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I A降低到维持电流I H以下，上述正反馈无法维持，管子自然关断。维持电流I H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G off

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d u／d t，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，L A是GTO导通瞬间限制d i／d t的电感。R s C s和VD s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d i／d t，当门极控制关断时抑制阳极电流ＩA的下降，d i／d t在电感LＡ上感应的电压尖峰Ｕp通过VD A和ＲA加以限制。当GTO开通瞬间，电容C s要通过阻尼电阻R s向GTO放电，若R s小，则C s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VD s，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L A和C s谐振。R s则用于GTO开通时，限制C s放电电流峰值，并于GTO关断末期ＶＤs反向恢复阻断时阻尼L A和C s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U CES。 2)栅极-发射极额定电压U GES，使用中不能超过该值。

3)额定集电极电流I C ：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U EC(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. I GCT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V B、二极管VD B和制动电阻R B。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R EB。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V B 施加基极信号，使之导通，将R B(R EB)与电容器并联，则存储于电容中的再生能量经R B(R EB)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U d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i o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i o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i o降至零时，VD2、VD3截止，V2、V3导通，i o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，i o方向不能突变，由VD1、VD4导通续流。t5时刻i o降至零时，VD1、VD4截止，V1、V4导通，i o反向，如此反复循环，两对交替各导通180°。其输出电压u O和负载电流i O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。

直接高-高型变频调速系统

⑵高-中型变频调速系统的电路结构如下图所示。

高-中型变频调速系统

⑶高-低-高型变频调速系统的电路结构如下图所示。

高-低-高型变频调速系统

4.简述高（中）压变频器的应用及重要意义。

答：在冶金、钢铁、石油、化工、水处理等工矿企业中，大容量的电动机基本上都是中压和高压电动机。这类企业的风机、泵类、压缩机及各种其他大型机械的拖动电动机消耗的能源占电机总能耗的70％以上，而且绝大部分都有调速的要求，采用高（中）压变频器调速，达到节能、高效、提高产品质量的目的。

5.高（中）压变频器的技术要求主要有哪些方面？

答：(1) 可靠性要求高；(2) 对电网的电压波动容忍度大；(3) 降低谐波对电网的影响；(4) 改善功率因数；

(5) 抑制输出谐波成分；(6) 抑制共模电压和d u／d t的影响。

6. 说明图5-7所示并联多重化PWM电压型变频器电路的工作原理。

答：图5-7所示为并联多重化PWM电压型变频器电路图。采用二极管构成二组三相桥式整流电路，按12脉波组态，输出为二重式，每组由六个IGBT构成一个桥式逆变单元。输出滤波器用来去除PWM的调制波中的高频成分并减少d u／d t、d i／d t的影响，由于频率高，滤波器的体积很小。

变频器的驱动(逆变)单元设计成模块化独立单元的形式，直流母线(DC-BUS)上可任意连接1～6个驱动单元，驱动单元可驱动同一个电机，也可以驱动不同的电机(驱动同一个电机的逆变单元一般不超过2个)。

这种设计使工厂中不同地方的设备可采用公共的直流母线供电，从而减少设备总投资，并使多电机调速系统的总功率平衡达到最优化。

7. 说明图5-8所示电路为什么称为三电平式变频器？该电路结构有什么优点？

答：由图5-8可见，变频器的整流部分由两个三相整流桥电路串联，输出12脉波的直流电压，大大减少了电网侧的谐波成分。同时，直流侧采用两个相同的电解电容串联滤波，在中间的连接处引出一条线与逆变电路中的钳位二极管相接，若将该节点视为参考点（电压为零），则加到逆变器的电平有三个：U d、0、-U d。所以逆变器部分是由IGBT和箝位二极管组成的三电平电压型逆变器。

三电平变频器的输出谐波比低压通用变频器低；因为省去升、降压变压器，因而结构紧凑，损耗减少，占地面积小，节省土建费用；当功率较大时，电源输入端仍设置隔离用三绕组变压器，变压器副边采用Δ和Y接法，可输出12脉冲整流电压，使得电源输入端谐波大为降低。

