自动控制原理复 习.docx

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自动控制原理复习

复习题

　　问题1：

电能变换电路的有什么特点？

机械式开关为什么不适于做电能变换电路中的开关？

　　解答：

电能变换电路在输入与输出之间将电压、电流、频率、相位、相数中的一项加以变换。

电能变换电路中理想开关应满足切换时开关时间为零，使用寿命长，而机械开关不能满足这些要求。

　　问题2：

电力电子变换电路包括哪几大类？

　　解答：

交流变直流——整流；直流变交流——逆变；直流变直流——斩波；

交流变交流——交流调压、变频。

　　问题3：

电力电子器件是如何定义和分类的？

　　解答：

电力电子器件是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能变换或控制的电子器件。

按照控制程度分类：

不控型器件，半控型器件，全控型器件。

　　按驱动电路分类：

电流驱动型，电压驱动型。

　　问题4：

同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的特点是什么？

　　解答：

特点：

处理的功率大，器件处于开关状态，需要信息电子电路来控制，需要安装散热片。

　　问题5：

使晶闸管导通的条件是什么？

　　解答：

两个条件缺一不可：

（1）晶闸管阳极与阴极之间施加正向阳极电压。

（2）晶闸管门极和阴极之间必须加上适当的正向脉冲电压和电流。

　　问题6：

维持晶闸管导通的条件是什么？

怎样才能使晶闸管由导通变为关断？

　　解答：

维持晶闸管导通的条件是流过晶闸管的电流大于维持电流。

欲使之关断，只需将流过晶间管的电流减小到其维持电流以下，可采用阳极电压反向、减小阳极电压或增大回路阻抗等方式。

　　问题7：

GTO和普通晶闸管同为PNPN结构，为什么GTO能够自关断，而普通晶闸管不能？

　　解答：

GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：

设计α2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于关断GTO。

　　导通时α1+α2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。

　　多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。

　　问题8：

试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。

　　解答：

GTR的容量中等，工作频率一般在10kHz以下，所需驱动功率较大，耐压高，电流大，开关特性好，。

　　GTO：

容量大，但驱动复杂，速度低，电流关断增益很小，功耗达，效率较低。

　　MOSFET器件：

工作频率最高，所需驱动功率最小，热稳定性好，但其容量较小、通态压降大，开通损耗相应较大，耐压低。

　　IGBT：

容量和GTR的容量属同一等级，但属电压控制型器件，驱动功率小，工作频率高，通态压降低，输入阻抗高。

　　问题9：

复合斩波电路中的电流可逆斩波电路和桥式斩波电路在拖动直流电动机时，均能实现负载电流可逆的要求，那么二者有什么区别？

　　解答：

电流可逆斩波电路的输出电压只能是一种极性。

而桥式可逆斩波电路将两个电流可逆斩波电路组合起来，可分别向电动机提供正向和反向电压，可驱动电力4象限运行。

　　问题10：

多相多重斩波电路有何优点？

　　解答：

总的输出电流脉动幅值变得很小，还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用。

　　问题11：

T型可逆斩波电路与H型可逆斩波电路相比各有何优缺点？

　　解答：

T型需要双电源，只用2个功率器件，但对器件耐压值要求较高；适用于小功率直流传动系统。

H型只需要单电源，要用4个功率器件，对器件耐压值要求较低；适用于较大功率直流传动系统。

　　问题12：

桥式可逆斩波电路的两种控制方式，即双极式和单极式，各有何优缺点？

　　解答：

双极式控制的电流脉动大；在大功率系统对电机发热和换向不利；

零位颤动有利于克服电机静摩擦，改善系统低速平稳性；适用于小功率高精度快速性要求高的系统。

单极式控制的电流脉动减小；有利于电机发热和换向；系统过零时，可能出现死区；适用于大功率传动系统。

　　问题13：

隔离型Buck变换器在正常工作时为什么要设定最大占空比？

　　解答：

为了防止变压器磁通饱和。

　　问题14：

为什么反激式变换器不能在空载下工作？

　　解答：

在负载为零的极端情况下，由于T导通时储存在变压器电感中的磁能无处消耗，故输出电压将越来越高，损坏电路元件，所以反激式变换器不能在空载下工作。

　　问题15：

无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？

　　解答：

有源逆变电路交流侧接有电源，无源逆变电路交流侧直接与负载连接。

　　问题16：

换流方式各有那几种？

各有什么特点？

　　解答：

共有四种换流方式：

　　①器件换流：

利用全控型器件的自关断能力进行换流。

　　②电网换流：

由电网提供换流电压不需要器件具有门极可关断能力。

　　③负载换流：

由负载提供换流电压。

　　④强迫换流：

设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流。

　　问题17：

什么是电压型逆变电路？

有什么特点。

　　解答：

直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。

　　电压型逆变电路特点：

　　①直流侧为电压源或并联有大电容，相当于电压源。

直流侧电压基本无脉动；直流回路呈现低阻抗。

　　②由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波。

