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？

Vf控型变频器；②转差频率控制变频器；③矢量控制变频器；④直接答：按控制方式变频器分为：①/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？

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间也加正答：II以下，上述正反馈无法维持，管子降低到维持电流向电压。要使导通的晶闸管的关断，必须将阳极电流HA I是保持晶闸管导通的最小电流。自然关断。维持电流H2. 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：

ＩG最大可关断阳极电流）关断增益(2（1）offTGQM

4. GTO为什么要设置缓冲电路？说明缓冲电路的工作原理。

Ｕ，抑制阳极电流下降过程中所产生的尖峰阳极电压以降低关断损耗，防止结温升高；答：GTO 关断时，pＵut，以免关断失败；GTO开通时，缓冲电容通过电阻向dGTO／d抑制阳极电压放电，有助于所的上升率Ａk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。

RLLitRC和VD的电感。组成了缓冲电是GTO导通瞬间限制d图中d、／为负载，VD为续流二极管，sAss LitＩi d d当门极控制关断时抑制阳极电流／d的下降，，路。 GTO的阳极电路串联一定数值的电感来限制ＡA tLＵＲCR要通过阻尼电阻电容开通瞬间，加以限制。当GTO／d 在电感上感应的电压尖峰通过VD和ＡsApsA RC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，在向GTO放电，若GTO小，则sss LCRC放电开通时，谐振。限制则用于关断过程中的内阻来阻尼用ＶＤ关断时，的通态内阻及GTOGTO和ssssA LC谐振。和反向恢复阻断时阻尼电流峰值，并于GTO关断末期ＶＤssA5. 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GTR许值而导致器件损坏。为此．

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：

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

U：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。 4)集电极-发射极饱和电压EC(sat) 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。

GCT从而阻断了结反偏，PN其中总有一个结构，PNP与二极管隔离区中因为有GCT逆导逆导技术）3（．

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、二极管VD 和制动BB RR。当电动机制动R两点上的外接制动电阻。如果回馈能量较大或要求强制动，还可以选用接于P、电阻EBB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施加B RRRR)消耗掉。)与电容器并联，则存储于电容中的再生能量经基极信号，使之导通，将((EBBEBB6.说明图3-15所示全桥逆变电路的工作原理。

UC，接有大电容答：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d t时刻之前V、组成两对，工作时，设V导通，、4和桥臂2、3使电源电压稳定。电路中

的四个桥臂，桥臂1421it时刻给V、V关断信号，给V、V导通信号，则V负载上的电压极性为左正右负，负载电流、由左向右。1241o23i方向不能突变，于是VD、VD关断，但感性负载中的电流V 导通续流，负载两端电压的极性为右正左负。32o4tiit时刻给V、V关断信号，给V、、VD截止，V、V导通，开始反向。同样在当V时刻降至零时，VD41322o33o342iti降至零时，VD、VD截止，、VD导通续流。时刻V、V导通信号后，、V关断，方向不能突变，由VD1143o5o412iui见图3-15b 所示。反向，如此反复循环，两对交替各导通180°。其输出电压导通，V和负载电流O4Oo

a) 工作波形全桥逆变器 b)

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？

所示。4-1交变频器的原理框图如图-答：单相交．

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？

α进行调制。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。

高型变频调速系统直接高 -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ut的影响。dd／因数；(5) 抑制输出谐波成分；(6) 抑制共模电压和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utit的影响，由于频率高，滤波器的体积很小。／、dd高频成分并减少d／d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UU。-、0、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：dd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。

简述三电平逆变器的工作原理。? 高压变频器为什么不采用双电平控制方式8.

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，下图所示为三电平逆变器一相的结构图。波，逆变器可采用三电平方式，也称为中心点钳位方式(NPC)

三电平逆变器一相的结构图

VD6VD5和～，VD1VD4为反并联的续流二极管，电路中的逆变器的功率开关器件VT1～VT4为

IGBT U0C1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。上端的电压，为滤波电容d U的通断状态时，在输出端～VT4C2下端的电压。当改变C2为C1、连接中心点的电位，-VT1为滤波电容d将获得三种不同的电压。的线电6,000V59. 说明功率单元多级串联电压型变频器电路结构原理？若每相由个功率单元串联得到压，每个功率单元的电压大致为多少？个低6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3?3,480V = 则叠加后输出相电压最高可达功率单元串联而成，3,480V，6,000V线电压为压为580V的IGBT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连接地。连接制动单元；PEN-P+接外部制动电阻器；、变频器的控制端子大致分为哪几类？ 4.

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。

fff的给定值。3）基本频率。基本频率，用作为基频表示。一般以电动机的额定频率bbN ff来表示。和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）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，LH5

区间的下ff。、上限是限是J2J16.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？

n可表示为答：三相交流电动机的同步转速（即定子旋转磁场转速）060f1?n

0p fn也随之调节成如果将电源频率调节为，则同步转速0xx60f x?n

x0p n的表达式为异步电动机变频后的转速x60f x(1?s1?s)?)(n?n0xx p 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f从而Δ降压起动等。在变频调速系统中，变频器用降低频率压器降压起动、串电阻或电抗器降压起动、Y-1U的方法来起动电动机。也降低了1三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？

ffV／f控制。这时应当注调频时，同时下调加在定子绕组上的电压，即恒答：在额定频率以下，即＜N1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：

ffUU == NN1 1U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，若在额定频率以上调频时，1UU不变。=即必须保持N1V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 5.／f控制，为什么？Φ增加将会使电动机的铁心出现深度饱和，这将使励磁答：由于额定工作时电动机的磁通已接近饱和，M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。

Φ不变，可以让为了达到下调频率时，磁通M E1?常数f1UE，上式可写为：有≈11U1?常数f1ffV／f控制。调频时，

同时下调加在定子绕组上的电压，即恒因此，在额定频率以下，即＜N16.电动机的调速范围是如何定义的？

nn之比，即指电动机在额定负载时所能达到的最高转速与最低转速答：电动机的调速范围LminLmax n Lmax??L n Lmin7.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。

Tn成反比，而其功率基本维持不变的负载。对恒功率负的大小与转速（2）恒功率负载。是指负载转矩L Vf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/载，一般可选择通用型的，采用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：