8.高压变频器为什么不采用双电平控制方式? 简述三电平逆变器的工作原理。

答：三电平或多电平变频器的输出谐波比低压通用变频器低；因为省去升、降压变压器，因而结构紧凑，损耗减少，占地面积小，节省土建费用。

电压型逆变器的工作原理为：当工作电压较高时，为了避免器件串联引起的动态均压问题和降低输出谐波，逆变器可采用三电平方式，也称为中心点钳位方式(NPC)，下图所示为三电平逆变器一相的结构图。

三电平逆变器一相的结构图

电路中的逆变器的功率开关器件VT1～VT4为IGBT，VD1～VD4为反并联的续流二极管，VD5和VD6为钳位二极管，所有的二极管均要求选用与功率开关相同的耐压等级。U d为滤波电容C1上端的电压，0为C1、C2连接中心点的电位，-U d为滤波电容C2下端的电压。当改变VT1～VT4的通断状态时，在输出端将获得三种不同的电压。

9. 说明功率单元多级串联电压型变频器电路结构原理？若每相由5个功率单元串联得到6,000V的线电压，每个功率单元的电压大致为多少？

答：依据功率单元多级串联电压叠加的原理，例如，对于额定输出电压为6kV的变频器，每相由6个低

33,480V = 6,000V 压为580V的IGBT功率单元串联而成，则叠加后输出相电压最高可达3,480V，线电压为

左右。

若每相由5个功率单元串联得到6,000V的线电压，每个功率单元的电压大致为696V。

第6章变频器的组成与功能

1.变频器的外形有哪些种类？

答：变频器的外形根据功率的大小有挂式和柜式两种。

2.由图6-2所示变频器的结构框图，说明变频器的基本组成。

答：变频器由主电路和控制电路组成，控制电路由主控板、键盘与显示板、电源板、外接控制电路等构成。

3.变频器的主电路端子有哪些？分别与什么相连接？

答：变频器的主电路端子R、S、T连接三相交流电源；U、V、W连接三相电动机；P1、P+连接直流电抗器；P+、DB连接外部制动电阻器；P+、N-连接制动单元；PE接地。

4.变频器的控制端子大致分为哪几类？

答：多功能数字输入、多功能数字输出、模拟输入、模拟输出、多功能继断器输出、脉冲频率输入、脉冲频率输出、RS485接口等。

5.说明变频器的基本频率参数，如何预置？

答：1）给定频率。其设置方法常有两种：一种是用变频器的操作面板来输入频率的数字量50；另一种是从控制接线端上以外部给定(电压或电流)信号进行调节，最常见的形式就是通过外接电位器来完成。

2）输出频率。输出频率是在给定频率附近经常变化的。从另一个角度来说，变频器的输出频率就是整个拖动系统的运行频率。

3）基本频率。基本频率，用f b表示。一般以电动机的额定频率f N作为基频f b的给定值。

4）上限频率和下限频率。上限频率和下限频率是指变频器输出的最高、最低频率，常用f H和f L来表示。

5）跳跃频率。跳跃频率也叫回避频率，变频器在预置跳跃频率时通常采用预置一个跳跃区间，区间的下限是f J1、上限是f J2。

6.变频器有哪些运行功能需要进行设置？如何设置？

答：变频器的运行功能参数主要有：加速时间、加速模式、减速时间、减速模式、多功能端子、程序控制等。依据变频器说明书给定的功能参数进行设置。

7.变频器有哪些保护功能需要进行设置？

答：变频器的保护功能参数有：过电流、电动机过载、过电压、欠电压保护和瞬间停电的处理等。依据变频器说明书给定的功能参数进行设置。

8.变频器的节能控制功能有什么意义？

答：对于风机、水泵等二次方律负载在稳定运行时，其负载转矩及转速都基本不变。如果能使其工作在最佳的节能点，就可以达到最佳的节能效果。

9. 说明设置变频器的PID 功能的意义。

答：PID 控制是闭环控制中的一种常见形式。反馈信号取自调速系统的输出端，当输出量偏离所要求的给定值时，反馈信号成比例的变化。在输入端，给定信号与反馈信号相比较，存在一个偏差值。对该偏差值，经过PID 调节，变频器通过改变输出频率，迅速、准确地消除拖动系统的偏差，回复到给定值，振荡和误差都比较小。