　　③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。

为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。

　　问题18：

什么是电流型逆变电路？

有什么特点。

　　解答：

电流型逆变电路特点：

　　①直流侧串联有大电感，相当于电流源。

直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。

　　②电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。

　　③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。

因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。

　　问题19：

电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？

为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？

　　解答：

电压型逆变电路中反馈二极管是为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道。

电流型逆变电路中反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不并联二极管。

　　问题20：

单极性和双极性PWM调制有什么区别？

　　解答：

单极性PWM调制在调制信号的半个周期内载波只在正或负一种极性范围内变化，双极性PWM调制在调制信号的半个周期内载波是有正有负的。

　　问题21：

试简单比较PWM控制中的计算法和调制法的特点。

　　解答：

如果给出了逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算山来。

按照计算结果控制逆变电路中备开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。

这种方法称之为计算法。

可以看出，计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时．结果都要变化。

　　与计算法相对应的是调制法．即把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。

这种方法实现简便,应用最广。

　　问题22：

试简述线电压控制的定义、目的和两相控制方式的优点。

　　解答：

线电压控制是对两个线电压进行控制，适当地利用多余的一个自由度来改善控制性能。

目的是使输出的线电压波形中不含低次谐波。

同时尽可能提高直流电压利用率，尽量减少功率器件的开关次数。

两相控制方式的优点：

　　①在信号波的1/3周期内开关器件不动作，可以使功率器件的开关损耗减少1/3。

　　②和相电压控制方法相比，直流电压利用率提高了15％。

　　③输出线电压中不含低次谐波,优于梯形波调制方式。

　　问题23：

特定谐波消去法的基本原理是什么？

　　解答：

这是计算法中一种较有代表性的方法，为了减少谐波并简化控制，应尽量使波形对称：

首先，为消除偶次谐波，应使波形正负两半周期镜对称；其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在半周期内前后1/4周期以π/2为轴线对称。

满足使波形四分之一周期对称后，再设法消去几种特定频率的谐波。

　　问题24：

什么是异步调制？

什么是同步调制？

两者各有何特点？

　　解答：

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。

采用异步调制方式，希望采用较高的载波频率，以使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。

　　载波比N等于常数，使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。

当逆变电路输出频率很低时同步调制的载波频率也很低，过低时由调制带来的谐波不易滤除。

当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率过高，使开关器件难以承受。

　　问题25：

分段同步调制有什么优点？

　　解答：

分段同步调制优点：

在输出频率高的频段采用较低的载波比，以使载波频率不致过高，限制在功率开关器件允许的范围内。

在输出频率低的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。

　　问题26：

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？

　　解答：

规则采样法是取三角波两个正峰值之间为一个采样周期，使每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，在三角波的负峰值时刻对正弦信号波采样得到一点，过该点作一水平直线和三角波交于两点，在这两个时刻控制器件通断。

规则采样法生成的SPWM波形与自然采样法接近，优点是计算量大大减少。

　　问题27：

单相和三相SPWM波形中，所含主要谐波频率为多少？

　　解答：

SPWM波中谐波主要是角频率为ωc、2ωc及其附近的谐波，很容易滤除。

　　问题28：

如何提高PWM逆变电路的直流电压利用率？

　　解答：

采用梯形波调制方法或线电压控制方法。

　　问题29：

什么是电流跟踪型PWM变流电路？

　　解答：

电流跟踪型PWM变流电路是把希望输出的电流波形作为指令信号，把实际电流波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。

