又由
Uo=U1
sin2?????2??
6-2一单相交流调压器，电源为工频220V，阻感串联作为负载，其中R=0.5Ω，L=2mH。
试求：①开通角?的变化范围；②负载电流的最大有效值；③最大输出功率及此时电源侧的功率因数；④当?=?/2 时，晶闸管电流有效值﹑晶闸管导通角和电源侧功率因数。
2??50?2?10?3??arctan?arctan?51.5?R0.5解：（1）
?L 所以 51.5????180? （2）???时， 电流连续，电流最大且导通角?=?
Uo?Z2200.5??2??50?2?102?32 Io=
??274A
(3) P=UOIO?U1IO?220?274?60.3KW (4)由公式sin(?????)?sin(???)e 对上式?求导
22sin(???)?cos(???)?1得 则由
??tan?当
???2时
6-3交流调压电路和交流调功电路有什么区别？二者各运用于什么样的负载？为什
么？
答：:交流调压电路和交流调功电路的电路形式完全相同，二者的区别在于控制方式不同。
交流调压电路是在交流电源的每个周期对输出电压波形进行控制。而交流调功电路是将负载与交流电源接通几个波，再断开几个周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。
交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。在供用电系统中,还常用于对无功功率的连续调节。此外，在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。如采用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联；同样，低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联。这都是十分不合理的。采用交流调压电路在变压器一次侧调压，其电压电流值都不太大也不太小，在变压器二次侧只要用二极管整流就可以了。这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。
交流调功电路常用于电炉温度这样时间常数很大的控制对象。由于控制对象的时间常数大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁控制。
6-4交交变频电路的最高输出频率是多少?制约输出频率提高的因素是什么?答：一般来讲，构成交交变频电路的两组变流电路的脉波数越多，最高输出频率就越高。当交交变频电路中采用常用的6脉波三相桥式整流电路时，最高输出频率不应高于电网频率的1/3~1/2。当电网频率为50Hz时，交交变频电路输出的上限频率为20Hz左右。
当输出频率增高时，输出电压一周期所包含的电网电压段数减少，波形畸变严重，电压波形畸变和由此引起的电流波形畸变以及电动机的转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。
6-5交交变频电路的主要特点和不足是什么？其主要用途是什么？
答：交交变频电路的主要特点是：只用一次变流效率较高；可方便实现四象限工作，低频输出时的特性接近正弦波。
交交变频电路的主要不足是：接线复杂，如采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管；受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低；输出功率因数较低；输入电流谐波含量大，频谱复杂。
主要用途：500千瓦或1000千瓦以下的大功率、低转速的交流调速电路，如轧机主传动装置、鼓风机、球磨机等场合。
6-6.三相交交变频电路有那两种接线方式？它们有什么区别？ 答：三相交交变频电路有公共交流母线进线方式和输出星形联结方式两种接线方式。 两种方式的主要区别在于：公共交流母线进线方式中，因为电源进线端公用，所以三组单相交交变频电路输出端必须隔离。为此，交流电动机三个绕组必须拆开，共引出六根线。
而在输出星形联结方式中，因为电动机中性点和变频器中中性点在一起；电动机只引三根线即可，但是因其三组单相交交变频器的输出联在一起，其电源进线必须隔离，因此三组单相交交变频器要分别用三个变压器供电。
6-7在三相交交变频电路中，采用梯形波输出控制的好处是什么？为什么？
答：在三相交交变频电路中采用梯形波控制的好处是可以改善输入功率因数。因为梯形波的主要谐波成分是三次谐波，在线电压中，三次谐波相互抵消，结果线电压仍为正弦波。在这种控制方式中，因为桥式电路能够较长时间工作在高输出电压区域（对应梯形波的平顶区），?角较小，因此输入功率因数可提高15%左右。
6-8试述矩阵式变频电路的基本原理和优缺点。为什么说这种电路有较好的发展前景？答：矩阵式变频电路的基本原理是：对输入的单相或三相交流电压进行斩波控制，使输出成为正弦交流输出。
矩阵式变频电路的主要优点是：输出电压为正弦波；输出频率不受电网频率的限制；输入电流也可控制为正弦波且和电压同相；功率因数为l，也可控制为需要的功率因数；能量可双向流动，适用于交流电动机的四象限运行；不通过中间直流环节而直接实现变频，效率较高。
矩阵式交交变频电路的主要缺点是：所用的开关器件为18个，电路结构较复杂，成本较高，控制方法还不算成熟；输出输入最大电压比只有0.866，用于交流电机调速时输出电压偏低。
因为矩阵式变频电路有十分良好的电气性能，使输出电压和输入电流均为正弦波，输入功率因数为l，且能量双向流动，可实现四象限运行；其次，和目前广泛应用的交直交变频电路相比，虽然多用了6个开关器件，却省去直流侧大电容，使体积减少，且容易实现集成化和功率模块化。随着当前器件制造技术的飞速进步和计算机技术的日新月异，矩阵式变频电路将有很好的发展前景。
7-1试说明PWM控制的基本原理。 答：PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。
在采样控制理论中有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理