第7章 变频调速拖动系统

1. 异步电动机的变频调速的理论依据是什么？

答：三相交流电动机的同步转速（即定子旋转磁场转速）n 0可表示为

p

f n 1060= 如果将电源频率调节为f x ，则同步转速n 0x 也随之调节成

p

f n x x 600= 异步电动机变频后的转速n x 的表达式为

)1(60)1(0s p

f s n n x x x -=-= 这就是异步电动机变频调速的理论依据。

2. 简述异步电动机常用的起动和制动方法。

答：在生产中，除了小容量的三相异步电动机能直接起动外，一般要采取不同的方法起动，比如自耦变压器降压起动、串电阻或电抗器降压起动、Y-Δ降压起动等。在变频调速系统中，变频器用降低频率f 1从而也降低了U 1的方法来起动电动机。

三相异步电动机的制动方式有直流制动、回馈制动和反接制动等。

3. 传统的异步电动机调速方法有哪些？

答：三相异步电动机的调速方式主要有三种，即变极调速、变转差率调速和变频率调速。

4. 实现异步电动机变频调速有哪些要求？

答：在额定频率以下，即f 1＜f N 调频时，同时下调加在定子绕组上的电压，即恒V ／f 控制。这时应当注意的是，电动机工作在额定频率时，其定子电压也应是额定电压，即：

f 1 = f N U 1=U N

若在额定频率以上调频时，U 1就不能跟着上调了，因为电动机定子绕组上的电压不允许超过额定电压，即必须保持U 1=U N 不变。

5. 异步电动机变频调速时，在额定频率以下调节频率，必须同时调节加在定子绕组上的电压，即恒V

／f 控制，为什么？

答：由于额定工作时电动机的磁通已接近饱和，ΦM 增加将会使电动机的铁心出现深度饱和，这将使励磁电流急剧升高，导致定子电流和定子铁心损耗急剧增加，使电动机工作不正常。可见，在变频调速时单纯调节频率是行不通的。

为了达到下调频率时，磁通ΦM 不变，可以让

=1

1f E 常数 有U 1 ≈ E 1，上式可写为：

=1

1f U 常数 因此，在额定频率以下，即f 1＜f N 调频时，同时下调加在定子绕组上的电压，即恒V ／f 控制。

6. 电动机的调速范围是如何定义的？

答：电动机的调速范围 指电动机在额定负载时所能达到的最高转速n Lmax 与最低转速n Lmin 之比，即 Lmin

Lmax L n n =α 7. 常见的负载机械特性有几种类型？说明各种类型的特点。

答：（1）恒转矩负载是指那些负载转矩的大小，仅仅取决于负载的轻重，而和转速大小无关的负载。恒转矩负载下变频器的选择：1）依据调速范围。2）依据负载转矩的变动范围。3）考虑负载对机械特性的要求。

（2）恒功率负载。是指负载转矩T L 的大小与转速n 成反比，而其功率基本维持不变的负载。对恒功率负载，一般可选择通用型的，采用V /f 控制方式的变频器。但对于动态性能有较高要求的卷取机械，则必须采用具有矢量控制功能的变频器。

(3) 二次方律负载。是指转矩与速度的二次方成正比例变化的负载。二次方律负载变频器的选择：1) 风机和水泵一般不容易过载，所以，这类变频器的过载能力较低。为120％，1min (通用变频器为150％，1min)。因此在进行功能预置时必须注意。由于负载转矩与转速的平方成正比，当工作频率高于额定频率时，负载的转矩有可能大大超过变频器额定转矩，使电动机过载。所以，其最高工作频率不得超过额定频率。2) 配置了进行多台控制的切换功能。3) 配置了一些其他专用的控制功能，如“睡眠”与“唤醒”功能、PID 调节功能。

8. 为什么对风机、泵类负载进行变频调速节能效果最好？

答：风机、泵类负载属于二次方律负载机械在低速时由于流体的流速低，所以负载转矩很小，随着电动机转速的增加，流速增快，负载转矩和功率也越来越大，所以采用变频调速节能效果最好。

