变频器原理及应用 第二版王廷才 课后习题解答

变频器原理及应用习题解析

第1章 概述

1.什么叫变频器？变频调速有哪些应用？

答：变频器是将固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的装置。

变频调速的应用主要有：①在节能方面的应用。例如风机、泵类负载采用变频调速后，节电率可以达到20%～60%；②在提高工艺水平和产品质量方面的应用。例如变频调速应用于传送、起重、挤压和机床等各种机械设备控制领域；③在自动化系统中的应用。例如，化纤工业中的卷绕、拉伸、计量、导丝；玻璃工业中的平板玻璃退火炉、玻璃窑搅拌、拉边机、制瓶机；电弧炉自动加料、配料系统以及电梯的智能控制等。

2.为什么说电力电子器件是变频器技术发展的基础？

答：变频器的主电路不论是交-直-交变频或是交-交变频形式，都是采用电力电子器件作为开关器件。因此，电力电子器件是变频器发展的基础。

3.为什么计算机技术和自动控制理论是变频器发展的支柱？

答：计算机技术使变频器的功能也从单一的变频调速功能发展为包含算术、逻辑运算及智能控制的综合功能；自动控制理论的发展使变频器在改善压频比控制性能的同时，推出了能实现矢量控制、直接转矩控制、模糊控制和自适应控制等多种模式。现代的变频器已经内置有参数辨识系统、PID调节器、PLC控制器和通讯单元等，根据需要可实现拖动不同负载、宽调速和伺服控制等多种应用。

4.变频调速发展的趋势如何？答：①智能化；②专门化；③一体化；④环保化. 5.按工作原理变频器分为哪些类型？按用途变频器分为哪些类型？ 答：按工作原理变频器分为：交-交变频器和交-直-交变频器两大类。 按用途变频器分为：①通用变频器；②专用变频器。

6.交-交变频器与交-直-交变频器在主电路的结构和原理有何区别？

答：交-交变频器的主电路只有一个变换环节，即把恒压恒频（CVCF）的交流电源转换为变压变频（VVVF）电源；而交-直-交变频器的主电路是先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经逆变器将直流电变成频率和电压可调的交流电。

7.按控制方式变频器分为哪几种类型？

答：按控制方式变频器分为：①V/f控型变频器；②转差频率控制变频器；③矢量控制变频器；④直接转矩控制变频器。

第2章变频器常用电力电子器件

1.晶闸管的导通条件是什么？关断条件是什么？

答：晶闸管的导通条件：在晶闸管的阳极A和阴极K间加正向电压，同时在它的门极G和阴极K间也加正

向电压。要使导通的晶闸管的关断，必须将阳极电流IA降低到维持电流IH以下，上述正反馈无法维持，管子自然关断。维持电流IH是保持晶闸管导通的最小电流。

2. 说明GTO的开通和关断原理。与普通晶闸管相比较有何不同？

答：GTO开通过程与普通晶闸管相似，在GTO阳极A和阴极K间加正向电压，同时在它的门极G和阴极K间也加正向电压。关断过程是通过在GTO控制极施加关断脉冲（门极G和阴极K间也加负向电压）实现的。

3. GTO有哪些主要参数？其中哪些参数与普通晶闸管相同？哪些不同？ 答：GTO的多数参数与普通晶闸管相同，意义不同的参数有：

（1） 最大可关断阳极电流ＩTGQM (2）关断增益Goff

4. GTO为什么要设置缓冲电路？说明缓冲电路的工作原理。 答：GTO关断时，抑制阳极电流下降过程中所产生的尖峰阳极电压Ｕp， 以降低关断损耗，防止结温升高；抑制阳极电压ＵＡk的上升率du／dt，以免关断失败；GTO开通时，缓冲电容通过电阻向GTO放电，有助于所有GTO元达到擎住电流值。因此，缓冲电路不仅对GTO具有保护作用，而且对于GTO的可靠开通和关断也具有重要意义。

以图2-13为例说明缓冲电路的工作原理。

图中R、L为负载，VD为续流二极管， LA是GTO导通瞬间限制di／dt的电感。RsCs和VDs组成了缓冲电路。 GTO的阳极电路串联一定数值的电感LＡ来限制di／dt， 当门极控制关断时抑制阳极电流ＩA的下降，di／dt 在电感LＡ上感应的电压尖峰Ｕp通过VDA和ＲA加以限制。当GTO开通瞬间， 电容Cs要通过阻尼电阻Rs向GTO放电，若Rs小，则Cs放电电流峰值很高，可能超出GTO的承受能力。为此，增加了二极管VDs，在GTO关断时，用ＶＤs的通态内阻及GTO关断过程中的内阻来阻尼LA和Cs谐振。Rs则用于GTO开通时，限制Cs放电电流峰值，并于GTO关断末期ＶＤs反向恢复阻断时阻尼LA和Cs谐振。

