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第 35 卷第 12 期中国电机工程学报 Vol.35 No.12 Jun. 20,
年 6 月 20 日 Proceedings of the CSEE 2015 Chin.Soc.for Elec.Eng. 3089DOI:10.13334/j..pcsee. 文章编号: (9-13 中图分类号:TP 18;TN 710电力电子电路功率器件故障特征参数提取技术综述任磊,韦徵,龚春英,沈茜(南京航空航天大学自动化学院,江苏省南京市 210016)Fault Feature Extraction Techniques for Power Devices inPower Electronic Converters: A ReviewREN Lei, WEI Zheng, GONG Chunying, SHEN Qian(College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu Province, China)ABSTRACT: Power electronics main circuit devices are thecore part of power electronics circuits, and the fault featureextraction (FFE) of power electronics power devices plays ankey role in realization of the diagnostics and prognostics of thepower electronics converters, which has very importantsignificance for improving the reliability of power electronicsequipment. Firstly, the distribution reliability of powerelectronics devices is shown in the paper, and the failuremechanism and failure feature of active power switches(MOSFET, IGBT) are analyzed. The FFE of the active powerswitches are classified into two categories: one is the directextraction and the other is the indirect extraction. Based on theabove, the principles of each FFE of MOSFET and IGBT areintroduced, and these methods are summarized. In addition, theadvantage and disadvantage of each method are also discussed.At last, the difficulties and trends of the research on FFE ofpower switch devices are indicated.KEY WORDS: fault feature extraction (FFE); power electronics摘要:电力电子电路主功率器件是电力电子电路核心组成部分,对应其故障特征参数提取技术是实现电力电子电路故障诊断及故障预测的重要技术基础,对于提高电力电子电路的可靠性非常有帮助。该文首先介绍了目前电力电子电路主功率器件的可靠性分布情况,并以失效率较高的主功率开关器件为例,着重分析了有源功率开关 MOSFET 和 IGBT 器件失效机理以及主要衰退特征。对现阶段这两种有源功率开关器件故障特征参数提取方法进行了总结分类:故障特征参数直接提取和间接提取。在此基础上,介绍了各故障特征参数提取技术的工作原理,并对这些方法进行了归纳总结,分析了各自的优势及不足,最后指出了功率开关器件故障特征参数提取的研究难点和今后的研究方向。基金项目:国家自然科学基金项目()。Project Supported by National Natural Science Foundation of China().关键词:故障特征提取;功率开关器件;可靠性;失效原理;电力电子0 引言现代电力电子电路因其低噪声、高效率、高功率密度等优点,广泛应用于工业、军事、航空航天等领域[1-3],承担着电能变换、新能源发电等重要作用。随着电力电子电路日趋复杂,功率等级不断提高,特别是应用在某些重要领域如航空、航天时,对电力电子电路可靠性的要求更高。电力电子主功率器件是电力电子主功率电路的核心组成部分,现代电力电子电路大多通过对有源功率器件如功率MOSFET、IGBT 等进行开关控制,以实现电能的转换。