　　问题30：

采用滞环比较方式的电流跟踪型变流器有何特点？

　　解答：

滞环比较方式的电流跟踪型变流器有何特点：

　　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和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐彼含量较多；⑤属于闭环控制。

　　问题31：

采用三角波比较方式电流跟踪型逆变电路有何特点？

　　解答：

三角波比较方式电流跟踪型逆变电路有何特点：

　　①开关频率固定，等于载波频率，高频滤波器设计方便。

　　②为改善输出电压波形，三角波载波常用三相三角波载波。

　　③和滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流所含的谐波少。

　　问题32：

逆变电路多重化的目的是什么？

如何实现？

　　解答：

逆变电路多重化的目的是为了减少输出电压矩形波中所含的谐波，使之成为接近正弦波的波形。

　　把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。

　　问题33：

串联多重和并联多重逆变电路各用于什么场合？

　　解答：

串联多重和并联多重逆变电路各用于什么场合？

　　问题34：

多电平逆变电路的优点是什么？

适用于什么场合？

　　解答：

多电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变电路。

　　多电平逆变电路另一突出优点：

每个主开关器件承受电压为直流侧电压的一部分。

所以多电平结构多用于高压大功率的逆变电路中。

　　问题35：

简述PWM逆变电路多重化的目的。

　　解答：

提高等效开关频率、减少开关损耗、减少和载波有关的谐波分量。

　　问题36：

单相全波可控整流电路与单相桥式全控整流电路从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的，那么二者是否有区别呢？

　　解答：

有区别

　　①单相全波可控整流电路中变压器的二次绕组带中心抽头，结构较复杂。

绕组及铁心对铜、铁等材料的消耗比单相全控桥多，在当今世界上有色金属资源有限的情况下，这是不利的。

　　②单相全波可控整流电路中只用2个晶闸管，比单相全控桥式可控整流电路少2个，相应地，晶闸管的门极驱动电路也少2个；但是在单相全波可控整流电路中，晶闸管承受的最大电压是单相全控桥式整流电路的2倍。

　　③单相全波可控整流电路中，导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而也少了一次管压降。

　　问题37：

三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a、b两相的自然换相点是同一点吗？

如果不是，它们在相位上差多少度？

　　解答：

不是同一点，相位相差180°。

　　问题38：

两组三相半波可控整流电路，一组是共阴极接法，一组是共阳极接法，如果它们的触发角都是a，那么共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲对同一相来说，例如都是阿相，在相位上差多少度？