5. GTR的应用特点和选择方法是什么？

答：GTR的热容量小，过载能力低，过载或短路产生的功耗可能在若干徽秒的时间内使结温超过最大允许值而导致器件损坏。为此GTR的驱动电路既要及时准确地测得故障状态，又要快速自动实现保护，在故障状态下迅速地自动切除基极驱动信号，避免GTR损坏。保护类型包括抗饱和、退抗饱和、过流、过压、过热及脉宽限制等多方面。此外，驱动电路还得具有能在主电路故障后自动切断与主电路联系的自保护能力。

6. P-MOSFET的应用特点和选择方法是什么？

答：P-MOSFET的栅极是绝缘的，属于电压控制器件，因而输入阻抗高，驱动功率小，电路简单。 为了正确的控制P-MOSFET的开通和关断，对栅极驱动电路提出如下要求：

1）触发脉冲的前后沿要陡峭，触发脉冲的电压幅值要高于器件的开启电压，以保证P-MOSFET的可靠触发导通。

2）开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电容提供低电阻放电回路，减小栅极电容的充放电时间常数，提高P-MOSFET的开关速度。

3）P-MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充放电流。P-MOSFET的极间电容越大，所需的驱动电流也越大。为了使开关波形具有足够的上升和下降陡度，驱动电流要具有较大的数值。

7. 说明IGBT的结构组成特点。

答：IGBT是一种新型复合器件。输入部分为MOSFET，输出部分为GTR，它综合了MOSFET和GTR的优点，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大的优点。

8．IGBT的应用特点和选择方法是什么？

答：IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。栅极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，从而使IGBT导通。在栅极上施以负电压时，MOSFET内的沟道消失，IGBT即为关断。

选用IGBT的参数时应注意：

1)集电极-发射极额定电压UCES。 2)栅极-发射极额定电压UGES，使用中不能超过该值。 3)额定集电极电流IC ：该参数给出了IGBT在导通时能流过管子的持续最大电流。

4)集电极-发射极饱和电压UEC(sat)：此参数给出IGBT在正常饱和导通时集电极-发射极之间的电压降。

5)开关频率。

9. IGCT的特点是什么？ 答：（1）缓冲层 提高了器件的效率，降低了通态压降和开关损耗。同时，采用缓冲层还使单片GCT与二极管的组合成为可能。

（2）透明阳极 采用透明阳极来代替阳极短路，可使GCT的触发电流比传统无缓冲层的GTO降低一个数量级。

（3）逆导技术 逆导GCT与二极管隔离区中因为有PNP结构，其中总有一个PN结反偏，从而阻断了GCT与二极管阳极间的电流流通。

（4）门极驱动技术

10. 智能功率模块IPM的应用特点有哪些？

答：IPM 内含驱动电路，可以按最佳的IGBT驱动条件进行设定；IPM内含过流（OC）保护、短路（SC）保护，使检测功耗小、灵敏、准确；IPM内含欠电压（UV）保护，当控制电源电压小于规定值时进行保护；IPM内含过热（OH）保护，可以防止IGBT和续流二极管过热，在IGBT内部的绝缘基板上设有温度检测元件，结温过高时即输出报警（ALM）信号，该信号送给变频器的单片机，使系统显示故障信息并停止工作。IPM还内含制动电路，用户如有制动要求可另购选件，在外电路规定端子上接制动电阻，即可实现制动。

第3章 交-直-交变频技术

1. 交-直-交变频器的主电路包括哪些组成部分？说明各部分的作用。

答：交-直-交变频器主电路包括三个组成部分：整流电路、中间电路和逆变电路。整流电路的功能是将交流电转换为直流电；中间电路具有滤波电路或制动作用；逆变电路可将直流电转换为交流电。

2. 不可控整流电路和可控整流电路的组成和原理有什么区别？

答：不可控整流电路整流元件为二极管，不可控整流电路输出的直流电压不可调节；可控整流电路的整流元件为晶闸管，利用晶闸管的可控导电性可使输出的直流电压大小可以调节。

3. 中间电路有哪几种形式？说明各形式的功能。

答：中间电路有滤波电路和制动电路两种形式。滤波电路是利用电容或电感的储能特性，将整流电路输出的直流电压或电流减少谐波分量趋于稳定；而制动电路一般由制动单元和制动电阻组成，可将电动机的再生能量返送电网或消耗掉，并产生制动作用，使电动机快速停车。

