電壓低得多。②必須有電壓電流緩沖保護措施。4.6說明功率場效應(yīng)晶體管（功率MOSFET）的開通和關(guān)斷原理及其優(yōu)缺點。功率場效應(yīng)晶體管（功率MOSFET）的開通和關(guān)斷原理：導(dǎo)通：在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子-電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。

當(dāng)UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。優(yōu)點：工作頻率高（可達100kHz以上），屬電壓控制型器件，所需驅(qū)動功率小。缺點：通態(tài)壓降大，開通損耗相應(yīng)較大、容量小。4.7功率MOSFET有哪些主要參數(shù)？答：功率MOSFET的主要參數(shù)有：跨導(dǎo)、開啟電壓、開通時間、關(guān)斷時間、漏極電壓、柵源電壓、漏極最大允許電流IDM、極間電容、電壓上升率等。4.8使用功率MOSFET時要注意哪些保護措施？答：見教材。4.9試述直流斬波電路的主要應(yīng)用領(lǐng)域。答：斬波電路主要應(yīng)用于電力牽引。如：地鐵、電力機車、無軌電車、電瓶搬運車等直流電動機的無極調(diào)速上。4.10簡述教材圖4-24（a）所示的降壓斬波電路的工作原理。答：見教材。4.11教材圖4-24（a）所示的斬波電路中，U=220V，R=10Ω，L、C足夠大，當(dāng)要求U0=40V時，占空比k=？解：k=40/220=0.194.12簡述圖4-25（a）所示升壓斬波電路的基本工作原理。答：見教材4.13在圖4-25（a）所示升壓斬波電路中，已知U=50V，R=20Ω，L、C足夠大，采用脈寬控制方式，當(dāng)T=40μs，ton=25μs時，計算輸出電壓平均值Uo和輸出電流平均值Io。解：U0=133.3V；I0=6.67A4.14請上網(wǎng)查閱相關(guān)視頻，采用專業(yè)測試儀進行測試可關(guān)斷晶閘管的βOFF值。4.15上網(wǎng)查閱視頻，采用專業(yè)的場效應(yīng)管測試儀測試場效應(yīng)管放大能力。項目五中頻感應(yīng)加熱電源習(xí)題與思考五1、感應(yīng)加熱的基本原理是什么？加熱效果與電源頻率大小有什么關(guān)系？答：感應(yīng)加熱原理為產(chǎn)生交變的電流，從而產(chǎn)生交變的磁場，再利用交變磁場來產(chǎn)生渦流達到加熱的效果。感應(yīng)器的熱效率與感應(yīng)器中選用隔熱層時所決定的熱損有關(guān)。又因頻率越高，直接加熱層就越淺，要使工件表面和芯部獲得接近的溫度只能靠長時間的傳導(dǎo)，但傳熱時間過長，熱量在周圍介質(zhì)中損失就過多，以致熱效率降低，而且達不到快速透熱的效果。頻率太高會使工件加熱不均勻。這時直接加熱層太淺，工件外表面溫度很高，甚至已開始熔化，而內(nèi)部尚未達到所需溫度。減少每個工件的加熱功率，并延長每個工件的加熱時間可以解決這個問題，即可以加長感應(yīng)器的線圈，讓感應(yīng)器中的工件多一點，若總功率及送料速度不變，則每個工件所獲得的功率將減小，而加熱時間加長，這樣，直接加熱層的熱量來得及傳到工件內(nèi)部去，工件的溫度就可均勻，而總效率仍不變。2、中頻感應(yīng)加熱爐的直流電源的獲得為什么要用可控整流電路？答：可以通過可控整流電路的移相調(diào)壓來實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。3、試簡述平波電抗器的作用？答：平波電抗器在電路中起的作用有：（1）續(xù)流：保證逆變器可靠工作。（2）平波：使整流電路得到的直流電流比較平滑。（3）電氣隔離：它連接在整流和逆變電路之間起到隔離作用。（4）限制電路電流的上升率di/dt值：逆變失敗時，保護晶閘管。4、中頻感應(yīng)加熱與普通的加熱裝置比較有哪些優(yōu)點？中頻感應(yīng)加熱能否用來加熱絕緣材料構(gòu)成的工件？答：中頻感應(yīng)加熱的優(yōu)點：（1）非接觸式加熱，熱源和受熱物件可以不直接接觸。 （2）加熱效率高，速度快，可以減小表面氧化現(xiàn)象。 （3）容易控制溫度，提高加工精度。（4）可實現(xiàn)局部加熱。（5）可實現(xiàn)自動化控制。（6）可減小占地，熱輻射，噪聲和灰塵。感應(yīng)加熱時利用渦流在金屬中造成很強的熱效應(yīng)，使金屬材料發(fā)熱。