9. 起重机械属于恒转矩类负载，速度升高对转矩和功率有何影响？

答：恒功率负载的力F 必须保持恒定，且线速度v 保持恒定。所以，在不同的转速下，负载的功率基本恒定。而负载阻转矩的大小与转速成反比，当速度升高时转矩变大。

第8章 变频器的控制方式

1. 什么是V ／f 控制？变频器在变频时为什么还要变压？

答：V ／f 控制是使变频器的输出在改变频率的同时也改变电压，通常是使V ／f 为常数，变频器在变频时还要变压是为了使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的转矩、效率、功率因数不下降。

2.说明恒V ／f 控制的原理。

答：E 1为每相定子绕组的反电动势，它是定子绕组切割旋转磁场而产生的，其有效值计算如下：

M N N k f E Φ=111144.4

由于4.44k N1N 1均为常数，所以定子绕组的反电势E 1可用下式表示：

M f E Φ∝11

在额定频率时即f 1=f N 时，可以忽略△U ，可得到：

U 1 ≈ E 1

因此进而得到： U 1 ≈ E 1∝f 1ΦM

此时若U 1没有变化，则E 1也可认为基本不变。如果这时从额定频率f N 向下调节频率，必将使ΦM 增加，即f 1↓→ΦM ↑。

由于额定工作时电动机的磁通已接近饱和，ΦM 增加将会使电动机的铁心出现深度饱和，这将使励磁电流急剧升高，导致定子电流和定子铁心损耗急剧增加，使电动机工作不正常。可见，在变频调速时单纯调节频率是行不通的。

为了达到下调频率时，磁通ΦM 不变，可以让

=1

1f E 常数 有U 1 ≈ E 1，即可写为：

=1

1f U 常数 因此，在额定频率以下，即f 1＜f N 调频时，同时下调加在定子绕组上的电压，即恒V ／f 控制。

3.什么是转矩补偿？

答：转矩提升是指通过提高V ／f 比来补偿f x 下调时引起的T Kx 下降。即通过提高U x (k u ＞k f )使得转矩T Kx 提升

4.转矩补偿过分会出现什么情况？

答：如果变频时的V ／f 比选择不当，使得电压补偿过多，即U x 提升过多，E x 在U x 中占的比例会相对减小(E x ／U x 减小)，其结果是使磁通ΦM 增大，从而达到新的平衡。

即： ↑→↑→Φ↑→↑→↓→↑↑→x

x x M x x x U E E I I U E U 01 由于ΦM 的增大会引起电动机铁心饱和，而铁心饱和会导致励磁电流的波形畸变，产生很大的峰值电流。补偿越过分，电动机铁心饱和越厉害，励磁电流的峰值越大，严重时可能会引起变频器因过电流而跳闸。

5.为什么变频器总是给出多条V ／f 控制曲线供用户选择？

答：给出多条V ／f 控制曲线供选择，是由于具体的补偿量的计算非常复杂，因此在实际操作中，常用实验的办法来选择V ／f 曲线。

6.V ／f 控制曲线分为哪些种类，分别适用于何种类型的负载？

答：V ／f 控制曲线的种类：1) 基本V ／f 控制曲线，用于低起动转矩负载； 2) 转矩补偿的V ／f 曲线，适用于低速时需要较大转矩的负载；3) 负补偿的V ／f 曲线，主要适用于风机、泵类的平方率负载；4)V ／f 比分段的补偿线，这种补偿线主要适合负载转矩与转速大致成比例的负载。

7.选择V ／f 控制曲线常用的操作方法分为哪几步？

答：选择V ／f 控制曲线常用的操作有下面几个步骤：

1) 将拖动系统连接好，带上最重的负载。

2) 根据所带负载的性质，选择一个较小的V ／f 曲线，在低速时观察电动机的运行情况，如果此时电动机的带负载能力达不到要求，需将V ／f 曲线提高一档。依此类推，直到电动机在低速时的带负载能力达到拖动系统的要求。

3) 如果负载经常变化，在2)中选择的V ／f 曲线，还需要在轻载和空载状态下进行检验。方法是：将拖动系统带以最轻的负载或空载，在低速下运行，观察定子电流I 1的大小，如果I 1过大，或者变频器跳闸，说明原来选择的V ／f 曲线过大，补偿过分，需要适当调低V ／f 曲线。

8.什么是转差频率控制？说明其控制原理。

答：转差频率控制就是检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电机速度对应的频率与转差频率之和作为变频器的给定输出频率。