4. 对电压型逆变器和电流型逆变器的特点进行比较。

答：电压型逆变器是将整流电路产生的直流电压，通过电容进行滤波后供给逆变电路。由于采用大电容滤波，故输出电压波形比较平直，在理想情况下可以看成一个内阻为零的电压源，逆变电路输出的电压为矩形波或阶梯波。

电流型逆变器是将整流输出的直流电压采用大电感滤波，因此，直流电流波形比较平直，因而电源内阻很大，对负载来说基本上是一个电流源，逆变电路输出的交流电流是矩形波。

5. 说明制动单元电路的原理。

答：制动电路一般接于整流器和逆变器的P、N之间，图中的制动单元包括晶体管VB、二极管VDB和制动电阻RB。如果回馈能量较大或要求强制动，还可以选用接于P、R两点上的外接制动电阻REB。当电动机制动时，能量经逆变器回馈到直流侧，使直流侧滤波电容上的电压升高，当该值超过设定值时，即自动给VB施加基极信号，使之导通，将RB(REB)与电容器并联，则存储于电容中的再生能量经RB(REB)消耗掉。

6. 说明图3-15所示全桥逆变电路的工作原理。

答：全桥逆变器可看作两个半桥逆变电路的组合。电路原理如图3-15a所示。直流电压Ud接有大电容C，使电源电压稳定。电路中的四个桥臂，桥臂1、4和桥臂2、3组成两对，工作时，设t2时刻之前V1、V4导通，负载上的电压极性为左正右负，负载电流io由左向右。t2时刻给V1、V4关断信号，给V2、V3导通信号，则V1、V4关断，但感性负载中的电流io方向不能突变，于是VD2、VD3导通续流，负载两端电压的极性为右正左负。当t3时刻io降至零时，VD2、VD3截止，V2、V3导通，io开始反向。同样在t4时刻给V2、V3关断信号，给V1、V4导通信号后，V2、V3关断，io方向不能突变，由VD1、VD4导通续流。t5时刻io降至零时，VD1、VD4截止，V1、V4导通，io反向，如此反复循环，两对交替各导通180°。其输出电压uO和负载电流iO见图3-15b 所示。

a) 全桥逆变器 b) 工作波形

图3-15 全桥逆变器及工作波形

7. SPWM控制的原理是什么？为什么变频器多采用SPWM控制？

答：SPWM控制技术就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。

变频器采用SPWM控制可使输出的SPWM波形，加至电感性的电动机绕组，经过滤波作用，使流过绕组的电流波形基本为正弦波，谐波成分大为减少。

第四章交-交变频技术

1. 交-交变频技术具有什么特点？主要应用是什么？

答：交-交变频就是把电网频率的交流电变换成可调频率的交流电，因为没有中间环节，能量转换效率较高，广泛应用于大功率的三相异步电动机和同步电动机的低速变频调速。

2. 交-交变频的基本原理是怎样的？

答：单相交-交变频器的原理框图如图4-1所示。

图4-1 单相交-交变频器电路原理框图 图4-2 单相交-交变频器输出的方波

电路由P（正）组和N（负）组反并联的晶闸管变流电路构成，两组变流电路接在同一交流电源，Z为负载。两组变流器都是相控电路，P组工作时，负载电流自上而下，设为正向；N组工作时，负载电流自下而上，为负向。让两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电，如图4-2所示。

改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出到负载上的交流电压频率，改变交流电路工作时的控制角α，就可以改变交流输出电压的幅值。

3. 如何调制交-交变频使其输出为正弦波电压？

答：为了使输出电压的波形接近正弦波，可以按正弦规律对控制角α进行调制。 4. 三相交-交变频有哪些连接方法？

答：公共交流母线进线方式；输出星形联结方式。 5. 交-交变频有什么优点和缺点？

答：交-交变频电路的优点是：只用一次变流，效率较高；可方便地使电动机实现四象限工作；低频输出波形接近正弦波。缺点是：接线复杂。

第5章高（中）压变频器

1. 高（中）压变频器通常指电压等级为多少的变频器？

答：高（中）压变频器通常指电压等级在1kV以上的大容量变频器。

2. 高（中）压交-交方式的变频器多用在什么场合？该方式的变频器有什么优缺点？

答：交-交变频的高/中压变频器一般容量都在数千kW以上，多用在冶金、钢铁企业。交-交变频器过载能力强、效率高、输出波形好，但输出频率低，且需要无功补偿和滤波装置，使其造价高，限制了它的应用。

3. 高（中）压变频调速系统的基本形式有哪几种？画出其结构图。 答：⑴ 直接高-高型（也有的称为直接中-中型）如下图所示。

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