所以中頻感應(yīng)加熱不能用來加熱絕緣材料構(gòu)成的工件。5、中頻感應(yīng)加熱電源主要應(yīng)用在哪些場合？答：感應(yīng)加熱的最大特點是將工件直接加熱，工人勞動條件好、工件加熱速度快、溫度容易控制等，因此應(yīng)用非常廣泛。主要用于淬火、透熱、熔煉、各種熱處理等方面。6、感應(yīng)加熱裝置中，整流電路和逆變電路對觸發(fā)電路的要求有何不同？答：逆變觸發(fā)電路必須滿足：①輸出電壓過零之前發(fā)出觸發(fā)脈沖，超前時間tδ=φ/ω。②在感應(yīng)爐中，感應(yīng)線圈的等效電感L和電阻R隨加熱時間而變化，震蕩回路的諧振頻率f0也是變化的，為了保證工作過程中，f＞f0且f≈f0。要求觸發(fā)脈沖的頻率隨之自動改變。要求頻率自動跟蹤。③為了觸發(fā)可靠，輸出的脈沖前沿要陡，有一定的幅值和寬度。④必須有較強的抗干擾能力。7、逆變電路常用的換流方式有哪幾種？答：常用的電力變流器的換流方式有以下幾種：（1）負載諧振換流由負載諧振電路產(chǎn)生一個電壓，在換流時關(guān)斷已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管，一般有串聯(lián)和并聯(lián)諧振逆變電路，或兩者共同組成的串并聯(lián)諧振逆變電路。（2）強迫換流附加換流電路，在換流時產(chǎn)生一個反向電壓關(guān)斷晶閘管。（3）器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流。8、單相并聯(lián)諧振逆變電路的并聯(lián)電容有什么作用？電容補償為什么要過補償一點？答：單相并聯(lián)諧振逆變電路的并聯(lián)電容的作用：與感性負載構(gòu)成并聯(lián)諧振，為負載提供無功功率，提高裝置的功率因數(shù)；自然換流及可靠關(guān)斷晶閘管。C值要過補償一些，這樣才能使等效負載呈容性，電流就會超前電壓一定角度，達到自然換流及可靠關(guān)斷晶閘管的目的。9、單相并聯(lián)諧振逆變電路中，為什么必須有足夠長的引前觸發(fā)時間tf。答：為了可靠關(guān)斷晶閘管，不導(dǎo)致逆變失敗，晶閘管需要一段時間才能恢復(fù)阻斷能力，換流結(jié)束以后，還要讓VT1、VT4承受一段時間的反向電壓。這個時間應(yīng)該大于晶閘管的關(guān)斷時間tq。為了保證可靠換流。應(yīng)該在電壓uo過零前觸發(fā)VT2、VT3。這個時間稱為觸發(fā)引前時間。10、單相串聯(lián)諧振逆變電路利用負載進行換相，為保證換相應(yīng)滿足什么條件？答：為保證換相，應(yīng)滿足：晶閘管反壓時間大于晶閘管關(guān)斷時間tq。

項目六變頻器習(xí)題與思考六6.1、請查資料，列舉5種不同廠家的變頻器。答：西門子、三菱、森蘭、惠豐、富士、臺達等。6.2、觀察日常生活中使用變頻器的場合，列舉一個例子，簡述其原理。答：變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。工作原理：設(shè)備投入運行前，首先應(yīng)設(shè)定設(shè)備的工作壓力等相關(guān)運行參數(shù)，設(shè)備運行時，由壓力傳感器連續(xù)采集供水管網(wǎng)中的水壓及水壓變化率信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號傳送至變頻控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將反饋回來的信號與設(shè)定壓力進行比較和運算，如果實際壓力比設(shè)定壓力低，則發(fā)出指令控制水泵加速運行，如果實際壓力比設(shè)定壓力高，則控制水泵減速運行，當(dāng)達到設(shè)定壓力時，水泵就維持在該運行頻率上。如果變頻水泵達到了額定轉(zhuǎn)速（頻率），經(jīng)過一定時間的判斷后，如果管網(wǎng)壓力仍低于設(shè)定壓力，則控制系統(tǒng)會將該水泵切換至工頻運行，并變頻啟動下一臺水泵，直至管網(wǎng)壓力達到設(shè)定壓力；反之，如果系統(tǒng)用水量減少，則系統(tǒng)指令水泵減速運行，當(dāng)降低到水泵的有效轉(zhuǎn)速后，則正在運行的水泵中最先啟動的水泵停止運行，即減少水泵的運行臺數(shù)，直至管網(wǎng)壓力恒定在設(shè)定壓力范圍內(nèi)。