以正弦PWM控制为例。把正弦半波分成N等份，就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到PWM波形。各PWM脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。可见，所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。
7-2设图7-3中半周期的脉冲数是5，脉冲幅值是相应正弦波幅值的两倍，试按面积等效原理计算脉冲宽度。
解：将各脉冲的宽度用?i（i=1, 2, 3, 4, 5）表示，根据面积等效原理可得
??1=
?50Umsin?td?t2Um=?cos?t5 =0.09549(rad)=0.3040(ms) 20cos?t2cos?t22?5??2 =
???2?5Umsin?td?t2Um5=??53?52?5 =0.2500(rad)=0.7958(ms)
?3 =
3?52?5Umsin?td?t2Um=? =0.3090(rad)=0.9836(ms)
?4 =
?4?53?5Umsin?td?t2Um=?2 =0.2500(rad)=0.7958(ms)
?5 =
??U45?msin?td?t2Um=?1 =0.0955(rad)=0.3040(ms)
7-3单极性和双极性PWM调制有什么区别？三相桥式PWM型逆变电路中，输出相电压（输出端相对于直流电源中点的电压）和线电压SPWM波形各有几种电平？
答：三角波载波在信号波正半周期或负半周期里只有单一的极性，所得的PWM波形在半个周期中也只在单极性范围内变化，称为单极性PWM控制方式。
三角波载波始终是有正有负为双极性的，所得的PWM波形在半个周期中有正、有负，则称之为双极性PWM控制方式。
三相桥式PWM型逆变电路中，输出相电压有两种电平：0.5Ud和-0.5 Ud。输出线电压有三种电平Ud、0、- Ud。
7-4．特定谐波消去法的基本原理是什么？设半个信号波周期内有10个开关时刻（不含0和??时刻）可以控制，可以消去的谐波有几种？
答：首先尽量使波形具有对称性，为消去偶次谐波，应使波形正负两个半周期对称，为消去谐波中的余弦项，使波形在正半周期前后1/4周期以??/2为轴线对称。
考虑到上述对称性，半周期内有5个开关时刻可以控制。利用其中的1个自由度控制基波的大小，剩余的4个自由度可用于消除4种频率的谐波。
7-5什么是异步调制？什么是同步调制？两者各有何特点？分段同步调制有什么优点？
答：载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。在异步调制方式中，
通常保持载波频率fc 固定不变，因而当信号波频率fr变化时，载波比N是变化的。
异步调制的主要特点是：在信号波的半个周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。
这样，当信号波频率较低时，载波比N较大，一周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称产生的不利影响都较小，PWM波形接近正弦波。
而当信号波频率增高时，载波比N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大，有时信号波的微小变化还会产生PWM脉冲的跳动。这就使得输出PWM波和正弦波的差异变大。对于三相PWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。
载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。 同步调制的主要特点是：在同步调制方式中，信号波频率变化时载波比N不变，信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。
当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的载波频率fc也很低。fc过低时由调制带来的谐波不易滤除。当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声。
当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc会过高，使开关器件难以承受。
此外，同步调制方式比异步调制方式复杂一些。
分段同步调制是把逆变电路的输出频率划分为若干段，每个频段的载波比一定，不同频段采用不同的载波比。其优点主要是，在高频段采用较低的载波比，使载波频率不致过高，可限制在功率器件允许的范围内。而在低频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。
7-6．什么是SPWM 波形的规则化采样法？和自然采样法比规则采样法有什么优点？ 答：规则采样法是一种在采用微机实现时实用的PWM波形生成方法。规则采样法是在自然采样法的基础上得出的。规则采样法的基本思路是：取三角波载波两个正峰值之间为一个采样周期。使每个PWM脉冲的中点和三角波一周期的中点（即负峰点）重合，在三角波的负峰时刻对正弦信号波采样而得到正弦波的值，用幅值与该正弦波值相等的一条水平直线近似代替正弦信号波，用该直线与三角波载波的交点代替正弦波与载波的交点，即可得出控制功率开关器件通断的时刻。
比起自然采样法，规则采样法的计算非常简单，计算量大大减少，而效果接近自然采样法，得到的SPWM波形仍然很接近正弦波，克服了自然采样法难以在实时控制中在线计算，在工程中实际应用不多的缺点。
7-7单相和三相SPWM波形中，所含主要谐波频率为多少？ 答：单相SPWM波形中所含的谐波频率为：n?c?k?r
式中，n=1,3,5,…时，k=0,2,4, …；n=2,4,6,…时，k=1,3,5, … 在上述谐波中，幅值最高影响最大的是角频率为?c的谐波分量。 三相SPWM波形中所含的谐波频率为：n?c?k?r 式中， n=1,3,5,…时，k=3(2m-1)±1，m=1,2,…；
?6m?1m?0,1,? n=2,4,6,…时，k??