9.转差频率控制与V ／f 控制相比，有什么优点？

答：由于通过控制转差频率来控制转矩和电流，与V／f控制相比其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈进行速度闭环控制，速度的静态误差小，适用于自动控制系统。

10.矢量控制的理念是什么？矢量控制经过哪几种变换？

答：矢量控制是通过控制变频器输出电流的大小、频率及相位，用以维持电动机内部的磁通为设定值，产生所需的转矩。变频器的控制器输出直流电流i M*和i T*，其中i M*是励磁电流分量，i T*是转矩电流分量。它们都是由变频器的给定信号分解而成的(*表示变频中的控制信号)。经过直／交变换，将i M*和i T*变换成两相交流信号iα*和iβ*，再经2／3变换得到三相交流控制信号i A*、i B*、i C*去控制三相逆变器。

11.矢量控制有什么优越性？使用矢量控制时有哪些具体要求？

答：矢量控制系统的优点：1）动态的高速响应；2）低频转矩增大；3）控制灵活。

使用矢量控制对变频器和电动机有如下要求：

1) 一台变频器只能带一台电动机。

2) 电动机的极数要按说明书的要求，一般以4极电动机为最佳。

3) 电动机容量与变频器的容量相当，最多差一个等级。如：根据变频器的容量应选配1lkW的电动机，使用矢量控制时，电动机的容量可是1lkW或7.5kW，再小就不行了。

4) 变频器与电动机间的连接线不能过长，一般应在30m以内。如果超过30m，需要在连接好电缆后，进行离线自动调整，以重新测定电动机的相关参数。

第9章变频调速系统的选择与操作

1．若变频器拖动的负载为笼型电动机，选择变频器时应考虑哪些问题？

答：对于笼型电动机选择变频器拖动时，主要依据以下几项要求：1）依据负载电流选择变频器；2）考虑低速转矩特性；3）考虑短时最大转矩；4）考虑容许最高频率范围；5）考虑噪声；6）考虑振动。

2. 变频器专用电机分为哪些种类？

答：变频器专用电机的分类有以下几种：

1）在运转频率区域内低噪声、低振动。

2）在低频区内提高连续容许转矩(恒转矩式电机)。

3）高速用电机。

4）用于闭环控制(抑制转速变动)的带测速发电机的电机。

5）矢量控制用电机。

3.变频器的主电路端子R、S、T和U、V、W接反了会出现什么情况？电源端子R、S、T连接时有相序要求吗？

答：变频器的主电路端子R、S、T和U、V、W接反了会出现烧坏变频器的严重后果。电源端子R、S、

T 连接时一般没有相序要求。

4.主电路电源输入侧连接断路器有什么作用？断路器如何选择？

答：连接断路器的作用：1）接通和分断负载电路；2）隔离作用；3）保护作用。

通常情况下低压断路器的额定电流I QN 应选：

I QN ≥ （1.3 ～1.4）I N

式中，I N ——变频器的额定电流。

在电动机要求实现工频和变频的切换控制的电路中，断路器应按电动机在工频下的起动电流来进行选择： I QN ≥ 2.5 I MN

式中，I MN ——电动机的额定电流。

5.主电路中接入交流电抗器有什么作用？

答：主电路中接入交流电抗器，可起到以下作用：1) 减少变频器的输入电流谐波含量； 2) 改善三相输入电流的不平衡；3) 抑制电源系统的瞬变干扰；4) 提高功率因数。

6.制动电阻与制动单元有什么不同？

答：制动电阻与制动单元的功能是当电动机因频率下降或重物下降(如起重机械)而处于再生制动状态时，避免在直流回路中产生过高的泵生电压。制动电阻是把泵生电压变为热能消耗掉，而制动单元一般具有将泵生电压回馈电网的作用。

制动电阻的选择：1）制动电阻R B 的大小；2) 制动电阻的功率P B ；3)常用制动电阻的阻值与容量的选择可参考变频器说明书。

制动单元的配置可参考变频器说明书。

7.变频器与电动机之间的连线过长会出现什么问题？如何选择长距离导线？

答：变频器与电机之间的连线过长，则电压降增大，可能引起电机转矩不足。特别是变频器输出频率低时，其输出电压也低，线路电压损失所占百分比加大。变频器与电机之间的线路压降规定不能超过额定电压的2％，根据这一规定来选择电缆。工厂中采用专用变频器时，如果有条件对变频器的输出电压进行补偿，则线路压降损失容许值可取为额定电压的5％。