因此,现阶段对于电力电子可靠性的研究可首先通过对电路中重要功率器件进行状态监测,提取相应的故障特征参数以实现对电路中各个功率器件的故障诊断、故障预测,进而促进整个电力电子电路系统可靠性的提高。随着对功率器件失效原理的深入研究,以及传感器技术与信号检测技术的不断发展,要实现对电力电子功率器件的故障诊断、故障预测以及状态监测[4-7]成为了可能。其中,选择合适的故障特征参数以及相应的故障特征提取方法是上述三大技术的基础及难点;因此,针对电力电子功率器件的故障特征参数提取技术研究对于提高电力电子电路的可靠性非常关键。本文首先介绍了目前电力电子电路功率器件的可靠性分布状况,分析了现阶段应用广泛的有源功率器件 MOSFET 和 IGBT 器件失效原理以及主要衰退特征。然后,针对这两种有源功率器件故障特征参数提取方法的不同对其进行了系统的分类:故3090 中国电机工程学报第 35 卷障特征参数直接提取和间接提取。介绍了各故障特征参数提取技术的工作原理,并对各参数提取方法进行了归纳和对比,最后指出功率器件故障特征参数提取研究的难点和今后研究发展方向。1 电力电子电路功率器件的可靠性1.1 功率器件的可靠性要求虽然随着半导体技术以及材料技术的发展,主功率器件(半导体开关与电解电容)的失效率已有所降低,然而主功率器件的失效仍然是电力电子电路失效的主要原因。图 1 为电力电子电路中器件失效分布图[7],可以看出,主功率开关管失效率(包括半导体器件与焊接点失效)占了 34%。根据故1
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中国电机工程学报
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中国电机工程学报
2014年&34卷&21期
中英文目录
2014&Vol. 34&(21):&
2014&Vol. 34&(21):&
电力电子与电力传动
洪峰, 万运强, 赵鑫, 刘周成, 王成华
一种交错并联型三电平双降压式全桥光伏并网逆变器
提出一种新颖的交错并联型三电平双降压式全桥光伏并网逆变器。保留了三电平双降压式全桥逆变器转换效率高、开关损耗低等优点,交错并联技术的引入,不仅使得逆变器输出电流纹波在不提高功率管开关频率的情况下进一步减小且频率增加一倍,从而减小了并网电流的总谐波失真,而且提高了系统的功率密度,降低了功率器件的电应力和热应力。提出交错并联的两路逆变共用两个工频开关管,弱化了控制的复杂性,提高了系统的稳定性和可靠性,且使得系统更易扩展。详细分析逆变器的工作原理,设计试制一台2 kW原理样机,实验结果验证了原理的正确性及系统的性能优势。
2014&Vol. 34&(21):&
陈亚爱, 刘劲东, 周京华
太阳能并网逆变器故障穿越控制策略
基于大功率太阳能并网逆变器控制系统,提出一种适应电网电压跌落的故障穿越控制策略。该策略基于大功率并网逆变器拓扑结构,采用LCL有源阻尼控制方式,通过建立系统模型来分析所设计控制系统良好的稳态性能。在对电网故障期间运行状态进行详细分析的基础上,针对故障穿越期间出现的故障检测、电网电压相位同步以及不平衡跌落等问题,提出太阳能并网逆变器的故障穿越控制算法及运行逻辑。基于500 kW并网逆变器,进行Matlab/Simulink仿真和现场实验,结果表明针对电网不同类型故障,该控制策略均能有效抑制并网负序电流,保持并网电流具有较高的正弦度,从而实现电网故障期间的安全穿越。提出的控制策略顺利通过了国网电力科学研究院低电压穿越认证实验。
2014&Vol. 34&(21):&
谢江华, 张方华, 王旭东
三电感双Buck逆变器
双Buck逆变器(dual buck inverter,DBI)不存在桥臂直通的问题,且功率开关管和续流二极管分离,便于实现续流二极管的最优选取,因此DBI具有可靠性和变换效率方面的优势。但是,传统DBI滤波电感上的电流是半周期正弦波,磁性元件利用率偏低。为了解决这个问题,提出一种三电感DBI(three-inductor DBI,TIDBI),通过从原始的电感中分离出一个交流滤波电感作为主导的滤波电感,并将两个直流滤波电感耦合,从而提高磁性元件的利用率,有效地降低了滤波电感的体积和重量。详细分析TIDBI的工作原理,给出滤波电感的设计原则。最后通过实验结果验证理论分析的正确性。
2014&Vol. 34&(21):&
王智, 方炜, 刘晓东
数字控制的单周期PFC整流器的设计与分析
单周期控制作为一种简单有效的非线性控制方法,广泛应用于高功率因数整流器。该文研究一种基于单周期控制的三相三开关功率因数校正(power factor correction,PFC)整流器,基于状态空间平均法研究了三相整流器的控制规律,针对单周期控制下输入电流的奇次谐波问题,提出一种改进的脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)方法,通过改变比较器的输入调制信号,消除了传统单周期控制方法所带来的输入平均电流中的奇次谐波,并进行了稳定性分析。最后,提出一种数字控制的PFC实现方案。实验结果表明,该文所提出的控制方法使三相整流器输入电流的谐波含量明显降低,功率因数和电能质量得到提高,且有良好的动态响应性能。