主泵停止工作，副泵進行供水也為變頻恒壓供水方式，進一步提高了工作效率，節(jié)約了能源。6.3、變頻調(diào)速在電動機運行方面的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在哪些方面？答：變頻調(diào)速在電動機運行方面的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：變頻調(diào)速很容易實現(xiàn)電動機的正、反轉(zhuǎn)。只需要改變變頻器內(nèi)部逆變管的開關(guān)順序，即可實現(xiàn)輸出換相，也不存在因換相不當(dāng)而燒毀電動機的問題。

變頻調(diào)速系統(tǒng)起動大都是從低速開始，頻率較低，加、減速時間可以任意設(shè)定，故加、減速間時比較平緩，起動電流較小，可以進行較高頻率的起停。變頻調(diào)速系統(tǒng)制動時，變頻器可以利用自己的制動回路，將機械負載的能量消耗在制動電阻上，也可回饋給供電電網(wǎng)，但回饋給電網(wǎng)需增加專用附件，投資較大。除此之外，變頻器還具有直流制動功能，需要制動時，變頻器給電動機加上一個直流電壓，進行制動，則無需另加制動控制電路。6.4、變頻器有哪些種類？其中電壓型變頻器和電流型變頻器的主要區(qū)別在哪里？答：按能量變換情況，可將變頻器分成兩大類：交-交變頻器和交-直-交變頻器。交-直-交變頻器又有電壓型變頻器和電流型變頻器。電壓型變頻器和電流型變頻器的主要區(qū)別特點名稱電壓型變頻器電流型變頻器儲能元件電容器電抗器輸出波形的特點電壓波形為矩形波電流波形近似正弦波電流波形為矩形波電壓波形為近似正弦波回路構(gòu)成上的特點有反饋二極管直流電源并聯(lián)大容量電容（低阻抗電壓源）電動機四象限運轉(zhuǎn)需要再生用變流器無反饋二極管直流電源串聯(lián)大電感（高阻抗電流源）電動機四象限運轉(zhuǎn)容易特性上的特點負載短路時產(chǎn)生過電流開環(huán)電動機也可能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)負載短路時能抑制過電流電動機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定需要反饋控制適用范圍適用于作為多臺電機同步運行時的供電電源但不要求快速加減的場合適用于一臺變頻器給一臺電機供電的單電機傳動，但可以滿足快速起制動和可逆運行的要求6.5、交-直-交變頻器主要由哪幾部分組成，試簡述各部分的作用。答：交-直-交變頻器主要由主電路、控制電路和保護電路組成。主電路包括整流電路、逆變電路和中間環(huán)節(jié)。其中：整流電路的作用是將外部的工頻交流電源轉(zhuǎn)換為直流電，給逆變電路和控制電路提供所需的直流電源。中間環(huán)節(jié)的作用是對整流電路的輸出進行平滑濾波，以保證逆變電路和控制電路能夠獲得質(zhì)量較高的直流電源。逆變電路的作用是將中間環(huán)節(jié)輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源?？刂齐娐钒ㄖ骺刂齐娐贰⑿盘枡z測電路、驅(qū)動電路、外部接口電路以及保護電路?？刂齐娐返闹饕δ苁菍⒔邮艿母鞣N信號送至運算電路，使運算電路能夠根據(jù)驅(qū)動要求為變頻器主電路提供必要的驅(qū)動信號，并對變頻器以及異步電動機提供必要的保護、輸出計算結(jié)果。保護電路作用是：接受從電壓、電流采樣電路以及其他傳感器輸入的信號，結(jié)合功能中預(yù)置的限值，進行比較和判斷，若出現(xiàn)故障，停止發(fā)出SPWM信號，使變頻器中止輸出；輸出報警信號；向顯示器輸出故障信號。 6.6、簡述絕緣門極晶體管IGBT結(jié)構(gòu)及工作原理。答：見教材。6.7、對IGBT的柵極驅(qū)動電路有哪些要求？IGBT的專用驅(qū)動電路有哪些？試列舉3種。答：見教材。6.8、IGBT的緩沖電路有哪些，試詳細分析某一種電路的工作原理。答：見教材。6.9、IGBT管與GTR管相比，主要有哪些優(yōu)缺點？答：IGBT管允許的開關(guān)頻率比GTR高一個數(shù)量級（GTR的最高開關(guān)頻率只有2kHz，而IGBT可達20kHz）。IGBT控制極的功耗要比GTR的基極功耗小得多。6.10、IGBT管主要參數(shù)有哪些？答：見教材。6.11、試說明PWM控制的基本原理。 答：PWM控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。 