容许压降给定时，主电路电线的电阻值必须满足下式：

)3/()1000(LI U R C ??≤

式中 R C —— 单位长电线的电阻值 (Ω/km)

△U ——容许线间电压降(V)；

L —— 1相电线的铺设距离(m)；

I —— 电流(A)。

8.画出电动机正转控制电路图。

答：由继电器控制的正转运行电路如图所示。

9.画出电动机正、反转控制电路图。

10.如何实现工频和变频切换运行？画出控制电路来。

答：1) 用户可根据工作需要选择“工频运行”或“变频运行”。

2) 在“变频运行”时，一旦变频器因故障而跳闸时可自动切换为“工频运行”方式，同时进行声光报警。

11.频率给定信号有哪几种设置方法？什么方法最简便精确？

答：给定信号方式，就是调节变频器输出频率的具体方法，有模拟量给定、面板给定和通讯接口给定等多种方法。在选择给定方法时应优先选择面板给定方法，因为面板给定属于数字量给定，不需要外部接线，方法简单，频率设置精度高。

12.说明最大频率、最大给定频率与上限频率的区别。

答：最大频率f max和最大给定频率f XM都与最大给定信号x max相对应，但最大频率f max通常是根据基准情况决定的，而最大给定频率f XM常常是根据实际情况进行修正的结果。

当f XM＜f max时，变频器能够输出的最大频率由f XM决定，f XM与x max对应；

当f XM＞f max时，变频器能够输出的最大频率由f max决定。

上限频率f H是根据生产需要预置的最大运行频率，它并不和某个确定的给定信号x相对应。

当f H＜f max时，变频器能够输出的最大频率由f H决定，f H并不与x max对应；

当f H＞f max时，变频器能够输出的最大频率由f max决定。

第10章变频器的安装与维护

1.变频器储存时应注意哪些事项？

答：①必须放置于无尘垢、干燥的位置。

②储存位置的环境温度必须在-20℃～+65℃范围内。

③储存位置的相对湿度必须在0％～95％范围内，且无结露。

④避免储存于含有腐蚀性气体、液体的环境中。

⑤最好适当包装存放在架子或台面上。

⑥长时间存放会导致电解电容的劣化，必须保证在6个月之内通一次电，通电时间至少5小时，输入电压必须用调压器缓缓升高至额定值。

2.变频器的安装场须满足什么条件？

答：变频器装设的电气室应湿气少、无水浸入；无爆炸性、可燃性或腐蚀性气体和液体，粉尘少；装置容易搬入安装；有足够的空间，便于维修检查；备有通风口或换气装置以排出变频器产生的热量；与易受变频器产生的高次谐波和无线电干扰影响的装置分离。若安装在室外，必须单独按照户外配电装置设置。

3.变频器安装时周围的空间最少为多少？

答：变频器在运行中会发热，为了保证散热良好，必须将变频器安装在垂直方向，切勿倒装、倾斜安装或水平安装。其上下左右与相邻的物品和挡板(墙)必须保持足够的空间，左右5cm以上，上下15cm以上。

4.变频器传动笼型电动机，电动机铭牌数据为，额定电压220V、功率11kW，4极、额定电流22.5A，电缆铺设距离50m，线路电压损失允许在额定电压2％以内，试选择所用电缆的截面大小？

解：(1)求额定电压下的容许电压降。

容许电压降；△U =220V ×2% = 4.4V

(2)求容许压降以内的电线电阻值。

电线电阻R C =km /54.2km /)]20503/)4.41000[(Ω=Ω???