2014&Vol. 34&(21):&
曲小慧, 唐亚鹏, TSE Chikong, 章国宝
一种高光效可独立调光的LED均流电路
发光二极管(light-emitting diode,LED)的伏安特性易受温度影响,且个体间存在差异,当多条LED支路并联连接于同一电压源时,会出现不均流现象。电流大的LED支路老化加速,光效衰减,甚至过早熄灭,严重影响了LED照明的可靠性。针对此问题,提出一种最小导通电流幅值反馈控制的脉宽调制(pulse width modulation,PWM)均流电路,该电路在常见的PWM均流基础上,自动调整LED支路的供电电压,使得LED支路中存在至少一条支路的均流占空比为1,其他支路的占空比尽可能大,有效提高LED光源的发光效率。此外,在该均流电路上,可容易实现LED支路的独立调光,无需增加电路和成本。最后,以Buck变换器驱动3条LED支路为例,搭建实验样机。实验结果证明了所提出的均流电路可有效实现LED支路均流,提高LED发光效率,并具有独立调光功能。
2014&Vol. 34&(21):&
电机与电器
张兴, 郭磊磊, 杨淑英, 曹仁贤
永磁同步发电机无速度传感器控制
基于二阶滑模观测器的永磁同步电机无速度传感器控制需要对估计的反电动势进行低通滤波和补偿,这增加了系统复杂性,并使估计的转子位置受转速估计误差影响严重。为此,提出了一种基于有效反电动势的全阶滑模观测器。该观测器具有二阶低通滤波的特性,可滤除估计的有效反电动势中含有的高频滑模噪声,无需再外加低通滤波器。然后可采用锁相环直接获得转子位置,实现无速度传感器控制。此外,该方法可以通过合理设计滑模增益,提高转子位置估计对转速估计误差的鲁棒性。仿真和实验结果验证了该方法的有效性。
2014&Vol. 34&(21):&
孙伟, 于泳, 王高林, 徐殿国, 王勃
基于矢量控制的异步电机预测电流控制算法
该文提出一种基于异步电机间接矢量控制的预测电流鲁棒控制方法。分析了传统间接矢量控制中电流环比例积分控制器带宽提升受限制的原因,提出基于同步旋转坐标下异步电机数学模型的预测电流控制方法,以提高系统带宽和动态性能。为了增强预测电流控制器的鲁棒性,分析了预测电流控制器使系统不稳定运行的原因,引入鲁棒控制因子来增强系统鲁棒性,降低预测电流控制器对电机参数的敏感度。实验结果表明,与传统的比例积分控制器相比,该文提出的预测电流鲁棒控制能有效增强系统的鲁棒性,提高系统响应速度并且优化系统动态特性。
2014&Vol. 34&(21):&
赵雷廷, 刁利军, 张哲, 刘志刚
低开关频率下异步电机电流环的数字控制
电流环数字控制在异步电机矢量控制系统中占有非常重要的地位,其性能的优劣直接影响电机转矩与磁链解耦控制效果、输出转矩响应速度,甚至牵引变流器-异步电机系统稳定性。而在大功率传动系统中,为降低开关器件损耗,牵引变流器开关频率通常较低,从而产生较大数字控制延时,加剧电机定子电流励磁分量与转矩分量之间的耦合程度。为解决上述问题,文章全面分析异步电机耦合因素,结合零极点对消原理提出一种改进型离散电流控制器,在离散时间域下,不仅确保电流环系统具有良好的动态响应,而且可以实现定子电流转矩分量与励磁分量的有效解耦。模型仿真与实验验证了改进型离散电流控制器的有效性与可行性。
2014&Vol. 34&(21):&
张宗盛, 王秀和, 杨玉波
新型混合励磁磁通切换型磁阻电机的变结构磁路模型
为使磁通切换型磁阻电机(flux switching motor,FSM)兼具节电效果与励磁调节能力,提出一种新型单相混合励磁磁通切换型磁阻电机(hybrid excitation flux switching motor,HEFSM),其由励磁绕组与永磁体共同提供励磁磁动势,结构独特,磁路复杂。同时,提出一种适用于该电机静态特性分析的磁路模型建模方案,包括适用于结构变化的气隙及铁心磁阻确定方法,同时避免了重新列解磁路方程,求解方程时对磁化曲线进行插值处理,使得铁心的磁导率为非线性,更加贴合实际情况。设计制作了样机,进行了有限元仿真与实验研究。仿真、实验结果与所建模型计算结果对比表明,所建立的模型能够较好的反应电机的实际特性,为该类电机的设计、分析提供了参考。
2014&Vol. 34&(21):&
芮晓明, 张穆勇, 霍娟
试运行期间风电机组平均故障间隔时间的估计
试运行期间平均故障间隔时间(mean time between failures,MTBF)是反映风电机组可靠性的重要指标,但由于此期间的运行故障数据样本少且故障停机随机性较强,现有MTBF分析方法的误差较大。针对此种小样本估计问题和故障的随机性,提出了一种利用多台机组运行信息的MTBF估计方法。其基本思路是：根据风电机组安装及其故障数据的特点,构造具有相同配置的多台故障停机的随机截尾数据,对机组的可靠度进行Kaplan-Meier非参数估计;基于这种初步估计结果,再进行二参数威布尔(Weibull)分布拟合,并根据Weibull分布的性质计算得到机组的MTBF。该文利用北方某风电场的试运行数据,对2012年11月投产