在采樣控制理論中有一條重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積。效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。上述原理稱為面積等效原理。 以正弦PWM控制為例。把正弦半波分成N等份，就可把其看成是N個彼此相連的脈沖列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于π/N，但幅值不等且脈沖頂部不是水平直線而是曲線，各脈沖幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，就得到PWM波形。各PWM脈沖的幅值相等而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形?？梢姡玫降腜WM波形和期望得到的正弦波等效。6.12、PWM逆變電路有何優(yōu)點？答：用不控整流，輸入功率因數(shù)高；用（PWM）逆變，輸出諧波可以減小。6.13、單極性和雙極性PWM有什么區(qū)別？答：單極性PWM逆變器是指逆變器輸出的半個周期中，被調(diào)制成的脈沖輸出電壓只有一種極性，正半周為+Ud和零，負半周為-Ud和零。雙極性PWM逆變器是指逆變器輸出的每半個周期都被調(diào)制成在±Ud之間變化的等幅不等寬脈沖列。6.14、什么叫異步調(diào)制？什么叫同步調(diào)制？兩者各有什么特點？ 答：載波信號和調(diào)制信號不保持同步的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制。在異步調(diào)制方式中，通常保持載波頻率fc固定不變，因而當(dāng)信號波頻率fr變化時，載波比N是變化的。 異步調(diào)制的主要特點是： 在信號波的半個周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱。這樣，當(dāng)信號波頻率較低時，載波比N較大，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)較多，正負半周期脈沖不對稱和半周期內(nèi)前后1/4周期脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小，PWM波形接近正弦波。而當(dāng)信號波頻率增高時，載波比N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大，有時信號波的微小變化還會產(chǎn)生PWM脈沖的跳動。這就使得輸出PWM波和正弦波的差異變大。對于三相PWM型逆變電路來說，三相輸出的對稱性也變差。 載波比N等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步的方式稱為同步調(diào)制。 同步調(diào)制的主要特點是：在同步調(diào)制方式中，信號波頻率變化時載波比N不變，信號波一個周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。當(dāng)逆變電路輸出頻率很低時，同步調(diào)制時的載波頻率fc也很低。fc過低時由調(diào)制帶來的諧波不易濾除。當(dāng)負載為電動機時也會帶來較大的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲。當(dāng)逆變電路輸出頻率很高時，同步調(diào)制時的載波頻率fc會過高，使開關(guān)器件難以承受。 此外，同步調(diào)制方式比異步調(diào)制方式復(fù)雜一些。

模塊五中頻感應(yīng)加熱電源1、感應(yīng)加熱的基本原理是什么？加熱效果與電源頻率大小有什么關(guān)系？答：感應(yīng)加熱原理為產(chǎn)生交變的電流，從而產(chǎn)生交變的磁場，再利用交變磁場來產(chǎn)生渦流達到加熱的效果。感應(yīng)器的熱效率與感應(yīng)器中選用隔熱層時所決定的熱損有關(guān)。又因頻率越高，直接加熱層就越淺，要使工件表面和芯部獲得接近的溫度只能靠長時間的傳導(dǎo)，但傳熱時間過長，熱量在周圍介質(zhì)中損失就過多，以致熱效率降低，而且達不到快速透熱的效果。頻率太高會使工件加熱不均勻。這時直接加熱層太淺，工件外表面溫度很高，甚至已開始熔化，而內(nèi)部尚未達到所需溫度。