(3)根据计算出的电阻选用导线。

由计算出的R C 值，从厂家提供的相关表格中选用电缆，如表10-1列出的常用电缆选用表，从中看到，应选电缆电阻2.54Ω/km 以下的电缆，截面积为9mm 2。

5.变频器系统的主回路电缆与控制回路电缆安装时有什么要求？

答：选择主回路电缆时，须考虑电流容量、短路保护、电缆压降等因素。一般情况下，变频器输入电流的有效值比电机电流大。安装时变频器与电机之间的连接电缆尽量短，接地回路须按电气设备技术标准所规定的方式施工。

变频器控制回路的控制信号均为微弱的电压、电流信号，控制电缆的截面选择必须考虑机械强度、线路压降、费用等因素。控制回路易受外界强电场或高频杂散电磁波的影响，易受主电路的高次谐波场的辐射及电源侧振动的影响，因此，必须对控制回路采取适当的屏蔽措施。

主回路电缆与控制回路电缆必须分离铺设，相隔距离按电器设备技术标准执行。

6.变频器运行为什么会对电网产生干扰？如何抑制？

答：变频器的整流电路和逆变电路都是由非线性器件组成，其电路结构会导致电网的电压电流波形发生畸变，作为对低压配电线路谐波的管理标准，电压的综合畸变率应在5％以下。若电压畸变率高于5％，可以用接入交流电抗器或直流电抗器的方法抑制高次谐波电流，使受电点电压畸变率小于5％。

7.电网电压对变频器运行会产生什么影响？如何防止？

答：电网三相电压不平衡时，会使变频器输入电流的波形发生畸变。当不平衡率大于3％时，变频器输入电流的峰值就显著变大，将导致三相电流严重失衡，从而造成连接的电线过热，变频器过压、过流，并使整流二极管将因电流峰值过大而烧毁，也有可能损坏电解电容。为减少三相电压不平衡造成的负面影响，同样可在变频器的输入侧加装交流电抗器，并在直流侧加装直流电抗器。

8.说明变频器系统调试的方法步骤？

答：变频器系统的调试步骤：1)通电前检查；2) 在断开电动机负载的情况下，对变频器通电检查；3) 空载试验；4) 负载试验。

9.在变频器的日常维护中应注意些什么？

答：（1）只有受过专业训练的人才能拆卸变频器并进行维修和器件更换。

（2）维修变频器后不要将金属等导电物遗漏在变频器内，否则有可能造成变频器损坏。

（3）进行维修检查前，为防止触电危险，请首先确认以下几项：① 变频器已切断电源；② 主控制板充

电指示灯熄灭；③ 用万用表等确认直流母线间的电压已降到安全电压(DC36V 以下)。

（4）对长期不使用的变频器，通电时应使用调压器慢慢升高变频器的输入电压直至额定电压，否则有触电和爆炸危险。

10.结合图10-19，说明变频器主电路的不同位置进行电量测量时，应分别使用什么仪表？

答：1）电源侧电压U 1和电流I 1，采用电磁式仪表。

2）电源侧功率P 1采用电动式仪表。

3）输出侧电压U 2采用整流式仪表。

4）输出侧电流I 2采用电磁式仪表。

5）输出侧功率P 2采用电动式仪表。

6）整流器输出采用磁电式仪表。

11.变频器的常见故障有哪些？应如何处理？

答：1）电源故障处理。如电源瞬时断电或电压低落出现“欠电压”显示；瞬时过电压出现“过电压”显示，都会引起变频器跳闸停机。待电源恢复正常后即可重新起动。

2）外部故障处理。如输入信号断路，输出线路开路、断相、短路、接地或绝缘电阻很低，电动机故障或过载等，变频器即显示“外部”故障而跳闸停机，经排除故障后，即可重新启用。

3）内部故障处理。如内部风扇断路或过热，熔断器断路，器件过热，存储器错误，CPU 故障等，可切换至工频运行，不致影响生产；待内部故障排除后，即可恢复变频运行。

4）功能参数设置不当的处理。当参数预置后，空载试验正常，加载后出现“过电流”跳闸，可能是起动转矩设置不够或加速时间不足；也有的运行一段时间后，转动惯量减小，导致减速时“过电压”跳闸，修改功能参数，适当增大加速时间便可解决。

第11章 变频器应用举例

1. 某风机原来用风门控制风量，所需风量约为最大风量的80%，分析采用变频调速后的节能效果。 答：则功率P L 和转速n L 之间的关系式

30L P L n K P P +=

近似为

3

L P L n K P =

若所需风量约为最大风量的80%，可得

P ＝K p×(0.8)3 n L 3＝0.5 K p n L 3 由此可见，节能效果约为50%.