2014&Vol. 34&(21):&
李勇, 马飞, KAZERANI Mehrdad
车载电源性能测试平台驱动电机调速系统控制策略研究
纯电动汽车电源性能测试平台是研究电动汽车综合性能的必备条件。为研究纯电动汽车电源性能,提出由直流电机-飞轮组成的车载电源性能测试方案,直流电机用来模拟电动汽车驱动电机,飞轮用来模拟电动汽车的负载和惯量。建立了驱动电机直流调速系统的控制模型,运用Simulink和Psim软件对驱动电机的直流调速系统进行联合仿真,分析并比较了PID控制和模糊-PID控制两种控制策略下驱动电机的直流调速效果;建立了基于dSPACE的车载电源性能测试硬件在环测试平台,以简单循环工况为直流调速系统的参考转速,通过实验对两种控制策略下的仿真结果进行了实验验证。仿真和实验结果均表明模糊-PID控制策略在控制精度和动态性能方面优于PID控制策略。
2014&Vol. 34&(21):&
王博, 赵海森, 李和明, 廉守军
用于模拟游梁式抽油机电动机动态负荷的测试系统设计及应用
抽油机电动机(beam pumping motor,BPM)负荷具有周期性动态变化特点,对于此类工况下的电动机能效检测通常采用标准井测试方法,该方法存在负载单一、通用性差等局限性,难以灵活地模拟油田复杂的负荷特性。为解决这一问题,以国内外油田广泛应用的游梁式抽油机为例,建立了抽油机系统(beam pumping system,BPS)数学模型并分析了模型参数对仿真误差的影响;在此基础上,提出一种通过调整平衡配重及井下摩擦力参数值大小来补偿模型误差的技术手段,并通过遗传算法(genetic algorithms,GA)对上述参数进行优化求解;进一步基于该模型开发出一套室内BPM模拟加载测试系统,该系统采用由四象限变频器与伺服电机组成的能量回馈式单元作负载,仅通过改变上位机BPS模型参数便可实现不同动态负荷的精确模拟。与现场测试结果对比表明,该系统可模拟抽油机空载、轻载及重载工况下的动态负荷特性,误差低于2%,系统节电率达87%。文中研究成果可为油田电机选型及能效动态评估提供重要技术 支持。
2014&Vol. 34&(21):&
李巍, 陈伟
基于等效电路法的快速消弧装置的优化设计及参数分析
为使快速消弧装置能够在5 ms内消除电弧,采用基于电磁推力原理的汤姆逊线圈作为接地开关。采用等效电路法分析接地开关的动态特性,与有限元法相比,等效电路法可以有效缩短计算时间,使计算时间从几小时减少到几分钟。为了提高接地开关的响应速度,采用组合计算方法对其进行优化设计。同时,对影响接地开关动态特性的参数进行分析。无论是基于组合计算方法的优化设计,还是参数分析,都是以等效电路法分析接地开关的动态特性为基础的。
2014&Vol. 34&(21):&
高电压技术
刘路辉, 庄劲武, 江壮贤, 徐国顺, 武瑾
混合型直流真空断路器触头技术——现状与发展
基于强迫换流原理的混合型直流真空断路器(hybrid direct current vacuum circuit breaker,HDCVCB)是直流开断技术的有效方式之一,其参数设计及开断能力决定于真空灭弧室的特性。介绍了混合型直流真空断路器的典型拓扑结构及其工作原理,对真空电弧理论和真空灭弧室触头结构的研究概况进行了阐述。分析了直流分断中电流波形与交流中的正弦波不同、电流下降率大、燃弧时间可控等特点,得到了其分断能力与换流电流投入时电弧形态和电极状态密切相关的结论。对不同触头结构下的真空电弧形态演化规律,不同条件下的真空灭弧室的强迫换流分断特性与介质恢复规律等实验研究工作进行了综述,最后对直流真空灭弧室的研发进行了展望。
2014&Vol. 34&(21):&
朱凯, 李兴文, 赵虎, 姜旭, 贾申利
高压气体断路器弧后电流特性的实验研究
弧后介质热恢复特性对断路器开断能力有着显著的影响,该文旨在通过实验手段研究不同因素对高压气体断路器弧后电流特性的影响。首先以126 kV SF6断路器为原型设计了实验样机,之后在不同触头分开时电流相位 θ (20°、50°、80°),预期短路电流值I(12、18 kA)及腔体充气压力P(0.5、0.6及0.7 MPa)下进行了一系列开断实验,利用高分辨率的零区设备采集零区电弧电流。结果表明：间隙电弧重燃概率随 θ 增加而增大,当I = 18 kA且P = 0.5 MPa时,θ 为20°时间隙未发生击穿,而 θ 分别为50° 和80° 时弧隙击穿且弧后电流的上升速率分别为1.03和2.08 A/&#x003s;弧后电流及其上升速率随I的增大而增加,当 θ = 80° 且P = 0.6 MPa,I为12、18 kA时所对应的弧后电流上升速率分别为1和2.05 A/&#x003s;当 θ = 80° 且I = 12 kA时,弧后剩余电流随着P的增大趋向于减小。气体的热开断能力与临界弧后电流存在对应关系,一定程度上可以考虑将弧后电流的临界值作为弧后热击穿的判据。
2014&Vol. 34&(21):&
赵成勇, 李探, 俞露杰, 黄莹, 李凌飞, 黎小林