6m?1m?1,2,??在上述谐波中，幅值较高的是?c±2? r和2??c±? r。 7-8如何提高PWM逆变电路的直流电压利用率？
答：采用梯形波控制方式，即用梯形波作为调制信号，可以有效地提高直流电压的利用率。
对于三相PWM逆变电路，还可以采用线电压控制方式，即在相电压调制信号中叠加3
的倍数次谐波及直流分量等，同样可以有效地提高直流电压利用率。
7-9．什么是电流跟踪型PWM变流电路？采用滞环比较方式的电流跟踪型变流器有何特点？
答：电流跟踪型PWM变流电路就是对变流电路采用电流跟踪控制。也就是，不用信号波对载波进行调制，而是把希望输出的电流作为指令信号，把实际电流作为反馈信号，通过二者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率器件的通断，使实际的输出跟踪电流的变化。
采用滞环比较方式的电流跟踪型变流器的特点： ①硬件电路简单； ②属于实时控制方式，电流响应快； ③不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量； ④与计算法和调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多；⑤采用闭环控制。
7-10．什么是PWM整流电路？它和相控整流电路的工作原理和性能有何不同？
答：PWM 整流电路就是采用PWM控制的整流电路，通过对PWM整流电路的适当控制，可以使其输入电流十分接近正弦波且和输入电压同相位，功率因数接近1。
相控整流电路是对晶闸管的开通起始角进行控制，属于相控方式。其交流输入电流中含有较大的谐波分量，且交流输入电流相位滞后于电压，总的功率因数低。
PWM整流电路采用SPWM控制技术，为斩控方式。其基本工作方式为整流，此时输入电流可以和电压同相位，功率因数近似为1。
PWM整流电路可以实现能量正反两个方向的流动，即既可以运行在整流状态，从交流侧向直流侧输送能量；也可以运行在逆变状态，从直流侧向交流侧输送能量。而且，这两种方式都可以在单位功率因数下运行。
此外，还可以使交流电流超前电压90°，交流电源送出无功功率，成为静止无功功率发生器。或使电流比电压超前或滞后任一角度??。
7-11．在PWM整流电路中，什么是间接电流控制？什么是直接电流控制？
答：在PWM整流电路中，间接电流控制是按照电源电压、电源阻抗电压及PWM整流器输入端电压的相量关系来进行控制，使输入电流获得预期的幅值和相位，由于不需要引入交流电流反馈，因此称为间接电流控制。
直接电流控制中，首先求得交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，经过比较进行跟踪控制，使输入电流跟踪指令值变化。因为引入了交流电流反馈而称为直接电流控制
8-1．高频化的意义是什么?为什么提高开关频率可以减小滤波器的体积和重量?为什么提高关频率可以减小变压器的体积和重量?
答：高频化可以减小滤波器的参数，并使变压器小型化，从而有效的降低装置的体积和重量。使装置小型化，轻量化是高频化的意义所在。提高开关频率，周期变短，可使滤除开关频率中谐波的电感和电容的参数变小，从而减轻了滤波器的体积和重量；对于变压器来说，当输入电压为正弦波时，U?4.44fNBS，当频率f提高时，可减小N、S参数值，从而减小了变压器的体积和重量。
8-2．软开关电路可以分为哪几类?其典型拓扑分别是什么样子的?各有什么特点? 答：根据电路中主要的开关元件开通及关断时的电压电流状态．可将软开关电路分为零电压电路和零电流电路两大类：根据软开关技术发展的历程可将软开关电路分为准谐振电路，零开关PWM电路和零转换PWM电路。准谐振电路：准谐振电路中电压或电流的波形为正弦波，电路结构比较简单，但谐振电压或谐振电流很大，对器件要求高，只能采用脉冲频率调制控制方式。
零电压开关准谐振电路的基本开关单元 零电流开关准谐振电路的基本开关单元
电力电子技术王兆安第五版课后习题全部答案