減少每個工件的加熱功率，并延長每個工件的加熱時間可以解決這個問題，即可以加長感應(yīng)器的線圈，讓感應(yīng)器中的工件多一點，若總功率及送料速度不變，則每個工件所獲得的功率將減小，而加熱時間加長，這樣，直接加熱層的熱量來得及傳到工件內(nèi)部去，工件的溫度就可均勻，而總效率仍不變。2、中頻感應(yīng)加熱爐的直流電源的獲得為什么要用可控整流電路？答：可以通過可控整流電路的移相調(diào)壓來實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。3、試簡述平波電抗器的作用？答：平波電抗器在電路中起的作用有：（1）續(xù)流：保證逆變器可靠工作。（2）平波：使整流電路得到的直流電流比較平滑。（3）電氣隔離：它連接在整流和逆變電路之間起到隔離作用。（4）限制電路電流的上升率di/dt值：逆變失敗時，保護晶閘管。4、中頻感應(yīng)加熱與普通的加熱裝置比較有哪些優(yōu)點？中頻感應(yīng)加熱能否用來加熱絕緣材料構(gòu)成的工件？答：中頻感應(yīng)加熱的優(yōu)點：（1）非接觸式加熱，熱源和受熱物件可以不直接接觸。 （2）加熱效率高，速度快，可以減小表面氧化現(xiàn)象。 （3）容易控制溫度，提高加工精度。（4）可實現(xiàn)局部加熱。（5）可實現(xiàn)自動化控制。（6）可減小占地，熱輻射，噪聲和灰塵。感應(yīng)加熱時利用渦流在金屬中造成很強的熱效應(yīng)，使金屬材料發(fā)熱。所以中頻感應(yīng)加熱不能用來加熱絕緣材料構(gòu)成的工件。5、中頻感應(yīng)加熱電源主要應(yīng)用在哪些場合？答：感應(yīng)加熱的最大特點是將工件直接加熱，工人勞動條件好、工件加熱速度快、溫度容易控制等，因此應(yīng)用非常廣泛。主要用于淬火、透熱、熔煉、各種熱處理等方面。6、感應(yīng)加熱裝置中，整流電路和逆變電路對觸發(fā)電路的要求有何不同？答：逆變觸發(fā)電路必須滿足：①輸出電壓過零之前發(fā)出觸發(fā)脈沖，超前時間tδ=φ/ω。②在感應(yīng)爐中，感應(yīng)線圈的等效電感L和電阻R隨加熱時間而變化，震蕩回路的諧振頻率f0也是變化的，為了保證工作過程中，f＞f0且f≈f0。要求觸發(fā)脈沖的頻率隨之自動改變。要求頻率自動跟蹤。③為了觸發(fā)可靠，輸出的脈沖前沿要陡，有一定的幅值和寬度。④必須有較強的抗干擾能力。7、逆變電路常用的換流方式有哪幾種？答：常用的電力變流器的換流方式有以下幾種：（1）負載諧振換流由負載諧振電路產(chǎn)生一個電壓，在換流時關(guān)斷已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管，一般有串聯(lián)和并聯(lián)諧振逆變電路，或兩者共同組成的串并聯(lián)諧振逆變電路。（2）強迫換流附加換流電路，在換流時產(chǎn)生一個反向電壓關(guān)斷晶閘管。（3）器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進行換流。8、單相并聯(lián)諧振逆變電路的并聯(lián)電容有什么作用？電容補償為什么要過補償一點？答：單相并聯(lián)諧振逆變電路的并聯(lián)電容的作用：與感性負載構(gòu)成并聯(lián)諧振，為負載提供無功功率，提高裝置的功率因數(shù)；自然換流及可靠關(guān)斷晶閘管。C值要過補償一些，這樣才能使等效負載呈容性，電流就會超前電壓一定角度，達到自然換流及可靠關(guān)斷晶閘管的目的。9、單相并聯(lián)諧振逆變電路中，為什么必須有足夠長的引前觸發(fā)時間tf。答：為了可靠關(guān)斷晶閘管，不導(dǎo)致逆變失敗，晶閘管需要一段時間才能恢復(fù)阻斷能力，換流結(jié)束以后，還要讓VT1、VT4承受一段時間的反向電壓。這個時間應(yīng)該大于晶閘管的關(guān)斷時間tq。為了保證可靠換流。應(yīng)該在電壓uo過零前觸發(fā)VT2、VT3。這個時間稱為觸發(fā)引前時間。10、單相串聯(lián)諧振逆變電路利用負載進行換相，為保證換相應(yīng)滿足什么條件？答：為保證換相，應(yīng)滿足：晶閘管反壓時間大于晶閘管關(guān)斷時間tq。