MMC-HVDC直流单极接地故障分析与换流站故障恢复策略
2014&Vol. 34&(21):&
刘之方, 魏文赋, 董勤晓, 杨泽锋, 李会兵, 吴坚, 李兴文
高压直流下激光触发空气间隙放电的实验研究
随着激光诱导等离子体和空气放电应用结合的日益紧密,激光诱导放电的基本物理过程也得到了广泛的研究。围绕直流高压条件下的纳秒激光诱导放电,研究了不同实验条件(激光入射方式、激光焦点位置)对击穿延时和抖动的影响,并利用ICCD快速照相观察了等离子体的发展过程。结果表明：激光径向入射时,激光焦点偏电极侧有利于击穿延时和抖动的降低;相同激光能量条件下,间隙电压由35 kV提升至45 kV,平均击穿延时由108 &#x003s降为4.8 &#x003s;相对于径向入射,轴向入射激光烧蚀电极表面并发射电子,可诱导产生一条平直的放电等离子体通道,间隙的平均击穿延时达到亚&#x003s量级(800 ns)。
2014&Vol. 34&(21):&
王羽, 李志军, 戴敏, 文习山, 蓝磊, 安韵竹, 叶奇明
长空气间隙负极性操作冲击放电特性研究(I)—试验研究
长空气间隙在负极性操作冲击电压下具有非线性放电特性。为了研究典型长空气间隙的负极性放电特性,利用 7 500 kV冲击电压发生器产生20/2 500 &#x003s和80/2 500 &#x003s两种负极性操作冲击电压波,开展了间隙距离为1~10 m的棒-棒间隙、棒-板间隙和棒-线间隙的负极性放电特性试验研究,并与其他学者的试验结果进行对比分析。试验结果表明：随着间隙长度的增加,棒-棒间隙、棒-板间隙、棒-线间隙的50%放电电压都趋于饱和,但棒-板间隙的饱和趋势最为明显;当间隙长度为4 m时,棒-板间隙与棒-棒间隙的50%放电电压大小关系发生翻转;间隙的平均击穿场强随着间隙距离的增大而减小。该研究揭示了1~10 m长空气间隙的负极性操作冲击放电特性,加深了对长空气间隙放电特性的 认识。
2014&Vol. 34&(21):&
周利军, 李先浪, 段宗超, 王晓剑, 高波, 吴广宁
纤维素老化对油纸绝缘水分扩散特性的影响机制
大量变压器进入运行的中后期,绝缘纸老化会对油纸绝缘水分平衡产生影响。试验测试了绝缘纸在空气中、油纸绝缘体系中的水分平衡过程。实验结果表明,相同空气湿度下,绝缘纸聚合度越低,其吸附的水分含量越高;油纸绝缘中,绝缘油中水分含量相同时,绝缘纸聚合度越低,水分向绝缘纸中迁移速率越快,其稳态水分含量越低。绝缘纸老化所发生纤维素微观特性的变化表明空气中老化绝缘纸无定形区增大,聚合度降低,附着在绝缘纸孔隙中的亲水性杂质导致其吸水性增加;油纸绝缘中,老化绝缘纸的无定形区孔隙、纤维素内的孔隙由于绝缘油分子的进入导致间接吸附水的减少,亲水性杂质溶解于油中,比表面积的下降导致亲水基团的减少使得吸附水分的含量降低。最后,将文中实验所得曲线与类Oommen曲线类比,聚合度对油纸绝缘水分平衡的影响可以认为在横坐标方向对类Oommen曲线的平移。
2014&Vol. 34&(21):&
电工理论与新技术
张瑞强, 何为, 李羿, 杨帆, 祝郦伟, 刘泽辉, 李松浓
基于正逆问题分析方法的变电站接地网研究综述
2014&Vol. 34&(21):&
程志远, 宋凯, 魏国, 逯仁贵, 朱春波
感应电能传输系统死区开关特性的研究
目前,在寻求最大功率输出的控制方法中,通常采用变频方式使系统工作在谐振点附近。然而,对于大功率感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统来说,开关管的工作频率较低,死区时间相对较长,如果控制不当,会在谐振点附近的死区范围内出现电压与电流波形畸变,极易造成开关管的损毁,导致系统停机,从而降低了系统的稳定性能。因此,首先研究在高频逆变电压超前、滞后于原边谐振电流以及谐振点附近情况下谐振变换器的开关特性,分析产生电压与电流波形畸变的机理,通过理论推导给出避免波形畸变的运行条件。最后,通过相位滞后控制策略稳定系统的输出,并搭建25 kW、气隙20 mm的大功率IPT试验平台,通过试验验证理论分析的正确性。
2014&Vol. 34&(21):&
蒋华伟, 李向丽, 谭玉波
管内电缆导体绞缆序列比对耦合损耗作用的优化计算
2014&Vol. 34&(21):&
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电力电子终极版
东南大学2014 电力电子考试精简版
1、请列举电力电子开关器件和理想开关的主要区别,及正常工作应对措施。造成电力电子开关器件发热的主要来源有哪些？列出几种电力电子开关器件散热的措施。答：(1)区别：1.理想开关导通零电阻，而电力电子器件存在导通压降和通态损耗；关断后存在反向漏电流和断态损耗。2.理想开关可瞬时开通和关断，而器件需要一定的开通、关断时间，存在开通和关断损耗。3.理想开关耐压、耐流能力无限，而器件只能承受一定的额定电压和额定电流，并且只能承受一定的du/dt和di/dt。(2)以晶闸管为例进行说明：1.选用晶闸管时注意额定电压和电流应留有一定裕量，额定电压取正常工作时承受的峰值电压的2~3倍，额定电流取1.5~2倍通态平均电流有效值，并工作在安全工作区内。2.晶闸管需要在门级加一定宽度和强度的触发脉冲才能正常工作。3.当晶闸管承受反压或其中流过的电流下降至维持电流以下时，晶闸管才能关断。4.晶闸管具有一定的开通和关断时间，实际应用中应注意使用频率的限制。5.避免过大的du/dt和di/dt，使用中应该加缓冲电路；为了防止器件过热导致器件损坏，实际应用时还应该注意散热。