　　解答：

相位相差180°。

　　问题39：

单相桥式全控整流电路、三相桥式全控整流电路中，当负载分别为电阻负载或电感负载时，要求的晶闸管移相范围分别是多少？

　　解答：

单相桥式全控整流电路中，当负载为电阻负载时，晶闸管移相范围是0°～180°。

当负载为电感负载时，晶闸管移相范围是0°～90°。

　　三相桥式全控整流电路中，当负载为电阻负载时，晶闸管移相范围是0°～120°。

当负载为电感负载时，晶闸管移相范围是0°～90°。

　　问题40：

在三相桥式全控整流电路中，电阻负载，如果有一个晶闸管不能导通，此时的整流电压波形如何？

如果有一个晶闸管被击穿而短路，其它晶闸管受什么影响？

　　解答：

在三相桥式全控整流电路中，电阻负载，如果有一个晶闸管不能导通，此时的整流电压波形如何？

如果有一个晶闸管被击穿而短路，其它晶闸管受什么影响？

　　问题41：

无功功率对公用电网分别有那些危害？

　　解答：

无功功率，对公用电网带来不利影响有：

　　1）无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。

　　2）无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。

　　3）使线路压降增大，冲击性无功负载还会使电压剧烈波动。

　　问题42：

谐波对公用电网分别有那些危害？

　　解答：

谐波，对公用电网危害包括：

　　1）谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。

　　2）谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏。

　　3）谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述1）2）两项的危害大大增加，甚至引起严重事故。

　　4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确。

　　5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

　　问题43：

带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有何主要异同？

　　解答：

1）三相桥式电路是两组三相半波电路串联，而双反星形电路是两组三相半波电路并联，且后者需用平衡电抗器。

　　2）当变压器二次电压有效值相等时，双反星形电路的整流电压平均值是三相桥式电路的1/2;能输出的最大的整流电流平均值是单相桥式电路的2倍。

　　3）在两种电路中，晶闸管的导通及触发脉冲的分配关系是一样的，整流电压和整流电流的波形形状一样。

　　问题44：

整流电路多重化的主要目的是什么？

　　解答：

将整流电路多重化可以减少交流侧输入电流谐波，提高功率因数。

　　问题45：

变压器漏感对整流电路有何影响？

　　解答：

1）出现换相重叠角γ，整流输出电压平均值Ud降低。

　　2）整流电路的工作状态增多。

　　3）晶闸管的di/dt减小．有利于晶闸管的安全开通。

　　4）换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。

　　5）换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。

　　问题46：

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？

　　解答：

PWM整流电路是把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路中。

与相控相比，PWM整流功率因数高，输入电流中的谐波含量少，更接近正弦。

　　问题47：

使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么？

　　解答：

1）要有直流电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致。

其值应大于变流电路直流侧的平均电压。

　　2）要求晶闸管的控制角大于90°，使输出电压为负值。

两者必须同时具备才能实现有源逆变。

　　问题48：

什么是逆变失败？

如何防止逆变失败？

　　解答：

逆变运行时，一旦发生换相失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路的内阻很小，形成很大的短路电流，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆。

为了防止逆变失败，不仅逆变角不能等于零，而且不能太小，必须限制在某一允许的最小角度内。

　　问题49：

锯齿波触发电路由哪些部分组成？

各部分的主要作用是什么？

　　解答：

组成部分：

　　①脉冲形成环节：

产生触发脉冲波并将其放大。

　　②锯齿波的形成和脉冲移相环节：

产生锯齿波电压并改变脉冲产生的时刻。

　　③同步环节：

确定锯齿波的频率与主电路电源的频率相同、相位固定。

　　④双窄脉冲形成环节：

触发晶闸管使其按照正确顺序导通。

　　问题50：

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？

　　解答：

在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。

以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断。

　　改变通态周期数和断态周期数的比，可以方便地调节输出功率的平均值，这种电路称为交流调功电路。

　　交流调压电路广泛用于灯光控制及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。

交流调功电路常用于电炉的温度控制，像电炉温度这样的控制对象，其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁的控制。

只要以周波数为单位进行控制就足够了。

　　问题51：

斩控式交流调压电路带电阻负载时输入输出有何特性？

　　解答：

斩控式交流调压电路带电阻负载时的输入为正弦波的交流电压，输出电流基波分量和输入电压同相位，位移因数为1。

且输出负载电流及电压中不含低次谐波，只含与开关周期T有关的高次谐波。

　　问题52：

什么是TCR，什么是TSC？

它们的基本原理是什么？

各有何特点？

　　解答：

TCR是晶闸管控制电抗器电路，是支路控制三角形联结方式。

通过对α角的控制可以连续调节流过电抗器的电流，从而调节电路从电网中吸收的无功功率。

TSC是晶闸管投切电容器电路，可以跟据电网对无功的需求而改变投入电容器的容量，成为断续可调的动态无功功率补偿器。

　　问题53：

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？

　　解答：

交交变频电路的优点是：

只用一次变流，效率较高；可方便地实观四象限工作：

低频输出波形接近正弦波。

缺点是：

接线复杂，受电网频率和变流电路脉波数的限制输出频率较低；输入功率因数较低；输入电流谐彼含量大，频谱复杂。

交交变频电路主要用于500kw或1000kw以上的大功率、低转速的交流调速电路中。

　　问题54：

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？

　　解答：

最高输出频率是电网频率的1/2～1/3，制约输出频率提高的因素是:

电压波形的畸变以及由此产生的电流波形的畸变、转矩脉动、电流死区和电流断续。

画图题：

在三相半波整流电路中，如果a相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流电压ud的波形。