模塊六變頻器1、請查資料，列舉5種不同廠家的變頻器。答：西門子、三菱、森蘭、惠豐、富士、臺達等。2、觀察日常生活中使用變頻器的場合，列舉一個例子，簡述其原理。答：變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。工作原理：設(shè)備投入運行前，首先應(yīng)設(shè)定設(shè)備的工作壓力等相關(guān)運行參數(shù)，設(shè)備運行時，由壓力傳感器連續(xù)采集供水管網(wǎng)中的水壓及水壓變化率信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號傳送至變頻控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將反饋回來的信號與設(shè)定壓力進行比較和運算，如果實際壓力比設(shè)定壓力低，則發(fā)出指令控制水泵加速運行，如果實際壓力比設(shè)定壓力高，則控制水泵減速運行，當(dāng)達到設(shè)定壓力時，水泵就維持在該運行頻率上。如果變頻水泵達到了額定轉(zhuǎn)速（頻率），經(jīng)過一定時間的判斷后，如果管網(wǎng)壓力仍低于設(shè)定壓力，則控制系統(tǒng)會將該水泵切換至工頻運行，并變頻啟動下一臺水泵，直至管網(wǎng)壓力達到設(shè)定壓力；反之，如果系統(tǒng)用水量減少，則系統(tǒng)指令水泵減速運行，當(dāng)降低到水泵的有效轉(zhuǎn)速后，則正在運行的水泵中最先啟動的水泵停止運行，即減少水泵的運行臺數(shù)，直至管網(wǎng)壓力恒定在設(shè)定壓力范圍內(nèi)。主泵停止工作，副泵進行供水也為變頻恒壓供水方式，進一步提高了工作效率，節(jié)約了能源。3、變頻調(diào)速在電動機運行方面的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在哪些方面？答：變頻調(diào)速在電動機運行方面的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：變頻調(diào)速很容易實現(xiàn)電動機的正、反轉(zhuǎn)。只需要改變變頻器內(nèi)部逆變管的開關(guān)順序，即可實現(xiàn)輸出換相，也不存在因換相不當(dāng)而燒毀電動機的問題。

變頻調(diào)速系統(tǒng)起動大都是從低速開始，頻率較低，加、減速時間可以任意設(shè)定，故加、減速間時比較平緩，起動電流較小，可以進行較高頻率的起停。變頻調(diào)速系統(tǒng)制動時，變頻器可以利用自己的制動回路，將機械負載的能量消耗在制動電阻上，也可回饋給供電電網(wǎng)，但回饋給電網(wǎng)需增加專用附件，投資較大。除此之外，變頻器還具有直流制動功能，需要制動時，變頻器給電動機加上一個直流電壓，進行制動，則無需另加制動控制電路。4、變頻器有哪些種類？其中電壓型變頻器和電流型變頻器的主要區(qū)別在哪里？答：按能量變換情況，可將變頻器分成兩大類：交-交變頻器和交-直-交變頻器。交-直-交變頻器又有電壓型變頻器和電流型變頻器。電壓型變頻器和電流型變頻器的主要區(qū)別特點名稱電壓型變頻器電流型變頻器儲能元件電容器電抗器輸出波形的特點電壓波形為矩形波電流波形近似正弦波電流波形為矩形波電壓波形為近似正弦波回路構(gòu)成上的特點有反饋二極管直流電源并聯(lián)大容量電容（低阻抗電壓源）電動機四象限運轉(zhuǎn)需要再生用變流器無反饋二極管直流電源串聯(lián)大電感（高阻抗電流源）電動機四象限運轉(zhuǎn)容易特性上的特點負載短路時產(chǎn)生過電流開環(huán)電動機也可能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)負載短路時能抑制過電流電動機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定需要反饋控制適用范圍適用于作為多臺電機同步運行時的供電電源但不要求快速加減的場合適用于一臺變頻器給一臺電機供電的單電機傳動，但可以滿足快速起制動和可逆運行的要求5、交-直-交變頻器主要由哪幾部分組成，試簡述各部分的作用。答：交-直-交變頻器主要由主電路、控制電路和保護電路組成。主電路包括整流電路、逆變電路和中間環(huán)節(jié)。其中：整流電路的作用是將外部的工頻交流電源轉(zhuǎn)換為直流電，給逆變電路和控制電路提供所需的直流電源。中間環(huán)節(jié)的作用是對整流電路的輸出進行平滑濾波，以保證逆變電路和控制電路能夠獲得質(zhì)量較高的直流電源。逆變電路的作用是將中間環(huán)節(jié)輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可