(2)造成电力电子器件发热的原因是功耗。电力电子器件的功耗主要有开通损耗、关断损耗和导通期间的损耗三种。高频环境中前两种损耗占主要比例，低频环境中第三种损耗占主要比例。(3)在计算等效热阻的基础上，可以对电力电子器件采取散热措施。按散热方式可以分为传导型、对流型和辐射型，按具体操作可以分为风冷、水冷和油冷等。
2、大功率开关器件（GTR、IGBT 等）在开关电路中为何需要加入缓冲电路？缓冲电路根据其在器件工作中的作用可分为哪两大类？简述缓冲电路的基本工作原理。
答：大功率开关器件在开关过程中，可能会出现过电压、过电流、过大的di/dt、du/dt及过大瞬时功率，从而损坏器件，因此需要缓冲电路进行保护。改善开关工作条件，抑制开关器件的过电压du/dt，过电流di/dt，减少器件的开关损耗。
分为关断缓冲电路和开通缓冲电路：关断缓冲电路吸收器件的
关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，开通缓冲电路抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。
B.工作原理：利用电感电流不能突变的特性抑制器件的电流上升率，利用电容电压不能突变的特性抑制器件的电压上升率。
3、电力电子开关器件的功耗主要有哪些？请简述软开关谐振技
基本原理。答：电力电子器件的功耗主要有开通损耗、关断损耗和导通期间的损耗三种。
高频环境中前两种损耗占主要比例，低频环境中第三种损耗占主要比例。 软开关技术使电压U或/且电流I减小从而减小开关损耗功率P=UI。软开关可分为ZVS（零电压开关）和ZCS（零电流开关）两种，前者可以减小器件开通、关断期间的电流I；后者可以减小器件开关期间的电压U，都达到减小损耗P的目的。 4、如下图所示为一
PWM 整流电路，请简单分析该电路的工作原理，并（与相控整流电路相比较）举出三条该电路的优点。答：PWM整流电路是升压型整流电路。工作时按自然采样法对VT1~VT4进行SPWM控制，使uAB输出电压中含有与正弦调制波同频、幅值成比例的基波，以及载波频率的高次谐波，不含低次谐波。 当Us&0时，VT2、VD4、VD1和Ls以及VT3、VD1、
VD4和Ls分别组成两组升压斩波电路。以第一组为例，VT2导通时，电源通过VT2和VD4为Ls充电；VT2截止时，Ls通过VD1和
VD4向直流电容C供电。同理，当Us&0时，VT1、VD3、VD2和Ls以及VT4、VD2、VD3和Ls分别组成两组升压斩波电路。
电流应选大一点?为什么? 答：在负载电流平均值相同的情况下，反电动势负载电流的通电时间短，通电电流大，所以有效值也较大，则反电动势负载的晶闸管的额定电流应选大一点。 8、试以晶闸管SCR 为例，简述电力电子器件串联工作时，应采取哪些措施来实现器件的均压？简述电力电子器件并联工作时，应采取哪些措施来实现器件的均流？并画出均压和均流线路原理图。答：（1）晶闸管SCR串联均压： 由于器件特性的差异，不同晶闸管的正向阻断电阻和反向阻断电阻不尽相同，从而造成
R晶闸管串联后电压分配不均的问题。当晶闸VT1RpC管串联时，首先应选取参数和特性尽量一致
的器件，其次要加均压电路。如右图所示，
电阻Rp远小于晶闸管的正、反向阻断电阻，IRRpVT2使晶闸管分得的电压取决于均压电阻Rp的C
分压；电容C用于平衡动态过程中晶闸管的反向恢复电荷，实现动态均压。 （2）晶闸管SCR并联均流：
如图所示，耦合电感T1和T2可以提供动态均流。当VT1中电流I1上升时，由于电感T1会产生一个与I1相反的电动势从而产生反向电流ΔI抑制I1的增长；由于T1和T2异名端耦合，所以T2中产生与I2同向的增长电流ΔI使I2增长，从而达到平衡两支晶闸管中电流的作用。有时串联电阻有助使晶闸管为正温度系数，从而提升静态均流，但需视器件特性而定。
如果需要同时串联和并联晶闸管，一般采用先串后并的方法联接。
9、采用两晶闸管反并联相控的单相调压电路，输入电压 Ui=220V，负载为 RL 串联，R=1Ω，L=5.5mH。求：⑴控制角移相范围；⑵负载电流最大值（有效值）；⑶最大输出功率；⑷输入功率因数
计算边界110，计算得
1.987。所以要求电炉功率
不超标， 应该满足1.987
2、 单相全波整流电路
采用单相桥式整流电路与采用交流调压电路的触发角范围一致，也是应该满足1.987
。 3、 斩控式交流调压
答：（1）移相范围：
， φ=arctan （ωL/R）=arctan （2πfL/R）=
arctan （100π 5.5 10-3 /1）=60°，即60°~180°