2. 画出风机变频调速系统的电路原理图，说明电路工作过程。如果要让风机在两个地方调节风量，应如何连接？

答：参考图11-3，自行完成。

3. 空气压缩机的负载属于什么类型？空气压缩机的电机实现变频调速后有什么优点？

答：空气压缩机属于恒转矩负载，空气压缩机大多处于长时间连续运行状态，传统的工作方式为进气阀开、关控制方式，即压力达到上限时关阀，压缩机进入轻载运行；压力抵达下限时开阀，压缩机进入满载运行。这种频繁地加减负荷过程，不仅使供气压力波动，而且使空气压缩机的负荷状态频繁地变换。由于设计时压缩机不能排除在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以只能按最大需求来选择电动机的容量，故选择的电动机容量一般较大。空气压缩机采用变频调速技术进行恒压供气控制后，1）节约能源使运行成本降低；2）提高压力控制精度；3）全面改善压缩机的运行性能。

4.画出空气压缩机变频调速系统的电路原理图，说明电路工作过程。

答：参考图11-5，自行完成。

5.变频恒压供水与传统的水塔供水相比，具有什么优点？

答：采用水塔、高位水箱，或气压罐增压设备，必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量，其结果增大了水泵的轴功率和耗能。恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用变频器对水泵电动机进行变频调速，组成供水压力的闭环控制系统，系统的控制目标是泵站总管的出水压力，改变水泵电动机的转速和控制水泵电动机的投运台数，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上，达到节能降耗。

6.如何选择变频恒压供水的水泵和变频器？

答：做供水系统设计时，应先选择水泵和电机，选择依据参照表11-1、表11-2和表11-3。水泵和电机选择好后，配套选择供水专用变频器。

7. 画出变频器1拖3的电路图，说明随供水量变化循环工作过程。

答：参照图11-9，自行画出。

8. 为什么恒压供水系统最好选用专用供水变频器？

答：专用供水变频器是制造商依据供水的特殊要求而设计的，方便用户选用和设置功能参数，使用操作比较方便。

9. 简述中央空调系统的组成，说明中央空调改造为变频调速的意义。

答：中央空调系统组成：1) 冷冻主机；2) 冷却水塔；3）冷冻水循环系统；4）冷却水循环系统；5）冷却风机。采用变频器控制电机后，节电率达到20％～40％，并且电机在起动时及运转过程中均无冲击电流，而冲击电流是影响接触器、电机使用寿命最主要、最直接的因素，同时采用变频器控制电机后还可避免水锤现象，因此可大大延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。

10. 画出中央空调系统冷冻水部分变频调速的电路原理图，取什么信号作为反馈量较好？

答：参照图11-11，自行完成。

11. 为什么潜油电泵适合应用中压变频器进行变频调速？

答：由于潜油电泵的特殊性，用风机、水泵变频器无法达到上述的性能指标，因为风机、水泵变频器与潜油电泵需要的电压不符，因而选用1140V、30kW～100kW潜油电泵专用变频器系列产品。

12.矿用提升机变频调速系统为什么选用专用变频器为好？说明矿用提升机专用变频器主电路的结构特点？

答：矿用提升机对安全和可靠性有特殊要求，所以应选用专用提升机系列变频器。矿用提升机专用变频器主电路的结构特点：1) 可以实现电机的软启动、软停车，减少了机械冲击，使运行更加平稳可靠；2）起动及加速换挡时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化了操作、降低了工人的劳动强度；3) 运行速度曲线成S形，使加减速平滑、无撞击感；4) 安全保护功能齐全，除一般的过压、欠压、过载、短路、温升等保护外，还设有连锁保护、自动限速保护功能等；5) 设有能耗制动、机械制动及回馈制动等多种制动方式，使安全性更加可靠；6) 该系统四象限运行，回馈能量直接回电网，且不受回馈能量大小的限制，适应范围广，节能效果明显。

13.液态物料对提升机的工作有何要求？提升机采用变频调速有什么优点？

答：液态物料传输时，要求提升机起动时缓慢升速，达到一定速度后匀速运行，当接近终点时，先减速再缓慢停车。提升机采用变频调速可以很容易地满足液态物料的程序控制。变频器可以任意设置起动升速时间和制动减速时间，使起动和制动过程平稳；还可以轻易地做到多挡速程序控制。