（2）负载电流最大值：当α&φ时，晶闸管调压器完全开放，输出电压为完整的正弦波，负载电流也为最大，此时输出电流最大，为Imax=Io=Ui/Z=Ui/ R2+（ωL） =220/ 1+（2πf 5.5 0.001）
（3）此时电流最大，输出功率最大，Pmax=Io2R=12100W ⑷输入功率因数λ= λmax=Pmax/(UiIo)=10)=0.5
10、三相PWM逆变电路分别采用梯形调制波和注入三次谐波进行输出波形控制有何好处？请简单说明二者工作原理并就性能作简单比较。答：(1)采用梯形波调制和注入三次谐波都提升了调制波中基波的幅值，由于直流电压利用率=输出基波电压幅值/直流电压，所以它们提高了电压利用率，改善了逆变器的输出性能。(2)采用梯形波作为调制信号时，由于梯形波中含有低次谐波，故输出波形中含有5次、7次等低次谐波。采用在正弦波调制信号中加入三次谐波的“马鞍形”作为调制信号时，输出相电压中含有三次谐波；但合成线电压时，各相电压三次谐波互相抵消，故输出线电压为正弦波，不含低次谐波。其输出谐波小于梯形调制波，但电压利用率略低。 11、请分析如下图所示的斩控式单相交流调压电路的工作原理（过程），请画出交流输出电压Uo的波形示意图。该斩控式单相交流调压电路和相控式单相交流调压电路在功率因数、谐波含量方面相比较有何不同。
U在u1正半周，V1高频12设通断周期为Ts，且Ts远小于工频周期，在某个通断周期内认为u1为恒定值UR。 上图中阴影部分对应的有效值为A1，整个矩形对应的有效值为A，
A A12 A2 Ts 4Ton
on 0.25， （注意此处为占空比而非触发24Ts
角）应该满足0
②对于前两种设计的电路，电阻电流有效值为：IR 效值为：IVTP104
90.9A，晶闸管电流有U110
而输入电流is与us的相位角通过控制uAB来实现。比如目标电流为Is Is
UAB Us Is j Ls Rs ，即能达到控制目标。与相控整流电路相比，PWM整流电路具有以下优点：1、输入电流低次谐波含量较小；2、输入电流功率因数可调；3、通过改变控制策略可以实现能量双向流动；4、输出直流电压纹波较小。
5、请画出电压源型三相全桥逆变电路开关状态图并依次正
确标注其相应的空间矢量编号，说明空间矢量编号的基本原则以及哪些空间矢量是零矢量。
64.3A，晶闸管通态平均电流为：IV VT 41A。
答：如图所示为一个周期的波形，上半图为U1波形，下半图为Uo波形。当输入电压
U1&0，即在正半周内，V4截止，V3持续导通，V1则以斩波频率导通和关断；在V1关断期间，V3和VD3为负载续流。当输入电压U1&0，即在负半周内，V3截止而V4导通，V2进行通断控制；同样的，在V2关断时，V4和VD4为负载续流。 与相控式交流调压电路相比，斩控式电路的输出电压仅含有高次谐波，谐波含量较低；输入电流与输入电压同相位，功率因数较高。
12、有一单相异步电机（额定工作电压有效值为300V）需要进行变频调速，调速装置的外部输入电压为单相工频交流电（220V，50Hz）。试采用交直交电路用设计出一种满足该电机调速用的变换器，画出其电路原理示意图并就工作原理作简单说明。 答：由于220V工频交流经过整流和逆变后无法达到300V的有效值，所以变换器必须要有升压设备。我采取的思路是：220V，50Hz交流-&加前端变压器升压-&全波桥式整流-&PWM逆变。电路原理图如下图所示。
15、某电220V（直流）的蓄电池组，要进行60A恒流放电维护，放电终止电压为180V，为了有效利用能源，要求设计一有源逆变电路将能量回馈回电网，考虑到漏感的影响，最小逆变角βmin=15°,试设计一个单相桥式电路满足这一要求（电网电压220V，AC），计算出如下参数：① 电路中电阻与电感值；② 安全裕量取为1，计算晶闸管电流定额；③ 电路中电阻值可取大小不同的数值，对电路有何影响？解：实现逆变需要两个条件：1、负载侧需要一个提供直流电能的直流电动势，电动势极性对晶闸管而言为正向电压，在整流回路交流电压为负值期间，提供使晶闸管维持到导通的条件 d；2、要求晶闸管控制角满足
的条件，使变流器输出电
压极性为负，即Ud 0，且电流连续，提供改变能量流动方向的条件。 整流/逆变算法通用公式：
1.17三相半波U2cos
2.34三相全波
PWM逆变全桥整流
设变压器的变比为1:k，升压后交流电压有效值为U2，桥式整流电路带容性负载输出直
流电压为UC，一般取UC=0.9U2；PWM逆变器直流电压利用率
0.7071maUC
，这里取ma=0.8，要求Uo=300V，即：k=300/(0..8×0.9
×220)=2.68，所以变压器变比选为1:2.68。
13、电力电子技术在节能方面大有可为，请举一个你熟悉的例子，简要分析节能的原理。
答：电动汽车因为使用无污染的清洁能源――电能，正受到越来越广泛的推广。但充电汽车的最大缺陷是充电难，所以保证充电汽车能量的高效使用是很有意义的课题。我们可以设计一种可逆的整流电路，当电动车启动或加速时，变换器可以根据不同的需要将电能逆变成不同频率的交流电驱动电动机；当汽车制动时，多余的动能不是通过摩擦转化为内能损耗掉，而是通过该装置将电动机制动时产生的电能整流后回馈至储能设备以供下次使用，从而实现节能。
14、某单位进口设备中有一台额定电压110V，功率10KW的单相电阻炉，由于国内单相只有220V的交流电源，为了使这台设备的功率不超标，想使用电力电子技术对其进行改造，假定电阻炉的电阻值不随温度变化，耐压强度足够，周期功率不得超标
空间矢量编号的基本原则是：开关按照A-&B-&C的顺序依次导通，且相邻的开关状态使用，试设计两种单相电路满足这一要求。要求计算出：①控制角的变化范围；②不
考虑安全裕量选择晶闸管。 r
只改变一位，即（100，110，010，011，001，101以及000，111），其中和
Uo 0.7071maUC
，可得：是零矢量。
阻值为Rdc，令Rdc R，则在直流电源下使用时的额定电压为110V。
6、假设下图中开关器件VT和V的开关占空比为＝ton/T。请推导(1)如下图左所示
可以设计三种电路达到目的：1、交流相控式调压电路；2、单相全波整流电路；3、斩
的降压buck电路在稳态工作条件下的输出输入电压的关系表达式Uo/E=?;(2)如下图
控式交流调压电路。
右所示的升降压 boost-buck电路在稳态工作条件下的输出输入电压的关系表达式
1、 交流相控式调压电路
Uo/E=?。 r
1.21 ，设在直流电源下使用时电解：①设电弧炉为纯阻性负载，R
min 15 ，在单相桥式可逆电路中，cos
可得XB=0.088Ω
0时， 最大，故1 cos max，
0.088 60 3.37V； 2
所以Ud 0.9U2cos
1、放电初始，蓄电池组电压为220V，即E=220V。约束条件为：
答：（1）降压buck电路：该电路在一个工作周期内，电感L中流过的电流积分为0（这
样才能保证电感L电流在周期末和周期初时相等）。当VT导通时，有E Uo L
diL i E Uo Ton
LLon，即 iLon ；当VT关断时，电感L通过VD续
此时 194.6 Ud 0，而Id
0.423 R d 3.67； RI
2、放电终止，蓄电池组电压为180V，即E=180V。约束条件为：
流，有LL Uo 0，Uo
LLoff， iLoff
oToff 0，即o on
。 因为 iLon
iLoff 0，所以ETLL
（2）升降压boost-buck电路：同样的，在一个工作周期内，电感L的电流保持不变。t，则电阻R两端电压为：
3.37 180 0
此时 179.8 Ud 0，而Id
0 R d 3； RI
0， iLon Ton；V关断时，电感L向
负载放电，LL Uo 0， iLoff
iLoff 0，所以Ton oToff 0，即o on 。
LLEToff1 V导通时，电源为电感L充电， E L
0.423,3.67
，经证明，当180 E 220时，前述R值范围均能满足。
一般认为 L 10R，故L
0.032R 0.032 3 96mH
I27A；考，平均值为IV VT1.577、某单相可控整流电路（晶闸管器件）给电阻性负载供电和给反电动势负载蓄
电池充电，在流过负载电流平均值相同的条件下，哪一种负载的晶闸管额定
②Id=60A，晶闸管电流有效值IVT虑安全裕度为1，所选晶闸管额27A。
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1、请列举电力电子开关器件和理想开关的主要区别,及正常工作应对措施。造成电力 电子开关器件发热的主要来源有哪些?列出几种电力电子开关器件散热的措施。答: (1)...电力电子技术复习题 (2012 年) 一、选择题 1、已经导通的晶闸管的可被关断的条件是流过晶闸管的电流( A、减小至维持电流以下 C、减小至门极触发电流以下 2、...所谓电力电子技术就 是应用于电力领域的电子技术,是使 用电力电子器件对电能进行变换和 控制的技术. 直接承担电能的变换或 控制任务的电路被称为主电路. 第二章 ...电力电子知识点总结终结版(office2007)_工学_高等教育_教育专区。第一章 绪论 . 所谓电力电子技术就 是应用于电力领域的电子技术 ,是使 用电力电子器件对电能进行...基于LS-SVM的电力电子电路故障预测方法(终极版)_建筑/土木_工程科技_专业资料。基于LS-SVM的电力电子电路故障预测方法今日推荐 四季养生 中医养生与保健 中医养生知...第1章 绪论 1.1 什么是电力电子技术 1.2 电力电子技术的发展史 1.3 电力电子技术的应用 1.4 本教材的内容简介 1.1 什么是电力电子技术■电力电子技术的概念...9 1 电力电子实验室技术要求 1.电力电子实验室建设选址 拟新建的电力电子实验室位于变流器厂房及高功率试验大厅南 侧、动力站房以东。 2.建设内容 1)电力电子...四川大学电力电子实验报告(终结版)_工学_高等教育_教育专区 暂无评价青岛科技大学 电力电子技术 电力电子实验指导书最终版_工学_高等教育_教育专区。青岛科技大学 电力电子技术 《电力电子技术》实验指导书 电气工程及其自动...电力电子技术第四版答案_工学_高等教育_教育专区 暂无评价}